一种相控阵高强度聚焦超声驱动电路的制作方法

本发明涉及一种相控阵高强度聚焦超声系统，尤其涉及一种相控阵高强度聚焦超声驱动电路，其应用于高强度聚焦超声治疗系统中的超声功率发射控制和系统逻辑管理，属于医学治疗仪器领域。

背景技术：

高强度聚焦超声（High Intensity Focused Ultrasound，HIFU），是将超声波能量在人体内特定区域内聚集，在此区域内人体组织被加热升温，引起组织变性，并结合机械效应、空化效应等达到消融的效果。在聚焦区域之外，因超声波未聚集、能量密度很低而不会形成温度升高，对正常组织无损伤。聚焦超声消融，因其在治疗过程中对人体没有创伤，是一种新兴的无创医疗手段，受到医生和病人的欢迎。该治疗方法已在癌症、肌瘤、结石等治疗领域得到了广泛的应用，取得了良好的效果。

采用相控阵方式控制的高强度聚焦超声消融系统，具有聚焦位置和区域双重可调、可任意调整发射面积等优点，对各类待治疗区域有良好的适应性，但存在结构复杂、成本高昂等缺点。随着技术水平的发展，越来越多的高强度聚焦超声消融系统采用相控阵的方案，为医生和患者提供了更好的治疗设备。

驱动电路是相控阵高强度聚焦超声系统中的重要组成部分，一般起到两个作用：一、产生指定频率的功率信号驱动超声换能器阵列；二、管理电路板上逻辑与外围设备逻辑。常见的相控阵驱动电路包括逻辑管理部分和发射驱动部分。由于相控阵高强度聚焦超声系统往往有几十至几百路通道需要管理和驱动，且需要较高精度的通道间相位差、幅度差等，传统的相控阵系统驱动电路会以延迟线芯片、DDS芯片、D/E类放大电路为基准进行电路的搭建。以延迟线芯片为基准搭建延时电路，存在集成度低、控制复杂的问题。以DDS芯片为基准作为波形产生电路，同样存在集成度低、控制复杂的问题。而以D/E类放大电路为基准进行功率放大，存在只能放大方波、需要后加滤波电路等不足。

技术实现要素：

本发明的目的在于设计一种相控阵高强度聚焦超声驱动电路，该电路以高精度FPGA为时序产生基准、以专用电流驱动芯片结合耗尽型MOS管为放大电路，解决了传统的相控阵高强度聚焦超声驱动电路存在的集成度低、控制复杂、只可发射波形单一的问题，具有更好的适应性。

本发明采取的技术方案是：一种相控阵高强度聚焦超声驱动电路，其包括AC-DC电源，管理控制电路和功率发射电路，所述管理控制电路通过自定义总线和I2C总线与功率发射电路连接，向其发送控制指令并接受其反馈的状态信息，管理控制电路包括控制板电源、主控ARM、以及与所述主控ARM相连的USB接口、HDMI接口、VGA接口、LAN接口、RS232接口、SDRAM、NandFlash、SATA接口、JTAG接口和CPLD，所述CPLD上连接有Trigger接口并通过自定义总线与功率发射电路连接；所述功率发射电路包括FPGA、单片机、电流驱动源、MOS管电路、阻抗匹配电路、选通开关、采样电路、计算电路和发射板电源，所述FPGA分别与单片机和管理控制电路中的CPLD连接，同时其信号输出端依次连接电流驱动源、MOS管电路和阻抗匹配电路，所述阻抗匹配电路的输出端连接超声换能器阵列，同时将输出功率信号依次通过选通开关、采样电路、计算电路汇总至单片机，所述单片机将收集到的输出功率信号通过I2C总线反馈给主控ARM，并在出现异常时直接发送给FPGA，由FPGA根据预设规则进行应急处理。

所述主控ARM用于完成驱动电路内部的协调和管理，以及运行整个相控阵高强度聚焦超声系统的控制软件，实现人机交互、外设管理功能，无需再另设上位机。

所述管理控制电路只有一个，所述功率发射电路为一个或多个，并以并列多通道方式通过自定义总线和I2C总线与管理控制电路相连接。

所述功率发射电路中包括若干通道的波形产生、功率放大、阻抗匹配和状态反馈，其中包含的通道数为2的整数次方。

所述CPLD通过自定义总线与功率发射电路板上的FPGA连接，将主控ARM传来发射参数发送到每个FPGA并缓存在其存储器中，随后由FPGA根据发射参数控制各电流驱动源，所有通道的发射基准时序信号由CPLD产生。

所述FPGA用于产生同一块功率发射电路板内的各通道间的发射延时信号、时序信号、电流驱动源的使能信号和控制信号，所述电流驱动源根据预设的条件产生发射波形，所产生的波形由MOS管电路驱动，MOS管电路采用耗尽型MOS管，可在VGS=0时产生沟道，放大各种波形而不会产生大的畸变。

通过调节所述电流驱动源的电流值来调节每个通道的发射幅度。

所述选通开关的输入端与每一个通道的输出端连接，并接受来自单片机的指令确定选通某个通道的输出信号反馈，实现每次对一个通道进行输出功率测量，在完成一个通道的输出功率测量后接受指令选通另一个通道。

所述AC-DC电源用于将220V交流电变换成48V直流电，所述控制板电源将所述AC-DC电源传来的48V直流电转换成管理控制电路中各芯片所需的不同电压的直流电，所述发射板电源将所述AC-DC电源传来的48V电源转换成功率发射电路内各芯片所需的不同电压值的直流电。

所述采样电路输入端与选通开关的输出端连接，其将所述选通开关选中的那一路通道的输出功率信号进行数字化采样；所述计算电路输入端与采样电路输出端连接，输出端与单片机连接，计算电路对采样后的数据进行硬件计算，得到当前采集的通道的实际发射功率。

本发明的有益效果是：具有集成度更高、控制更简单、可发射的波形种类更多等优点，克服了传统的此类驱动电路中的诸多不足，使得相控阵高强度聚焦超声系统具有更高的性能、更好的适应性和更简便的控制。

附图说明

图1是本发明的电路架构示意图。

图2是管理控制电路的电路连接示意图。

图3是功率发射电路的电路连接示意图。

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。

如图1至图3所示，一种相控阵高强度聚焦超声驱动电路，其包括：管理控制电路1、功率发射电路2、自定义总线3、I2C总线4、AC-DC电源5、主控ARM6、USB接口7、键盘鼠标8、HDMI接口9、显示器10、VGA接口11、LAN接口12、RS232接口13、SDRAM14、NandFlash15、SATA接口16、JTAG接口17、CPLD18、Trigger接口19、控制板电源20、FPGA21、单片机22、电流驱动源23、MOS管电路24、阻抗匹配电路25、选通开关26、采样电路27、计算电路28、发射板电源29。

所述的管理控制电路1为整个驱动电路中的信息汇总与处理的核心，通过自定义总线3和I2C总线4与一个或多个功率发射电路2连接，向其发送控制指令并接受其反馈的状态信息。

所述的功率发射电路2中包括若干通道的波形产生、功率放大、阻抗匹配、状态反馈等功能，一般其中包含的通道数为2的整数次方，比如128、64、32等。

所述的自定义总线3在管理控制电路1和功率发射电路2之间传递时序信号、使能信号、控制信号等，其位宽、速率、容错、通讯协议等根据需要自定义。

所述的I2C总线4采用I2C总线的高速模式，在管理控制电路1和功率发射电路2之间传递控制指令和反馈信息。

所述的AC-DC电源5将220V交流电变换成48V直流电，供整个驱动电路系统使用。

所述的主控ARM6是整个电路的信息处理中心，负责外设的管理、人机交互、控制指令下发、反馈信息收集等任务，可采用Coretex-A8核心的ARM芯片。

所述的USB接口7用于外部设备的连接，常规的键盘、鼠标的连接，需要的时候也可以连接打印机等设备。

所述的键盘鼠标8用于人机交互，供操作者进行信息和指令的输入。

所述的HDMI接口9用于和显示器连接，进行信息输出。

所述的显示器10进行常规信息显示。

所述的VGA11作为备用的显示器接口，当需要连接多个显示器的时候可连接增加的显示器。

所述的LAN接口12可与外设连接，也可以接入HIS(医院信息系统)进行信息交互，一般运行在10/100/1000M速率自适应状态。

所述的RS232接口13用于和外设间进行串口通讯，其数量可以有多个。

所述的SDRAM14为系统的内存，可采用DDR3标准的内存。

所述的NandFlash15用于存放系统文件，如bootloader及一些系统配置参数等。

所述的JTAG接口17为调试接口，用于开发、测试、生产过程中的程序灌入、数据通讯等。

所述的CPLD18是一个可编程逻辑器件，用于产生统一的发射基准时序信号、使能信号、控制信号等，并通过自定义总线3传输到各块功率发射板2。

所述的Trigger接口19将CPLD18中的发射基准时序信号发送到外部，以提示驱动电路开始发射的时间基准。

所述的控制板电源20将AC-DC电源5传来的48V直流电转换成管理控制电路1中各芯片所需的不同电压的直流电，供整个管理控制电路板使用。

所述的FPGA21位于功率发射电路2中，用于产生同一块功率发射电路板内的各通道间的发射延时信号、电流驱动源22的使能信号和控制信号。该FPGA工作在较高的频率下，由此可产生高精度的延时信号，并且通过修改FPGA存储器中的数据即可改变每个通道的延时量。从管理控制电路1发过来的指令只需发到FPGA21中即可对同一块发射电路板内的任意数量通道的发射状态进行修改，大大降低了控制复杂度。

所述的单片机22可以是一个Coretex-M3内核的低端ARM，通过I2C总线4接收来自主控ARM6发来的数据，并可传给FPGA21。同时收集功率发射电路上的功率测量电路得到的各通道实际发射情况，反馈给主控ARM6，并在出现异常是直接发送给FPGA21，由其根据预设规则进行应急处理。

所述的电流驱动源23是一个专用的可产生指定波形且以电流大小为调节量的驱动芯片，可在驱动电压不变的情况下通过改变驱动电流来实现发射功率的改变，解决了传统的D/E类放大电路因电路中可提供的电压等级不多而无法进行更精细功率控制的问题。

所述MOS管电路24采用耗尽型MOS管，可将电流驱动源23放出来的小信号进行放大，因其在VGS=0时即可形成沟道，可有效放大正弦波、方波、三角波等波形，增加了更多可选择性。

所述阻抗匹配电路25将功率发射电路的输出阻抗调谐到和超声换能器相同的阻抗值，使电功率可有效加载到超声换能器上。

所述选通开关26的输入端与每一个通道的输出端连接，接受来自单片机22的指令确定选通某个通道的输出信号反馈，实现每次对一个通道进行输出功率测量的目的。在完成一个通道的输出功率测量后接受指令选通另一个通道。

所述采样电路27将选通开关25选中的那一路通道的输出功率信号进行数字化采样，以便进行计算，此处需同时对输出电压和输出电流同时进行采样。

所述计算电路28对采样后的数据进行硬件计算，得到当前采集的通道的实际发射功率。

所述发射板电源29将AC-DC电源5传来的48V电源转换成功率发射电路2内各芯片所需的不同电压值的直流电，供整个功率发射电路板使用。

相控阵高强度聚焦超声系统一般包括几十到几百个独立的发射通道，每个通道都有自己的发射相位和幅度，都需要独立控制，并在发射过程中要对每个通道的实际发射情况进行监测。同时作为系统的核心部分，还要对外设进行管理、与操作者进行人机交互等。

如图1所示，整个驱动电路分为管理控制电路和功率发射电路两部分，其中功率发射电路可以有多个同样的电路板，每个电路板上包括同样数量的发射通道，由管理控制电路统一控制，两者间通过I2C总线和自定义总线互相连接。

如图2所示，当给整个系统上电后，首先从NandFlash15中加载系统启动的bootloader，由此启动主控ARM6中的Linux操作系统，并自动启动设备控制程序。设备控制程序及其涉及的数据存放在SATA接口16连接的硬盘中，SDRAM15为系统的内存，做运行时的数据高速缓存。此处，程序的界面通过HDMI接口9在显示器10上呈现给操作者，操作指令的输入通过USB接口7连接的键盘鼠标8实现。对于需要多个显示器的场合，还可以通过VGA接口11连接另外的显示器，新增的显示器可以和显示器10显示完全相同的内容，也可以通过控制程序设定显示不同的内容。

在完整的相控阵高强度聚焦超声系统中，还会包括一个B超机进行图像引导，以及一整套机械运动装置控制病人躺的床和超声探头的相对位置。主控ARM6通过LAN接口12接收来自B超机的图像数据，并通过控制软件在显示器上成像显示，操作者依据B超图像确定靶区位置，并通过控制软件向机械运动装置发出移动指令，这些指令由主控ARM6经过LAN接口12发送到机械运动控制装置上并实现对应的运动动作。

将超声探头的发射焦点和病人体内的靶区对准后，即可开始治疗过程。控制软件会根据焦点的位置、靶区的范围自动计算出聚焦点移动的路径、持续的时间等参数，同时还可进一步分解成每一个路径点对应的每一个通道的发射相位、幅度信息。

主控ARM6首先通过CPLD18并通过自定义总线3将当前路径点对应的每通道发射相位、幅度信息发送给每一块功率发射板上的FPGA21的存储器中。当每一个功率发射电路2中的每一个通道的发射参数都发送完成后，即可由主控ARM6向CPLD18发出开始发射的指令，并在CPLD18中产生统一的起始信号作为各功率发射电路的时序同步基准。这个起始信号同时也通过Trigger接口19向外输出，以便有外部设备和高强度聚焦超声系统协同工作时知晓驱动电路何时开始发射。

如图3所示，当功率发射电路3上的FPGA21接收到统一的起始信号后，根据之前已经传输过来并缓存在存储器中的每通道发射相位和幅度，在指定的时间点发出触发信号使电流驱动源23按预设的波形和频率开始产生发射波形。发射波形在MOS管电路24中被放大，并经过阻抗匹配电路25后去驱动超声换能器。这其中的MOS管电路24采用的是耗尽型MOS管，在VGS=0的时候即可形成沟道，从而可以放大正弦波、方波、三角波等多种波形，给了驱动电路更大的灵活度。

驱动超声换能器的电流，在遇到超声换能器损坏、超声路径被挡等情况时会不能充分将超声波发射出去，需要及时进行针对性处理。因此需要对每一个通道的超声输出功率进行实时监测。由于一块功率发射电路板上有许多个发射通道，可通过轮流监测的方式进行。

选通开关26在单片机22的控制下每次选择一个通道进行监测，其输出信号在采样电路27中被进行数字化采样，随后传输到计算电路28中计算出有功功率和无功功率，然后再被发送到单片机22中。在单片机22中监测结果与预设值进行比较，如果超出预设值但未到警戒值，则由单片机22向FPGA21发送调整指令并把相关信息通过I2C总线4向主控ARM6反馈；如果超出了警戒值，则由单片机22向FPGA21发送暂停指令并把相关信息反馈给主控ARM6。

当完成一个路径点上的治疗后，控制程序会操作机械运动系统移动到下一个路径点，并重复前面的治疗过程，直到完成最后一个路径点的治疗。所有的治疗过程数据将被保存在SATA接口16上连接的硬盘中，以便今后查询。

整个驱动电路的能源供应，先由AC-DC电源5将市电转换成48V直流电，然后再由控制板电源20和发射板电源29分别转换成本电路板上各芯片所需的供电电压。

综上所述，在驱动电路、控制软件及各周围设备的协同工作下即可完成相控阵高强度聚焦超声系统的治疗工作。而本发明所设计的相控阵高强度聚焦超声驱动电路，具有更高的集成度、更简单的控制、更多样化的发射波形，从而给整个系统的设计和运行带来了很大的便利性。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。