CN109078271B - 一种磁共振兼容的相控聚焦超声驱动电路 - Google Patents

一种磁共振兼容的相控聚焦超声驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种磁共振兼容的相控聚焦超声驱动电路，与超声换能器组连接，包括依次连接的FPGA输出控制信号模块、信号发生器模块组和信号调理模块组，其中，该FPGA输出控制信号模块，接收上位机的控制数据，并根据所述控制数据生成信号发生器控制信号和信号发生器片选信号；该信号发生器模块组，根据所述信号发生器控制信号和信号发生器片选信号输出正弦波；该信号调理模块组，根据所述正弦波产生用于驱动换能片工作的高电压高电流正弦信号。与现有技术相比，本发明具有减少对法拉第笼物理屏蔽方式的依赖、集成化程度高易模块扩展等优点。

Description

一种磁共振兼容的相控聚焦超声驱动电路
技术领域
本发明涉及一种相控聚焦超声驱动电路，尤其是涉及一种磁共振兼容的相控聚焦超声驱动电路。
背景技术
现有相控聚焦超声的驱动电路多为D类/E类功放，采用半桥/全桥电路来实现。其采用方波信号作为输入信号源，经过放大以及低通滤波后，驱动超声换能器。这样的实现方式，高次谐波能量不可忽视，和磁共振协同工作时，需要使用具有等电位面的法拉第笼，来屏蔽其发射的射频噪声。
在磁共振引导的经颅高强度聚焦超声等应用场合，较大横截面积的法拉第笼，影响到了磁共振射频线圈本身的发射和接收，影响磁共振正常工作。因此，在这些场合，需要具有较低高次谐波能量的驱动电路；
另外，在磁共振引导的经颅高强度聚焦超声等应用场合，由于颅骨不同点对超声的折射和反射不同，因此需要具有更高相位精度的驱动电路；
同时，由于颅骨的组织间较大的声阻抗差异，造成的反射，从而导致反射波和入射波形成驻波，对大脑构成危害，因此需要具有更高时间控制精度的驱动电路；
最后，在磁共振引导的经颅高强度聚焦超声等应用场合，需要较大的独立驱动电路数量(n>500)，因此对于驱动电路最好有更小的体积和更简易的集成方式。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种磁共振兼容的相控聚焦超声驱动电路。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种磁共振兼容的相控聚焦超声驱动电路，与超声换能器组连接，包括依次连接的FPGA输出控制信号模块、信号发生器模块组和信号调理模块组，其中，
该FPGA输出控制信号模块，接收上位机的控制数据，并根据所述控制数据生成信号发生器控制信号和信号发生器片选信号；
该信号发生器模块组，根据所述信号发生器控制信号和信号发生器片选信号输出正弦波；
该信号调理模块组，根据所述正弦波产生用于驱动换能片工作的高电压高电流正弦信号。
所述FPGA输出控制信号模块包括全局时钟模块、复位模块、上位机通讯接口、控制信号发生器接口和寄存器列表，所述全局时钟模块分别连接上位机通讯接口、控制信号发生器接口和寄存器列表，所述复位模块分别连接上位机通讯接口、控制信号发生器接口和寄存器列表。
所述信号发生器模块组包括多个并联的信号发生器，在所述信号发生器控制信号和信号发生器片选信号产生至少一路正弦波，各路正弦波具有独立的频率、幅度、相位和长度参数。
所述信号发生器由DDS芯片实现。
所述信号调理模块组由多个信号调理模块组成，每个信号调理模块包括依次连接的电压放大器、电流放大器组和换能片阻抗匹配组。
所述电压放大器包括多个相同的线性运放，各线性运放具有同相固定增益。
所述电流放大器组包括多个相同的线性功放，各线性功放具有同相固定增益。
所述换能片阻抗匹配组包括多组匹配电路。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、较低的高次谐波能量，减少对法拉第笼物理屏蔽方式的依赖。具体地，在信号源头，根据待输出基频的范围选用有较低谐波能量输出的DDS芯片；在电路设计上，尽可能都用低噪高速的集成芯片实现电路功能，避免非线性元器件使用。
2、本发明采用信号调理模块包括电压放大器、电流放大器组和换能片阻抗匹配组，对于信号功率的放大分电压和电流放大两步进行，一方面减轻了线性功放芯片工作强度，另一方面保证了整体带宽增益积，使信号频率可调节范围更大。
3、本发明处理较纯净低噪声的正弦波信号使用线性运放，不会过度发热，电效率也有一定提升，较分立元件更容易使用和集成。
4、本发明设置有换能片阻抗匹配组，运放的输出电阻和含容性负载会构成传输函数的一个极点，在运放输出端串接电阻Rs，会形成一个零点，以消除可能存在的自激振荡。
5、体积小，易于模块化集成。
附图说明
图1为本发明驱动电路的结构示意图；
图2为FPGA输出控制信号模块的结构示意图；
图3为信号发生器模块组的结构示意图；
图4为信号调理模块组的结构示意图；
图5为电压放大器的结构示意图；
图6为电流放大器组的结构示意图；
图7为换能片阻抗匹配组的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例提供一种磁共振兼容的相控聚焦超声驱动电路100，与超声换能器组200连接，包括依次连接的FPGA输出控制信号模块101、信号发生器模块组102和信号调理模块组103，其中，FPGA输出控制信号模块101接收上位机的控制数据，并根据控制数据生成信号发生器控制信号和信号发生器片选信号；信号发生器模块组102根据信号发生器控制信号和信号发生器片选信号输出正弦波；信号调理模块组103根据正弦波产生用于驱动换能片工作的高电压高电流正弦信号。整个驱动电路的输入是上位机发送的控制数据，为数字信号，输出是一定输出模式下有固定频率、幅度、相位的正弦波，为模拟信号。
如图2所示，FPGA输出控制信号模块101包括全局时钟模块111、复位模块112、上位机通讯接口A、控制信号发生器接口B和寄存器列表113，全局时钟模块111分别连接上位机通讯接口A、控制信号发生器接口B和寄存器列表113，复位模块分别连接上位机通讯接口A、控制信号发生器接口B和寄存器列表113。FPGA输出控制信号模块101与上位机之间可以以USB/网口/串口等多种方式进行通讯，FPGA同信号发生器以SPI/I2C总线等方式进行通讯。
如图3所示，信号发生器模块组102包括n个并联的信号发生器121，在信号发生器控制信号和信号发生器片选信号产生四路正弦波，该四路正弦波具有独立的频率、幅度、相位和长度输出模式参数。本实施例中，信号发生器121由DDS芯片实现，每个DDS芯片接收来自FPGA的控制信号，产生1到4路输出，每路输出均具有独立的频率、幅度、相位和长度输出模式参数的正弦波。
信号发生器模块组具以有如下指标：
1、高精度；频率分辨率10hz，相位分辨率1°。
2、满足用于经颅治疗的多通道(通道数n*4>500)大尺寸换能器与MR电磁兼容的要求，高次谐波衰减均大于50dB。
3、灵活的信号输出模式；脉冲波结合灵活的输出频率模式对相控型高强度聚焦超声在颅内治疗中可能产生的驻波风险有抑制作用。
如图4所示，信号调理模块组103由多个信号调理模块组成，每个信号调理模块包括依次连接的电压放大器131、电流放大器组132和换能片阻抗匹配组133。信号调理模块组103的输入是信号发生器输出的正弦波，输出是能驱动换能片工作的高电压高电流正弦信号。该信号调理模块组103的原理是：每路信号先用高速线性运放对信号进行固定增益的放大，再将信号经过高速电流放大器进一步放大，最后结合RLC分析仪遴选出合适的电容和电感做匹配，为传输线、换能片构建合适的阻抗环境。
电压放大器131包括多个相同的线性运放，各线性运放具有同相固定增益。电流放大器组132包括多个相同的线性功放，各线性功放具有同相固定增益。换能片阻抗匹配组133包括多组匹配电路。线性运放、线性功放和匹配电路的个数均相同，且等于信号发生器输出的最大正弦波路数。
本实施例中，如图5所示，电压放大器131内部包含4个相同的高速线性运放，采用同相固定增益放大，增益的设定与反馈电阻Rf有关，大小为(1+Rf/R1)，R2用于传输线阻抗匹配。运放的输出电阻和含容性负载会构成传输函数的一个极点，在运放输出端串接电阻Rs，会形成一个零点，以消除可能存在的自激振荡。
本实施例中，如图6所示，电流放大器组132内部有4个相同的高速高压电流放大器Power_amp即线性功放，输入是经过电压放大器组_1后的正弦波信号，可以输出高电压高电流正弦波信号。电路采用同相固定增益放大，增益的设定与反馈电阻RF有关，大小为(1+RF/R)。
本实施例中，如图7所示，换能片阻抗匹配组133内部有4组匹配电路，匹配目标是希望传输线和超声换能器以及匹配电感、匹配电容的整体阻抗呈纯阻性。原理是：超声换能片为容性器件，在电路中串入合适感值的电感器件使整体阻抗回归为纯阻性，则驱动信号在该模块中无用功转化为有用功，表现为正弦波信号在电感电容间谐振放大，可有效驱动换能片发射出相应频率的超声波信号。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种磁共振兼容的相控聚焦超声驱动电路，与超声换能器组连接，其特征在于，包括依次连接的FPGA输出控制信号模块、信号发生器模块组和信号调理模块组，其中，
该FPGA输出控制信号模块，接收上位机的控制数据，并根据所述控制数据生成信号发生器控制信号和信号发生器片选信号；
该信号发生器模块组，根据所述信号发生器控制信号和信号发生器片选信号输出正弦波；
该信号调理模块组，根据所述正弦波产生用于驱动换能片工作的高电压高电流正弦信号；
所述信号发生器模块组包括多个并联的信号发生器，根据所述信号发生器控制信号和信号发生器片选信号产生至少一路输出正弦波，各路输出正弦波具有独立的频率、幅度、相位和输出模式参数，所述信号发生器由DDS芯片实现；
所述信号调理模块组由多个信号调理模块组成，每个信号调理模块包括依次连接的电压放大器、电流放大器组和换能片阻抗匹配组。
2.根据权利要求1所述的磁共振兼容的相控聚焦超声驱动电路，其特征在于，所述FPGA输出控制信号模块包括全局时钟模块、复位模块、上位机通讯接口、控制信号发生器接口和寄存器列表，所述全局时钟模块分别连接上位机通讯接口、控制信号发生器接口和寄存器列表，所述复位模块分别连接上位机通讯接口、控制信号发生器接口和寄存器列表。
3.根据权利要求1所述的磁共振兼容的相控聚焦超声驱动电路，其特征在于，所述电压放大器包括多个相同的线性运放，各线性运放具有同相固定增益。
4.根据权利要求1所述的磁共振兼容的相控聚焦超声驱动电路，其特征在于，所述电流放大器组包括多个相同的线性功放，各线性功放具有同相固定增益。
5.根据权利要求1所述的磁共振兼容的相控聚焦超声驱动电路，其特征在于，所述换能片阻抗匹配组包括多组匹配电路。
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Granted publication date: 20200807

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Assignor: Shanghai Shende Wuchuang Era Medical Technology Co.,Ltd.

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Denomination of invention: A Magnetic Resonance Compatible Phased Focused Ultrasound Driver Circuit

Granted publication date: 20200807

License type: Common License

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