基于精密机器人的超声场测量和综合分析系统的研究

发布时间：2022-01-12 16:05

　　生物医学超声工程将超声技术与医疗应用相结合,利用了超声波无创治疗的特点。医用超声换能器是其中的关键技术,其辐射场特性和频率特性是治疗效果评估和超声换能器设计中的重要特征参数。近年来针对特定疾病治疗的复杂超声换能器的设计参数倍受关注,其声场参数建模分析用传统声场模型已很难评估。为了适应复杂超声换能器设计和使用的要求,本文设计了基于精密机器人的自动化测量和综合分析系统,克服复杂超声场的计算建模及实际测量中存在的许多困难。该系统分为机械运动部分,电气硬件部分和分析软件部分,系统以步进电机驱动四轴精密工业机器人,可使水听器在水槽内精确定位、自动测量,通过数据采集模块,将三维声场的声压数据实时显示和保存记录。其整个系统软件控制平台具有友好的人机交互界面,可实时完成与硬件之间的通讯,实现对机器人控制和数据采集之间的协调,并以可视化的图形直观显示数据,方便超声换能器的参数特性的评估。通过实际测量的结果表明该系统具有高空间分辨率,满足了复杂超声场测量的准确性和可靠性的要求。本文用凹球壳自聚焦形超声换能器的声场测试,验证了系统功能。测量了该超声换能器的焦平面与轴线声场分布和频率特性,分析了影响超声场变化... 

【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：71 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
中文摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 生物医学超声工程简介
    1.2 超声波治疗中的关键技术
        1.2.1 聚焦式医用超声换能器结构及应用
        1.2.2 聚焦式医用超声换能器的性能和声场分布
    1.3 研究背景及研究意义
    1.4 论文的主要内容
第二章 超声换能器声场特性和频率的理论研究和分析
    2.1 描述超声场的常用物理量
    2.2 辐射声场理论
        2.2.1 圆形平面活塞式超声换能器辐射声场的理论分析
        2.2.2 聚焦声场的理论分析
    2.3 声场的能量及声束宽度
        2.3.1 平面式换能器的声束宽度和形状
        2.3.2 聚焦式超声换能器的声束特点
    2.4 本章小结
第三章 超声场特性的自动化测量和综合分析系统设计
    3.1 系统的总体结构设计
    3.2 机械系统的设计和组成
        3.2.1 精密步进电机的特性和组装
        3.2.2 驱动器的特性
        3.2.3 运动控制卡的功能和控制特性
    3.3 硬件系统
        3.3.1 上位机运动控制的模块
        3.3.2 超声信号的发射模块
        3.3.3 超声信号接收换能器
        3.3.4 超声信号的数据采集模块
    3.4 软件系统
        3.4.1 软件模块
        3.4.2 子系统软件功能
    3.5 本章小结
第四章 超声场和频率特性测量的方法研究和软件实现
    4.1 超声场特性的测定方法研究
    4.2 硬件动态链接库调用的实现
    4.3 运动控制单元模块的实现
        4.3.1 X轴步进电机的上位机控制模块实现
        4.3.2 Y轴步进电机的上位机控制模块实现
        4.3.3 Z轴步进电机的上位机控制模块实现
    4.4 超声波信号采集模块的软件控制实现
        4.4.1 虚拟示波器输入控制的流程图
        4.4.2 数字虚拟示波器信号采集的软件控制实现
        4.4.3 数字虚拟示波器信号采集显示的软件控制实现
    4.5 水听器法测量超声声场特性的方案
        4.5.1 超声场的表现形式及其性能参数
        4.5.2 超声场自动化检测的扫描路径规划
        4.5.3 超声场扫描测量路径的软件平台实现
        4.5.4 超声场特性自动测定的设计步骤
    4.6 超声换能器频率特性的测定方法研究
        4.6.1 基于离散傅立叶变换的频谱分析
        4.6.2 频率特性测定时的窗函数的选择
        4.6.3 频率特性测定时设计检测步骤
    4.7 本章小结
第五章 超声换能器声场和频率特性的测试和仿真分析
    5.1 超声换能器声场和频率特性分析软件的实现
        5.1.1 轴向和径向超声场分布的实验结果和建模分析
        5.1.2 焦平面超声场分布曲面图
        5.1.3 焦斑区域的测量结果和仿真分析
    5.2 频率特性的实验分析与研究
    5.3 本章小结
第六章 凹球壳自聚焦超声场模型的冲击波场建模应用
    6.1 实验设计与装置
    6.2 体外聚焦冲击波特性波形的测量
    6.3 冲击波实验数据与聚焦超声场理论模型MATLAB仿真讨论
        6.3.1 轴向声压分布的理论模型与实验结果
        6.3.2 焦平面径向声压分布的理论模型与实验结果
        6.3.3 声场焦平面和焦域的三维仿真
    6.4 本章小结
第七章 总结与展望
    7.1 主要结论
    7.2 工作展望
参考文献
在学期间的研究成果
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]医用超声源的检定及其意义[J]. 赵玉柱,王玲君,孙国斌.  上海计量测试. 2009(03)
[2]高强度聚焦超声换能器[J]. 付丽媛,李发琪.  生物医学工程学杂志. 2009(03)
[3]高速超声信号采集系统的设计[J]. 王秀,程建政,倪园.  无损检测. 2009(02)
[4]医用超声换能器的现状与发展前景[J]. 彭友霖,周艳红.  中华医学超声杂志(电子版). 2009(01)
[5]LabVIEW——快速构建步进电机控制系统的利器[J]. 毛计庆,云乃彰,孟轶,曲宁松.  电机与控制应用. 2009(01)
[6]数字式运动控制卡DMC2410在全自动测量仪上的应用[J]. 李劲松,左力.  伺服控制. 2008(06)
[7]数字式运动控制卡DMC2410在全自动测量仪上的应用[J]. 李劲松,左力.  伺服控制. 2008 (06)
[8]高强度聚焦超声（HIFU）的声场检测[J]. 李全义,李发琪,寿文德.  世界科技研究与发展. 2007(06)
[9]医用超声技术的现状、发展趋势与新技术展望[J]. 刘俊松.  医疗设备信息. 2005(12)
[10]超声平面非聚焦探头的声场特性[J]. 黄磊.  无损探伤. 2005(03)



本文编号：3585066