HIFU治疗中换能器驱动电功率变化机制及规律

高强度聚焦超声(HIFU)治疗中的驱动电功率对治疗效率起着非常关键的作用,驱动电功率控制的精准性势必会影响治疗的效率和安全性。前期研究表明:HIFU治疗过程中焦域瞬态物理特性的变化会导致换能器的负载阻抗发生变化,进而影响HIFU驱动电功率,但驱动电功率与焦域瞬态物理特性之间的影响关系及规律尚不明确。该文基于电压、电流传感器、空化检测探头和温度传感器等器件,构建了一种HIFU治疗中驱动电功率实时监测及焦域声空化、温度检测系统。基于该实验研究系统,以离体牛心组织作为HIFU辐照对象,分别研究了HIFU焦域温度变化、声空化及组织损伤与驱动电功率之间的变化关系及规律。研究结果表明:当焦域温度升高时,驱动电功率缓慢上升,驱动电功率与温度变化有良好的相关性;当空化产生时,驱动电功率出现明显的波动;当组织出现损伤时,驱动电功率呈陡然下降的变化。三种情景下,驱动电功率变化有明显区别,这有望为区分HIFU治疗过程中焦域处发生损伤和空化以及实时监测靶组织损伤程度提供一种新的解决方案。

光固化快速成形中的紫外LED光源系统实验研究

面向我国各类院校和中小企业教育、研发需求,本文提出采用紫外LED光源替代光固化快速成形设备中紫外激光器及汞灯等传统光源,设计了一个基于单片紫外LED的光源系统,对光敏树脂进行固化。该光源系统采用基于多透镜结构的聚焦系统对单片LED聚焦;同时,对LED芯片进行闭环控制以保证其工作在恒稳状态。实验结果表明,该光源系统各项指标达到设计要求,系统运行稳定、结构简单、具有可操作性。与光固化成形设备中的其它光源系统相比,在保证一定的制件精度和速度的基础上,具有低造价和低运行成本等突出特点,有较高的性能价格比。

三线阵立体测绘相机高精度调焦技术及实现

三线阵CCD立体测绘相机既要保证清晰成像,还要保证内方位元素测定精度要求。简要分析了立体测绘对调焦系统精度的要求,给出了导轨副调焦方案和凸轮驱动调焦方案,并设计了凸轮调焦机构以及控制单元。该系统结构紧凑,稳定可靠。通过实验表明,该调焦系统到位重复性精度小于±11μm,调焦运动引起的线阵CCD旋转误差小于5″,直线性误差小于8″,并且满足空间环境条件下立体测绘的使用要求。

离轴三反空间相机调焦机构设计

空间相机受所处复杂运载环境(冲击、振动、过载)和空间运行环境(压力、温度、微重力)的影响易产生焦平面偏移。为提高成像质量,本文设计了一种利用丝杠螺母变向、直线导轨导向、倾斜导轨驱动且适用于反射式光学系统的新型高精度调焦机构来修正离焦量。该设计采用防冷焊措施、预压消间隙措施和双重防卡死设计,有效地提高了结构强度、刚度和可靠性,从而保证了调焦精度。介绍了其结构和工作原理,描述了相应的可靠性设计措施,最后通过精度检测试验对调焦机构进行了综合性能测试。试验结果表明:该调焦机构具备良好的自锁特性,其直线运动精度优于±2μm,重复定位精度优于±1μm;调焦行程范围内调焦反射镜摆角精度绕X轴和Y轴方向均优于±3.5″,满足用户提出的精度要求。

DVD聚焦系统鲁棒重复控制器设计

在DVD聚焦伺服系统中,光盘翘曲会导致产生与光盘转动频率相同的周期性扰动。采用重复控制器可以有效抑制周期扰动,但是重复控制器影响闭环系统稳定性,尤其是当对象具有不确定性时,重复控制器设计的难度将大大增加。故一种基于H无穷理论的鲁棒控制策略被给出,仿真实验证明了该策略的有效性。

空间相机调焦机构的设计与分析

设计了一种用于空间相机的调焦机构,该机构采用步进电机带动的精密步进谐波传动。波发生器由椭圆凸轮与套在其上的柔性轴承组成,输出端连接滚珠丝杠将旋转运动转化为直线运动,带动调焦镜沿直线导轨往复运动,其中输出刚轮与绝对式编码器相连,检测调焦移动位移。该机构具有传动比大、精度高、结构紧凑、效率高、运转平稳等特点。针对该机构在空间相机的实际应用,推导出了调焦机构位移与焦面移动的位置关系,并对该调焦机构进行了误差分析,用闭环控制的方式对其精度进行了检测。试验数据表明,该调焦机构传动比为1∶70,重复定位精度为2μm,满足空间相机使用要求。

一种跟踪和聚光的全新理论——陈应天在太阳能利用研究领域的重大创新

陈应天教授不久前提出的跟踪聚光理论已经引起我国国家领导部门和世界范围内专家的重视.为回答对该理论的普遍存在的疑问,从光学的基本知识出发,尽量深入浅出地讨论这一理论的核心内容,如:自主创新的自旋+仰角跟踪方式,行+列驱动从镜聚光及其精度不等的不同模式,并评述该理论的优势和应用前景.

振动环境下传动螺纹配合间隙对其自锁性的影响

螺旋传动被广泛应用于空间相机调焦机构中,为了应对火箭发射中的冲击与振动要求其具有一定的锁止能力。建立螺纹配合间隙非线性两自由度简化力学模型,通过数值仿真方法得到了系统在振动环境下的响应,发现无量纲参数峭度指标可以作为评定螺纹自锁失效程度的标准。最后,通过有限元仿真分析验证了简化模型的正确性,证明了峭度指标在分析螺纹配合间隙对其自锁性影响的有效性。

空间科学实验中三维立体目标显微信息获取技术

介绍了一种适用于空间科学实验的显微图像自动获取系统,对三维立体目标进行微米级尺度显微成像。文章通过对常用的自动调焦技术的对比分析,总结出适合复杂背景下,空间三维立体目标的自动调焦方法。根据该方法确定系统方案并研制原理样机。通过实验验证表明,系统能够准确获取三维立体目标的显微图像,图像清淅且一致性好。

微粒子观测相机调焦机构设计

为满足微粒子观测相机对光学系统的要求,提出了一种基于滚珠丝杆驱动的传动式调焦机构,介绍了其独特的直线运动结构形式。针对调焦机构承受的静载荷工况和温度工况,用有限元模拟法仿真分析了它的应力和变形情况,得到的最大静力变形为0.001mm,最大热变形为0.002mm。通过分析该结构各个传动件误差及装配误差,给出了结构总的理论相对误差值为2.2%。在样机的装调检测中实现了步进分辨率为0.005mm,平均空回误差步距角为0.2个,完全可以满足整机对调焦机构的要求。

压电驱动水下微距调焦研究进展

压电作为智能材料,具有响应速度快、定位精度高、不受磁场干扰等优点,与相机调焦特性相适应,已成功应用于各种调焦机构中。该文介绍了压电驱动水下微距调焦研究进展,分析了压电调焦机构耦合动态特性以及控制系统的研究现状,总结了压电驱动在水下微距调焦应用中的存在的问题和不足,给出了压电调焦在未来的发展方向,并提出一种用于水下环境中的微距调焦机构。通过研究发现,目前压电调焦结构在水下环境中的应用相对较少,压电与水下环境的耦合问题以及扰动对控制系统控制精度的影响是当前亟需突破的核心问题。

HIFU治疗相控换能器相位控制和驱动系统设计

多阵元相控阵列聚焦换能器具有焦距可调和可实现经颅聚焦等优势。相控阵换能器相位控制和驱动系统是决定多阵元相控换能器能否应用于临床的关键技术之一。目前,在满足电路系统输出参数要求的前提下,尽可能通过提高系统集成度缩小系统体积,并提高相位分辨率是相控阵换能器相位控制和驱动系统设计过程中的重点与难点。该文基于现场可编程门阵列(FPGA)主控芯片、高速数模转换器(DAC)、集成驱动放大器设计了高强度聚焦超声(HIFU)治疗相控阵换能器相位控制和驱动系统。实测结果表明,本系统输出的正弦信号峰-峰值为36.2V,且输出信号中无高次谐波,相位分辨率为2ns,延时误差小于1ns,可满足HIFU治疗相控换能器阵元驱动及其所需相位分辨率,并使系统小型化。

聚焦超声作用下空化活动演变及其监测方法

高强度聚焦超声是实现肿瘤热消融的有效治疗方式。对超声治疗过程中的空化活动进行实时监测,对于保障治疗的安全性和有效性具有重要意义。该研究搭建了聚焦超声作用下仿生物组织体模和离体牛肝组织的被动空化检测和驱动功率监测系统,并使用显微镜记录了体模在超声作用过程中气泡和损伤的发展过程,分析了气泡发展过程与空化信号变化的相关性。实验表明:体模在电功率150 W的超声辐照过程中,沸腾气泡产生前未见宽带噪声幅值增加;6 s时体模内产生沸腾气泡,气泡破裂后产生大量空化核并形成空化泡群,宽带噪声幅值开始增长,此后泡群逐渐向换能器方向发展;在泡群停止向换能器端发展后,靠近换能器端的微小气泡逐渐融合产生沸腾气泡,惯性空化强度在沸腾气泡屏蔽下逐渐下降;沸腾泡产生和破灭时,驱动功率和回波信号中的谐波幅值同步出现大幅波动;在离体牛肝组织中,随声强的增加沸腾空化发生时刻逐渐提前。实验结果证明了沸腾气泡的产生及破裂,会促进惯性空化的发生。因此在不同强度的聚焦超声辐照下,可以通过调节辐照时间避免剧烈空化活动发生。

TFT-LCD检测中基于激光三角法的显微镜离焦快速在线检测及补偿

光学成像检测设备的快速自动对焦是基于机器视觉快速缺陷检测的关键,为了解决检测过程中不同倍数物镜景深（0.5~91μm）跨度大以及被检测物体振动给快速对焦造成的影响等问题,提出了基于激光三角法的显微镜离焦在线检测及补偿方法。该方法利用激光三角法进行离焦量和离焦方向的快速探测,使用由行程100μm的压电陶瓷和行程25 mm直流电机构成的宏微双驱动结构协同控制完成大范围对焦任务。实验结果表明,构建的宏微结构对焦方式可以在0.4 s内实现高倍物镜±0.5μm景深至低倍物镜±91μm景深大范围的快速自动对焦,并实现被检测物体±3μm振动范围的快速自动跟随对焦。该方法满足了新一代薄膜场效应晶体管液晶显示器（TFT-LCD）工业检测装备对自动化对焦范围、速度和精度的要求,同时可应用在平板显示器（FPD）检测、线路板检测、生物医学和自动机器装配等领域。