大型医学影像设备SPECT机架结构设计与分析*

田融冰，郭丽峰，张超建，薛建平

(1.北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院，北京 100124；2.北京石油化工学院 机械工程学院，北京 102600；3.北京辛耕普华医疗科技有限公司，北京 101102)

大型医学影像设备——单光子发射断层成像设备(Single Photon Emission Computed Tomography，SPECT)具有功能成像和辐射伤害小等优点，广泛应用于心脏、骨骼和肺等器官的功能研究及多种疾病的诊断。SPECT主要由机架、平移旋转装置和探测器等组成，其中机架为SPECT设备的主要承载机构。SPECT探测器总质量达数百公斤，依据医疗器械对安全性的特殊要求(4倍安全系数)[1]，机架承载能力需达1 t以上。SPECT通常具有10个左右的自由度，以满足不同的测量模式，如180°模式和90°模式等，因此设计要求机架具有高刚度及良好的稳定性。

为满足成像所需的不同测量模式，SPECT机架机械系统所承载的探测器需超出机架前端面0.5 m左右，而机构包含2个探测器，每个探测器重达数百公斤，探测器及前端各传动机构组成的负载重达1 600 kg，将产生较大的倾覆力矩。当探测器处于90°模式，且旋转至机架一侧时，负载会对机架产生较大的偏载，因此设计要求机架具有高承载的特性。考虑到设备搬运的便捷性和楼板的承载等，设备要求轻量化设计。设计结构是否合理，是否满足强度和刚度的要求，将直接影响到整机的性能，以及整个机械系统的安全运行；因此，对SPECT机架结构进行仿真分析具有重要的意义。

为了寻求既经济又安全的结构形式，满足医疗器械4倍安全系数及机构的高承载能力，设计了SPECT机架三维模型，应用SolidWorks软件中的Simulation模块对其进行仿真分析，以获取更好的静力学状态特征。Simulation是SolidWorks公司开发的一种功能强大的有限元分析软件。它作为嵌入式分析软件与SolidWorks软件无缝集成，成为顶级的销量产品[2]。SPECT机架机械系统结构复杂，传统的力学方法很难计算出机架的刚度和强度，随着计算机技术的发展，有限元法的应用提供了一种新的方法和手段[3]。

1 SPECT机架模型的建立

1.1 建立机架数学模型

SPECT机架是单光子发射断层成像仪的重要组成部分，其机架腹板更是承载了该设备全部负载产生的倾覆力矩，机架初期设计采用的是槽型结构，利用SolidWorks软件对机架和探测器组件进行三维建模，对两者的接触面应用“接合”命令，以使两者装配为一个整体。虚拟样机的辅助设计减少了对物理样机的依赖，为产品的自主研发提供了有效的分析手段[4]。

该SPECT机架的空间尺寸(长×宽×高)为1 420 mm×750 mm×1 950 mm，机架侧面前后距离为230 mm。简化探测器组件前后长度为0.825 mm，质量为1 600 kg。机架设计基本参数见表1。机架简化三维实体模型和装配图分别如图1和图2所示。

表1 机架设计基本参数

图1 SPECT机架 图2 SPECT装配体

SPECT在工作中探测器有90°模式和180°模式，当SEPCT在90°模式时，2个探测器相靠最近，假设此时2个探测器为一整体，则机架负载产生的径向偏载力和倾覆力矩要比180°模式大很多；因此，只需考虑受力最大情况，即90°模式。探测器180°模式如图3所示，探测器90°模式如图4所示。

图3 探测器180°模式 图4 探测器90°模式

在90°模式下，当探测器旋转到机架正上方时，探测器产生的径向偏载和倾覆力矩对机架的变形影响最大，本文将探测器和传动部件等负载简化为一整体。在相同负载的情况下，对SPECT机架进行静力学分析，查看其变形和应力大小；同时还要考虑医疗器械对安全系数的特殊要求——4倍安全系数及材料屈服强度，所以机架允许的最大应力应≤132.5 MPa。

1.2 建立机架有限元模型

在建立SPECT机架机械系统的有限元模型时，应先对其机构进行必要的简化。应对主承载件均保留其原结构形状，以反映其力学特性，对非承载件进行一定的简化[5]。在SolidWorks Simulation软件的实际应用中，一般会遵循如下过程：创建静应力算例→材料使用→连结→约束添加→载荷施加→网格划分→运行分析→结果分析。具体过程如下。

1)材料使用。在机架零件中右键单击Simulation设计树下的“材料”，选择“编辑材料”，然后从SolidWorks materials下的“钢”文件夹中选择“AISI 1045钢”，单击“确定”。对简化探测器组件实施相同操作，对其应用“普通碳钢”。

2)连结。在Simulation Study树中右键单击“连结”，在弹出的零部件相触面组中选择“接合”，以使SPECT机架和简化探测器接合在一起。

3)添加约束。在Simulation Study树中右键单击“夹具”，并选择“固定几何体”，对机架和地面接触部位的8个地脚螺栓孔应用固定几何体约束。

4)施加载荷。在Simulation Study树中右键单击“外部载荷”，本文只考虑机架装配体自身重力，所以选择“引力”，重力加速度为9.81 m/s2，方向竖直向下。SPECT装配体受力模型如图5所示。

图5 SPECT装配体受力模型

图6 SPECT装配体网格模型

5)网格划分。在Simulation Study树中右键单击“网格”，然后选择“生成网格”，采用高品质的单元划分机架装配体网格，网格密度选择良好，网格参数选择基于曲率的网格，网格细节显示最大单元大小为71 mm，最小单元大小为14 mm；显示单元总数为30 373，节总数为54 693。在SolidWorks Simulation中的SPECT装配体划分网格后的结果如图6所示。

6)运行分析。在Simulation菜单栏中单击“运行”命令，在此过程中，可以通过屏幕上的解算器窗口监视运算过程。分析结果会显示在Simulation Study树下的结果中。

2 SPECT机架仿真分析及验证

2.1 SPECT机架仿真分析

在对SPECT机架装配体应用了材料、连结、约束、载荷和网格后，应用SolidWorks Simulation软件的求解器来求解有限元模型。仿真分析结束后，为了更好地观察SPECT机架的应力和变形情况，将分析结果中的简化探测器隐藏，留下机架单独显示。机架分析结果保存在Simulation Study树中的结果选项中。

SPECT机架采用的是槽型结构，在这种情况下进行静应力分析，得到隐藏探测器组件的机架应力图解和位移图解。SPECT机架的应力图解如图7所示，SPECT机架的位移图解如图8所示。分析显示机架的最大应力发生在底部的地脚螺栓处，机架的最大应力为25.165 MPa；机架最大变形发生在机架顶部，最大变形量为0.873 mm。已知机架材料的屈服强度为530 MPa，故机架的最小安全系数为21，远远高于医疗器械4倍的安全系数要求。

图7 机架应力图解

图8 机架位移图解

2.2 试验验证

为了验证所建模型及有限元分析结果的精度，对该设备进行了相应的使用工况试验[6]。利用关节臂式三坐标测量仪对1台现有SPECT产品实物样机进行变形测量。在其机架顶部选取1个点，记录其没有负载时的数据；保持三坐标测量仪的位置不变，然后将数百公斤的探测器等负载安装上，并将负载模式调整为90°模式，记录此时的数据。数据显示出实物样机在取下负载和加上负载的前、后变形量差为0.9 mm。仿真结果机架变形量为0.873 mm，与实测结果基本一致，验证了仿真模型的合理性。

3 SPECT机架稳定性分析

图9 Motion分析装配体示意图

根据GB 9706.1—2007《医用电气设备第1部分安全通用要求》可知：SPECT在正常使用时，将设备倾斜10°，应不失衡。本文对该设备进行稳定性分析，建立1个与水平面斜度为10°的零件A，将该设备放置于零件A的斜坡上。在Motion分析中对整体施加重力，方向垂直于零件A底面；在设备和斜坡零件之间添加实体接触，Motion分析的装配体示意图如图9所示。分析结果显示，该设备始终保持原始状态没有倾倒，表明该机架在稳定性方面达到设计要求。

4 结语

本实验基于SolidWorks Simulation软件，对大

型医学影像设备SPECT进行了参数化建模，并对SPECT机架进行了结构设计和仿真分析。在满足该设备设计要求的前提下，研究证明该结构机架的最大应力始终满足条件，机架变形量为0.873 mm，而通过关节臂式三坐标测量仪测量可知现有实物样机机架变形量为 0.9mm，仿真分析结果与实测结果基本一致，说明此SPECT设备机架仿真模型的设计是合理的。Motion分析显示，该设备机架稳定性满足设计要求。SPECT机架更小的变形量扩大了整套设备成像系统中探测器对病人图像采集所覆盖的区域，提高了SPECT产品的综合性能和市场竞争力。另外，该实验的三维模型和静应力分析都是在同一平台操作，操作过程简单方便，对以后的优化设计和复杂机械结构分析具有很好的参考价值。

[1] 全国医用电器标准化技术委员会. GB 9706.1—2007 医用电气设备 第1部分：安全通用要求[S]. 北京：中国标准出版社，2007.

[2] SolidWorks公司. SolidWorks Simulation高级教程[M]. 杭州新迪数字工程系统有限公司，译. 北京：机械工业出版社，2009.

[3] 包家汉，潘紫微，包玮，等. HFCG120辊压机机架优化设计[J]. 机械设计，2007, 24(5)：64-66.

[4] 岳双杰,范秀敏,马彦军,等. 圆锥破碎机虚拟样机参数化建模与仿真分析[J]. 中国机械工程, 2011, 22(1)：2712-2716.

[5] 陈国荣，唐绍华. 汽车驱动桥桥壳强度与模态的有限元分析[J]. 机械设计与制造, 2012(2): 42-44.

[6] 陈晨，周志雄，黄向明，等. 一种起重机伸缩臂多目标优化方法及实验[J]. 机械设计与研究，2013，29(5):131-135.

*北京市教育委员会市属高校创新能力提升计划项目(TJSHG201310017035)