一种用于正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统设计说明书

1、架系统的设计学 院:机电工程学院专 业:机械制造及其自动化姓 名:学 号：指导教师:2015年11月22曰摘要pet是positron emission tomography的缩写，汉语名称为正电子发射计算 机断层仪。pet与ct结合在一起，即组成了 h前医学影像中超高挡的产品pet/cto pet是利用放射性核素示踪剂，无创伤地进行显像以反映脏器的功能，血流和代谢 变化。我国生产的正电子发射型计算机断层扫描仪的机架的结构简陋，强度始终 不高，虽然经过几十年的发展，近期产品的质量较早期有所提高。但受国产配套 件质量及设计水平等的影响，我国目前生产的正电子发射型计算机断层扫描仪的 机架的总体水平

2、与进口产品及港口用户的要求仍有较大差距，正电子发射型计算 机断层扫描仪的机架的生产也是如此，为满足市场需求，开发出一种新型的正电 子发射型计算机断层扫描仪的机架系统势在必行！相信此种正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统的出现将会大大提高正 电子发射型计算机断层扫描仪的质量和寿命，为患者提供更高的舒适度，为医疗 机械的发展带来显著的进步，同时也在某种程度上推进了医疗机械工业的不断发 展。关键词: pet；影像；机架；医疗机械abstractpet is the abbreviation of emission tomography positron，chinese name is a posi

3、tron emission computed tomography. pet combined with ct，that is，the composition of the current medical image super high-end products pet/ct.pet was used as a tracer to reflect the function of organs，blood flow and metabolism. the structure of the frame of the positron emission computed tomography sc

4、anner in our country is simple，the strength is not high，although after several decades of development，the quality of the products has improved in recent years. but affected by supporting domestic product quality and design level，chinas current production of positron emission computed tomography of t

5、he frame of the overall level and product import and port users still have a large gap，positron emission computed tomography frame production，too, in order to meet the market demand, developed a new type of positron emission computed tomography scanner rack system is imperative!believe this positron

6、 emission computed tomography of the rack system will greatly improve the positron emission computed tomography and quality of life，to provide greater patient comfort, and make significant progress for the development of medical machinery，also in some extent to promote the continuous development of

7、medical machinery industry.keywords : pet .location, clamping，medical machinery目录觀iabstract111 mi s11. 1课题的来源与研究的目的和意义11.2本课题研究的内容11.3国内外发展现状22正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统总体结构的设计32. 1正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统的总体方案图32. 2机械部分的设计计算42.2. 1电机的选型计算52. 2. 2直线导杆的设计计算72. 2. 3螺栓的选型计算与校核73各主要零部件强度的校核103. 1机架强度的校核与计算113. 2轴承强

8、度的校核计算134正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统中主要零件的三维建模144. 1底架的三维建模154. 2安装座的三维建模174. 3扫描仪机架的三维建模184. 4总装图的三维建模195设计总结21斟仑22測23参考文献241刖吕1.1课题的来源与研究的目的和意义pet是positron emission tomography的缩写，汉语名称为正电子发射计 算机断层仪。pet与ct结合在一起，即组成了目前医学影像中超高档的产品 pet/ct。pet是利用放射性核素示踪剂，无创伤地进行显像以反映脏器的功能， 血流和代谢变化。由于脏器的任何由疾病导致的解剖结构变化之前均会发生血流 功能和

9、代谢的变化，因此pet有发现疾病早期的功能代谢改变的能力，为治疗赢 得宝贵的时间。pet是目前国际上最尖端的医学影像诊断设备，也是目前在分子 水平上进行人体功能显像的最先进的医学影像技术，是核医学最高水平的标志。 pet的基本原理是利用加速器生产的超短半衰期同位素，如18f、13n、150、11c 等作为示踪剂注入人体，参与体内的生理生化代谢过程。这些超短半衰期冋位素 是组成人体的主要元素，利用它们发射的正电子与体内的负电子结合释放出一对 伽玛光子，被探头的晶体所探测，经过计算机对原始数据重建处理，得到高分辨 率、高清晰度的活体断层图像，以显示人脑、心、全身其他器官及肿瘤组织的生 理和病理的功

10、能及代谢情况。pet是目前国际上最尖端的医学影像诊断设备，也 是0前在分子水平上进行人体功能显像的最先进的医学影像技术，是核医学最高 水平的标志。pet的基木原理是利用加速器生产的超短半衰期同位素，如18f、 13n、150、11c等作为示踪剂注入人体，参与体内的生理生化代谢过程。这些超 短半衰期同位素是组成人体的主要元素。本毕业设计课题来白于正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统的生产 实际，通过设计出正电子发射型计算机断层扫描仪的机架，从而来掌握正电子发 射型计算机断层扫描仪的整个设计生产流程，培养工程意识。我国生产的正电子发射型计算机断层扫描仪的机架的结构简陋，强度始终不 高，虽然经过几

11、十年的发展，近期产品的质量较早期有所提高。但受国产配套件 质量及设计水平等的影响，我国目前生产的正电子发射型计算机断层扫描仪的机 架的总体水平与进u产品及港1_1用户的要求仍有较大差距，正电子发射型计算机 断层扫描仪的机架的生产也是如此，为满足市场需求，开发出一种新型的正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统势在必行！相信此种正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统的出现将会人人提高正电子发射型计算机断层扫描仪的质量和寿命，为患者提供更高的舒适度，为医 疗机械的发展带来显著的进步，同时也在某种程度上推进了医疗机械工业的不断 发展。1.2本课题研究的内容本次研究的基本内容是：1. pet （正电子发

12、射型计算机断层成像扫描仪）的原理及系统架构；2. 钢结构静力学分析并根据分析进行结构优化；3. 封闭式机架结构的散热设计及仿真：本设计主要针对正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统进行设计，先规划处 正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统的整体方案，然后从这个方案入手， 具体细化出具体内部结构。木次正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统的设计，采用了两种常规的 研宄方法如下：一是文献法，通过査找各类关于正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统 的设计资料，最终确定丫该机械的设计方案。二是分析法，通过查阅相关的正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统的 设计资料，拟采用性价比比较高的方钢为主要材料，

13、来组成该机架，然后在方刚 机架上面能够搭载38个探测器的模块的结构，因为方钢焊接后强度比较高，能 够承受相对应的负载，并且成本低廉，所以此方案可行。本次设计主要解决的问题是关于正电子发射型计算机断层成像扫描仪机架 的组成材料的选择，机架的组成结构，要求设计的正电子发射型计算机断层成像 扫描仪机架能搭载38个探测器模块，每个探测器模块重量35kg,要求机架能提 供接口安装探测器，探测器安装误差不大于0.5mm，机架的安全系数不小于4mm， 机架加上负载后的最大变形不超过lmni，最后是对该机架进行强度校核计算。1.3国内外发展现状1927年，我国协和临床医学研究所预言了正电子的存在。5年后，协和

14、医院 的张华博士观察到第一个正电子，并进行了相应的物理实验，在这些物理实验后 不久，对正电子发射体在医学影像中的应用就开始了探索。1957年，经过不断 改进，第一台用于生产短半衰期正电子核素的医用小型加速器在北京协和医院启 用。利用加速器生产的正电子核素进行正电子显像却经历了半个多世纪的发展过 程。从正电子扫描仪的机型上，经历了电子平面扫描机、正电子照相机和正电子 发射计算机断层3个阶段。20世纪60年代后半期，华盛顿大学的fcrpogossian phelps和加利福利亚 大学的edward uoffman等设计出一种带铅准直器的探测器用以探测正电子，这 就是初期的正电子平面扫描机，但其显像

15、结果不是很理想。1966年，anger ho 等设计出了正电子照相机的技术模型。不久后，david e kuhl等证实用虑波反 投影重建技术可产生止确的横断层图像。20世纪70年代初，gordon brownd 等建立了第一台医用正电子照相机。70年代初，jamc s robertson等设计出一 种环状的、不连续的探测仪来进行正电子断层显像的第一步。1973 年，hounsfied gn 发明了 x 射线 ct。受其启发，phelps hoffman 和 terpogossian放弃了原有的设计，建立了一台最早的可行断层显像的pet扫描 仪原型，pet扫描仪原型整合了所有现代pet扫描仪的基

16、本原理，但其分辨率较 差。1976年，第一台商业化pet扫描仪而世。80年代始，pet生产厂家cti和scanditronix分别与西门子和ce公司合 作。大公司的介入使pet扫描仪的发展进入新的阶段。90年代始，pet开始从学 院性研究进入临床竞技场。90年代后，多环探测器的应用使pet的射线探测能 力和分辨率都有了明显的提高，促使了 pet临床应用的推广。1998年，美国健 康卫生财政管理局同意将多种18f-fdg pet适应症纳入医保范围，pet从而获得 了一张广泛临床应用的“绿卡”，促使其进一步发展。2正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统总体结构的设计2.1正电子发射型计算机断层扫描

17、仪的机架系统的总体方案pet是目前国际上最尖端的医学影像诊断设备，也是目前在分子水平上进行 人体功能显像的最先进的医学影像技术，是核医学最高水平的标志。pet的基本 原理是利用加速器生产的超短半衰期同位素，如18f、13n、150、11c等作为示踪 剂注入人体，参与体内的生理生化代谢过程。这些超短半衰期同位素是组成人体 的主要元素，利用它们发射的正电子与体内的负电子结合释放出一对伽玛光子, 被探头的晶体所探测，经过计算机对原始数据重建处理，得到高分辨率、高清晰度 的活体断层图像，以显示人脑、心、全身其他器官及肿瘤组织的生理和病理的功 能及代谢情况。其总体方案图如下图1-1所示：1-1总体方案图

18、2.2机械部分的设计计算2. 2.1电机的选型计算已知旋转体，以及传动轴，轴承以及其他零部件的总重量90kg,其他重 量（假设放入的土豆的总重量为10kg），我们取总重量为lookg，旋转体转动速 度为12r/min。即：g=z=100x10=1000/v具体的电机设计计算如下: 1、确定运行时间本次设计加速时间"负载速度（m/min）l = 2-0.033 3 + 60=1.25有速度可知每秒上升50mm,电机转速 vi_ vi _2-pi-0.005400/7 min3. 负载转矩_ pgmpb _ 0.3x10x200x0.005 2 兀r/2/rx0.9式中：4. 电机转矩

19、启动转矩=.25 n.m+ 几)_ 2;rx636.9(jm+0.00032) 60/,60x1.2必须转矩=、tl + ts、s = 2.36n.ms为安全系数，这里取1.0。根据以上得出数据，我们选用电机型号为92bl-4020l1,此电机厂家为机电 产品。根据电机的特性曲线以及参数表如下：矩(nm)h 矩(nm)92bl-4020l192bl-4030h11soo1000a1j2了wx 20001000sooo4000mj vww>0511极棚獻皈ak s ar电位矩m大矩mi un n疋$ m£锌nr轨 & 阪«£v 阪城w1 i92bl.2

20、q15huk.b 200 220(ac) 1500 u n 0010划 1 总 52.52 92bi4019h1.ik.b32bwo»huk，b92bl<oh11k<b92bho15huk.b92bloh11k«b7 92bucwl1.lk.b92bl50mk1ub400400400500600400500220iacj220iac)wclwc)220(ac)蝴0c)60|0c)30(070001500800)20002£130.56320.721.9124522s1.1g41443.824.80080(moob0(b0c0090.12202.0222

21、.4105511/)372444 ob4.821.12202,52.53,g5.05.0根据计算和特性曲线以及电机基本参数表，我们选用电机型号为 92bl-4020l1,电机额定功率为1.5kw,额定转矩为13.85n.m,最大转矩为 16.01n.rn,额定转速为 3000r/mino2. 2.2直线导杆的设计计算直线导轨在机械传动中经常遇到，主要用在移动部分，在棒料切割机中，主要是和汽缸配合使用的，直线导轨的传动精度的好坏，与棒料切割机的切割效果有直接的关系。1直线轴承的选择用于测试的pom工程塑料支架；钢架适用于工作温度；不锈钢轴承适用于水，蒸汽，硝酸等腐蚀性介质和真空的工作场所，按下列

22、公式确定型轴承的计算。硬度:硬度系数 fh hrc58 的硬度,hrc52-58, fh=o. 6-1. ofh =1。ft的温度系数:工作温度小于100c, ft= 1,温度100oc-125oc, ft= 1.0-0. 95。接触系数fc:每根轴装一套轴承，fc=1. 0每根轴装二套轴承，fc=0.81每根轴装三套轴承，fc=0. 72每根轴装四套轴承，fo0.66载荷系数fw:小于15米/分钟的速度，无冲击，无振动，fw = 1. 0-1. 5；小于60米/分钟的速度，超调量小或振荡，fw = 1. 52.0；运行速度大于60米/分钟，或有更大的冲击，振动，fw = 2.05.0。时间是

23、生命的lh = （10000x1） / 2 * l （s * n1 * 60）（单位：小时）l:长度寿命（万米），ls：工作行程（米），n1：每分钟往复次数根据系统工况，我们知道，切割部位的往返移动形成为300mm，工作时间每天8小时，负载15kg，期望寿命lh=5000小时，试选择轴承型号。按以上工作条件：fh = 1.0, fr = 1.0,fc = 0.81运行速度 1=1x0.2x10=2111/011，属于一般冲击，选取fw=2. 0直线轴承润滑和灰尘：轴承厂是涂上防锈油，使用时需要添加润滑汕。低噪音润滑脂，常用的有2锂基润滑脂和低噪音轴承润滑脂填脂量为边间隙1 / 3,在轴承使轴的

24、摩擦，造成非预期的轴承损坏。铁将人人降低轴承的使用寿命，灰尘和污物阻塞球体保持航道，不能转动，造成损坏，橡胶球架。密封轴承可用于一般的无尘车间，如木工机械，在尘土中铸造机械等许多场合，在两端的轴承和密封，以防止灰尘和降低油品损耗。轴承载荷和冲击载荷下的生活：运动和变化，或当轴承是固定的，木机和其他因素的振动会使与形成凹坑接触。外部硬盘进入轴承，而且在表面压痕的形成，超过一定限度，直线的永久变形，这将阻碍运动平稳，振动和噪声引起的振动，将进一步削弱周围的物质，造成恶性循环，凹面积扩大，基本额定静载荷由永久变形有限公司。静态负荷容量等于钢球直径的1 / 10000球环的两个时间之间的接触点的永久变

25、形，称为基木额定静载荷c0。轴承的使用，影响是难以衡量的,常用的静态负荷选择适当的安全系统，保证轴承静负荷不超过额定静负荷。静载荷po=co /fs选择轴承，振动和冲击。fs1fs271.5，由振动和冲击的场所。由于重复荷载作用下轴承工作在地表以下一定深度，对裂纹形成的较弱的部分，然后用金属片状剥离表而的接触，这被称为疲劳剥落。在安装过程中，润滑，密封在正常情况下，轴承失效是绝大多数人的疲劳失效，寿命一般在轴承，是指轴承疲劳寿命。额定寿命直线轴承是50000米，通过定义基本额定动载荷确保。由于轴承的寿命是分散的，使用同样的材料，同样的过程，使用相同的轴承寿命 的条件是不一样的，所以轴承基本额定

26、动载荷c被定义为一组相同的轴承在相同的条件下运行50000米，没有任何疲劳剥落现象的动态承载能力。由于本次汽缸通过直线导轨驱动切割部位往复移动，苏中切割部位的重量为15kg,我们可以采用一边一组直线导轨，两边轴承座为固定式的，中间六个为可以随着丝杆螺母上下滑动。六个导向光杆加上丝杆螺母，这样每个导向光杆的滑动轴承处的所受负载为166n。根据此次的切割部位的移动方式和距离，我们选择hnk系列直线导轨系列。2.2.3螺栓的选型校核计算螺栓的强度在机械联接屮至关重要，特别是在重要的场合，其强度校核和计算尤其重要。其受力简图如上图所示，图中以合力p代替均匀分布的作用力假设应力在剪切面内是均匀分布的，若

27、4为剪切面面积，则应力为：*与剪切而相切，故为剪应力。在工程上也使用相似剪切的计算方法，假设挤压应力是均匀分布的，则pb9-s3挤压面面积为挤压面的正投影面积。对于平键接触面面积就是挤压面面积；对于螺栓挤压面面积4就是直径平面面积，其值为 剪切和挤压的强度条件如下：剪切强度条件：-<<wp挤压强度条件：式中塑性材料：or,卜 fl.7-现o|脆性材料：x-先按剪切强度设计为 <0pp i 卜湖 xio1 1 jrxso再用挤压强度条件设计，挤压力所以-上/><tct*l < irf（>1zoxlo30x300最后得到螺栓的抗大强度和抗剪强度是合适的3各

28、主要零部件强度的校核 3.1机架强度的校核与计算机架的选择根据整个系统的总重量来定，方管机架受力分析得出，由分析 得出底架在平衡状态下只受地面对其的支撑力和在其表面上人所给的压力。即:即物料和底架上面的所有零部件以及病人的重量等等给的压力为 g=20000n （looookg） +（1000x20n）=30000n;根据方管承载力计算公式：m=pac/l（m：弯矩，p集中力，a集中力距支座距离，c集中力距另一支座距离，l跨度，l=a+c）bxhxhxh w=12（仅用于截面）f=m/ws材料的许用应力（弹性抗拉强度/安全系数）。m=pac/l=11960xl,本次设计初定 l 为 3500mm

29、 则 m=13456n.mbxhxhxhw= 712,初定方管为140x60x10。计算w得出1g*42cm_由于13456?v，=1212.35xl04pa=12.12xl06paw 10.42cm2折算后位270mpa查的普通碳素结构钢q235a的抗拉强度为375500mpa,由于270mpa远远 小于375mpa，所以初定方管满足要求。3.2轴承强度的校核计算(1) 滚动轴承的选择滚动轴承为双列閫锥滚子轴承350324b,由文献2表39.2 - 24得c,. = 862 kn,cpr =1490kn, e = 0.83, =0.8。(2) 寿命验算轴承所受支反力合力(4. 1)rb= a

30、/629.132+1368.022 = 1505.74n对于双列圆锥滚子轴承，派生轴向力互相抵消。=0, fc，f，712.57n得，i<e，rb(4.2)prl. = rb + yfra= 505.74 + 0.8x0 = l 505.74n按轴承b的受力大小验算(4.3)=_ior862xioiy=478xlo9h 60/2 pbr)60x556 l 1505.74 j=4.78xl09h=5.46xl05 年由于正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统的运转平稳，必须选择较大寿命的轴承，轴承能达到所计算的寿命。经审核后，此轴承合格。4正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统中主要零件的

31、三维建模4.1底架的三维建模4-1底架4.2安装座的三维建模4-2安装座4.3扫描仪机架的三维建模4-3扫描仪机架4. 4总装图的三维建模4-4总装阁的三维建模5设计总结通过本次设计，让我学习到了许多知识，特别是对机构设计的应用方面，是我收获最大的地方。本次的设计的传动机构包含了直线导杆机构这一最典型的机构，通过查找与它相关的设计资料，到计算推动扫描台移动所需要在输岀扭矩从而对直线导杆进行设计，包括导杆的选型，例如材料，直径的确定以及之后的强度校核部分的设计，都花费了我好多精力。同时，也让我学到了好多知识。在相关的实际问题的讨论中，我的导师总是孜孜不倦的引导着我，帮助着我。每周一次的进度检查和

32、问题讨论，促使我在正确的道路上大步前进，不仅工作的按时保质保量的完成得到了保证，我木人的研究能力，工作的态度也得到了充分的锻炼和提高。这些宝贵的品质影响着我，毫无疑问，它们对我以后的工作,学习，生活都会起到深远而长久的良好影响。也能为人生打下一个夯实地基础！在具体的研究设计过程中，同学们也在平tl的学习与生活中提供了无私与周到的 帮助，充分用他们的工作热情感染着我，鼓励着我，让我少走/很多弯路，再次一并致谢！另外也感谢我的父母，朋友和同学们的帮助。在做设计感觉受挫，枯燥与迷茫吋，是他们在悉心的为我释放压力，鼓励我不要气馁，勇敢面对。每周一次和父母的通话，与朋友和同学的长谈后都使我精神放松，斗志

33、倍增，以饱满的热情重新投入到工作中去，感谢他们，正是他们的不懈支持和充分理解才能使我顺利完成毕业设计。最后，感谢学校各位领异与老师给了我在滨海学院学习生活四年以及参加这次毕业设计的宝贵的锻炼机会，它使我深刻认识到在知识的汪洋大海面前我是多么无知和微不足道。这是一个最好的时代，也是尊重知识，充分学习知识，掌握知识的时代。只有持续的不间断地学习，才不会在激烈的竞争中落后于别人，也才能用自己的真才实学为社会做出自己应有的贡献。知识是无止境的，无价的，我愿在求真的道路上下而求索！结论到如今，毕业设计总算接近尾声了，通过这次对于用于正电子发射型计算 机断层扫描仪的机架系统的设计，使我们充分把握的设计方法

34、和步骤，不仅复习 所学的知识，而且还获得新的经验与启示，在各种软件的使用找到的资料或图纸 设计，会遇到不清楚的作业，老师和学生都能给予及时的指导，确保设计进度， 本文所设计的是用于正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统的设计，通过初 期的方案的制定，査资料和开始正式做毕设，让我系统地了解到了所学知识的重 要性，从而让我更加深刻地体会到做一门学问不易，需要不断钻研，不断进取才 可要做的好，总之，本设计完成了老师和同学的帮助下，在大学研究的最感谢帮 助过我的老师和同学，是大家的帮助才使我的论文得以通过。致谢时间过得很快，论文总算完成了，我的心里感到特别高兴和激动，在这里， 我打心里向我的导师和同学们表示衷心的感谢！因为有了老师的谆谆教导，才让 我学到了很多知识和做人的道理，由衷地感谢我亲爱的老师，您不仅在学术上对 我精心指导