CN102551792B - 一种3d机械探头 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种3D机械探头，包括基座、声窗、软管、堵头，该声窗连接到基座，且与基座之间包括一密闭空间，基座连接有接头，软管一端连接到该接头，接头包括贯穿该接头的通道，软管的内腔通过该通道与密闭空间连通，堵头与软管的另一端连接，密闭空间和软管中充满耦合液，软管在至少一部分长度上各处垂直于软管轴线的截面的内轮廓满足：该内轮廓上至少一部分点处的曲率半径大于该内轮廓上至少另外一部分点处的曲率半径。本发明实施例中软管截面的内轮廓为非圆形，软管一直在非圆形截面内轮廓状态下工作，无需拉伸软管壁，仅通过截面内轮廓的形状改变即可提供对耦合液体积的补偿，从而减小了密闭空间中耦合液的压力。

Description

一种3D机械探头

技术领域

本发明涉及一种3D机械探头，特别是涉及一种3D机械探头中的体积补偿结构。

背景技术

3D机械探头通常包括有作为驱动动力源的步进电机，步进电机在信号控制下通过传动系统驱动声头在一定角度内摆动。在每一个摆动角度，3D机械探头都可以象传统探头一样发射超声波并接收带有人体组织信息的回波，因而可以在摆动范围之内的每个角度对人体组织进行成像，而不需医生将探头在人体表面滑动或者摆动。

图1是一种3D机械探头的内部结构示意图，电机2通过电机支座3固定在基座1上，电机2的输出轴上固联有主动同步带轮4，主动同步带轮4通过同步带6将电机2的输出运动传递给被动同步带轮5。被动同步带轮5固联在主动轴7上，主动轴7支撑在基座1上并可自由旋转。被动轮9通过转动轴11支撑在基座1上并可以以该转动轴11为轴旋转，声头10固联在被动轮9上。主动轴7通过绳索8驱动被动轮9摆动，固联于被动轮9的声头10也随之摆动。

如图2所示，基座1上连接声窗12，基座1和声窗12之间为一密闭空间13，该密闭空间13由基座1、声窗12和其它连接结构(如主动轴7等，图中未示出)围成。声头10在密闭空间13中摆动。密闭空间13中充满耦合液，耦合液的作用是填充声头和声窗之间的间隙14以传导超声波。

通常3D机械探头要求可以在一定的温度范围内均可正常工作。当3D机械探头的工作温度升高时，密闭空间13中的耦合液体积会膨胀，从而会对声窗12和基座1产生较大的压力，该压力会对声窗12与基座1之间的密封连接产生影响，当压力过大时，可能会使声窗12与基座1之间的密封连接失效，从而导致耦合液泄露。

为了减小密闭空间的内部压力对声窗12和基座1以及它们的密封连接的作用，通常设置体积补偿结构来补偿耦合液的体积变化。当耦合液膨胀时，体积补偿结构容纳一部分耦合液，降低密闭空间的内部压力，减小对声窗、基座及其连接面的作用。一般是在基座1上连接一个与密闭空间13相连的软管15，利用软管15的体积变化来缓冲压力的作用。

现有技术中软管的截面为圆形。常温下注油(即向密闭空间中注射耦合液)、封堵(即用堵头或其它方式将软管末端封起来)后软管的截面也为圆形，软管内外的压力相同，如图3(a)所示。当温度升高时，耦合液体积膨胀，耦合液对软管内部的压力也变大，从而使软管截面半径变大，软管的容积变大以容纳密闭空间中由于温度升高而多出来的耦合液。软管截面半径变大，软管截面周长也变大，软管壁受拉伸，由于使软管壁拉伸的力来自于软管内部耦合液的压力，较大的内部压力才能使软管壁受拉伸，因此内部耦合液的压力比较大，此时软管内部的压力大于外部压力，如图3(b)所示。耦合液的体积变化越大，软管截面面积就越大，软管截面周长也越大，软管壁的拉伸量就越大，软管内部的压力也就越大，如图3中(b)到(d)所示。在较大的内部压力作用下，探头各密封处(如声窗和基座的密封连接处)承受较大的内部压力，容易导致密封连接实效，从而导致耦合液泄露。因此，使用圆形截面软管，对密封结构和连接结构的要求很高。另外，为了减小软管膨胀状态下的内部压力，软管的弹性模量必须足够小，软管壁也需要尽量薄，这对软管的材料和制造工艺有很高的要求，增加了成本。

其中，本文中的“截面”均指垂直于软管轴线的横截面。

另外，当3D机械探头的工作温度降低时，耦合液体积缩小，软管截面内轮廓围成的面积变小，当温度降至低于软管内外部压力平衡时的温度(即图3(a)对应的温度)时，软管内部的压力将小于外部压力，此时将在软管内部形成负压，这种情况下，容易导致外部气体从软管末端封堵处、软管与基座连接处等密封薄弱的位置进入密闭空间13；如果材料气密性不好，外部气体也会从软管壁进入软管内部。一旦气体进入软管内部，就会在耦合液中形成气泡，气泡很可能移动到声头与声窗之间的区域14，由于气泡是超声波的强反射体，因此，耦合液中气泡的存在会严重影响超声成像的质量。

发明内容

本发明实施例提供一种在软管工作温度范围内能对耦合液的体积变化提供有效补偿，且耦合液对声窗与基座及其密封连接结构的内部压力小，不易造成密封连接失效的3D机械探头。

本发明实施例公开的技术方案包括：

提供一种3D机械探头，包括基座、声窗、软管、堵头，连接到所述基座，且所述声窗与所述基座之间包括一密闭空间，所述基座上连接有接头，所述软管一端连接到所述接头，所述接头包括贯穿该接头的通道，所述软管的内腔通过所述通道与所述密闭空间连通，所述堵头与所述软管的另一端连接，所述密闭空间和所述软管中充满耦合液，其特征在于：所述软管在至少一部分长度上各处垂直于所述软管轴线的截面的内轮廓满足：该内轮廓上至少一部分点处的曲率半径大于该内轮廓上至少另外一部分点处的曲率半径。

本发明实施例的软管截面的内轮廓为非圆形，在软管的工作温度范围内根据温度的变化，截面内轮廓变形，从而补偿密闭空间中耦合液的体积变化，软管在非圆形截面内轮廓的状态下工作，无需拉伸软管壁即可对因工作温度变化导致的耦合液的体积变化提供补偿，从而减小了密闭空间中耦合液的压力，对软管的气密性、弹性模量等性能指标要求以及探头各处密封结构的密封性能、各承受内部压力的连接结构的可靠性的要求均比较低，避免了内部耦合液压力较大使得声窗与基座之间的密封结构容易失效的问题，且降低了成本。

附图说明

图1为现有的3D机械探头的立体示意图(未示出声窗)；

图2为现有的3D机械探头的部分剖视示意图；

图3为现有的3D机械探头的软管的受力及软管壁拉伸示意图；

图4为本发明一个实施例的3D机械探头的部分剖视示意图；

图5为本发明一个实施例的软管及其截面的示意图；

图6为本发明另外实施例的软管截面示意图；

图7为本发明另一个实施例的软管及其截面的示意图；

图8为本发明再一个实施例的软管及其截面的示意图；

图9为本发明一个实施例的软管的受力及变形示意图。

具体实施方式

如图4所示，本发明一个实施例的3D机械探头包括基座1、声窗12、软管15和堵头17，基座1和声窗12之间为一密闭空间13，该密闭空间13由基座1、声窗12和其它连接结构(如主动轴7等，图中未示出)围成，基座1上连接有接头16，该接头16包括有贯穿该接头16并与密闭空间13连通的通道161。软管15包括头部15a、中部15b和尾部15c。软管15的头部15a与接头16连接，软管15的内腔151通过接头16的通道161与密闭空间13连通。软管15的尾部15c与堵头17连接，通过该堵头17将软管15的内腔151封闭。

如图5所示，与现有技术的软管整体截面均为圆形不同，本实施例中，软管15的头部15a和尾部15c的截面内轮廓为圆形，而中部15b的截面内轮廓为非圆形，即该中部15b的截面内轮廓满足：该截面的内轮廓的各点的曲率半径中，至少部分点的曲率半径大于至少另一部分点的曲率半径。本领域技术人员了解，圆形轮廓上各点处曲率半径相等。而本发明实施例中，软管的至少一部分长度上，其各处垂直于其轴线的截面的内轮廓的形状为非圆形，即该截面内轮廓的至少部分点处的曲率半径不相等，至少部分点的曲率半径大于至少另外部分点的曲率半径。

本文中，“截面内轮廓”是指垂直于软管轴线的横截面上内侧的围成软管内部空腔(内腔)的轮廓，“截面外轮廓”是指该横截面上外侧的轮廓。

本实施例中，软管头部15a和尾部15c的截面内轮廓周长小于中部15b的截面内轮廓周长。这样，与软管头部15a和尾部15c连接的接头16和堵头17可以做得比较小从而节省空间，而中部15b的截面内轮廓周长可以做得比较大，实现较大的体积变化范围，从而增大可补偿的体积范围。

在本发明的其它的实施例中，该软管15的头部15a和尾部15c的截面内轮廓和外轮廓还可以为其它任何形状，只要能达到密封和连接的目的即可。中部15b的截面内轮廓为非圆形，截面外轮廓还可以为其它任何形状。

图5的实施例中，软管中部15b的截面内轮廓为非圆形，一个实施例中，该截面内轮廓可以是椭圆形。在其它的实施例中，软管中部15b的截面内轮廓的形状还可以是如图6所示的其它几种形状。本文中称图6中(a)的形状及与其类似的形状为“长圆形”，图6(b)中的形状及与其类似的形状为“双曲形”。实际上，软管中部15b的截面内轮廓的形状不限于椭圆形和图6所示的长圆形和双曲形，还可以是其它任意的非圆形，只要可以通过内轮廓变形而无需拉伸软管壁即可使得该内轮廓围成的面积增大即可。

本实施例中，软管中部15b可以为等壁厚横截面，软管各处可以为现有工艺上能实现的最小壁厚，可以减小软管的体积从而节省空间，软管截面改变所需要的力也比较小，受力也会比较均匀，而且在生产过程中来料容易检验。当然，也可以为不等壁厚横截面。软管头部15a和尾部15c也可以为等壁厚横截面，壁厚较薄可以尽量减小结构空间。当然，为了连接、密封等需要，头部15a和尾部15c的壁厚也可以做的比较厚，做成不等壁厚横截面。

图5的实施例中，软管15的头部15a和尾部15c的截面内轮廓的周长小于中部15b的截面内轮廓的周长。在另外的实施例中，也可以头部15a和尾部15c中的任意一个或者两者均做成截面内轮廓的周长与中部15b相同。例如，如图7所示，软管头部15a的截面内轮廓的周长小于中部15b和尾部15c的截面内轮廓的周长，而中部15b和尾部15c的截面内轮廓的周长相同。一方面，这样可以减小与软管头部15a连接的接头16的尺寸，此处往往空间较小因而限制了软管的尺寸；另一方面，软管内侧一端大一端小(软管中部15b和尾部15c内侧较大而软管头部15a内侧较小)，制作软管时型芯容易从软管尾部15c抽出而不会对软管壁造成损坏，有利于保证软管的质量。

当然，在其它实施例中，软管15的头部15a和尾部15c的截面内轮廓的周长也可以大于中部15b的截面内轮廓的周长。

又如图8所示，在另外的实施例中，软管头部15a、中部15b、尾部15c的截面内轮廓也可以大小相同。这样，软管可以制作得比较长，在使用时分段截取即可，方便软管的制造。

前述各实施例中，对于中部15b截面内轮廓为非圆形轮廓的软管，自然状态下截面内轮廓围成的面积记为S1、工作状态下截面内轮廓围成的面积记为S2、当该截面内轮廓变为圆形时且其周长不变时该截面内轮廓围成的面积记为S3，则可以使得S1和S2始终满足S1＜S2，这样，可以保证工作状态下软管内部压力一直大于外部压力；也可以使得S2和S3始终满足S2＜S3，这样，可以保证工作状态下软管内部压力一直小于使软管壁变形为圆形的压力，因而不会使软管壁被拉伸，从而使得软管内部压力比较小。当然，也可以使得同时满足S1＜S2＜S3。其中，本文中软管的“工作状态”是指该探头的软管处于其工作温度范围内的状态；“自然状态”是指探头组装完成之前，还没有注入耦合液，软管处于自然的状态下的状态，截面内轮廓围成的面积是指该截面上内轮廓围成的空腔的面积。详述如下：

对于周长一定的封闭图形，当其形状为圆形时其面积最大；形状为非圆形时，其面积由具体的形状决定，最小趋近于0，最大趋近于形状为圆形时的面积，变化非常明显。面积从最小变化到最大，周长不变，仅仅靠形状的变化即可实现面积的变化。

本发明实施例中，使用截面内轮廓为非圆形的软管对探头密闭空间13中的耦合液进行体积补偿，利用非圆形的截面内轮廓易于变形、截面内轮廓围成的面积变化比较明显、且截面内轮廓围成的面积变化时截面内轮廓的周长可以保持不变的特点来达到体积补偿的目的。软管截面内轮廓在自然状态也就是内外压力相同时为非圆形，如图9(a)；软管内部压力大于外部后软管截面内轮廓围成的面积增大，如图9(b)～9(d)。软管截面内轮廓围成的面积的增大通过软管截面内轮廓的形状的改变来实现，而不需要周长增加，即软管壁不需要拉伸，因此变形非常容易。由于不需要提供使软管壁拉伸的力，因此软管内部的压力可以比较小(使软管壁拉伸的力是由软管内部的耦合液的压力提供的)。软管内部压力比外部压力大的越多，软管的截面内轮廓围成的面积就越大。软管的截面内轮廓围成的面积基本上与软管内部压力成正相关关系。因此，可以使软管在自然状态下其截面内轮廓围成的面积S1、软管工作状态时截面内内轮廓围成的面积S2、软管截面内轮廓变为圆形且其周长不变时其围成的面积S3满足：S2恒大于S1和/或S2恒小于S3。由于S2恒大于S1，因此在工作状态下软管内部压力一直大于外部压力，可以避免外部气体进入密闭空间；由于S2恒小于S3，因此软管一直在非圆形截面内轮廓的状态下工作，软管壁不受拉伸，密闭空间中的压力较小。

软管连接到基座上并注油、封堵后，探头的密闭空间中的耦合液仅受温度的影响而做体积变化。因此，本发明各实施例中，安装软管、注入耦合液并封堵时，合理调整密闭空间及软管内部耦合液的初始压力(也就是调整初始的S2的大小)，使得当处于软管最低工作温度、耦合液体积最小、S2也最小时，此时的S2仍然大于S1，且当软管处于最高工作温度、耦合液体积最大、S2也最大时，此时的S2仍然小于S3，这样即可使得在工作状态下S2恒大于S1而小于S3。

软管15在自然状态下内部压力和外部压力相同，如图9(a)所示；常温下注油、封堵时使软管鼓起来一些，如图9(c)所示；在软管最高工作温度时，软管膨胀到最大状态，但截面内轮廓仍为非圆形，如图9(d)所示；在软管最低工作温度时，软管收缩到最小状态，但截面内轮廓围成的面积仍然比自然状态下要大，如图9(b)所示。这样在软管的工作温度范围内，软管一直处于膨胀的状态，内部压力一直大于外部压力，避免了外部气体进入密闭空间13内部。温度变化时，软管15的体积变化通过截面的形状变化来实现，而无需拉伸软管的管壁，对于一直没有达到圆形截面内轮廓的状态的软管来说，这种变化需要的力很小，对内部耦合液产生的压力也比较小，因此，对探头声窗和基座的密封结构和连接结构的作用力比较小，从而避免了内部耦合液压力较大使得声窗与基座之间的密封结构容易失效的问题。

本发明实施例的软管在其工作温度范围内根据温度的变化发生截面内轮廓变形从而补偿密闭空间中耦合液的体积变化，软管一直在非圆形截面内轮廓的状态下工作，无需拉伸软管壁即可对因工作温度变化导致的耦合液的体积变化提供补偿，从而减小了密闭空间中的压力，对软管的气密性、弹性模量等性能指标要求比较低；软管的变形主要通过软管截面内轮廓的形状变化来实现，无需拉伸软管壁，故而对壁厚没有严格的要求，因此对工艺要求比较低；密闭空间不会产生较大的内部压力，对探头各处密封结构的密封性能、各承受内部压力的连接结构的可靠性的要求也比较低，因此既可以降低成本，也避免了内部耦合液压力较大使得声窗与基座之间的密封结构容易失效的问题；且内部耦合液的压力一直稍大于外部压力，可以避免外部气体进入内部密闭空间而影响成像质量。

以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种3D机械探头，包括基座、声窗、软管、堵头，所述声窗连接到所述基座，且所述声窗与所述基座之间包括一密闭空间，所述基座上连接有接头，所述软管一端连接到所述接头，所述接头包括贯穿该接头的通道，所述软管的内腔通过所述通道与所述密闭空间连通，所述堵头与所述软管的另一端连接，所述密闭空间和所述软管中充满耦合液，其特征在于：所述软管在至少一部分长度上各处垂直于所述软管轴线的截面的内轮廓满足：该内轮廓上至少一部分点处的曲率半径大于该内轮廓上至少另外一部分点处的曲率半径。

2.如权利要求1所述的3D机械探头，其特征在于：所述软管在至少一部分长度上各处垂直于所述软管轴线的截面的内轮廓的形状为椭圆形、长圆形或双曲形。

3.如权利要求1所述的3D机械探头，其特征在于：在软管工作状态下所述截面的内轮廓围成的面积小于该截面内轮廓为圆形且周长不变时围成的面积。

4.如权利要求1或3所述的3D机械探头，其特征在于：在软管工作状态下所述截面的内轮廓围成的面积大于所述软管在自然状态下的该截面的内轮廓围成的面积。

5.如权利要求1所述的3D机械探头，其特征在于：当所述软管处于最高工作温度时，所述截面的内轮廓围成的面积小于该截面内轮廓为圆形且周长不变时围成的面积。

6.如权利要求1或5所述的3D机械探头，其特征在于：当所述软管处于最低工作温度时，所述截面的内轮廓围成的面积大于所述软管在自然状态下的该截面的内轮廓围成的面积。

7.如权利要求1所述的3D机械探头，其特征在于：所述软管包括头部、中部、尾部，所述软管在至少一部分长度上各处垂直于所述软管轴线的截面的内轮廓满足：该内轮廓上至少一部分点处的曲率半径大于该内轮廓上至少另外一部分点处的曲率半径，且所述头部和/或尾部的截面内轮廓的周长小于或大于所述中部的截面内轮廓的周长。