CN118059379A - 一种自动扫频追频的超声治疗头驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动扫频追频的超声治疗头驱动电路，包括电源模块、电压转化模块、超声驱动电路、超声换能器和扫频追频电路板，所述扫频追频电路板由电压采样模块、信号处理模块和MCU芯片组成，所述电压采样模块对超声换能器进行电压采集，并通过信号处理模块传输至MCU芯片，所述MCU芯片的脉冲信号输出端与驱动超声驱动电路的信号输入端连通。与现有技术相比，本发明通过电压反馈的方式，没有时间延迟，反应更加迅速，可以更加准确地捕捉到超声波信号的微小变化，系统会自动扫频追频使基波频率与超声换能器最大谐振频率一致，使超声换能器在最高频率输出，有效提高超声治疗头的治疗效果，在安装制造时，不用反复调试，提高了生产效率。

Description

一种自动扫频追频的超声治疗头驱动电路

技术领域

本发明涉及超声治疗仪的印制电路领域，尤其涉及一种自动扫频追频的超声治疗头驱动电路。

背景技术

超声脉冲电导治疗技术是一种以物理能力为动力，使药物通过完整皮肤进而进入人体循环和病变组织发挥药物治疗作用的一种新的剂型和药剂学方法。实现药物靶位传输、精准投药的医疗技术，具有许多优于口服和注射给药方法的特点。超声电导仪通过超声治疗头中的压电陶瓷超声换能器，将产生的脉冲力传递给金属电极片，使泡沫棉中的药物发射透过皮肤进入体内，促进人体表面药物吸收。

由于压电陶瓷超声换能器受陶瓷材质、结构以及封装情况等因素的影响，使每个压电陶瓷超声换能器的谐振频率范围都不一致，在每次组装完超声治疗头时，都需要不停改变治疗头的超声驱动电路产生的基本波频率，确保超声驱动电路能正常驱动压电陶瓷超声换能器工作，工作繁琐且效率低下。而且每个压电陶瓷超声换能器的谐振频率范围内都有个最大谐振频率点，如果能使超声驱动电路压的基本波频率与电陶瓷超声换能器的最大谐振频率点一致，电陶瓷超声换能器的振幅会比非最大谐振频率点高很多，使超声治疗头的治疗效果会有很大提升。即使在生产制造时，将基本波频率调到与电陶瓷超声换能器的最大谐振频率点一致，但随着超声治疗头日常使用，以及环境温度和使用年限的原因，压电陶瓷超声换能器的最大谐振频率点都可能变化，这也是影响超声治疗仪无法保持最佳的治疗效果的原因之一。

因此本公司考虑对现有超声治疗头的驱动电路进行改进创新，从而设计出一种能在超声治疗仪器每次启动时，都能对超声换能器的最大谐振频率进行自动扫频检测，并调整超声治疗头驱动电路输出，使其与超声换能器的最大谐振频率一致，以此极大的提高了超声治疗头的超声治疗效果，而且每次安装制造时，也不用反复调试超声换能器驱动电路基波频率，极大的提高了生产效率。而现有超声换能器的谐振频率跟踪扫频方法，基本都采用电流检测，电流检测则可能存在一定的时间延迟，需要进行信号处理和计算，因此反应速度相对较慢。电流检测的电流数据无法达到电压的变化精度，通常只能提供整体上的电流信息，无法获得超声波信号在各个点上的具体变化情况。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种能有效的提高电极贴片的导电能力，以此提高治疗效果，并能很好使贴片粘接于人体表面，同时避免治疗过程中药液外泄问题的自动扫频追频的超声治疗头驱动电路。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种自动扫频追频的超声治疗头驱动电路，包括电源模块、电压转化模块、超声驱动电路、超声换能器和扫频追频电路板，所述扫频追频电路板由电压采样模块、信号处理模块和MCU芯片组成，所述电压采样模块对超声换能器进行电压采集，并通过信号处理模块传输至MCU芯片，所述MCU芯片的脉冲信号输出端与驱动超声驱动电路的信号输入端连通，所述电源模块通过电压转化模块为超声驱动电路、超声换能器和MCU芯片供电。

作为优选，所述MCU芯片的型号是STM32F103RCT6，芯片的主振频率为72MHz。

作为优选，所述MCU芯片产生300ms、占空比可调的方波，通过超声驱动电路中的2个MOS管驱动芯片，驱动4个MOS管形成H桥电路产生正负方波，通过变压器放大形成正弦波推动超声换能器震荡。

作为优选，所述电压采样模块采用偏置电压采集电路，所述电压采样模块对超声换能器不同频点的电压进行采集。

作为优选，所述电源模块、电压转化模块、超声驱动电路、超声换能器和扫频追频电路板安装于超声治疗头内。

作为优选，所述MCU芯片进行扫频和追频的方法如下，

步骤一，MCU芯片在基本波形频率范围内生成一个超声波形，使超声换能器进行有效输出；

步骤二，通过电压采集电路自动扫频，采集本次频率反馈输出的10次电压数据，并使用类比法取出该频率出现次数最多的电压数据，作为本频率反馈的电压数据并记录下来；

步骤三，自动切换到下一个频率，并采用同样的方式进行电压数据采集；分别采集15组基波反馈的电压数据，并记录每组基波反馈的电压数据；

步骤四，追频时，找到15组数据中反馈电压值最小的反馈电压，以该反馈电压值所使用的基波频率作为谐振频率点，并向超声驱动电路输出该谐振频率，从而实现追频。

作为优选，步骤四中，将比较出的谐振频率点结合波形偏移因素进行计算，计算出能使换能器产生最大功率的最佳谐振频率点。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明通过电路反馈电压实现超声换能器的自动追频和扫频功能，相比现有电流检测方式的扫频追频方法，没有时间延迟，无需复杂的信号处理与计算，反应更加迅速，通过电压反馈的方式进行监测，可以更加准确地捕捉到超声波信号的微小变化，并针对点对点之间的数据变化进行相应的处理和分析，能够实时监测超声波的振动频率和振幅变化。

(2)采用本发明的扫频追频电路板后，在设备每次启动时，都能对超声换能器的最大谐振频率进行自动扫频检测，并通过追频调整超声治疗头驱动电路输出，使其输出与超声换能器最大谐振频率一致的基波频率，以此使超声换能器在最高频率输出，有效提高超声治疗头的超声治疗效果。而且在安装制造时，也不用反复调试超声换能器驱动电路基波频率，系统会自动扫频追频，极大的提高了生产效率。

附图说明

图1为本发明的结构原理图；

图2为本发明MCU芯片的引脚接口图；

图3为本发明超声治疗头驱动电路的电路原理图；

图4为本发明输出数据的曲线图。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明，

本发明通过电路反馈电压实现超声换能器的自动追频和扫频功能。在开启超声治疗头后，系统会自动进行一段特定频率范围内的扫描。在本实施例中，扫描的换能器测得的实际谐振频率为608kHz，扫描的频率范围为585kHz到760kHz。该产品采用的微控制器单元(MCU)是STM32F103RCT6，芯片的主振频率为72MHz。通过这种系统设计，能够更精确地追踪超声波的频率变化，并灵活适应不同频率范围的应用需求。

实施例：一种自动扫频追频的超声治疗头驱动电路，其电路原理图参见图1至图3，包括电源模块、电压转化模块、超声驱动电路、超声换能器和扫频追频电路板，所述扫频追频电路板由电压采样模块、信号处理模块和微控制器单元MCU芯片组成，所述电压采样模块采用偏置电压采集电路，所述电压采样模块对超声换能器不同频点的电压进行采集，并通过信号处理模块传输至MCU芯片，所述MCU芯片的脉冲信号输出端与驱动超声驱动电路的信号输入端连通，所述电源模块通过电压转化模块为超声驱动电路、超声换能器和MCU芯片供电。

所述MCU芯片的型号是STM32F103RCT6，芯片的主振频率为72MHz，通过这种系统设计，能够更精确地追踪超声波的频率变化，并灵活适应不同频率范围的应用需求。该芯片具有ADC检测功能以及定时器的使用，同时使用到了该芯片的互补PWM波形进行超声驱动电路的驱动，使超声驱动电路发出的基本波频率与超声换能器的最大谐振频率一致，从而使超声换能器能达到最大输出功率。

所述信号处理模块进行整流分压和运放处理，形成与实际电压的比例为144：1的ADC信号。

所述电源模块、电压转化模块、超声驱动电路、超声换能器和扫频追频电路板安装于超声治疗头内，每次使用超声治疗仪时，超声治疗头的电源模块通电，扫频追频电路板则自动对超声换能器进行检测，确定其最大谐振频率点，并驱动超声驱动电路与超声换能器的最大谐振频率一致。

工作时，所述MCU芯片产生300ms、占空比可调的方波，通过超声驱动电路中的2个MOS管驱动芯片，驱动4个MOS管形成H桥电路，产生正负方波，通过变压器放大形成正弦波，推动超声换能器震荡，驱动信号经过变压器放大，电压AC100-AC300V，当超声换能器的谐振频率点与驱动信号一致时，此时电压采集模块采集的电压为最高值。当换能器的谐振频率点与驱动信号不一致时，电压降低，电压采集模块经过整流桥后通过分压电路经过运放处理后，形成与实际电压的比例为144：1的ADC信号，然后将ADC信号给MCU提供电压比对，MCU采用最高电压的频点给驱动电路，达到自动适配有误差的换能器工作，使超声驱动电路此时的基本波频率与超声换能器的最大谐振频率点一致，超声换能器实现最大功率工作。

本发明通过电压反馈值进行扫描，与其他基于电流检测的方法相比，有以下优点：首先，电压监测能够实时监测超声波的振动频率和振幅变化，反应更加迅速。而电流检测则可能存在一定的时间延迟，需要进行信号处理和计算，因此反应速度相对较慢。此外，电流数据无法达到电压的变化精度。而使用电压监测，因为电压值直接反映了超声波信号的振幅和频率，我们可以获取点对点之间的数据变化。而电流检测通常只能提供整体上的电流信息，无法获得超声波信号在各个点上的具体变化情况。

因此，本发明通过电压反馈的方式进行监测，可以更加准确地捕捉到超声波信号的微小变化，并针对点对点之间的数据变化进行相应的处理和分析。这种方法在需要更高精度和更实时的超声波监测应用中尤为重要。

实验测试如下：本发明使用电路反馈电压实现超声换能器的自动追频和扫频功能，通过程序控制，在开启超声后会自动进行一段特定频率范围内的扫描。在本次实验中，扫描换能器测得的实际谐振频率为608kHz，扫描的频率范围为585kHz到760kHz。我们通过程序将记录值进行了100倍的放大处理，放大处理不仅突显了每个频率的差异性，还使我们能够通过对比每个数据的差异，提取出最适合的数据。我们进而将这些数据应用到我们的换能器频率中，从而实现了换能器输出功能的最大化。通过这种方式，我们测试得到了输出数据如表1所示：

表1:

表1展示了经过放大处理后的数据，这些数据反映了每个频率的独特性和差异性，为我们提供了丰富的信息。我们通过对比这些数据，识别出了最适合的频率设置，并将其成功应用到了我们的超声换能器中。这种设置使得换能器的输出功能达到了最大，为我们提供了更优质、更高效的输出结果。

通过数据表格的详细记录，我们可以清晰地看到，当MCU自动生成的频率为666KHZ时，我们的超声换能器的输出功率达到了最大值，这与实际测出的谐振频率相差2KHZ。这是由MCU的自动生成频率所决定的，但通过提高MCU的主振频率，我们可以实现输出精度的进一步提升，通过观察曲线图，如图4，可以更直观地看出这一变化趋势，并进一步理解这一频率设置对输出功率的影响，这些数据和图表为我们提供了宝贵的参考信息，可助于我们优化超声换能器的性能，实现更高效的输出。曲线图中，本发明通过换能器功率的变化趋势与我们的电压反馈值的变化趋势，总结规律得到向下偏向和向上偏向都会提高程序的输出功率，其中向下偏移的反馈数据实际测出的输出功率普遍大于向上偏移实际，更提高程序和检测数据的可用性和有效性。

所述MCU芯片进行扫频和追频的方法如下：

步骤一，MCU芯片在基本波形频率范围内生成一个超声波形，使超声换能器进行有效输出；

步骤二，通过电压采集电路自动扫频，采集本次频率反馈输出的10次电压数据，并使用类比法取出该频率出现次数最多的电压数据，作为本频率反馈的电压数据并记录下来；

步骤三，自动切换到下一个频率，并采用同样的方式进行电压数据采集；分别采集15组基波反馈的电压数据，并记录每组基波反馈的电压数据；

步骤四，追频时，以该反馈电压值所使用的基波频率作为谐振频率点，并向超声驱动电路输出该谐振频率，从而实现追频。在实际使用过程中，可能会产生一些影响波形偏移的因素，可通过经验公式或修正公式，将比较出的谐振频率点结合波形偏移因素进行计算，能得出更准确的超声换能器的最大功率的最佳谐振频率点。

本发明采用了电压反馈数据，并结合超声功率计实际测试出的数据，进行了数据的规整，从而找到最适合换能器的谐振频率。

为证明上述方法的可靠性，通过以五组换能器设备进行测试：

先通过其他设备进行换能器的扫频后，测得五组换能器最大谐振数据分别为623KHZ、610KHZ、685KHZ、702KHZ、652KHZ，所以MCU芯片所生成的基本波形频率设定为为560-750KHZ之间的基波。

系统启动后，首先生成一个550KHZ频率的超声波形，超声有效输出为每300ms周期输出20ms的超声波形，也就是超声有效输出为6％，在每次超声有效输出时，电路会反馈给我们一个电压；系统自动开启换能器连接端的控制，并自动采集到本次输出记录到的10次数据，并使用类比法取出该频率出现次数最多的数据作为本次频率反馈的数据，记录完数据后，程序会自动切换到下一个频率采用同样的方式进行数据采集，采集的频率为560-750KHZ之间的15组的数据基波反馈的电压数据。

在实际功率计测出数据与MCU芯片记录的实际电路电压数据对比过程中发现，五组换能器设备数据反馈的电压数据，向下偏向和向上偏向都会提高程序的输出功率，其中向下偏移的反馈数据实际测出的输出功率普遍大于向上偏移实际，由此作为推断依据，MCU芯片会记忆向下偏移数据最小数据(也就是15组数据中反馈电压值最小的数据)，使用电压反馈值所使用的基波频率，即可实现换能器的追频功能。

以上对本发明所提供的一种自动扫频追频的超声治疗头驱动电路进行了详尽介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，对本发明的变更和改进将是可能的，而不会超出附加权利要求所规定的构思和范围，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种自动扫频追频的超声治疗头驱动电路，其特征在于：包括电源模块、电压转化模块、超声驱动电路、超声换能器和扫频追频电路板，所述扫频追频电路板由电压采样模块、信号处理模块和MCU芯片组成，所述电压采样模块对超声换能器进行电压采集，并通过信号处理模块传输至MCU芯片，所述MCU芯片的脉冲信号输出端与驱动超声驱动电路的信号输入端连通，所述电源模块通过电压转化模块为超声驱动电路、超声换能器和MCU芯片供电。

2.根据权利要求1所述的一种自动扫频追频的超声治疗头驱动电路，其特征在于：所述MCU芯片的型号是STM32F103RCT6，芯片的主振频率为72MHz。

3.根据权利要求1所述的一种自动扫频追频的超声治疗头驱动电路，其特征在于：所述MCU芯片产生300ms、占空比可调的方波，通过超声驱动电路中的2个MOS管驱动芯片，驱动4个MOS管形成H桥电路产生正负方波，通过变压器放大形成正弦波推动超声换能器震荡。

4.根据权利要求1所述的一种自动扫频追频的超声治疗头驱动电路，其特征在于：所述电压采样模块采用偏置电压采集电路，所述电压采样模块对超声换能器不同频点的电压进行采集。

5.根据权利要求1所述的一种自动扫频追频的超声治疗头驱动电路，其特征在于：所述电源模块、电压转化模块、超声驱动电路、超声换能器和扫频追频电路板安装于超声治疗头内。

6.根据权利要求1所述的一种自动扫频追频的超声治疗头驱动电路，其特征在于：所述MCU芯片进行扫频和追频的方法如下，

步骤一，MCU芯片在基本波形频率范围内生成一个超声波形，使超声换能器进行有效输出；

步骤二，通过电压采集电路自动扫频，采集本次频率反馈输出的10次电压数据，并使用类比法取出该频率出现次数最多的电压数据，作为本频率反馈的电压数据并记录下来；

步骤三，自动切换到下一个频率，并采用同样的方式进行电压数据采集；分别采集15组基波反馈的电压数据，并记录每组基波反馈的电压数据；

步骤四，追频时，找到15组数据中反馈电压值最小的反馈电压，以该反馈电压值所使用的基波频率作为谐振频率点，并向超声驱动电路输出该谐振频率，从而实现追频。

7.根据权利要求6所述的一种自动扫频追频的超声治疗头驱动电路，其特征在于：步骤四中，将比较出的谐振频率点结合波形偏移因素进行计算，计算出能使换能器产生最大功率的最佳谐振频率点。