CN108578915A - 六路合成超大功率高强度聚焦超声射频驱动系统 - Google Patents

Abstract

一种六路合成超大功率高强度聚焦超声射频驱动系统，就是为了解决目前超声换能器输出功率较低，无法有效地治疗肿瘤病变组织的问题；本次设计采用的是6路合成的方案，通过驱动6片超声换能器，自聚焦合成超大功率高强度超声波于病变组织处，在病变组织处瞬间产生很高的温度，从而达到有效治疗病变组织的目的；系统控制台控制直流电源的输出电压值，用来驱动超声换能器；系统控制台控制具有ARM+FPGA双核系统的射频控制单元的工作情况，输出频率超高，可微调，相位可微调的PWM波，用来作为射频驱动单元全桥电路的开关信号；系统集成呼吸门控系统，使得超声激励更具安全性；本次设计采用闭环控制调节风扇的转速，提高系统的工作环境适应能力。

Description

六路合成超大功率高强度聚焦超声射频驱动系统

技术领域

本发明主要涉及医学超声治疗领域，针对目前高强度聚焦超声(High IntensityFocused Ultrasound，HIFU)治疗由于功率不足导致在治疗位置较深的肿瘤时疗效不佳的问题，结合超声换能器设计、制作以及医学治疗的实际情况，设计了一种六路合成超大功率高强度聚焦超声射频驱动系统。

背景技术

随着医疗技术的发展，21世纪的外科手术由微创进入无创的时代。高强度聚焦超声(HIFU)作为一种新兴的无创肿瘤治疗技术已经在国内外广泛开展，并取得了显著临床效果，尤其是近年来在子宫肌瘤的治疗上取得了较好的临床效果。

超声波是一种高频机械振动波，具有可聚焦性、组织穿透性和能量沉积性。利用超声波具有的组织穿透性和能量沉积性，将体外发生的超声波聚焦到生物体内病变组织(治疗靶点)，通过超声的机械效应、热效应和瞬态空化效应达到治疗疾病的目的。聚焦超声在其所穿过的非治疗部位的声强低，剂量不足以对组织造成损伤，而在其聚焦焦域，由于声强很高，通过超声的综合热效应使该处组织的温度瞬间上升至70～95℃，从而导致蛋白变性及组织细胞消融坏死；同时还通过焦域内高强度超声的瞬态空化效应使焦域组织在超声波正、负压相作用下形成气泡，并随之收缩和膨胀以致最终爆破，导致细胞损伤、坏死。

然而，HIFU在实际应用过程中存在如下问题：(1)由于超声波在穿过人体到达病患处的传输路径上有用声功率会有损耗，所以对于开始声功率就比较小的发射超声波束来说，到达病患焦域处时有用声强度已经不足以在有限时间内将病变组织消融，在治疗位于人体内较深部位的组织时，这种情况尤其明显；(2)使用更大功率的聚焦超声束，可以在较短时间内达到有效剂量，从而缩短治疗时间，提升病人就诊的有效安全空间。因此，提升超声换能器的发射功率，产生高强度聚焦超声束就成了迫切的需求。

本发明设计的六路合成大功率高强度聚焦超声驱动器系统就是为了解决目前单一超声换能器制作难度大，输出效率低，无法有效输出大功率聚焦超声从而治疗位置较深的病变组织的问题；本发明采用的是6路合成的方案，因为制作大面积单片自聚焦换能器时，对工艺要求较高，内部特性难以保持一致，而采用多片合成自聚焦换能器时，也同样存在面积越大，一致性越差的问题。在现有工艺条件下，经过实验验证，使用6片晶片合成大面积自聚焦换能器是一个最佳选择，一致性有保障，成品率较高。与之配套，需要设计六路合成大功率高强度聚焦超声射频驱动器。

发明内容

本发明要解决的问题是：由于超声波在穿过人体到达病患处之前有用声强度会有损耗，所以对于开始发射声功率就比较小的超声波束来说，到达病患处时有用声强度已经不足以将病变组织消融；或者由于人体器官有的处在距离体表较远的位置，超声波更难以使必要的超声强度穿透人体组织到达患病病灶处，从而根本起不到应有的治疗的作用，因此就需要发明一种高强度超声波驱动系统，使超声波在到达病患处仍然具有可以有效治疗病灶的强度。

本发明的技术方案为：六路合成超大功率高强度聚焦超声射频驱动系统，包括一个系统控制台、六个电源控制单元，六个风扇驱动单元，一个射频控制单元以及六个射频驱动单元。本次设计采用单个输出功率可达1500W的可控电源，通过系统控制台可以远程控制电源输出电压，实现整个系统控制的智能化；由于输出功率的增大，系统的散热需求增大，风扇控制单元采用双风扇协同工作，大大加快了整个系统的散热，使得整个系统避免温度过高导致损坏；为了提高风扇的工作效率，风扇转速的控制采用闭环控制，即实时反馈当前的散热片的温度，根据当前的温度控制风扇的转速，保证系统温度的平衡，进一步实现系统的智能化；为了有效地监测当前整个系统的温度，系统控制台也会显示当前系统散热片上采集到的温度；电源控制单元和风扇控制单元全部连接在RS485总线上，RS485总线上报当前系统的各项参数；射频控制单元通过双核系统的设计，实现6路驱动的有效配合，实现6路驱动的频率和相对相位移的微调；射频驱动单元采用全桥驱动的方案，四路桥臂采用单独的驱动电路，相互隔离，互不干扰，最大程度保障了电路的稳定。

系统控制台实际上就是一个控制界面，设置直流电源的输出电压，通过电源控制单元发送给直流电源，输出电压控制射频功率电源用来驱动超声换能器，输出电压范围0～150V；系统控制台控制射频控制单元的工作情况，射频控制单元通过双核系统的控制，输出超高频率PWM波，用来作为射频驱动单元全桥电路的开关信号；由于本发明的为大功率高强度聚焦超声驱动器系统，所以在全桥桥臂MOS管打开的瞬间，由于较大功耗，会产生大量热能，于是添加了风扇控制单元；风扇控制单元采用闭环控制，通过DSPIC33采集MOS管的散热片的温度，由采集到的温度调节控制风扇转速的PWM波的占空比，无需人工调节风扇的转速。

本发明六路合成超大功率高强度聚焦超声驱动系统对当前市场上的聚焦超声系统进行了重新的设计和改进，能够实现操作的智能化，6路超声换能器合成一片，实现超大功率高强度聚焦超声波的输出，此外还可以微调6路驱动的频率和相对相位移；各个单元之间协调工作，克服了目前由于强度不够而无法有效治疗病患的问题，如果投入使用则可以给更多患者带来希望，是医学领域的又一项进步。

附图说明

图1是本发明单路系统整体结构框图。

图2是本发明RS485总线拓扑结构图。

具体实施方式

本发明六路合成超大功率高强度聚焦超声射频驱动系统单路整体结构框图如图1所示，包括系统控制台，电源控制模块，射频控制模块，射频驱动模块，风扇控制模块，直流电源和超声换能器。

系统控制台即一个控制界面，应用程序通过C#编写，作为整个系统的控制中心，主要涉及到的功能就是对外通信，通过RS422总线与系统射频控制单元进行通信，从而控制整个系统的工作情况；系统控制台的功能包括发送直流电源的输出电压值和限流值，显示当前直流电源的实际输出电压和输出电流，以及实时显示当前的输出功率，还可以通过地址选择RS485总线上所连接的设备以及显示当前采集到的散热片上的温度。

电源控制单元选用的控制芯片是STM32F103系列芯片，用C编程，通过RS485总线与系统射频控制单元通信，接收上位机经射频控制单元发送过来电压值和限流值，并将其整合成可编程直流电源IT6724B可以接收的SCPI指令，通过RS232接口发送给直流电源，控制其输出电压和限流值，并将当前的输出电压值和电流值通过RS485总线传给上位机系统控制台。

风扇控制单元采用的风扇是4针PWM控制的静音风扇，采用DSPIC33EP32MC202作为主控芯片，可以实现环境温度150℃情况下，该单元仍然可以正常工作；通过DSPIC33EP32MC202芯片上自带的AD采集散热片上的温度，根据采集到的温度输出占空比不同的PWM波控制风扇的转速；风扇控制单元同时控制两个风扇，一个风扇吸风，一个吹风，从而达到最好的散热效果。

射频控制单元采用ARM芯片+FPGA芯片双核系统控制整个系统的工作流程，ARM芯片选用的是STM32F103系列，与FPGA芯片XC6SLX9通过SPI协议进行通信，并实现呼吸门控系统的集成，节省了空间；XC6SLX9芯片主要实现射频PWM波的输出，以及对PWM波相位和频率的微调，从而精准控制全桥驱动；PWM波的输出接口采用6路SMA接口，每路4个接口，具有更好的稳定性和信号的可靠性。

射频驱动单元采用全桥驱动的方案，四路桥臂采用单独的驱动电路，相互隔离，互不干扰；本单元采用光电耦合与SMA接口连接，光电耦合器与桥臂上MOS之间还加入了反相器和MOS驱动器，目的是对光电耦合产生的PWM波进行进一步整形，缩短上升沿的上升时间，从而实现快速地打开和关闭桥臂上的MOS管，进一步缩小系统之间的延迟，提高系统的可靠性。

本发明六路合成超大功率高强度聚焦超声射频驱动系统是驱动6片换能片同时产生超声波束，然后自聚焦于一点，从而达到大幅度提升输出功率的目的；图1所示的是1路超声换能片的整个驱动系统，六路驱动系统在硬件设计和系统设计方面完全一致，故只画出单路驱动系统的框图。

本发明六路合成超大功率高强度聚焦超声射频驱动系统总线拓扑结构图如图2所示，上位机与下位机的通信，通过RS422总线经射频控制单元接RS485总线通信；6路电源控制单元，6路风扇控制单元全部连接在RS485总线上，每个RS485总线上的设备单元都有地址设置单元，即4位拨码开关，可产生16个地址，每个设备单元拥有一个地址；上位机在控制界面上设置12个按钮，每按下一个按钮，即选择RS485总线上的一个设备；电源控制单元直接连接直流电源，控制直流电源的输出。

Claims (9)

1.一种六路合成超大功率高强度聚焦超声射频驱动系统，其特征是包括一个系统控制台、一个射频控制单元、六个电源控制单元、六个射频驱动单元以及六个风扇驱动单元；系统控制台工作在应答方式，控制整个系统的工作状态并显示系统的各项特定参数；直流稳压电源受电源控制单元的控制，输出指定的电压，驱动超声换能器；射频控制单元输出射频PWM信号，控制射频驱动单元中的全桥驱动电路的通断，进而控制超声换能器的开关；系统工作过程中会产生较大的输出功率，风扇控制单元通过采集全桥驱动电路上MOS管的温度，动态调节驱动风扇的PWM波的占空比，提高整个系统的散热能力，所有单元协同工作，驱动六片超声换能器合成输出大功率高强度聚焦超声波束。

2.根据权利要求1所述的六路合成超大功率高强度聚焦超声射频驱动系统，其特征是整个驱动系统采用的是6路合成的方案，用6片换能器整合成1片，产生的超声波束自聚焦，从而实现高强度聚焦超声波。

3.根据权利要求1所述的六路合成超大功率高强度聚焦超声射频驱动系统，其特征是射频控制单元采用ARM+FPGA的双核架构控制整个系统的工作流程，兼具通信的方便性和控制的实时性。

4.根据权利要求1所述的六路合成超大功率高强度聚焦超声射频驱动系统，其特征是系统控制台与射频控制单元之间的通信为RS422总线，收发均为差分信号，抗干扰能力强，通信波特率高。

5.根据权利要求1所述的六路合成超大功率高强度聚焦超声射频驱动系统，其特征是射频控制单元提供RS485总线，6路电源控制单元和6路风扇控制单元都挂在RS485总线上，射频控制单元可通过RS485总线访问各电源控制单元和风扇控制单元，对每个单元都可以实现远程控制与状态采集，并通过RS422总线上报驱动器的各种状态，实现带现场总线的智能化驱动器系统。

6.根据权利要求1所述的六路合成超大功率高强度聚焦超声射频驱动系统，其特征是6路射频驱动单元产生的驱动信号的频率和相对相位移均可以实现微调，以此达到最大的合成功率和最佳的合成效率。

7.根据权利要求1所述的六路合成超大功率高强度聚焦超声射频驱动系统，其特征是风扇控制单元采用DSPIC33EP32MC202作为主控芯片，以该芯片为主控的系统，可以在极其苛刻的高温条件下正常工作；通过主控芯片内置的DSP核，可以实现从温度采集到风扇转速调节的闭环控制，并采集转速信息，通过RS485总线上报给射频控制单元。

8.根据权利要求1所述的六路合成超大功率高强度聚焦超声射频驱动系统，其特征是射频控制单元除了提供射频驱动单元的全桥驱动信号外，还直接集成了呼吸门控功能，聚焦激励时安全性更高。

9.根据权利要求1所述的六路合成超大功率高强度聚焦超声射频驱动系统，其特征是系统的输出功率由6路合成，单路功率可达600W，合成总功率可达3000W。