第9章 计算机控制系统的应用实例

第9章计算机控制系统的应用实例9.1水槽水位单片机控制系统9.2循环水装置IPC系统9.3中水回用PLC控制系统9.4火电厂DCS控制系统9.1水槽水位单片机控制系统

对于小型测控系统或者某些专用的智能化仪器仪表，一般可采用以单片机为核心、配以接口电路和外围设备、再编制应用程序的模式来实现。下面以一个简单的水槽水位控制系统为例。

主要内容1．系统概述

2．硬件电路

3．程序设计1．系统概述通过水槽水位的高低变化来启停水泵，从而达到对水位的控制目的，这是一种常见的工艺控制。如图9.1点划线框内所示，一般可在水槽内安装3个金属电极A、B、C，它们分别代表水位的下下限、下限与上限。工艺要求：当水位升到上限C以上时，水泵应停止供水；当水位降到下限B以下时，应启动水泵供水；当水位处于下限B与上限C之间，水泵应维持原有的工作状态。图9.2水槽水位控制电路2．硬件电路根据工艺要求，设计的控制系统硬件电路如图9.1所示，这是一个用单片机采集水位信号并通过继电器控制水泵的小型计算机控制系统。主要组成部分的功能如下：(1)系统核心部分：采用低档型AT89C2051单片机，用P1.0和P1.1端作为水位信号的采集输入口，P1.2和P1.3端作为控制与报警输出口。(2)水位测量部分：电极A接+5V电源，电极B、C各通过一个电阻与地相连。b点电平与c点电平分别接到P1.0和P1.1输入端，可以代表水位的各种状态与操作要求，共有4种组合，如表9-1所示。

表9-1水位信号及操作状态表C(P1.1)b(P1.0)水位操作00B点以下水泵启动01B、C之间维持原状10系统故障故障报警11C点以上水泵停止当水位降到下限B以下时，电极B与电极C在水面上方悬空，b点、c点呈低电平，这时应启动水泵供水，即是表中第一种组合；当水位处于下限与上限之间，由于水的导电作用，电极B连到电极A及+5V，则b点呈高电平，而电极C仍悬空则c点为低电平，这时不论水位处于上升或下降趋势，水泵都应继续维持原有的工作状态，见表中第二种组合；当水位上升达到上限时，电极B、C通过水导体连到电极A及+5V，因此b点、c点呈高电平，这时水泵应停止供水，如表中第四种组合；还有第三种组合即水位达到电极C却未达到电极B，即c点为高电平而b点为低电平，这在正常情况下是不可能发生的，作为一种故障状态，在设计中还是应考虑的。(3)控制报警部分：由P1.2端输出高电平，经反相器使光耦隔离器导通，继电器线圈KM得电，常开触点KA闭合，启动水泵运转；当P1.2端输出低电平，经反相器使光耦隔离器截止，继电器线圈J失电，常开触点断开，则使水泵停转。由P1.3端输出高电平，经反相器变为低电平，驱动一支发光二极管发光进行故障报警。3．程序设计程序流程如图9.2所示。开始P1.1、P1.0=00？启动水泵P1.2←1设置堆栈指针P1.1、P1.0=10？P1.1、P1.0=11？停止水泵P1.2←0故障报警P1.3←19.2循环水装置IPC系统在以模拟量为主的中小规模控制条件下，应优先选择IPC控制装置，下面介绍用一台STD总线IPC控制循环水动态模拟试验装置的实例。主要内容1．系统概述

2．硬件电路

3．软件设计4．功能画面1．系统概述大型化工企业普遍采用冷却水循环使用技术，但循环冷却水同时带来设备的结垢与腐蚀问题，为此利用循环水动态模拟试验装置，模拟生产现场的流态水质、流速、金属材质和循环冷却水进出口温度等主要参数，来评价稳定水质的配方、阻垢效果及寻求相应的操作工艺条件。（1）工艺流程模拟试验装置的主要流程如图9.3所示，左下方水槽中的冷水经水泵、调节阀打入换热器，与蒸汽换热后，导入冷却塔与冷风换冷，喷淋而下回落到水槽，再由水泵打循环。图9.3循环水动态模拟试验装置控制流程图（2）控制要求通常情形是用户配置两套这样的模拟装置同时运行，因而计算机系统应同时面向两台模拟装置，集检测、控制与管理于一体，主要完成如下功能：①10点参数检测功能入口水温、出口水温、蒸汽温度、冷却塔底温度，共8路温度，量程为0～100℃，检测精度为0．2级。两路循环水流量，量程为200～1200L／h，检测精度为1级。还有计算显示出入口温差、瞬时污垢热阻、水阀与风阀门开度、试验时间与剩余时间。②22个参数设定功能换热器试管直径与长度、流量与温度的给定值、PID控制的比例系数、积分时间、微分时间以及即时时间与试验时间。③10个参数标定功能对8路温度、2路流量进行现场标定。④PID控制功能实时控制2路入口水温与2路循环水流量，温度控制精度：设定值±0．5℃；流量控制精度：设定值±2％FS（FS即FullScale，意为满刻度或满量程）。⑤工艺计算、列表绘图功能根据污垢热阻计算公式计算并显示出瞬时污垢热阻，而且自动生成试验数据列表。自动绘制时间-污垢热阻曲线。⑥其他功能指标所有参数的采样、计算、控制周期均为0.25S，刷新显示周期为2S，试验数据记录时间间隔按工艺要求而定，数据保存时间为10年，系统内部设有软件硬件自诊断、自恢复功能，具有永不“死机”的高度可靠性。上述所有参数均以汉字分屏幕显示，且附有提示菜单以便操作。2．硬件设计根据上述系统功能及技术指标的要求，采用一台现成的STD总线IPC较为适宜。选用某电子工厂的IPC产品，共由10块功能模板及外设组成，如图9.4所示。图9.4IPC硬件组成框图图中（1）CPU板及打印机、（2）CRT板及CRT、（3）键盘接口及自诊断板及键盘、（4）存储器板、（5）电源，构成了STD工业控制机基本系统。在自诊断板中使用了WDT看门狗技术，无论何种原因引起死机，自诊断系统能在1～28内测出并恢复正常运行，整个计算机系统工作十分可靠。其中的（6）温度检测板，是一个由单片机构成的智能型温度接口板，该板本身能够完成8路温度的检测，滤波处理，铂电阻线性化处理。在这个板上利用软件技术从根本上克服了温度漂移问题。其中的（7）D/A转换板是流量及温度控制的驱动接口板。计算机系统检测两路塔底温度与两路流量，与设定值进行比较，并对其偏差进行PID运算，其运算结果通过D/A转换变成模拟电压信号输出至（8）伺服放大板，从而控制相应的4个调节阀。其中的（8）伺服放大板，其功能相当于电动单元组合仪表中的4个伺服放大器，但其精度及可靠性优于常规的伺服放大器。它接收来自D/A转换板的4路阀位信号，并检测4个阀的实际位置，如果实际位置与D/A转换板输出的阀位有偏差，则使阀动作，达到与D/A输出一致的位置后停止，从而实现计算机系统对调节阀的控制。其中的（10）滤波板，对STD总线的有关信号进行滤波处理，从而提高整个系统的可靠性。其中的（9）流量检测板，主要由计数电路组成，检测两路来自涡轮流量变送器的脉冲信号。对其实行滤波、整形、放大、光隔、计数处理，并向两个涡轮流量变送器提供+12V电压。3．软件设计该系统采用了现成的IPC，计算机厂家已提供了监控程序或系统程序，设计者的软件设计任务主要是进行系统的应用软件编制。该应用软件主要完成两方面的任务：（1）8路温度、两路流量的采集与处理，入口温度与流量的控制，定时存储实验数据；（2）允许操作者查看、打印各种数据，设定、标定各个参数。 由于前者任务要求适时性较强，且完成任务所需时间较短，故安排在中断服务子程序中完成。而后者属人机对话性质，任务完成时间较长，且不需严格适时性，故放于主程序中完成。

图9.6中断服务子程序由于该控制系统小、比较简单，功能画面要求也不复杂，因而软件部分全部采用汇编语言编制。

图9.6中断服务子程序IPC硬件组成框图主程序结构框图如图9.5所示。在初始化过程中，主要完成对CRT、打印机工作方式设定，四个调节阀门初始定位及软件标志设置等。在每一个画面处理过程中，能够查看其他画面，同时完成本画面应完成的一些功能。中断服务子程序如图9.6所示。这是一个时间中断子程序。系统设置每隔250ms中断一次，中断服务子程序中各个任务，应能在250ms内完成。每四次中断即时间间隔为1S时，刷新时钟，处理秒、分、时、日、月、年的递增，实现准确计时。每八次中断，即时间间隔为2S时，采集8路温度、2路流量，利用软件实现滤波处理，以消除瞬间干扰的影响。 控制采用传统的PID控制方式，实行输出速率限定，即在2S控制周期内，输出变化幅度不大于输出全范围的5％。实验数据的存储，若系统在强稳过程中，则每隔5min记录一次，若系统在实验过程中，则每隔120min记录一次。实验记录数据、设定的实验条件及各参数的标定值存于系统的E2ROM存储器中，有效保存时间为10年。图9.5主程序结构框图4．功能画面该系统共有6个功能画面，汉字显示且每个画面都有提示菜单，向操作者提示操作的方式。通过对这6个菜单的选择操作，便可实现本计算机系统的所有功能。这6个功能画面分别是参数检测画面、参数设定画面、参数标定画面、数据列表画面、热阻曲线画面和系统状态画面。9.3中水回用PLC控制系统 在以数字量为主的中小规模控制环境下，一般应首选PLC装置，下面介绍一个用西门子PLC监控中水处理流程的工程实例。主要内容1．系统概述

2．硬件设计

3．程序设计1．系统概述将生活污水进行几级处理，作为除饮用以外的其它生活用水，将形成一个非常宝贵的回用水资源。其中用PLC作为主要控制装置已成为一种共识。（1）工艺流程中水处理主要工艺流程如图9.7所示。生活污水首先通过格栅机滤除固态杂物，进入调节池缓冲，再进入生化池，利用生物接触氧化、化学絮凝和机械过滤方法使水中COD、BOD5等几种水质指标大幅度降低，再采用活性炭和碳纤维复合吸附过滤方式，使出水达到生活使用要求。图9.7中水处理工艺流程图格栅机调节池生化池

压滤罐清水池集水池加药

加氯

排掉

回用

风机

反冲洗

污水

（2）控制要求该流程共有被控设备（含备用）14台泵和电机，4个池的水位需要检测。水位计的作用：在任何控制方式下，水位计的上上限或下下限到位时，都将发出声光报警信号；在全自动、分组自动、半自动控制方式下，水位计的上限、下限分别作为该池排水泵自动开、停的PLC输入信号。 采用4种控制方式：手动、半自动、分组自动和全自动。①手动控制方式 即用手操作14个按钮开停14个被控负荷，不受水位影响。②生化半自动控制方式 指生化池水位机组的半自动控制方式，也即由生化池水位的上限与下限自动控制生化泵的开、停，而加药计量泵、CLO2发生器的开、停由手动操作。③分组自动控制方式 为了便于维护，整个系统分为六个独立的机组：调节池水位自动机组、生化池水位自动机组、清水池水位自动机组、集水池水位自动机组、溢流泵自动机组、罗茨风机自动机组。 控制要求：当按下分组自动按钮时，被按下按钮的灯闪亮，当选定主、备电机按钮后，分组自动按钮指示灯长亮；当水位达到上限时，电机停止而按钮指示灯转为闪亮。④全自动方式控制要求 就是当全自动准备按钮启动后，首先选择主、备用电机，然后启动全自动开停按钮，则整个系统进入全自动运行状态。

2．硬件设计（1）PLC系统配置根据工艺流程与控制要求，要完成14台被控设备的启动、停止按钮操作，运行、停止、故障状态的灯指示以及4种控制方式，如果采用常规的控制模式，1台设备约需5~6个启、停按钮及状态指示灯等器件，整个控制盘面上大约需要90余个按钮与指示灯。这将带来器件成本的增高、控制盘面的增大、人工操作的杂乱。本系统采用软件编程的方法，充分利用PLC内部的输入输出变量及软件计数器，使1个带灯按钮集成了1台设备的全部控制与状态指示功能，加上4种控制方式及其切换，总计只需配置24个带灯按钮，分别代表14台被控设备与10种控制方式。 整个系统需要开关量输入40点与开关量输出32点。因此，选用德国SIEMENS的S7-200主机CPU226，有开关量24输入／16输出点，数字量扩展模块EM223，提供开关量16输入/16输出点，总计正好构成了系统要求的40点输入/32点输出。 操作界面选用TD200中文文本显示器。

（2）PLC输入输出接线图PLC输入输出接线如图9.8所示，输入按钮1～24AN分别对应于PLCI0.0~I1.7与I4.0~I4.7计24个开关量输入点；4个水位计的16个水位电极点分别对应I2.0~I3.7计16个开关量输入点；PLC输出点Q0.0~Q0.7，Q1.0~Q1.5分别对应于14台输出设备；输出点Q1.6~Q3.7分别对应于8台被控设备与10种控制方式的状态指示灯，共计32个开关量输出点；另外6台被控设备的运行指示灯由相应的中间继电器触点驱动。图9.8PLC输入输出接线图

（3）TD200中文显示器与SIEMENS主机配套的显示器的种类很多，而TD200中文文本显示器是所有SIMATICS7-200系列最简洁、价格最低的操作界面。而且连接简单，不需要独立电源，只需专用电缆连接到S7-200CPU的PPI接口上即可，如图9.9所示。S7-200系列的CPU中保留了一个专用区域用于与TD200交换数据，TD200直接通过这些数据区访问CPU。如信息显示内容“调节池水位已达上上限”，其地址应来自于调节池水位计的上上限接点I2.0的输入响应。图9.9TD200中文文本显示器及其连接3．程序设计（1）主程序流程图S7-200系列PLC使用基于Windows平台的32位编程软件包STEP-7-Micro/WIN，通常采用语义直观、功能强大、适合修改和维护的梯形图语言。图9.10给出控制系统主程序流程图，整个工艺过程分为四种控制方式，在全自动与分组自动方式下，首先要选择主、备用电机。图9.10主要程序流程图PLC上电进入手动进入手动是全自动吗？是手动吗？是生化池半自动吗？进入手动进入生化池半自动选择风机……选择调节池泵进入自动状态

选择风机

选择调节池泵分机分组调节池分组自动进入手动（2）功能按钮程序24个带灯按钮，分别启停14台被控设备与10种操作方式。通过软件编程，使按钮第一次按下时有效，第二次按下时失效(复位)。本设计完成了所有的工艺要求，实现了手动控制、半自动控制、分组自动控制和全自动控制等四种控制方式，而且硬件器件少，控制盘面简洁，操作简单灵活，中文界面友好。在现场经过调试后已正常运行，工作可靠稳定。9.4火电厂DCS控制系统近年来，DCS在火电厂过程控制领域的应用已经相当普及，应用水平提高得很快。DCS从单一功能向多功能、一体化方向发展，已经实现了包括数据采集（DAS）、模拟量控制（MCS）、开关量控制（SCS）、汽轮机控制（DEH）、旁路控制（BPS）、电气控制（ECS）等多项功能，在减轻运行维护人员的劳动强度、提高火电厂的综合自动化水平、改善火电机组运行安全经济性等多方面发挥了极为重要的作用。图9.11所示为某300MW单元机组锅炉控制部分采用美国贝利公司INFI-90系统的硬件配置图，下面以其中的锅炉主蒸汽温度控制为例，给出一个DCS在火电厂过程控制系统中应用的实例。图9.11某300MW机组锅炉控制INFI-90系统硬件配置图1．主汽温度控制方案主汽温度是单元机组主要的安全经济参数，在正常运行工况下主汽温度的偏差要求控制在2C范围内，动态情况下的偏差不能超过额定值的+5~-10C，对控制性能要求比较高。为了克服主汽温度被控对象的滞后惯性大的影响，增强系统抗干扰能力，大型单元机组的主汽温度控制一般采用二级喷水减温的调温方式（一级减温相当于粗调，二级减温相当于细调），同时又分为甲乙两侧进行分别控制，这样共有四个结构类似的控制回路。为了进一步克服滞后和惯性对控制的不良影响，两侧每级的喷水调节均采用了串级控制方式，图9.12为采用喷水调节的串级温度控制系统。除了减温水量以外，影响主蒸汽温度的其他主要因素还有蒸汽量扰动和烟气量扰动，统称为外部干扰。为了提高控制系统抵御外部干扰的能力，主蒸汽温度控制系统中还采用了前馈方式。图9.13为机组实际的二级减温控制系统的结构图（SAMA图），图中给出了控制回路的基本结构及调节器跟踪、手动/自动切换逻辑。图9.12温度串级控制系统

图9.13主汽温控制SAMA图

（1）输入/输出信号连接在上述温度控制回路中有5个输入信号（即主汽温度、喷水后温度、主蒸汽流量、送风量和阀位信号）以及1个输出信号（阀位指令）。在INFI-90系统中，对所有的I/O信号都要分配I/O模件与端子单元，端子单元与I/O模件相对应。该系统中涉及的I/O模件及其端子单元如表9.2所示。这里使用IMASI03作为热电偶输入模件，相应端子单元为NTAI06，用于输入主汽温度信号和喷水后温度信号；使用IMFBS01作为电流信号输入模件，相应端子单元为NTAI05，用于输入主蒸汽流量信号、送风量信号和阀位信号；使用IMASO01作为模拟量输出模件，相应端子单元为NTDI01，用于输出阀位指令信号。表9.2常见的I/O模件及其端子单元

I/O模件端子单元通道数说明IMASI03NTAI0616通用信号输入模件IMFBS01NTAI05154～20mA/1～5V输入模件IMASO01NTDI01144～20mA/1～5V输出模件IMDSI02NTDI0116开关量输入模件IMDSO14NTDI0116开关量输出模件（2）控制模件组态系统中采用的INFI-90控制模件为IMMFP02，它可与若干个I/O模件相连。控制模件中固化有200余种算法模块，用户通过组态的方式生成自己的控制回路。控制模件的组态是在工程师工作站EWS上通过运行组态软件来进行的。组态的过程是以CAD图的形式将相应模块连接起来，生成若干页组态图。将这些组态图编译后下装到控制模件后，控制模件就可以执行组态时指定的功能。一般来说，组态图中包含I/O模件组态（如上述输入模件IMASI03、IMFBS01和输出模件IMASO01的组态）、控制回路组态、例外报告组态、趋势组态等内容。

图9.14为主汽温控制系统的控制回路简化CAD组态图。其中APID（即功能码FC156）为改进的PID控制算法，是一种具有相当完善功能的数字PID算法，具有完善的跟踪、抗积分饱和、高低限幅、前馈输入等功能；M/A（即功能码FC80）为控制接口站，提供与数字量控制站、操作员接口单元、管理命令系统和计算机接口单元等装置之间的接口，它可以实现基本、串级和比率设定点控制以及手动/自动站转换。 上述主汽温控制采用了典型的串级控制方式，其中主调节器采用PID控制，副调节器采用PI控制，有利于克服汽温对象的大惯性、大滞后特性。由于导前汽温（喷水后温度）的滞后时间和惯性时间常数与出口汽温（主汽温度）相比相对较小，副回路作为一个快速回路，能尽快消除内扰（减温水流量）的影响，实现对出口汽温的初调，同时也有利于消除外扰影响。 同时，还引入了主汽流量和送风量信号作为主调节器的前馈信号。当负荷或风量发生变化时，预先调整减温水量，以尽快消除外扰影响。前馈系数根据风量及负荷对汽温对象的扰动试验进行整定。此外，主调节器还采取了抗积分饱和措施，这是通过对喷水阀位指令的高低限幅块H//L（即FC12）的输出连接到主调节器II和DI实现饱和时的积分限制实现的。

图9.14主汽温系统控制回路简化组态图（3）数据库组态凡是需要在操作员站OIS上显示操作的参数都必须在数据库中进行定义，表9.3所示为汽温控制的标签数据库示例。表9.3标签数据库TAGINDEX标签索引TAGDESC标签描述TAGTYPE标签类型NUMDECP小数位数LOOP环路号PCUPCU号MODULE模件号BLOCK块号ALMGROUG报警组…1001MAINTEMPANALOG21105101011021DESUPTEMANALOG21105101211031STMFLOWANALOG21105111011041AIRFLOWANALOG21105111221051VALVEPOSANALOG21105111421061VALVEINSANALOG2110513102（4）画面组态INFI-90中，操作员站OIS上的所有显示操作画面均可通过工程师站上的图形组态软件来制作。显示操作画面中主要包括静态图形、动态参数及操作器等，通过图形组态软件中相应的工具可以方便地予以实现。图9.15为针对本例所作的一个简单的主汽温系统显示操作画面。图9.15主汽温系统显示操作画面MagneticResonanceImaging磁共振成像发生事件作者或公司磁共振发展史1946发现磁共振现象BlochPurcell1971发现肿瘤的T1、T2时间长Damadian1973做出两个充水试管MR图像Lauterbur1974活鼠的MR图像Lauterbur等1976人体胸部的MR图像Damadian1977初期的全身MR图像

Mallard1980磁共振装置商品化1989

0.15T永磁商用磁共振设备中国安科

2003诺贝尔奖金LauterburMansfierd时间MR成像基本原理实现人体磁共振成像的条件:人体内氢原子核是人体内最多的物质。最易受外加磁场的影响而发生磁共振现象(没有核辐射)有一个稳定的静磁场（磁体）梯度场和射频场：前者用于空间编码和选层，后者施加特定频率的射频脉冲，使之形成磁共振现象信号接收装置：各种线圈计算机系统：完成信号采集、传输、图像重建、后处理等

人体内的H核子可看作是自旋状态下的小星球。自然状态下，H核进动杂乱无章，磁性相互抵消zMyx进入静磁场后，H核磁矩发生规律性排列（正负方向），正负方向的磁矢量相互抵消后，少数正向排列（低能态）的H核合成总磁化矢量M，即为MR信号基础ZZYYXB0XMZMXYA:施加90度RF脉冲前的磁化矢量MzB:施加90度RF脉冲后的磁化矢量Mxy.并以Larmor频率横向施进C:90度脉冲对磁化矢量的作用。即M以螺旋运动的形式倾倒到横向平面ABC在这一过程中，产生能量

三、弛豫（Relaxation）回复“自由”的过程

1.

纵向弛豫（T1弛豫）：

M0（MZ）的恢复，“量变”高能态1H→低能态1H自旋—晶格弛豫、热弛豫

吸收RF光子能量（共振）低能态1H高能态1H

放出能量（光子，MRS）T1弛豫时间：

MZ恢复到M0的2/3所需的时间

T1愈小、M0恢复愈快T2弛豫时间：MXY丧失2/3所需的时间；T2愈大、同相位时间长MXY持续时间愈长MXY与ST1加权成像、T2加权成像

所谓的加权就是“突出”的意思

T1加权成像（T1WI）----突出组织T1弛豫（纵向弛豫）差别

T2加权成像（T2WI）----突出组织T2弛豫（横向弛豫）差别。

磁共振诊断基于此两种标准图像磁共振常规h检查必扫这两种标准图像.T1的长度在数百至数千毫秒（ms）范围T2值的长度在数十至数千毫秒（ms）范围

在同一个驰豫过程中,T2比T1短得多

如何观看MR图像：首先我们要分清图像上的各种标示。分清扫描序列、扫描部位、扫描层面。正常或异常的所在部位---即在同一层面观察、分析T1、T2加权像上信号改变。绝大部分病变T1WI是低信号、T2WI是高信号改变。只要熟悉扫描部位正常组织结构的信号表现，通常病变与正常组织不会混淆。一般的规律是T1WI看解剖,T2WI看病变。磁共振成像技术－－图像空间分辨力，对比分辨力一、如何确定MRI的来源（一）层面的选择1.MXY产生（1H共振）条件

RF=ω=γB02.梯度磁场Z（GZ）

GZ→B0→ω

不同频率的RF

特定层面1H激励、共振

3.层厚的影响因素

RF的带宽↓

GZ的强度↑层厚↓〈二〉体素信号的确定1、频率编码2、相位编码

M0↑--GZ、RF→相应层面MXY----------GY→沿Y方向1H有不同ω

各1H同相位MXY旋进速度不同同频率一定时间后→→GX→沿X方向1H有不同ω沿Y方向不同1H的MXYMXY旋进频率不同位置不同（相位不同）〈三〉空间定位及傅立叶转换

GZ----某一层面产生MXYGX----MXY旋进频率不同

GY----MXY旋进相位不同（不影响MXY大小）

↓某一层面不同的体素，有不同频率、相位

MRS（FID）第三节、磁共振检查技术检查技术产生图像的序列名产生图像的脉冲序列技术名TRA、COR、SAGT1WT2WSETR、TE…….梯度回波FFE快速自旋回波FSE压脂压水MRA短TR短TE－－T1W长TR长TE－－T2W增强MR最常用的技术是：多层、多回波的SE（spinecho，自旋回波）技术磁共振扫描时间参数：TR、TE磁共振扫描还有许多其他参数：层厚、层距、层数、矩阵等序列常规序列自旋回波（SE）,快速自旋回波（FSE）梯度回波（FE）反转恢复（IR），脂肪抑制（STIR）、水抑制（FLAIR）高级序列水成像（MRCP,MRU,MRM）血管造影（MRA,TOF2D/3D）三维成像（SPGR）弥散成像（DWI）关节运动分析是一种成像技术而非扫描序列自旋回波（SE）必扫序列图像清晰显示解剖结构目前只用于T1加权像快速自旋回波（FSE）必扫序列成像速度快多用于T2加权像梯度回波（GE）成像速度快对出血敏感T2加权像水抑制反转恢复（IR）水抑制（FLAIR）抑制自由水梗塞灶显示清晰判断病灶成份脂肪抑制反转恢复（IR）脂肪抑制（STIR）抑制脂肪信号判断病灶成分其它组织显示更清晰血管造影（MRA）无需造影剂TOF法PC法MIP投影动静脉分开显示水成像（MRCP，MRU，MRM）含水管道系统成像胆道MRCP泌尿路MRU椎管MRM主要用于诊断梗阻扩张超高空间分辨率扫描任意方位重建窄间距重建技术大大提高对小器官、小病灶的诊断能力三维梯度回波（SPGR） 早期诊断脑梗塞

弥散成像MRI的设备一、信号的产生、探测接受1.磁体（Magnet）:静磁场B0（Tesla,T）→组织净磁矩M0

永磁型（permanentmagnet）常导型（resistivemagnet）超导型（superconductingmagnet）磁体屏蔽（magnetshielding）2.梯度线圈（gradientcoil）:

形成X、Y、Z轴的磁场梯度功率、切换率3.射频系统（radio-frequencesystem，RF）

MR信号接收二、信号的处理和图象显示数模转换、计算机，等等；MRI技术的优势1、软组织分辨力强（判断组织特性）2、多方位成像3、流空效应（显示血管）4、无骨骼伪影5、无电离辐射，无碘过敏6、不断有新的成像技术MRI技术的禁忌证和限度1.禁忌证

体内弹片、金属异物各种金属置入：固定假牙、起搏器、血管夹、人造关节、支架等危重病人的生命监护系统、维持系统不能合作病人，早期妊娠，高热及散热障碍2.其他钙化显示相对较差空间分辨较差（体部，较同等CT）费用昂贵多数MR机检查时间较长1.病人必须去除一切金属物品，最好更衣，以免金属物被吸入磁体而影响磁场均匀度，甚或伤及病人。2.扫描过程中病人身体（皮肤）不要直接触碰磁体内壁及各种导线，防止病人灼伤。3.纹身（纹眉）、化妆品、染发等应事先去掉，因其可能会引起灼伤。4.病人应带耳塞，以防听力损伤。扫描注意事项颅脑MRI适应症颅内良恶性占位病变脑血管性疾病梗死、出血、动脉瘤、动静脉畸形（AVM）等颅脑外伤性疾病脑挫裂伤、外伤性颅内血肿等感染性疾病脑脓肿、化脓性脑膜炎、病毒性脑炎、结核等脱髓鞘性或变性类疾病多发性硬化（MS）等先天性畸形胼胝体发育不良、小脑扁桃体下疝畸形等脊柱和脊髓MRI适应证1.肿瘤性病变椎管类肿瘤（髓内、髓外硬膜内、硬膜外），椎骨肿瘤（转移性、原发性）2.炎症性疾病脊椎结核、骨髓炎、椎间盘感染、硬膜外脓肿、蛛网膜炎、脊髓炎等3.外伤骨折、脱位、椎间盘突出、椎管内血肿、脊髓损伤等4.脊柱退行性变和椎管狭窄症椎间盘变性、膨隆、突出、游离，各种原因椎管狭窄，术后改变，5.脊髓血管畸形和血管瘤6.脊髓脱髓鞘疾病（如MS），脊髓萎缩7.先天性畸形胸部MRI适应证呼吸系统对纵隔及肺门区病变显示良好，对肺部结构显示不如CT。胸廓入口病变及其上下比邻关系纵隔肿瘤和囊肿及其与大血管的关系其他较CT无明显优越性心脏及大血管大血管病变各类动脉瘤、腔静脉血栓等心脏及心包肿瘤，心包其他病变其他（如先心、各种心肌病等）较超声心动图无优势，应用不广腹部MRI适应证主要用于部分实质性器官的肿瘤性病变肝肿瘤性病变，提供鉴别信息胰腺肿瘤，有利小胰癌、胰岛细胞癌显示宫颈、宫体良恶性肿瘤及分期等，先天畸形肿瘤的定位（脏器上下缘附近）、分期胆道、尿路梗阻和肿瘤，MRCP，MRU直肠肿瘤骨与关节MRI适应证X线及CT的后续检查手段－－钙质显示差和空间分辨力部分情况可作首选：1.累及骨髓改变的骨病（早期骨缺血性坏死，早期骨髓炎、骨髓肿瘤或侵犯骨髓的肿瘤）2.结构复杂关节的损伤（膝、髋关节）3.形状复杂部位的检查（脊柱、骨盆等）软件登录界面软件扫描界面图像浏览界面胶片打印界面报告界面报告界面2合理应用抗菌药物预防手术部位感染概述外科手术部位感染的2/3发生在切口医疗费用的增加病人满意度下降导致感染、止血和疼痛一直是外科的三大挑战，止血和疼痛目前已较好解决感染仍是外科医生面临的重大问题，处理不当，将产生严重后果外科手术部位感染占院内感染的14%～16%，仅次于呼吸道感染和泌尿道感染，居院内感染第3位严重手术部位的感染——病人的灾难，医生的梦魇

预防手术部位感染（surgicalsiteinfection,SSI)

手术部位感染的40%–60%可以预防围手术期使用抗菌药物的目的外科医生的困惑★围手术期应用抗生素是预防什么感染？★哪些情况需要抗生素预防？★怎样选择抗生素？★什么时候开始用药？★抗生素要用多长时间？定义：指发生在切口或手术深部器官或腔隙的感染分类：切口浅部感染切口深部感染器官／腔隙感染一、SSI定义和分类二、SSI诊断标准——切口浅部感染

指术后30天内发生、仅累及皮肤及皮下组织的感染，并至少具备下述情况之一者：

1．切口浅层有脓性分泌物

2．切口浅层分泌物培养出细菌

3．具有下列症状体征之一：红热，肿胀，疼痛或压痛，因而医师将切口开放者（如培养阴性则不算感染）

4．由外科医师诊断为切口浅部SSI

注意：缝线脓点及戳孔周围感染不列为手术部位感染二、SSI诊断标准——切口深部感染

指术后30天内（如有人工植入物则为术后1年内）发生、累及切口深部筋膜及肌层的感染，并至少具备下述情况之一者：

1.切口深部流出脓液

2.切口深部自行裂开或由医师主动打开，且具备下列症状体征之一：①体温＞38℃；②局部疼痛或压痛

3.临床或经手术或病理组织学或影像学诊断，发现切口深部有脓肿

4.外科医师诊断为切口深部感染

注意：感染同时累及切口浅部及深部者，应列为深部感染

二、SSI诊断标准—器官／腔隙感染

指术后30天内（如有人工植入物★则术后1年内）、发生在手术曾涉及部位的器官或腔隙的感染，通过手术打开或其他手术处理，并至少具备以下情况之一者：

1.放置于器官/腔隙的引流管有脓性引流物

2.器官/腔隙的液体或组织培养有致病菌

3.经手术或病理组织学或影像学诊断器官/腔隙有脓肿

4.外科医师诊断为器官/腔隙感染

★人工植入物：指人工心脏瓣膜、人工血管、人工关节等二、SSI诊断标准—器官／腔隙感染

不同种类手术部位的器官/腔隙感染有：

腹部：腹腔内感染（腹膜炎，腹腔脓肿）生殖道：子宫内膜炎、盆腔炎、盆腔脓肿血管：静脉或动脉感染三、SSI的发生率美国1986年～1996年593344例手术中，发生SSI15523次，占2.62%英国1997年～2001年152所医院报告在74734例手术中，发生SSI3151例，占4.22%中国？SSI占院内感染的14～16%，仅次于呼吸道感染和泌尿道感染三、SSI的发生率SSI与部位：非腹部手术为2%～5%腹部手术可高达20%SSI与病人：入住ICU的机会增加60%再次入院的机会是未感染者的5倍SSI与切口类型：清洁伤口 1%～2%清洁有植入物 ＜5%可染伤口＜10%手术类别手术数SSI数感染率(%)小肠手术6466610.2大肠手术7116919.7子宫切除术71271722.4肝、胆管、胰手术1201512.5胆囊切除术8222.4不同种类手术的SSI发生率：三、SSI的发生率手术类别SSI数SSI类别（%）切口浅部切口深部器官/腔隙小肠手术6652.335.412.3大肠手术69158.426.315.3子宫切除术17278.813.57.6骨折开放复位12379.712.28.1不同种类手术的SSI类别：三、SSI的发生率延迟愈合疝内脏膨出脓肿，瘘形成。需要进一步处理这里感染将导致:延迟愈合疝内脏膨出脓肿、瘘形成需进一步处理四、SSI的后果四、SSI的后果在一些重大手术，器官/腔隙感染可占到1/3。SSI病人死亡的77%与感染有关，其中90%是器官/腔隙严重感染

——InfectControlandHospEpidemiol,1999,20(40:247-280SSI的死亡率是未感染者的2倍五、导致SSI的危险因素（1）病人因素：高龄、营养不良、糖尿病、肥胖、吸烟、其他部位有感染灶、已有细菌定植、免疫低下、低氧血症五、导致SSI的危险因素（2）术前因素：术前住院时间过长用剃刀剃毛、剃毛过早手术野卫生状况差（术前未很好沐浴）对有指征者未用抗生素预防五、导致SSI的危险因素（3）手术因素：手术时间长、术中发生明显污染置入人工材料、组织创伤大止血不彻底、局部积血积液存在死腔和/或失活组织留置引流术中低血压、大量输血刷手不彻底、消毒液使用不当器械敷料灭菌不彻底等手术特定时间是指在大量同种手术中处于第75百分位的手术持续时间其因手术种类不同而存在差异超过T越多，SSI机会越大五、导致SSI的危险因素（4）SSI危险指数（美国国家医院感染监测系统制定）：病人术前已有≥3种危险因素污染或污秽的手术切口手术持续时间超过该类手术的特定时间（T）

（或一般手术＞2h)六、预防SSI干预方法根据指南使用预防性抗菌药物正确脱毛方法缩短术前住院时间维持手术患者的正常体温血糖控制氧疗抗菌素的预防/治疗预防

在污染细菌接触宿主手术部位前给药治疗

在污染细菌接触宿主手术部位后给药

防患于未然六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用131预防和治疗性抗菌素使用目的：清洁手术：防止可能的外源污染可染手术：减少粘膜定植细菌的数量污染手术：清除已经污染宿主的细菌六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用132需植入假体，心脏手术、神外手术、血管外科手术等六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用预防性抗菌素使用指征：可染伤口(Clean-contaminatedwound)污染伤口（Contaminatedwound）清洁伤口（Cleanwound）但存在感染风险六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用外科预防性抗生素的应用：预防性抗生素对哪些病人有用?什么时候开始用药?抗生素种类选择?使用单次还是多次?采用怎样的给药途径？六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用预防性抗菌素显示有效的手术有：妇产科手术胃肠道手术(包括阑尾炎)口咽部手术腹部和肢体血管手术心脏手术骨科假体植入术开颅手术某些“清洁”手术六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用外科预防性抗生素的应用：预防性抗生素对哪些病人有用?什么时候开始用药?抗生素种类选择?使用单次还是多次?采用怎样的给药途径？六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用

理想的给药时间？目前还没有明确的证据表明最佳的给药时机研究显示：切皮前45～75min给药，SSI发生率最低，且不建议在切皮前30min内给药影响给药时间的因素:所选药物的代谢动力学特性手术中污染发生的可能时间病人的循环动力学状态止血带的使用剖宫产细菌在手术伤口接种后的生长动力学

手术过程

012345671hr2hrs6hrs1day3-5days细菌数logCFU/ml六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用138术后给药，细菌在手术伤口接种的生长动力学无改变

手术过程抗生素血肿血浆六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用Antibioticsinclot

手术过程

血浆中抗生素予以抗生素血块中抗生素血浆术前给药，可以有效抑制细菌在手术伤口的生长六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用140ClassenDC,etal..NEnglJMed1992;326:281切开前时间切开后时间予以抗生素切开六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用不同给药时间，手术伤口的感染率不同NEJM1992;326:281-6投药时间感染数（%）相对危险度(95%CI)早期（切皮前2-24h）36914(3.8%)6.7(2.9-14.7)4.3手术前（切皮前45-75min)170810(0.9%)1.0围手术期（切皮后3h内）2824(1.4%)2.4(0.9-7.9) 2.1手术后（切皮3h以上）48816(3.3%)5.8(2.6-12.3)

5.8全部284744(1.5%)似然比病人数六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用结论：抗生素在切皮前45-75min或麻醉诱导开始时给药，预防SSI效果好142六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用切口切开后，局部抗生素分布将受阻必须在切口切开前给药！！！抗菌素应在切皮前45～75min给药六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用外科预防性抗生素的应用：预防性抗生素对哪些病人有用?什么时候开始用药?抗生素种类选择?使用单次还是多次?采用怎样的给药途径？有效安全杀菌剂半衰期长相对窄谱廉价六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用抗生素的选择原则：各类手术最易引起SSI的病原菌及预防用药选择六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用

手术最可能的病原菌预防用药选择胆道手术革兰阴性杆菌，厌氧菌头孢呋辛或头孢哌酮或

(如脆弱类杆菌）头孢曲松阑尾手术革兰阴性杆菌，厌氧菌头孢呋辛或头孢噻肟；

(如脆弱类杆菌）＋甲硝唑结、直肠手术革兰阴性杆菌，厌氧菌头孢呋辛或头孢曲松或

(如脆弱类杆菌）头孢噻肟；＋甲硝唑泌尿外科手术革兰阴性杆菌头孢呋辛；环丙沙星妇产科手术革兰阴性杆菌，肠球菌头孢呋辛或头孢曲松或

B族链球菌，厌氧菌头孢噻肟；+甲硝唑莫西沙星（可单药应用）注:各种手术切口感染都可能由葡萄球菌引起六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用外科预防性抗生素的应用：预防性抗生素对哪些病人有用?什么时候开始用药?抗生素种类选择?使用单次还是多次?采用怎样的给药途径？六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用单次给药还是多次给药？没有证据显示多次给药比单次给药好伤口关闭后给药没有益处多数指南建议24小时内停药没有必要维持抗菌素治疗直到撤除尿管和引流管手术时间延长或术中出血量较大时可重复给药细菌污染定植感染一次性用药用药24h用药4872h数小时从十数小时到数十小时六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用用药时机不同，用药期限也应不同短时间预防性应用抗生素的优点：六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用减少毒副作用不易产生耐药菌株不易引起微生态紊乱减轻病人负担可以选用单价较高但效果较好的抗生素减少护理工作量药品消耗增加抗菌素相关并发症增加耐药抗菌素种类增加易引起脆弱芽孢杆菌肠炎MRSA（耐甲氧西林金黄色葡萄球菌）定植六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用延长抗菌素使用的缺点：六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用外科预防性抗生素的应用：预防性抗生素对哪些病人有用?什么时候开始用药?抗生素种类选择?使用单次还是多次?采用怎样的给药途径？正确的给药方法：六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用应静脉给药，2030min滴完肌注、口服存在吸收上的个体差异，不能保证血液和组织的药物浓度，不宜采用常用的-内酰胺类抗生素半衰期为12h，若手术超过３４h，应给第２个剂量，必要时还可用第３次可能有损伤肠管的手术，术前用抗菌药物准备肠道局部抗生素冲洗创腔或伤口无确切预防效果，不予提倡不应将日常全身性应用的抗生素应用于伤口局部（诱发高耐药）必要时可用新霉素、杆菌肽等抗生素缓释系统（PMMA—青大霉素骨水泥或胶原海绵)局部应用可能有一定益处六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用不提倡局部预防应用抗生素：时机不当时间太长选药不当，缺乏针对性六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用预防用药易犯的错误：在开刀前45-75min之内投药按最新临床指南选药术后24小时内停药择期手术后一般无须继续使用抗生素大量对比研究证明，手术后继续用药数次或数天并不能降低手术后感染率若病人有明显感染高危因素或使用人工植入物，可再用1次或数次小结预防SSI干预方法

——正确的脱毛方法用脱毛剂、术前即刻备皮可有效减少SSI的发生手术部位脱毛方法与切口感染率的关系：备皮方法 剃毛备皮 5.6%

脱毛0.6%备皮时间 术前24小时前 ＞20%

术前24小时内 7.1%

术前即刻 3.1%方法/时间 术前即刻剪毛 1.8%

前1晚剪/剃毛 4.0%THANKYOUMagneticResonanceImagingPART01磁共振成像发生事件作者或公司磁共振发展史1946发现磁共振现象BlochPurcell1971发现肿瘤的T1、T2时间长Damadian1973做出两个充水试管MR图像Lauterbur1974活鼠的MR图像Lauterbur等1976人体胸部的MR图像Damadian1977初期的全身MR图像

Mallard1980磁共振装置商品化1989

0.15T永磁商用磁共振设备中国安科

2003诺贝尔奖金LauterburMansfierd时间PART02MR成像基本原理实现人体磁共振成像的条件:人体内氢原子核是人体内最多的物质。最易受外加磁场的影响而发生磁共振现象(没有核辐射)有一个稳定的静磁场（磁体）梯度场和射频场：前者用于空间编码和选层，后者施加特定频率的射频脉冲，使之形成磁共振现象信号接收装置：各种线圈计算机系统：完成信号采集、传输、图像重建、后处理等

人体内的H核子可看作是自旋状态下的小星球。自然状态下，H核进动杂乱无章，磁性相互抵消zMyx进入静磁场后，H核磁矩发生规律性排列（正负方向），正负方向的磁矢量相互抵消后，少数正向排列（低能态）的H核合成总磁化矢量M，即为MR信号基础ZZYYXB0XMZMXYA:施加90度RF脉冲前的磁化矢量MzB:施加90度RF脉冲后的磁化矢量Mxy.并以Larmor频率横向施进C:90度脉冲对磁化矢量的作用。即M以螺旋运动的形式倾倒到横向平面ABC在这一过程中，产生能量

三、弛豫（Relaxation）回复“自由”的过程

1.

纵向弛豫（T1弛豫）：

M0（MZ）的恢复，“量变”高能态1H→低能态1H自旋—晶格弛豫、热弛豫

吸收RF光子能量（共振）低能态1H高能态1H

放出能量（光子，MRS）T1弛豫时间：

MZ恢复到M0的2/3所需的时间

T1愈小、M0恢复愈快T2弛豫时间：MXY丧失2/3所需的时间；T2愈大、同相位时间长MXY持续时间愈长MXY与ST1加权成像、T2加权成像

所谓的加权就是“突出”的意思

T1加权成像（T1WI）----突出组织T1弛豫（纵向弛豫）差别

T2加权成像（T2WI）----突出组织T2弛豫（横向弛豫）差别。

磁共振诊断基于此两种标准图像磁共振常规h检查必扫这两种标准图像.T1的长度在数百至数千毫秒（ms）范围T2值的长度在数十至数千毫秒（ms）范围

在同一个驰豫过程中,T2比T1短得多

如何观看MR图像：首先我们要分清图像上的各种标示。分清扫描序列、扫描部位、扫描层面。正常或异常的所在部位---即在同一层面观察、分析T1、T2加权像上信号改变。绝大部分病变T1WI是低信号、T2WI是高信号改变。只要熟悉扫描部位正常组织结构的信号表现，通常病变与正常组织不会混淆。一般的规律是T1WI看解剖,T2WI看病变。磁共振成像技术－－图像空间分辨力，对比分辨力一、如何确定MRI的来源（一）层面的选择1.MXY产生（1H共振）条件

RF=ω=γB02.梯度磁场Z（GZ）

GZ→B0→ω

不同频率的RF

特定层面1H激励、共振

3.层厚的影响因素

RF的带宽↓

GZ的强度↑层厚↓〈二〉体素信号的确定1、频率编码2、相位编码

M0↑--GZ、RF→相应层面MXY----------GY→沿Y方向1H有不同ω

各1H同相位MXY旋进速度不同同频率一定时间后→→GX→沿X方向1H有不同ω沿Y方向不同1H的MXYMXY旋进频率不同位置不同（相位不同）〈三〉空间定位及傅立叶转换

GZ----某一层面产生MXYGX----MXY旋进频率不同

GY----MXY旋进相位不同（不影响MXY大小）

↓某一层面不同的体素，有不同频率、相位

MRS（FID）第三节、磁共振检查技术检查技术产生图像的序列名产生图像的脉冲序列技术名TRA、COR、SAGT1WT2WSETR、TE…