车载CT方舱减振装置的研制

晁勇，帅万钧，苏卫华，刘帅，牛福，谭树林，武超，段德光

1.中国人民解放军总医院第一附属医院，北京 100048；2.军事医学科学院卫生装备研究所，天津 300161

车载CT方舱减振装置的研制

晁勇1，帅万钧1，苏卫华2，刘帅1，牛福2，谭树林2，武超2，段德光2

1.中国人民解放军总医院第一附属医院，北京 100048；2.军事医学科学院卫生装备研究所，天津 300161

我国幅员辽阔，各种自然灾害每年均有发生，例如汶川地震、玉树地震等，对当地的医疗基础设施造成了极大破坏[1]。灾后国家各类医疗救援队虽然能够快速抵达灾难现场，但由于缺少高精密仪器进行辅助诊断，仅可在手术车内实施简单的救治工作[2]。

据以往数据统计，在地震和战场环境下，重物坠落、墙壁倒塌和爆炸引起的头颅损伤和内脏损伤比例较大，仅依靠现场配备的仪器很难进行快速诊断。而这些损伤如不能及时对症治疗，极易造成伤者死亡[3-4]。目前CT机是颅内出血和脏器损伤的主要诊断工具，也是院内急救的标准检查设备[5]。然而CT机属于高端精密设备，其使用环境要求苛刻[6-7]。CT方舱运输过程中因恶劣路面产生的冲击会导致CT机很难在野外环境下使用。

本文通过研究CT机承受振动和冲击的极限参数，采用适当减振设计，将野外运输的冲击力降至CT机可承受范围内，进而使CT机在野外急救环境中工作成为可能。

1 运输状态下的振动分析

CT方舱设计的目标环境为灾难现场和战争环境。将CT机利用陕汽SX2190P底盘运输到使用现场，由于道路条件的复杂性，CT机将不可避免地会受各种振动、冲击等机械因素的影响，危害主要有以下几种[8]：

（1）设备发生共振现象，振动加速度超过设备极限时会导致设备损坏。

（2）路面冲击所产生的冲击力超过设备的强度极限时会导致设备破坏。

（3）持续的振动还可能造成紧固装置松脱，引起零件变形或使螺钉和螺母松动甚至脱落，导致设备发生故障。

基于以上原因，必须对CT方舱中的CT机做适当的减振处理，方可使其安全、稳定地应用于野外恶劣环境。

1.1 CT机各部分抗振性能分析

CT机属于X射线类成像设备，它根据不同组织对X射线的衰减率不同的原理，利用计算机及重建算法，重建出人体组织的断层图像[9]。CT方舱选用GE公司生产的Brivo 325型双排螺旋CT机，包括机架、扫描床和控制台等组成部分[10-11]。

扫描床为钢架式固定结构，床板可做水平移动，整体抗振性较好，无需额外的减振措施。控制台由工业级工作站和控制键盘构成，仅需对工作台底脚加装减振橡胶垫，即可满足运输条件。

CT机架是产生穿透人体的X射线并进行图像采集的结构，对振动、冲击和温湿度较敏感，是减振系统设计的重点。CT机架由静止部分和旋转部分组成，结构见图1。

图1 CT机架结构示意图

静止部分包括CT机架底座、机架电源和控制组件，主要功能是为CT旋转部分提供物理支撑和供电电源，控制X射线的发生并接收采集的图像数据。旋转部分包括球管、探测器、高压发生器以及控制组件，总重量约为300 kg，利用环形轴承固定于机座支撑臂上。旋转部分在采集数据时会高速旋转，最高转速为1 周/s，为避免高速旋转产生的偏心力，可利用配重块进行精确配重，从而使偏心力＜30 kg。

根据GE公司提供的技术资料，Brivo 325在运输条件下所能承受的振动与冲击的极限值，见表1。功率谱密度曲线，见图2。

图2 GE CT各方向承受振动功率谱密度曲线

表1 GE Brivo 325型CT机振动和冲击极限值

由CT机架结构及相关振动、冲击数据可知，CT机架旋转部分的重量较大，且仅靠环形轴承形成支撑，因此对振动和冲击最为敏感。如果振动或冲击的幅度过大，造成轴承变形或损坏，将直接导致CT机无法正常工作。

1.2 运输路况的振动条件分析

在野外救援环境下，道路多数处于破坏状态，因此路面情况极其复杂，基本以砂石路面为主，同时还包括搓板路、扭曲路、鱼鳞坑路和中鹅卵石等路。为研究CT方舱运输时所需的减振措施，以现有车辆在标准车辆试验场进行跑车试验，根据车辆运输试验测得的试验数据，估算出方舱内部随机振动条件，见表2和图3。

图3 实测舱底振动功率谱密度曲线

表2 CT方舱底部随机振动试验数据

由表2和图3可知，CT机架如果与方舱舱体刚性连接，在运输条件下所承受的外界振动和冲击力必然会超过其极限值，从而导致设备损伤，因此必须采取相应的减振措施。

2 减振支架的设计

通过以上分析可知，CT方舱野外运输时，必须对CT机架进行减振处理，从而确保在恶劣路况下因运输产生的振动和冲击力不会超过CT机架所能承受的极限值。

为了保证CT机架的支撑强度，在方舱内部为CT机架设计一套减振支架，将CT机架固定于减振支架上。支架采用6只减振器，即减振支架底部安装4只减振器、后部安装2只减振器，以满足不同方向的减振要求。根据GE公司提供的数据，Brivo 325型CT机的机架重量约为948 kg，同时考虑到减振器安装所需减振支架的额外重量，金属减振器承载重量约为1080 kg。

2.1 金属减振器的选择

由于CT方舱中CT机架和减振支架的重量均由减振支架底部安装的4只金属减振器承载，安装于后部的2只减振器不起垂直方向的承载作用，因此底部安装的每只金属减振器承载重量约为270 kg。利用Matlab软件，根据CT机架对振动和冲击的极限要求，计算金属减振器在随机振动试验条件下的减振特性。经多次仿真试验，最终选用JZZ7812-1型金属减振器，基本结构见图4。

图4 JZZ7812-1型金属减振器结构示意图

该金属减振器是一种全金属减振构件，主要的减振元件为金属橡胶材料。金属橡胶材料以金属丝为原材料，不含任何普通橡胶，是一种均质的弹性多孔物质，由金属丝经过螺旋成型拉长，相互缠绕模压而成；其内部结构是螺旋状金属丝之间的相互嵌合、勾联而形成的类似于橡胶分子结构的空间网状结构，在受力变形时由金属丝的相对位移产生摩擦，使一部分振动能量转变为热能逸散，具有阻尼效果。

该金属减振器单个承载范围为220～310 kg，4只减振器整体承载重量为880～1240 kg，可满足CT机整体承载重量的要求。根据以往试验和理论计算经验，金属减振器的性能参数可设定为：fz（减振器轴向谐振频率）=3～4 Hz，fr（减振器横向谐振频率）=0.7 Hz，峰值处的放大倍数Q≤10。

2.2 减振支架的结构

为了便于减振器与CT机架进行刚性连接，发挥减振和支撑作用，设计了以矩形钢管焊接而成的L型减振支架，6只金属减振器分别固定于减振支架的底部和后部，结构见图5。

图5 减振支架结构示意图

该减振支架的主要设计思路有以下几点：

（1）减振支架底部由4个减振器提供支撑，可调节其相对位置，使CT机架的重心位于4个减振器的几何中心，即4个减振器均处于最佳受力状态。

（2）实现CT机架运输状态和工作状态的转换。运输状态时，CT机架和减振支架完全由减振器承载，4个水平调节螺杆旋起，处于不受力状态；工作状态时，水平调节螺杆旋落并刚性连接于方舱底板，处于受力状态，将CT机架和减振支架整体抬起，减振器处于半负载或无负载状态，同时可以调节各个调节螺杆的起落以保持CT机架处于水平状态，满足CT设备的安装要求。

（3）减振支架与方舱后壁之间形成三角架以加强刚度，三角架顶端与后壁之间配以减振器辅助支撑，提高系统横向减振效果，同时可以防止紧急加速或刹车所造成的设备横向的大位移振动。

3 试验验证

CT机减振装置设计完成后，对CT方舱进行了总装，并根据标准车辆试验场采集的路谱，在车辆振动台上进行了振动试验。减振支架的减振性能，见表3。

由上述结果可以看出，在对CT机架采取减振措施后，设备在振动中所承受的最大冲击值远小于车体的最大冲击值（58.8 N/kg），且小于设备所能承受的极限冲击值，从而避免因运输过程中的强烈冲击导致设备损坏。

表3 减振支架减振性能测试结果

4 结论

CT机减振装置由金属阻尼减振器、减振支架和平衡调节装置构成，可确保CT机在运输状态下能够承受剧烈冲击，在野外展开状态下能够满足安装要求。该装置的成功研制使CT机等高尖端精密设备应用于野战急救环境成为可能，可大大提升野外急救装备的配置水平。

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Development of Vibration Damping Device of CT Shelter

CHAO Yong1, SHUAI Wan-jun1, SU Wei-hua2, LIU Shuai1, NIU Fu2, TAN Shu-lin2, WU Chao2, DUAN De-guang2
1.The First Affliated Hospital of General Hospital of PLA, Beijing 100048, China; 2.Institute of Medical Equipment, Academy of Military Medical Sciences, Tianjin 300161, China

为保证CT方舱在野外全路况的正常工作，研制了由金属阻尼减振器、支架和平衡调节装置构成的CT机减振支撑装置，使CT机在处于行驶状态时能承受6.0 g加速度的极限冲击，同时在野外展开状态时符合安装要求。该装置的研制满足了CT机对运输和工作条件的苛刻要求，使CT机等高端精密设备应用于野战急救环境成为了可能。

CT方舱；CT机；减振装置；平衡调节装置

In order to ensure the normal operation of CT shelter during the process of road transport, a vibration damping device composed of several metal dampers, supports and balance adjusting devices was developed to assure that CT system could run normally under the maximum impact whose accelerated speed was 6.0 g and could meet the installation requirements in the field. The vibration damping device which has satisfed the strict requirements for the transport and operation conditions of CT system makes it possible to apply the sophisticated and precise equipment such as CT system to feld frst-aid.

CT shelter; CT machine; vibration damping device; balance adjustment device

TH774

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.06.008

1674-1633(2014)06-0022-03

0 前言

2014-05-27

全军后勤科研重点项目（BWS13C030）。

本文作者：晁勇，医学工程科主任，副主任技师，主要研究方向为医学装备管理、研发和计量检测。

作者邮箱：yongchg@sina．com