CN109394272A - 一种心脏彩超数字指针式探头 - Google Patents
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Abstract
一种心脏彩超数字指针式探头，包括探头体、螺旋线缆、枝节体、数字指针指示器，数字指针指示器包括PCB电路板、方位刻度盘、指针、迷你步进电机本体，探头体为上细下宽的圆柱体，底部有探头面，探头体的中腰部有一对内陷的扣手，扣手的上部斜伸出一个圆柱形的枝节体，内嵌迷你步进电机本体，螺旋线缆的一端连接探头体，一端与彩超主机相接，探头体移动时，主机将分析探头体通过PROFIBUS总线传来的图像，并将被检查者心脏在形态学上存疑病灶的位置信息传递给ARM芯片，ARM芯片将其转换成步进电机转动轴角位移量成正比的脉冲数，再传给单片机，控制步进电机本体向方位刻度盘输出当前转动轴需指示的角位移信号，带动其指针准确定位。
Description
技术领域
本发明涉及一种心脏彩超数字指针式探头，该探头主要与心脏彩超主机相连，临床应用于患者的无创伤非侵入性的心脏结构功能的超声检查。
背景技术
心脏彩超是一种无创伤非侵入性的心脏超声检查方法，作为一种能直观动态显示心腔内部结构、心脏的搏动和血液流动的仪器，消除了过去所谓“人心隔肚皮”的屏障，通过专用超声探头在被检查者体表上运动就可以将心脏情况在屏幕显示出来，医生可以检查被检查者心脏在形态学上有没有什么异常，以及心脏功能是否正常，由此了解心脏瓣膜病变、心肌增厚、心腔扩大的程度。现代的超声医学检查已成为帮助医生作出治疗诊断的利器和重要手段。
除此之外，心脏彩超在普通B超的基础上添加了频谱血流，可以检查心脏腔内有无异常，有无肥大或者是赘生物以及心脏大血管中血流运行情况等，对于鉴定心肌病有一定的诊断价值。
但是，常用的心脏彩超专用探头还是存在如下的不足之处：
1．需要将探头放在患者胸前来回移动，随着探头的转动，心脏的各个结构才能清晰地显示在屏幕上，对于操作新手来说，心脏彩超探头的示标给出的提示有限，探头移动的方位有很大的随意性, 对于可疑病灶，检查时间过长可能会导致患者不适。
2．传统的心脏彩超探头均为直筒结构，医生操作探头时，探头要紧贴皮肤，医师出汗手滑，容易导致探头跌落，造成探头中昂贵的超声波组件损坏，而且连接探头的直连式导线弹性不足，久而久之的直连式导线扭曲也容易引起导线束发生局部断裂。
3．医生操作传统的心脏彩超探头时，基本上是按照心脏彩超示标来把握探头的移动，而心脏彩超探头的示标是固定的，操作者的手臂又是活动的，因此导致指向切面通常不明确，究竟是指向心尖、心底、还是左心室，如何掌握示标方向并打出好的切面对于正确检查至关重要。
4．由于心房心室隔着胸腔壁，医生使用彩超探头时，声源频率与收听频率不一致所产生的多普勒效应决定了不同的操作方法会给测量带来一定的差别，例如移动探头的速度，探头上是否涂抹耦合剂，探头是否与皮肤紧密接触，探头与皮肤之间是否存在空气隙。
发明内容
本发明涉及一种新型的心脏彩超数字指针式探头，本发明的主要目的是通过人工智能图像识别技术和PROFIBUS总线将一种单纯的手持式心脏彩超探头改进成一种指示性的心脏彩超指针式探头，帮助医生对被检查患者的可疑靶点进行深入探查，从而提供了一种除屏幕显示之外的指针式辅助指示方法，其指扣型结构和具有弹性的螺旋连线，顺便解决了探头跌落容易损坏的问题。
为此，本发明提出了一种心脏彩超数字指针式探头设计方案，与普通的直筒式心脏彩超探头相比，最显著的特点是在直筒式探头的型式上额外长出了一个枝节，枝节上内嵌一个数字表盘、PCB电路板、PROFIBUS总线接口和一个迷你型仪用步进电机，迷你型仪用步进电机的陶瓷驱动轴上带一个指针，该指针在数字表盘上可平滑的转动，指针所指示的方向是探头下一步移动的方向或方位角，这对于心脏彩超的操作者提供了一个全新的辅助检测手段。其技术方案具体如下：
一种心脏彩超数字指针式探头，由探头体、基于PROFIBUS总线的螺旋线缆、线缆接头、枝节体、数字指针指示器组成；
所述的数字指针指示器包括：指针面壳体、六边形底壳盖、方位刻度盘、指针、PCB电路板、ARM芯片、单片机、迷你步进电机本体，其特征在于：
所述的探头体为上细下宽的圆柱体，探头体的上部带PROFIBUS总线线缆接头，螺旋线缆的一端穿过线缆接头，螺旋线缆的另一端与心脏彩超主机相接，探头体的底部有探头面，探头体的中腰部有一对内陷的扣手，扣手的上部斜伸出一个圆柱形的枝节体，枝节体上带外螺纹；
所述的指针面壳体为圆柱体，通过隔离挡板将其分隔成二部分，隔离挡板的一端粘贴有方位刻度盘，隔离挡板的另一端的圆柱内壁上带内螺纹，并从隔离挡板上伸出六边形空心柱体，六边形空心柱体的六个角处各伸出一个支柱；
所述的PCB电路板为六边形，六个角处分别开有安装定位孔和PROFIBUS总线焊接孔，PCB电路板的一面表贴有ARM芯片、电平转换芯片、PROFIBUS总线收发芯片、高速光耦合芯片，另一面焊接有单片机、微步距细分驱动芯片、倾斜度传感芯片和迷你步进电机本体；
所述的迷你步进电机本体是两相励磁线圈驱动，带三级减速齿轮传动的机构，包括铁芯体、转动轴、永磁转子体、第一传动从动轮、第二传动从动轮、第三传动从动轮、励磁线圈包，铁芯体的两个臂上分别对称伸出两个矩形铁芯柱体，两个励磁线圈包分别插入矩形铁芯柱体中，励磁线圈包的引脚再焊接在PCB电路板上，表贴的续流二极管与励磁线圈包的引脚并联；
所述的永磁转子体所处的位置是两个励磁线圈包绕组形成的磁轭中心，励磁线圈包通电后，铁芯体内的磁导变化将产生转矩，驱动永磁转子体转动；
所述的三级减速齿轮传动机构的啮合关系是：永磁转子体与第一传动从动轮啮合传动，组成一级减速传动结构；第一传动从动轮与第二传动从动轮啮合传动，组成二级减速传动结构；第二传动从动轮再与第三传动从动轮啮合传动，组成三级减速传动结构；所述的转动轴与第三传动从动轮同轴相连，保证第三传动从动轮转动时同步带动转动轴；
螺旋线缆的一头与心脏彩超的主机相连，另一头通过探头体上部带线缆接头引入探头体；
探头体上的六边形底壳盖上开有出线孔，螺旋线缆中的其中9根电线穿过六边形底壳盖上的出线孔，再焊接在PCB电路板的PROFIBUS总线焊接孔处，PROFIBUS总线收发接口芯片的I/O引脚通过印刷电路与PROFIBUS总线焊接孔相接，ARM芯片上的TXD1、RXD1引脚与高速光耦合芯片I/O引脚相连，高速光耦合芯片的另外I/O引脚再与PROFIBUS总线收发接口芯片相连；
所述的微步距细分芯片的输入端与单片机上的I/O引脚相连，微步距细分芯片的驱动引脚再与两个励磁线圈包的引脚相连；
所述的倾斜度传感芯片与单片机上的A/D引脚相连；
所述的电平转换芯片完成5伏电平转换成3.3伏电平；
ARM芯片上的TXD2、RXD2引脚与单片机上的串行引脚相连；
心脏彩超数字指针式探头的装配流程如下：
第一步，将PCB电路板放入六边形空心柱体中，再合上六边形底壳盖；
第二步，螺丝穿过六边形底壳盖上的螺丝孔和PCB电路板上的安装定位孔后与六边形空心柱体中的支柱相连；
第三步，将指针面壳体内壁上带的内螺纹旋进枝节体上的外螺纹中；
心脏彩超数字指针式探头移动操作时，心脏彩超主机将分析探头体传来的图像，并将被检查者心脏在形态学上存疑病灶的位置信息通过PROFIBUS总线传送到ARM芯片，ARM芯片然后将其转换成步进电机转动轴角位移量成正比的脉冲数，再传给单片机，单片机通过控制脉冲个数来控制角位移量，然后通过微步距细分芯片推动励磁线圈包，向方位刻度盘输出当前步进电机转动轴需指示的角位移信号，从而达到转动轴带动其指针准确定位的目的。
进一步地，转动轴采用陶瓷材质，其弯曲度比不锈钢转动轴2.0至3.0微米的偏差更小，其硬度可以达到不锈钢轴的三倍。
进一步地，所述的铁芯体采用在弱磁场下有高磁导率的坡莫合金材料。
进一步地，所述的迷你步进电机本体两相励磁线圈采用3.3伏电源供电，最大工作电流不大于10毫安。
附图说明
图1 一种心脏彩超数字指针式探头外形图一；
图2 一种心脏彩超数字指针式探头外形图二；
图3 一种心脏彩超数字指针式探头外形图三；
图4 去掉螺旋连线后的心脏彩超数字指针式探头的正面视图；
图5 去掉螺旋连线后的心脏彩超数字指针式探头的背面视图；
图6 数字指针指示器正面视图；
图7 数字指针指示器背面视图；
图8 数字指针指示器分解图一；
图9 数字指针指示器分解图二；
图10 数字指针指示器分解图三；
图11 数字指针指示器分解图四；
图12 PCB电路板正面图；
图13 PCB电路板背面图。
标号说明：
1 探头体
11 探头面
2 扣手
21 示标
3 枝节体
31 外螺纹
4 指针面壳体
41 六边形底壳盖
42 出线孔
43 支柱
44 内螺纹
45 隔离挡板
46 六边形空心柱体
5 方位刻度盘
6 指针
7 螺旋线缆
71 线缆接头
8 PCB电路板
81 ARM芯片
82 电平转换芯片
83 PROFIBUS总线收发芯片
84 高速光耦合芯片
85 单片机
86 微步距细分驱动芯片
87 倾斜度传感芯片
88 PROFIBUS总线焊接孔
89 安装定位孔
9 铁芯体
91 转动轴
92 永磁转子体
93 第一传动从动轮
94 第二传动从动轮
95 第三传动从动轮
96 励磁线圈包
97 续流二极管
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施方案：
一种心脏彩超数字指针式探头，由探头体1、基于PROFIBUS总线的螺旋线缆7、线缆接头71、枝节体3、数字指针指示器组成；
所述的数字指针指示器包括：指针面壳体4、六边形底壳盖41、方位刻度盘5、指针6、PCB电路板8、ARM芯片81、单片机85、迷你步进电机本体，其特征在于：
所述的探头体1为上细下宽的圆柱体，探头体1的上部带PROFIBUS总线线缆接头，螺旋线缆的一端穿过线缆接头，螺旋线缆的另一端与心脏彩超主机相接，探头体1的底部有探头面11，探头体1的中腰部有一对内陷的扣手2，扣手2的上部斜伸出一个圆柱形的枝节体3，枝节体3上带外螺纹31，为了遵从医生的使用习惯，扣手部分还保留了示标21；
所述的指针面壳体4为圆柱体，通过隔离挡板45将其分隔成二部分，隔离挡板45的一端粘贴有方位刻度盘5，隔离挡板45的另一端的圆柱内壁上带内螺纹44，并从隔离挡板45上伸出六边形空心柱体46，六边形空心柱体46的六个角处各伸出一个支柱43；
所述的PCB电路板8为六边形，六个角处分别开有安装定位孔89和PROFIBUS总线焊接孔88，PCB电路板8的一面表贴有ARM芯片81、电平转换芯片82、PROFIBUS总线收发芯片83、高速光耦合芯片84，另一面焊接有单片机85、微步距细分驱动芯片86、倾斜度传感芯片87和迷你步进电机本体；
所述的迷你步进电机本体是两相励磁线圈驱动，带三级减速齿轮传动的机构，包括铁芯体9、转动轴91、永磁转子体92、第一传动从动轮93、第二传动从动轮94、第三传动从动轮95、励磁线圈包96，铁芯体的两个臂上分别对称伸出两个矩形铁芯柱体，两个励磁线圈包96分别插入矩形铁芯柱体中，励磁线圈包的引脚再焊接在PCB电路板8上，表贴的续流二极管97与励磁线圈包96的引脚并联；
所述的永磁转子体92所处的位置是两个励磁线圈包96绕组形成的磁轭中心，励磁线圈包96通电后，铁芯体9内的磁导变化将产生转矩，驱动永磁转子体92转动；
所述的三级减速齿轮传动机构的啮合关系是：永磁转子体92与第一传动从动轮93啮合传动，组成一级减速传动结构；
第一传动从动轮93与第二传动从动轮94啮合传动，组成二级减速传动结构；
第二传动从动轮94再与第三传动从动轮95啮合传动，组成三级减速传动结构；
所述的转动轴91与第三传动从动轮95同轴相连，保证第三传动从动轮95转动时同步带动转动轴91，时插在转动轴91上的指针6同步转动；
螺旋线缆7的一头与心脏彩超的主机相连，另一头通过探头体1上部的线缆接头71引入探头体1内；
探头体1上的六边形底壳盖41上开有出线孔42，螺旋线缆中的其中9根电线穿过六边形底壳盖上的出线孔，再焊接在PCB电路板8的PROFIBUS总线焊接孔处，PROFIBUS总线收发接口芯片的I/O引脚通过印刷电路与PROFIBUS总线焊接孔88相接，ARM芯片81上的TXD1、RXD1引脚与高速光耦合芯片I/O引脚相连，高速光耦合芯片84的另外I/O引脚再与PROFIBUS总线收发接口芯片83相连；
所述的微步距细分芯片86的输入端与单片机85上的I/O引脚相连，微步距细分芯片86的驱动引脚再与两个励磁线圈包96的引脚相连；
所述的倾斜度传感芯片87与单片机85上的A/D引脚相连；
所述的电平转换芯片82完成5伏电平转换成3.3伏电平；
ARM芯片81上的TXD2、RXD2引脚与单片机85上的串行引脚相连；
所述的心脏彩超数字指针式探头的装配流程如下：
第一步，将PCB电路板8放入六边形空心柱体46中，再合上六边形底壳盖41；
第二步，螺丝穿过六边形底壳盖上的螺丝孔和PCB电路板8上的安装定位孔89后与六边形空心柱体46中的支柱相连；
第三步，将指针面壳体4内壁上带的内螺纹44旋进枝节体3上的外螺纹31中；
所述的心脏彩超数字指针式探头移动操作时，心脏彩超主机将分析探头体1传来的图像，并将被检查者心脏在形态学上存疑病灶的位置信息通过PROFIBUS总线传送到ARM芯片81，ARM芯片81然后将其转换成步进电机转动轴角位移量成正比的脉冲数，再传给单片机85，单片机85通过控制脉冲个数来控制角位移量，然后通过微步距细分芯片推动励磁线圈包，向方位刻度盘输出当前步进电机转动轴需指示的角位移信号，从而达到转动轴带动其指针准确定位的目的。
转动轴91采用陶瓷材质，其弯曲度比不锈钢转动轴2.0至3.0微米的偏差更小，其硬度可以达到不锈钢轴的三倍。
所述的铁芯体采用在弱磁场下有高磁导率的坡莫合金材料，应指出的是，坡莫合金材料安放在迷你步进电机本体中，迷你步进电机本体又被屏蔽在枝节体3中，而枝节体3又处于探头体1的上部，因此外泄的杂散磁场很小，不会对患者内置的心脏起搏器发生影响。
迷你步进电机本体两相励磁线圈采用3.3伏电源供电，通过电平转换芯片82完成5伏电平转换，最大工作电流不大于10毫安。
综上所述，本发明所提出的一种心脏彩超数字指针式探头，是一种全新的心脏彩超探头型式，其有益意义在于：
1. 本发明实施例中，心脏彩超主机中嵌入了基于心脏形态学方面的人工智能图像分析软件，数字指针式探头与主机通过PROFIBUS总线相连。
2. 本发明实施例中，在直筒式探头的型式上额外长出了一个枝节，枝节上内嵌一个数字指针指示器，所述的数字指针指示器的主要器件是一个带PROFIBUS总线接口的迷你型仪用步进电机，迷你型仪用步进电机采用陶瓷材料的转动轴带动指针，其弯曲度比不锈钢转动轴2.0至3.0微米的偏差更小，指针指示的稳定性更强，使传统的心脏彩超探头焕然一新。
3. 本发明实施例中，ARM芯片与PROFIBUS总线接口芯片相接，单片机与微步距细分芯片相接，微步距细分芯片再与迷你型仪用步进电机的两相励磁线圈相接，在图形与控制方面各司分工，按部就班。
4. 本发明实施例中，心脏彩超数字指针式探头采用9芯的PROFIBUS总线与心脏彩超主机接口，大大简化了传统探头与主机之间的连接电缆线束，做到系统最省、整体最优。
5. 本发明实施例中，心脏彩超数字指针式探头采用指扣型结构和具有弹性的螺旋连线，顺便解决了探头跌落容易损坏的问题，而一个心脏彩超探头的市场价格不菲。
应指出的是，超声波成像和心脏彩超人工智能图形分析算法属于本发明之外的另一项发明方法，受人类视觉皮层体系结构的启发，它构建了一个特别有用的卷积神经网络架构，具有人工智能策略选择和深度学习自我增强能力，但是，如何将超声诊断与图像分析的判断结果通过PROFIBUS总线传输给心脏彩超探头，并用迷你型仪用步进电机指针指示下一步探头的移动方位是本发明的主要内容。
特别有意义的是，本发明所提出的一种心脏彩超数字指针式探头方案，彻底改变了传统的心脏彩超检查只看屏幕的习惯，为医生操作提供了一种基于人工智能分析的数字指针式指示辅助方案，大大减少了患者的检查时间，代表了心脏彩超探头的智能发展方向，其应用前景相当广阔。
Claims (4)
1.一种心脏彩超数字指针式探头，由探头体、基于PROFIBUS总线的螺旋线缆、线缆接头、枝节体、数字指针指示器组成；
所述的数字指针指示器包括：指针面壳体、六边形底壳盖、方位刻度盘、指针、PCB电路板、ARM芯片、单片机、迷你步进电机本体，其特征在于：
所述的探头体为上细下宽的圆柱体，探头体的上部带PROFIBUS总线线缆接头，螺旋线缆的一端穿过线缆接头，螺旋线缆的另一端与心脏彩超主机相接，探头体的底部有探头面，探头体的中腰部有一对内陷的扣手，扣手的上部斜伸出一个圆柱形的枝节体，枝节体上带外螺纹；
所述的指针面壳体为圆柱体，通过隔离挡板将其分隔成二部分，隔离挡板的一端粘贴有方位刻度盘，隔离挡板的另一端的圆柱内壁上带内螺纹，并从隔离挡板上伸出六边形空心柱体，六边形空心柱体的六个角处各伸出一个支柱；
所述的PCB电路板为六边形，六个角处分别开有安装定位孔和PROFIBUS总线焊接孔，PCB电路板的一面表贴有ARM芯片、电平转换芯片、PROFIBUS总线收发芯片、高速光耦合芯片，另一面焊接有单片机、微步距细分驱动芯片、倾斜度传感芯片和迷你步进电机本体；
所述的迷你步进电机本体是两相励磁线圈驱动，带三级减速齿轮传动的机构，包括铁芯体、转动轴、永磁转子体、第一传动从动轮、第二传动从动轮、第三传动从动轮、励磁线圈包，铁芯体的两个臂上分别对称伸出两个矩形铁芯柱体，两个励磁线圈包分别插入矩形铁芯柱体中，励磁线圈包的引脚再焊接在PCB电路板上，表贴的续流二极管与励磁线圈包的引脚并联；
所述的永磁转子体所处的位置是两个励磁线圈包绕组形成的磁轭中心，励磁线圈包通电后，铁芯体内的磁导变化将产生转矩，驱动永磁转子体转动；
所述的三级减速齿轮传动机构的啮合关系是：永磁转子体与第一传动从动轮啮合传动，组成一级减速传动结构；第一传动从动轮与第二传动从动轮啮合传动，组成二级减速传动结构；第二传动从动轮再与第三传动从动轮啮合传动，组成三级减速传动结构；所述的转动轴与第三传动从动轮同轴相连，保证第三传动从动轮转动时同步带动转动轴；
螺旋线缆的一头与心脏彩超的主机相连，另一头通过探头体上部带线缆接头引入探头体；
探头体上的六边形底壳盖上开有出线孔，螺旋线缆中的其中9根电线穿过六边形底壳盖上的出线孔，再焊接在PCB电路板的PROFIBUS总线焊接孔处，PROFIBUS总线收发接口芯片的I/O引脚通过印刷电路与PROFIBUS总线焊接孔相接，ARM芯片上的TXD1、RXD1引脚与高速光耦合芯片I/O引脚相连，高速光耦合芯片的另外I/O引脚再与PROFIBUS总线收发接口芯片相连；
所述的微步距细分芯片的输入端与单片机上的I/O引脚相连，微步距细分芯片的驱动引脚再与两个励磁线圈包的引脚相连；
所述的倾斜度传感芯片与单片机上的A/D引脚相连；
所述的电平转换芯片完成5伏电平转换成3.3伏电平；
ARM芯片上的TXD2、RXD2引脚与单片机上的串行引脚相连；
所述的心脏彩超数字指针式探头的装配流程如下：
第一步，将PCB电路板放入六边形空心柱体中，合上六边形底壳盖；
第二步，螺丝穿过六边形底壳盖上的螺丝孔和PCB电路板上的安装定位孔后与六边形空心柱体中的支柱相连；
第三步，将指针面壳体内壁上带的内螺纹旋进枝节体上的外螺纹中；
所述的心脏彩超数字指针式探头移动操作时，心脏彩超主机将分析探头体传来的图像，并将被检查者的心脏在形态学上存疑病灶的位置信息通过PROFIBUS总线传送到ARM芯片，ARM芯片然后将其转换成步进电机转动轴角位移量成正比的脉冲数，再传给单片机，单片机通过控制脉冲个数来控制角位移量，然后通过微步距细分芯片推动励磁线圈包，向方位刻度盘输出当前步进电机转动轴需指示的角位移信号，从而达到转动轴带动其指针准确定位的目的。
2.根据权利要求1所述的一种心脏彩超数字指针式探头，其特征在于：转动轴采用陶瓷材质，其弯曲度比不锈钢转动轴2.0至3.0微米的偏差更小，其硬度可以达到不锈钢轴的三倍。
3.根据权利要求1所述的一种心脏彩超数字指针式探头，其特征在于：所述的铁芯体采用在弱磁场下有高磁导率的坡莫合金材料。
4.根据权利要求1所述的一种心脏彩超数字指针式探头，其特征在于：所述的迷你步进电机本体两相励磁线圈采用3.3伏电源供电，最大工作电流不大于10毫安。
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