新型g形臂x光機的結構設計與分析

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文檔簡介

1、　　碩士學位論文　　MASTER’S DISSERTATION　　論文題目　　新型 G 形臂 X 光機的結構設計與分析<

2、;p>　　作者姓名　　學位類別　　指導教師　　郜鵬　　工程碩士</p&

3、gt;　　曾達幸副教授　　2016 年 12 月　　中圖分類號：TH774　　UDC：621　　學校代碼：10216</p&g

4、t;　　密級：公開　　工程碩士學位論文　?。☉醚芯啃停?lt;/b>　　新型 G 形臂 X 光機的結構設計與分析&

5、lt;p>　　碩士研究生：郜鵬　　導　　師：曾達幸副教授　　副　　導

6、　　師　　楊小川高級工程師　　申請學位：工程碩士　　工程領域：機械工程

7、;　　所屬學院：機械工程學院　　答辯日期： 2016 年 12 月　　授予學位單位：燕山大學

8、A Dissertation in Mechanical Engineering　　STRUCTURE DESIGN AND ANALYSIS OF A NEW　　G-ARM X-RAY APPARATUS<

9、;p>　　by Gao Peng　　Supervisor: Associate professor Zeng Daxing　　Yanshan University　　Dec, 2016<

10、;/p>　　燕山大學碩士學位論文原創(chuàng)性聲明　　本人鄭重聲明：此處所提交的碩士學位論文《新型 G 形臂 X 光機的結構設計與　　分析》，是本人在導師指導下，在燕山大學攻讀碩士學位期間獨立進行研究工作所取　　得的成果。論文中除已注明部分外不包含他人已

11、發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文　　的研究工作做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式注明。本聲明的法　　律結果將完全由本人承擔。　　作者簽字：　　日期：<p&g

12、t;　　年　　月　　日　　燕山大學碩士學位論文使用授權書　　《新型 G 形臂 X 光機的結構設計與分析》系本人在燕山大

13、學攻讀碩士學位期間　　在導師指導下完成的碩士學位論文。本論文的研究成果歸燕山大學及本人共有，本　　論文的研究內容不得以其它單位的名義發(fā)表。本人同意學校保留并向有關部門送交　　論文的復印件和電子版本，允許論文被查閱和借閱。本人授權燕山大學，可以采用　　影印、縮印或其它復制手

14、段保存論文，可以公布論文的部分內容。　　保密□，在　　本學位論文屬于　　不保密□。　?。ㄕ堅谝陨舷鄳娇騼却颉啊獭保?lt;/p>

15、　　年解密后適用本授權書。　　作者簽名：　　導師簽名：　　日期：　　日期：&l

16、t;b>　　年　　年　　月　　月　　日<b&g

17、t;　　日　　摘要　　摘　　要　　X 光機已經成為現(xiàn)代醫(yī)院手術室中不可或缺的臨床醫(yī)療設備，但目前應用于臨

18、　　床的 X 光機還存在運動自由度少、工作空間小、移動不便、立體成像效率低等不足，　　為解決現(xiàn)有 X 光機存在的上述弊端，本文對臨床 X 光機提出了新的、更高的技術要　　求。通過調研國內外相關產品的本體結構，本文在分析了現(xiàn)有臨床 X 光機優(yōu)缺點的</

19、p>　　基礎上，設計了新型 G 形臂 X 光機的本體結構，并應用相關軟件完成了關鍵零部件　　的靜力學與運動學仿真。新型 G 形臂 X 光機克服了傳統(tǒng) C 形臂 X 光機和單 G 形臂　　X

20、光機的缺點，增大了臨床 X 光機工作空間、能夠顯著提高手術的效率和質量，為　　臨床 X 光機的發(fā)展提供了新的方向。　　本文首先系統(tǒng)地調研了國內外現(xiàn)有的 C 形臂 X 光機和單 G 形臂 X 光機的本體

21、　　結構，針對現(xiàn)有設備存在的問題，提出了一種新型 G 形臂 X 光機，設計方案主要包　　含并聯(lián)雙 C 形臂構成的 G 形臂機構和全向移動載體機構。根據(jù)確定的構型方案，運　　用軟件建立新型 G 形臂 X 光機的三維模型，

22、并完成各部分機構的工程設計、選型、　　校核工作。　　然后，分析 G 形臂機構的工作空間，通過建立機構的靜力學模型和 ADAMS 虛　　擬樣機，分析承載車的全向驅動性能、仿地形驅動性能、減震性能和整機的平衡穩(wěn)<

23、;p>　　定性，并制作了承載車的縮小比例樣機。　　最后，根據(jù)實際受力情況分別對初始姿態(tài)和極限姿態(tài)的豎直 C 形臂、水平 C 形　　臂進行有限元仿真，對 L 形臂受橫向力最大的狀態(tài)和轉軸受扭轉力矩最大的狀態(tài)進　　行有限元仿真，在橫滾臂前移

24、50mm 的狀態(tài)下，對方軸、升降柱和車體底盤進行有　　限元仿真，仿真結果表明，零件強度和剛度滿足設計要求，驗證了結構設計的合理　　性。　　關鍵詞：X 光機；G 形臂；全向移動承載車；全向驅動；仿地形驅動&

25、lt;b>　　-I-　　燕山大學工學碩士學位論文　　Abstract　　X-ray apparatuses have become a requisite part of

26、;modern medical equipments in　　the hospital operation room, but there are some defects in current clinical X-ray

27、　　apparatuses, like that less degree of freedom, small working space, convenient mobility,　　low stereo imaging efficienc

28、y and so on. In order to solve the defects of the existing　　X-ray apparatuses, updated and higher requirements

29、0;to the clinical X-ray apparatuses are　　put forward. The structure and technology of domestic and foreign related prod

30、ucts are　　investigated in this paper. A new type of G-arm X-ray apparatus is designed after　　analysing

31、the advantages and disadvantages of the existing clinical X-ray apparatuses.　　The static and kinematic simulation of the

32、0;key components are completed by related　　software. The new G-arm X-ray apparatus overcomes the defects of traditional

33、;C-arm　　X-ray apparatuses and single G-arm X-ray apparatuses to increase the X-ray apparatus’s　　working space and

34、 improve the operation efficiency and quality, which providing a new　　direction for the development of clinical X-ray&#

35、160;apparatuses.　　Firstly the structure of the domestic and foreign technology of C-arm X-ray　　apparatuses and si

36、ngle G-arm X-ray apparatuses is researched systematically. In order to　　solve the problems to the existing X-ray appara

37、tuses, a new G-arm X-ray apparatus is put　　forward, which comprises a G shaped arm mechanism composed by two

38、parallel C　　shaped arms and an omnidirectional mobile vehicle mechanism. According to the　　determined configuration,&#

39、160;the detailed three-dimensional model is established by related　　software. And the design, selection and check of the

40、0;various parts of the X-ray apparatus　　are completed according to the three-dimensional model.　　Then the working

41、 space of the new G-arm X-ray apparatus is analysed. And the　　omnidirectional driving performance of vehicle, the

42、imitation-terrain performance,　　damping performance and the balanced stability of the whole machine are analysed by<p&g

43、t;　　establishing the static model and ADAMS virtual prototype of the new G-arm X-ray　　apparatus. And one reducing-proportion

44、 prototype of the vehicle has been made.　　Finally according to the actual force condition, the stiffness and stren

45、gth of the　　- II -　　Abstract　　vertical C-arm and the horizontal C-arm

46、;are calculated by finite element when they are in　　the initial attitude and ultimate attitude. The stiffness and

47、strength of the L shaped arm　　and the rotating shaft are calculated by finite element when they are under the

48、 maximum　　lateral force or under the maximum moment. The stiffness and strength of the square　　shaft an

49、d the rotating shaft are simulated by finite element when the cross arm moves　　forward 50mm. The simulation result

50、s show that the strength and stiffness of the parts　　meet the design requirements, verifying the rationality of th

51、e structure.　　Keywords: X-ray apparatus; G arm; omnidirectional moving vehicle; omnidirectional　　driving; imitation-terrain

52、;driving　　- III -　　目錄　　目錄　　摘要 ...............................

53、.................................................................................................... I　　ABSTRACT ............................................................................

54、.............................................II　　第 1 章緒論 ....................................................................................................................

55、60;1　　1.1 課題來源及研究背景 .............................................................................................. 1　　1.1.1 課題來源 .......................

56、..................................................................................... 1　　1.1.2 研究背景 ...................................................................................

57、......................... 1　　1.2 臨床 X 光機的國內外發(fā)展現(xiàn)狀 ............................................................................. 3　　1.2.1 臂形結構&

58、#160;............................................................................................................ 4　　1.2.2 載體全向移動結構 ...................................................

59、......................................... 8　　1.2.3 國內外 X 光成像技術發(fā)展前景 ......................................................................11　　1.3 我國

60、 X 光機面臨的問題及解決方向 ................................................................... 12　　1.4 研究目的和意義 ....................................................................

61、................................ 12　　1.5 論文的主要研究內容 ............................................................................................ 13　　第 2

62、章新型 G 形臂 X 光機的構型分析 ........................................................................ 14　　2.1 引言 ...........................................

63、............................................................................. 14　　2.2 G 形臂的構型分析 ..................................................................................

64、............... 14　　2.3 G 形臂 X 光機的原理分析 .................................................................................... 16　　2.4 基本參數(shù)

65、的確定 ..................................................................................................... 19　　2.5 G 形臂機構工作空間分析 ..............................................

66、....................................... 19　　2.6 本章小結 ................................................................................................................ 20

67、;　　第 3 章新型 G 形臂 X 光機的結構設計 ........................................................................ 21　　3.1 引言 .....................

68、................................................................................................... 21　　3.2 新型 G 形臂 X 光機的設計原則 .....................................

69、..................................... 21　　3.3 G 形臂機構的設計 ................................................................................................. 22<

70、p>　　3.3.1 豎直 C 形臂的設計 ......................................................................................... 22　　3.3.2 水平 C 形臂的設計 ..................

71、....................................................................... 24　　3.3.3 L 形臂的機構設計............................................................................................

72、 25　　3.4 載體機構的設計 .................................................................................................... 27　　3.4.1 橫滾臂機構的設計 .........

73、................................................................................. 27　　3.4.2 升降柱機構的設計 ..................................................................................

74、........ 28　　3.4.3 承載車機構的設計 .......................................................................................... 29　　3.5 整機模型 ..............

75、.................................................................................................. 30　　3.6 本章小結 .......................................................................

76、......................................... 31　　-V-　　燕山大學工程碩士學位論文　　第 4 章傳動系統(tǒng)的計算與選型 ..............................

77、........................................................ 32　　4.1 引言 ...................................................................................................................

78、..... 32　　4.2 同步帶的計算與選型 ............................................................................................ 32　　4.3 伺服電機的計算與選型 ..........

79、.............................................................................. 36　　4.4 圓錐滾子軸承的選型與校核 ................................................................................

80、60;36　　4.5 橫滾擺動電機的計算與選型 ................................................................................ 38　　4.6 轉臺軸承選型與校核 ............................

81、................................................................ 39　　4.7 舉升推桿選型 .......................................................................................................

82、. 43　　4.8 本章小結 ................................................................................................................ 43　　第 5 章新型&

83、#160;G 形臂 X 光機性能分析 ............................................................................ 44　　5.1 引言 ........................................................

84、................................................................ 44　　5.2 承載車機構全向平動性能分析 ............................................................................ 44

85、　　5.3 承載車機構仿地形驅動性能分析 ........................................................................ 47　　5.4 承載車減震性能分析 ...................................................

86、......................................... 49　　5.5 整機平衡穩(wěn)定性分析 ............................................................................................ 51

87、　5.6 制作承載車樣機 .................................................................................................... 53　　5.7 本章小結 ..............................................

88、.................................................................. 54　　第 6 章關鍵部件有限元分析 ......................................................................................

89、.... 56　　6.1 引言 ........................................................................................................................ 56　　6.2 有限元分析的

90、步驟 ................................................................................................ 56　　6.3 G 形臂機構有限元分析 .....................................................

91、.................................... 57　　6.3.1 豎直 C 形臂有限元分析 ................................................................................. 58

92、6.3.2 水平 C 形臂有限元分析 ................................................................................. 61　　6.3.3 L 形臂有限元分析...........................................

93、................................................. 63　　6.4 橫滾臂機構有限元分析 ........................................................................................ 65<p

94、>　　6.4.1 轉軸有限元分析 .............................................................................................. 66　　6.4.2 方軸有限元分析 ........................................

95、...................................................... 67　　6.5 升降柱有限元分析 ................................................................................................ 68</p

96、>　　6.6 承載車底盤有限元分析 ........................................................................................ 70　　6.7 整體撓度分析 .....................................

97、................................................................... 71　　6.8 本章小結 ......................................................................................................

98、.......... 72　　結論 ................................................................................................................................ 73　　參考文獻

99、............................................................................................................................ 74　　攻讀碩士學位期間承擔的科研任務及主要成果 ......................................

100、...................... 78　　致謝 ................................................................................................................................ 79

101、　　- VI -　　第 1 章緒論　　第 1 章緒　　論

102、　　1.1 課題來源及研究背景　　1.1.1 課題來源　　本課題來源于燕山大學和北京東方惠爾圖像技術有限公司的橫向合作研究項　　目。首先經由北京東方惠爾圖像技術有限公司對國外的一些中高檔私立醫(yī)院和國內　　的三甲醫(yī)院進行廣泛的市場調

103、查研究，然后統(tǒng)計、分析醫(yī)生對現(xiàn)有臨床 X 光機產品　　的優(yōu)缺點評價以及他們對未來產品的設想，之后進行整理和規(guī)劃，提出本課題中新　　型 X 光機的各項技術要求，將技術要求交付燕山大學，并由燕山大學將概念轉化為　　具體技術方案，本課題即來源于此校企合作項目。

104、　　1.1.2 研究背景　　在一些骨科矯正和椎弓根螺釘植入手術中，傳統(tǒng)的手術條件下，醫(yī)生的裸眼可　　觀察區(qū)域非常有限，而應用傳統(tǒng)臨床 X 光機需要頻繁地采集患處的 X 光圖像，不僅　　使患者和醫(yī)生受到的 X 光輻射量增加，

105、還延長了手術時間，使得患者手術感染的風　　險增加，在此情況下，即便臨床經驗豐富的醫(yī)生也難以對最終的手術質量輕易作出　　保證。　　計算機輔助手術技術（Computer Aided Surgery Technology，CAST）的出現(xiàn)，</p

106、>　　為這些問題的解決帶來了曙光[1, 2]。CAST 是隨著新一代的計算機智能輔助技術、醫(yī)　　療影像學、計算機圖形圖像技術、定位跟蹤技術等的發(fā)展而興起的一門多學科交叉、　　多技術融合的新興學科[3, 4]。而圖像引導手術系統(tǒng)（Image-guided Surgery，IGS）是<

107、/p>　　CAST 的重要組成部分[5, 6]。IGS 是以 X 光圖像等為載體，運用高精度的定位系統(tǒng)實　　時跟蹤顯示手術器械與患處的位置關系，以幫助醫(yī)生進行手術操作。早在 1907 年，　　手術導航技術被 Horsley 和

108、Clarke 用于小動物身上進行實驗研究[7]。采用體外標志　　點來定位體內位置是該項技術的主要特點，其精度差，因而不適用于人體手術。而　　到 1947 年，Spiegal 采用“氣腦造影術”對軟組織的標志在空間中進行定位，第一　　次將手術導航技術應用到人體[8]。50&#

109、160;年代至 60 年代，在丘腦切開手術中開始普遍　　應用基于平面影像的導航技術。20 世紀 80 年代末，IGS 技術首先被應用在神經外　　-1-　　燕山大學工程碩士學位論文<p&g

110、t;　　科手術，之后逐漸推廣到整形外科、骨科、耳鼻喉科、脊柱等手術領域[9,　　10]　　。IGS　　技術的應用拓寬了醫(yī)生在手術中的視野范圍，突破了傳統(tǒng)手術手段的限制，更新了　　外科手術及其器械的

111、概念[11]，為醫(yī)生提供了一個先進的平臺，使醫(yī)生能夠更加便利　　地發(fā)揮自己的專業(yè)水平，這對于提高手術的定位精度、減少手術創(chuàng)傷、減短手術的　　時間、提高手術質量有十分重要的意義，同時降低了患者所需的治療費用，也為保　　全患者的生命健康提供了更大的保障[12]。　　作為

112、60;IGS 的主要組成部分的 C 形臂 X 光機（如圖 1-1 示）和單 G 形臂 X 光機　?。ㄈ鐖D 1-2 示）具有使用簡單、移動方便的特點，因而逐漸被廣泛應用于臨床診斷　　和手術操作中。相對基于 CT

113、0;(Computed Tomography)（如圖 1-4 示）或 MRI (Magnetic　　Resonance Imaging)（如圖 1-5 示）的手術導航而言，基于 C 形臂 X 光機和單 G 形　　臂&

114、#160;X 光機的導航系統(tǒng)省略了手術前的規(guī)劃和術前、術中繁瑣的配準過程。CT、MRI　　提供的是術前的斷層圖像，而手術中患處組織難免會發(fā)生變形或位移，導致術前采　　集的圖像失去意義，并且 CT 輻射劑量較大[13]，而體內存在金屬物品的患者不能使　　用 MRI，基于

115、60;C 形臂 X 光機或單 G 形臂 X 光機的手術導航則不同，它能夠通過 X　　光成像系統(tǒng)和光學定位技術，在手術過程中實時獲取患處圖像[14]，通過圖像直觀形　　象地幫助醫(yī)生完成手術工具的精確定位和導向，因此，基于 C 形臂 X 光

116、機或單 G　　形臂 X 光機的手術導航被廣泛應用于骨科矯正、血管造影、栓塞介入等各類手術中。　　對于一些中小型的醫(yī)院，由于技術和財力的限制，可能不具有安裝 CT、MRI 等昂　　貴設備的能力，但通常都會采購 C 形臂 X 光

117、機或單 G 形臂 X 光機，因而，C 形臂　　X 光機和單 G 形臂 X 光機成為醫(yī)院在臨床診斷和手術導航中應用最普遍的設備之　　一?；?#160;C 形臂 X 光機的手術導航系統(tǒng)如圖 1-5 所示。&l

118、t;/p>　　圖 1-1 C 形臂 X 光機　　圖 1-2 單 G 形臂 X 光機　　-2-　　第 1

119、0;章緒論　　圖 1-3 CT　　光學定位　　參考架　　光學定位系統(tǒng)

120、;　　手術工具　　圖 1-4 MRI　　手術實體在 X 線　　圖像中的可視化&l

121、t;/p>　　C 形臂校準靶　　C 形臂　　患者　　圖 1-5 C 形臂 X 光機手術導航系統(tǒng)<

122、/p>　　1.2 臨床 X 光機的國內外發(fā)展現(xiàn)狀　　臨床 X 光機在使用過程中，針對不同患處需要拍攝不同視向的 X 光圖像，或針　　對同一患處、相同時間，需要拍攝多張不同視向的圖像，也可以對同一患處、相同　　視向，拍

123、攝不同時間的圖像，因此要求 X 光機的 C 形臂或 G 形臂能夠以盡可能多　　的自由度進行轉動和移動。X 光機在運輸過程中需要有一定的移動能力，同時也使　　X 光機在手術開始時能夠及時移動到合適的工作位置，手術完成后能夠及時撤離，

124、因此，要求 X 光機的載體機構要具有良好的移動操控性和通過性。本節(jié)對國內外 X　　-3-　　燕山大學工程碩士學位論文　　光機的臂形結構和移動載體結構進行了調研歸類分析，并做出相應介紹。　　1.2.1

125、60;臂形結構　　(1) C 形臂結構　　經過將近半個世紀的發(fā)展，C 形臂 X 光機的發(fā)展大致經歷了四個發(fā)展階段：第　　一代產品大多為頻率低于 400Hz 的工頻機，X 射線穿透能力低（小于 90kV），圖像</p&g

126、t;　　分辨率低，體積龐大，視野范圍狹小，僅能夠用于創(chuàng)傷骨科的術中定位。單相工頻　　X 光機所使用的 X 射線發(fā)生器產生的 X 射線中含有成分較多的軟射線，使病人吸收　　的射線劑量較大，因此，歐美等發(fā)達國家已經明令禁止生產此類設備。第二代產品

127、　　多為頻率在 400Hz-20kHz 之間的中頻機，X 射線穿透能力一般小于 110kV，圖像分　　辨率欠佳，且輻射劑量較大，直接威脅醫(yī)生和患者的生命健康；第三代產品多為視　　窗化操作的電視系統(tǒng)，頻率超過 20kHz，X 射線穿透力較強（不小于 120kV），醫(yī)學

128、　　圖像永久存儲，且能夠做到病案管理、自動透視跟蹤。第四代產品具有高智能全數(shù)　　字化控制與圖像處理、自動脈沖透視、導航定位等功能，是具有開展微創(chuàng)介入和血　　管外科手術能力的世界先進機型。在臨床上醫(yī)用 X 光機的應用已經非常普及，并成　　為用于影像診斷和治療最主要的醫(yī)療設備

129、。但在國內高頻的 X 光機占有率依然非常　　低，并且依賴進口，工頻機仍然被廣泛地使用。為改善這種狀況，國家非常重視高　　頻 X 射線發(fā)生器的技術研制工作，在“七五”“八五”和“九五”期間，均把高頻　　X 光機的技術研發(fā)工作列入重點科技攻關項目。

130、　　C 形臂 X 光機結構簡單、售價較低、操作方便、靜音性好、可靠性高，因此成　　為普及最廣泛的一種臨床 X 光機。C 形臂又可分為大型 C 形臂和小型 C 形臂。各自　　都有許多成熟的產品。本文根據(jù)產品價格、品牌信譽、產品可靠性、售

131、后服務質量　　等情況收集了一些相對較好的國內外廠家。國外比較著名的品牌有：GE（通用電氣）、　　TOSHIBA（東芝）、SHIMADZU（島津）、PHILIPS（飛利浦）、HITACHI（日立）、　　ZIEHM（奇目）等，國內比較著名的公司有：南京普愛醫(yī)療器械有限公司、卡姆醫(yī)<p&g

132、t;　　療器械有限公司、北京東方惠爾圖像技術有限公司、西安杰雄醫(yī)療裝備有限公司、　　北京大恒醫(yī)療器械有限公司、虎丘影像科技有限公司等。以 Koninklijke Philips　　Electronics N.V.的 FD20 大平板 C 形臂[15, 16]為代表的第四代大型

133、 C 臂 X 光機功率較　　大，成像清晰，自動化程度高，多用于血管造影、微創(chuàng)介入、心臟搭橋等手術中，　　如圖 1-6 所示。　　-4-　　第 1&

134、#160;章緒論　　圖 1-6 FD20 大平板 C 形臂 X 光機　　以 General Electric Company 的 OEC9800 型[17, 18]（如圖

135、1-7 所示）為代表的小　　型 C 形臂 X 光機具有質量輕、價格相對便宜、移動方便的特點，因而被廣泛應用于　　骨科矯正、椎弓根螺釘植入等手術中。但是其位置、角度的調整，不能通過統(tǒng)一控　　制界面完成，必須有人協(xié)助操作，在一定程度上延長了手術時間[19]，且功率較小

136、，　　尚不能滿足長時間、大強度照射的手術需求。　　圖 1-7 OEC9800 型 X 光機　　雖然單 C 形臂具有結構簡單、可靠性高的優(yōu)點，但是在實際應用中也暴露出一　　些問題。由于單 C&#

137、160;形臂只有一組成像通路，每定位一次，僅能得到一個方向的影像，　　-5-　　燕山大學工程碩士學位論文　　為了在手術中實時得到正側位的影像，醫(yī)生需要頻繁轉動 C 形臂，這樣不但拖延手　　術時間，還增加了手術目標位

138、置的不確定性，增大交叉感染的幾率。　　(2) 單 G 形臂結構　　在一些脊柱手術中，手術人員較多，空間緊張，因而不能給 C 形臂留出充裕的　　的運動空間，而手術中又不得不實時觀察正側位兩個視向的 X 光圖像，因此需要采&

139、lt;p>　　用兩臺 C 形臂 X 光機在水平方向和豎直方向交叉布置，同時工作，如圖 1-8 所示。　　以色列的 Y.S. Brin 等[20]研究在股骨轉子間骨折手術中使用雙 C 形臂 X 光機同時透　　視的作用時，發(fā)

140、現(xiàn)使用兩臺 C 臂 X 光機同時從豎直方向和水平方向透視患處較一臺　　C 臂 X 光機依次從豎直方向和水平方向透視患處可減少 30%的手術時間和 29%的透　　視時間。Li 等[21]也認為手術中同時應用兩臺 C 形臂 X&#

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