醫(yī)用超聲診斷設(shè)備的熱設(shè)計(jì)

汕頭市超聲儀器研究所有限公司（汕頭 515041）

0.引言

醫(yī)學(xué)超聲成像和X 射線成像、核磁共振成像、核醫(yī)學(xué)成像技術(shù)一起被稱為四大醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，以其無損傷、無創(chuàng)、無電離輻射和應(yīng)用便捷、成本低廉等突出優(yōu)點(diǎn)，在臨床中得到廣泛應(yīng)用。隨著超聲診斷儀性能的不斷提升和功能的不斷拓展，其輸入功率也在不斷向上攀升。這些不斷增大的輸入功率大部分最終轉(zhuǎn)換成了熱能，帶來系統(tǒng)的溫升，而過高的溫度將使系統(tǒng)內(nèi)部的器件失效甚至燒毀，或者灼傷患者甚至帶來永久性的損傷。如何控制超聲診斷設(shè)備的溫升，確保系統(tǒng)安全有效地工作，是超聲診斷設(shè)備設(shè)計(jì)者必須認(rèn)真面對(duì)的重要課題。

1.超聲診斷設(shè)備的熱設(shè)計(jì)需求

超聲診斷設(shè)備通常由主機(jī)系統(tǒng)和探頭兩部分 組成，而主機(jī)系統(tǒng)通常由機(jī)箱和監(jiān)視器、鍵盤等構(gòu)成。對(duì)于便攜式超聲診斷儀，其監(jiān)視器通常和機(jī)箱是一體的。

機(jī)箱內(nèi)通常放置了計(jì)算機(jī)主板、系統(tǒng)電源、超聲發(fā)射/接收單元、信號(hào)處理單元等部件，這些部件在工作的過程中損耗了很大的電能，而這些電能的絕大多數(shù)轉(zhuǎn)換成了熱能。機(jī)箱內(nèi)部熱能的排出如果小于其產(chǎn)生的速度，將導(dǎo)致機(jī)箱內(nèi)溫度的持續(xù)上升。機(jī)箱內(nèi)的溫度達(dá)到或超過電子元件所能承受的溫度上限時(shí)，將導(dǎo)致電子元件的失效，甚至燒毀整個(gè)機(jī)箱。保證大多數(shù)電子元件能夠正常工作的溫度上限在60?C 到80?C 之間，超聲主機(jī)系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)需求， 就是要將機(jī)箱內(nèi)的溫度控制在大多數(shù)電子元器件能夠正常工作的范圍內(nèi)。

探頭是直接與病患接觸的，對(duì)其表面溫度的約束更為嚴(yán)格。為了避免設(shè)備在工作過程中對(duì)病患造成傷害，法規(guī)上除了對(duì)聲輸出能量如機(jī)械指數(shù)MI、熱指數(shù)TI、空間峰值時(shí)間平均聲強(qiáng)ISPTA 等有嚴(yán)苛的要求外，還要求探頭表面的溫度不得高于43?C。如歐盟的標(biāo)準(zhǔn)“IEC 60601-2-37：2007”的201.11.1.3.1.1.1 條款和我國的國家標(biāo)準(zhǔn)“GB9706.9-2008 醫(yī)用電氣設(shè)備”的43.2 條款，均明確要求探頭經(jīng)試驗(yàn)30 分鐘，其表面溫度不應(yīng)超過43?C。

2.熱設(shè)計(jì)的基本理論

根據(jù)熱學(xué)的基本理論，熱傳遞的方式有傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種基本方式。對(duì)超聲診斷系統(tǒng)而言，這三種傳熱方式通常同時(shí)并存，如果我們將整個(gè)機(jī)箱看作一個(gè)固體熱源，當(dāng)它同周圍媒質(zhì)溫度差在50?C 以下時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)向周圍媒質(zhì)傳遞的熱量Φ 應(yīng)滿足牛頓冷卻定律：

其中A 為機(jī)箱的表面積，m2,且假設(shè)在A 上熱量交換是均勻的；t 是機(jī)箱的表面溫度，to是遠(yuǎn)離機(jī)箱處的媒質(zhì)溫度，?C；α是表面熱傳遞系數(shù)，W/m2?C。

熱傳導(dǎo)的熱量傳遞ΦC應(yīng)滿足傅立葉定律：

式中λ 為導(dǎo)熱系數(shù)，W/m2?C；A 為導(dǎo)熱方向的截面積，m2；為垂直于導(dǎo)熱方向的溫度變化率。

通過對(duì)流的熱量ΦD傳遞滿足式（1）的牛頓冷卻定律。

輻射的熱量傳遞ΦF滿足斯蒂芬·波爾茨曼定律：

式中ε 為物體的黑度即發(fā)射率；A 為輻射表面積，m2；σ0＝5.67×10-8W/（m2·K4）為斯蒂芬-波爾茨曼常數(shù)；TW和TS分別為物體表面和遠(yuǎn)端即環(huán)境的熱力學(xué)溫度，K。

3.超聲診斷系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)

3.1 超聲診斷系統(tǒng)的熱分析

這里以一臺(tái)高×寬×厚度為30cm×25cm×20cm 的便攜式彩超為例，對(duì)系統(tǒng)的散熱情況進(jìn)行分析，如圖1 所示。整個(gè)系統(tǒng)的輸入電功率為250VA 即250W，機(jī)殼材料為廣泛應(yīng)用于儀器儀表等工業(yè)領(lǐng)域的熱塑性工程塑料——ABS 樹脂。假設(shè)環(huán)境溫度為25?C，機(jī)殼溫度不高于55?C，即機(jī)殼和環(huán)境之間的溫差為30?C；發(fā)射率ε ＝0.9。

輸入系統(tǒng)的250W 電能中，用于驅(qū)動(dòng)探頭工作的電能和與主機(jī)箱分離的鍵盤的電能之和在5W 左右，正如前面所述，其他約245W 的電能在主機(jī)箱中轉(zhuǎn)化為熱能。按照熱學(xué)的理論，機(jī)箱往外界傳遞熱能的大小與兩者之間的溫差成正比，當(dāng)機(jī)箱的溫度升高到一定值時(shí)，機(jī)箱內(nèi)部熱能的產(chǎn)生速度與排出速度達(dá)到平衡狀態(tài)，機(jī)箱的升溫過程也停止了，如圖2 所示。

圖1.便攜式彩超的外觀尺寸

圖2.輸入電能和排出熱能應(yīng)得到平衡狀態(tài)

1）主機(jī)機(jī)箱的熱分析

首先，我們將整個(gè)機(jī)箱看作是一個(gè)發(fā)熱體，假設(shè)機(jī)箱表面的溫度為均勻分布，而且暫不考慮機(jī)箱內(nèi)外的換氣，估算一下機(jī)箱的自然散熱量：

假設(shè)機(jī)箱四周都為空氣，機(jī)箱的5cm 以外的空氣溫度等于環(huán)境溫度（即L=0.05m），空氣導(dǎo)熱率λ ＝0.0265W/(m·K)，機(jī)箱的表面積（機(jī)箱表面簡化為簡單的六面體）：

A ＝ 2 ×（0.3×0.25 ＋ 0.3×0.2 ＋ 0.25×0.2）

＝ 0.37(m2)

從式（2），可得到通過傳導(dǎo)輸出的熱量：

按照參考文獻(xiàn)[1]提供的計(jì)算公式，機(jī)箱四個(gè)側(cè)面自然對(duì)流熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為：

式中L 為側(cè)面的高度，在這里為0.3m。上、下表面的自然對(duì)流熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為：

式中l(wèi) 為長方形兩個(gè)邊長的平均值，0.225m。相應(yīng)各表面面積：

AS＝2×（0.25×0.3 ＋ 0.2×0.3）＝0.27（m2）

At=Ab=0.25×0.2=0.05（m2）

通過對(duì)流輸出的熱量：

參加輻射的表面積：

A＝AS＋At＋Ab=0.27＋0.05＋0.05＝0.37（m2）

地域文學(xué)與文化不僅有獨(dú)特的內(nèi)涵，而且往往具有獨(dú)特的樣式和特色，如古代四川的竹枝詞，中央蘇區(qū)的紅色歌謠與興國山歌，都有自己形式和內(nèi)容上的特點(diǎn)。對(duì)地域文學(xué)和文化獨(dú)特形式特點(diǎn)的關(guān)注也使青年學(xué)生深入理解“越是民族的越是世界的”這一命題。

箱體熱力學(xué)溫度：

TW＝ 273 ＋ 55 ＝ 328（K）

環(huán)境的熱力學(xué)溫度：

TS＝ 273 ＋ 25 ＝ 298（K）

按照式（3），通過輻射輸出的熱量：

整個(gè)機(jī)箱在理想條件下的自然冷卻的耗散總熱量為：

Φ ＝ΦC＋ΦD＋ΦF≈5.88 ＋48.55 ＋69.63

＝124.06（W）

2）探頭的熱分析

盡管系統(tǒng)分配到探頭部件的輸入電能很小，但由于它直接和病人接觸，因此其溫升必須受到嚴(yán)格控制，以免對(duì)病人產(chǎn)生不必要的傷害。由于探頭的體積較小，不能采用強(qiáng)制散熱措施，需要在散熱面積、溫度上限確定的情況下，對(duì)輸入到探頭功率的范圍進(jìn)行明確限制。我們以圖3 所示一個(gè)相控陣探頭為例，按照上述主機(jī)機(jī)箱的熱分析方法對(duì)其自然散熱能力進(jìn)行估計(jì)：

將每個(gè)表面都看成是長方形的平面，參與熱傳導(dǎo)的表面積：

對(duì)于對(duì)流，我們對(duì)參與對(duì)流散熱的五個(gè)表面統(tǒng)一按照頂部的方式計(jì)算，其中探頭表面的自然對(duì)流熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：

其他兩個(gè)特征表面的自然對(duì)流熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：

假設(shè)發(fā)射率ε ＝0.7，通過輻射的散熱

整個(gè)探頭在理想條件下的自然冷卻的耗散總熱量為：

Φ ＝ ΦC＋ ΦD＋ ΦF≈0.09 ＋ 1.01 ＋ 0.80

＝ 1.90（W）

當(dāng)然，由于探頭的實(shí)際表面積要大于估算時(shí)的表面積，因此實(shí)際耗散的總熱量會(huì)略高一些。根據(jù)超聲傳播的基本原理，當(dāng)探頭在正常診斷過程中，其輸入的一部分電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能進(jìn)入人體或其他探測對(duì)象，剩余部分電能轉(zhuǎn)換成了熱能；當(dāng)探頭空載即探頭表面暴露在空氣中時(shí)，大部分超聲能量被反射回到探頭內(nèi)部，這時(shí)大部分的輸入電能在探頭內(nèi)部被轉(zhuǎn)換成熱能。也就是說，為了保證探頭在空載時(shí)其表面溫度不超過法規(guī)限制，確保受檢對(duì)象的安全，該相控陣探頭的輸入電能不應(yīng)大于2W 即2VA。

圖3.相控陣探頭

3.2 超聲診斷系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)

在超聲診斷系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)中，需要考慮的是：①結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱量盡可能均勻分布，將發(fā)熱量較大的元器件合理分布，以免局部溫升過高導(dǎo)致器件失效；②提高自然散熱量；③將剩余的熱能通過強(qiáng)制散熱的方式排出。

1）加強(qiáng)自然散熱設(shè)計(jì)

由于自然散熱量與參與散熱的面積、導(dǎo)熱系數(shù)成正比，我們在機(jī)箱、探頭外殼的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該：①選用導(dǎo)熱系數(shù)大的材料。對(duì)于超聲探頭，我們還要使發(fā)熱部件所發(fā)出的熱量能夠迅速傳遞到外殼，必要時(shí)可以嵌入溫度傳感器來監(jiān)控探頭表面溫度；②盡可能擴(kuò)大參與散熱的表面積，如外觀上增加一些弧度、增加一些類似肋片式散熱器的設(shè)計(jì)等；③結(jié)構(gòu)表面增加一些開孔來擴(kuò)大自然散熱量。當(dāng)然，這些開孔的大小應(yīng)滿足一定的條件，以免影響系統(tǒng)的電磁屏蔽需求；孔洞之間應(yīng)避免因產(chǎn)生短回路而影響散熱效果。

2）強(qiáng)制散熱設(shè)計(jì)

根據(jù)以上對(duì)便攜式彩超主機(jī)箱的分析，為了保證其正常工作，通常采用“換氣”的方式，即輸入環(huán)境溫度下的空氣、排出被加熱后空氣的方式，帶走其約三分之二的熱量即170W 以上的熱量。按照熱容量的定義，強(qiáng)制散熱單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)交換空氣：

式中qm為單位時(shí)間內(nèi)交換的空氣，L/s；Φ為強(qiáng)制散熱量，W；cp為空氣的熱容量＝1.2953 J/L·?C；Δt 為溫升，?C。此時(shí)：

圖4 風(fēng)道設(shè)計(jì)示意圖

即每秒鐘需通過風(fēng)扇吸入并排出4.37 升以上的空氣。我們在選擇合適的風(fēng)扇來承擔(dān)此項(xiàng)任務(wù)的同時(shí)，還需要設(shè)計(jì)好風(fēng)道以滿足空氣流動(dòng)所需。風(fēng)道設(shè)計(jì)的主要原則是：①風(fēng)道應(yīng)經(jīng)過發(fā)熱量大、熱量集中的區(qū)域；②風(fēng)道應(yīng)避免內(nèi)嵌循環(huán)，以免影響空氣的流動(dòng)效率；③風(fēng)道應(yīng)盡可能直，且截面盡可能大、形狀和機(jī)箱的形狀一致，以減小阻力和噪聲；④盡可能使風(fēng)道內(nèi)壁光滑，以減小氣流流動(dòng)的摩擦阻力。

3）熱設(shè)計(jì)的仿真分析

借助電子系統(tǒng)散熱仿真分析軟件如Flo-THERM 等對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行仿真分析，可以在系統(tǒng)實(shí)際制作以前對(duì)整個(gè)機(jī)箱的熱量分布和散熱情況進(jìn)行分析，通過對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的電路板、元器件等的排布進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到較為理想的散熱效果。更重要的是，通過軟件仿真進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，可以事先大致了解整個(gè)機(jī)箱的熱量分布情況和溫升趨勢，而不是等到系統(tǒng)實(shí)際制作完成才能得到。避免了因設(shè)計(jì)不合理所帶來的重復(fù)設(shè)計(jì)工作，減少了人力、物力投入，既提高了效率，又節(jié)省了研發(fā)費(fèi)用。

4.結(jié)束語

圖5 超聲診斷設(shè)備熱設(shè)計(jì)流程

當(dāng)前，醫(yī)用超聲診斷設(shè)備正向智能化、小型化、網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展，性能提高、體積縮小、重量減輕是其突出特點(diǎn)，熱設(shè)計(jì)是提高這些產(chǎn)品可靠性的重要手段。遵循圖5 的流程進(jìn)行超聲診斷設(shè)備研發(fā)，有利于提高系統(tǒng)的熱可靠性，提高研發(fā)效率。

本文討論的主要是自然散熱和風(fēng)冷強(qiáng)制散熱方法，并將以上熱分析、熱設(shè)計(jì)結(jié)果成功應(yīng)用到一款便攜式彩超實(shí)際產(chǎn)品的開發(fā)過程中，取得了預(yù)期的散熱效果。隨著散熱需求的進(jìn)一步提高，其他散熱手段如肋片式散熱器、熱管和納米導(dǎo)熱材料等將逐漸被應(yīng)用到醫(yī)用超聲設(shè)備的設(shè)計(jì)中。

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