基于Solidworks的微波消融冷却泵的设计

李宁 袁航

摘  要：微波消融仪冷却泵的作用是将微波消融手术时冷却用的生理盐水输入到微波针头部位，使其通过微波消融针头形成循环流动，从而使针头温度处于合理范围。采用当前广泛应用的3D设计软件Solidworks设计冷却泵，设计了一种偏心轮机构，实现压块的自动抬起动作。通过电子样机的设计优化，避免了通过制造物理样机反复修改测试，节约了大量设计时间。最后对物理样机进行了测试，结果证明使用Solidworks设计的冷却泵符合设计目标。

关键词：微波消融仪;冷却泵;蠕动泵;Solidworks

中图分类号：TP391.7      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）03-0175-03

Abstract：The function of the cooling pump of the microwave ablation instrument is to input the normal saline used for cooling during the microwave ablation operation into the position of the microwave needle，so that it can form circulation flow through the microwave ablation needle，so that the temperature of the needle is in a reasonable range. The 3D design software Solidworks，which is widely used at present，is used to design the cooling pump，and an eccentric mechanism is designed to realize the automatic lifting action of the pressure block. Through the design optimization of the electronic prototype，it avoids the repeated modification and test of the physical prototype，and saves a lot of design time. Finally，the physical prototype is tested，and the results show that the cooling pump designed by Solidworks meets the design objectives.

Keywords：microwave ablation instrument;cooling pump;peristaltic pump;Solidworks

0  引  言

微波消融术是一种常见的微创手术，具有创面小、操作简单、副作用小、恢复快的优点，从而在治疗肿瘤方面有广泛的应用[1]。冷却泵是微波消融仪必不可少的一部分[2]，它的作用是将冷却用生理盐水打到微波消融针头内使其循环流动，避免因温度过高而烧坏正常组织[3]，控制微波天线针头的温度范围在合理范围[4]。因为蠕动泵具有精度高、无污染、维护简单等优点微波消融仪的冷却系统一般都采用蠕动泵作为冷却泵[5]。微波消融针内部的冷却水路非常狭窄，大概只有0.5 mm的直径，长度则可以达到300.0 mm～500.0 mm。所以要精确控制针头的温度，需要一个冷却泵使水以一定的流量通过冷却水路，循环流动带走针头过多的热量[6]，因为水路狭窄，存在很大阻力，这就需要冷却泵有比较大的压力才能保持一定的流量。这个压力一般需要4～6 bar。因该泵为医疗用产品，设计应尽量使其使用方便。Solidworks作为一种先进的机械设计软件，因其简单易用而得到了广泛应用。用它来进行三维建模、干涉检查、机构运动分析非常方便快捷。使用Solidworks设计的一般步骤为：主要参数设计、结构设计、详细结构设计、干涉检查或碰撞检查等验证、出工程图、物理样机制造、物理样机验证。

1  冷却泵整体方案设计

因为冷却泵是一种蠕动泵，蠕动泵的原理就是用滚轮交替挤压软管，使内部液体被排出。软管是其易耗品，需要经常更换，则需要在设计上尽量使更换软管容易。由于冷却泵需要较大的出口压力，还需要精确控制压管间隙，保证打压性能。

为了方便更换软管，设计了一种曲柄滑块机构的变异机构，即偏心轮滑块机构，使其通过前盖的打开关闭来带动压块的抬起和落下动作。具体方案如图1、图2所示，前盖与偏心轮固连，偏心轮的一个销轴与压块旋转配合，滑块则有导向槽限制只能上下滑动。偏心轮中心圆则与一个固定的U型槽相切配合，则偏心轮具有旋转和水平移动2个自由度。压块只有一个上下运动的自由度。当搬动前盖使偏心轮顺时针旋转时则压块被抬起，逆时针旋转则落下。机构的设计要点是保证工作时压块不会由于振动自动抬起，即该机构处于自锁位置，O1处于O2正下方位置。

如图1、图2所示，压块能抬起的高度为：

A=a1+a2，a2=e（偏心轮的偏心距）。

图3为使用Solidworks绘制的开盖机构三维图。开关机构主要由机架、偏心轮、压块和前盖组成，图中只显示了一个偏心轮，对称位置还有一个，来保证压块两端受力均衡，從而保证上下运动灵活。

2  主要结构设计

冷却泵所用的软管外径为6.4 mm，为了方便装管，需保证打开时滚轮与压块的间隙最少为6.4 mm，为了方便需要更大一些，因此定为7.0 mm。为了确保打开时最小间隙使用软件自带的间隙验证功能最为方便，偏心轮的偏心距暂定3.5 mm。

如图4所示，使用间隙验证功能校核本方案的最小打开间隙为7.4 mm，满足设计要求。另外，为了实现打压还需确保工作时的压管间隙为2.2 mm～2.7 mm之间。具体的数值需要实测得到，打压能力跟滚轮、工作圆尺寸，软管几何参数、材质等有关系。将前盖放下，使压块处于工作位置，则压块的工作圆圆心应该与滚轮组件同心，其最小间隙即为压管间隙。为了保证滚轮组件的圆心与压块的几何中心重合需要有凸台配合定位保证同心度。

3  其他结构设计

其他结构包括压块导向、压管装置、电机与滚轮组件连接，减震措施等。

压块必须保证只有1个自由度，限制除上下移动外的其他5个自由度，可以通过使用2个导向键实现。如图5所示，使用2个导向键，与机架的2个导向槽配合，则可以实现压块的正确导向。为了使运动灵活，则导向键与机架之间留有间隙，所以在设计上还需避免导向的自锁问题。

压管机构的主要作用是保证工作时软管处于正确位置，原则是保证软管处于滚轮的中间位置，而且软管不会由于滚轮对其滚动摩擦产生的力而跑管。所以压管机构设计的基本原则是尽量加大摩擦力。但是由于蠕动泵所用的软管有一定弹性，软管安装时处于放松状态，一旦运转起来，由于摩擦力的作用，软管一端会处于拉紧状态，而另一端则会处于放松状态，而且由于滚轮将泵腔内的管挤向一端，容易在出口处造成软管堆积，从而导致软管过度扭曲，造成液路阻塞。所以需要压管机构入口处于压紧状态，出口处只限制软管的水平位移而不限制轴向移动，避免出口处堆积。所以要求入口处压管力要大一些，出口处要小一些。保证在运转过程中不会跑管，而且出口处管子不会由于挤压而堆积在泵腔内。

如图6所示，入口压管采用双刀管卡，使软管处于过压状态，出口压管采用单刀压管，软管处于放松状态。这种夹管形式只支持泵的单向运转，所以在压块上进行方向标记。当客户需要反向运转时只需要将管卡拆下来调换一下位置即可。方向标记的目的是提示用户不可以反转，否则会导致跑管而不能使用。管卡和底座共同形成夹管机构，管卡与压块固连，当压块抬起后管卡随之抬起从而自动放松软管，使软管容易更换。

为了减少震动噪音，降低磨损，压块与偏心轮的销轴中间加了塑料轴承。前盖与机架之间添加了塑料垫片。其他机构还包括开盖停机触发装置、电机安装结构等等，此处从略。为了能在运转时实时观察蠕动泵工作情况，前盖采用了透明的PMMA材料，机身主要部件采用了铝并进行阳极化处理。为了在电子样机阶段就看到产品的效果，需要进行样机的渲染，经过设置材料、表面纹理等等步骤，可以渲染出非常逼真的图片，从而不必制作样机即可让客户看到实际产品效果图，大大加快了产品上市进度。

4  物理样机试验

使用Solidworks能方便地设计泵的结构，并绘制出工程图。设计完成后还需进行模拟运动仿真，验证机构运动是否符合预期目标。如开关盖的角度跟压块抬起的高度之间的关系。碰撞检查可以方便地检查运动过程中是否存在干涉情况，比如开关盖过程是否有可能出现零件相互碰撞情况等。干涉检查可以单独检查某一个静止状态下的干涉情况，如处于工作状态和开启最大角度状态是否有其他干涉等。另外对某些重要零件如机架，可进行力学分析，校核其受力状态下的强度是否满足要求，此处从略。确认没有问题后进行物理样机制作。物理样机制作完成后方可进行测试，验证设计的可靠性。通过测试，压块抬起机构、压管机构实现了预期目标。为了打压6 bar流量不下降，需要通过试验，确定最小的压管间隙。可以通过在工作圆上粘贴不同厚度的胶带来实现不同的压管间隙，来进行打压试验。确定压管间隙后就可以返回微调模型，可以调整滚轮盘尺寸或者滚轮尺寸来获得所需压管间隙，从而设计出具体其他参数，诸如滚轮尺寸、工作圆尺寸等等，这样就完成了整个产品的设计。

5  结  论

通过使用Solidworks设计软件能方便地进行冷却泵的参数设计验证、机构运动仿真、干涉检查、最小间隙验证和最后的产品效果图制作。大大简化了设计流程，提高了产品开发效率。冷却泵的最主要参数为压管间隙，为了一定的冷却效果，必须保证出口压力高达6 bar时流量不下降，则需要冷却泵的机械结构可靠。为了操作方便，使用了一种偏心轮机构，实现开盖压块自动抬起，方便安装软管。通过实际物理样机的验证，说明了设计的产品符合预期目标。

参考文献：

[1] 杨平平，叶欣.微波消融技术及临床应用研究进展 [J].泰山医学院学报，2010，31（4）：308-312.

[2] 李靓.分叉血管周围微波热疗温度场的实验研究 [D].北京：北京工业大学，2008.

[3] 葛梦轲，周玉福，祁甫浪，等.一种磁共振兼容的微波消融仪：CN107095719A [P].2017-08-29.

[4] 王卫中，江荣华，郑锐，等.一种微波消融针体、微波消融针及微波消融方法：CN109953824A [P].2019-07-02.

[5] 孙良俊.一种智能微波消融电极：CN203564330U [P]. 2014-04-30.

[6] W·J·迪克漢斯.用于确定流体冷却的微波消融系统的状态的系统和方法：CN108778176A [P].2018-11-09.

作者简介：李宁（1987-），男，汉族，河北保定人，机械工程师，硕士研究生，研究方向：机械制造及其自动化、机电一体化。