机器人的设计分析和试验研究椅子质子重离子放射治疗gydF4y2Ba

文摘gydF4y2Ba

质子重离子放射治疗被广泛使用,目前代表了最先进的放射治疗技术。然而,目前,质子重离子放射治疗椅固定梁放疗室没有头颈定位功能。本文提出一种新颖的设计为一个质子重离子放射治疗椅头颈定位装置。姿势调整机制的设计和治疗椅的头颈定位装置是基于U-TRIZ理论和人体工程学,分别。一个积极的姿态调整机构的运动学分析,以及头颈定位装置的工作空间分析。最后,定位误差实验和工效学评价进行头颈定位装置的原型。建议的治疗椅的设计满足要求的姿势调整和实现头部和颈部定位功能。实验结果也进一步优化设计提供了依据。gydF4y2Ba

1。介绍gydF4y2Ba

质子重离子放射治疗是一种新型的放射治疗,近年来激起了国际利益,代表最先进的放射治疗技术和放射疗法治疗癌症的是未来的趋势(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba]。质子重离子束的特点包括一个逆剂量分布和一把锋利的形成布拉格峰当进入人体。离子束高度致命的肿瘤,准确攻击肿瘤细胞,从而降低周围组织损伤。此外,它诱发DNA双链断裂,从而减少肿瘤复发和转移的几率gydF4y2Ba2gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba5gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

质子重离子放疗治疗期间,坐的姿势的头部和颈部癌症患者,肺癌,端坐呼吸(gydF4y2Ba6gydF4y2Ba)、呼吸困难、吞咽困难是必要的。以满足需求的姿势坐了放射治疗,大量的科学研究机构和世界各地的医疗器械公司已经推出了特殊待遇的椅子。gydF4y2Ba

专家和Heeg设计姿态调整椅子的头部和颈部癌症患者重离子束治疗房间(gydF4y2Ba7gydF4y2Ba]。2006年,大梁等人提出了一系列定位的椅子上放射治疗患者(gydF4y2Ba8gydF4y2Ba]。奥赛质子治疗中心在法国发明了一种机器人椅子治疗头部,颈部和眼部肿瘤。同样,成都博士科技有限公司发明了一种自动定位椅子质子和重离子治疗头颈癌(gydF4y2Ba9gydF4y2Ba]。2017年,广东Hengju医疗技术有限公司设计了一个坐的姿势固定装置粒子放射治疗(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

尽管如此,现有放疗椅子仍不适合固定束质子重离子放疗six-degree-of-freedom房间和不完全满足要求(绑)姿态调整。此外,当前热塑性膜头部和颈部固定技术是耗时的,不舒服的病人,而不是普遍适用的。gydF4y2Ba

介绍了质子重离子放射治疗椅的设计与头颈定位功能。设计用于姿态调整和头颈定位固定束放疗病人的房间。设备的应用便利固定束质子重离子辐照的肿瘤从不同的方向和角度,提高放射治疗的效果,并提高效率,多功能性和舒适的头部和颈部定位。gydF4y2Ba

2。方法gydF4y2Ba

2.1。机械结构设计的治疗椅gydF4y2Ba

2.1.1。功能需求分析治疗的椅子上gydF4y2Ba

对于质子重离子放射治疗,需要一个更复杂和更大的处理系统比传统的x射线和所需的系统电子直线加速器。该系统的工作原理见表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba(gydF4y2Ba11gydF4y2Ba]。坐姿放疗的治疗椅质子重离子固定梁必须提供两个功能:姿态调整和头颈定位。肿瘤的姿态调整功能使辐照使用固定梁从不同的方向和角度。具体调整参数包括200毫米运动在X, Y,和Z方向,±15°旋转gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴和gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴,旋转360°gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴,如图gydF4y2Ba1gydF4y2Ba。头部和颈部定位函数必须迅速和轻松限制自由度的头部和颈部取决于病人的体型。gydF4y2Ba

2.1.2。设计基于U-TRIZ姿势调整机制的理论gydF4y2Ba

U-TRIZ理论是实用和attribute-centered相结合的创造性解决问题的理论,结合一些工具和方法,创新设计是一种有效的工具(gydF4y2Ba12gydF4y2Ba,gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]。6自由度并联平台有一个工作空间小,不能满足病人的需要必须移动200毫米在X, Y, Z方向。因此,有必要添加一个XYZ直角坐标船台并行平台。然而,这增加了高度在Z方向,降低了稳定,并创建冗余自由度。因此,SAFC U-TRIZ模型理论是用于目前的分析,如图gydF4y2Ba2gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

的技术矛盾和相应的物理矛盾治疗椅设计如图gydF4y2Ba2gydF4y2Ba。物理矛盾的gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴是分开的XYZ直角坐标配置,然后gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴是纳入并行配置使用40创新原则产生lower-mobility并行协调配置相结合,这只能通过修改X和Y的角度调整。最后,XY平面协调配置,lower-mobility并行配置,和360°转盘组合来创建姿态调整机制的质子重离子放疗的椅子上,如图gydF4y2Ba3gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

上述方案添加一个bottom-fixed垂直升降电动推杆沿Z方向的普通的并行机制,如图gydF4y2Ba4gydF4y2Ba,取代了球铰链的低端的四个分支有一个铰链通过分组成lower-mobility并行机制,如图gydF4y2Ba5gydF4y2Ba。电动推杆1是由OgydF4y2Ba_1gydF4y2BaOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba沿着垂直方向的gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴。低杆的底部固定在平台和顶部由球形铰链连接上层平台,它允许垂直运动。两个积极调整分支,gydF4y2Ba_1gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba和BgydF4y2Ba_1gydF4y2BaBgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba连接到较低的平台,通过两个铰链gydF4y2Ba_1gydF4y2Ba和BgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba旋转销。电动推棒2和3都位于中间,通过钩连接上层平台铰链在gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba和BgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba。两个被动调整分支,CgydF4y2Ba_1gydF4y2BaCgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba和DgydF4y2Ba_1gydF4y2BaDgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba连接相同的方式gydF4y2Ba_1gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba和BgydF4y2Ba_1gydF4y2BaBgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba并遵循的伸展运动gydF4y2Ba_1gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba和BgydF4y2Ba_1gydF4y2BaBgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba分支机构同时扮演一个配角。结合lower-mobility并联机构的自由度可以确定如下:gydF4y2Ba

DX3535A XY移动单元(THK、日本)和gt - 135 c单级高精度空心旋转平台减速器(石灰、台湾)被选为生成X和Y方向的平移运动和旋转运动在Z方向,分别。gydF4y2Ba

分析,三维(3 d)模型的质子重离子放疗椅子的姿势调整机制是建立和呈现在图gydF4y2Ba6gydF4y2Ba。机制的工作原理可以描述如下:XY移动装置和电动推杆1调整病人在一个预先确定的位置,然后电动推棒3和5的长度调整病人一定角度的旋转gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴,电动推棒2和4的长度调整病人一定角度的旋转gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴,最后,360°转盘旋转调整病人一定角度有关gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴。表gydF4y2Ba2gydF4y2Ba列出了性能参数的姿势调整机制。gydF4y2Ba

2.1.3。普遍的头颈定位装置的设计基于人体工程学gydF4y2Ba

医疗设备设计过程中,人机工程学标准通常包括尺寸,外观,操作方便,安全的产品gydF4y2Ba14gydF4y2Ba,gydF4y2Ba15gydF4y2Ba]。本文采用人体工学标准模块化通用头颈定位装置。三个主要子头围定位,下巴定位和篮板。gydF4y2Ba

(1)头围定位模块gydF4y2Ba。头围的功能定位模块位置头围的头从飞机上头顶,通过设置三个位置点在相等的角头围约椭圆形,头顶上的锚点。意识到最终位置,景深的头部受到约束。gydF4y2Ba

头围的3 d模型建立了定位模块,如图gydF4y2Ba7gydF4y2Ba。工作原理可以描述如下:手动处理螺钉穿过特殊轴承端盖轴承的内径相匹配;轴承的外直径是固定的匹配曲线上的圆孔定位块和可旋转的支架;修复轴承、特殊轴承端盖插入弯肘板上的圆孔定位块;和手动处理螺钉和螺母匹配可以来回移动沿着六角晶洞头定位块实现定位块的前后调整。相同的调整方法是采用可调节头围定位块1和2以及可调节头围定位块。gydF4y2Ba

人体的大小决定了所需的几何空间和范围的运动设计和人机系统中使用的基本信息或产品设计。在目前的设计中,参数范围的大小必须考虑人体的头部和颈部,使最终产品满足不同的身体类型的需要,提高患者舒适度。gydF4y2Ba

头,从中国获得neck-related参数标准gb10000 - 88“人类的维度的中国成年人,如图gydF4y2Ba8gydF4y2Ba提供基本价值观对中国成年人的大小根据人体工程学的要求。标准应用于技术产品升级和劳动安全保护工业产品、建筑设计、军事应用,在其他行业。基于这个标准,环的内径定位块放置在哪里设置为120毫米,外部直径是130毫米,壁厚是10毫米。gydF4y2Ba

(2)下巴定位模块gydF4y2Ba。下巴定位模块的功能是完全使用头围的头部定位模块位置。根据人体工程学标准,下巴休息的形状必须尽可能接近实际的下巴的形状,可以加强下巴的位置调整。gydF4y2Ba

下巴定位模块的三维模型建立,如图gydF4y2Ba9gydF4y2Ba。的工作原理可以描述如下:一个螺母滑块安装在长时段内支持武器1和2;悬臂是安装在左和右螺母滑块,和前后位置调整的手螺旋处理1和2;下巴休息是安装在悬臂的中间,和下巴支持上下移动,使用手动螺杆螺母调整处理3。gydF4y2Ba

根据配置分析,下巴定位块只能用于前后和上下调整;因此,只需要计算上下前后调节长度。咨询gb10000 - 88头的最大长度是161 ~ 200毫米,长度的测量头的背面板的背面是35毫米,这样的下巴块前后位置调整为196 ~ 235毫米。gydF4y2Ba

(3)篮板gydF4y2Ba。头围的篮板支持安装定位模块和腮托定位模块和必须满足安装、定位和调整需求的两个模块。咨询gb10000 - 88,高度范围从肩膀到头顶283 ~ 446毫米,肩宽范围是304 ~ 417毫米。篮板的高度必须根据病人的身高调整在一个坐着的位置,和较低的边缘总是相同的高度作为人体的肩部位置。一个篮板的大小gydF4y2Ba mm被选中。gydF4y2Ba

头围定位模块,下巴定位模块,和背板组装,和质子重离子放射治疗的3 d结构椅子确定头颈定位装置,如图gydF4y2Ba10gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

2.2。分析运动治疗椅的性能gydF4y2Ba

2.2.1。积极的运动姿态调整机制的分析gydF4y2Ba

3 d模型的示意图的姿态调整机制呈现在图gydF4y2Ba11gydF4y2Ba。姿势调整可分为两部分:位置调整和角度调整。在整个姿势调整机制,lower-mobility并联机构的运动更复杂的X和Y角度调整功能。出于这个原因,只有进行运动学分析X和Y的角度调整并行平台。gydF4y2Ba

如图gydF4y2Ba11gydF4y2Ba,X和Y的角度调整并行平台有四个分支包括两双对称分支,一对的gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴角调整和另一对gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴角调整。的gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴角调整是先分别分析。结构如图gydF4y2Ba12gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

基本的坐标系统gydF4y2Ba建立了底部平面上,上飞机被用于建立移动移动坐标系gydF4y2Ba ;gydF4y2Ba 是底部的长度从中心平台电动推杆;gydF4y2Ba的长度上的中心移动平台电动推杆,gydF4y2Ba mm;gydF4y2Ba的长度是解除电动推杆,其值的范围从360到600毫米;gydF4y2Ba和gydF4y2Ba的长度吗gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴角调整电动推杆与值从360毫米到720毫米。gydF4y2Ba

在图gydF4y2Ba12gydF4y2Ba,gydF4y2Ba是上面的移动平台的旋转角度。关闭循环方程可以建立使用向量法。gydF4y2Ba

从方程(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba),gydF4y2Ba

在gydF4y2Ba ,gydF4y2Ba根据余弦定理,gydF4y2Ba 在哪里gydF4y2Ba ,gydF4y2Ba和值改变电梯电动推杆OgydF4y2Ba_1gydF4y2BaOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba延长。gydF4y2Ba

因此,的价值gydF4y2Ba范围从53.13°到65.77°。gydF4y2Ba

然后,之间的关系gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴调整角度gydF4y2Ba和分支的长度可以由方程(gydF4y2Ba4gydF4y2Ba),gydF4y2Ba 在哪里gydF4y2Ba是长度的中心平台的电动推杆,gydF4y2Ba的长度上的中心移动平台电动推杆,gydF4y2Ba是提升电动推杆的长度,然后呢gydF4y2Ba的长度吗gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴角调整电动推杆。gydF4y2Ba

同样,之间的关系gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴调整角度gydF4y2Ba及其分支的长度gydF4y2Ba 在哪里gydF4y2Ba的长度吗gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴角调整电动推杆。gydF4y2Ba

从方程(gydF4y2Ba6gydF4y2Ba)和(gydF4y2Ba7gydF4y2Ba)之间的关系gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴和gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴调整角度gydF4y2Ba 和分支的长度。有效调整的范围gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴和gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴调整角度-15°~ 15°,变量gydF4y2Ba 范围从-15°15°。三个之间的关系gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴变量和gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴调整角度gydF4y2Ba ,gydF4y2Ba电动推杆伸长gydF4y2Ba ,gydF4y2Ba和电动推杆伸长gydF4y2Ba 如图gydF4y2Ba13gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

表明四个极限位置坐标gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴和gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴调整角度gydF4y2Ba 在-15°15°之间,电动推杆的长度吗gydF4y2Ba可调从360毫米到480毫米,电动推杆的长度吗gydF4y2Ba 从381毫米到480毫米可调,电动推棒的长度吗gydF4y2Ba和gydF4y2Ba还可以调整根据伸长或缩短的gydF4y2Ba和gydF4y2Ba 。gydF4y2Ba

2.2.2。工作空间分析头颈定位装置gydF4y2Ba

机器人的工作空间或可获得的工作空间被定义为所有的目标的集合点,可以达成的最终效应时不同的关节机器人的运动。机器人的工作能力是一个重要的运动指数(gydF4y2Ba16gydF4y2Ba,gydF4y2Ba17gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

的质子重离子放射治疗过程中,是否普遍的头颈定位装置治疗椅工作区可以满足不同的身体类型的头部和颈部定位需求是重要的,是测量的基础定位头部和颈部的函数。gydF4y2Ba

在目前的研究中,第二代MATLAB / SimMechanics库是用于建模分析,和头上的位置定位块,头围定位块、固定头围定位块,和下巴定位块记录基准坐标系。gydF4y2Ba

每个定位的模拟工作区子模块的头颈定位装置见图gydF4y2Ba14gydF4y2Ba。工作区上方定位模块的仿真表明,每个模块可以满足病人的头部和颈部定位要求。gydF4y2Ba

3所示。结果与讨论gydF4y2Ba

头部和颈部定位装置由PMMA和塑料避免辐射损伤病人和运营商。头颈定位装置的原型图所示gydF4y2Ba15gydF4y2Ba使用亚克力板组装和树脂材料。gydF4y2Ba

3.1。定位装置的定位误差测试每个模块gydF4y2Ba

如表所示gydF4y2Ba3gydF4y2Ba、下巴定位块有四个调整限制:近端低一点,近端高点,远端低一点,远点高。篮板的底部的中心位置为坐标原点(0,0,0),和一个矩形空间坐标系统。积极的Z方向设置为垂直向上,积极的方向gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴的方向上方设置为垂直篮板,和gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴伴随着下缘的篮板和积极的X方向设置为正确的。的空间坐标位置的中心凹下巴块测量并与相应的数据计算在设计阶段。gydF4y2Ba

从表可以看出gydF4y2Ba3gydF4y2Ba的最大偏差gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴是2.5毫米的过程中组装和调整下巴定位块,这很明显不同于有限元分析的结果。有两个原因,如大偏差:错误在加工零件和两个螺丝不同步时,下巴块调整。由于这一点,下巴定位块不能完全调整远端和近端结束;然而,最大偏差沿gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴和gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴仍小于2.5毫米。这满足定位要求,下巴定位模块的原型可以进一步优化使用相同的分析。gydF4y2Ba

采用等电位法测量头围定位块参数使用可调节头围定位块。首先,最后一个点的头围定位块标记,头围调整持仓限额;柔性机械手是调整,恰逢头围的最后定位支架;然后,头围的终点中心定位块替换为机械手的结束,这是更容易测量,如图gydF4y2Ba(16日)gydF4y2Ba。头围定位块调整到其他位置,机械手的终点是测量,如图gydF4y2Ba16 (b)gydF4y2Ba。机械手的位置数据包括头围的中心点定位块。头上定位参数也使用这种方法来衡量。gydF4y2Ba

基于上述方法,坐标和错误的头围的中心位置定位块和头部定位块表所示gydF4y2Ba4gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

从表gydF4y2Ba4gydF4y2Ba、头围的错误定位块沿gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴和gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴是大,错误的gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴是最多3毫米。头上定位块沿也表现出了大错误gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴和gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba轴,最大误差在2毫米。gydF4y2Ba

病人的头部定位时,头顶向上生成一个支持的力量,头围定位支架框架上,减少了误差。实验结果为进一步的改进设计提供参考值和平衡头围的自重引起的错误定位支架框架。gydF4y2Ba

3.2。工效学评价实验gydF4y2Ba

普遍的头部和颈部从工效学的角度定位装置的设计;因此,设计可以使用人机系统评价方法,评价一般分为三类:实验方法,模拟和实际操作测量(gydF4y2Ba18gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba21gydF4y2Ba]。本研究选择实验方法评价的通用头颈定位装置。以下实验过程进行:gydF4y2Ba(1)gydF4y2Ba一种评价形式准备从“人力、机器和环境”和评估和编译使用人体工程学原则和普遍的头部和颈部的细节定位装置,如表所示gydF4y2Ba5gydF4y2Ba。收集的数据包括用户的头部的大小和22个额外的测量三个子模块。然后评估数据根据用户体验分为5个等级,从而对模块化设计的合理性提供反馈gydF4y2Ba(2)gydF4y2Ba评估样品的定义的基础上,选择标准。影响定位的主要因素在这个实验中是头围,这是选择根据正态分布。共有12个志愿者被选作评估。头部大小分布提出了表gydF4y2Ba6gydF4y2Ba(3)gydF4y2Ba头部和颈部进行了定位实验。短暂,志愿者参与实验的头部和颈部位置,如图gydF4y2Ba17gydF4y2Ba,评价形式填写根据他们的经验gydF4y2Ba(4)gydF4y2Ba评价结果进行了统计分析。评价分数统计所有项目根据头围,平均分数计算,和评估分数曲线绘制,如图gydF4y2Ba18gydF4y2Ba

从图中的曲线gydF4y2Ba(18日)gydF4y2Ba,它可以观察到的扩张可调定位块与温和的头部尺寸但满足用户的需要也可以满足更大的需求和更小的用户。较小的用户给更高的评价分数为每个定位块的安慰,但分数更大的用户差。gydF4y2Ba

总的来说,调整可调定位块的效率很低,因为较大的用户比小高用户,只有小长度调整需要庞大的用户。从图gydF4y2Ba18 (b)gydF4y2Ba可以看出,下巴定位块的大小是更适合大用户和小型用户评价分数略低。gydF4y2Ba

一般来说,下巴定位块的调整效率分数是相当低的,与许多大型用户只略高,因为长度只能少量调整。此外,用户发现该设备更舒适比小用户。从图可以看出gydF4y2Ba18 (c)gydF4y2Ba定位块安装效率更高的大型头周长。底板是较小的用户更加难以调整,而头部空间的大小是更适合中小用户;因此,舒适为大用户较差。gydF4y2Ba

总之,宇宙头颈定位装置可以更好地满足用户的需要介质的大小,必须进一步优化,以更好地满足小型和大型用户的需求。gydF4y2Ba

4所示。结论gydF4y2Ba

本文提出了一个质子重离子放射治疗椅的设计与头颈定位功能。姿态调整的设计模块和头颈定位模块是基于U-TRIZ理论和人体工程学,分别。积极的运动姿态调整机制的分析治疗椅和头颈定位装置的工作空间分析,以及几个极限状态下的刚度和强度分析。最后,定位误差进行了实验和工效学评价使用通用头颈定位装置的原型。结果表明,头颈定位装置可以满足中型用户的头部和颈部定位要求比现有的椅子;然而,仍然需要进一步优化以满足所有用户的需求。gydF4y2Ba

数据可用性gydF4y2Ba

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。gydF4y2Ba

的利益冲突gydF4y2Ba

作者宣称没有利益冲突。gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

这项研究受到了中国自然科学基金(批准号51675142)的重点项目和中国黑龙江省自然科学基金(批准号ZD2018013)和领军人才梯队储备领袖资助项目的中国黑龙江省(批准号2501050628)。gydF4y2Ba

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