新型X射線防護服可支持艙體行走式設計研究＊

袁豐華,胡元凱

（1．陜西工業職業技術學院 化工與紡織服裝學院，陜西 咸陽 712000；2．西安凱頓醫藥科技有限公司，陜西 西安 710065）

1 引言

X 射線為一種波長介于紫外線與γ射線之間的電離輻射，可以在醫療診斷過程中使用。當X 射線對人體進行照射時，會產生一定程度的生物效應，對人體腺體、組織器官、血細胞等造成較大傷害。同時X 射線損傷還會具有累積性能夠導致人體發生頭暈、乏力、免疫力下降等癥狀，甚至可能導致內分泌紊亂及造血系統損壞引發相關癌癥?，F階段，先進的X 射線診斷、心腦血管造影、血管成形術等被廣泛應用，放射性介入治療也得到了普及，因此越來越多的放射學工作人員需要在X射線場中長時間工作。美國心血管造影和介入學會對從事放射性治療平均達16年的醫務工作人員的職業健康進行調查，調查結果表明超過半數醫生患有骨科相關疾病，其中腰椎疾病較多占總體的34．4%，其次為頸椎疾病占比為24．7%，其余各類骨關節疾病占19．6%。報告同時指出有4．8%的醫生血液系統存在問題，甚至罹患癌癥，并且3%的醫護人員患有腎結石。因此，為減少相關人員疾病發生概率，如何對X射線進行防護也成為了重點研究內容。

X射線防護服是通過屏蔽射線，將工作人員受傷害程度降至最低的一種特殊防護服飾。是化工、國防、醫院等不可缺少的重要輻射防護工具。目前由于鉛的能量吸收性良好，且成本相對較低，容易獲得，實際應用價值更高，因此成為現階段X射線防護服的主要原材料。醫學臨床較為常用防護服樣式主要為鉛口罩、鉛圍脖、鉛眼鏡、鉛內褲、鉛圍裙、鉛背心等，然而由于鉛的密度過大，其重量較高、質地較硬等問題導致相關人員直接穿著防護服時，行動的靈活性較差，負重感較強容易產生疲憊，且無法做到全面防護。因此設計一款遮蔽性能更高、著裝承重低、靈活性較和舒適性較高的新型防護裝備成為了主要研究方向。揚州錦江有限公司以減輕承重、方便活動為理念設計出一種可移動的防護裝備，該方案將多塊防護板拼接成防護艙，艙的上部配備頭盔，下部配備輪子實現靈活運動。啟東鳳兵服裝有限公司設計了一款由耐磨層、透氣層多層材料組合而成的衣身和衣袖相互連接的一種鉛衣防護服。以上產品在一定程度上為新型防護服提供了設計思路，其遮蔽性和靈活性雖然有所提高但還是沒達到理想狀態。

因此，為改進現有X射線防護服遮擋不全面、負重較高、靈活性差等問題，通過對臨床手術動作的科學分析，提出一種新型X 射線防護服可支持艙體行走式設計研究，創新提出艙體支撐行走器外覆蓋鉛橡膠鉛衣的設計理念，以行動學分析為基礎，對人體運動進行模擬，確定各個關節位置完成艙體支撐行走器的建立，并且根據支撐架造型設計包裹鉛衣，通過剪裁縫紉等工序完成防護服制作全過程，在仿真實驗條件下，新型支撐行走式防護服的防護效果更好，靈活性更高，能夠滿足X射線臨床的基本防護要求。

2 研究路線

傳統X射線防護服[1]存在遮蔽面積小、活動困難且負重較為沉重等問題，因此采用艙體支撐行走器加包裹鉛衣的配套組合，設計出同時具備視野開闊、穿戴方便、安全防護等性能的更為符合實際應用的X射線防護服。

2.1 艙體支撐行走器

艙體支撐行走器的關鍵作用為支撐包裹鉛衣，并且具有活動功能，主要組成部分包括頭盔、軀干、腰部、下身四部分。頭盔、軀干及下身設為靜態區塊，要同時滿足活動量和舒適度，腰部設為動態區域，為了能夠滿足在手術過程中彎腰動作設置了回彈裝置。并且為了適合不同身高的使用，設計了可調節支撐架高度的滑輪裝置。

通過對人體運動模擬實現艙體的靈活性和適用性，在Bruderlin人體運動分析的基礎上進行改進，充分使用各個相關工具使人體運動模擬[2]在減少工作量的前提下使結果更為準確，則X射線防護服如圖1所示。

人體行走運動看似簡單但是實際是一個復雜的行為過程，是通過腿部轉動的帶動使身體發生位移[3]。同時行走又可以視為一個循環的周期性運動，對稱的兩步構成一個步幅如圖2所示。

從圖2中可以看出，只要行走步態對稱則左右腿只是隨著時間交替執行相同動作，因此可以針對行走一步的過程對人體行走進行分析[4]。

根據不同行走速度時，總要改變參數達到能力消耗最少原則[5]，可得到規格化公式如下：

式(1)中，sf 表示步頻，sl 表示步長，v表示步速，height表示人體身高。式(1)給出了人體行走參數之間的線性關系[6]，也間接給出了步長與行走參數之間關系。在人行走的過程中，每一步都是由一個雙腳支撐期及一個單腳支撐期組成，若使用tcycle表示一個期間，則：

在行走的每個周期內，隨著步頻的增大，雙腳支撐期則變短，當支撐期不存在時，行走即為跑步，根據不同的行走步頻及支撐期測試，可得下式：

確定tds后，需要注意的是，實際行走過程中，單腳支撐期要大于移動周期，但是以上分析只對一個單步周期進行了研究[7]，則只能仿真出單腳支撐期的其中一部分，即從后腳跟落地開始人體所經歷的一個單步過程。

圖3描述了鐘擺步態行走對稱性，可以看出，人體的兩腿長度是相同的，且步長相同時兩條腿和豎直方向的夾角相同，即角θ1和角θ2的大小只受步長影響，當行走速度變化時，上述條件依舊滿足，圖3中t2到t3時刻即為行走加速狀態。

但是在實際行走的過程中，腳后跟落地時，行走步態是不對稱的，步行的真實狀態如圖4所示，因此，根據拉格朗日方程可推導出人體直立期的運動方程為：

人體行走一個周期的擺動運動方程[8]可以表示為：

假設地面高度為0，l1、l2、l3、l4、l5的長度為已知，則ankle(腳踝位置)可作如下表示：

臀部位置可以表示為：

根據式(4)、式(5)、式(6)可得：

通過上式即可獲得人體行走過程中各個關節點位置，完成艙體的建立。

2.2 包裹鉛衣

包裹鉛衣依附在支撐架上，是能夠起到吸收能量、屏蔽射線對人體進行保護的防護鉛衣。按照層次劃分為兩部分，內層為支撐架套，外層為鉛衣。由于人體直接接觸支撐架套，因此需保證其舒適性；外層鉛衣部分又由三層組成，外層起到防塵拒水的作用，中間層為鉛橡膠，主要作用為阻擋射線損傷人體，內層在考慮到舒適性的同時防止鉛橡膠漏出，則包裹鉛衣結構示意圖如下所示。

包裹鉛衣主要是根據人體各部位形狀制作的包裹裁片組合而成，分為頭盔、軀干、腰部、下身、袖子5部分。各區塊的裁片設計重點為衣片靜態造型部分，例如，頭盔的設計重點在于球面分片設計，各區域連接部分的設計關鍵在于活動量的設置，以及衣袖袖門和衣身袖窿處活動量設計。

2.3 防護服特點及達標情況

《X射線防護服》的國家標準及醫藥行業標準對X射線防護服的制作材料、款式及鉛當量給出相關要求，對照中華人民共和國醫藥行業標準YY 0318-2 000 醫用診斷X 射線輻射防護器具第3 部分：防護服和性腺防護器具》防護服設計要求，新型支撐行走式X射線防護產品的特點及達標情況如表1。

從表1中可以看出設計的新型X 射線防護服完全符合相關標準，可以達到醫學工作的日常X射線防護要求。

表1 支撐行走式X射線防護服產品特點及達標情況

3 仿真實驗

3.1 防護性能測試

為驗證設計的新型X 射線防護服的有效性，采用X射線機的高壓發生裝置，設置管電壓為120KV、管電流為50mA、在80ms的穩定輸出條件下，對提出的行走式防護服的鉛當量進行測試。并與臨床常用防護服的鉛當量進行對比，其結果如表2所示。

表2 X射線防護服鉛當量參照數對照表

3.2 臨床試驗及靈活性負重測試

在仿真實驗下，分別對40名醫護人員進行負重測試，測試結果如表3所示。

表3 X射線防護服實驗對比測試

從表3中可以看出，在臨床手術動作仿真實驗中，同一受測者穿著常用防護服長久工作時，承重負擔較大，腰部、肩膀、手臂等處均出現不同程度酸痛癥狀，并且仿真手術的動作靈活性逐漸變差伴隨著較為嚴重的出汗悶熱現象，導致受測對象身體乏力出現情緒焦慮等癥狀；而在穿著設計的新型X 射線防護服后，受測者身體服裝負重較弱，幾乎不存在著裝影響且動作靈活性受負重影響較低，在相同程度的工作條件下，受測者的身體疲憊程度較低，沒有出現不適癥狀。在靈活性方面，受測者分別穿著常用防護服和提出的新型防護服分別進行相同時間的乒乓球托跑及穿針韌線實驗，實驗對比數據表明，穿著新型X射線防護服的動作靈活性、準確性更優，尤其耐久性方面新型防護服的性能要高于常用防護服。

4 結束語

本設計的創新之處在于模擬了真實人體骨骼構架，并對人體關節的活動性進行分析，在此基礎上構建人體外骨骼艙體，完成艙體行走器的設計，支撐器能夠承擔包裹鉛衣的全部重量使著裝者在無負重感的條件下實現靈活運動和有效防護。同時包裹鉛衣使用柔性衣片組裝而成，能夠更好地實現對艙體的形態包裹及滿足手術動作的靈活性要求，完成四肢、軀干、頭部的全方位屏蔽防護，改善了常規防護裝備難以實現全防護的弊端。其主要先進程度在于：能夠實現全方位防護，最大程度上減少X射線對相關從業者的損傷；起到防護作用的鉛衣重量全部由艙體支撐行走器承擔，人體無承重負擔；相對于常規防護鉛衣，更加滿足各種手術操作動作，便于著裝者行走，能夠在一定程度上增加操作的成功率；視野開闊：頭部全防護面罩呈透明狀，不影響著裝者視野，并且在包裹鉛衣和身體間的預留空間內設有透氣通道，使得防護服內空氣流通，體感較為舒適。