超声探头（共9篇）
超声探头 篇1
超声诊断是临床上常见的一种疾病检查和诊断措施,并已成为各个医院必备的临床检查设备,探头是其最为关键部件,直接影响图像质量和诊断效果,由于使用频繁,且为易损部件,但因其价格较贵,所以应加强对探头的日常保养,并使用中注意对其保护,以减少故障发生,提高探头的使用寿命及超生设备的运转时间。
1 B超探头的基本原理
超生诊断仪是依靠超声换能器产生入射超声波(发射波)和接收反射的超声波(回波)的,所以在医用超声诊断仪中超声换能器又称为探头。探头按其扫描方式的不同,可分为线阵扫描探头和相控扫描(扇扫)探头。目前探头可以发射和接收超声,进行电声信号转换,能够将由主机送来的电信号转变为高频震荡的超声信号,又能将从组织脏器反射回来的超声信号转变为电信号而显示在显示器上,超声探头就是利用这一原理制成。
2 B超探头日常使用注意事项
(1)连接探头前是在断电关机情况下进行,当其从主机上插拔探头前,必须先把主机电源切断,避免因电流多次瞬间导通而产生强大的电流,烧坏探头内部的线材或芯片。
(2)探头在使用过程中严禁敲打,跌落彭撞。
(3)为保持干燥清洁,在探头不用时,放入保护盒。
(4)探头使用后必须清洁处理,探头表面可用软布浸水清洗,不可用硬纸等擦洗,易造成探头的声透镜损坏。
(5)避免在强电磁场的地方使用,防止图像显示受干扰。
3 维修案例
3.1 故障一
3.1.1 故障现象:
B超室曾报修一台于2005年购买的GE LOGIQE7彩超图像在中间部位出现1cm宽的纵向暗区,手压声透镜后,暗区减弱。
3.1.2 维修方案:
经观察发现声透镜鼓起,后用液体硅胶注入脱胶处,并赶出气泡,然后用纱布将探头绑紧,放置一天后打开纱布,上机试用,故障消失。
3.1.3 故障分析:
因为操作人员在探头使用后使用酒精进行清洗,从而导致开裂,脱胶,气泡等损坏,从而导致出现伪影,盲区等现象,严重会损伤探头晶体。
3.2 故障二
3.2.1 故障现象:
我院有2台飞利浦5000,其中一台在使用中偶然出现显示器图像严重干扰,满屏出现雪花般光点,闪烁感强烈。
3.2.2 维修方案:
了解故障现象后将另一台飞利浦B超上的探头换上,现象消失,故确定为探头故障,经检查发现电缆线与探头连接处的绝缘层有破损现象,因此怀疑该处有电缆线断裂现象,于是将该处外层皮套打开,将总的屏蔽线横线划开,发现断裂线,将其挑出,将其焊接好,插上一层胶带,再将此根导线的屏蔽线接好并缠好胶带,试机后,一切正常,再焊接好最外层的总屏蔽线,外层皮套用高压电缘塑料胶带固定。
3.2.3 故障分析:
由于多方位的使用,电缆的弯曲,扭转,使得电缆外层保护区绝缘层破皮,断裂,露出里面的信号线,屏蔽层的破坏,断线,从而导致干扰图像或图像的缺损。
4 小结
通过维修案例分析,加强操作人员对超声探头的正规操作及日常维护保养,可以有效延长探头的使用寿命,并减少故障的发生,从而提高超生设备的运行时间。
摘要：本文介绍了超声诊断设备的探头在使用过程中注意事项及两例故障的维修案例。
关键词：超声诊断,超声探头,探头晶体
参考文献
[1]魏道如,袁有志.B超探头故障分析与检修[J].医疗装备,2012,25(6):55-56.
[2]施恩波.超声探头的工作原理与使用维护[J].医疗设备信息,2001,21(10):69.
超声探头 篇2
周锡明1，安玉林2，沙宪政3（1.岳阳市一人民医院 设备科，湖南 岳阳，414000 2.解放军四零一医院 医学工程室，山东 青岛，266071 3.中国医科大学 生物医学工程系，辽宁 沈阳，110001）
摘要：本文阐述了医用超声探头在医学超声设备的发展中的重要地位，同时从材料工艺，结构技术以及应用前景等方面分析了医用超声探头的发展现状和应用前景。
关键词：医学超声设备；医用超声探头；医学超声技术 中图分号类： 文献标识码：
文章编号：(以后添加)The Development of Medical Ultrasound Probe
Zhou Ximing1, An Yulin2, Sha Xianzheng3
(翻译上面的)Abstract: This paper analyzes the important status of medical ultrasonic probe in the development of ultrasonic equipment。At the same time，from the material technology，structure technology and application prospect，discussing the current status and future development of medical ultrasound probe.Key words: Medical ultrasonic equipment;Medical ultrasonic probe;Ultrasound technolog随着科技的进步，医用超声诊断设备朝宽频带化、数字化、多功能化、多维化、信息化发展。现今的超声诊断领域已出现了新的技术，像超声内窥镜，超声CT，多维超声，血管内超声等。20 世纪末超声检查已占据各类医学影像检查方式的四分之一[1]。
超声探头是在各类超声诊断设备中占有重要的位置，常被称为超声诊断仪的“眼睛”，它既能将高频电能变换为超声机械能向外辐射，并接收超声回波将声能转换为电能，即具有超声发射和接收双重功能，其性能和品质直接影响整机的性能。了解超声探头的发展对了解医用超声诊断领域的发展具有重要的意义。
1医用超声探头的应用现状
超声诊断是一种无损伤、实时性好、无电离辐射、使用方便、低成本、适用范围广的影像诊断方法，尤其是现代各种新型超声诊断设备应用于临床以来，超声诊断技术在现代化医院内具有很重要的地位，国际公认，医学超声成像技术、X-CT、MRI及ECT是现代医学成像技术的四大医学影像技术，已广泛应用于心脏科、产科、眼科、肝、肾、胆囊及血管系统等。
医用超声探头作为医学超声成像系统中最为
关键的声学部件。医用超声探头的特性具有使用特性和声学特性两大方面，使用特性主要有工作频率、频带宽度、灵敏度、分辨率等。而声学特性是指探头中换能器的阻抗特性、频率特性、换能特性、暂态特性、辐射特性和吸收特性等。
医用超声探头的主要特性跟它的换能器有着重要的联系。目前超声成像设备上用得最多的医用超声探头是一维阵换能器，该换能器已被应用于体表、小组织、心脏、腹部、妇产科和眼科等部位的超声诊断中，根据人体不同部位及器官临床诊断的要求制成不同形状大小、不同阵元数和不同频率的一维阵换能器。一维阵换能器又常见为一维线阵和一维凸线阵，凸阵换能器具有线阵换能器可进行多段电子聚焦和机械扇扫换能器具有宽阔视野的优点，在临床中得到了广泛的应用。
相控阵换能器常用于心脏功能超声诊断，心脏功能超声诊断由于受肋骨的限制，换能器不能像其他换能器一样随意移动，相控阵换能器采用实现顺序变角度扫描，临床应用中一些成像系统也有使用一些高性能换能器来做心脏功能超声诊断。对于心脏超声诊断的另一种形式为避开肋骨的影响，采用经食道心脏超声成像系统，该系统中换能器在平行或垂直于换能器平面的两个方向控制移动，以达到从心脏侧后方进行超声检查的最佳位置。
机械扇扫换能器常与内窥镜技术结合用于胃
肠道疾病诊断，也可用于外周血管、冠状动脉等诊断；单阵元凹面圆形换能器一般常应用于眼科成像；目前已有部分采用压电复合材料的宽频带换能器应用在临床多频率成像和谐波成像；采用压电单晶材料制作的高频换能器有的也应用于眼科超声成像中，用于妇产科、心脏等部位的超声成像系统有的也采用二维面阵换能器进行三维成像。
总之，由于超声医学工程技术的进步，超声探头由原来体外用的长形、圆形、凸形发展到各种腔内探头、管内探头，尤其是将数毫米直径的微型导管探头置于内窥镜的顶端或直接导入管腔，可以介入到腔内和血管内，甚至心脏冠状动脉内进行诊断以及辅助治疗。
2医用超声探头的关键技术和发展
目前，医用探头种类繁多，其性能也不尽相同。但是其基本结构是类似的，探头由插头、压电振子、声透镜、匹配层、吸声块、支撑架、声头外壳和电缆线构成。其中由压电振子、匹配层、声透镜和吸声块组成的医学超声换能器是是医疗超声系统中最为核心的声学部件，其研制理论及技术涉及到声学、信息、电子、材料、物理等多个领域。2.1从材料发展方面来讲
压电振子是探头中最重要的部件，是一个可逆的机电换能系统。压电陶瓷是目前应用最广泛的压电材料[2]。其具有机电转换效率高、易与电路匹配、性能稳定、易加工和成本低等优点得到广泛应用。同时，压电陶瓷材料也存在声特性阻抗高，不易与人体软组织及水的声阻抗匹配；机械品质因数高，带宽窄；脆性大、抗张强度低、大面积元件成型较难及超薄高频换能器不易加工等缺陷。
在20世纪90年代取得突破性进展的是弛豫型铁电压电单晶[3]。2004 年，飞利浦将压电单晶（PMN-PT）应用到X7-2面阵换能器上，图像质量有了突破性提高。
基于锆钛酸铅（PZT）陶瓷的压电复合材料，是将压电陶瓷和高分子材料按一定的连通方式、一定的体积比例和一定的空间几何分布复合而成，其机电耦合系数高、声阻抗较低且易加工成型，在医用超声换能器中应用较多的是 1-3 型和 2-2 型[4]，其中1-3 型复合材料具有高灵敏度、低声特性阻抗、较低的机械品质因数和容易加工成型等特性[5]。复合材料超声换能器可实现多频率成像、谐波成像和其他非线性成像，其性能明显优于普通压电陶瓷材料制作的换能器。部分谐波成像系统中采用复合材料制作的宽频带换能器，并应用于临床。如Odile Clade 等人用1-3型复合材料研制了中心频率为 3.5 MHz 凸阵和7 MHz 线阵相比陶瓷换能器带宽增加了15%~25%[6]。T.R.Shrout 等人使用细颗粒压电陶瓷制作2-2 型在高频超声换能器中有着很好的应用前景[7]。
压电材料未来的发展趋势是复合化、功能特殊化、性能极限化和结构微型化，最近一个阶段的发展方向集中在: 高居里温度压电材料、细晶粒压电陶瓷、无铅压电材料三个方面[8-9]。2.2 从结构技术方面来讲
传统压电超声换能器，均是基于压电振子、匹配层、背衬等核心结构[10]，然而传统换能器的设计及工艺，已经难以满足探头微型化、集成精密化的发展趋势。
近年来国际上有研究者利用由集成半导体工艺衍生而来的 MEMS（Microfabrication Process）微加工工艺，开发了一类新型的医用超声换能器: 微加工超声换能器（Micromachined Ultrasonic Transducers，MUTs）。MUTs 利用微薄膜的弯曲振动发射和接收超声波，省却了传统换能器中的匹配层和背衬。根据机电转换机制的不同，MUTs 可以进一步划分为电容式 cMUT（capacitive MUT）和压电式 pMUT（pie-zoelectric MUT）两种。cMUT 最大的优势在于超宽的频带宽度[11]，其应用大规模集成电路的制作技术，以硅材料为衬底，上面生长一层中间留有空隙的支撑体，然后在支撑体上覆盖一层薄膜，这样薄膜和硅体之间就形成了一层空气隙，在薄膜和硅体上分别加以金属电极，就形成一个具有振动薄膜的电容式超声换能器。cMUT具有灵敏度高、带宽宽、易于制造、尺寸小，工作温度范围宽及易于实现电子集成等优点。而pMUT 是集压电薄 / 厚膜技术和硅微加工技术于一体，利用振膜的弯曲振动模式发射和接收超声波的器件[12]。从而从结构上不断创新。医用超声探头的应用发展前景
3.1与光学集成应用
医用超声内窥镜以电子内窥镜系统为基础，将超声换能器经由电子内窥镜活检通道伸入体腔，接近目标器官，既可以直接观察粘膜表面的病变，还可以通过超声扫描获得器官管壁断层的组织特征，不但扩大了普通内窥镜的诊断范围，而且提高了普通内窥镜的诊断能力。医用超声内窥镜是电子内窥镜技术与超声传感技术，微机电技术，现代计算机技术等高新技术的不断发展和融合的产物，是当前应用前景非常广阔的医疗仪器之一。
随着内窥镜在医学临床的普及应用，更加现代化，合理化，人性化，智能化的内窥镜设计与制造，显得尤为重要。超声内窥镜的探头细径化，变频，兼容性强以及图像处理自动化的发展进程中同时对医用超声探头的制作提出了新的要求，主要表现在细径、高频以及变频技术。3.2与导管介入手术集成医用
冠状动脉造影（CAG）是一种安全可靠的有创诊断技术，现已越来越多地被临床所接受，曾一度被认为是诊断冠心病的金标准。但是CAG只能显示血管长轴的管腔投影影像，无法分清管腔的实际形态，对病变位于腔内或壁内无法区别，更无法了解斑块的组织特性。随着PCI的发展，介入医师需要对冠脉内的解剖结构及病理生理状况进行全面的了解以指导介入治疗，单纯冠脉造影已不能完全满足临床的需要，而血管内超声（IVUS）是无创性的超声技术和有创性的导管技术结合起来的新的诊断方法，准确掌握血管的管壁和狭窄程度。它对冠脉进行切面显像，不仅可观察到管壁结构和管腔形态，还可准确地测量血管直径、管腔面积和斑块面积，明确斑块的性质和偏心程度，明确血管造影中等程度冠脉狭窄病变的性质、严重性和稳定性，指导进一步的治疗，已被广泛应用于临床。
血管内超声探头大致划分为机械旋转型单探头和电子扫描阵列式探头[13]两种。机械旋转型式是将装载有单晶体的转换器设计在外鞘内，利用一个灵活的传动轴带动转换器发生机械旋转获取图像。电子扫描阵列式通过由多个阵元呈环形排列在导管顶端，通过电子开关的逐次连续激励，从而获得
360°横断面图像。
IVUS已被广泛应由于临床，但它还存在一定的局限性。IVUS成像中的伪像使近场图像变得模糊，从而使超声导管的大小较其实际大小增大。超声导管与血管长轴不垂直会导致图像的几何形状失真。超声导管的大小也限制了其在严重狭窄病变中的使用。相控阵探头具有较机械探头更小的外直径，但是其分辨率明显低于机械探头，影响成像质量。3.3三维实时动态成像
与传统二维超声成像相比，三维超声成像具有图像显示直观、能得到靶标的容积、面积等的精确测量结果和可以缩短医师诊断需要的时间等优点，三维超声成像一直是当前应用及开发的焦点。
目前，主要有两种获取三维超声图像的方法。一种是利用现有的一维相控线阵获取一系列空间位置已知的二维超声图像，然后再对获得的图像进行三维重建，获取二维图像主要通过机械驱动扫查法和磁场空间定位扫查法。
另外一种是利用二维面阵探头控制超声波束在三维空间的偏转方向进行聚焦，获得实时三维空间数据，然后重建得到三维图像。所以面阵换能器即多维高密度超声换能器的研制引起了人们的极大兴趣。目前用于临床的商业化面阵探头，主要采用单晶材料，然而研制面阵换能器存在着很多技术难题[14]，如灵敏度低、阵元引线复杂、系统发射/接收通道数等问题。心脏实时三维超声成像技术正在逐步发展中。
3.4高频探头的高速发展
因医学成像对更高分辨率的追求，使得高频超声（≥20 MHz）成像成为一个研究热点。在皮肤科、口腔科、眼科、肌肉骨骼系统疾病的诊断，以及小动物活体成像等领域得到广泛应用。此外，超高频（≥50 MHz）超声可以有效地诊断青光眼和眼部肿瘤。美国南加州大学 NIH 医学超声换能器技术中心在该领域处于领先地位，Shung K． K 教授领导的团队研制了多种高频超声换能器，例如中心频率为 67MHz 和 100 MHz 的 32 阵元超声换能器阵列[15]。加拿大 Sunnybrook 研究中心 S． Foster 教授领导的团队，研制了（30 ～ 80）MHz 高频超声换能器。美国Volcano 生产的 Revolution 心血管内导管系统，使用了中心频率为
MHz 的相控阵。美国 Boston Sci-entific 研制了含有 40 MHz 机械旋转超声换能器的iCross 心血管内导管超声系统[15]。结束语
医学超声成像技术已在临床上得到广泛应用，作为超声成像系统核心部件的换能器研发在不断进行中。从当初的频带较窄的压电陶瓷换能器，发展到目前部分应用于临床的穿透深、信噪比高的压电单晶换能器、三维成像换能器和广泛应用于临床的宽频带换能器。宽频带、多维高密度、高频、微型化腔内集成探头和环境友好是未来超声换能器发展的主要方向。医学超声技术的发展使得超声成像成为临床诊断领域的重要组成部分。
参考文献
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特殊探头摄像 篇3
使用设备
索尼HVR- Z1C摄像机
HPR-804P摄影探头 3.7MM
电池电源12伏 120mA
HPR-804P摄影探头
DV机操作灵活，轻巧方便，单车手在骑的过程中就可以拍摄一些难度较大的画面 。即使这样仍然不能满足单车高难度的飞、跳、攀、跃、定立和旋转360度的拍摄要求。单车手手持拍摄，既有一定的危险性，画面又晃动得非常厉害。而我们采用的摄像探头加DV机录制的办法，就是把DV机的放像部分当成录机使用，VCR REC双键就是开始的录制键，由摄像探头部分引出两根线，其中一根视频与DV机录像部分连接，另一根需要和供电（12伏蓄电池）部分连接，它起到为摄像探头供电的作用。
因为摄像探头体积小，只有火柴盒大，所以可以很方便地安放在单车车架和人体的任何部位，我们第一个机位就是把摄像探头放在单车后轮插架的位置，调整好拍摄角度，探头用大力胶固定粘牢，录像机和蓄电池一起放在单车手的后背包里，就OK了。它可以拍到单车和地面急速行进时的关系，又可以拍到脚踩单车时的状态，因为镜头和车体绑在一起是同步的，所以拍出来的画面非常稳定，同时拍摄的单车前轮、地面的景物和脚蹬的前后转动又非常有冲击力。第二个机位是把镜头粘在单车手的下巴上，虽然被贴的人有些难受，但镜头可以对着前轮的方向拍摄，仿佛自己主观镜头一样，带着观众一起飞跑，让观众从另外一个角度真切体验和感受单车手疾驰、跳跃、腾空、攀爬和旋转360度惊心动魄的全过程。
拍摄经验
摄像头型号的种类很多，可根据自己的需要和拍摄对象的不同在市场选择适合自己的摄像头，摄像头在安放时一定要用大力胶粘好，为了减少镜头晃动，可在镜头和被粘物体之间贴一块双面胶来减轻镜头的震动，镜头和DV的连接线既不能太长也不可太短，太长容易被剐掉太短容易被拉断，所以也要用胶带粘好，尤其线和机器的插头部分最好也用胶带粘好，防止掉线和虚接影响录制。
超声探头 篇4
1 超声探头日常保养及注意事项
断电插拔;探头的插拔必须在主机断电的情况下进行。假如在通电的情况下进行, 就有可能因瞬间导通产生强大的电流而烧坏探头内部线材或芯片, 也会易氧化探头插头针脚使其与主机接触不良。
禁止撞击, 浸入液体;撞击易使探头内的晶振损坏, 浸入液体会引起内部线路短路及电路板烧坏。
使用合格的耦合剂, 保持探头干燥;使用不合格耦合剂或未及时清洁探头表面, 易使探头表面的声透镜层腐蚀损坏, 探头表面可用软布浸水清洗, 不可用硬纸等擦洗。
避免在强电磁和强功率干扰的地方使用;在强电磁干扰的环境里使用, 容易造成显示图像干扰。同时也要避免与强功率设备或振动设备同时使用, 否则探头易损坏。
2 探头故障类型
外观不良;此故障可通过肉眼直接观察到, 主要有声透镜层破损, 使图像质量下降。声透镜起泡进空气, 则导致起泡位置在使用时必须用力下压才能得到图像。
超声显示区有暗道;其原因可能为:一、探头的晶片中某一个振片坏掉;二、电缆线中某些信号线断掉;三、探头与机器相连得插槽部分接触点氧化;四、探头内信号板某些元器件虚焊或烧坏等等。
显示图像模糊;其原因可能为:一、探头本身自然损耗, 老化;二、探头屏蔽线及地线没有接或破损, 从而受到干扰引起图像模糊;三、探头使用环境恶劣, 例如在强磁场环境中以及电源电压波动过大时, 都可能引起仪器损坏, 影响图像质量。
3 探头常见故障分析及维修
晶片故障;晶片的老化, 损伤时会出现图像信号衰减, 黑影, 干扰等现象。这些故障一般是由探头晶片短路损坏导致的。可通过测量晶片的供电电压来判断, 若某一晶片或晶片组的供电电压较其它的为低, 则可判断该晶片或晶片组内有短路。也可以通过测量各个晶片插针引脚对地的电容值, 看其是否在规定的容值内。找到相应损坏的晶片并更换, 就可以使得探头恢复以前的特性。
电缆线故障;由于电缆线长期弯曲, 扭转, 使得其外保护层以及屏蔽层出现破皮, 断裂。更严重的出现信号线断裂, 图像就会出现干扰和缺失。解决方法是打开外层皮套, 将总的屏蔽线横向划开, 挑出断裂线, 焊好后, 用透明胶带缠上一层, 用万用表测量其是否导通, 导通后, 将此根导线的屏蔽接好并缠好胶带。外层皮套用高压电缘塑料胶带作固定, 以免割开出容易打折。
透镜故障;由于声透镜与人体直接接触, 长期使用之后会造成透镜的磨损、开裂、腐蚀、脱胶、起泡等, 尤其是耦合剂进入下层造成腐蚀, 不仅会造成伪影等盲区, 影响医生诊断, 严重的会损伤探头晶体或造成漏电, 危及病人的身体, 给病人和机器带来伤害。对于声透镜层起泡可用液体硅橡胶注入脱胶处并赶出气泡, 用纱布带用力将探头绑紧放置24小时后松绑, 故障消失, 探头恢复正常使用。证明该故障是由声透镜层与匹配层之间脱胶所致。在处理这种故障时, 使用液体硅橡胶作探头声透镜的修补材料以及声透镜层与匹配层之间的粘合材料, 实践证明效果良好。对于破损严重的层透镜层只能用相应物理特性的匹配层更换。
电路板故障;电路板的维修会相对比较麻烦一些, 需要使用万用表或示波器等测量仪器, 来判定具体的哪一个元器件或芯片损坏, 再将损坏的元器件更换下来, 焊接上相应类型的元器件。
参考文献
[1]陈智文.B型超声诊断仪原理调试与维修[M].湖北科学技术出版社, 2000.
[2]王心纲.超声诊断仪的故障分类及检修[J].医疗装备, 2010 (07) :56-57.
超声探头 篇5
治疗超声以低频高能量形式作用于生物组织,当一定强度的超声波在生物体内传播时,他们与生物组织之间发生相互作用,引起生物体功能或结构发生变化。治疗超声己经被证明可以应用于脑、眼、心脏、肝脏、肾脏、胰脏、直肠、前列腺等部位肿瘤的治疗[1,2,3,4],同时,在超声诱导神经调节、超声血脑屏障打开、超声增强给药、溶栓等领域也有广阔的应用前景。
相控型高强度聚焦超声(Phased High Intensity Focused Ultrasound-PHIFU)利用相控原理,通过调节各个阵元的幅度和相位,实现超声在三维空间的聚焦和扫描,从而在不需要机械移动换能器的前提下,实现超声焦点的三维移动[5]。
磁共振具有精确定位和无损测温两大优势[6],将磁共振和超声治疗系统融合在临床上有重大的应用前景。而为实现磁共振与超声治疗系统的融合,必须解决超声治疗系统在磁共振中的精确定位问题。
本文描述了一种治疗超声探头坐标系统在磁共振中的定标方法,该方法将定位标记物与超声探头有机结合,实现超声治疗系统治疗过程中的精确定位,保证治疗的安全性和可靠性。
1 定位原理
为了实现磁共振引导的超声治疗系统在治疗过程中的安全性,需要在磁共振系统中精确定位治疗超声探头,因此,首先要找到磁共振坐标系与治疗超声探头坐标系间的转换关系。
1.1 磁共振坐标系统
定位用磁共振图像为DICOM格式,有自身的坐标系统,该坐标系原点在磁共振设备装配完成后便固定,坐标系方向由病人姿势决定。对于一幅DICOM图像,其头文件中包含该图像原点在该坐标系中的位置,图像在坐标系中的偏转角度,以及图像中两像素点间的距离。具体信息如下:
Tag号(0020,0032)Image position图像位置:图像位置指定了图像左上角(第一个象素中心)坐标的X、Y、Z值。
Tag号(0020,0037)Image orientation图像方向:图像方向指定了图像第1行和第1列的方向余弦。这些属性是成对的,前3个值分别是行向量增长方向与X轴、Y轴、Z轴夹角的余弦值,后3个值分别是列向量增长方向与X轴、Y轴、Z轴夹角的余弦值。
Tag号(0028,0030)Pixel spacing象素空间:象素空间为相邻象素中心点的距离,单位是mm。
利用上述信息可以计算出图像上任意一点在空间坐标系中的坐标,计算公式见式(1)。
其中,x,y,z表示图像上象素点(i,j)的空间坐标。Sx,Sy,Sz是图像位置(0020,0032)的3个值,是参考坐标系统的起始点;Xx,Xy,Xz是图像方向(0020,0037)的前3个值,表示行向量增长的余弦值;Yx,Yy,Yz是图像方向(0020,0037)的后3个值,表示列向量增长的余弦值;i表示图像上象素点的列索引值,第1列索引值为0;△i表示列象素空间;j表示图像上象素的行索引值,第1行索引值为0;△j表示行象素空间。
1.2 治疗超声探头坐标系统
一般来说,超声探头为球冠状,该球冠面的高所在直线即为超声坐标系的z轴,z轴正方向为球冠顶点指向球冠所在球的球心方向。
超声坐标系的原点在不同的超声系统中有所不同,一般认为球冠所在的球的球心,或球冠的顶点为超声坐标系的坐标原点。
超声坐标系的x轴和y轴亦没有明确定义,但无论x轴和y轴如何安排,超声坐标系应为右手系,即x轴正方向上的单位向量与y轴正方向上的单位向量的外积为z轴正方向上的单位向量。对于相控型高强度聚焦超声(PHIFU),超声探头上排布有若干超声换能器(超声阵元),阵元排布为若干同心圆,每一圈阵元均有一个阵元称为首阵元。过首阵元与z轴正交的直线与x轴有已知夹角,如此便可得知每个阵元的位置,便于相位的计算。由此可知,对于PHIFU,x轴与每圈阵元的首阵元的位置有关系。
1.3 计算两坐标系转换关系
磁共振坐标系与治疗超声坐标系间的转换关系为仿射变换,因此,在已知四个不共面的点在两个坐标系下的坐标的条件下,即可计算两坐标系间的转换矩阵,计算方法为式(2)。
其中(Xm,Ym,Zm)为标记点在磁共振坐标系中的坐标,(Xh,Yh,Zh)为标记点在治疗超声坐标系中的坐标。
标记点在磁共振坐标系中的坐标可由标记点在图像中的位置和图像在空间中的位置和偏转角计算得出。
2 定位标记物设计方案
本定位方法利用治疗超声探头需浸没在纯净去气水中工作的特点,在直径小于40 cm,分布了单阵元或多阵元超声换能器(压电陶瓷片)的平面或者球冠面治疗超声探头边沿上设计加工了六个不均匀分布的定位槽或附着于探头边沿并垂直于探头表面的定位圆柱体作为定位标记物。
标记方案如图1所示。
定位槽或者定位圆柱体高度为20 mm,直径为2 mm,其中一个定位标记物远离其余5个定位标记物,并将经由超声探头圆心Oh指向这个单独的定位槽或者定位圆柱体的方向定为Xh轴,对于由多阵元超声换能器组成的超声探头,其中某一阵元设为首阵元,此时Xh轴所指的方向也同时表示为经由超声探头圆心Oh指向首阵元的方向,将经由超声探头圆心Oh在超声探头表面垂直于Xh轴的方向定为Yh轴,将经由超声探头圆心Oh垂直于超声探头表面的方向定为Zh轴。将6个定位槽或定位圆柱体两端12个圆心作为定位标记点Di,Di’,(i=1,2,…,6),其中,定位标记点Di为第i个定位槽或定位圆柱中心轴与超声探头表面(XhOhYh平面)的交点,定位标记点Di’为第i个定位槽或定位圆柱体中心轴上另一端的圆心点,从12个定位标记点中任意选取不在一个平面上的4个定位标记点就可以决定一个平面坐标系。
采用磁共振对治疗超声探头上的定位槽或者定位圆柱体进行扫描,通过计算获得12个定位标记点在磁共振系统中的三维坐标,进而得到治疗超声探头的三维坐标系统与磁共振三维坐标系统的换算关系,这样就可以将磁共振扫描的三维坐标点换算到超声探头三维坐标系统上的坐标点,实现治疗过程的精确定位。其中,定位槽或者定位圆柱体不影响超声治疗系统和磁共振的工作。12个标记点可以相互计算以排除由于取点操作或磁共振成像失真造成的误差较大的标记点,或通过取平均值的方法来减小定位误差。
3 软件设计
定位软件基于Visual Studio 2005开发,使用C++编写,使用VTK(visualization toolkit)读取磁共振图像并完成交互选取标记点,使用matlab完成相关计算。软件主要工作流程如图2所示。
软件关键模块有读取与取点模块,计算实际标记点模块,以及筛选标记点模块。
3.1 读取与选取标记点
使用VTK读取DICOM格式的磁共振图像,手动选取标记物和探头上下边沿,自动计算所选标记点在磁共振坐标系中的坐标并保存。横、纵截面图像各取两次。
3.2 计算标记点
通过两次选取的标记物坐标,可计算出标记物所在直线方程。通过探头上下边沿的点的坐标,拟合出上下边沿所在平面的方程。再通过计算线面交点得到实际所需标记点。
3.3 筛选标记点
对于多个标记点,任意选取其中四个计算出转换矩阵,再以此验证计算其他标记点,记录误差。对于其它标记点分别计算其误差,再依据误差弃用误差较大的标记点,完成标记点的筛选。
4 实验验证
进行初步实验验证定位方法的正确性,并测试该方法的定位精确度,以便进一步的改进。
4.1 实验材料
以直径100 mm、厚度20 mm的有机玻璃圆盘模拟探头,按照上述标记物加工方案,在圆盘周围加工直径2 mm的小槽为标记物,在1.5 T磁共振设备中进行实验,实验图像如图3和图4所示。
4.2 实验结果
部分实验数据如表1所示。
其中,(Xm,Ym,Zm)表示标记点在磁共振坐标系中的坐标,(Xh,Yh,Zh)表示标记点在治疗超声探头坐标系中的坐标。
选取前四个个标记点进行计算,所得两坐标系转换矩阵为:
利用此转换矩阵,将标记点5和标记点6在磁共振坐标系中的坐标带入进行,计算其在治疗超声探头坐标系中的坐标,计算结果如表2所示。
以上验证结果最大定位误差为1.18 mm,而治疗超声,尤其是聚焦超声,其焦点为椭球状,椭球短轴约为2 mm,长轴约为5 mm,即定位误差在一个焦点距离之内。而绝大多数HIFU手术的定位误差要求在一个焦点之内,因此该定位方法的精度可以满足HIFU手术的定位要求。
4.3 误差分析
现有误差来源主要有两点:1)手动选取标记点带来的误差;2)标记物尺寸相对其相距距离较小,在某些情况下会造成较大误差。
5 结论
由试验结果可知,该定位方法正确有效。针对现有主要误差来源,考虑下一步实行标记点的自动识别,并改进标记物方案,以进一步提高精度。
参考文献
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医学超声单晶探头的进展及新技术 篇6
医学超声换能器, 工作于医学超声系统与患者接触的最前端, 是拥有最高技术密集度的核心关键部件。最近十多年来, 医学超声换能器领域涌现出许多新的技术, 例如多压电层结构、 压电复合材料、 压电单晶材料、 细声束多维换能器、微机械加工的电容式超声换能器c MUT (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers) 和微机械加工的压电式超声换能器p MUT (Piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducers) 等等。
压电单晶换能器的研制, 是其中的一个重要研究领域, 而铅基压电单晶由于其卓越的性能, 仍然是高性能探头研发者的主攻方向。国际上已有多家公司成功的将铅基压电单晶探头产业化。各种性能优异的压电单晶成功的量产及制备, 对医学超声换能器的核心压电材料做出了重要而丰富的补充, 探头的性能和应用范围得到极大延伸。
2.压电单晶的发展现状
1997 年, Park和Shrout等人成功生长出尺寸达20mm×20mm的PZN–PT和PMN–PT单晶, 其压电性能 (d33>2000 p C/N) 远高于压电陶瓷, 高品质大尺寸单晶材料的成功制备, 真正将这类高性能压电材料推向了实用化[1]。在压电单晶探头的整个发展阶段中, 生产出尺寸满足换能器应用的晶体一直是科学家们最为重要的任务之一。
包括美国H.C. Materials公司、TRS Tech-nologies公司、英国Morgan Electro Ceramics公司、日本JFE公司、中国中科院上海硅酸盐研究所、西安交通大学电子材料所、韩国Ceracomp公司、i Blue Photonics等多家国内外研究机构, 为了获得性能一致性更好、尺寸更大、高的矫顽场、高机械品质因子、温度稳定性更佳的弛豫压电单晶材料, 对单晶的成分进行不断地完善, 到现阶段已经开发了三代单晶产品, 具体性能参数列于下表1。其中, 第一代压电单晶PMN-PT已经满足了医疗超声探头商业化的需求。
H.C. Materials和TRS Technologies公司等都采用改良的Bridgeman法生长出直径3~4 英寸 (约75~100 mm) , 长度达150 mm的PMN-PT晶体, 如图1 所示, 大尺寸PMN-PT晶体生长工艺已较为成熟, 可满足绝大多数换能器的应用要求[2,3]。
3.商业化医用单晶超声换能器
由于铅基压电单晶材料的优异性能, 众多知名跨国公司如Philips, GE, Siemens, Hitachi, Toshiba, TRS Technologies, Humanscan, Boston Scientific, H.C. Materials等都开展了压电单晶医学超声探头产品的研发。20 世纪90 年代, 东芝公司就率先开始了PZN-PT单晶相控阵的研究, 其研制的3.7MHz单晶相控阵, 比PZT陶瓷探头的带宽和灵敏度分别高出25% 和5d B[4]。2004年11 月, Philips推出了第一款面向市场的低频Pure Wave (Single Crystal) 单晶换能器。Philips的S5-1 型探头, 运用了Pure Wave单晶技术, 并采用了独特的匹配层和背衬材料设计, 在二维图像质量和彩超多普勒信号灵敏度上树立了一个新的标杆。S5-1 单晶换能器的优势体现在:1) 可实现高质量二维图像的快速径向推进, 大大提高了观察部位血流的分辨率;2) 高质量的超声图像, 使得可以精确地观察血液和组织的界面;3) 提高了穿透能力;4) 有效克服了心脏内膜和细微组织结构所形成的假象;5) 带宽足以覆盖回波的二次谐波, 增强了图像的分辨率, 极大地丰富了医学诊断信息。随后, GE、Siemens和Hitachi公司也分别于2008 和2009 年相继推出单晶换能器。
Philips公司的新型X7-2 探头, 如图2 所示, 整体外形尺寸为3.7cm×2.84cm×8.53cm, 包含2500个独立工作单元, 支持多种成像模式。该探头首次整合了Pure Wave单晶技术和x MATRIX技术, 利用单晶材料的性能优势, 使得三维解剖结构的显示图像更加清晰, 同时探头的尺寸进一步缩小, 结构更加紧凑, 可应用于先天性心脏疾病的经胸影像评测以及心外膜成像介导等应用。
表2列举了一些医疗影像设备厂商的主要单晶探头型号、类型及工作频率。从表中分析的结果可知, 尽管铅基压电单晶探头已经在国外成功产业化, 探头的带宽、灵敏度得到大幅提高, 图像质量更清晰, 医学影像信息更丰富, 但是, 单晶探头的工作频率基本上集中在中低频, 而基于压电单晶材料的高频换能器阵列以及各种专业探头尚未广泛应用于临床诊疗, 因此成为新的研究方向和热点。
4.单晶探头的新研究方向及技术进展
4.1 单晶复合材料换能器
复合材料既可以用来做单波束超声换能器, 也可以做多波束超声换能器, 压电单晶复合材料的探头研制, 同样有这两种发展方向。
用单晶复合材料来设计单波束换能器的优势是非常明显的, 且单晶复合材料, 也多是采用1-3型或2-2 型复合方式, 改变了压电材料中压电相的振动模式, 从而有效提高了单晶的机电耦合系数k33, 如图3 所示。切割- 填充法仍然是目前比较通用的单晶复合材料制备方法。相比PZT, 单晶材料脆而硬, 内应力更大, 在划槽时更易崩边并产生内部微小裂纹, 所以在切割过程中需要选择合适的刀片, 同时对切割速度、深度以及支撑材料进行调整优化[2]。当探头的工作频率设计高于20MHz时, 单晶柱的宽度将小于50μm, 传统的机械切割工艺将难以实现。TRS公司采用了光刻及干法刻蚀等微加工技术, 可实现批量加工, 获得更小的加工精度, 但同时也存在刻蚀速度慢、耗时过长, 对加工设备及场地要求高而导致的生产成本增高等问题[6]。
Oakley和Zipparo2000 年报道了中心频率为4MHz和6MHz的单晶1-3 复合材料单波束超声换能器, 其-6d B带宽分别达到100% 和114%[7]。Ritter等报道了PZN-PT单晶复合材料研制的单波束探头系列, 工作频率为3.5~4.5 MHz, -6d B带宽为75~141%[8]。Hackenberger报道了PMN-PT单晶1-3 复合的单阵元多普勒探头, 带宽范围覆盖到1.75MHz到7.0MHz[9]。
有不少文献报道用复合材料设计医学超声线阵或是其他多波束换能器, 也有公司采用复合材料生产某些种类的线阵换能器, 但是复合材料的使用会影响压电材料的有效面积, 从而影响换能器的阻抗, 并不适用于所有的多波束探头。
2010 年, Changgeng LIU等人利用微加工制作流程, 结合光刻以及干法刻蚀技术, 制备了基于PMN-PT单晶1-3 复合材料的平面环形相控阵, 如图4 所示。PMN-PT微柱体的尺寸为9μm×9μm, 干法刻蚀的速度~160 nm/min。为满足高密度阵元的有效连接, 采用了特殊设计的电子连接板来实现阵元的连通, 各通道对应的导线嵌在绝缘材料中并与连接盘接通。脉冲回波测试结果表明, 该平面圆环阵探头的中心频率为50MHz, -6d B带宽接近90%, 中心频率处的插入损耗为-19.5d B, 阵元间串扰为-35d B[10]。
2011 年, Dan ZHOU等人用32% 的单晶与环氧树脂的体积比, 制备出PMN-PT单晶1-3 复合材料 (kt~0.81, Z~12Mrayl, Qm~11) 。将尺寸为30.08mm×11mm×0.165mm的单晶复合材料, 粘接匹配层以及背衬后, 绕铜管定型, 实现了中心频率为6.9MHz的64 阵元电子环扫换能器, 外径为10mm, 如图5 所示。换能器-6d B的带宽~102%, 插入损耗为-32.3d B, 这种宽带换能器阵列结构可以应用于某些内镜超声成像领域[11]。
由于铅基压电单晶本身就存在成分一致性较不稳定的问题, 再加上单晶复合材料工艺的复杂性, 很多研究者采用的是干法刻蚀的工艺, 速度慢耗时长, 较适合小尺寸高频探头的研制。如果用此复合材料来制作多波束探头, 将大幅地增加工艺程序, 也就意味着增加了产品的生产成本。
4.2 单晶高频血管内超声应用
铅基压电单晶相比于PZT陶瓷, 具有较高的介电常数, 在超高频细径探头领域, 例如血管内超声探头中有广泛的应用前景。
Jue PENG等于2007 年开始了单晶血管内超声探头的研究, 在获得了PMNT-on-substrate美国专利授权的基础上, 开发了超高频细径血管内超声探头, 如图6 所示。单阵元探头的中心频率设计为35MHz, 通过机械扫描来实现血管内壁扫查成像。探头的-6d B带宽~38%, 中心频率处插入损耗达到8.3d B[12,13]。
2008 年Boston Scientific Imaging与TRS Technologies公司联合报道了用PMN-PT单晶1-3复合材料研制60MHz单阵元探头, 用于血管内壁机械扫查成像, 如图7 所示。单晶1-3 复合材料, 采用的是深度反应离子刻蚀 (Deep Reactive Ion Etching, DRIE) 技术, 单晶微柱宽12~14µm, 间距4µm, 刻蚀深度为40µm, 单晶与环氧树脂的体积百分比为40%。其后, 粘接一层匹配层, 实现了中心频率为60MHz的单阵元换能器, -6d B带宽为77%。将单元换能器安装在机械旋转式导管内, 对猪的血管仿体内壁进行了扫查成像, 血管壁的中间层以及内膜层都可以清晰显示[14]。
4.3 单晶小型化高密度探头
由于PMN-PT单晶的介电常数较高, 在高密度阵列设计制作中, 可以实现比较可观的电容, 从而获得较佳的信噪比。基于单晶材料的高密度1D、1.5D以及2D换能器也是重要的发展方向。
2014 年, Bezanson等用光刻技术制备了40MHz, 64 阵元的PMN-PT单晶介入式超声换能器, 如图8 所示。封装后的探头尺寸为2.5mm×3.1mm, 可以比较方便的通过颅骨缝隙, 对猪的脑部病变区域进行成像, 探头-6d B带宽为55%[15]。
为实现1D线阵换能器在仰角方向动态聚焦, 降低切片厚度, 同时又避免2D换能器灵敏度低、阵元引线复杂等工艺难题, 彭珏等设计开发了基于PMN-PIN-PT的1.5D高密度相控阵换能器, 如图9 所示, 尺寸为24mm×16mm, 中心频率设计为2~3MHz, 独立阵元数目为320 个, 测得-6d B带宽~70%。常规的医用1D线阵换能器由于声透镜焦点固定, 聚焦深度有限, 在焦点处的切片厚度为3~5mm, 而在偏离焦点区域, 切片厚度将会扩散至10mm, 导致图像分辨率迅速下降, 侧向分辨率在聚焦平面上不对称。设计的压电单晶1.5D换能器, 具有3 到7 列平行排列的阵元, 可以在Z平面上调节聚焦, 提高了空间分辨率和对比度, 使得无论是近场还是远场, 图像的一致性得到增强。
CG Liu等研制了基于PMN-PT单晶的1-3复合材料的256 阵元面阵换能器, 中心频率为50MHz, -6d B带宽达到60%, 换能器及频谱响应如图10 所示[16]。
Hu Zhenhua等利用压电单晶PMN-PT, 研制了中心频率为9MHz~20MHz, 可用于眼科超声的8 通道环型电子相控阵换能器, 如图11 所示, 其-6d B带宽达到73.7%。9MHz换能器的轴向和侧向分辨率分别为188µm和650µm[17]。
4.4 高居里温度单晶及无铅单晶探头
为解决铅基单晶相变温度低的问题, 第二代以及第三代高居里温度单晶以及探头的研制受到重视。Ruimin Chen等设计了3~4MHz 32 阵元PMN-PT和PIN-PMN-PT单晶换能器, 实验发现, 160˚C时探头的-6d B带宽达到66%, 插入损耗为37d B[18]。
随着欧盟颁布WEEE/Ro HS/ELV法案, 探索无铅压电单晶, 研究环境友好型压电材料及其产品也是一项紧迫任务。Li Nb O3和KNb O3单晶作为无铅单晶材料, 已被证明具有与PZT陶瓷相当的kt值, 较低的介电常数和较大的纵向声速, 是制备大尺寸的高频高灵敏度的单波束探头的理想单晶材料。Silverman就报道了75MHz的高频Li Nb O3探头, -6d B的带宽为75%, 插入损耗为9d B[19]。基于无铅单晶的复合材料单波束探头, 同样有学者开展研究。C. Bantignies等研制了基于KN/epoxy的128 阵元换能器, 工作频率为30MHz, -6d B带宽达到48.5%[20]。
5.展望
单晶换能器的发展得益于单晶材料的发展, 压电单晶近些年的发展趋势并不在于提高其压电性能, 而是克服其体系本身的一些缺陷。未来, 如何进一步改善单晶成分的均匀性和温度稳定性, 探索新的单晶探头加工工艺, 开发新的单晶探头种类, 完善高密度单晶探头的引线难题, 能耗散热问题, 如何减轻探头的质量等等, 都值得所有探头研究工作者思考。
摘要：现代医学的发展, 使得临床医生对医学超声影像系统不断提出新的要求和需求。医学超声换能器, 是工作于医学超声系统与患者接触的最前端, 是拥有最高技术密集度的核心关键部件。探头的性能, 直接影响到图像的质量和产品的功能应用。各种性能优异的压电单晶的成功生长及制备, 对探头的核心压电材料做出了重要而丰富的补充, 探头的性能和应用范围得到极大地延伸。本文对医学单晶材料超声换能器的应用及国内外相关研究进展, 做简要介绍。
超声探头 篇7
关键词：探头旋转,超声波探伤,Profinet,故障安全型
0 引言
超声波探伤是目前无缝钢管无损检测中最重要、最适合的检测手段,在无缝钢管的生产中占据着举足轻重的地位[1]。为了保证无缝钢管产品质量,超声波探伤时需要对管体进行横向、纵向缺陷的检测,同时对壁厚进行测量。通常的超声波探伤方式有探头旋转、钢管直线前进,探头不动、钢管螺旋前进,探头直线扫查、钢管原地旋转这三种方式[2]。其中探头旋转、钢管直线前进的超声波探伤(后简称探头旋转超声波探伤)方式具有探伤速度快、效率高、无磨损等优点,但是检测时旋转探头要保持稳定的转速、良好的水耦合效果以及与钢管的同轴度,同时也要保证生产的安全性,这就需要一套安全、可靠、高精度的控制系统进行控制。
在某钢管厂精整生产线中,探头旋转超声波探伤设备自动控制系统基于西门子ET200S,具有如下优点:(1)高可靠性,高稳定性,高安全性;(2)模块化设计,功能多样,柔性好;(3)更少的安装空间,更简单的接线方式;(4)更快速的故障诊断功能,支持热插拔;(5)应用Profinet工业以太网,实现PLC与变频器、编码器、工控机、HMI、现场工作站的实时数据通信。系统实现了设备旋转体主机转速、升降平台高度、供水系统以及钢管夹持定位及传送等控制功能。
1 探伤设备组成及工艺流程
如图1所示,探头旋转超声波探伤设备的机械部分包括入口夹送辊[3](夹送辊1、2)、出口夹送辊(夹送辊3、4)、旋转体主机、升降平台、供水系统、水过滤系统及喷标机构等装置。
探伤时,旋转体从检修位置运行到工作位置,升降平台整体根据输入钢管的外径规格调整到预定计算高度。供水系统检测水箱的水位,在水量充足的情况下由供水管路供水。旋转体开始旋转,当旋转体达到设定转速后,开始进行钢管的探伤。上料辊道经过手动或者自动控制,将钢管输送到入口夹送辊。入口和出口夹送辊控制钢管的直线前进,如果探伤发现钢管有缺陷,则根据缺陷类型发送喷标信息给喷标装置,同时工作台进行声光报警,并传递分选信号到下料辊道。当一支钢管探伤完成,下一支钢管紧随其后进行探伤,实现钢管的自动连续探伤。
2 电气控制系统组成
根据工艺流程以及设备的功能需求,选用ET200 S中IM151-8 F PN/DP的CPU单元作为主控单元进行硬件组态。探伤设备电气控制系统包含IM151-8F PN/DP主站,3个室内从站,4个夹送辊编码器,1个升降平台电动机编码器,3台具有安全功能的变频器,5个现场从站,工控机站以及HMI触摸面板。主站CPU基于Profinet工业以太网技术,实现与变频器、工控机、HMI、编码器、分布式I/O站点、远程站点之间的实时数据通信;该CPU具有类似于S7-300 314系列CPU的性能,同时与S7-300 CPU完全兼容,还具有故障安全型CPU的功能,完全能够满足上述探伤系统的自动控制需求。室内从站选用IM151-3 PN HF分布式接口模块,集成了2个端口的交换机,实现从站之间的网路互联;该从站不仅能够组态ET200S的标准模块,还能组态故障安全模块,具有故障报警功能;3个室内从站分别实现对控制台、信号处理柜、各个电气柜门用电子锁的I/O点的控制。编码器选用IHA60858多圈绝对式旋转编码器,其中4个编码器为4个夹送辊的口径(所夹持钢管的外径)提供定位,另一个编码器为平台高度调整提供定位。变频器采用西门子G120系列,功率模块带有内置的制动斩波器PM240,控制单元选用CU240E型;3台变频器分别对夹送辊电动机、旋转体电动机和升降平台电动机进行变频控制。现场从站选用ET200 Pro系列中的IM154-4 PN HF接口模块,该模块集成双口的以太网交换机,防护等级高达IP67,支持热插拔,永久接线功能,紧凑的模块化设计,易于安装,特别适合现场环境恶劣的场所;5个现场从站分别实现旋转体、旋转体小车平台、升降平台、供水系统以及夹送辊上的I/O点的控制。
探伤设备电气控制系统组成见图2,系统基于Profinet工业以太网进行通信,为提供更多的网络连接端口,选用西门子SCALANCE XB008以太网交换机,保证网络可靠稳定的运行。
3 系统功能
使用Step7进行硬件组态后,在SIMATIC Manager的程序中添加相应的功能块实现对探伤设备的控制。主要的控制功能包括:控制模式选择、钢管传送控制、旋转体进出和启停、夹送辊口径(所夹持钢管的外径)调整、供水系统控制、平台高度调整、润滑油自动供给、急停以及安全控制等。其中供水系统控制、润滑油自动供给容易实现,平台高度调整与夹送辊口径的调整方法类似,此处不再赘述;钢管传送控制、旋转体进出和启停的关键是配置好相应电动机的变频器参数。因此,后文对控制模式选择、变频器安全功能配置、夹送辊口径调整、急停功能等关键控制功能展开描述。
3.1 控制模式选择
钢管探伤控制模式分为自动、手动、半自动三种,在HMI上人工选择,三种模式在程序中处于互锁状态。HMI将模式选择信息传给PLC,PLC运行相应的控制程序。
自动模式是钢管探伤的正常生产模式,PLC接收钢管规格、旋转体速度、辊道速度等输入参数后,将输入参数转化成夹送辊口径、平台高度、变频器控制参数等信息,控制设备连续进行钢管的探伤。为有效测量钢管的长度和位置,只有PLC检测到设备中没有钢管时,才能切换到自动模式或半自动模式。在HMI上按下“自动”按钮,自动模式开启,当PLC给出准备好的信息,HMI上的绿色灯闪烁时,表示自动模式激活成功。
手动模式在对样管进行标定时使用,在此模式下钢管的运动由“双手-手持按钮盒”控制,即一只手按住按钮盒侧面的控制按钮,另一只手按压功能按钮,此时控制才有效,这样防止了误触功能按钮而出现安全事故。双手控制保证了钢管的前进后退、夹送辊的夹持动作在一个确定安全的状态下进行,该模式下钢管的传送速度处在一个低速状态。在HMI上按下“手动”按钮,手动模式开启,在任何状态下都可以切换到手动模式,即手动优先。
半自动模式在对样管自动校验时使用,在此模式下喷标装置被禁止使用,但是测长测速功能正常进行。当自动模式停止、设备空运行时,在HMI上按下“半自动”按钮,HMI上蓝灯闪烁,半自动模式激活。
3.2 变频器安全功能配置
钢管的传送由4个夹送辊通过2.2 k W的三相传送电动机驱动,传送变频器控制夹送辊电动机的速度,实现钢管直线运动0~60 m/min速度控制,控制精度在±3%以内。变频器参数使用Starter软件进行设置,控制模式为V/f方式,最大转速设置为3 600 r/min,参考电压有效值设置为1 000 V,参考电流有效值为49.8 A,转矩为84.66 N·m,参考温度为100℃,手动速度设置为150 r/min。钢管的传送需要电动机快速反应,因此将速度调节器斜坡上升时间和下降时间均设置为0.5 s。为了使电动机不出现意外的动作而产生安全事故,以及在紧急情况下安全停车,需要对变频器进行安全功能的配置,即对电动机监控功能STO、SS1、SLS、SDI进行配置。其中STO功能是防止静止的电动机出现意外加速,SS1功能是通过设定的斜坡下降时间对电动机进行安全制动,SLS功能是防止变频器出现超过速度限值的动作,SDI功能是保证电动机只能按照设定的方向转动。安全功能需要在Step7硬件配置和Starter软件里分别进行设置:在Step7硬件配置里,设置PROFIsafe数据交换类型选项为报文30[4](只有过程数据1(PZD1)有效,PZD2无效);PROFIsafe安全设备地址自动分配,这里为十六进制的C4;设置看门狗时间,注意看门狗时间要设置得比安全程序调用间隔大,这里设置为500 ms。在Starter软件里,在安全集成里选择PROFIsafe扩展功能,配置时将设备地址设置为之前的地址C4(这个地址与硬件配置的地址必须一致,否则不能建立安全通信),将STO的强制故障检查时间设置为8 000 h,通过单击拷贝参数和激活设置后,对变频器断电再上电就能对变频器进行安全功能的控制了。
旋转体变频器的参数设置方法与上述方法相同,控制模式同样为V/f控制方式,最大转速设置为3 000 r/min,参考电压有效值设置为1 000 V,参考电流有效值为93 A,转矩为190.99N·m,斜坡上升时间设置为60 s,斜坡下降时间设置为160 s。将STO的强制故障检查时间设置为9 000 h。
在编写安全功能程序时,首先建立一个FC块,设置为F-CALL;再建立一个FB块,设置为F-LAD,在FB块中进行安全功能程序的编写。然后设置安全功能程序组,编译程序后FC块将自动调用FB块。最后插入一个OB35循环中断组织块,设置循环中断时间为100 ms,在OB35中调用FC块,就此实现了对安全功能程序的周期执行。
3.3 夹送辊口径调整
夹送辊口径通过4台小功率电动机控制丝杠的转动调整,每台电动机由带安全功能的PLC软启动模块控制,位置信息由多圈绝对式编码器记录。该编码器具有25位精度,带Profinet接口,可直接在Step7中进行硬件组态。根据不同的钢管外径,PLC控制电动机正反转带动丝杆以改变夹送辊口径大小,实际位置由编码器检测。因此,夹送辊口径的调整实际上只要将口径调整量值转换成相应的编码器位置调整值即可,编码器位置调整值
式中:Emax、Emin分别为最大、最小口径对应的编码器位置值;Dmax、Dmin分别为最大、最小口径;DN为新设定口径;DO为当前口径。
当EΔ>0时,正向调整,当EΔ<0时,反向调整。实际调整控制时电动机驱动的丝杠与编码器的值存在少许的偏差,所以程序编写时,需要加入补偿参数。如果补偿参数值设置得过小,电动机就会出现来回振荡调整,如果设置得过大,又会降低调整精度,因此需要根据现场调试情况选择一个合适的补偿值。
3.4 急停功能
为了最大限度地避免设备的不安全状态,保护设备和人身安全,防止恶性事故的发生,在出现危险情况时需要启动急停按钮,控制系统立即作出反应并输出正确的信号,使设备安全停机[5]。急停输入模块采用F-DI模块,模块参数如下设置:激活状态设置为1,传感器评价模式为1 oo2模式(两重冗余信号中只要有一个触发信号被激活,就能执行预置的安全功能),互连类型为双通道对等,误差时间为300 ms。模块为急停按钮供电时必须采用模块内部传感器馈电连接。
急停按钮共3个,现场设备上2个,室内控制台上1个。当急停按钮按下时,将触发以下急停功能:设备上的24 V控制电源关闭;夹送辊停止任何动作,即使里面有钢管也要停下来;所有的气动元件泄压;平台升降停止;旋转体进出停止;转动中的旋转体在设定的安全时间之内减速并停止;供水停止;HMI界面上出现报警信息。从现场人员和设备安全的角度出发,在急停功能中还考虑了与现场上下料设备的连接,在按下急停按钮,上下料设备将切换到一个安全模式。当急停按钮恢复后,设备不能立刻恢复运行,需要安全程序确认和人工确认后再进行1 s延时急停复位才完成。急停功能可直接编写在第3.2节所述的FB块中,也可单独编写一个F-LAD功能块供其调用。
4 结束语
该钢管探伤设备自动控制系统采用基于Profinet工业以太网的故障安全型控制系统,实现了设备快速、安全、可靠的控制。三种不同的工作模式,满足设备不同控制需求。变频器的安全功能和急停功能实现对现场电动机的安全控制,减少了故障导致的设备、人员安全事故,并能在安全相关中断后快速恢复生产。该系统自生产以来,一直处于安全稳定的运行状态,故障率极低,给企业带来了良好的经济效益。
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超声探头 篇8
1 肝、胆疾病
1.1 早期肝硬化
肝硬化是肝脏慢性疾病的最终发展结果, 是肝组织纤维化不断进展的终期病变, 超声高频探头可精确显示肝包膜及包膜下部份肝实质的较细微变化, 较准确地诊断肝硬化早期病变, 包括肝表面呈凹凸不平, 肝实质散在强弱不均回声光斑等。
1.2 肝脏肿瘤
小儿肝脏肿瘤种类很多, 肿瘤除了分为原发性肿瘤, 也分为肿瘤的转移而病变的肿瘤, 成为转移性肿瘤。细微分辨率较低, 对肿瘤内部细微结构、肿瘤与周围组织的关系、血供情况等显示欠清晰这一缺陷, 使得常规超声在细微的诊断上存在不足, 为肝脏肿瘤的诊断、治疗和手术的选择等提供相对准确的理论依据[1]。高频超声探头能较清晰显示肝脏表浅的细微结构, 对于肝内的小病灶, 尤其是肝近场靠近膈面的小病灶常规低频超声容易漏诊, 而高频超声则能提高小病灶的检出率, 在肝内小于10mm, 特别是2~5mm微小病灶的检出率亦有明显的优势, 使用高频超声可有效地诊断出肝内小肝癌。患有肝硬化时, 最重要是做好肝硬化结节和肝内小肝癌的鉴别诊断[2], 然而, 为鉴别诊断肝硬化结节和肝内小肝癌提供依据:肝内小肝癌内部和四周血供较繁多复杂, 因高频超声具有穿透力强、分辨率高等特点, 所以能更好地显示出肝内小肝癌血管数目;也因其声波不间断, 且很容易就可以描绘出动脉性频谱[3]。
1.3 肝外伤
小儿肝脏外伤并不少见, 由于小儿自述能力差, 确定损伤部位存在困难, 因此超声的探查尤为重要, 常规低频超声检查具有较强的穿透力, 能清楚判断肝脏损伤的部位、程度、范围以及腹腔出血量情况, 但对小儿肝脏的包膜显示不够清晰, 因此对肝包膜的裂伤及包膜下血肿的显示并不理想, 高频超声探头分辨率高, 可清楚显示肝包膜断裂程度范围及包膜下局部积血情况, 为外科手术方式的选择提供正确的依据, 弥补常规低频超声的不足[4]。
1.4 慢性肝炎
感染了HBV、HCV的婴幼儿若不及时诊断和治疗, 容易使其成为HBV、HCV的慢性携带者, 肝组织逐渐衰退, 最后病变为肝硬化, 但是肝纤维化属于肝组织的细微变化, 常规超声检查难以显示清晰, 故而难以做出明确诊断, 而高频探头分辨率有很大程度的提高, 从而使得肝内复杂的结构显示越来越清晰精确, 据相关报道, 通过回声在研究肝纤维化过程中使用高频超声, 来描述肝实质内高回声的形态变化, 研究人员将肝实质进行分期, 依据颗粒的不同程度 (细、较粗、粗) 和条纹 (窄、宽、条) 等形态来进行分期, 从而判断肝脏纤维化的程度。高频探头均能较清晰分辨肝脏内细微的结构变化, 因此打破了肝纤维化程度量化分期的不可能性, 虽然高频探头在医学上提供了很多有力的依据, 人的主观判断依然是影响肝纤维化程度量化分期还没有得到认可的因素, 但是要想更好地观察肝内细微结构回声变化, 高频探头的使用必不可少。1.5新生儿胆道疾病新生儿腹壁薄, 经腹部探查肝管及胆总管深度在4cm以内, 因此高频超声在新生儿胆道系统检查, 能够更好、更清晰地显示出新生儿胆道系统[5]。 (1) 先天性胆总管囊肿:常规超声检查能明确诊断新生儿胆总管囊肿, 并准确的对囊肿内结石、肝内胆管梗阻扩张等胆总管囊肿的并发症做出诊断, 可是绝大部份新生儿中, 胆囊充盈不佳, 多发生在早产儿身上, 常规超声常不能显示胆囊, 经常会造成误诊, 导致延误治疗, 高频超声可以清晰地显示各种充盈状态的胆囊, 因此在胆总管囊肿的诊断中较常规超声有明显的优势。 (2) 先天性胆道闭锁:又称肝外胆管进行性、闭塞性病变, 常发生在婴幼儿时期, 若诊治不及时, 婴幼儿的生命就岌岌可危了, 其发病率为1/10000~1/14000。1996年, 韩国学者Choi等指出胆道闭锁的特殊特征, 并在超声检查时可以显示, 李士星等[8]利用高频超声探头扫查TC征, 显示率明显高于低频超声探头[6]。
2 肠道疾病
2.1 阑尾炎
小儿常见的急腹症有很多, 而急性阑尾炎便是其中一种, 临床诊断证明, 急性阑尾炎具有发热、转移性右下腹疼痛等症状, 但由于婴幼儿的语言表达能力不足, 临床往往不能及时明确诊断, 因此超声检查就成为明确诊断的重要依据。急性阑尾炎超声诊断标准如下:急性单纯性阑尾炎:阑尾肿大、僵硬不蠕动, 肿大的阑尾从纵切面看呈长管回声状或蜡肠状, 管壁变厚, 像手指状, 厚度大多在0.3~0.5cm, 呈“同心圆”结构的是横切面, 高频超声显示清晰阑尾黏膜层、肌层、浆膜层3层结构, 阑尾腔内有积液, 可有粪石[7], 急性化脓性阑尾炎:阑尾明显增粗, 直径>1.0cm, 高频探头显示管壁增厚, 水肿明显, 光点、光斑可在肠腔中看见, 穿透力差, 肠间及盆腔常可见少量积液, 急性坏疽性阑尾炎:阑尾壁厚度明显增加, 管腔与阑尾管壁的界线不清, 非正常结构, 直径>0.7cm, 阑尾壁厚度不均匀, 回声不均匀, 阑尾区常呈不规则杂乱回声, 高频超声探头可以清晰显示周围可见局限性积液及气体强回声反射。高清探头清晰显示阑尾外形和管壁各层结构及阑尾腔内透声情况、阑尾与周围器官的联系, 进一步确保了阑尾炎的正确诊断。
2.2 肠套叠
肠套叠是婴儿期最常见的急腹症, 分原发性和继发性, 是肠管一部分进入另一段肠腔中, 形成特有的超声像特征:横断面可呈现肿块回声, 团块中为大小环套叠的同心圆状或强回声光环中心为低回声的靶环征, 纵切面呈多层管壁的管状结构, 形成套管状, 病变近端可见肠黏膜水肿肠壁增厚[8]。高频超声探头不仅可以全面显示肠套叠特有的声像特征, 可更清楚地显示肠管各层结构, 还可对肠套叠原发性及继发性进行鉴别。
2.3 肠旋转不良
胚胎期肠管以肠系膜上动脉为轴心的旋转运动不能正常运转, 致使肠管位置发生改变和肠系膜不完全附着, 容易引起肠梗阻的一种先天性病变, 既肠旋转不良, 只有少数婴儿及儿童期不出现症状[9]。婴幼儿出生后可引起不完全或完全性肠梗阻, 高频超声探头可在肠系膜根部探及螺旋样环状或低回声包块, 中间为肠系膜上动脉, 旋涡征即, 在肠系膜及肠系膜上肠管形成、静脉的分层样结构, 红蓝相间的螺旋状血流信号彩色多普勒血流图显示。
2.4 肠系膜淋巴结肿大
超声确定淋巴结肿大的标准:同一区域肠系膜上有2个以上淋巴结显像, 淋巴结长轴直径>10mm, 短轴直径>5mm, 纵横比≥2mm为肿大。淋巴结内血流的分布, 血流信号沿淋巴门分布[10], 通过高频超声探头扫描可以清晰显示腹腔内成散或成簇排列的多发性肿大淋巴结;淋巴结形态失常, 体积增大、长短之比<2, 更严重者比为1:1, 呈类圆形, 内部为低回声甚至接近无回声, 回声不匀称, 淋巴门结构消失, 彩色多普勒显示血流信号多样, 瘤体以不同的形状分布。
2.5 过敏性紫癜
婴幼儿时期常见的毛细血管变态反应性疾病—过敏性紫癜, 常见症状腹痛, 阵发性绞痛是其特点。局部肠管扩张, 肠壁增厚, 回声不均匀, 肠壁血管增粗, 血流信号丰富, 肠蠕动明显减弱。这是在高频超声探查中看到的。
2.6 腹股沟嵌顿疝
腹股沟嵌顿疝患儿经常会又哭又闹非常不安, 腹部肠管扩张, 在腹股沟有肿块凸起, 内见肠管、腹股沟区可见混合性包块, 肠气回声。
3 小结
综上所述, 高频超声因其较高的分辨能力, 对小儿腹部疾病的显示较常规低频超声有明显的优势, 对大部份小儿腹部疾患, 能给临床诊疗提供重要的诊断依据, 因此高频超声可作为小儿腹部疾病诊断的首选检查手段。
摘要：目的 研究超声高频探头在小儿腹部疾病诊断中的应用。方法 通过对小儿腹部疾病进行超声高频探头诊断, 发现问题进行及时治疗。结果 超声高频探头对小儿腹部疾病的诊断效果明显。结论 超声高频探头在小儿腹部疾病诊断中的应用显著, 可以在小儿腹部疾病进行诊断中推广应用。
关键词：超声高频探头,小儿肝,胆疾病,胃肠道疾病
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超声探头 篇9
1 资料与方法
1.1 一般资料
选取2008年4月~2011年1月本院诊治的急性阑尾炎症状患者390例作为研究对象, 其中男280, 女110例, 年龄12~75 (平均36.01±5.63) 岁, 发病时间5h~10d。实验室检查白细胞总数 (10~15) ×109/L, 中性粒微细胞比率均>70%。390例患者经病理确诊急性单纯性阑尾炎150例, 化脓性阑尾炎120例, 坏疽性阑尾炎103例, 阑尾周围脓肿17例。
1.2 仪器
采用东芝SSA-550A超声诊断仪和ALOKA SSD-3500彩色多普勒诊断仪, 凸阵探头, 频率3.5~5MHz;线阵探头, 频率6~10MHz。
1.3 方法
患者取仰卧位及左侧卧位, 膀胱适度充盈下探查, 先用低频探头扫查可将子宫附件及泌尿系统病变排除, 找到压痛最明显处后, 缓慢逐级加压将周围组织推开, 急性炎症阑尾因肿大不能压缩而可清楚显示, 再用高频探头对阑尾进行扫查, 可了解阑尾大小、形态、边界及阑尾内部回声、有无粪石, 管壁是否增厚, 肠管是否扩张, 肠间隙是否积液。并进一步了解病变和周围关系。图像及检查结果记录图像与临床病理进行对照分析。
1.4 急性阑尾炎超声诊断标准[3]
(1) 阑尾区压痛、阑尾肿大、增粗, 宽度>0.7cm; (2) 阑尾壁增厚, 管腔扩张显示“同心圆”征; (3) 阑尾腔闭塞或显示粪石影; (4) 阑尾区囊实性包块并周围积液。
2 结果
本组390例患者中, 经三种方式确诊为急性阑尾炎, 并均与手术和术后病理检查结果相符合。超声检查阑尾直径范围在0.5~3.0cm之间, 管壁厚度0.3~1.0cm。普通凸探头检出单纯性阑尾炎101例, 占67.3% (101/150) ;化脓性阑尾炎80例, 占66.7% (80/120) ;坏疽性阑尾炎67例, 占65.1% (67/103) ;阑尾周围脓肿9例, 占52.9% (9/17) 。高频线阵探头检出单纯性阑尾炎117例, 占78% (117/150) ;化脓性阑尾炎91例, 占75.8% (91/120) ;坏疽性阑尾炎77例, 占74.8% (77/103) ;阑尾周围脓肿10例, 占58.8% (9/17) 。两者联合使用检出单纯性阑尾炎128例, 占85.3% (128/150) ;化脓性阑尾炎98例, 占81.7% (98/120) ;坏疽性阑尾炎80例, 占77.7% (80/103) ;阑尾周围脓肿11例, 占64.7% (11/17) 。
3 讨论
普通凸阵探头频率较低, 穿透力强, 探测深度较深, 范围广, 能更易寻找肥胖、腹壁较厚、阑尾位置深在患者肿大的阑尾, 能够清晰显示病变范围及其与周围组织的关系, 但却难以显示阑尾壁层结构。虽然高频探头只能在浅部位探测, 但其分辨率高, 能够清晰地显示阑尾壁的层次、厚度、张力、壁间小脓肿及腔内情况, 分辨出增粗的阑尾与周围肠管的不同, 可显示阑尾腔内粪石样强回声和较小的无回声区, 易发现阑尾周围少量的渗液;对于坏死性阑尾炎易探及穿孔黏膜、黏膜下层及浆膜层的中断, 阑尾腔与腹腔相通, 也可清楚地显示位置浅表的阑尾及不同病变时期阑尾壁层结构变化的声像图征象, 从而对急性阑尾炎进行临床分型[4]。就较细的单纯性阑尾炎而言, 高频超声的显示率明显高于低频探头[5]。由于高频超声探测范围小、深度浅, 所以对于一些病变范围较大, 腹部肥胖及后位阑尾的患者难以达到检查要求。相对于应用低频超声较深的阑尾周围脓肿探及。所以对急性阑尾炎的诊断需要用高、低频探头联合应用才非常重要。尤其在儿童急性阑尾炎的诊断中这种联合可明显提高诊断率, 高、低频探头联合对儿童急性阑尾炎的诊断正确率是96.79%, 而单用低频探头诊断急性阑尾炎的正确率为58.97%[5]。
本文研究结果显示, 两者联合使用检出单纯性阑尾炎的检出率为85.3%;化脓性阑尾炎的检出率为81.7%;坏疽性阑尾炎的检出率为77.7%;阑尾周围脓肿的检出率为64.7%, 明显优于单用高低频超声诊断。可见高、低频探头联合使用能够充分发挥各自的优势, 明显提高阑尾的显示率, 并可为阑尾炎的分型提供参考, 对急性阑尾炎的诊断和鉴别诊断更具有实用价值, 为临床医师择定手术时机提供依据。
摘要：利用3.5MHz普通凸探头与7.5MHz高频线阵探头对390例临床疑似急性阑尾炎患者进行腹部扫查, 并将检查结果与手术诊断和病理诊断进行对比。结果390例患者中, 单用高频线阵探头检出急性单纯性阑尾炎、急性化脓性阑尾炎、急性坏疽性阑尾炎和阑尾周围脓肿的检出率分别为78%、75.8%、74.8%、58.8%;明显高于单用普通凸探头的67.3%、66.7%、65.1%、52.9%;两者联合应用的检出率分别为85.3%、81.7%、77.7%、64.7%, 明显高于单用高频线阵探头与单用普通凸探头。3.5MHz普通凸探头与7.5MHz高频线阵探头联合应用于急性阑尾炎的诊断, 具有较高诊断符合率和重要的临床价值。
关键词：急性阑尾炎,低频率,高频率,探头,联合使用,诊断价值
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