CN210693570U - 一种基于磁耦谐振的阵列式换能器的无线驱动系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于换能器驱动系统技术领域，公开一种基于磁耦谐振的阵列式换能器的无线驱动系统，包括依次连接的：驱动信号发生模组，用于产生多路高频超声驱动信号；无线发送谐振电路阵列，接收所述驱动信号发生模组传输的驱动信号，所述驱动信号作用于所述无线发送谐振电路阵列并产生相应的交变磁场；无线接收谐振电路阵列，与所述无线发送谐振电路阵列形成磁场耦合，接收所述无线发送谐振电路阵列传输的驱动信号；换能器阵列，接收所述无线接收谐振电路阵列传输的驱动信号以产生超声波信号。本实用新型提供一种基于磁耦谐振的阵列式换能器的无线驱动系统，无复杂导线连接、束缚。

Description

一种基于磁耦谐振的阵列式换能器的无线驱动系统

技术领域

本实用新型涉及换能器驱动系统技术领域，尤其涉及一种基于磁耦谐振的阵列式换能器的无线驱动系统。

背景技术

高强度聚焦超声治疗(HIFU)是一种新型的肿瘤治疗方法,运用该方法治疗肿瘤时，可以利用超声聚焦，利用高强度超声波杀灭靶区内的肿瘤细胞而不损伤周围正常组织，实现对肿瘤组织的微创治疗。换能器是HIFU治疗装置中重要的部件，换能器由电信号驱动并产生超声能量，换能器一般置于病人体外但要尽量靠近要切除的组织的部位。现有的换能器的驱动系统存在以下缺陷：

(1)现有有技术中，阵列式换能器采用有线驱动，当换能器阵元数量庞大时，一方面连接线数量将会非常大，造成连接和检修困难；

(2)另一方面，由于大量连接线的束缚，换能器的位置相对固定，限制了换能器治疗范围；

(3)另外，导线传输会造成一定的电磁干扰。

基于上述情况，我们有必要设计一种能够解决上述问题的基于磁耦谐振的阵列式换能器的无线驱动系统。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：提供一种基于磁耦谐振的阵列式换能器的无线驱动系统，无复杂导线连接、束缚。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种基于磁耦谐振的阵列式换能器的无线驱动系统，包括依次连接的：

驱动信号发生模组，用于产生多路高频超声驱动信号；

无线发送谐振电路阵列，接收所述驱动信号发生模组传输的驱动信号，所述驱动信号作用于所述无线发送谐振电路阵列后产生相应的交变磁场；

无线接收谐振电路阵列，与所述无线发送谐振电路阵列形成磁场耦合，接收所述无线发送谐振电路阵列传输的驱动信号；

换能器阵列，接收所述无线接收谐振电路阵列传输的驱动信号以产生超声波信号。

进一步的，所述驱动信号发生模组包括FPGA芯片组、上位机、功率放大器组，所述FPGA芯片组与所述上位机、所述功率放大器组电信号连接，所述FPGA芯片组接收所述上位机控制指令，根据所述控制指令生成制定的信号，经功率放大器组放大后作为驱动信号传输至所述无线发送谐振电路阵列。

进一步的，所述无线发送谐振电路阵列包括无线发送板，所述无线发送板上设置有发送螺旋线圈阵列，所述发送螺旋线圈阵列中每一发送螺旋线圈对应一所述驱动信号。

进一步的，所述无线发送板包括第一上层面和第一底层面，所述发送螺旋线圈阵列设置在所述第一上层面上，所述第一底层面上设置有多个第一谐振电容及多个信号输入端口，所述信号输入端口连接所述驱动信号发生模组，所述第一上层面与所述第一底层面电连接。

进一步的，所述无线接收谐振电路阵列包括无线接收板，所述无线接收板上设置有接收螺旋线圈阵列，所述接收螺旋线圈阵列中的接收螺旋线圈与所述发送螺旋线圈阵列中的发送螺旋线圈一一对应。

进一步的，所述无线接收板包括第二上层面和第二底层面，所述接收螺旋线圈阵列设置在所述第二上层面上，所述第二底层面上设置有多个第二谐振电容及多个阻抗匹配电路，所述第二底层面上设置有所述换能器阵列安装位，所述第二上层面与所述第二底层面电连接。

进一步的，所述无线接收谐振电路阵列包括多个无线接收谐振电路模块，所述接收螺旋线圈阵列包括多个接收螺旋线圈，所述无线接收谐振电路模块包括串联设置的接收谐振单元、所述阻抗匹配电路，所述接收谐振单元包括并联设置的所述第二谐振电容、所述接收螺旋线圈。

进一步的，所述换能器阵列与所述无线接收谐振电路模块电导线连接。

进一步的，所述接收谐振单元与所述阻抗匹配电路之间设置有调频电路模块。

进一步的，所述换能器阵列的布置方式为矩形或环形。

本实用新型的有益效果为：提供一种基于磁耦谐振的阵列式换能器的无线驱动系统，实现阵列式换能器无线驱动，无复杂导线连接；消除了大数量的传输导线束缚，无线发送板和无线接收板之间不受障碍物影响，传输距离大，增加换能器阵列可移动范围；能消除导线传输造成的电磁干扰。

附图说明

图1为本实用新型无线驱动系统的总体结构方框示意图；

图2为本实用新型中磁藕谐振式无线传输电路示意图；

图3为本实用新型中无线发送谐振电路阵列电路布置示意图；

图4为本实用新型中无线接收谐振电路阵列电路布置示意图；

图5为本实用新型中无线接收端频率调整示意图。

其中，驱动信号发生模组100，FPGA芯片组110，上位机120，功率放大器组130；

无线发送谐振电路阵列200，无线发送谐振电路210，无线发送板220，螺旋线圈阵列211，第一谐振电容212，信号输入端口213，第一上层面221，第一底层面222，发送螺旋线圈2111；

无线接收谐振电路阵列300，无线接收谐振电路模块310，无线接收板320，接收螺旋线圈阵列311，第二谐振电容312，阻抗匹配电路313，接收谐振单元314，调频电路模块315，第二上层面321，第二底层面322，接收螺旋线圈3111，电感3131，电容3132；

换能器阵列400，换能器410。

具体实施方式

为使对本实用新型的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解和认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

如图1至图5所示，一种基于磁耦谐振的阵列式换能器的无线驱动系统，包括依次连接的：

驱动信号发生模组100，用于产生多路高频超声驱动信号；

无线发送谐振电路阵列200，接收驱动信号发生模组100传输的驱动信号，驱动信号作用于无线发送谐振电路阵列后产生相应的交变磁场；

无线接收谐振电路阵列300，与无线发送谐振电路阵列200形成磁场耦合，接收无线发送谐振电路阵列200传输的驱动信号；

换能器阵列400接收无线接收谐振电路阵列300传送的驱动信号以产生超声波信号。

无线发送谐振电路阵列200包括多个无线发送谐振电路210，无线接收谐振电路阵列300包括多个无线接收谐振电路模块310，换能器阵列400包括多个换能器410，驱动信号发生模组100产生的多路高频超声驱动信号分别传输到多个无线发送谐振电路210，每一无线发送谐振电路210对应一无线接收谐振电路模块310，每一无线接收谐振电路模块310对应一换能器410，即一无线发送谐振电路210、一无线接收谐振电路模块310和一换能器410构成一传输驱动通道，无线发送谐振电路阵列200、无线接收谐振电路阵列300、换能器阵列400构成多路独立的传输驱动通道。

驱动信号发生模组100包括FPGA芯片组110、上位机120、功率放大器组130，FPGA芯片组110与上位机120、功率放大器组130电信号连接，FPGA芯片组110接收上位机120控制指令，根据控制指令生成制定的信号，经功率放大器组130放大后作为驱动信号传输至无线发送谐振电路阵列200。

驱动信号发生模组100根据换能器410聚焦要求，由上位机120计算生成驱动信号控制数据，FPGA芯片组110根据控制上位机120控制数据生成多路正弦波信号，经功率放大器组130作用生成能驱动换能器阵列400工作的多路固定频率、相位和幅度正弦波信号；每一路驱动信号频率与对应通道的无线发送谐振电路210的谐振频率一致。

本实用新型的一种基于磁耦谐振的阵列式换能器的无线驱动系统，还包括电源模块(图中未示出)，用于给驱动信号发生模组100、无线发送谐振电路阵列200、无线接收谐振电路阵列300提供电能。

如图3所示，无线发送谐振电路阵列200包括无线发送板220，无线发送板220上设置有发送螺旋线圈阵列211，发送螺旋线圈阵列211中每一发送螺旋线圈对应一驱动信号。

无线发送板220包括第一上层面221和第一底层面222，发送螺旋线圈阵列211设置在第一上层面221上，第一底层面222上设置有多个第一谐振电容212及多个信号输入端口213，信号输入端口213连接驱动信号发生模组100，第一上层面221与第一底层面222电连接。在一些实施方式中，无线发送板220优选为印制电路板，第一上层面221与第一底层面222通过PCB过孔连接。

如图2所示，无线发送谐振电路阵列200包括多个无线发送谐振电路210，发送螺旋线圈阵列211包括多个发送螺旋线圈2111，无线发送谐振电路210包括一发送螺旋线圈2111、一第一谐振电容212、一信号输入端口213，第一谐振电容212与发送螺旋线圈2111并联构成发射谐振系统，发射谐振系统与信号输入端口213串联构成无线发送谐振电路210，在发送螺旋线圈2111中产生与驱动信号频率一致的谐振电流；无线发送谐振电路阵列200中的多个无线发送谐振电路210的谐振频率都不相同。

如图4所示，无线接收谐振电路阵列300包括无线接收板320，无线接收板320上设置有接收螺旋线圈阵列311，接收螺旋线圈阵列311中的接收螺旋线圈3111与发送螺旋线圈阵列211中的发送螺旋线圈2111一一对应。

无线接收板320包括第二上层面321和第二底层面322，接收螺旋线圈阵列311设置在第二上层面321上，第二底层面322上设置有多个第二谐振电容312及多个阻抗匹配电路313，第二底层面322上设置有换能器阵列安装位，第二上层面321与第二底层面322电连接。换能器阵列安装位用于安装多个换能器410。在一些实施方式中，无线接收板320优选为印制电路板，第二上层面321与第二底层面322通过PCB过孔连接。

如图2所示，无线接收谐振电路阵列300包括多个无线接收谐振电路模块310，接收螺旋线圈阵列311包括多个接收螺旋线圈3111，无线接收谐振电路模块310包括串联设置的接收谐振单元314、阻抗匹配电路313，接收谐振单元314包括并联设置的所述第二谐振电容312、接收螺旋线圈3111。

阻抗匹配电路313包括一电感3131和一电容3132，电感3131与换能器410串联后与电容3132并联。无线接收谐振电路模块310的谐振频率与无线发送谐振电路210的谐振频率相同，无线发送谐振电路210与无线接收谐振电路模块310产生磁耦合，更具体的，无线发送谐振电路210与接收谐振单元314产生磁耦合，实现能量的传输；换能器410与无线接收谐振电路模块310连接，更具体的，换能器410与阻抗匹配电路313连接，阻抗匹配电路313用以抵消换能器410的容性负载。

如图5所示，在一些实施方式中，接收谐振单元314与阻抗匹配电路313之间设置有调频电路模块315。

一般的，在不同的治疗方案中，要求换能器阵列400中的多个换能器410具有不同的谐振频率，或者，要求换能器阵列400中的多个换能器410具有相同的谐振频率。

当要求换能器阵列400中的多个换能器410具有相同的谐振频率时，若此时驱动信号发生模组100产生与多个换能器410对应的多路同频率信号，并通过无线发送谐振电路阵列200传送至无线接收谐振电路阵列300，那么，由无线发送谐振电路210、无线接收谐振电路模块310组成的多路无线传输通道之间会相互干扰，影响多路信号的独立传输，因此本实用新型采用驱动信号发生模组100控制产生多路不同频率的驱动信号，并通过无线发送谐振电路阵列200传送至无线接收谐振电路阵列300，作用于换能器阵列400，由于由无线发送谐振电路210、无线接收谐振电路模块310组成的多路无线传输通道的谐振频率不同，因此多路传输通道互不干扰，此时在接收谐振单元314与阻抗匹配电路313之间增加调频电路模块315，多个接收谐振单元314对应多个不同的调频电路模块315，无线接收谐振电路阵列300接收到的多路不同频率信号经过对应的多路调频电路模块315调制成具有相同频率的多路独立驱动信号，该信号频率与换能器阵列400中的多个换能器410的工作频率一致，经阻抗匹配电路313后作用于换能器410。

当要求换能器阵列400中的多个换能器410具有不同的谐振频率时，此时驱动信号发生模组100直接产生与多个换能器410谐振频率对应的多路不同频率驱动信号，并通过无线发送谐振电路阵列200传送至无线接收谐振电路阵列300，此时，多路无线传输通道之间会相互独立。

换能器阵列400的布置方式为矩形或环形。

在一些实施方式中，换能器410与无线接收板320集成在一起，无线发送板220与无线接收板320平行布置，发送螺旋线圈2111与接收螺旋线圈3111相向布置，发送螺旋线圈2111与接收螺旋线圈3111直径一致，优选的，无线发送板220与无线接收板320之间的距离为发送螺旋线圈2111直径的两倍，发送螺旋线圈2111最小直径20mm。换能器阵列400的布置方式与接收螺旋线圈阵列311、发送螺旋线圈阵列211的布置方式一致，均为矩形或环形。

本实用新型未涉及的部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

最后应说明的是：在本实用新型的描述中，技术术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”等表示方向或位置关系是基于附图所示的方向或位置关系，仅是为了便于描述和理解本实用新型的技术方案，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神与范围。

Claims (9)

1.一种基于磁耦谐振的阵列式换能器的无线驱动系统，其特征在于，包括依次连接的：

驱动信号发生模组，用于产生多路高频超声驱动信号；

无线发送谐振电路阵列，接收所述驱动信号发生模组传输的驱动信号，所述驱动信号作用于所述无线发送谐振电路阵列后产生相应的交变磁场；

无线接收谐振电路阵列，与所述无线发送谐振电路阵列形成磁场耦合，接收所述无线发送谐振电路阵列传输的驱动信号；

换能器阵列，接收所述无线接收谐振电路阵列传输的驱动信号以产生超声波信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁耦谐振的阵列式换能器的无线驱动系统，其特征在于，所述驱动信号发生模组包括FPGA芯片组、上位机、功率放大器组，所述FPGA芯片组与所述上位机、所述功率放大器组电信号连接，所述FPGA芯片组接收所述上位机控制指令，根据所述控制指令生成制定的信号，经功率放大器组放大后作为驱动信号传输至所述无线发送谐振电路阵列。

3.根据权利要求1所述的一种基于磁耦谐振的阵列式换能器的无线驱动系统，其特征在于，所述无线发送谐振电路阵列包括无线发送板，所述无线发送板上设置有发送螺旋线圈阵列，所述发送螺旋线圈阵列中每一发送螺旋线圈对应一所述驱动信号。

4.根据权利要求3所述的一种基于磁耦谐振的阵列式换能器的无线驱动系统，其特征在于，所述无线发送板包括第一上层面和第一底层面，所述发送螺旋线圈阵列设置在所述第一上层面上，所述第一底层面上设置有多个第一谐振电容及多个信号输入端口，所述信号输入端口连接所述驱动信号发生模组，所述第一上层面与所述第一底层面电连接。

5.根据权利要求3所述的一种基于磁耦谐振的阵列式换能器的无线驱动系统，其特征在于，所述无线接收谐振电路阵列包括无线接收板，所述无线接收板上设置有接收螺旋线圈阵列，所述接收螺旋线圈阵列中的接收螺旋线圈与所述发送螺旋线圈阵列中的发送螺旋线圈一一对应。

6.根据权利要求5所述的一种基于磁耦谐振的阵列式换能器的无线驱动系统，其特征在于，所述无线接收板包括第二上层面和第二底层面，所述接收螺旋线圈阵列设置在所述第二上层面上，所述第二底层面上设置有多个第二谐振电容及多个阻抗匹配电路，所述第二底层面上设置有所述换能器阵列安装位，所述第二上层面与所述第二底层面电连接。

7.根据权利要求6所述的一种基于磁耦谐振的阵列式换能器的无线驱动系统，其特征在于，所述无线接收谐振电路阵列包括多个无线接收谐振电路模块，所述接收螺旋线圈阵列包括多个接收螺旋线圈，所述无线接收谐振电路模块包括串联设置的接收谐振单元、所述阻抗匹配电路，所述接收谐振单元包括并联设置的所述第二谐振电容、所述接收螺旋线圈。

8.根据权利要求7所述的一种基于磁耦谐振的阵列式换能器的无线驱动系统，其特征在于，所述接收谐振单元与所述阻抗匹配电路之间设置有调频电路模块。

9.根据权利要求1所述的一种基于磁耦谐振的阵列式换能器的无线驱动系统，其特征在于，所述换能器阵列的布置方式为矩形或环形。

Images