超声驱动功率监测装置的制作方法

本发明涉及一种超声监测设备，具体地，涉及一种超声驱动功率监测装置，特别是一种用于实时监测治疗超声驱动功率的装置。

背景技术：

近年来治疗超声逐渐在肿瘤热消融领域得到广泛认可。治疗超声的原理如下：通过换能器将治疗超声驱动电路输出的电能转换成超声能并将能量聚焦于靶区，使靶区组织的温度短时间上升到65℃以上，肿瘤组织进而发生蛋白质凝固性坏死。通过精确和稳定的能量输出可调节消融区的温度和范围，因此，实现输出能量的精确控制对治疗超声安全有效地消融肿瘤极为关键，而输出能量的精确控制涉及治疗超声驱动功率的实时监测。

经对现有技术的文献检索发现,专利文献CN103916202B公开了一种射频电缆在线故障监测装置，包括：对输入的电磁波信号进行耦合输出的定向耦合器，耦合器输出端口的功率检测单元，功率输出端的模数转换器以及控制单元；通过对定向耦合器输入端口和输出端口的射频电缆的传输信号进行信号耦合、功率检测、功率数据分析从而判断射频电缆是否发生故障。该装置存在以下不足之处：一、若射频电缆的传输信号功率过大，从定向耦合器输入端口耦合出的信号功率值可能超出功率检测范围，因此，该装置监测射频电缆的信号功率范围受限于功率检测范围；二、该装置仅监测电缆是否故障，并未实现功率的在线监测；三、该装置应用于射频电磁波领域，属高频范围，其中定向耦合器和功率检测单元的工作频带可能并不适用于治疗超声领域。

专利文献CN204261207U提供了一种高强度聚焦超声仪的功率监测器，包括：电路板，具有第一监测电路及第二监测电路，第一监测电路用于监测高强度聚焦超声仪的功率放大器的输出功率，第二监测电路用于监测高强度聚焦超声仪的换能器反射至功率放大器的反射功率；第一SMA射频连接件和第二SMA射频连接件，用于监测电路与高强度聚焦超声电路的电气连接；USB接头数据线，将数据与高强度聚焦超声仪的控制设备电气连接该功率监测器；该功率监测器能监测功率放大器的输出功率及经换能器反射至功率放大器的反射功率。该专利文献提供的功率监测器存在以下不足之处：一、使用SMA射频连接件用于高强度聚焦超声电路的电气连接，不利于拓展至其它常用射频连接件(如BNC、N型等)的高强度聚焦超声电路；二、使用USB接头数据线，排除了其它常用数据通信方式(如串行通信等)；三、未具体说明如何根据功率监测数据判断功率过大及反射功率过大，缺乏评估的量化指标。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种超声驱动功率监测装置。

根据本发明提供的超声驱动功率监测装置，包含功率耦合单元、功率检测单元以及功率数据采集单元；功率耦合单元、功率检测单元、功率数据采集单元依次相连；

功率耦合单元：接收超声驱动信号，输出耦合的超声驱动的功率信号，对功率信号进行衰减或不衰减；所述功率信号包含入射功率信号与反射功率信号；

功率检测单元：将经衰减或未经衰减的功率信号转换成直流电压信号；

功率数据采集单元：将直流电压信号转换成数字信号，并对数字信号进行数据计算。

优选地，所述功率耦合单元包含依次连接的双定向耦合器、衰减器、衰减器多路选通开关；

还包含超声驱动电路，所述超声驱动电路输出超声驱动信号；

所述超声驱动电路包含超声驱动信号源与超声驱动负载。

优选地，所述双定向耦合器包含第一端口、第二端口、第三端口以及第四端口这四个端口；

第一端口连接超声驱动源；第二端口连接超声驱动负载；第三端口与第四端口均与衰减器连接：

第三端口输出耦合的超声驱动的入射功率信号；第四端口输出耦合的超声驱动的反射功率信号；

所述衰减器多路选通开关控制第三端口与第四端口的输出信号进入衰减器。

优选地，第一端口、第二端口、第三端口、第四端口的阻抗均为50Ω；

双定向耦合器的工作频带为0.5～5MHz，耦合系数不小于20dB；

所述衰减器采用级联方式连接，衰减器的工作频带为0.5～5MHz，衰减量不小于3dB。

优选地，所述功率检测单元包含功率检波器；

功率检波器的工作频带为0.5～5MHz，功率检波器的动态范围包含超声驱动信号经过双定向耦合器与衰减器的功率范围。

优选地，所述功率数据采集单元包含模拟数字转化器与微控制器；

模拟数字转化器用于将功率检波器输出的直流电压信号转换成数字信号；微控制器用于将数字信号进行数据计算。

优选地，所述模拟数字转化器的最低采样率为100kHz，最小分辨率为8位；

所述微控制器根据数字信号计算入射功率Pf与反射功率Pr，并根据以下公式计算电压驻波比VSWR：

优选地，所述微控制器根据Pf与Pr判断超声驱动功率监测装置中的电路的工作状态：

当Pf＝Pr＝0时，判定超声驱动电路无输入信号；

当Pf＝Pr，Pf＞0，Pr＞0时，判定超声驱动负载处于开路状态；

当Pf＞Pr≥0时，判定超声驱动电路正常工作。

优选地，当判定超声驱动电路正常工作时，微控制器根据VSWR评估超声驱动电路的阻抗匹配：

当1≤VSWR≤5时，判定超声驱动电路的阻抗匹配良好，工作状态正常；

当VSWR＞5时，判定超声驱动电路的阻抗匹配不佳，工作状态异常。

优选地，还包含数据传输单元、数据显示单元以及控制终端；

数据传输单元将Pf、Pr以及VSWR数据从微控制器传输到控制终端；

数据显示单元显示超声驱动电路工作状态、Pf数值、Pr数值以及VSWR数值中的任一个或任多个信息。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明不仅能实时监测驱动电路的入射功率和反射功率，还能通过功率值判断驱动电路的工作状态，同时能计算电压驻波比进而评估阻抗匹配。

2、本发明并未限制功率数据的传输方式，也未限制装置与驱动电路的连接方式，易于集成到治疗超声的驱动电路中。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的超声驱动功率监测装置结构示意图；

图2为本发明使用时外部连接示意图；

图3为本发明一个实施例的结构示意图；

图4为本发明一个实施例中衰减器和衰减器选通开关的内部结构示意图。

图中示出：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。

如图1所示，本发明提供的超声驱动功率监测装置，包含功率耦合单元1、功率检测单元2以及功率数据采集单元3；功率耦合单元1、功率检测单元2、功率数据采集单元3依次相连；功率耦合单元1：接收超声驱动信号，输出耦合的超声驱动的功率信号，对功率信号进行衰减或不衰减；所述功率信号包含入射功率信号与反射功率信号；功率检测单元2：将经衰减或未经衰减的功率信号转换成直流电压信号；功率数据采集单元3：将直流电压信号转换成数字信号，并对数字信号进行数据计算。另外，本发明还包含超声驱动电路，所述超声驱动电路输出超声驱动信号；所述超声驱动电路包含超声驱动信号源6与超声驱动负载7。

所述功率耦合单元1包含依次连接的双定向耦合器11、衰减器12、衰减器多路选通开关13。所述双定向耦合器11包含第一端口111、第二端口112、第三端口113以及第四端口114这四个端口。第一端口111连接超声驱动源6；第二端口112连接超声驱动负载7；第三端口113与第四端口114均与衰减器12连接。其中，第三端口113输出耦合的超声驱动的入射功率信号，第四端口114输出耦合的超声驱动的反射功率信号。所述衰减器多路选通开关13控制第三端口113与第四端口114的输出信号进入衰减器12。所述功率检测单元2包含功率检波器21。优选地，第一端口111、第二端口112、第三端口113、第四端口114的阻抗均为50Ω；双定向耦合器11的工作频带为0.5～5MHz，耦合系数不小于20dB。所述衰减器12采用级联方式连接，衰减器12的工作频带为0.5～5MHz，衰减量不小于3dB。功率检波器21的工作频带为0.5～5MHz，功率检波器21的动态范围包含超声驱动信号经过双定向耦合器11与衰减器12的功率范围。也就是说，双定向耦合器11、衰减器12以及功率检波器21的工作频带均包含了治疗超声的频率范围

所述功率数据采集单元3包含模拟数字转化器31与微控制器32；模拟数字转化器31用于将功率检波器21输出的直流电压信号转换成数字信号；微控制器32用于将数字信号进行数据计算。优选地，所述模拟数字转化器31可完成入射功率信号和反射功率信号这两路信号的转换，最低采样率为100kHz，最小分辨率为8位。所述微控制器32根据数字信号计算入射功率Pf与反射功率Pr，并根据以下公式计算电压驻波比VSWR：

优选地，微控制器32根据Pf与Pr判断超声驱动功率监测装置中的电路的工作状态，具体如下：

当Pf＝Pr＝0时，判定超声驱动电路无输入信号；

当Pf＝Pr，Pf＞0，Pr＞0时，判定超声驱动负载7处于开路状态；

当Pf＞Pr≥0时，判定超声驱动电路正常工作。

其中，当Pf＞0，Pr＝0时，驱动电路是完全匹配状态，超声驱动电路为正常工作。由于驱动电路中没有入射功率Pf就不会有反射功率Pr，因此反射功率Pr不会大于入射功率Pf，此外，入射功率Pf与反射功率Pr不可能为负值。

当判定超声驱动电路正常工作时，微控制器32根据VSWR评估超声驱动电路的阻抗匹配，具体如下：

当1≤VSWR≤5时，判定超声驱动电路的阻抗匹配良好，工作状态正常；

当VSWR＞5时，判定超声驱动电路的阻抗匹配不佳，工作状态异常。

本发明提供的超声驱动功率监测装置还包含数据传输单元4、数据显示单元5以及控制终端8。数据传输单元4将Pf、Pr以及VSWR数据从微控制器32传输到控制终端8，数据显示单元5显示超声驱动电路工作状态、Pf数值、Pr数值以及VSWR数值中的任一个或任多个信息。如图1所示，本发明设计两个连接头，用于接入HIFU驱动电路中。

优选实施方式：如图2所示，超声驱动功率监测装置通过两个BNC连接头分别与功率放大器和换能器进行电气连接，通过UART与计算机控制终端进行数据传输。具体地，如图3所示，该装置的功率耦合单元1采用Werlatone公司的C5948双定向耦合器11、ADI公司的HMC658LP2E衰减器12和衰减器多路选通开关13；该装置的功率检测单元2采用ADI公司的AD8363RMS功率检波器21；该装置的功率数据采集单元3包括ADI公司的AD9629-20模拟数字转换器31和意法半导体公司的STM32F103VET6微控制器32；该装置包括基于UART的功率数据传输单元4和基于LCD1604的功率数据显示单元5。如图4所示，所述HMC658LP2E衰减器12采用级联方式连接，结合衰减器多路选通开关13提供不同功率衰减范围。

在STM32F103VET6微控制器32内部编写程序实现AD8363RMS功率检波器21的已知电压功率转换公式进而计算入射功率Pf和反射功率Pr，并根据Pf和Pr计算电压驻波比VSWR，公式如下，

STM32F103VET6微控制器32可根据Pf和Pr判断驱动电路的工作状态，具体如下，

(1)Pf＝Pr＝0，超声驱动电路无输入信号；

(2)Pf＝Pr，Pf＞0，Pr＞0，超声驱动负载7处于开路状态；

(3)Pf＞Pr≥0，超声驱动电路正常工作，须结合VSWR进一步判断工作状态。

STM32F103VET6微控制器32根据VSWR评估超声驱动电路的阻抗匹配，具体如下，

(1)当1≤VSWR≤5，超声驱动电路的阻抗匹配良好，工作状态正常；

(2)当VSWR＞5时，超声驱动电路的阻抗匹配不佳，工作状态异常。

所述基于UART的数据传输单元4连接STM32F103VET6微控制器32和计算机控制终端8进行Pf和Pr以及VSWR数据的实时传输。基于LCD1604数据显示单元5可实时显示驱动电路的工作状态、Pf和Pr数值以及VSWR。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。