相控型高强度聚焦超声治疗系统的研制

相控型高强度聚焦超声治疗系统的研制 上海交通大学 博士后学位论文 相控型高强度聚焦超声治疗系统的研制 姓名:白景峰 申请学位级别:博士后 专业:生物医学工程 指导教师:陈亚珠 20030201上海交通大学博士矮研究工作 摘要 相控高强度聚焦超声最治疗超声和肿瘤热疗领域新的研究热点。它 利用超声波特有豹深穿透能力、强方向憔和聚焦性,实现超声能量在人 体深部组织的高强度会聚,在短时间内造成病变缎织的急性热损伤。由 于相控聚焦超声治疗焦斑小,治疗时阅短,因此可以提高治疗精度、治 疗效率和治疗成功率。 本文从实际临床应用的角度出发,完成了相控型高强度隳焦超声肿 瘤治疗系统的部分研裁工作,具体陶察如下: .设计了系统整体结构,实现了治疗系统的运动控制; 。研究了符合耜控聚焦要求的小型大功率超声换麓器簿元的谐摄式 功率放大技术,保证了功率放大单元在相位釉幅度上的~致性,提 高了电声转换效率。 .研涮了基予技术豹糖控傣号发生系统,溃足驱动多臻功率 放大单元和相控聚焦的要求,实现多路信号相位的精确可调,结合 谐振式功率放大器,实现位量化精度.。的路相控信号 发生系统。 .研究了相控型治疗系统下组织热场分析及血流下的补偿计 算。建立了血流下的热搀导模型,根据照浚的微循环区域内的温度 变化,实现了治疗热场温度分布奉偿。 关键字:高强度,相控聚焦超声,治疗系统,肿瘸上海交通大学博士后研究工 作报告 功 . , , 曲. . . ,, . : . . . .. . , .一, ?.。 . .?? . . , , :曲 ,上海交通犬学辩士后硒窥工作报告 第一章前言 ,弓富 ,是近年亲发展怒采的一 高强度聚焦超声五蜘 项新技术【。它采用/的高强度,加热时间仅需..秒,就可使组 织温度达到,缬髓蛋白质在懑温下发生急峻凝溺坏甄。与传统的热疗相比, 高强度聚焦怒声治疗漂褥许多优点:声藏聚焦旋越声波可以溉俸,实瑷对深 部瘸 变组织的治疗;小的治疗焦斑使高精殿治疗成为可能,航而潞龅正常组织受 到损伤; 短时间的急性热损伤克服了传统热疗对斑运情况的械赖,提高了治疗成功率: 由于治 疗时闻短,掰丽大大掇搿了治疗效率;由于高强度趣声可以形成瀚塑的焦斑,从而使 治疗的窝织蹑踪和定位帽对简单。由于高强度聚焦超声具有类似手术的治疗效暴,因 而又称为超声手术椰 啪或超声组织剥离 , 但是这静乎术又不同于传缆韵手术,它珂以实飘髀外治疗,最~种无损的手术。 正是疰子蕊强寝聚黑趣声遮些鼗麓的优点,它已经或为演疗麓声领域耨的磷究热 点】【。在国外,高强度聚焦超声经被证明可以应用于豌、目匣、心脏、肝脏、肾脏、 胰脏、直肠、自列腺游部位的肿瘤和滚病的治疗瞄”。国内在避方面的研究起步较 晚,上海交邋大学医学糖声研究室趑野瀑高强魔聚焦超声技术研究数早静擎霞,在王 鸿樟教授的带领下取樽了掇多研究成果重庆驻科大学暖学超声研究所也是进 行该项技术研究较早的单位,他们程动物实验和临床研究方丽取得了丰寓的成果 【碰。上海交通大学嫩物蹑学披器瓣瓮搿在陈强臻院士瀚繁镢下,也在积极 开惩该 顼技术麴磷究,致力予鞠控簿剿趣黪瀣疗系统煞开发和舔铡,荠取得了一定的进展 四。【。 . 治疗的物理基础 超声生物学效应是趱声治疗学的生物物理基础,所谓超声生物效应是生物体在受 到超声作用前后其状态、功?%和结掏缴生生物的变化。超声生物效应研究是怒声治疗 方法与辊瑷及疗效译豁聪必须的。趣声生物效窥鼹一个卡势复杂麴问题,取决予许多 物理积生物学寿蕊莳阁索,麴声强麓、辎射时搦、声爝瓣阔和空漆结构,组织炎型与 生理状态、温度和压力铸外部条件。总的说来,高强度聚焦超声对人体组织产生的生 物效应主要包括:热效随、机赫效臌邪空纯效应。 热效廊上海交通大学搏士后研究工作报告 一定强度的超声波在人体组织内传播时,与人体组织相互作用,其声能不断被组 织吸收而转变成热能,使组织温度升高。单位媒质体积在秒内吸收的热能可表示为: 却。毕竽 式中为超声声压,。。为超声在组织中吸收系数,与超声频率,近似成正比, 因而超声频率和声强是影响组织温升的两大因素,在频率不变的情况下,声强大,则 温升快,为超声阻抗, 高强度聚焦超声技术可以使聚焦区域声强达到几百瓦每平方厘米或更高,在如此 高的强度下,焦区内组织在短时间内就能上升到以上,使细胞蛋白质凝固坏死, 达到治疗目的。 机械效应 超声波是一种机械波,因此当超声波在人体中传播时,不论其强度大小都产生机 械振动。治疗用的超声频率一般为兆赫级,这意味着人体受到超声作用处的组织质点 每秒要作上百万次的高速来回振动。人体细胞及组织在如此强烈变化的力学环境中振 动,其功能和状态都会受到很大的影响。尤其在强超声作用下,会产生辐射压力、辐 射扭力和声流等非线性现象,它们可以使血液中的红细胞产生平动和转动,有时使细 胞溶解,细胞功能改变,大分子降解及酶变性等等。 空化效应 超声空化是指生物组织及其液体中的微小气泡核在超声波的作用下被激活,它表 现为泡核的振荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程。当声波声强足够大时,声 压幅值很大,而且正负压交替出现,在负压期间作用于物质微元之间的拉力会把组织 撕破,造成空化泡,而在声波正压期间又使刚刚形成的空化泡压缩而使之崩溃。在空 化泡崩溃的瞬间会迅速产生高温、高压,促使附近组织受到严重损伤。 高强度聚焦超声辐照组织时,常常伴有空化效应。研究表明:当超声幅照强度超 过一定值时,焦斑中通常含有小‘孑”,这些孔的存在主要由空化效应引起。一旦空化 产生,将会使焦斑扩散且扩散点位置难以预测,因此高强度聚焦超声治疗过程中应当 尽量避免空化发生。 超声与人体组织发生作用时,在任何频率上都有一个引起超声空化效应的声压幅 度最低极限,达到此值就会产生空化效应,这一闽值与频率大致成线性关系:上海交通大学博士后研究工作报告 只.. ? 其中只的单位为,的单位为。因此为了避免高强度聚焦超声治疗过程中 产生空化现象,通常声波频率不能太低。 .相控型研究的意义与现状 为了使超声深入人体深部病变组织,且使正常组织不受到损伤,同时为了在治疗 区域得到高的超声能量密度,聚焦措施是必不可少的。目前主要采用的聚焦方式有曲 面自聚焦,声透镜聚焦和相控阵列聚焦,其原理分别如图、和。可以看 出,与曲面自聚焦方式和声透镜聚焦不同,相控阵列聚焦是通过控制阵元激励信号的 相位,使声波波阵面曲率和中心位置发生变化,从而实现声束的电子聚焦和扫描。 啪 ?雾雾 衄弘 图.球面、透镜与相控聚焦示意图 超声相控聚焦技术从相控雷达技术发展起来,最早应用于超声医学成像,从 年代以后才开始应用于超声治疗技术中。虽然相控技术在超声成像中的应用已经比较 成熟,但是应用于高强度聚焦超声治疗技术中还处于起步阶段。这主要是由于在超声 成像中,对超声能量的要求相对较低,因而可以采用比较小的阵元来避免栅 瓣的产生, 采用比较少的阵元数目来降低阵列及其相位控制电路的复杂程度。而在高强度聚焦超 一一上海交通大学博士后研究工作报告 声治疗中则要求阵列具有很高的输出功率,同时又要求在治疗声场中不能有大于主焦 点声强.倍的栅瓣或其它形式的声强极值点。这样就对相控阵列设计带来了很多 挑战,一方面,高输出功率要求大的阵列发射强度和面积,这可以通过增加单个阵元 的激励信号幅值、增加阵元表面发射面积和增加阵元数目等方法实现;另一方面,由 于一定材料的换能器阵元对激励信号的承受能力是有限度的,阵元尺寸的增大则会增 大栅瓣,而阵元数目的增:大大增加了阵列及其相位控制电路的制作和调试复杂程 度,使其难以实现或成本太高。同时阵列设计参数,比如激励信号频率、阵元形状、 大小、间距、数量和排列方式等都对提高阵列的声强增益和改善栅瓣水平有着复杂的 影响,如何确定这些参数对超声阵列的设计和实现非常重要。 对超声治疗相控阵列的研究,经历了从线阵【到平面阵‘ ,从平面阵到球 面阵【 ,从阵到随机阵‘】的发展和研究,但至今这些研究,尤其是对用于 体外高强度聚焦超声治疗的二维相控阵的研究,仍然处于探索阶段,还远远没有克服 高强度聚焦超声相控阵列复杂性过高的难题。 因为相控聚焦是通过控制阵元激励信号的相位,达到声束聚焦的目的,因此与自 聚焦和声透镜聚焦相比具有很多优点: 可以实现电子聚焦和扫描而不是机械聚焦和扫描,使治疗定位更加准确和灵活, 焦点位置切换速度更快。 聚焦方式更加灵活,可以根据不同的病变组织形状和位置,形成不同的焦点强度 和分布模式,不仅可以形成单焦点而且可以形成多焦点,如图。 声束路径控制更加灵活,可以使声束绕过骨骼等屏障【,而避免超声对正常 组织的损伤,扩大了体外超声治疗的应用范围,如图。 图相控阵列对声束的控制上海交通大学博士后研究工作报告 由于组织的不均匀性、换能器性能的差异以及治疗目标的移动引起的聚焦和定位 误差,可以通过电子调控方式进行校正或补偿】。 如果采用独立封装的阵元来组成阵列,还可以达到降低维护成本的目的。 .主要研究 相控型治疗系统能够付诸临床应用关键在于建立完整的理论分析、设计和 仿真的基础上实现其应用化。相控阵列的结构特性对声场的影响、组织温度分布、生 物热传导模型、声场测量、组织的热受损情况分析以及图像分割重建定位等方面的研 究构成了支持本系统的坚实基础。在这些理论指导下,如何在实践中将其由理论上升 为实际应用的高度,完成系统整体硬件及其不逢相关的软件设计,构造真实的仪器系 统,解决工程应用中的难题,便成为本文研究重点。总体上,本文的主要研究内容如 下: .设计符合临床实际应用的系统整体结构,完成各部分功能的模块化分割,在 机械系统设计的基础上实现治疗系统的运动控制: 丑.研究符合相控聚焦要求的小型大功率超声换能器阵元的谐振式功率放大技 术,保证功率放大单元在相位和幅度上的一致性,提高电声转换效率。 .研制基于技术的相控信号发生系统,满足驱动多路功率放大单元和相 控聚焦的要求,实现多路信号相位的精确可调,结合谐振式功率放大器,实现 位量化精度.。的路相控信号发生系统。 香研究相控型治疗系统下组织热场分析及血流下的补偿计算。根据焦点顺 序扫描的治疗方式,可有效增加组织的热受损区域:并建立血流下的热传 导模型,根据血流的微循环区域内的温度变化,实现组织热场温度分布补偿。 通过上述问题的研究,解决了相控型高强度聚焦超声技术实际应用的一些核心问 题,为相控系统的临床应用奠定必要的基础。 一一上海交通大学博士后研究工作报告 第二章相控聚焦超声治疗系统及运动控制设计 .引言 目前,高强度聚焦超声治疗系统的外观形状不尽相同,但多为龙门式结构,超声 聚焦治疗头位于龙门顶或治疗床体上,由此决定水系统是否为封闭式。采用庞大的龙 门式结构,除考虑治疗头的重量较大外,主要因为该结构易于实现并成为一个整体, 因此治疗系统相对更为庞大,不但影响治疗时的舒适度,并且给病人带来一定的压抑 感。在本系统的结构设计中,考虑符合目前国际大型医疗仪器的发展方向,采用了 型臂的结构,设计不但精巧合理,而且综合考虑了临床应用的需要,实现了型臂 和治疗床体的维运动,同时为达到精密定位和治疗,治疗头内设计为精密多维运动。 .系统结构 本文中的相控型聚焦超声治疗系统主要由机械及运动控制系统、超声治疗头及其 驱动系统、超监测及定位系统、水循环冷却处理系统、计算机系统和软件系统等部 分组成。 ..硬件结构 .机械及运动控制系统。主要采用型臂结构设计,型臂具有摆动和伸缩两个 运动,治疗床体能够实现维运动。运动控制用于提供超声聚焦斑更大的运动空间, 使得聚焦斑可以按照既定的治疗路线,对肿瘤组织进行多层次,多次数的治疗。由于 肿瘤组织具有相当的体积,通常恶性肿瘤的分布空间较为复杂,因此更需要焦斑能够 到达肿瘤组织所能达到的区域。该部分必须能够提供足够的运动精度。系统的形状机 构如图所示。 图治疗系统样机结构外观图上海交通大学博士后研究工作报告 .超声治疗头及其驱动系统。用于产生足够强度的聚焦斑,以便对肿瘤组织进 行“烧蚀”处理。超声换能器必须能够产生准确的聚焦斑,治疗头的中央为一超 探头,结构如图.所示。 图治疗结构示意图 .超监测及定位系统。用于获得肿瘤组织的结构,以及对治疗过程进行监控。 检测后获得的信息必须经过处理,以更加直观的影像展示肿瘤组织的结构,以便于获 得正确的治疗。同时对治疗的过程进行实时监控,以确保治疗的准确性。 根据超扫描的特性,超头作旋转运动绕扇形域的中心轴线,依据获得的 图象并综合旋转角度来构建相应的维图象,由于绕固定轴线旋转,所以可以不必移 动来获得维图象。如图: 图 超旋转扫描示意圈 由于运动控制系统具有位置反馈,结合超所褥的图像重建结果及不同坐标系 下的坐标转变换,可以实现对于肿瘤目标的定位。为了提高定位糙度及其准确性,在上海交通大学博士后研究工作报告 软件设计中采用了多信息融合定位技术,利用术前获取的或等图像协同 超图像实现精确定位。 .水处理系统。用于提供超声与人体耦合的通道,使得超声波能够通过人体, 直达肿瘤部位。同时提供对人体的保护,降低耦合区的温度,以避免人体体表受到烧 伤。水处理系统提供耦合通道和提供对人体的保护。 实现超声声道的完整性,是将超声能量传递到治疗部位的关键。 因此,治疗时,应首先建立起声道的完整性,然后,开始对人体组织进行检测, 治疗,再检测。由于人体组织是软性的,一旦声道中断,然后重新建立声道,所获的 检测模型和已经治疗处理的区域将变得含混不清,从而提高治疗的难度,不可避免在 同一区域反复治疗,而其他区域则始终无法获得治疗。为此,最好能够保证在作一次 手术治疗时,只建立起一次耦合的通道,然后所有的治疗工作都在此一通道内完成, 使聚焦斑在通道建立好后具有足够的运动空间和能力是避免重复设立耦合通道关键。 其次,水处理系统内部水作循环,以带走不断产生的热量,从而提供对人体体表 的保护。同时,必须尽可能减少水中的空气含有量,避免对超声波产生干扰。 .计算机操作系统。实现功能主要包括:影像数据的采集、分析、并建模,实 时影像的分析显示;治疗路线的确定人工或智能确定;治疗指令的产生和发送; 影像数据的存储,治疗过程存储,病人资料存储等数据存储;人性化的操作界面,完 整的联机帮助;系统各组成部分的状态监测,仿真工作状态显示等。 ..系统软件总体流程 相控聚焦超声治疗系统的软件设计主要针对运动机械运动控制模块、超声功放模 块、相控聚焦模块、三维自动定位模块、图像处理及目标识别模块和治疗方案形成模 块等部分。因此,软件设计将主要体现在以下五个部分:系统界面及治疗数据管理、 治疗系统机械的三维运动控制及状态检测、相控聚焦部分软件设计、基于图像处理的 自动定位及目标识别和治疗方案专家系统。 相控聚焦超声治疗系统的各部分软件是相辅相成的,相互之间有着密不可分的联 系。系统的三维运动控制部分不但要实现根据系统操作员提出的各种运动控制,而且 应在治疗方案的指挥下实现治疗过程的自动控制,并在运动过程中实现各运动位置的 状态监测。相控聚焦部分在实现其功能的同时亦应能把提出的治疗方案付诸与实现。 基于图像处理的自动定位和目标识别部分则是系统的眼睛,在运动系统的协助下由其 完成治疗对象的信息积累和数据报告,为治疗系统的大脑??治疗方案专家系统提供 分析和决策数据。根据上述分析,治疗方案专家系统于各个部分均相关,它是系统的 中枢部分,因此它不仅要具有数据分析和处理能力,更为重要的是应结合相应的号家上海交通大学博士后研究工作报告 经验构成专家决策数据系统,从而决策并得到最佳的治疗方案。综上所述, 相控聚焦 超声治疗系统的软件部分及协调单元关系流程如图所示。 图.各模块软件设计流程图 .运动控制设计 ..运动控制硬件实现 相控聚焦超声治疗头内多维运动机构为经氧化处理的钢结构,步进电机为北京四 通公司的工业级产品,驱动器为北京宏拓公司的.三轴步进电机控制板,转动 机构以精密丝杠和皮带实现,可实现、、方向步长精度为.的机械移动和 旋转精度为.度的转动,该结构可保证所有运动的联动,互不影响,以圆柱形治疗 头平面中心和机构出示最上端位置为零点坐标。 运动控制过程如图所示。 图运动控制不意图 ..控制模块设计 运动控制主要指治疗头内的精密运动,型臂的摆动和伸缩及治疗床体的维运 动均为无反馈的相对运动。由于治疗头内的精密运动具有位置反馈,结合超所得 的图像重建结果及不同坐标系下的坐标转变换,可以实现对于肿瘤目标的定位。就上 述运动过程,设计运动控制过程如下,结构如图所示: .单运动控制实现主要完成治疗探头内的三维活动支架的个可控单运动方向 和超探头旋转单运动单个单运动函数的建立。上海交通大学博士后研究工作 报告 .与上述个单运动的位置检测函数。 .三维定位运动的实现和最优过程。主要利用、的函数根据要求实现。 .与治疗方案相关的治疗运动信息的控制与实现,主要利用,的函数根据要 求实现。 .与相控聚焦系统相关的运动与治疗协调的控制与实现,主要利用,的函数 和相应的通信和信息传递根据要求实现。 .与基于图像处理的自动定位及目标识别相关的定位运动信息的控制与实 现, 主要利用,的函数根据要求实现。 .运动系统的上电自检、特殊功能测试、自锁、复位等功能的设计 图控制模块结构示意图 ..治疗过程运动信息流程 .第一治疗过程 医生根据超、、核磁共振等图像初步确定病灶的位置,并制定相应 的病灶三维定位的治疗扫描计划。 两种方式: 医生手动或利用程序控制完成断层图像扫拙,控制系统记录 扫描信息,并传送给图像定位计算机,可取消:;;答过程,上海交通大学博士 后研究工作报告 医生的控制简单、有效、易于实现; 完全自动实现,医生制定扫描计划,图像定位计算机发送扫 描信息包,以应答方式完成扫描过程,实现上难于上一方式, 且病人病灶部位等随机因素影响扫描时间。 扫描信息包: 信息包开始标志头,初始三维坐标,,,移动步长,终止三维 坐标,,,信息包结束标志尾。 应答方式:检测/数字量,或文件标志。?。 一~一一一一一一一一一一一~一一一一一? 一一一一一一一, 三种虚框表示的含义::.? 疗: :第二治疗过程 第三治疗过程: 一一一????一一一一一 一一一一一一一一一一 ~一?一一一一 图.治疗过程运动信息流程图 .第二治疗过程 根据图像组与治疗计划组的具体要求协商制定,计划以数据文件的形式 体现,格式须经仔细研究决定。应答方式:检测/数字量,或文件标志。 .第三治疗过程 基于表面绘制的肿瘤表面治疗过程 这一种治疗过程的治疗探头运动无规律性可循,只能按治疗计划的 次给 提供的全部运动坐标来实现治疗定位,因此考虑采用由治疗计划 全部运动信息,控制系统按其计划通过应答控制治疗的进行;或每次上海交 通大学博士后研究工作报告 移动均先由治疗计划给出信息,在通过应答控制治疗的进行。这两种方 式各有优点,第一种信息完整,只需进行应答,但应答过程较复杂,第 二种方式可以把每次的运动信息就作为应答,实现较简单。但是这两种 方式的治疗信息包基本相似,均要包含具体的治疗信息,只不过是信息 数量的多少的问题。 方式: 治疗信息包:信息包开始标志头,第一治疗点三维坐标,,, 第二治疗点三维坐标,,,?,?,第治疗点三维坐标。,。,。, 信息包结束标志尾。 应答方式:检测/数字量,或文件标志。 方式: 治疗信息包: 信息包开始标志头,第一治疗点三维坐标,,,信息包结 束标志尾; 信息包开始标志头,第二治疗点三维坐标,,,信息包结 束标志尾; 信息包开始标志头,第治疗点三维坐标。,。,。,信息包结 束标志尾。 应答方式:检测/数字量,或文件标志。 基于体绘制的肿瘤整体治疗过程 这一种治疗过程的治疗探头运动具有一定的规律性,治疗计划可以提供的规 律性 的坐标来实现治疗定位。治疗过程以平面内的治疗信息为基础,由多层面信息构成覆 盖肿瘤的整体治疗。 图治疗过程示意图上海交通大学博士后研究工作报告 治疗信息包: 信息包开始标志头,方向移动步长,方向移动步长,方向移动 ,第一治疗面终止点三维坐 步长,第一治疗面初始点三维坐标,, ,第二治疗面终 标。,,,第二治疗面初始点三维坐标,, 止点三维坐标。,。,,?,?,第治疗面初始点三维坐标, , .。,第二治疗面终止点三维坐标。。。,。,信息包结束标志尾。 应答方式:检测/数字量,或文件标志。 .小节 本章结合国际大型医疗仪器的发展方向,设计了型臂结构的相控聚焦超声治 疗系统主体框架,并根据该结构和治疗系统的要求构建了其他的系统模块,设计综合 考虑了临床应用的需要,实现了型臂和治疗床体的维运动,同时为达到精密定 位和治疗,治疗头内设计为精密多维运动,结合硬件和软件的设计,实现了治疗运动 过程的控制和策略,满足了实际应用的要求。上海交通大学博士后研究工作报告 第三章多阵元功率放大单元的设计与实现 .引言 聚焦超声的产生主要有自聚焦和相控聚焦两种方式,自聚焦方式一般采用曲面阵 列,各阵元产生的超声声束汇聚于曲面的几何焦点,形成聚焦焦斑;而相控聚焦方式 一般以控制平面阵列各阵元输入信号的相位和幅值而形成声场的电子聚焦,能实现聚 焦焦斑的相控扫描,焦斑细致精确,为实现准确地手术治疗提供了基础。相控 聚焦方式由于利用控制输入信号的相位和幅值形成各阵元声束的大范围空间聚焦,因 此对于聚焦条件要求非常高,特别是治疗超声的大功率和较多阵元一致性的要求,使 得功率放大电路难于实现。因此,对于与每只超声换能器一一对应的功率放大模块的 设计成为相控型高强度聚焦超声治疗技术的难关之一。本章以解决相控型高强度聚焦 超声多阵元功率放大技术为目的。 。技术原理 相控聚焦是治疗超声技术的发展方向,图.给出了相控型系统的换能器 阵列及对应的功放模块的工作原理图。相控信号一般为可调相、调幅的 的方波信号,用以作为各个功放模块的输入信号,功放模块将这个信号经功率放大为 由固定相差的同频率正弦信号,并在电功率的驱动下压电陶瓷换能器阵元产生大功率 的超声波。多个可近似为点声源的换能器对于与其对应的功率放大模块的要求非常 高,而为了实现多阵元的空间范围内的相控聚焦和焦斑移动,一致性好并可以连续调 幅和调相的功率放大模块是必须解决的关键问题。 图功率放大器结构示意吲 .推挽式功率放大器 压电换能器件的驱动电压需要上百伏,而输出电压一般为电平,不足 一?上海交通大学博士后研究工作报告 以推动压电换能器产生声功率信号,设计一款适合压电陶瓷换能器的功率放大器十分 必要。根据推挽式功率放大器的特点,结合在实际应用中器件的选用,我们设计了变 压器推挽式功率放大器,它的结构如下图: .图变压器推挽式功率放大器原理图 其中,输入变压器将输入正弦信号进行分离,在正电压情况下,导通管,在负电 压情况下导通,从而依次驱动输出信号。,为分压,用于对工作偏置点进行 调节。输出信号再通过输出变压器进行二级放大,使得输出电压能达到的高驱 动电压水平。 采用上述变压器推挽式功率放大器,以型压电换能器作为负载,通过软件 控制各单元的相位和幅值,进行了实验研究。图为实验采集到的测试结果。 图变压器推挽式功率放大器的输出信号 在图.中,两输入控制信号的相位通过和两方波曲线测得,设计相位 差为。。在通过功率放大器放大后,可以看出,输出的高压驱动信号的相位也保 持了。,而幅度却有了很大的提高,达到,满足了对压电换能器的驱动要求。上海交通大学博士后研究工作报告 图长导线情况下衰减后的输出驱动信号 从实验结果来看,虽然该系统能满足要求,然而,在换用一根长于三米的屏蔽导 线的情况下,输出信号发生很大的衰减如图?,究其原因,分析如下:变压器推 挽式功率放大器适用于小负载的情况,而压电陶瓷为一大电阻负载,在长线情况下, 容易导致负载曲线的斜率增加,从而导致输出信号的减小,解决这种问题的办法有两 种:一种是设计负载匹配电路,另一种是重新设计功率放大器。然而,对于带有变压 器的推挽式功率放大电路,匹配电路的设计异常困难。所以,在下面章节中,重新设 计的谐振功率放大器以是一种切合实际的解决方案。 .谐振式功率放大器 这种针对于相控型系统的功率放大器的设计采用的是谐振电路,将压电陶 瓷负载即超声换能器作为其中一谐振元件,以此来降低容性大电阻负载对工作电路带 来的影响,图.为压电陶瓷负载的等效电路。其中为总静态电容,、、 . 分别为动态电感、动态电阻及动态电容。 图压电陶瓷负载的等效电路 对于任何一方波信号,可以通过傅里叶分解为:】出十甜在理论上,通过一定的带通滤波器,可以把方波的基波滤出,并且,它的基波相 位;与方波的相位有固定的关系,对不同相位的方波信号的滤波,能产生出不同相位 的正弦信号。频率?.为方波信号的基频,幅值。的调节可以通过剥谐振电源电压调 节来’?.,因此,方波信号的相位和幅值能够在经过功率放大技术后转变为超声换能上海交通大学博士后研究工作报告 器压电陶瓷所需的调幅调相的正弦信号。 图谐振式功率放大器结构示意图 一 ? ~ 慝 ?厂旷上一 薪一 图?谐振式功率放大器原理图 根据上述原理,放大器的结构示意图如图所示。将输入的方波信号进行电流 放大后辩输入沟道场效应管进行放大。通过匹配网络的谐振作用,产生出固定频 率的正弦信号用来驱动负载。 该放大器的电路原理如图?。其中卜为互补式电流放大器,用于增强 电路对强力关断的场效应管的驱动能力。起功率放大作用。为扼流线圈。,、 、、和负载为压电陶瓷换能器一起组成解偶匹配电路。 利用以上述功率放大模块构成了路实验系统,结合研制的阵元的超声换能 器阵列,进行了实验研究。分别测量控制系统的两路输出信号相位差,和经过功率放 大嚣后输出信号的相位差,并进行比较,可以清晰的看到,输入和输出的信号相位差 具有很好的一致性如图?、图所示,相位差精度为?度,这就实现了相位 调节的功能。输出信号的幅值通过计算机控制功率放大器的直流电源电压来实现,这 里不再赘述。 图两路相位差为.度的方波信号 及经过功率放大器输出的激励信号上海交通大举博士磊研究:乍报告 图两路相位差为度的方波信号 及经过功率放大器输出的激励信号 嗣黪遥过实验测褥功率放大模块输出电功率为,劳且谐振电路能够保证 %一%的电声转换效率,在米豹长线效应下,未有衰减现象,完全满足驱动超 声换能器的需要。 。小续 诣掇式功率放大器结构简单,茹予调整,满足了针对于压电陶瓷超声挟能器的大 功率的要求,商效地保证了在同一频率下输出电惰号的连续调相、调幅及相位麓精度。 该放大器一致性好,对予超声换能器阵元具有较强的适应性,能够满足相控型 眸元功率放大的技术要求。上海交通大学博士后研究工作报告 第四章基于技术的相控信号发生系统 .引言 尽管相控阵列驱动信号的理论优化可以大大降低驱动系统设计的复杂性,然而由 于在实际应用中,超声换能探头的阵元数目较多,而且驱动信号移相精度也要求较高, 所以要实现每一路信号相位的连续调控仍具有相当的难度。 根据超声频率的选择和阵列的电子聚焦问题的研究,针对相控治疗系统中 治疗头所采用的个换能器阵元,应用技术以及语言设计了一种新型 数字相控信号发生单元,结合上一章提出的谐振式功率放大器,实现了相移精度为 .位量化精度的路通道相控阵列驱动系统。 .基于的相控阵列驱动系统设计 采用技术的超声相控阵列驱动系统虽然具有较高的移相精度,但存在着阻 抗不易匹配的问题及当输出通道成倍增加时,模拟开关电路会使系统非常复杂等一些 问题。尤其对于变压器推挽式功率放大器与负载的阻抗不匹配导致的信号衰减,造成 技术在设计相控信号驱动系统中失去了其原有的优势,因此在实践中设计了基 于技术的方便可靠的相控信号驱动系统 . 设计原理 ,现场可编程门阵列,是年代末开始使 用的大规模可编程数字集成电路器件。它充分利用计算机辅助设计技术进行器件的开 发与应用。用户借助于计算机不仅能自行设计自己的专用集成电路占片,还可在计算 机上进行功能仿真和实时仿真,及时发现问题,调整电路,改进设计方案,这 样设计 者就能在短时间内对电路进行调试验证,从而大大缩短了开发周期。而且,器 件采用标准化结构,体积小、集成度高、功耗低、速度快,可无限次反复编程,因此 成为科研产品开发及其小型化的首选器件,应用极为广泛。系列是目前国内 广泛使用的器件,由公司生产,采用逻辑单元阵简 称结构吲,如图?所示。 简 系列的由三个可编程基本单元阵列组成:输入/输出块/ 简称阵列以及可编程互 称阵列、可配置逻辑块上海交通大学博士后研究工作报告 连网络简称。其中输/输出块排列在芯片周围, 它是可配置逻辑块与外部引脚的接口。可配置逻辑块是的核心,它 以矩阵形式排列在芯片中心。每个均可实现~个逻辑功能小单元。各之间 通过互连网络编程连接,以实现复杂的逻辑功能。 图. 结构 的开发过程依赖于它的软件开发系统,其基本设计流程分为三部分:设计 输入、设计实现及设计验证。设计输入是将要实现的逻辑关系以开发系统所支持的方 式输入计算机。可采用多种方法实现设计输入,原理图编辑是较为常用的方法,它可 使用两种输入方式:图形输入:这种输入方式允许使用元件库中提供的各种常规 门电路及逻辑部件宏单元设计电路,并以原理图的方式输入。文本输入:这种输 入方式允许使用高级可编程逻辑设计语言,如、、语言等编写输 入文件,也允许直接用布尔方程进行输入。设计输入的嗣的是要产生一个 文件。如果同时采用图形输入和文本输入,则还需要进行归并 处理,以产生一个完整的文件。 设计实现是设计开发过程的核心,其主要任务是对归并后的文件进行分割、 布局和布线。分割是把文件中的逻辑设计经过化简,分割成为以及 为基本单元的逻辑设计。布局是把分割后的逻辑设计分配到的相应及 位置。布线是对已布局好的、进行连线。设计验证主要是对电路进行仿真 测试。仿真测试包括功能仿真和实时仿真。功能仿真假设信号通过每个逻辑门产生同 样的延迟时口.,而通过路径没有延时。这种仿真可测试系统功能是否满足设计要 求。实时仿真是在布局布线后进行,它能按照所选器件的实际延迟时间进行模拟,主 要用来验证系统的时序关系。设计输入、设计实现和设计验证三个部分交替进行,最 后得到完全满足设计要求的二进制文件。用该文件通过加载电缆或编程对 加载,即可得到用户需要的专用集成电路芯片。上海交通大学博士后研究工 作报告 在复杂电路的设计中,硬件描述语言作为标准硬件设计语言和一 个工业标准,正被广大的硬件设计者所接受。随羞电路规模和复杂度的增加,这种语 言的优越性愈加明显。它能摆脱传统的门级设计方法,而在更抽象的层次上把握和描 述系统、电路的设计结构和功能特性。它支持系统级、寄存器级和门级三个不同层次 的设计。设计者可使用来描述自己的设计方案,其主要优点为: 可读性好,既可以被计算机接受,也容易被人们理解。用书写的源文件, 既是程序又是文档:既是技术人员之间交换信息的文件,又可作为签约者之间的 文件。 本身的生命期长,因为的硬件描述与工艺技术无关,不会因工艺 变化而使描述过时。 支持大规模设计的分解和已有设计的再利用。中实体的概念、程序包的 概念、设计库的概念为设计的分解和再利用提供了有力的支持。 综合是将较高级别的抽象自动转换到更低级别抽象的一种方法,图描 述了综合路基电路的行为和结构模型。目前,综合工具用于将寄存器传输级 的描述转换为由互连的门级宏单元组成的门级网表,该过程一 般分三个步骤:首先把捕述转换为未优化的布尔描述,这是一种功能正确但未 优化的描述,通常由原型门如与门、或门、触发器、锁存器组成;在布尔方程描述 基础上执行布尔优化算法,产生一个优化的布尔方程描述;按目标工艺采用的工艺库 把优化的布尔方程描述映射到实际逻辑门。 图综合逻辑电路的行为或结构模型 一一上海交避大学搏?后研究工佟报告 .,相控信号发生系统设计 秘控簿剽驱动系统的原理强强露甄示,它国如下予系统缀成:信号整形、 控制器、穗筏信号发生器、串行以及路谐振式功 率放大器。相控信号发生器用来实现分频和相位延时功能,并根据的控制信号对 输出信号邀霉于移相控制。最后,榍控信号经过功率放大器来驱动换能器醇烈。 昌。。‰ / ? 量爿慕梦 觥‘屯一扎乒?、扎”》‰ “”一””正蔫 警”葛泰 强正弦信号警形魄踞 一个采样嗣期内,邋过输入信譬五作为诗数弥冲来实现耨锭延时。如祭为计 数脉冲, ?为采样频率,那么输出信号的频率,可以由下式给出 ,:五 ? 。; 脉冲数被角来眈较输入频率与溺谯,输出僖号瀚榴寝延时在始下范蕊内 ? 伊:三, ,,?, ” 式中为输频率的考髫应脉冲数。捌控信号发生嚣用?计数器来把频率为互的 信 号进行分解,并且两信号闯的相位延时为《,。秒。上海交通大学簿士后研究 工作报告 根据设计的功率放大器,信号驱动系统的设计就可以通过一系列调相的方波 信号 采实现。在竞成路的设计之前,首先设计一穆基技零的路信号驱动系 基予的路方波 统,用于系统的仿真实验。该系统主要毽括弧下几个方蕊: 移相发生器,多路模拟开关,软件控制包。基于的路方波移相发生器的设 计如图,其中模块是产生鼹信号的核心模块,采用了如的计数器对 输入信号避行频率分解在语言支持下,实现了各模琰的功麓。 峙 。 翻方波穆相发生器原理翻 需要指出的是,霞中的是一全局缓冲器,髑来提供低掇曲率高扇漆黪信 号,?般用于全局时钟信号来驱动所有器件。当输入时钟信号为频率.的方 波信号,仿真结粜如图。模块通过对方波信号进行计数,产生出一髑期为 的调掴后的方波信号。由于路的计数设鬻不阉,所以产生出懿方泼信号 也就具有不同的延时相位,实验结果如图,~为其中八路输出的调相结聚。 嘲 路调相输出信号的仿真结采上海交透赶学博士后研究工律授告 图 鼹输出信号筋疆糨实验结果 从结果中可以看出,该系统能满足路信号的调相功能,而虽能够通过扩展, 来实现鼹单元的调棚功能。它的翘位精度为。。。虽然实骏结果满足了对信号的 幅值精度和相位精寝的要求,但是西以看列静是:出于采用了模拟的多路转换开关, 系统比较爱杂,特别在突现路阵列时,控制系统比较庞大。因此,需要对系统进 行优化设计。 在设计蹬调鞠缮号的基础上,可以充分利用的资源,即把模擞式的多 路转换开关转变成数字多路转换开关,并集成设计到内部,从而使得凝体信号 发生器完全由来实现。这样不但可以降低系统的复杂性,而且还能有效地提高 系统的可嚣性,降低霸:发成本。系统结构的嚣瑷豳如图?所示。 圈柏控信号发生嚣的原矬翻上海交通大学博士后研究工作报告 其中,单元与上一节中的单元功能相同,用于产生可在~。之 间相移的路信号。单元?是一的译码单元,输入信号由计算机/口提 供,输出的每一路信号用于控制每一路锁存器的锁存端,通过使用译码单元 可 以减少控制系统对计算机/口的需求。而单元则是数字式的多路选通开关, 用于选通路信号的一路作为它的输出,。:数据是的选择端, 它由计算机的/口提供。 基于如上的设计,对该系统进行了仿真。?~为其中八路的输出信号。 时钟脉冲、复位信号、多路开关选通等信号与相应的电 。 路构成控制逻辑,控制系统的时序、清零及产生所需的相位可调输出信号 图给出了初始化阶段及输出数据时的工作时序。当表示 时,选通延时.。,此时如果表示,当 上升沿到来时,则第路通道输出延时.。的信号。同样通过选通 及,可使路分别输出延时。、?.、的信号。从 仿真的结果来看,该系统可以实现多路信号的调相功能。 图 路实验系统的仿真结果 整个系统的控制过程如下:首先通过计算机的/口提供:的数据。然 后再由讨‘算机的/口控制译码器,使它对相应的.。单元进行锁存。不断提 供 :数据,并依次在所有的单元中进行锁存。在完成如上的过程后,由计算 机产生使能信号,将调相后的方波信号输出,就可以实现各单元的调相功能。 .. 的版图设计 在集成电路的设计过程中,版图设计是继性能指标确定、功能模型分析、实现原 理综合、具体线路设计和电路整体仿真等步骤之后的最后一‘步,同时也是最关键的一 步,它决定了前期阶段的既定设计功能能否最终实现和性能指标能否最终满足要求。上海交通大学博士后研究工作报告 就为用户提供了这样的版图设计功能。版图设计 而设计软件 过程一般包括单元库建立、布局、设计规则检查 以及版图 等,其流程图如图?所示。 对照原理图 图版图设计流程 单元库是根据工艺建立的在版图设计过程中可以随时调用的一系列元器 件的集合,包括了版图中所需的各种类型和尺寸的元器件。布局是对各单元的几何图 形及其相对位置的具体定义,也就是单元在芯片上安置过程。首先以模块为单位进行 布局,这样有利于降低复杂度,之后再将各模块分别作为整体对整个版图进行布局。 布局的目的是在尽可能小的面积上布置所有单元,并使单元在功能模块中的位置最合 理,比如在该相控信号发生电路中,充分考虑了诸如差分对管的尺寸对称和热对称在 布局方面的要求;其目标是尽可能使单元密集、在布线资源有限的情况下使全局布线 和模块内的细节布线容易进行、最终使布线能够完成并使关键线网最短。 布局完成后开始进行布线,布线阶段分为细节布线和全局布线两个步骤。细节布 线主要针对模块内单元之间的连接;全局布线则主要针对模块之问的通信以及电源和 地线布线。对细节布线的要求是不仅要使细节线尽量最短,而且要使同一细节线网或 全局线网变换金属层的次数最少,即一个线网尽量使用同一层金属;对全局布线的要 求主要在于使细节布线所受限制最少、使互连线总长度摄小、使细节布线完成的可能 性最大以及使关键路径最短。全局布线完成后在对版图进行,满足设计规则在 整个版图设计过程中是始终得到保证的,对任何违反设计规则的布局和布线都随时做 了调整和修改。最后提取版图参数并进行检查,只有通过检查刊。能确保出 现在上的电路完全符合设计初衷。设计完成后的完整和局部版图如图?所 示。上海变遴丈学簿士磊研究工作报告 全部版图 局部版图 图. 内部电路敝图 .信号发生系统试验结果 刹用以上开发的路实验系统,结仑研制黝谐振式功率放大器,进行实验验证, 阁.所示为系统所采用的实验电路板。通过移稻模块产生褶差分澍为.。、 型示波器对这些移相信号以及经过功 和的输如信号,弗使用 率放大器后的输出信号进行测量,结果虫瑶圈所示。通过眈较可以发臻,移相 信 号和功率放大器输出信号的相位麓均保持了初她的设定媚差,实验证明该系 统实现了 相位调节的功能。 圈.试验装置的实物图片上海交通大学博士后研究工作报告 .。相差 。相差 。相差 图一两路功率放大器的输出激励信号 为了满足更高相控精度的要求,在移相模块中增加数字分频计数器的位数, 即增 加?式中的值,就可以使移相精度成倍提高。同时还需要在多路选通开关中增 加控制信号阻及输入通道的容量,以实现对具有不同相移信号的输出控制。图 给出位调控精度分别为和时移相信号的仿真时序,通过上述的谐 振式功率放大器进行验证,输出的驱动信号波形如图? ,由图中町以看出这些柏上海交通大学博士后研究:作报告 控驱动信号完全满足驱动换能器阵元的要求。 七精度 精度 图相控系统中驱动信号的仿真结果 。的驱动信号 精度时千差上海交通大学博士后研究:作报告 精度时相差.的驱动信号 图.相控系统中驱动信号的实验结果 单片?含有个单元,个输入/输出端口,我们利用。费真软件,黯驱动系缝中三秘罄稷糖凄媾捷下芯片熬利 用情况进行分析。澈给出了单片的资源利用情况,由表中指标可以看出本 牵中蘑绘懑褥设计方法较好遮裂鬟了芯冀秘逡部资源,完全其备实踩应用野发份镶。 袭,的资源利用总结 本章绦台捆控聚焦蕊零黉,结台技术,势列蠲语言实瑷数字 分频移相和多路开关的功能,设计实现了路六位移相精度.。的驱动系统。 溺溺‘该驱动系统浚诗吴套羧好静扩晨性,露遴过摄麓分紫谤数爨豹位数裁 爵潋成倍疆 高驱动信号的移相精度,完全满足换能器眸列实际相位调控的要求。上海交通大学博士后研究工作报告 第五章组织热场分析及血流下的补偿 超声治疗的组织热场分析是超声治疗计划研究的一个重要内容,而超声治疗计划 是临床超声热疗的一个很重要的组成部分,是近年来随着超声治疗的发展应运而生的 一个新的研究方向“。相控作为一种非接触式的治疗方法,由于其采用了相控 的聚焦方式,往往可以在较小的目标区域内形成高能量的焦斑【”,因此组织温度在治 疗过程中的上升时间非常短,目前尚无法进行在线实时监控,但通过生物传热的数值 计算仍可以建立组织温度与时间之间的对应关系。生物传热研究的一个积极结果是利 用计算机进行人体三维温度场的实时模拟和重构,得出的结果可以对高强度聚焦超声 热疗过程中的组织温度分布进行预测,因此这项技术的发展必将极大的推动相控 热疗方法的进一步提高和完善。 在聚焦超声加热过程中,由于在肿瘤组织中存在有较多血管,血管的分布将 直接 影响治疗时整个组织的温度分布口引,从而会产生不同的治疗结果。另一方面,聚焦超 声声焦点较小,对于体积较大的肿瘤,就需要采用焦点扫描的方法来完成整个治疗。 因此治疗前对热场进行系统的分析,制定合理的治疗计划就显得尤为重要。为了评价 在相控条件下不同结构组织的温度分布情况,分别对管径不等的伴行动脉、静 脉及组织的传热特性进行了分析,在此基础上可以实现对血流的补偿。 .相控型治疗的组织热场 . 组织特性对治疗热场的影响 人体是一个复杂的系统,目前用于肿瘤定位及邻近组织识别的常规方法是断层扫 描技术,其目的是为了获取目标部位较充分的精确结构信息,典型的人体扫描断层图 如图.所示。如对靶区组织结构有较精确的区分,则根据生物热传导方程能将各组 织如肌肉、脂肪。骨骼等热功率的沉积,热剂量差异以及加热温度变化较清楚的 表现出来。上海交通大学博士后研究工作报告 】一成腴 一髓聩 卜一肌肉 ?膏 卜一血建 一肝脏 一胃 一,晖 ,一腰鹱点尻韧带 】一苷拉反脊椎骨 】一鼻髓 一肿瘤 图?人体断层模型 人体组织的特性参数,包括声物性参数和热物性参数对精确地构建组织模型,从 而精确地进行超声治疗温度场的分析非常重要。然而,由于人体组织的复杂性,使得 这些参数的测定极为困难,尤其是热物性参数可以获得的数据十分有限。表是总结 了目前的有关文献‘】【】获得的一些数据,在后面的温度场分析中分别针对这些参数 进行分析。 表人体组织的声物性与热物性参数 为了更好地理解高强度聚焦超声的加热作用,应当对聚焦超声作用下各种组织的 温度分布特性进行分析。采用,/的焦点声强对组织照射然后关闭, 同时考虑形成的焦斑在?上的投影为直径.圆形区域,加热区域如图所示。 图.给出了不同组织在焦点附近的温升分布曲线。上海交通大学博士后研究工作报告 列 图.聚焦加热区域模型 肝脏 肌肉 一 脂肪 血液 图 轴方向上的温升分布 由图?可以看出由于母骼有较高的声吸收系数,历在同样的超声强度下组织温 升较高,而血液由于声吸收系数较小,使得在照射下温度只有几度的升高。在 声吸收系数接近的情况下,组织温度升高速度会受到热传导系数的影响,热传导系数 越大升温越快,从图?肝脏与脂肪的比较可以说明这一点。另一方面超声照射 关闭后,由于肝脏具有较大的皿液灌流率,会使得温度下降比脂肪组织也较为迅速。 从整个时间过程米看,虽然焦斑区域在照射结束后濡度发生降,但近焦斑区 域的温 度仍能保持升高,这对于治疗大区域的肿瘤是非常有益的。加温过程中,骨组织吸收 多,所以容易产生过热,而骨组织后面又会产生冷区。同样皮肤吸收超声能鼙也相对上海交通大学博士厉研究工作报告 较高,因而加温时在皮肤表面使用冷却水可提高功率,保护皮肤不致过热。同时尽量 使组织温度平稳升高,否则如果组织的温度超过了。,会使组织体液发生汽化, 进而使得治疗热场不可控制,这在热疗技术中通常是不被允许的