CN110743107A

CN110743107A - 一种基于stm32f334的大功率高强度聚焦超声驱动系统

Info

Publication number: CN110743107A
Application number: CN201911027736.7A
Authority: CN
Inventors: 何爱军; 熊文强; 申鹏
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2020-02-04

Abstract

一种基于STM32F334的大功率高强度聚焦超声驱动系统，由ARM控制单元，UI控制单元、数字电源单元、射频驱动单元、风扇控制单元、呼吸门控单元六个单元构成。所有单元均由同一片STM32F334来控制与协调，相比于经典的MCU加FPGA的控制方案，本系统集成度高、可靠性好，充分利用了STM32F334片内的高精度定时器资源，可以从4.608GHz往下分频，最高分辨率可达217ps，保证了数字电源单元的移相全桥和射频驱动单元的H桥的PWM驱动信号的精度。同时呼吸门控单元也是采用STM32F334片内的高速ADC采集呼吸信号来实现，在治疗过程中射频驱动单元与呼吸门控单元之间的同步性得到了进一步提升。

Description

一种基于STM32F334的大功率高强度聚焦超声驱动系统

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)驱动系统采用的主流ARM加FPGA方案存在成本较高，集成度低，射频驱动信号精度不高，呼吸同步处理实时性不高，整个驱动系统还需要额外配置电源，为了消除这些缺陷，设计了一种基于STM32F334的大功率高强度聚焦超声的驱动系统。

背景技术

现代电子信息产业的飞速发展同时也带动了医疗技术的进步，21世纪的外科手术也由微创进入无创的时代。高强度聚焦超声(HIFU)作为一种新兴的技术已经在医学和美容上应用广泛，并取得了良好的效果，尤其是近年来在一些肿瘤治疗和筋膜提升(皮肤紧致)等方面效果较好。

HIFU技术是将体外的超声发出的声能量聚焦于人体组织，在人体组织内形成一个声场强度较高的区域，在超声持续一段时间作用下，位于声场强度较高区域的组织细胞会受到影响，影响程度的大小取决于声场强度的大小，而其它区域的组织细胞基本不会受到影响。如果声场强度很大，在该区域，产生瞬间高温(65℃～100℃)和空化效应，令该区域的组织细胞凝固性坏死，空化效应使细胞膜、核膜破裂，细胞失去扩散能力。在医学上可用于治疗一些肿瘤疾病，利用HIFU的这些特性可以实现破坏病变组织的目的。而在这个过程是不可逆的，彻底达到“消融”的目的，取得良好的治疗效果。

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，到达病患焦区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)在整个治疗过程中，针对不同的场景，需要的超声功率大小不一，时间长度不一，因此对驱动系统的精度提出更高的要求，即输出特定的功率并持续某一段时间作用于特殊位置。这些问题亟待解决。

本发明设计的基于STM32F334大功率高强度聚焦超声驱动系统就是为了解决之前HIFU驱动系统所使用的ARM加FPGA方案造成的精度低、成本高、调试困难、集成度低、精度不够高等问题。本发明采用的单片STM32F334高度集方案，利用STM32F3334自带的高精度定时器(HRTIM)资源产生射频输出信号，其自带5个高精度定时器(HRTIM_CHA～HRTIM_CHE)，每个定时器有两路输出(CH1、CH2)外设，其中的4路高精度定时器输出作为控制H桥的射频输出，其余的高精度定时器输出外设用于移相全桥数字电源单元，两者相结合能够达到较高精度的驱动效果；经典方案中的电源部分一般是独立的，需要额外采购，在本设计中电源是内置的，并且由同一片STM32F334芯片来控制，系统集成度高、可靠性好。整个系统的各个单元响应迅速，能够较好的与患者的呼吸同步，在患者身体最平稳的时刻治疗，取得较好的治疗效果。

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；此外，在治疗过程中由于驱动信号的精度不够高，整个驱动系统不能很好地与人的呼吸同步而造成的治疗效果差。因此就需要发明一种基于STM32F334高强度聚焦超声驱动系统。

本发明的技术解决方案为：整个系统主要由6个部分组成，UI控制单元，ARM控制单元，数字电源单元，射频驱动单元，风扇控制单元，呼吸门控单元。整个系统各个单元工作如下：UI控制面板是一块由STM32F334芯片通过自带的SPI总线直接驱动的高分辨率IPS屏，通过几个按键来设置一些参数和进行其它操作，屏幕上显示和设置一些关键参数，这些参数可以通过STM32F334直接获取以及设置；ARM控制单元是以一片STM32F334为主的控制中心；数字电源单元由ARM控制单元自带高精度定时器(HRTIM)以及自带的高速AD采样通道配合开关电源移相全桥拓扑结构构成，它是一个可控的大功率移相全桥数字电源，该电源后续作用于射频驱动单元，为其提供足够大的电功率；射频驱动单元直接由ARM控制单元驱动，自带的高精度定时器(一共有5个，每路有2个输出口)经由MOS驱动芯片驱动4个大功率桥臂，每个桥臂由2个大功率MOS管并联而成，以增大MOS管通过电流；风扇控制系统是一个PID闭环自动调节的系统，输入参数是ARM控制单元自带的高速AD通道采集到贴在散热片上NTC两端的电压值，设定好一定温度下NTC两端的电压范围，即正常工作的温度范围，该PID控制环自动调节驱动风扇的PWM信号的占空比，以此来产生不同的转速，达到整个系统工作在合适温度范围内的效果；呼吸门控系统由气压传感器和ARM控制单元自带的高速AD采样通道组成，通过连续采集病人呼吸信号，对采集到的数字信号计算分析，得到呼吸控制信号，以此判断病人身体最平稳的时刻，该时刻就是最佳治疗时刻，以上是各个单元组件的功能详解；在整个系统工作的过程中，ARM主控单元直接控制其它各个单元，以及接收处理其它各个单元传输的数据，整个系统工作十分稳定可靠，响应快速，系统具体如何具体工作，可以详见说明书附图1。

附图说明

图1是本发明系统简要结构框图

图2是本发明系统详细结构框图

具体实施方式

本发明基于STM32F334的大功率高强度聚焦超声驱动系统整体简易结构框图如图1所示，包括一个UI控制单元、一个ARM控制单元，一个数字电源单元，一个风扇散热单元，一个射频驱动单元，一个呼吸门控单元。

UI控制单元即一个控制显示的人机界面，是一块高分辨率的IPS屏，作为整个系统的显示和控制中心，主要用来显示和设置关键的参数，直接以SPI总线方式与ARM控制系统进行通信，从而监控显示整个系统的工作情况；UI控制单元的功能包括设置数字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，实时显示当前的输出功率，以及显示当前采集到的散热片上的温度以及风扇的转速。

ARM控制单元是一片STM32F334，负责与其它各个单元直接通信，准确无误地完成UI控制单元对其它单元参数的设置，将其它单元实时工作的参数回传到UI控制单元，以及利用其自带的许多外设资源构成其它单元，如自带的ADC作为风扇散热单元和呼吸门控单元的组成部分，自带的HRTIM作为数字电源单元和射频驱动单元的组成部分，自带的SPI总线与UI控制单元双向通信等。

数字电源单元主要由ARM控制系统来实现，由220V交流电压经过整流稳压滤波，得到一个直流电压经过移相全桥拓扑结构，配合ARM控制单元自带的高精度定时器输出射频驱动信号。在UI控制面板上设置好相关参数，并将相关参数传给ARM控制系统，ARM控制系统根据这些参数就可以调整数字电源的输出相关参数。结合呼吸门控单元采集呼吸信号，得到呼吸控制信号，从而识别整个过程中哪个时刻病人是最平稳的，在最佳时刻治疗，数字电源能够及时有效的快速输出合适的功率，达到良好的治疗效果。

风扇散热单元采用的风扇是4针PWM控制的静音风扇，采用STM32F334芯片作为主控芯片，在环境温度150℃情况下，整个系统仍然可以正常工作；通过STM32F334芯片上自带的高速AD采样通道采集贴散热片上的NTC分压值来获得散热片上的温度，采集到的温度作为PID闭环温度调节的输入参数，输出参数为控制风扇转速的占空比，不同占空比的PWM波控制风扇的转速；风扇控制单元同时控制两个风扇，一个风扇吸入空气，一个吹出空气，从而达到最好的散热效果。

射频驱动单元采用全桥驱动的方案，四个桥臂采用单独的驱动电路，相互隔离，互不干扰；本单元采UCC27211芯片来驱动大功率MOS管，STM32F334芯片自带的高精度定时器输出引脚直接和UCC27211相连接，即STM32F334自带的高精度定时器引脚输出PWM波到UCC17211，UCC27211输出PWM驱动信号分别控制4个MOS管的通断，从而达到H桥的稳定控制，通过实验发现，该控制方案输出的PWM控制信号时间分辨率高，在最高频率4.068GHz的分频下，其最高精度可达217ps。

呼吸门控单元在整个系统工作时，不断采集人体的呼吸信号，并对这些离散的数字信号进行分析计算，得到一个呼吸控制信号，该信号能判断人体在哪一时刻处于最平稳，在人体最平稳的时刻治疗能取得良好的治疗效果。

本发明基于STM32F334的大功率高强度聚焦超声驱动系统是驱动的单个超声换能片同时产生超声波束，相比较于经典的解决方案，整个系统的实时性较好，可靠性较高，经典ARM+FPGA方案在整个系统工作时，FPGA需要不断接收ARM发送过来的数据，以此来输出特定的H桥驱动信号，产生特定的电功率驱动超声换能器，在整个治疗过程上有一定的延时，而本发明的方案，所有关键数据的处理都在单片STM32F334中完成，实时性好，治疗效果好，图1所示的是1路高强度聚焦超声驱动系统，图2是整个系统的详解。

Claims

1.一种基于STM32F334的大功率高强度聚焦超声驱动系统，其主要特征为基于STM32F334，充分利用其片内资源所构成的单芯片控制系统，包括ARM控制单元、UI控制单元、数字电源单元、射频驱动单元、风扇控制单元、呼吸门控单元，ARM控制单元由单片STM32F334构成，协调整个系统的工作；UI控制单元由STM32F334的SPI接口驱动高分辨率IPS屏来实现，负责显示和设置相关参数；STM32F334芯片自带的高精度定时器HRTIM资源以及相应的PWM、ADC等外设资源用于设计一个DC-DC数字电源构成数字电源单元，以及后续的H桥驱动单元，二者单片驱动，同步工作；STM32F334芯片自带的高精度定时器HRTIM工作在4.608GHz频率下，从而可以通过分频输出4路高精度PWM信号，最高分辨率可达217ps，驱动H桥射频驱动单元；风扇散热单元通过采集散热片上NTC两端的电压分压值获取温度变化趋势，ARM控制单元根据趋势调节风扇的转速，以此达到降温的效果；呼吸门控单元通过采集呼吸信号，得出最佳治疗时间，达到最佳治疗效果。

2.根据权利要求1所述的一种基于STM32F334的大功率高强度聚焦超声驱动系统，其特征是驱动H桥4个桥臂的4路PWM射频驱动信号主要由STM32F334产生，其自带的高精度定时器(HRTIM)可以输出高精度的射频信号，而且可以高分辨率地调整射频信号的相移；射频输出信号频率最高由4.608GHz往下分频得到，分频系数为16位范围是1～65535，最高分辨率可达217ps，充分保证了射频驱动信号的精度。

3.根据权利要求1所述的一种基于STM32F334的大功率高强度聚焦超声驱动系统，其特征是系统内嵌一个大功率的数字可控电源，这个数字电源是直接由220V交流电压经过整流稳压滤波，得到一个直流电压经过移相全桥拓扑结构，并在STM32F334控制系统控制下得到一个可控的数字电源，数字电源移相全桥的控制信号和H桥的驱动信号是由同一片STM32F334给出，从而可以满足高强度聚焦超声驱动系统的一些特定输出要求，例如在输出功率超声的过程中实时监测数字电源端和H桥驱动端的电压电流，保证输出功率的精度。

4.根据权利要求1所述的一种基于STM32F334大功率高强度聚焦超声驱动系统，其特征是UI控制面板是一块高分辨率的SPI接口的电容屏，由同一片STM32F334的SPI接口驱动，可以方便地设置工作参数，并实时地显示数字电源和H桥驱动部分的电压电流值。

5.根据权利要求1所述的一种基于STM32F334大功率高强度聚焦超声驱动系统，其特征是通过STM32F334片内的高速ADC实现内置的呼吸门控单元，STM32F334通过气压传感器采集呼吸信号，得出呼吸控制信号，计算出最佳治疗时刻，呼吸门控和H桥驱动输出实现在同一片STM32F334内，便于实现两个单元之间的同步，从而达到最佳治疗效果。