CN1682662A - 控制超声探测器的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种控制超声探测器(250)的设备和方法。具有该设备的超声探测器包括设置成在壳体(464)内可移动操作的扫描头(475)和该扫描头内控制换能器阵列(252)的信号控制电路。设置该信号控制电路以提供多路复用操作，用于控制形成换能器阵列的许多换能器元件。

Description

控制超声探测器的设备和方法
背景技术
本发明基本涉及超声系统，并特别涉及用于超声医学成像系统的探测器。
超声系统典型包括超声扫描装置，例如具有可以进行各种不同超声扫描(例如，体积或身体的不同成像)的不同换能器的超声探测器。超声探测器典型连接到控制探测器运转的超声系统。探测器包括具有许多换能器元件(例如，压电晶体)的扫描头，这些换能器元件可以阵列方式排列。在操作期间，例如，在扫描体积或身体期间，超声系统在阵列内驱动换能器元件，根据待执行的扫描类型可以控制换能器元件。超声系统包括许多与探测器通信的通道。例如，该通道可以传输驱动换能器元件和从其接收信号的脉冲。
在体积探测器中，其中在扫描操作期间扫描头移动，更特别地是换能器元件移动，扫描头和系统电缆之间的连接电缆必须具有柔性以适应该移动。当换能器元件数量增加时，需要控制换能器元件运转的连接(例如，连接电缆)数量增加。这导致了扫描头和控制系统(例如，连接到系统电缆)之间的连接电缆的尺寸增加。当扫描头电缆尺寸增加时，需要探测器内容纳增加的电缆尺寸的额外空间，并且电缆损坏的可能性增加。例如，由于更大的扫描头电缆的弯曲移动，电缆折断的可能性增加。从而，超声探测器的可靠性减小。由于连接电缆尺寸的增加，探测器的成本和控制的复杂性也增加。进而，移动具有这个连接到它的更大的扫描头电缆的扫描头所需的电机能量也增加。
发明内容
在一个典型实施例中，提供一种超声探测器。该超声探测器包括设置成在壳体内可移动操作的扫描头和在该扫描头内控制换能器阵列的信号控制电路。设置该信号控制电路以提供多路操作，用于控制形成换能器阵列的许多换能器元件。
在另一典型实施例中，提供一种控制超声探测器的方法。该方法包括在超声探测器的扫描头接收控制信号，该控制信号用于控制具有许多换能器元件的换能器阵列、在扫描头多路传送控制信号并根据多路复用信号选择启动一个或多个换能器元件。
附图说明
图1是依据本发明一个典型实施例的超声系统的结构图。
图2是依据本发明另一个典型实施例的超声系统的结构图。
图3是由依据本发明的典型实施例的图1和2的系统获得的对象的图像的透视图。
图4是依据本发明的典型实施例与主系统联系的超声探测器的结构图。
图5是典型换能器堆栈的透视图，该堆栈包括可以用于图4所示的超声探测器的换能器元件阵列。
图6是依据本发明的典型实施例的多路复用配置的结构图。
图7是图6示出的多路复用配置的典型多路复用电路的结构图。
图8是图6示出的多路复用配置的另一典型多路复用电路的结构图。
图9是依据本发明的典型实施例的探测器的横截面正视图。
图10是沿图9的线10-10的正视图。
图11是依据示出密封装置的本发明的典型实施例的探测器的部分横截面正视图。
图12是依据示出多路复用电路的本发明的典型实施例的探测器的部分横截面正视图。
图13是依据本发明的典型实施例的探测器的连接配置的结构图。
图14-16是依据示出移动扫描头的本发明的典型实施例的探测器的横截面正视图。
具体实施方式
下面详细描述了控制超声探测器的超声系统和方法的典型实施例。特别是，将首先进行典型超声系统的详细描述，然后是控制超声探测器的方法和系统的各种实施例的详细描述。在此描述的系统和方法的各种实施例的技术效果包括减少控制超声探测器和选择地控制超声探测器中换能器元件的控制线的数量中的至少一项。
图1描述了超声系统100的典型实施例的结构图，该系统可以用于例如获得和处理超声图像。超声系统100包括驱动在换能器106内或作为该换能器的部分形成的元件104(例如，压电晶体)的阵列以将脉冲超声信号发射入身体或体积中的发射器102。可以使用各种几何形状并且可以作为探测器(未示出)的部分提供一个或多个换能器106。脉冲超声信号是根据密度界面和域结构反射的，例如在身体中，象血细胞和肌肉组织，以产生返回到元件104的回波。回波由接收器108接收并提供到波束形成器110。波束形成器在接收的回波上进行波束形成并输出RF信号。然后由RF处理器112处理RF信号。RF处理器112可以包括解调RF信号以形成表示回波信号的IQ数据对的复合解调器(未示出)。然后RF或IQ信号数据可以直接发送到用于储存(例如，暂时储存)的RF/IQ缓冲器114。
超声系统100也包括处理获得的超声信息(即，RF信号数据或IQ数据对)和准备显示在显示系统118上的超声信息画面的信号处理器116。信号处理器116适合根据许多在获得的超声信息上可选择的超声模态进行一个或多个处理操作。当接收到回波信号时，获得的超声信息可以在扫描期间实时处理。作为附加或替换方式，超声信息可以在扫描期间暂时储存在RF/IQ缓冲器114中，并在实时或离线操作中立即处理。
超声系统100可以超过50帧每秒的帧速连续获得超声信息，该帧速大约是人眼的感知速度。获得的超声信息以较低的帧速显示在显示系统118上。可以包括图像缓冲器122，以用于储存没有安排立即显示的获得的超声信息的处理画面。在典型实施例中，图像缓冲器122具有足够大的容量以储存至少几秒的超声信息的画面。超声信息的画面可以便于依据获得它们的顺序或获取时间而复原的方式储存。图像缓冲器122可以包括任何一个已知的数据储存媒体。
用户输入装置120可以用于控制超声系统100的操作。用户输入装置120可以是用于接收用户输入以控制例如扫描类型或扫描中使用的换能器类型的任何合适的装置和/或用户界面。
图2示出了超声系统150的另一典型实施例的结构图，该系统可以用于例如获得和处理超声图像。超声系统150包括与发射器102和接收器108联系的换能器106。换能器106发射超声脉冲并从扫描的超声体积152内的结构接收回波。存储器154储存来自扫描的超声体积152的接收器108的超声数据。扫描的超声体积152可以由各种技术获得，这些技术包括例如3D扫描、实时3D成像、体积扫描、用具有定位传感器的换能器的扫描、使用体素(Voxel)相关技术的徒手扫描、2D扫描或尤其用矩阵换能器的扫描。
当扫描感兴趣区域(ROI)时，例如沿直线或弓形路径移动换能器106。在各直线或弓形位置，换能器106获得许多扫描平面156。扫描平面156例如从一组或一套邻近扫描平面156收集一个厚度。扫描平面156储存在存储器154中，并随后提供到体积扫描转换器168。在一些典型实施例中，换能器106可以获得线而不是扫描平面156，存储器154储存由换能器106获得的线而不是扫描平面156。体积扫描转换器168从切片厚度设定控制器158接收切片厚度设定，该控制器确定从扫描平面156产生的切片厚度。体积扫描转换器168从多个相邻扫面平面156产生数据切片。获得以形成各数据切片的相邻扫描平面156的数量依据由切片厚度设定控制器158选择的厚度。数据切片储存在切片存储器160内，并由体绘制(rendering)处理器162存取。体绘制处理器162基于数据切片进行体绘制。体绘制处理器162的输出提供到处理体绘制数据切片以用于显示在显示器166上的视频处理器164。
应当指出，各回波信号样本(体素)的位置根据几何精确度(即，从一个体素到下一个的距离)和一个或多个超声响应(和来自超声响应的导出值)限定。合适的超声响应包括灰度级值、色流值和脉管或能量多普勒(Doppler)信息。应当指出，超声系统150也可以包括控制超声系统150操作的用户输入或用户界面。
应当指出，超声系统100和150可以包括另外的或不同的部件。例如，超声系统150可以包括用户界面或用户输入120(图1示出)以控制超声系统150的操作，包括控制病人数据输入、扫描参数、扫描模式改变等。
图3示出了可以由超声系统100和150获得的对象200的典型图像。对象200包括体积202，该体积由带有彼此以角208分开的径向边界204和206的许多扇形横截面限定。换能器106(图1和2示出)电子聚焦和纵向引导超声发射(firing)以沿各扫描平面156(图2示出)中的相邻扫描线扫描，并且电子或机械聚焦和横向引导超声发射以扫描相邻扫描平面156。如图1所示，由换能器106获得的扫描平面156储存在存储器154中，并由体积扫描转换器168从球坐标转换到笛卡尔(cartesian)坐标。包括多个扫描平面156的体积从体积扫描转换器168输出，并作为绘制区域210储存在切片存储器160中。切片存储器160中的绘制区域210从多个相邻扫描平面156形成。
绘制区域210可以由使用用户界面或输入的操作者限定尺寸，以具有切片厚度212、宽度214和高度216。体积扫描转换器168(图2示出)可以由切片厚度设定控制器158(图2示出)控制，以调整切片的厚度参数，形成所需厚度的绘制区域210。绘制区域210限定扫描的超声体积152的体绘制部分。体绘制处理器162访问切片存储器160，并沿绘制区域210的切片厚度212绘制。
现在参考图1和2，在操作期间，具有预定的、基本不变厚度(也指重建区域210)的切片由切片厚度设定控制器158确定，并在体积扫描转换器168中处理。表示绘制区域210(图3示出)的回波数据可以储存在切片存储器160中。约2mm到约20mm的预定厚度是典型的，然而根据应用和扫描区域的尺寸，小于约2mm或大于约20mm的厚度也是合适的。切片厚度设定控制器158可以包括控制部件，例如带有不连续或连续厚度设置的可转动旋钮。
体积绘制处理器162将绘制区域210投影到一个或多个图像平面222(图3示出)的图像部分220。在体绘制处理器162中处理后，图像部分220的象素数据可以由视频处理器164处理，然后显示在显示器166上。绘制区域210可以位于任何位置和朝向体积202内的任何方向。在一些情况中，根据扫描区域的尺寸，绘制区域210仅是体积202的一小部分是有利的。
图4示出了超声探测器250的典型实施例的结构图，该超声探测器可以连接超声系统100或150。超声探测器250包括换能器阵列和后备堆栈252(“换能器阵列252”)、可作为扫描头电缆形成的换能器皮线电缆254和支持处理电子设备的多个处理板256。各处理板256可以包括位置存储器258(如下所述它可以包括几何RAM、编码RAM、位置寄存器和控制寄存器)和信号处理器260。也可以提供位置储存控制器262(例如通用的CPU、微控制器、PLD等)，并包括通信接口264。
通信接口264在通信线268(例如，数字信号线)上和通过系统电缆270与主系统266建立数据交换。另外，在典型实施例中，系统电缆270包括同轴电缆272，该同轴电缆连接到处理板256，以将发射脉冲波形传递到换能器阵列252，并且在波束形成后，将接收信号传递到主系统266。探测器250也可以包括连接器274，通过该连接器将探测器250连接到主系统266。
可以提供一个夹具276将换能器皮线电缆254保持在处理板256。从而夹具276有助于在换能器皮线电缆254和处理板256之间建立电连接。虽然其它实施方式也是适合的，夹具276可以包括合销278和螺栓280。
换能器阵列252结合在后备堆栈上，将参考图5在下面更详细地描述。换能器皮线电缆254通过后备堆栈提供电信号连接。在一个典型实施例中，有42条换能器皮线电缆254，每条电缆带有50个信号连接。从而，换能器皮线电缆254为换能器阵列252中多达2100个换能元件提供发送和接收信号连接，尽管可以使用更少的换能元件。例如，每个处理板256可以连接到6条换能器皮线电缆254，从而包括300个换能元件的信号连接。
如同皮线电缆254，处理板256可以由例如聚酰亚胺、聚酯等皮线材料制造。处理板256包括用于换能器阵列252的处理电子设备，该阵列包括在换能器阵列252中的接收孔上进行波束形成的信号处理器260。
每个信号处理器260可以操作例如4个在换能器阵列252上的选择空间位置限定的接收孔。接收孔可以是包括15个声音换能器元件的三角形孔，例如这些换能器元件排列为：1个元件1排，其上2个元件1排，其上3个元件1排，其上4个元件1排，其上5个元件1排。此外，每个处理板256可以包括5个信号处理器260。从而，在接收方向中，每个处理板256可以处理20个接收孔，每个接收孔包括15个声音换能元件。
对于每个超声束，位置储存控制器262通过数字信号线273(例如，由分离的皮线电缆携带)连接到每个处理板256上的每个位置存储器258。位置储存控制器262将空间位置信息发送到各位置存储器258中，用于处理板256上的信号处理器260处理各接收孔。数字信号线273可以包括，例如用于各处理板256的时钟线、用于各处理板256的串行命令数据线、连接到各处理板256的两条数据线(用于全部14条数据线)、用于一个或多个信号处理器260的输出允许和检测信号。
位置储存控制器262在数字信号线273上与主系统266通信，该数字信号线可以形成例如同步串行口的部分。为此，通信接口264和数字信号线273可以实现低压差动信号接口，例如包括带有接地屏蔽和中心信号线的同轴电缆。位置储存控制器262包括一块高速缓冲存储器275，例如1-8M字节静态随机存取存储器(SRAM)。
图5示出了换能器阵列252的一个典型实施例。换能器阵列252包括转换电-声和声-电能量的压电陶瓷302。压电陶瓷302位于换能器阵列252的中心内。在信号侧，压电陶瓷302连接到z轴支撑模块304，该支撑模块包括换能器皮线电缆254的交替层和结合在固体支撑模块304中的声音吸收材料308。
支撑模块304在垂直换能器皮线电缆254的方向切割，从而露出单个换能器皮线电缆254电路轨迹306的末端，以提供高密度信号连接。陶瓷302、电传导内部声音匹配层310(例如，填充例如石墨锑石墨的金属)和支撑模块304的顶面在一次操作中切成方块，以形成在换能器皮线电缆254中的各皮线电路轨迹306中心的不连续声音换能器元件312。从而在z轴支撑模块304上存在信号平面313。
各电路轨迹306接触一个换能元件312的底部或信号侧。接地金属层314一侧覆盖可以由塑料形成的外部声音匹配层316。这个匹配层316连接到各元件312的顶部，形成越过换能器阵列252的表面的接地连接。将外部匹配层316部分切成方块，以将其分隔成不连续元件，从而改善换能器元件312的可接受角。然而在一个典型实施例中，小方块不穿透接地金属层314。
通过换能器最外面元件318产生到各换能器元件312的电接地连接。在陶瓷302上也提供环绕接地320。一旦换能器阵列252安装到扫描头或头壳内，就可以应用薄硅酮保护面。
应当指出，具有不同相互连接的不同换能器阵列可以按照需要或需求使用(例如，根据探测器类型或应用)。例如，图5示出了适合需要非常高密度的电接口的阵列(例如，二维(2D)阵列)的相互连接结构。然而，其它类型的阵列，例如一维(1D)阵列不需要这个高密度的电接口，并且其它相互连接结构可以更适合。例如在1D阵列应用中，1D阵列包括单一换能器皮线电缆254，其中电路轨迹306接触换能器阵列252的元件。如同换能器皮线电缆254上电路轨迹306彼此相邻放置一样，换能器阵列252的元件彼此相邻放置。与单一换能器皮线电缆254类似的结构可以用于例如1.25D、1.5D或1.75D阵列。
本发明的各种实施例包括一个或多个信号控制电路，用于控制主系统266(图4示出)和换能器阵列252(图4示出)之间的信号通信。在图6示出的一个典型实施例中，一个或多个信号控制电路包括已经连接到来自换能器阵列252的换能器皮线电缆254的一个或多个多路复用电路400，用于换能器阵列252和主系统266之间的多路复用信号。例如，具有其中安装集成电路外壳开关(例如，MOSFET5)的表面的印制电路板可以用于控制换能器阵列252的开关，并且更特别的是，控制换能器元件312(图5示出)连接到超声系统100或150的一个或多个通道(例如，连接到主系统266(图4示出)的一个或多个通道)。特别是，多路复用电路400控制信号脉冲发射到换能器阵列252，该换能器阵列驱动换能器元件，例如压电陶瓷302。多路复用电路400也控制由压电陶瓷302接收的超声信号的通信，该陶瓷连接到主系统266。
如图7和8示出，多路电路400可以分别以选择器开关多路复用装置或波束形成器单元多路复用装置构成。特别如图7所示，多路复用电路400可以包括具有一个或多个开关(例如，MOSFET5)的一个或多个选择器开关多路复用器单元401。每个多路复用器单元401可以作为分离的集成电路提供。多路器单元401提供多路复用操作(例如，开关操作)，用于控制换能器阵列252。如图8所示，多路复用电路400可以包括一个或多个其中具有波束形成部件的波束形成单元403。每个波束形成单元403可以作为分离的集成电路提供。波束形成单元403提供控制换能器阵列252的多路复用操作(例如，波束形成操作)。
图9和10示出了具有与主系统266(图4示出)通信的换能器阵列252的探测器250，并且特别是体积成像探测器的典型实施例。探测器250包括具有第一室452(例如，干燥室)和第二室454(例如，湿润室)的壳体450。第一室452和第二室454可以作为单一单元(例如，整体结构)形成，或可以作为连接到一起的分离单元形成。在一个典型实施例中，第一室452是干燥或空气室，其中包含用于机械控制换能器阵列252的驱动部件和电控制换能器阵列252的通信部件。驱动部件基本包括电机456(例如，步进电机)和齿轮装置458，例如，具有带驱动和绳驱动的二级齿轮装置。通信部件基本包括一个或多个通信线，例如，作为一个或多个柔性印制电路板460构成，该电路板例如通过连接到连接部件473的刚性印制电路板461，一端连接到系统电缆270(图4示出)，另一端连接同轴电缆272。从而，通信部件提供换能器阵列252和主系统266之间的通信。
应当指出，虽然在此描述了具有特别的组件部分的驱动部件和通信部件，但它们是非限定的。例如，驱动部件可以具有不同的齿轮装置，并且通信部件可以具有不同的连接部件或传输线。
在这个典型实施例中，第二室454是其中包含换能器驱动部件的润湿室(例如，其中具有吸音液体的室)，该换能驱动部件用于移动(例如，转动)换能器阵列252和换能器控制部件，该控制部件用于选择地驱动换能器阵列252的元件(例如，压电陶瓷302)。换能器驱动部件基本包括与例如支撑在支架(未示出)上的扫描头壳体464连接的驱动轴462，当由驱动部件驱动时，该驱动轴操作以移动作为扫描头475的部分的换能器阵列252。也可以提供支撑扫描头壳体464的支撑部件(未示出)，并例如可以提供偏动弹簧469以保证驱动部件和换能器驱动部件的适当张力。应当指出，可以环绕扫描头壳体464提供声音隔膜466，并作为壳体450的部分形成。换能器控制部件基本包括同轴电缆272(例如，3层64个同轴电缆)和/或柔性印制电路板460，和在此更详细描述的连接到换能器阵列252的多路复用电路400。通信部件使用任何合适的连接器，例如附加销连接器装置连接到换能器驱动部件。
应当指出，虽然在此描述了具有特别的组件部分的换能器驱动部件和换能器控制部件，但它们是非限定的。例如，换能器驱动部件可以具有不同的轴装置，并且换能器控制部件可以具有不同的控制电路或传输线。应当指出，根据需要或需求，和/或根据探测器250的特别类型和应用，可以提供连接探测器250的附加的或不同的组件部分。例如可以根据探测器250的类型提供覆盖换能器阵列252的透镜。
在典型实施例中，如图11所示，第一室452和第二室454具有在第一室452和第二室454之间提供液体密封设置的一个或多个密封部件468。在第一室452和第二室454之间提供支架部件470，以允许一部分驱动部件(例如，绳驱动的绳部分)或一部分通信部件(例如，柔性印制电路板460)从那里通过。例如，可以提供一个或多个槽或开口472作为带有密封部件474(例如，铝板)的支架部件470的部分，该密封部件保证第一室452和第二室454之间的适当密封。
再次参考图9和10，并参考图12，如下详述，一个或多个多路复用电路400连接到控制换能器252的换能器阵列252。在典型实施例中，提供分离多路复用电路400连接换能器阵列252的各边480，例如连接(例如，环氧的)到声音吸收材料308(图5示出)。然而应当指出，可以根据需要或需求使用或多或少的多路复用电路400。另外，多路复用电路400可以位于扫描头475内的其它位置。
在典型实施例中，多路复用电路400通过连接部件404(例如，柔性印制电路板)连接到换能器阵列252，该多路复用电路也可以包括换能器柔性印制电路板406。多路复用电路400也连接到同轴电缆272(例如，多路复用电路板到电缆互连)。多路复用电路400装入密封材料(例如，环氧树脂)，以将多路复用电路400密封隔离第二室454内的液体。多路复用电路400可以包括多于一个多路复用部件402(例如，多路复用单元)。
从而如图13所示，换能器阵列252通过多路复用电路400连接到同轴电缆272。同轴电缆272通过在此描述的柔性印制电路板460、刚性印制电路板461和连接部件473连接到系统电缆270。然后系统电缆270连接到主系统266。
如图14-16所示，多路复用电路400允许控制换能器阵列252的运转，该换能器阵列带有来自移动扫描头475的减少数量的通信线(例如，减少数量的同轴电缆272)。应当指出，换能器阵列252可配置为在不同模式下操作，例如1D、1.25D、1.5D、1.75D和2D操作模式。
虽然本发明已经按照各种特别的实施例描述，但是本领域普通技术人员将认识到本发明能够在权利要求的精神和范围内变化。
零件表
100  超声系统
102  发射器
104  元件
106  换能器
108  接收器
110  波束形成器
112  RF处理器
114  RF/IQ缓冲存储器
116  信号处理器
118  显示系统
120  界面或用户输入
122  图像缓冲存储器
150  超声系统
152  扫描的超声体积
154  存储器
156  扫描平面
158  切片厚度设定控制器
160  切片存储器
162  体绘制处理器
164  视频处理器
166  显示器
168  体积扫描转换器
200  对象
202  体积
204  径向边界
206  径向边界
208  角
210  绘制区域
212  切片厚度
214  宽度
216  高度
220  图像部分
222  一个或多个平面
250  探测器
252  换能器阵列
254  皮线电缆
256  处理板
258  位置存储器
260  信号处理器
262  位置储存控制器
264  通信接口
266  主系统
268  通信线
270  系统电缆
272  同轴电缆
273  数字信号线
274  连接器
275  高速缓冲存储器
276  夹具
278  合销
280  螺栓
302  压电陶瓷
304  支撑模块
306  电路轨迹
308  声音吸收材料
310  内部声音匹配层
312  不连续声音换能器元件
313  信号平面
314  接地金属层
316  外部匹配层
318  最外部元件
320  环绕接地
400  多路复用电路
401  多路复用单元
402  多路复用部件
404  连接部件
406  柔性印制电路板
450  壳体
452  第一室
454  第二室
456  电机
458  齿轮装置
460  柔性印制电路板
461  刚性印制电路板
462  驱动轴
464  扫描头壳体
466  声音隔膜
468  密封部件
469  偏动弹簧
470  支架部件
472  槽或开口
473  连接部件
474  密封部件
475  扫描头
480  侧面

Claims (10)

1.一种超声探测器(250)包括：
设置成在壳体(464)内可移动操作的扫描头(475)；和
扫描头内控制换能器阵列(252)的信号控制电路，该信号控制电路设置成提供控制形成换能器阵列的许多换能器元件的多路复用操作。
2.根据权利要求1的超声探测器(250)，其中换能器阵列(252)在扫描头(475)内。
3.根据权利要求1的超声探测器(250)，其中信号控制电路包括至少一个多路复用部件(402)。
4.根据权利要求1的超声探测器(250)，其中信号控制电路接合换能器阵列(252)。
5.根据权利要求1的超声探测器(250)，其中信号控制电路安装到换能器阵列(252)。
6.根据权利要求1的超声探测器(250)，其中信号控制电路装入到密封材料中。
7.根据权利要求1的超声探测器(250)，还包括通信部件，并且其中信号控制电路设置成连接到该通信部件，以提供换能器阵列(252)和主系统(266)之间的通信。
8.根据权利要求1的超声探测器(250)，还包括换能器驱动部件，并且其中信号控制电路设置成连接到该换能器驱动部件。
9.根据权利要求1的超声探测器(250)，其中信号控制电路设置成连接到换能器阵列(252)的侧面。
10.根据权利要求1的超声探测器(250)，还包括第一室(452)和第二室(454)，扫描头(475)和信号控制电路包含在第二室内，并且驱动部件和通信部件包含在第一室内用于控制扫描头和信号控制电路。
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