Разработка мобильного рентгеновского аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Обзор и сравнительная оценка мобильных рентгеновских аппаратов

1.1 Анализ существующих мобильных рентгеновских аппаратов

1.2 Mедико-техническое обоснование разработки

1.3 Выбор структурной схемы мобильного рентгеновского аппарата

2. Расчет электрической схемы и определение основных характеристик мобильного рентгеновского аппарата

2.1 Функциональная схема и описание принципа ее действия

2.2 Расчет принципиальной электрической схемы

3. Экспериментальные исследования

4. Конструкторско-технологическая разработка мобильного рентгеновского аппарата

4.1 Конструктивно-технологические особенности мобильного рентгеновского аппарата

4.2 Выбор и обоснование метода изготовления блока управления

4.3 Отработка конструкции на технологичность

4.4 Технологические вопросы конструирования печатной платы

4.5 Проектирование печатной платы

4.6 Технология изготовления печатной платы

4.7 Сборка блока управления

4.8 Технологическая инструкция по проверке и настройке блока управления

4.9 Расчет надежности

5. Организационно-экономическая оценка разработки мобильного рентгеновского аппарата

5.1 Организационно-экономическая характеристика мобильного рентгеновского аппарата

5.2 Расчет себестоимости и цены палатного рентгеновского диагностического аппарата

5.3 Расчет проектной себестоимости аппарата рентгеновского диагностического в условиях опытного производства

5.4 Маржинальный анализ особенностей производства мобильного рентгеновского аппарата в условиях серийного выпуска

5.5 Анализ целесообразности разработки и применения мобильного рентгеновского аппарата

6. Вопросы безопасности при эксплуатации мобильного рентгеновского аппарата в больничной плате

6.1 Санитарно-гигиенические требования к микроклимату

6.2 Санитарно-гигиенические требования к световой среде.

6.3 Электробезопасность

6.4 Пожарная безопасность

6.5 Радиационная безопасность

6.6 Требования по технике безопасности при эксплуатации аппарата

Заключение

Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время рентгенологическое исследование является наиболее распространенным способом диагностики внутренних органов и тканей. В России ежегодно производится более 100 миллионов рентгенограмм, и при этом общее количество рентгеновских исследований постоянно возрастает на 1-2%. Это обуславливается широкой доступностью метода и легкостью проведения исследований. Одним из достоинств является относительно низкая стоимость исследования.

До сих пор аппаратура для пленочной рентгенографии продолжает оставаться наиболее распространенной и во многом самодостаточной. На ряду со стационарными аппаратами, применяемыми в рентгеновских кабинетах, широкое распространение получают мобильные рентгеновские аппараты. Это обуславливается тем, что во многих случаях стационарная рентгенография оказывается недоступной.

Основными требованиями, предъявляемыми к мобильным рентгеновским аппаратам, являются незначительная масса, обеспечивающая легкое передвижение аппарата силами одной медсестры, удобная конструкция, позволяющая размещать аппарат между постелями в палате, универсальность применения, простота использования и высокая надежность.

Целью дипломного проекта является разработка мобильного рентгеновского аппарата с улучшенными характеристиками рентгеновского излучения, которое достигается применением новейшей рентгеновской трубки и усовершенствованием элементной базы.

1. ОБЗОР И СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА МОБИЛЬНЫХ РЕНТГЕНОВСКИХ АППАРАТОВ

1.1 Анализ существующих мобильных рентгеновских аппаратов

Рассмотрим технические характеристики некоторых рентгеновских диагностических аппаратов передвижного типа.

Рентгеновский диагностический переносной аппарат 10Л6 (Арман-6)

Рентгеновский диагностический переносной аппарат 10Л6-01 предназначен для выполнения рентгеновских снимков различных органов пациента в условиях больничных палат, в полевых, экспедиционных и других нестационарных условиях.

Прибор легко передвигается на 4-х колесах-роликах. Граница поля облучения определяется световым центратором.

Моноблок с рентгеновской трубкой свободно перемещается вокруг своей оси, вдоль и поперек колонны. Благодаря этому возможно делать рентгеновские снимки в любом положении пациента. При снимках можно применять все типы рентгеновских кассет.

Установленное рабочее напряжение на трубке не зависит от колебаний напряжения и сопротивления электросети.

Управление снимками производится с помощью пульта на выносном шнуре длиной 5 метров. Пульт имеет переключатель установок киловольт, световой сигнализатор снимков.

Технические характеристики:

? номинальное напряжение однофазной питающей сети частотой 50 Гц: 220 В;

? диапазон рабочих напряжений сети: от 198 до 242 В;

? уставки рабочего напряжения на рентгеновской трубке: 40; 50; 60; 70; 80; 90 кВ;

? уставки реле количества электричества: 2,5; 4; 6; 10; 15; 25; 40; 60; 100 мА·с;

? максимальная нагрузка аппарата (за 15 минут работы): 300 мА·с;

? номинальный размер эффективного фокусного пятна: 2x2 мм;

? тип рентгеновской трубки: 1,6БДМ9-90;

? максимальный ток, потребляемый из сети кратковременно не более 25 А;

? масса аппарата не более 50 кг.

Рентгеновский диагностический палатный аппарат 12П6 (АРМОБИЛЬ?6)

Передвижной аппарат 12П6 предназначен для рентгенографических исследований в палатах, рентгенкабинетах, приемных покоях в режиме снимков.

Аппарат обеспечивает возможность получения рентгеновских снимков органов человека в положении стоя, сидя и лежа.

Технические характеристики:

? напряжение питающей сети 220 В или 380 В (возможно переключение на любое из этих напряжений);

? напряжение на рентгеновской трубке: от 40 до 125 кВ;

? токи анода: 25; 40; 60; 100 мА;

? уставки реле количества электричества: 1,5; 2,5; 4; 6; 10; 15; 25; 40; 60; 100; 150; 250 мА·с;

? малый фокус: 0,8Ч0,8 мм; большой фокус: 1,5Ч1,5 мм;

? масса, 320 кг.

К достоинствам аппарата 12П6 можно отнести:

? способность работать с сетями различного качества, в том числе с сетями, имеющими повышенное сопротивление;

? большие возможности штатива;

? двухфокусная рентгеновская трубка;

? плавное регулирование напряжения на трубке (кВ);

? 12 уставок реле количества электричества (мА·с);

? 4 уставки тока анода (мА);

? автоматическая коррекция сетевого напряжения;

? защита рентгеновской трубки при выборе недопустимого режима;

? световая сигнализация при выборе недопустимого режима;

? предусмотрена защита трубки от подачи высокого напряжения при отсутствии накала;

? диафрагма со световым центратором;

? сменный фильтр;

? возможность преодоления порогов палат, кабинетов.

Недостатком является большая масса и габаритные размеры, не позволяющие эксплуатировать аппарат за пределами здравоохранительного учреждения.

Рентгеновский диагностический палатный аппарат 12П9 (АРМОБИЛЬ?9)

Аппарат палатный передвижной рентгенографический 12П9 предназначен для рентгенографических исследований в палатах, приёмных покоях и т. п. в режиме снимков. Аппарат обеспечивает возможность получения рентгеновских снимков органов человека в положении «Стоя», «Сидя» и «Лёжа».

Аппарат имеет одно рабочее место - штатив для рентгенографии. Аппарат состоит из следующих основных частей: основание с четырьмя колесами, штатив - «рука», излучатель, отсек с УРП и пультом управления, карман с кассетами, самосматывающийся сетевой кабель.

Штатив состоит из подвижной «руки» с закрепленным на конце излучателем. Кабели проложены внутри суставов «руки». Штатив аппарата позволяет перемещать рентгеновскую трубку и закреплять её в необходимых для исследования положениях. Применяется двухфокусная рентгеновская трубка с вращающимся анодом. При этом используются оба фокуса.

В аппарате применена щелевая регулируемая диафрагма, шторки которой приводятся в действие при помощи ручек, находящихся на корпусе диафрагмы. В диафрагму встроен подвижной фильтр с алюминиевым эквивалентом 1мм и 2 мм. Диафрагма имеет возможность вращения вокруг оси излучения.

В рабочем процессе используется кнопка дистанционного включения снимка с радиусом действия до 10 метров. Выбор параметров снимка - ручной и с использованием органавтоматики.

Высокое напряжение подводится к трубке двумя высоковольтными кабелями. Оба кабеля совершенно одинаковы и взаимозаменяемы.

Аппарат имеет широкие диагностические возможности.

Технические характеристики:

? экспозиция до 150 мАс;

? мощность высокочастотного питающего устройства с молекулярным накопителем: 15 кВт;

? напряжение и частота сети: 220(±10%)В, 50(±1)Гц;

? потребляемая сетевая мощность: 1,5 кВ·А;

? подстройка аппарата под сеть автоматическая;

? масса аппарата не более 165 кг.

Переносной рентгеновский аппарат модели SY-HF-110

Рентгеновский аппарат корейского производства модели SY-HF-110 с рентгеновской трубкой компании TOSHIBA.

Аппарат может использоваться как установленный на мобильную стойку как палатный передвижной аппарат, так и без нее как переносной (мобильный) рентгеновский аппарат. Благодаря этому можно делать рентгеновские снимки при любом положении пациента, в том числе и в полевых условиях.

Технические характеристики:

? выходная мощность: 2,5 кВт;

? напряжение питания: от 210В до 250В;

? фазность тока: однофазный;

? частота тока: 50 или 60 Гц;

? тип питающего устройства: инверторного типа;

? частота импульсов подаваемых на выпрямитель питающего устройства: 50 кГц;

? уставки киловольт изменяются с шагом 1 кВ;

? максимальное отклонение напряжения: ±7 %;

? максимальное отклонение количества электричества: ±10%;

? индикация киловольт;

? количество символов индикации: 5;

? компенсация регуляции поступления энергии: автоматическая;

? габаритные размеры аппарата (без передвижной стойки): 340Ч261Ч335 мм;

? вес (без передвижной стойки): 13,5 кг;

? напряжение на аноде трубки: 40…110 кВ;

? ток на аноде трубки: 40…20 мА;

? количество электричества: от 0,3-50 до 0,3-20 мА·с

? тип рентгеновской трубки: Toshiba D-125;

? фокальное пятно рентгеновской трубки: 1,2Ч1,2 мм;

? угол цели: 16 градусов.

Патентные исследования.

Результаты проведенного анализа сложившейся патентной ситуации в отношении «мобильного рентгеновского аппарата» приведены в отчете о патентных исследованиях в приложении А.

1.2 Медико-техническое обоснование разработки

Рентгеновский диагностический переносной аппарат предназначен для проведения рентгенографии нетранспортабельных больных в условиях больничных палат, отделениях реанимации, при выездах бригад скорой помощи.

Принцип действия аппарата основан на проникающей способности рентгеновского излучения.

Рентгеновское излучение представляет собой электромагнитные волны с длиной волны от 80 до нм (рисунок 1.5). В шкале спектра электромагнитного излучения оно находится между коротковолновой частью ультрафиолетового видимого излучения и «жестким» г-излучением [1].

Рисунок 1.5 - Спектр электромагнитных излучений

Основным свойством рентгеновского излучения является его способность проникать сквозь вещества. Эта способность тем выше, чем больше энергия излучения или чем короче длина его волны.

(м),

где ? анодное напряжение, кВ.

Коротковолновое рентгеновское излучение называется жестким рентгеновским излучением. А длинноволновое - мягким.

В рентгенодиагностике требуется только жесткое рентгеновское излучение, а от мягкого излучения избавляются с помощью специальных фильтров.

Поток рентгеновского излучения определяется по формуле:

,

где К - коэффициент пропорциональности, К= ВП№;

I, Ua- сила тока и напряжение рентгеновской трубки;

z - порядковый номер атома вещества анода.

При увеличении анодного напряжения за счет взаимодействия атомов с электронами и квантами первичных рентгеновских лучей на фоне тормозного рентгеновского излучения появляется характеристическое излучение. Электроны и первичные рентгеновские лучи выбивают электроны из одних энергетических уровней на другие. Возникает метастабильное состояние и для перехода к стабильному состоянию необходим переход электронов в обратном направлении. Этот переход сопровождается выделением кванта энергии и возникновением характеристического рентгеновского излучения. У него очень узкий интервал длин волн и высокая интенсивность. Вследствие высокой интенсивности и узкого интервала длин волн характеристическое рентгеновское излучение является основным типом излучения, используемым в научных исследованиях и при технологическом контроле, но в медицинской практике такое рентгеновское излучение не используется.

При распространении лучей от точечного источника (рентгеновской трубки) они могут поглощаться и рассеиваться. В результате прошедшее через биообъект излучение будет ослабленным. При этом ослабление происходит по закону:

,

где Ф - поток излучения, прошедший через биообъект;

Фо - начальный поток излучения;

- линейный коэффициент ослабления;

- массовый коэффициент ослабления;

х - длина пути проникновения излучения;

- плотность вещества.

Для рентгенодиагностики используются рентгеновские фотоны с энергией порядка 60-120 кэВ. При таких энергиях массовый коэффициент определяется соотношением:

,

где К - коэффициент пропорциональности;

z - порядковый номер атома вещества, через которое проходит излучение;

- длина волны рентгеновского излучения.

В плотном веществе происходит быстрое ослабление потока рентгеновских лучей. Биологические ткани человека неоднородны, а поглощение лучей зависит, прежде всего, от плотности ткани, из которой состоит орган. Например, слой водяного пара ослабляет поток рентгеновских фотонов гораздо меньше, чем слой воды такой же толщины. Это происходит из-за того, что на единицу пути в жидкости приходится больше атомов, чем в газе. Ослабление потока рентгеновских лучей зависит так же от химического состава вещества, так как элементы с большими атомными номерами ослабляют излучение сильнее, чем элементы с малыми атомарными номерами. В костной ткани содержатся вещества с большими атомными номерами, чем в мягких тканях, поэтому она значительно сильнее поглощает излучение. К тому же костные ткани являются еще и более плотными, чем мягкие.

Различное поглощение фотонов разными тканями человеческого организма создает возможность получения контрастного изображения при рентгенографировании или при получении телевизионного изображения в рентгеновских лучах.

В результате воздействия пучка прошедшего излучения на специальный экран или рентгеновскую пленку возникает теневое рентгеновское изображение исследуемой части тела, которое характеризует ее внутреннее строение. Теневое изображение, возникающее на флюоресцентном экране во время рентгеноскопии, состоит из светлых и более темных участков, соответствующих областям неодинакового поглощения рентгеновского излучения тканями и органами. На рентгенограмме соотношение затемнений и просветлений обратное: светлые участки соответствуют структурам, максимально поглощающим излучение, а темные - более прозрачным для рентгеновского излучения участкам исследуемого объекта. При описании снимков всегда исходят из соотношений, свойственных позитивному изображению, то есть светлые участки на негативных рентгенограммах называют затемнениями, а темные - просветлениями.

Основным элементом излучателя любого типа является рентгеновская трубка. Различают рентгеновские диагностические трубки с неподвижным и вращающимся анодом. В трубке второго типа анод имеет форму диска и на своем хвостовике цилиндрический ротор, закрепленный в подшипниках. Статор двигателя охватывает горловину трубки снаружи. Ротор приводится во вращение при подаче на обмотки статора переменного напряжения частотой 50 Гц для скорости 3000 об/мин или 150 Гц для скорости 9000 об/мин.

Трубки с вращающимся анодом имеют фокусы значительно меньших размеров, чем трубки с неподвижным анодом при одной и той же мощности, поэтому во всех стационарных аппаратах используются только трубки с вращающимся анодом. Трубки с неподвижными анодами в дентальных, моноблочных маломощных передвижных и переносных аппаратах.

Катод представляет собой накаливаемую спираль, помещенную в специальное углубление, форма которого должна быть такой, чтобы обеспечить точную фокусировку электронов, вылетающих из катода, на фокусном пятне анода. В современных трубках обычно имеются две спирали и два фокуса, отличающиеся размерами и мощностью. В двухфокусных трубках фокусные дорожки имеют разные диаметры. Иногда две фокусные дорожки располагаются на аноде под разными углами (так называемые двуугловые аноды). Электроны, испускаемые катодом, ускоряются в электрическом поле между катодом и анодом, летят от катода к аноду и, ударяясь о поверхность анода, тормозятся, выделяя кванты рентгеновского излучения. Рентгеновские кванты вылетают с поверхности анода во все стороны. Именно поэтому так важно защищать свинцом среднюю часть кожуха. Практически используется лишь малая часть излучения, выходящая через выходное окно кожуха.

Поверхность анода наклонена по отношению к плоскости катода, угол в разных типах трубок составляет от 10 до 17°. Этот наклон имеет важное значение, поскольку при одних и тех же видимых размерах фокуса позволяет распределить электроны по большей площади анода, что повышает мощность трубки. Казалось бы, с этой точки зрения желательно беспредельно уменьшать угол скоса анода, однако это невозможно, потому что поверхность анода поглощает образовавшиеся рентгеновские лучи и чрезмерное уменьшение угла а не позволяет создать равномерный рентгеновский пучок требуемых размеров на заданном фокусном расстоянии. Поэтому мощность, выделяемая на фокусном пятне анода, ограничена. Она, как уже отмечалось, намного больше мощности неподвижного анода. Когда анод вращается, нагретый при бомбардировке электронами участок диска быстро уходит из области действия пучка электронов, а на его место приходит ненагретый или уже остывший за целый оборот участок. Поэтому чем выше скорость вращения анода, тем больше электрическая энергия, которую может воспринять анод без чрезмерного перегрева фокуса, а следовательно, и мощность излучения.

Но уменьшение фокуса снижает допустимую мощность и, следовательно, увеличивает экспозицию, а значит, и динамическую нерезкость. Таким образом, нагрузочная способность трубки становится важным фактором, непосредственно влияющим на качество изображения.

Пропускная способность аппарата определяется количеством каналов объектов исследования. Для улучшения транспортабельных характеристик аппарата число каналов минимизировано. В аппарате имеется всего один канал для рентгенодиагностики.

Установка, контроль и регулирование режимов работы

Аппарат предназначен только для снимков. Аппарат обеспечивает выполнение снимков в повторно-кратковременном режиме при любом напряжении на трубке и при любой уставке реле количества электричества. Перерывы между снимками в секундах должны при этом составлять не менее утроенной величины численного значения уставки количества электричества.

Средства отображения и регистрации медико-биологической информации.

Изображение, полученное при рентгеновском исследовании-- это распределение пространственной неоднородности рентгеновских лучей, прошедших через исследуемый орган, перенесенное в оптическую часть спектра и поэтому видимое человеческим глазом. Иными словами, при рентгенологическом исследовании происходит многоступенчатое преобразование энергии, в результате которого появляется доступное для наблюдения и анализа изображение исследуемого объекта.

Характеристики рентгеновского изображения:

? энергетические (коэффициент преобразования входной сигнал выходной сигнал; яркость, кд/м,2 плотность почернения; неравномерность по полю, %);

? пространственные (размер ноля входного, ммЧмм; выходного, ммхмм; разрешающая способность, мм,-1 геометрические искажения (дисторсия), %);

? градационные (контрастная чувствительность, %; коэффициент сохранения контраста, %; отношение сигнал/шум, dВ);

? временные (инерционность, мс; динамическая нерезкость, мм; временное разрешение, Гц).

Способ регистрации изображения - пленочный. Он является самым распространенным так как не требует больших затрат.

Требования к устройству и эксплуатации рентгеновских аппаратов сформулированы вСанитарных правилах и нормативах

СанПиН 2.6.1.1192-03: «Гигиенические требования к устройству и эксплуатации рентгеновских кабинетов, аппаратов и проведению рентгенологических исследований» [2].

Система обеспечения радиационной безопасности при проведении медицинских рентгенологических исследований должна предусматривать практическую реализацию трех основополагающих принципов радиационной защиты -- нормирования, обоснования и оптимизации.

Принцип нормирования доз облучения касается прежде всего персонала, а в отношении населения -- только при проведении профилактических рентгенологических исследований.

Принцип обоснования при проведении рентгенологических исследований должен реализовываться с учетом следующих требований:

? приоритетное использование альтернативных (нерадиационных) методов диагностики и лечения;

? проведение исследований только по клиническим показаниям;

? выбор наиболее щадящих методов рентгенологических исследований;

? риск отказа от рентгенологического исследования должен заведомо превышать риск от облучения при его проведении.

Принцип оптимизации или ограничения уровней облучения при проведении рентгенологических исследований осуществляется путем поддержания доз облучения на таких низких уровнях, какие возможно достичь при условии обеспечения необходимого объема и качества диагностической информации или терапевтического эффекта с учетом экономических и социальных факторов.

При проведении рентгенологических исследований выделяют две категории облучаемых лиц -- персонал и население. При этом персонал в зависимости от характера радиационного воздействия подразделяется на две группы: А и Б.

К персоналу группы А относят сотрудников лечебно-профилактического учреждения, непосредственно занятых в проведении рентгенодиагностических исследований (врачи-рентгенологи, рентгенолаборанты), санитарки, инженеры и техники но наладке и эксплуатации рентгеновской аппаратуры, врачи иных специальностей (стоматологи, хирурги, урологи, ассистенты хирурга, травматологи и др.), которые принимают участие в проведении рентгенологических исследований и у которых возможно превышение предела дозы для персонала группы Б.

К персоналу группы Б относят сотрудников лечебно-профилактического учреждения, находящихся по условиям работы в сфере действия ионизирующего излучения: сотрудники учреждения, не отнесенные к персоналу группы А, сотрудники, работающие в смежных с рентгеновским кабинетом помещениях; специалисты, не входящие по функционально-должностным обязанностям в штат рентгеновского отделения, но участвующие в проведении рентгенологических исследований (анестезиолог, медицинская сестра, выполняющая хирургические процедуры под контролем рентгеновского излучения, и др.).

К категории «население» относят пациентов и других лиц, не являющихся сотрудниками учреждения, временно находящихся в помещениях и на территории учреждения, которые по условиям эксплуатации рентгеновского кабинета могут подвергаться воздействию ионизирующего излучения.

Принадлежность конкретного человека к той или иной группе персонала при приеме на работу или изменении условий груда устанавливает администрация учреждения на основании его должностных обязанностей.

Средняя годовая эффективная доза облучения персонала группы А не должна превышать 20 мЗв в среднем за любые последовательные 5 лет, при этом максимальная доза за год не должна быть более 50 мЗв. За период трудовой деятельности (50 лет) накопленная доза облучения персонала группы А не должна превышать 1000 мЗв (1 Зв).

Для женщин в возрасте до 45 лет эквивалентная доза на поверхности нижней части области живота не должна превышать I мЗв в месяц. В этих условиях эквивалентная доза облучения плода за 2 месяца невыявленной беременности не превысит 1 мЗв.

Доза облучения персонала группы Б не должна превышать 1/4 значений, регламентируемых для персонала группы А. Эффективная доза облучения населения за счет облучения техногенными источниками не должна превышать 1 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5 лет, при этом максимальная доза за год не должна быть более 5 мЗв, а за период жизни (70 лет) - 70 мЗв.

Выполнение рентгеновского снимка вне специально защищенной комнаты повышает риск облучения как персонала, так и людей, случайно находящихся в непосредственной близости от места исследования. В таких случаях следует применять специальные рентгенозащитные ширмы и экраны.

Малая ширма пациента предназначена для защиты нижней части тела от рассеянного излучения.

Малая ширма персонала (рисунок 1.6) предназначена для защиты нижней части тела в положении сидя.



Рисунок 1.6 - Рентгенозащитная ширма рентгенолога. Вид спереди (а) и сзади (б)

Эффективность передвижных и индивидуальных средств защиты персонала и пациентов, выраженная в значении свинцового эквивалента, не должна быть меньше:

? для малой защитной ширмы 1 мм свинца;

? для фартука защитного одностороннего 0,25 мм свинца;

? для фартука защитного двустороннего 0,35 мм свинца.

Технические требования

Разрабатываемый мобильный рентгеновский аппарат должен быть выполнен в виде моноблока на передвижном штативе. Моноблок представляет собой металлический бак, внутри которого будут размещены высоковольтный трансформатор, трансформатор накала трубки и сама рентгеновская трубка.

Включение высокого напряжения при снимке должно осуществляться с помощью кнопки управления на длинном выносном шнуре.

Штатив аппарата должен обеспечивать перемещение фокуса трубки по высоте от 360 мм от пола (выходное окно моноблока направлено вверх) до 1750 мм от пола (выходное окно моноблока направлено вниз).

На горловине моноблока должна быть укреплена регулируемая диафрагма со световым центратором поля облучения и блокировкой включения высокого напряжения при отсутствии накала трубки, работающей от светового потока нити накала трубки.

Диафрагма со световым центратором поля облучения должна обеспечивать любые прямоугольные поля облучения, имеющиеся внутри поля, освещаемого центратором. Наибольший размер освещаемого поля 35Ч35 см при фокусном расстоянии 80 см.

К основанию с помощью разъемов должны подключаться сетевой кабель длиной 7 м, кабель питания моноблока и кабель кнопки управления снимком, имеющий длину 5 м.

Аппарат должен иметь массу не более 50 кг.

Питание аппарата должно осуществляться от сети переменного тока напряжением (220 ± 22) В при частоте 50 Гц.

Так же в аппарате должна быть предусмотрена световая и звуковая сигнализация.

Для снижения дозовой нагрузки на пациента в разрабатываемом аппарате должна быть применена рентгеновская трубка с наименьшим номинальным размером оптического фокуса и с диапазоном рабочего напряжения до 100 кВ.

В мобильном рентгеновском аппарате должно быть предусмотрено дозирование рентгеновского излучения по току и времени излучения.

Спроектированный мобильный рентгеновский аппарат полностью отвечает поставленным требованиям и лишен недостатков, которыми обладает аналогичные выпускаемые серийно аппараты, и, кроме того, обладает следующими преимуществами:

? мобильный рентгеновский аппарат имеет массу 40 кг;

? в аппарате применена новейшая рентгеновская трубка типа 1,7 БДМ18-100 с номинальным размером оптического фокуса 1,2Ч1,2 мм;

? диапазон рабочего напряжения от 40 до 100 кВ;

? в аппарате применено реле количества электричества со следующими уставками: 2,5; 4; 6; 10; 15; 25; 40; 60; 100 мА·с.

1.3 ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Структурная схема мобильного рентгеновского аппарата показана на рисунке 1.7 и включает следующие блоки:

? блок предохранителей;

? разъединитель;

? коммутатор в силовой цепи моноблока;

? коммутатор в цепи накала трубки;

? моноблок;

? блок защиты от перенапряжений при отсутствии накала трубки;

? преобразователь анодного напряжения;

? устройство автоподстройки киловольт на рентгеновской трубке;

? задатчик киловольт;

? реле количества электричества;

? задатчик реле количества электричества;

? блокиратор реле количества электричества;

? анализатор режима работы;

? звуковой сигнал;

? блок подготовки включения и выключения снимков;

? клавиша снимков;

? блок питания низковольтных цепей аппарата.

Моноблок получает энергию, необходимую для работы рентгеновской трубки непосредственно из сети через блок предохранителей и через полупроводниковый оптронный коммутатор силовой цепи.

Регулирование высокого напряжения на рентгеновской трубке ведется путем изменения степени накала трубки. Изменение накала вызывает соответствующее изменение анодного тока, что в свою очередь ведет к изменению анодного напряжения. В аппарате используется система обратной связи по высокому напряжению, которая при всех возможных вариантах питающей сети автоматически выводит анодное напряжение трубки на заданный уровень. При увеличении сетевого напряжения и уменьшении сопротивления сети происходит увеличение анодного тока, и наоборот, уменьшение сетевого напряжения и увеличение сопротивления сети приводит к уменьшению анодного тока. Такая система позволяет свести все регулировки аппарата к одной: регулировке анодного напряжения. Анодный ток при этом будет автоматически выводиться именно на тот уровень, при котором достигается требуемое анодное напряжение.

Так как напряжение на трубке во время снимка всегда будет поддерживаться равным заданной величине, дозирование рентгеновских лучей с помощью реле количества электричества обеспечивает идентичность рентгеновских снимков по почернению вне зависимости от состояния питающей сети.

На устройство автоподстройки киловольт поступают сигналы о том, соответствует или не соответствует истинное напряжение на трубке заданному, этот блок меняет степень накала трубки, а следовательно, и напряжение на ней до тех пор, пока оно не станет равным заданному.

Сигнал с информацией о величине высокого напряжения на трубке подается в устройство автоподстройки киловольт с преобразователя анодного напряжения и сравнивается с сигналом, который подается с задатчика киловольт.

Когда необходимо сделать снимок, оператор нажимает на клавишу снимков. Сигнал с этой клавиши в этот же момент включает разогрев нити накала и подготавливает цепи моноблока к работе.

Нажатие на кнопку снимков запускает задержку времени, необходимую для разогрева нити накала в блоке подготовки, включения и выключения снимка.

Если клавишу снимка удерживать нажатой, то по истечении задержки на трубку будет подано высокое напряжение, начнется снимок.

При переключении задатчика киловольт предварительный накал будет расти при уменьшении уставки и уменьшаться при увеличении уставки. Переключением уставки задатчиком киловольт осуществляется две задачи: в устройство автоподстройки киловольт вводится сигнал, который соответствует отработке любого из напряжений 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 кВ, а также сигнал, который выводит накал трубки перед снимком на уровень, близкий к необходимому, при данной уставке напряжения.

Информация о напряжении на трубке в любой момент снимка преобразуется в нужный сигнал преобразователем анодного напряжения и в качестве обратной связи вводится в блок устройство автоподстройки киловольт. Этот блок доводит напряжение на трубке до заданного уровня.

Ток рентгеновской трубки служит управляющим сигналом для реле количества электричества. С помощью задатчика реле настраивается на нужную величину срабатывания. После отработки заданной уставки реле выдает на блок подготовки включения и выключения снимков сигнал об окончании снимка. Этот сигнал преобразуется блоком подготовки снимков и поступает на силовой коммутатор. Если клавиша снимков будет отпущена до окончания снимка, то сигнал об этом также поступит на блок подготовки снимков и через коммутатор в силовой цепи моноблока прекратит снимок.

Для обеспечения правильной работы аппарата на малых уставках миллиамперсекунд в аппарате применен блокиратор реле количества электричества при недоборе киловольт. Пока напряжение на трубке меньше заданного на 3-5%, блокиратор количества электричества блокирует работу реле количества электричества.

Если эта разность меньше указанной величины, блокиратор количества электричества снимает блокировку, и реле количества электричества начинает свой отсчет. Сигнал работы блокиратора количества электричества поступает от устройства автоподстройки киловольт.

Звуковой сигнал применятся в аппарате для сигнализации о присутствии высокого напряжения на трубке. Источник звука пьезоэлектрический звонок ЗП?1 с резонансной частотой 1000 Гц.

Рисунок 1.7 - Структурная схема мобильного рентгеновского аппарата

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

Произведем моделирование схемы генератора пилообразного напряжения. Согласно расчетам амплитуда импульсов пилообразной формы должна составлять 4,4 В при частоте следования импульсов 100 Гц.

Моделирование произведем с помощью интегрированной программной системы Micro-Cap 9.

Micro-Cap 9 - типичная интегрированная программная система, разработанная фирмой Spectrum Software в 2002 году, позволяет строить и редактировать схемы, модели и изображения компонентов, а также представлять результаты расчетов в удобном графическом виде.

Возможности Micro-Cap 9:

? построение принципиальных и функциональных электрических схем при помощи встроенного графического редактора с использованием библиотеки УГО электронных компонентов;

? изменение УГО компонентов в соответствии с ГОСТ;

? создание собственных УГО с помощью встроенного редактора УГО Shape Editor;

? моделирование режимов работы электронных устройств, заданных с помощью принципиальных и функциональных схем;

? анализ переходных процессов в схемах при подаче напряжения питания и (или) воздействия (воздействий) произвольной формы с построением графиков переменных состояния схемы и их функций: зависящих от времени; зависящих друг от друга; разложенных в ряд Фурье по гармоническим составляющим;

? анализ малосигнальных частотных характеристик схемы (линеаризованной в окрестности режима по постоянному току) при воздействии на нее одного или нескольких источников гармонического сигнала с постоянной амплитудой и меняющейся частотой. При этом возможен вывод следующих графиков:

? зависимости комплексных значений переменных состояния (амплитуда, фаза, групповая задержка) от частоты в линейном, логарифмическом, полулогарифмическом (логарифмическом по оси X или по частоте и линейным по оси Y) масштабах;

? анализ передаточных характеристик по постоянному току;

? добавление к принципиальной схеме рамки и штампа с основными сведениями о схеме;

? вставка и размещение на поле принципиальной схемы графического файла со вспомогательной информацией в любом из общепринятых графических форматов;

? отображение номеров узлов принципиальной схемы, присваиваемых графическим редактором при вводе схемы;

? возможность использования «растягивающихся проводов», не нарушающих электрические соединения при перемещении компонентов принципиальной схемы;

? возможность поиска компонента на принципиальной схеме по заданному признаку;

? возможность показа концов выводов компонентов для выявления отсутствия соединения между ними.

Схема, моделируемого генератора пилообразного напряжения, приведена на рисунке 3.1.

Результаты моделирования, представленные на рисунке 3.2 дают подтверждение о работоспособности схемы генератора пилообразного напряжения, а также о правильности проведенных расчетов.



Рисунок 3.1 - Генератор пилообразного напряжения

Рисунок 3.2 - Результаты моделирования генератора пилообразного напряжения

4. КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА МОБИЛЬНОГО РЕНТГЕНОВСКОГО АППАРАТА

4.1 Конструктивно-технологические особенности мобильного рентгеновского аппарата

Мобильный рентгеновский аппарат выполнен в виде напольного штатива, по колонне которого перемещается каретка с закрепленным моноблоком.

Включение высокого напряжения при снимке осуществляется с помощью кнопки управления на длинном выносном шнуре.

Основание аппарата на четырех самоориентирующихся колесах служит для укрепления на нем колонны с кареткой и моноблока. Также в основании аппарата на панели размещена большая часть электрической схемы аппарата. К основанию с помощью разъемов подключаются сетевой кабель, кабель питания моноблока и кабель кнопки управления снимком.

Колонна штатива представляет собой квадратную дюралюминиевую трубку, на одной из боковых поверхностей которой укреплена зубчатая рейка. Зубчатая рейка служит для перемещения по колонне каретки с моноблоком. Нижняя часть трубки вставляется в специальное отверстие в основании и закрепляется болтом.

Штатив аппарата обеспечивает перемещение фокуса рентгеновской трубки по высоте от 360 мм от пола до 1760 мм от пола.

Штатив обеспечивает также горизонтальное перемещение фокуса трубки относительно колонны при направлении выходного окна вниз в пределах от 400 до 620 мм.

Моноблок представляет собой металлический бак, внутри которого размещены высоковольтный трансформатор, трансформатор накала трубки и сама рентгеновская трубка. Моноблок укрепляется на каретке штатива с помощью вилки и может вращаться как в самой вилке, так и вместе с вилкой вокруг оси ее хвостовика.

На горловине моноблока укреплена регулируемая диафрагма со световым центратором поля облучения и блокировкой включения высокого напряжения при отсутствии накала трубки, работающей от светового потока нити накала трубки. Диафрагма со световым центратором поля облучения обеспечивает любые прямоугольные поля облучения, имеющиеся внутри поля, освещаемого центратором. Наибольший размер освещаемого поля 35-35 см при фокусном расстоянии 80 см.

Ручная кнопка управления выполнена из ударопрочной пластмассы. На передней панели кнопки управления расположены переключатели уставок киловольт и переключатель уставок милиамперсекунд. В верхней части панели расположен сигнальный светодиод включения аппарата в сеть. Внутри корпуса кнопки находится звуковой сигнализатор снимка. В средней части рукоятки кнопки управления расположена клавиша включения снимка.

4.2 Выбор и обоснование метода изготовления блока управления

Блок управления мобильного рентгеновского аппарата выполнить на двусторонней печатной плате комбинированным позитивным методом печатной технологии.

Сущность печатного монтажа заключается в образовании на поверхности оснований, изготовленных из изоляционных материалов, тонких электропроводящих покрытий, выполняющих функции монтажных проводов, разъемов и контактных деталей. С технической точки зрения печатный монтаж - это образование проводящих покрытий на поверхности диэлектрического основания.

Комбинированный позитивный метод применяют для изготовления двусторонних печатных плат с металлизированными отверстиями на двустороннем фольгированном диэлектрике. Проводящий рисунок получают химическим методом, а металлизацию отверстий осуществляют электрохимическим методом.

Печатную плату изготовить из фольгированного стеклотекстолита марки СФ-2-50 толщиной 1,5мм с металлизацией переходных и монтажных отверстий. По сравнению с другими материалами для изготовления печатных плат стеклотексталит имеет лучшие механические и электрические характеристики, более высокую нагревостойкость, меньшее влагопоглащение.

Габаритные размеры платы 90 Ч 140 мм.

Класс точности для данной печатной платы выбран третий.

Отверстия на печатной плате выполнить штамповкой (базовые), сверлением (монтажные и переходные). Операция производится автоматизированным способом. Монтажные и переходные отверстия подвергаются металлизации для обеспечения более надежного паяльного электрического монтажа.

Подготовку элементов произвести автоматически. Подготовка элементов заключается в формовке выводов элементов, рихтовке и лужении.

Установку элементов на плату проводить в соответствии со сборочным чертежом 200401.Д10.018.02.00 СБ автоматизированным способом.

Пайку элементов производить автоматически групповым методом - пайкой волной припоя.

Связь с другими блоками осуществить через разъем. Разъем крепится на печатной плате с помощью пайки.

Маркировка элементов на печатной плате наносится краской ГОСТ 26.020-80.

Нанесение рисунка печатной платы произвести фотографическим способом. Фотографический способ формирования изображения рисунка печатных плат основан на использовании специальных фоточувствительных материалов, наносимых на основание. С помощью фотошаблонов мы получаем рисунок методом контактной печати, а также с применением пленочного фоторезистора, так как он позволяет получить изображение высокой точности.

Защиту платы от окисления произвести путем нанесения расплавленного ПОС-61.

Защиту блока от внешних воздействий осуществить после пайки и настройки путем нанесения лака УР-231.

4.3 Отработка конструкции на технологичность

Под технологичностью конструкции следует понимать такое сочетание конструктивно-технологических требований, которое обеспечивает наиболее простое и экономичное производство изделий при соблюдении всех технологических и эксплуатационных условий.

Отработка конструкции электронного блока управления на технологичность производится на основании частных показателей Кi и комплексного показателя Кi, рассчитанного по частным показателям с учётом коэффициентов весовой значимости i, характеризующих весовую значимость показателей Кi.

Произведём расчёт коэффициентов по следующим формулам [10]:

1 Коэффициент использования микросхем:

, ,

где - количество микросхем;

- общее количество электрорадиоэлементов;

=12/103=0,12.

2 Коэффициент автоматизации и механизации монтажа:

, ,

где - число монтажных соединений, которые выполняются механизированным или автоматизированным способом;

Нм - общее число монтажных соединений;

=308/318=0,97.

3 Коэффициент автоматизации и механизации подготовки электрорадиоэлементов к монтажу:

, ,

где - количество электрорадиоэлементов, которые подготавливаются к монтажу механизированным и автоматизированным способом;

=101/103=0,98.

4 Коэффициент автоматизации и механизации операций контроля и настройки электрических параметров:

, ,

где - число операций контроля и настройки, выполняемых автоматизированным и механизированным способом;

- общее число операций настройки и контроля;

=0/5=0.

5 Коэффициент повторяемости ЭРЭ рассчитывается:

, ,

где - общее количество типоразмеров электрорадиоэлементов в изделии;

=1-(20/103)=0,83

6 Коэффициент применяемости электрорадиоэлементов:

, ,

где - количество типоразмеров оригинальных электрорадиоэлементов;

=1-(0/20)=1.

7 Коэффициент прогрессивности формообразования:

, ,

где - число деталей полученных прогрессивным методом формообразования;

Д - общее число деталей;

Кф=1/1 = 1.

8 Технологичность изделия оценивается комплексным показателем, определяемым на основании базовых показателей по формуле:

,

где - расчетный базовый показатель соответствующего класса блоков;

- весовой коэффициент;

i - порядковый номер показателя;

n - число базовых показателей.

.

Уровень технологичности разрабатываемого изделия оценивается отношением комплексного показателя К к нормативному показателю Кн, для электронных блоков равного 0,5ч0,8.

.

Поскольку полученный результат больше единицы, то конструкция выполнена с достаточным уровнем технологичности.

4.4 Технологические вопросы конструирования печатной платы

Расчет размеров элементов печатного монтажа на печатной плате

В связи со средней плотностью расположения элементов печатного монтажа блок управления необходимо изготовить на печатной плате третьего класса точности.

Наименьший номинальный диаметр контактной площадки Д рассчитывается по следующей формуле [11]:

,

где - диаметр отверстия, мм;

- верхнее предельное отклонение диаметра отверстия, мм;

- верхнее и нижнее предельные отклонения диаметра контактной площадки, мм;

- позиционный допуск расположения отверстий, мм;

- позиционный допуск расположения центров контактных площадок, мм;

- гарантийная ширина пояска контактной площадки, мм.

Произведём расчёт наименьшего номинального диаметра контактной площадки:

? для отверстия диаметром 0,7 мм:

=1,2 мм;

? для отверстий диаметром 0,9 мм:

= 1,4 мм;

? для отверстий диаметром 1,0 мм:

= 1,5 мм.

Наименьшее номинальное расстояние для прокладки n-го количества проводников рассчитывается по формуле:

,

где Д3 - диаметр контактных площадок, мм;

n - количество проводников;

Тi- позиционный допуск расположения печатного проводника, мм;

S - расстояние между краями соседних элементов проводящего рисунка, мм;

t - ширина печатного проводника, мм.

Произведём расчёт наименьшего номинального расстояния для

прокладки одного проводника:

= 2,3 мм.

Действительное расстояние между центрами площадок составляет 5 мм, очевидно, что 2,3 < 5, то есть, наименьшее номинальное расстояние для прокладки одного печатного проводника меньше действительного. Из этого следует, что печатная плата удовлетворяет третьему классу точности.

Расчёт элементов печатного монтажа на фотошаблоне

Для получения проводящего рисунка на слоях печатной платы необходимо применение фотошаблонов, представляющих собой графическое изображение рисунка в масштабе 1:1 на фотопластинке или фотопленке. Фотошаблоны изготавливают фотографированием их с фотооригиналов.

Размеры проводящего рисунка зависят не только от метода изготовления плат, но и от принятого способа получения рисунка схемы, а также от наличия оплавляемого или неоплавляемого металлорезиста.

Поэтому расчет элементов печатного монтажа надо проводить с учетом технологических факторов.

Расчет минимальных и максимальных размеров элементов фотошаблона с учетом того, что рисунок схемы получен фотоспособом с применением пленочного фоторезистора для оплавляемого металлорезиста, выполняется по формулам:

,

,

где - минимальный диаметр окна фотошаблона для контактной площадки, мм;

- максимальный диаметр окна фотошаблона для контактной площадки, мм;

- допуск на изготовление окна фотошаблона для контактной площадки 0,01ч0,03 мм;

,

,

где - минимальная ширина окна фотошаблона для печатного проводника, мм;

- максимальная ширина окна фотошаблона для печатного проводника, мм;

- допуск на изготовление окна фотошаблона для печатного проводника 0,03ч0,06 мм;

Произведём расчёт окон фотошаблона для контактных площадок печатной платы III класса точности:

= 1,2 мм;

= 1,2 + 0,03 = 1,23 мм;

= 1,4 мм;

= 1,4 + 0,03 = 1,43 мм;

= 1,5 мм;

= 1,5 + 0,03 = 1,53 мм;

= 0,25 мм;

= 0,25 + 0,05 = 0,3 мм.

4.5 Проектирование печатной платы

Проектирование печатной платы блока управления проведено с помощью программного пакета P-CAD.

Исходными данными для проектирования является следующие документы:

? принципиальная электрическая схема 200401.Д10.018.01.00 ЭЗ,

? перечень элементов 200401. Д10.018.01.00 ПЭЗ,

? справочные данные об элементах.

В результате проектирования получили проект двусторонней печатной платы размером 90Ч140 мм третьего класса точности с шагом координатной сетки 1,25 мм с двусторонней установкой элементов.

Результаты разработки печатной платы блока управления приведены в

приложении Г 200401.Д10.018.02.00 СБ Блок управления. Сборочный чертеж и приложении Д 200401.Д10.018.02.01 Блок управления. Плата печатная.

4.6 Технология изготовления печатной платы

Основные этапы технологического процесса изготовления двухслойной печатной платы на фольгированном основании комбинированным позитивным методом:

? входной контроль диэлектрика;

? получение заготовок;

? получение базовых отверстий;

? получение монтажных и переходных отверстий;

? химическая металлизация диэлектрика;

? подготовка поверхности;

? получение защитного рельефа;

? электрохимическая металлизация;

? нанесение металлорезиста на рисунок;

? удаление защитного рельефа;

? травление меди с пробельных мест;

? оплавление металлорезиста;

? нанесение защитной паяльной маски;

? лужение;

? отмывка флюса;

? маркировка платы;

? получение крепежных отверстий и обработка по контуру.

? промывка;

? контроль электрических параметров [12].

Отверстия на печатной плате выполнить штамповкой (базовые). Все отверстия, подлежащие металлизации (монтажные и переходные), получают сверлением, так как пробитые отверстия имеют плохое качество поверхности и непригодны для металлизации.

4.7 Сборка блока управления

Сборка блока состоит из следующих этапов:

? входной контроль элементов производят по внешнему виду, геометрическим размерам и форме, проверяют механическую прочность и электрические параметры. В серийном производстве осуществляется выборочный контроль партии элементов по оптимальному объекту выборки;

? подготовка элементов зависит от способа закрепления их на печатной плате и заключается в рихтовке выводов, обрезке, гибке по форме, лужении выводов;

? монтаж элементов;

? пайка элементов определяется типом производства и характером соединения деталей. В серийном производстве применяют групповую пайку. Пайка волной припоя заключается в том, что на поверхности расплавленного припоя создают волнообразный выступ. Плату с навесными элементами перемещают с определенной скоростью по гребню волны припоя так, что места пайки быстро и равномерно прогреваются;

? защита блока от внешних воздействий проводится путем нанесения лака УР-231;

? контроль и настройка блока.

Технологический процесс сборки блока управления представлен на маршрутных картах 200401.Д10.018.02.01 по ГОСТ 3.1118-82 (форма 2).

4.8 Технологическая инструкция по проверке и настройке блока управления

Заключительным этапом в производстве блока управления является контроль его работоспособности.

Требования мер безопасности:

? к работе по поверке и регулировке блока допускаются лица, имеющие специальное разрешение, а также изучившие инструкцию по технике безопасности;

? до начала работы необходимо изучить техническое описание.

? обязательно ознакомиться с правилами по технике безопасности при работе с электроприборами:

? до подачи питания проверить качество изоляции проводов;

? электроприборы, электророзетки должны быть удалены от заземленных труб отопления и других коммуникаций;

? защита от коротких замыканий должна быть всегда исправна.

Проверка правильности работы и регулировка блока управления.

1. Подключить блок управления к стенду регулировки. Схема стенда представлена на рисунке 4.1.



Рисунок 4.1 - Схема стенда регулировки блока управления.

2. Подключить стенд с сети переменного напряжения 220 В;

3. Балансировка усилителя DA1.

К выходу усилителя DA1 в контрольной точке Х1 подключить вольтметр постоянного тока на напряжение 15-30 В с внутренним сопротивлением не менее 10 кОм. Вольтметр должен показывать напряжение около 12 В. Поставить переключатель реле количества электричества S3, расположенный на пульте управления аппаратом в положение «1,5», отключить шнур питания диафрагмы от моноблока и нажать клавишу снимка на пульте управления. Наблюдать за показаниями вольтметра. Если баланс усилителя имеется, то напряжение на конденсаторе будет слабо изменяться. Таким образом, с помощью переменного резистора R9 необходимо добиться положения, при котором напряжение в контрольной точке Х1 изменяется после нажатия на клавишу снимков в течение 10-20 с не более, чем на 0,5-1 В.

...