第6章仿真的工程应用实例
6.1
旋转式倒立摆系统的建模与仿真6.2
直流电机双闭环调速系统的的参数仿真优化6.3
苯乙烯本体聚合的动力学仿真小结6.1旋转式倒立摆系统的建模与仿真倒立摆系统是一种常见的运用反馈原理来控制一个开环不稳定系统的实验装置。它是对火箭等飞行器在飞行过程中为了保持其正确的姿态，不断进行调整的实时被控对象的模拟。由于倒立摆系统具有高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合等特性，难以采用经典控制理论进行控制器设计，要用现代控制理论来设计控制器。
上一页下一页返回6.1.1
旋转式倒立摆系统简介6.1.2
倒立摆的建模与线性化6.1.3
仿真运行与结果分析上一页下一页返回6.1.1旋转式倒立摆系统简介图6.1是某公司研制的XZ-IIA型旋转式倒立摆系统的总体结构。该系统采用内置DSP运动控制器和力矩电机进行实时运动控制，能够独立执行实时控制算法，脱离计算机直接运行；也可以通过RS-232C串行通讯接口用计算机控制，进行在线控制算法调试，是具有独立控制能力和标准通讯接口的专用智能实验设备。控制的目标是通过施加一定的力矩电机输出电压，使得倒立摆的摆杆和旋臂保持在垂直的姿态。
上一页下一页返回图6.1系统的组成及工作原理如图6.2所示。
图6.2上一页下一页返回6.1.2倒立摆的建模与线性化根据理论分析，在忽略了部分摩擦因素的影响后，该倒立摆系统可抽象成如图6.3所示的动力学模型。图6.3上一页下一页返回系统的受力分析如图6.3所示，θ1、θ2分别为旋臂和摆杆与垂直线的夹角，以顺时针方向为正（下同）；u为加在电机上的控制电压。对于摆杆，在非惯性系o2-x2-y2中有 （6.1）式中，M12是旋臂对摆杆的力矩，为惯性力矩，满足下列关系
（6.2）上一页下一页返回对于旋臂，在惯性系o1-x1-y1中，有 （6.3）式中，M0为电机输出转矩，满足下列关系 （6.4）M21为摆杆对旋臂的作用力矩，有下列关系成立
（6.5）上一页下一页返回消去中间变量M12和M21，并将M0代入，得到非线性数学模型为 （6.6）倒立摆的控制目的是使摆竿和旋臂的角度为零，因此在附近将非线性数学模型线性化后，得线性化模型为
（6.7）上一页下一页返回令则有于是，系统的状态空间模型为
（6.8）式中
上一页下一页返回根据给定参数(见表6.1)，得
从而求出系统的四个开环极点分别为 -12.6466，-6.7027，9.0442，5.2546可见开环系统不稳定。对系统的进一步分析可知，旋臂部分和摆杆部分的传递函数均有右半s平面上的极点，需要加入反馈控制。上一页下一页返回状态反馈控制系统如图6.4所示。闭环后系统的性能取决于反馈增量K矩阵的取值，可以采用极点配制法得到。因为系统是完全可控和完全可观测的，可以根据状态反馈设计反馈控制律，使闭环系统稳定。由于系统没有直接测量角速度的器件，采用角度的差分进行近似，因而无需设计状态观测器。图6.4上一页下一页返回取一组稳定的极点P=[-8+6j-8-6j-4+3j-4-3j]在MATLAB中利用place（A,B,P）函数求得反馈控制矩阵为K=[Ka,Ko,Kva,Kvo]=[4.7903-60.8651-4.5987-6.5946]上一页下一页返回6.1.3仿真运行与结果分析1．倒立摆系统的Simulink模型根据加入状态反馈后的倒立摆系统的数学模型建立了如图6.5所示的Simulink模型，其中包括线性化后的状态空间模型和非线性模型，同时考虑到输出电压的饱和特性以及电机的死区特性和外界加入扰动等因数，通过Switch开关的切换实现模型切换和是否加入扰动等。
上一页下一页返回上一页下一页返回图6.6其中，非线性模型的具体实现如图6.6所示。
上一页下一页返回2．采用线性化模型，不加入扰动,不考虑死区和饱和特性(inverted_pendulum_1.mdl)
在不考虑扰动的情况下，采用线性化模型(不考虑死区和饱和特性)的仿真结果曲线如图6.7和图6.8所示。图6.7上一页下一页返回图6.8上一页下一页返回
旋臂经过1.2s进入稳态，摆杆经过1.3s进入稳态，输出电压最大-5.8V左右。
3．采用线性化模型，不加入扰动，考虑死区和饱和特性(inverted_pendulum_2.mdl)实际系统存在死区和饱和特性，在仿真中把这两个因素考虑进去。设定死区电压为±0.1V。仿真结果曲线如图6.9和图6.10所示。图6.9上一页下一页返回图6.10上一页下一页返回
旋臂大约经过1.4s进入稳态，摆杆大约经过1.4s进入稳态，最大输出电压为-6V。由于死区特性的存在，旋臂和摆杆角度均在0°附近摆动，同时输出电压也在0V附近摆动。与实际情况相吻合。4．采用非线性模型，不加入扰动,考虑死区和饱和特性(inverted_pendulum_3.mdl)
为了检验状态反馈控制器的鲁棒性并使得仿真更贴近实际系统，对图6.6所示的非线性模型进行了相同的控制仿真，结果曲线如图6.11和图6.12所示。图6.11上一页下一页返回图6.12旋臂大约经过1.5s进入稳态，摆杆大约经过1.5s进入稳态，但输出电压最大到-7.0V左右，和线性系统有点差异，但差异不是很大。这说明，在小角度范围内将非线性系统线性化后再按照状态反馈设计控制器是可行的。上一页下一页返回5．扰动条件下的仿真(inverted_pendulum_4.mdl)作为对倒立摆系统的最后仿真演示，下面进一步考虑摆杆加入均值为0，方差为0.5的随机扰动信号的仿真（采用非线性模型,考虑死区和饱和特性）。这相当于倒立摆受到随机风的干扰。结果曲线如图6.13和图6.14所示。图6.13上一页下一页返回图6.14结果表明，在一定的扰动情况下闭环系统可以进入稳态，大约1.5s后达到稳态。从仿真结果看，即使系统受到一定的干扰，所设计的状态反馈控制器仍然可对系统施加有效的控制，但随着扰动信号幅值的增大，系统的综合性能也变差。
上一页下一页返回6.2直流电机双闭环调速系统的参数仿真优化当控制系统中有多个物理量需要控制时，经典控制理论通常是针对每个物理量的控制回路各设置一个调节器，这样的系统称为多环控制系统。直流电机双闭环调速系统是典型的多环控制系统。
上一页下一页返回6.2.1
系统模型6.2.2
仿真运行6.2.3
结果分析上一页下一页返回6.2.1系统模型为了使转速负反馈和电流负反馈在系统中分别起作用，又不致于相互牵制而影响系统的性能，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图6.15所示。图6.15上一页下一页返回为了获得良好的静、动态性能，直流电机双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器，其原理如图6.16所示。图6.16上一页下一页返回图6.17考虑到滤波等因素，实际的直流电机双闭环调速系统的动态结构图如图6.17所示。上一页下一页返回图6.18为某一具体的直流电机双闭环调速系统的系统结构图。为了保证起动时电枢电流不超过允许值，在速度调节器后面还对电压进行限幅。这样，速度调节器进入饱和状态时，输出电压为饱和限幅值，对应于最大的允许起动电流，而电流环不饱和，直流电机以最大允许的电流值实现恒流升速。为了保证在调试中的安全，在电流调节器后也加入了限幅器。图6.18上一页下一页返回具体设计要求为稳态指标
:无静差；瞬态指标:电流超调量不超过3%；转速超调量不超过5%。
上一页下一页返回6.2.2仿真运行根据图6.18，可得如图6.19所示的Simulink模型。图6.19上一页下一页返回其中，PI调节器是用带积分限幅的积分调节器和比例调节器并联而成，模拟了实际中广泛采用的内限幅的PI调节器，如图6.20所示。图6.20上一页下一页返回如果对两个PI调节器的参数同时优化，则由于采用的控制系统参数寻优软件只能对一个输出变量设置目标函数，可能会有以下的不足：调优参数较多，系统较为复杂，容易造成某些模块的输出为无穷大，而且优化的速度较低；假设只对转速环输出设置目标函数，虽然寻优的结果可能够获得较好的转速环输出，但电流环的输出不一定能满足设计要求；反之亦然。
上一页下一页返回例如，按照图6.21所示的Simulink寻优模型进行两个PI调节器的参数同时优化。图6.21(shuanbihuan.mdl)上一页下一页返回取初始值P1=1，I1=1,P2=1，I2=1；目标函数为IAE：寻优界面如图6.22所示。图6.22上一页下一页返回寻优结果为：，，，。对应的转速曲线与电流曲线如图6.23和图6.24所示。显然，电流曲线是不符合实际情况和需求的。图6.23图6.24因此，按照传统的设计多环控制器的方法，先优化内环PI调节器的参数，再对外环PI调节器进行调优。
上一页下一页返回6.2.3结果分析先从电流环入手，从图6.19所示的Simulink模型中提取出电流环，并设置给定信号幅值为10V，电流环的优化Simulink结构如图6.25所示。图6.25(dianliuhuan.mdl)上一页下一页返回对电流环PI调节器中的参数P和I进行优化，取初始值P=1，I=1；目标函数为IAE。由于电流环响应较快，仿真时间应设得短一些，这里取0.5s。经过24次搜索，得到参数寻优结果为：， 。电流环的阶跃响应曲线如图6.26所示。显然，超调量达到了25.19%，不符合设计要求。图6.26上一页下一页返回为了抑制超调，采用修改目标函数的方法，取k=0.1，将目标函数修改为： （6.9）然后，再进行参数寻优。图6.27按（6.9）式选择目标函数，其余参数取得和前面一样。重新对参数P和I进行寻优，经过13次搜索，得到电流环PI调节器参数寻优结果为：，
。电流环的阶跃响应曲线如图6.27所示。超调量为0.54%，符合设计要求。上一页下一页返回电流环PI调节器的参数确定好后，再调转速环中PI调节器的参数P和I。将所得的电流环PI调节器的优化参数代入图6.21中。设置给定电压为10V。在用户界面中设置转速环PI调节器初始参数为P=1，I=1；目标函数为IAE；仿真时间为5s。经过37次搜索，得到转速环PI调节器参数寻优结果为：，。将两个PI调节器的参数代入图6.19中，经过仿真运行，得到如图6.28和图6.29所示的转速曲线与电流曲线。转速超调量为0.61%，电流超调量为0.54%，均满足动态性能指标。运行稳定时，转速为1428.6r/min，与预期值10/0.007=1428.6r/min相比，做到了稳态无静差。因此设计完全符合要求。
上一页下一页返回图6.28图6.29
上述曲线的特性与直流电机双闭环调速系统运行的实际情况相符。
上一页下一页返回6.3苯乙烯本体聚合的动力学仿真聚合反应过程开发是指从试验室试验过渡到工业生产装置的实现全过程，它涉及到聚合工艺研究、流程和设备的设计与放大、技术经济评价等各个领域，是一门综合性工程技术。
上一页下一页返回6.3.1
系统建模
6.3.2
仿真运行
6.3.3
结果分析上一页下一页返回6.3.1系统建模1.苯乙烯本体聚合的建模概述建模过程分为以下几个步骤：1）根据自由基聚合反应机理，苯乙烯本体聚合由链引发、链增长、链终止各基元反应所组成，应用质量作用定理，得出各基元反应的速率方程；2）根据链增长、链终止反应机理，应用扩散反应理论，建立链增长、链终止反应的动力学模型；3）给出具体的聚合条件和假定条件，考虑体系的体积变化，建立苯乙烯本体聚合的基本动力学模型框架与结构；上一页下一页返回4）采用简化方法和各种假定，对基本动力学模型结构进行简化；5）应用试验设计、参数优化技术进行模型结构的研究，确定模型参数的优化值；6）应用动态仿真、模型检验技术确立最终的有效模型。
上一页下一页返回2.苯乙烯自由基聚合反应机理(各变量含义见书,下同)
（1）链引发反应
热引发(二级)（6.10）化学引发（6.11）
(引发效率)
（6.12）（2）链增长反应
(n>=2)（6.13）（3）链终止反应
(偶合)(n,m>=1)（6.14）(歧化)(n,m>=2)（6.15）（4）链转移反应
向单体(n>=2)（6.16）
相溶剂
(n>=2)（6.17）
上一页下一页返回3.链增长、链终止反应的动力学模型在自由基聚合反应中，扩散过程对反应速率常数的影响始终存在，这种影响随单体转化率的升高而增强。因此，依据Smoluchoviki扩散反应理论和Fjita-Doolitt自由体积理论，得到链增长、链终止速率常数表达式为（6.18）
（6.19）上一页下一页返回4.宏观动力学模型由偶氮二异丁晴AIBN引发的苯乙烯本体聚合的聚合机理，根据质量作用定律并考虑体系的体积变化，应用拟稳态假定（QSSA）、等活性假定（ERA）、长链假定（LCA）可得出如下化学引发的苯乙烯本体聚合宏观动力学方程（6.20）
（6.21）（6.22）
（6.23）上一页下一页返回（6.24）（6.25）（6.26）（6.27）式中上一页下一页返回5.宏观动力学模型的简化苯乙烯本体聚合基本动力学模型（6.20）-(6.27)式是一个高维非线性微分方程组。在该模型中，自由基浓度Rn的计算是动力学仿真中的重要问题。由于自由基浓度是一个先变化极快后变化缓慢的变量，其变化速度与其它变量相比相差很大，因此模型方程是一个刚性比很大的Stiff方程。为了对这类模型进行准确的求解，一个重要的途径是对模型方程作合理的简化。对于（6.20）-(6.27)式，考虑体积收缩时，有
（6.28）根据拟稳态假定：
上一页下一页返回即有
（6.29）
（6.30）
（6.31）将（6.28）式代入（6.21）式，得故得化学引发苯乙烯本体聚合的宏观动力学简化模型为
（6.32）上一页下一页返回
（6.33）（6.34）（6.35）（6.36）（6.37）（6.38）（6.39）上一页下一页返回6.3.2仿真运行1.数学模型的标准化化学引发苯乙烯本体聚合反应动力学模型可以表示为（6.40）对应的具体模型为
（6.41）（6.42）（6.43）上一页下一页返回（6.44）（6.45）（6.46）（6.47）（6.48）（6.49）（6.50）式中，状态变量为：x1=x,x2=u0,x3=u1,x4=u2;上一页下一页返回对应的具体模型为
式中，y1表示转化率；y2表示数均聚合度；y3表示重均聚合度。
上一页下一页返回（6.51）2.物性系数与相应参数表达式中系数值的确定（1）苯乙烯本体聚合的动力学常数与物性系数
(1/s)
（6.52）(l/mol·s)
（6.53）(l/mol·s)
（6.54）(l/mol·s)
（6.55）(g/mol·s)
（6.56）(g/mol·s)
（6.57）
（6.58）（6.59）(K)
（6.60）上一页下一页返回（2）苯乙烯本体聚合操作态参数
（6.61）(mol/L)（6.62）(mol/L)（6.63）(mol/L)（6.64）上一页下一页返回(3)链增长、链终止反应参数
（6.65）
（6.66）
（6.67）
（6.68）式中的各相关参数为
上一页下一页返回表6.2给出了在在聚合温度为60－80℃，引发剂初始浓度为0.15、0.30、0.50时的参数识别值。表6.2化学引发苯乙烯本体聚合反应动力学方程的参数识别值试验代号W0(%)B(T)601.18060.03731IA-60B0.300.0035730.02767601.18060.03731IA-70A0.150.0022460.02962700.96920.03893IA-70C0.500.0011340.02962750.18420.03961IA-75C0.500.00034210.03787800.096470.04184T(℃)A(T)IA-60A0.150.0053590.02767601.18060.03731IA-60C0.500.0024570.02767700.96920.03899IA-70B0.300.0015060.02962700.96920.03893IA-75B0.300.00046570.03787750.18420.03961IA-80B0.300.00022900.04112IA-80C800.500.096470.00017100.041840.04112注释：试验代号IA-60A表示为：IA为化学引发；60为聚合温度（℃）；A代表引发剂初始浓度W0(%)为0.15%。
上一页下一页返回3.仿真算法的确定由于模型方程(6.55)式为非病态方程组，因此选择RK4法。4.仿真预处理仿真预处理的内容包括：聚合温度的给定；引发剂重量百分比浓度的给定；确定仿真步长；确定仿真精度；确定仿真总时间；状态变量初始值的给定；打印和显示间距的给定。
上一页下一页返回5.仿真步骤1）根据(6.52)—(6.60)式确定苯乙烯本体聚合的动力学常数与物性系数；2）根据(6.61)—(6.64)式确定苯乙烯本体聚合操作态参数；3）完成仿真预处理的参数输入；4）计算右端函数表达式F(t,x)，先计算(6.52)、(6.53)、(6.55)、(6.56)、(6.57)、(6.58)式中的相关部分，然后再计算(6.54)、(6.59)、(6.60)式中的相关部分；5）应用RK4法，按照仿真步长、仿真总时间、打印和显示间距进行循环计算；6）在每一仿真步长计算中，都需要根据求出的状态变量进行y=G(t,x)计算，以便得出相应的仿真结果（转化率、数均聚合度、重均聚合度）。
上一页下一页返回6.3.3结果分析
1.仿真参数以化学引发苯乙烯本体聚合动力学仿真为例，试验代号：IA-60A。在本仿真示例中，仿真预处理的数据为聚合温度：60℃=333.15K引发剂重量百分比浓度：0.15%计算步长：10sec状态变量初始值：零初始值仿真时间：2200min输出时间间隔：50min链增长、链终止反应动力学模型中的参数直接取自表6.2。
上一页下一页返回时间(分钟)转化率试验值重均聚合度3.79766103400.015.8001.0616e+00520.67472504800.028.4001.1901e+00530.407790131050.034.5001.3422e+00537.521853071300.046.5001.6427e+00557.9181.0955e+0051800.085.8007.625e+0050.908782.365e+005转化率仿真值数均聚合度100.02.8001.008e+00514.20969428600.021.2001.1145e+00527.10076530900.031.5001.2408e+00535.655835321100.038.6001.3856e+00546.013943981500.057.2002.2256e+00587.5451.9179e+0051900.090.9009.8805e+0052200.094.77795.7003.3188e+0051.2918e+0062．仿真结果显示
仿真结果的部分数据如表6.3所示。表6.3IA-60A的仿真数据上一页下一页返回图6.30～图6.32表示IA-60A的仿真结果曲线。图6.30(T=333.15K,W0=0.15%)，星号代表试验值上一页下一页返回图6.31(T=333.15K,W0=0.15%)图6.32
(T=333.15K,W0=0.15%)上一页下一页返回图6.33(W0=0.15%,T=332.15K,333.15K,335.15K,340.15K)上一页下一页返回图6.33为引发剂重量百分比浓度为0.15%，聚合温度分别为350.15K、335.15K、333.15K和331.15K时转化率随反应时间变化的仿真结果曲线。从中可以看出聚合温度对反应过程的影响，即温度越高，转化率随时间变化得越快。
3.仿真结果分析上述结果可以清楚地得出：转化率随时间变化的仿真值与试验值吻合得很好（见图6.30，“*”代表试验值）；数均聚合度和重均聚合度在聚合反应中，前期变化很小，但在聚合后期则大幅度上升。正确反映了聚合进入到高转化率时，凝胶效应导致了聚合度的急剧增加；在聚合后期(转化率大于85%)仿真值与试验值的差异较大，原因之一在于：就模型本身而言，在高转化率下，体系粘度已经增大，此时采用拟稳态假定会带来一定的误差。
上一页下一页返回小结
本章介绍了三个仿真的工程应用实例。第一个例子是倒立摆系统，第二个例子是直流电机双闭环调速系统。这两个系统都是自动控制领域中常见的系统，因而有着广泛的应用价值。第三个例子涉及到有机物的化学反应过程。从原理上讲，有机物的化学反应过程通常是极为复杂的，一般应当用分布参数数学模型描述。通常只需要仿真结果曲线的趋势与实际过程的变化趋势相近即可。而通过适当地选择模型和辨识参数，使得仿真结果与实际变化过程的结果有了数量上的可比性，因而其实用价值是不言而喻的。
上一页返回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139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140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146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148ClassenDC,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150六、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
