張 慧，陳勝茹

0 引言

超聲檢查無創(chuàng)、方便，可動(dòng)態(tài)觀察人體器官的情況，是常用的檢查方法[1]。然而，目前臨床上使用的超聲診斷床多采用平板整體結(jié)構(gòu)式，床的高度及面板固定，不可調(diào)節(jié)，不能適應(yīng)不同患者的診斷體位及上下床的需要。自動(dòng)控制多變形超聲診斷床能隨意調(diào)節(jié)指定面板的角度，操作者可以通過床邊的控制按鈕進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)患者的坐立位姿、側(cè)身位姿等，滿足不同檢查體位的需求，尤其適用于重癥及活動(dòng)不便的患者，操作方便。本文將就該床的設(shè)計(jì)構(gòu)思進(jìn)行闡述。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

診斷床為了實(shí)現(xiàn)升降、抬頭、抬背及軀體側(cè)翻等動(dòng)作，須有升降機(jī)構(gòu)、抬頭抬背機(jī)構(gòu)、側(cè)翻機(jī)構(gòu)?？傮w構(gòu)思：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、傳感控制運(yùn)動(dòng)及總體位姿協(xié)調(diào)等[2]。診斷床不同狀態(tài)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 診斷床結(jié)構(gòu)

該診斷床由床面、床架和電動(dòng)控制部分組成。床腿配有可調(diào)整地腳，床體高度可根據(jù)工作需要隨意調(diào)整，也可選擇自動(dòng)調(diào)整床體高度。床體左側(cè)裝有一個(gè)懸掛式操作按鈕控制盒，操作者可手持操控檢測床。

1.2 床面結(jié)構(gòu)

床面分為彼此獨(dú)立的7個(gè)面板，分別對應(yīng)人體頭部、背部及臀部和下肢，通過各個(gè)面板之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，采用單動(dòng)或聯(lián)動(dòng)方式來實(shí)現(xiàn)超聲檢查操作所需的各種體位位姿。

根據(jù)醫(yī)療檢查操作要求和患者的舒適感，各面板擺動(dòng)角度及標(biāo)準(zhǔn)如下：頭部面板擺動(dòng)角度0～30°，背板擺動(dòng)角度 0～75°[3]，側(cè)身面板擺動(dòng)角度 0～75°。頭部面板及背板下面設(shè)有一套自動(dòng)裝置，由按鈕操作，通過此自動(dòng)裝置控制頭部面板或背板旋轉(zhuǎn)一定角度。中間可旋轉(zhuǎn)床面兩側(cè)各裝有一對卡扣，兩側(cè)卡扣可分別繞床板兩側(cè)的固定軸左右旋轉(zhuǎn)床板0～75°，便于對人體多個(gè)層面的檢測，而無需患者本人移動(dòng)身體。在可旋轉(zhuǎn)床面下方也設(shè)有一套自動(dòng)裝置，通過按鈕操作此裝置使床面自動(dòng)旋轉(zhuǎn)。

圖1 診斷不同狀態(tài)的結(jié)構(gòu)圖

參照百分位人體尺寸、根據(jù)GB 10000—1988《中國成人人體尺寸》標(biāo)準(zhǔn)，95百分位（百分位表示具有某一人體尺寸和小于該尺寸的人占統(tǒng)計(jì)對象總?cè)藬?shù)的百分比。以第5百分位、人體身高尺寸為例，表示有5%的人身高等于或小于該尺寸）中國成年男子的身高為1 775mm，肩寬為330～415mm[4]。根據(jù)需要，整體床面尺寸確定為2 000 mm×900mm；床的中間段面板要盡可能窄，使患者能夠?qū)崿F(xiàn)側(cè)翻這一動(dòng)作，設(shè)計(jì)中背板中部可旋轉(zhuǎn)面板寬度為260mm，兩側(cè)分別為320mm。查閱手冊得人體的坐高大約800mm，所以檢測床背板的長度設(shè)計(jì)為860mm，其中頭部面板長300 mm。床面板為五合板，厚度為15mm。五合板表面蒙上一層海面皮革面，柔軟、舒適。

1.3 床架結(jié)構(gòu)

床架除了固定的機(jī)械機(jī)構(gòu)以外，還包括各個(gè)電動(dòng)機(jī)安裝模塊。床架包括2個(gè)端支腿和1個(gè)中部支腿[5]，用35mm×35mm高強(qiáng)度方管焊接完成。2個(gè)端支腿與中部支腿通過4根中間橫撐用六角頭螺栓聯(lián)接。床架表面噴塑處理，使床體美觀、耐用。

2 使用調(diào)節(jié)

2.1 床體高度調(diào)節(jié)

2.1.1 手動(dòng)調(diào)節(jié)

可調(diào)地腳與床腿用M16螺紋連接，旋轉(zhuǎn)可調(diào)地腳上的螺母便可手動(dòng)調(diào)整床體高度。

2.1.2 自動(dòng)調(diào)節(jié)

自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置是執(zhí)行床體上下調(diào)整的機(jī)構(gòu)。它由電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、傳動(dòng)齒輪、傳動(dòng)絲桿等部件組成。其工作原理為：電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)旋轉(zhuǎn)，減速機(jī)驅(qū)動(dòng)左右2對傳動(dòng)斜齒輪，在傳動(dòng)斜齒輪的驅(qū)動(dòng)下使傳動(dòng)絲杠上下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)床體上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)床體的自動(dòng)調(diào)節(jié)（如圖2所示）。

圖2 升降機(jī)構(gòu)原理圖

2.2 診斷床各面板的調(diào)節(jié)

2.2.1 頭端床板控制裝置結(jié)構(gòu)

頭端床板的控制裝置由電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、螺桿、鉸鏈等部件組成。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)，螺桿旋轉(zhuǎn)驅(qū)使螺桿滑塊作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)使鉸鏈分別產(chǎn)生位移，在鉸鏈的作用下使頭部床板旋轉(zhuǎn)一定角度（如圖3所示）。

2.2.2 背端床面控制裝置結(jié)構(gòu)

與頭端床板控制裝置結(jié)構(gòu)相同，工作原理同2.2.1所述。

2.2.3 中間床板旋轉(zhuǎn)控制裝置

圖3 頭部床板旋轉(zhuǎn)控制裝置原理圖

中間床板可通過機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制裝置，使面板連接、組合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)由平臥位到左、右側(cè)臥位的轉(zhuǎn)換?？刂蒲b置由電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、螺桿、鉸鏈等部件組成。利用連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)原理完成床板的向左或向右旋轉(zhuǎn)動(dòng)作（如圖4所示）。

圖4 中間床板旋轉(zhuǎn)控制裝置原理圖

2.2.4 承重板

診斷床雖然滿足了床板多變形的要求，但卻降低了床板的承重性能。為彌補(bǔ)其不足，設(shè)計(jì)中采取雙層床板結(jié)構(gòu)，即在組合床板下安裝一層承重床板。

3 力學(xué)計(jì)算

3.1 床體框架、床架和斜撐板

床體框架、床架和斜撐板是診斷床的主要承載部分，由于床面近似為剛性體，可認(rèn)為床體框架受垂直載荷的作用。

根據(jù)GB 10000—1988，95百分位的中國成年男子體質(zhì)量為m=75 kg。為簡化計(jì)算，先將人體質(zhì)量簡化為3個(gè)集中載荷，用符號F1、F2、F3表示，分別作用在人體的頭部、胸部和臀部。根據(jù)人體各部位（頭、軀干、四肢等）質(zhì)量相對于人體總質(zhì)量的比例關(guān)系，可推導(dǎo)出如下關(guān)系[3]（F=mg）：

根據(jù)我國成人人體尺寸的比例關(guān)系，可推導(dǎo)出上述3個(gè)集中力的作用位置。以人體頭部為基準(zhǔn)，分別為：

診斷床在使用時(shí)承受分段均布載荷，因此根據(jù)診斷床結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型和力的作用位置，將3個(gè)集中力作用均布在3段區(qū)域內(nèi)，施加方法如圖5所示。

圖5 施加載荷

3.2 強(qiáng)度分析

米塞斯等效強(qiáng)度理論：

式中，σmax表示床架中最大等效應(yīng)力，單位為MPa；[σ]為許用應(yīng)力，單位為 MPa；σ0.2為屈服極限；n 為安全系數(shù)。

超聲診斷床的框架采用35 mm×35 mm方管（Q235），屈服極限由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》查知為σ0.2=235MPa。塑性材料在靜載荷下，安全系數(shù)n可取1.5～2，從對減輕設(shè)備自重和提高設(shè)備機(jī)動(dòng)性的要求考慮，取 n=1.5，得[σ]= σ0.2/n=235/1.5=156.7MPa。

查資料知，等效應(yīng)力值最大為σmax=102.61MPa＜156.7MPa[6]。因此，強(qiáng)度條件 σm≤[σ]成立，診斷床結(jié)構(gòu)符合強(qiáng)度條件要求。

3.3 力學(xué)測試

通過承載能力、垂直沖擊跌落、端部承載穩(wěn)定性、背板支撐強(qiáng)度、鉸鏈折疊等各項(xiàng)力學(xué)性能試驗(yàn)[7]，考核自動(dòng)控制多變形超聲診斷床的各項(xiàng)性能，均達(dá)到臨床要求。

4 臨床應(yīng)用

自動(dòng)控制多變形功能的超聲診斷床是臨床超聲檢查必不可少的設(shè)備。經(jīng)臨床17 000例患者使用，反應(yīng)良好，設(shè)計(jì)尺寸適合患者轉(zhuǎn)體、躺臥，舒適、安全可靠。診斷床一人操作，展收快速，操作靈活方便，明顯減輕了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，疲勞感下降。

5 結(jié)論

自動(dòng)控制多變形超聲診斷床可根據(jù)檢查需要選擇任意體位，適合骨折、外傷、交流困難及重癥不能自行轉(zhuǎn)動(dòng)體位的患者，床體結(jié)構(gòu)及各部件尺寸符合工效學(xué)要求。該自動(dòng)控制多變形超聲診斷床提高了超聲檢查的準(zhǔn)確率，降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，減輕了患者家屬的負(fù)擔(dān)，使用方便、安全、可靠，操作簡單，值得推廣使用。

[1] 李向群.急診超聲檢查及診斷[J].中華現(xiàn)代影像學(xué)雜志，2007，4（1）：73.

[2] 張慧，陳濤，陳勝茹，等.一種具有自動(dòng)控制多邊形功能的超聲診斷床：中國，ZL201120327301.7[P].2012-05-30.

[3] 杜振杰，高萬玉，秦英杰.便攜式野戰(zhàn)急救診斷床的研制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2002，23（5）：21.

[4] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T10000—1988 中國成年人人體尺寸[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988：39.

[5] 杜振杰，高振海，徐新喜，等.利用COSMOS/M完成野外急救診斷床床體結(jié)構(gòu)的有限元分析[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2001（8）：46.

[6] 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：232-233.

[7] 胡增強(qiáng)，郭力，江曉禹，等.材料力學(xué)[M].5版.北京：高等教育出版社，2009：156.