一种超声探头的表面温度控制系统的制作方法

本发明属于医学超声工程领域，涉及一种超声探头的表面温度控制系统。

背景技术：

在医学超声测量或成像过程中，探头的温度对测量结果有很大的影响。例如在超声测量骨骼方面，超声探头的温度变化会造成接收信号存在偏差。由于超声本身的优势特点，使得超声骨密度仪在骨密度测量方面得到广泛使用，但是温度会对其测量结果有很大的影响，所以一般在超声骨密度仪的设计中都会对传感器的温度进行恒定控制。

目前超声探头的外部温度控制系统多采用容器式或环境温度式。其中容器式一般是以囊和槽作为容器，使用时，在容器内填充水或者其他液体，超声探头置于容器内，通过对容器内的液体的温度进行恒定控制来达到对超声探头的温度恒定控制。环境温度式温度控制系统是设备内加热装置，通过对整个测量设备内部的环境温度进行恒定控制，使得超声探头周围的环境保持一个恒定的温度。然而，这两种方法都需要对一个较大的环境的温度进行控制，导致系统的体积较大、使用不便，同时也存在着功耗大和环境温度难以准确控制等问题。

技术实现要素：

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种超声探头的表面温度控制系统，旨在简化传统超声探头温度控制系统的结构、提高温度控制的精度。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

一种超声探头的表面温度控制系统，所述超声探头包括超声探头本体和罩住所述超声探头本体除发射面以外的其余部分的超声探头壳体；所述表面温度控制系统包括温度传感器、温度检测电路、控制器、电源、开关驱动电路和柔性电热膜；所述温度传感器通过温度检测电路连接于控制器，所述控制器通过开关驱动电路连接于所述柔性电热膜；所述电源为所述温度传感器、温度检测电路、柔性电热膜与控制器供电；

所述柔性电热膜是指具有良好柔韧性的电热膜。

所述温度传感器用于检测所述超声探头的表面温度；所述控制器通过温度检测电路采集所述温度传感器所检测到的温度值，并根据所述温度值控制开关驱动电路的开关状态；所述柔性电热膜贴合固定在所述超声探头壳体的外表面，在所述开关驱动电路的控制下对所述超声探头加热。

所述柔性电热膜可以全覆盖所述超声探头壳体的外表面，也可以部分覆盖所述超声探头壳体的外表面。全覆盖时，所述温度传感器固定在所述柔性电热膜的外表面或固定在所述柔性电热膜与所述超声探头壳体之间；部分覆盖时，所述温度传感器固定在所述柔性电热膜的外表面和/或所述超声探头壳体未被柔性电热膜覆盖部分的外表面。

在所述控制器内设置有温度阈值；所述控制器通过将所采集到的温度值和所述温度阈值进行比较，来控制开关驱动电路的开关状态，从而控制柔性电热膜是否对所述超声探头进行加热。超声探头在测量人体时，设定的温度阈值一般不对人体造成伤害，建议设定的温度阈值不高于50℃。

所述温度传感器为数字温度传感器或模拟温度传感器。当采用模拟温度传感器时，温度检测电路需另设，当采用数字温度传感器时，温度检测电路已含在其内，只需将其直接连接到控制器即可。

所述柔性电热膜的额定功率不低于0.1W。

所述开关驱动电路包括一NPN三极管和一N沟道MOS管；MOS管的漏极经柔性电热膜连接柔性电热膜的供电电源，源极接地，栅极通过电阻R2连接所述供电电源；三极管的基极通过电阻R3连接控制器端的IO口，发射极接地，集电极连接于N沟道MOS管的栅极；当控制器与三极管相连的IO口输出低电平时，所述开关驱动电路开启，柔性电热膜开始加热；控制器与三极管相连的IO口输出高电平时，所述开关驱动电路关闭，柔性电热膜停止加热。该开关驱动电路也可由电子开关、其他类型的mos管或其他类型的三极管组成。

所述控制器为具有控制功能的芯片或者由具有控制功能的芯片构成的器件，如控制器可以是单片机、数字信号处理器(DSP)、FPGA、PLD等

在整个系统中，温度传感器检测超声探头的表面温度之后，经过温度检测电路将温度数据送入控制器中，控制器通过对得到的温度数据进行判断来控制开关驱动电路，开关驱动电路根据控制器的信号来对加热膜的加热电路进行开关控制，实现加热温度的控制。

本发明的有益效果体现在：

1、本发明通过在超声探头壳体的外表面粘贴柔性电热膜，来对超声探头进行加热，结构简单、占用体积小、加热均匀；利用温度传感器对超声探头的温度进行检测，精确度高；同时利用控制器对开关驱动电路的控制，实现对柔性电热膜是否加热的准确控制，有效的保证了超声探头的温度一直处于最佳状态，控制精度高、控制方法简单；

2、本发明通过三极管与MOS管搭建的开关驱动电路，功耗低、效率高。

附图说明

图1为本发明表面温度控制系统的结构示意图；

图2为柔性电热膜和温度传感器在超声探头壳体外表面的第一种放置方式；

图3为柔性电热膜和温度传感器在超声探头壳体外表面的第二种放置方式；

图4为开关驱动电路的结构图；

图中标号：1柔性电热膜；2超声探头壳体；3发射面；4温度传感器。

具体实施方式

以下结合附图及实施案例对本发明做进一步说明。

如图1和图2所示，本发明提供了一种超声探头的表面温度控制系统，其中超声探头包括超声探头本体和罩住超声探头本体除发射面3以外的其余部分的超声探头壳体2。

表面温度控制系统包括温度传感器4、温度检测电路、控制器、电源、开关驱动电路和柔性电热膜1；温度传感器通过温度检测电路连接于控制器，控制器通过开关驱动电路连接于柔性电热膜；电源为温度传感器、温度检测电路、柔性电热膜与控制器供电；本实施例的柔性电热膜直接市场购得。

温度传感器用于检测超声探头的温度；控制器通过温度检测电路采集温度传感器所检测到的温度值，并根据温度值控制开关驱动电路的开关状态；柔性电热膜1贴合固定在超声探头壳体2的外表面，在开关驱动电路的控制下对超声探头加热。

具体的，电源包括第一电源与第二电源。第一电源为温度传感器、温度检测电路以及控制器供电，第一电源可以直接为温度传感器供电，也可以通过控制器供电；第二电源为柔性电热膜供电。在第一电源和第二电源电压相同时，第一电源和第二电源可以做为一个电源使用，即整个系统全部采用第一电源或第二电源供电。

在整个系统中，温度传感器用于检测加热膜和/或超声探头外部温度作为超声探头的温度；温度值传入到控制器中，控制器通过对得到的温度数据进行判断来控制开关驱动电路，开关驱动电路根据控制器的信号来对接入加热膜的电源进行导通控制。通过实时的温度测量，将数据送至控制器判断，控制开关电路和加热膜的加热与否来做到对温度的恒定控制。

具体实施时，如图2所示，柔性电热膜可以部分覆盖超声探头壳体的外表面，温度传感器4固定在柔性电热膜1的外表面和/或超声探头壳体2未被柔性电热膜覆盖部分的外表面；该方式加热效率不高，但该方式便于降温，采用降温装置可以作用于超声探头未覆盖柔性电热膜的地方，加快降温速度。在温度测量过程中同时测量探头的表面温度和柔性电热膜温度，探头表面温度和柔性电热膜温度均要保持在合理范围之内，以保证探头的使用安全性和可靠性，同时要保证超声探头的使用者和测试者安全性。

当温度传感器同时安装在柔性电热膜外表面和超声探头壳体的外表面上时，可以通过对两个传感器处的温度进行比较，获知加热效果，正常状态下，两处的温度会基本保持一致。控制器采集的温度以加热膜位置处的温度传感器为准。在温度精度要求不高的情况下，两个温度传感器也可以单独使用，

如图3所示，柔性电热膜也可以全覆盖超声探头壳体的外表面。该方式有较好的加热效率，使得探头较快的达到设定温度。该方式降温速度较慢。温度传感器4直接置于柔性电热膜上，通过测量柔性电热膜的温度，来间接反映超声探头的外壳温度。温度传感器4也可以置于柔性电热膜1和超声探头壳体2之间，同时测量柔性电热膜1和超声探头壳体2的温度。这种单个温度传感器的测量方式可以简化系统，减少成本，更加便于使用，但降低温度的测量精度。

具体实施时，在控制器内设置有温度阈值；控制器通过将所采集到的温度值和温度阈值进行比较，来控制开关驱动电路的开关状态，从而控制柔性电热膜是否对超声探头进行加热。当传感器采集的温度大于等于温度阈值时，开关驱动电路处于断开状态；当传感器采集的温度小于温度阈值时，开关驱动电路处于闭合状态。控制器为具有控制功能的芯片，例如单片机、数字信号处理器(DSP)、FPGA、PLD，或者由具有控制功能的芯片构成的器件。

温度传感器为数字温度传感器或模拟温度传感器。

柔性电热膜的额定功率不低于0.1W。

如图4所示，图示为开关驱动电路，开关驱动电路包括一NPN三极管和一N沟道MOS管；MOS管的漏极经柔性电热膜连接供电电源，源极接地，栅极通过电阻R2连接供电电源；三极管的基极通过电阻R3连接控制器端的IO口，发射极接地，集电极连接于N沟道MOS管的栅极；当控制器与三极管相连的IO口输出低电平时，开关驱动电路开启，柔性电热膜开始加热；输出高电平时，所述开关驱动电路将关闭，柔性电热膜停止加热。

图中可调电阻R1为柔性电热膜加热装置，控制器通过设置相应连接的控制器的IO口的高低电平来对开关电路进行开关控制，当控制器IO输出高电平时，三极管导通，MOS管的栅极接地，此时MOS管断路，所以此时开关驱动电路关闭，柔性电热膜电源关闭；当控制器IO输出低时，三极管截止，MOS管的栅极通过电阻R2接高电平，此时MOS管开路，所以此时开关电路打开，柔性电热膜通上电压源VCC开始加热。测量时，先打开开关电路，使得柔性电热膜加热，同时温度传感器开始工作。当柔性电热膜温度达到预设温度时，由控制器控制开关电路使得开关电路闭合，使得电压源VCC无法为柔性电热膜供电，从而柔性电热膜停止加热。当柔性电热膜温度降至设定阈值以下时，控制器重新使得开关电路导通，使柔性电热膜重新加热。通过此重复过程，使得超声探头表面保持设定的温度。

系统的工作过程如下：先设定温度阈值，开关驱动电路导通使得柔性电热膜开始加热，同时检测温度传感器的温度，当温度未达到设定值时，接通电源，继续加热。当温度大于等于设定值时，断开电源，停止加热，继续检测温度。当温度降到阈值以下，再继续加热。通过这种工作方式，超声探头的外部温度在系统运行过程中始终保持在设定温度值左右。

在本实施例中，为了进一步减少温度对探头的影响，在超声探头进行测量之间，可以先预热一段时间，即探头保持在设定温度一段时间之后，当探头各部分温度基本一致之后，再进行测量。温度阈值为不高于50℃。在测量人体时，设定的温度值一般不高于人体正常体温。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。