多通道高精度相控信號發生裝置的製作方法
2023-12-07 08:53:56 1
專利名稱：多通道高精度相控信號發生裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種信號發生裝置，尤其涉及一種多通道高精度相控信號發生裝置， 主要應用於高強度相控聚焦超聲治療系統，同時可應用於其它相控超聲診斷設備或相控超 聲探傷設備，屬於生物醫學工程技術領域。
背景技術：
高精度相控信號發生裝置是高強度相控聚焦超聲治療系統的關鍵部件之一。它通 過調控各個通道中信號的相位值，然後經過幅度可調的大功率推挽式諧振功率放大電路， 產生控制大焦域相控陣聚焦超聲換能器中每個陣元的特定相位激勵信號，從而將低輻射功 率的超聲能量通過體外發射滲透入人體組織，並將其匯聚在設定的焦域內，形成一個高聲 強的區域，或者產生產生多種模式的多焦點聲場分布，進而形成所需形狀(圓、環等規則形 狀以及任意的不規則形狀)、大小的焦域。焦域區內由於能量大量沉積，位於其中的組織溫 度會迅速升高，形成人體內局部的立體溫升區域(高於體溫4 8°C )，實現人體深部區域 的定向適形加熱，而焦域外的組織因僅有少量能量沉積而溫升甚少，不會受到明顯的損傷。經對現有技術的文獻檢索發現，現有相位控制電路多採用直接數字式頻率合成器 (Direct Digital Synthesizer)技術，由頻率控制寄存器、高速相位累加器和正弦計算器 三個部分組成，產生一個特定相位的數位化正弦波，再經過高速D/A轉換器和低通濾波器 輸出一個可用的模擬頻率信號。這種技術控制靈活，但無法滿足高能聚焦超聲相控信號的 高精度要求。另外，現有技術多採用單片機控制，經模擬多路選通開關，生成特定相位信號， 這種技術電路複雜，無法滿足高能聚焦超聲相控信號大規模多通道的要求。中國發明專利「基於數字波形相位差的超聲相控發射細延時控制方法」(公開號 CN 101403727A)，「單焦點相控聚焦超聲波發射裝置」(公開號CN 10112479A)等都披露 了一種基於數字波形相位差的相控信號細延時裝置，利用超聲直接數字頻率合成(direct digital synthesis, DDS)技術產生特定相位的相控信號，作用換能器陣元，從而通過不同 相位來控制聚焦焦點的移動。但是該類相控信號發生器存在電路複雜，通道路數較少，輸出 信號頻率範圍較小，頻率調整不靈活等缺點，如果將其用於相控型的聚焦超聲控制，超聲聚 焦控制精度較低，無法滿足加熱病灶組織時治療系統的精度要求。
發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的不足，設計提供一種多通道高精度相控信號發 生裝置，能夠輸出多個通道特定相位方波信號，提高相控信號的精度，滿足高強度相控聚焦 超聲治療系統對相控信號高精度多路數的需求。為實現上述目的，本發明採用了 FPGA現場可編程門陣列技術解決方案，利用可編 程只讀存儲器，通過VHDL語言編程，在FPGA現場可編程門陣列電路中產生定製專用電路， 包括相移模塊、相位解碼模塊、地址解碼模塊及若干個多路選通器；以高精度有源晶振為信 源，各個多路選通器並行工作，接收上位機的相位控制信號，輸出多通道特定相位的方波信號。本發明輸出的方波信號接入功率放大器諧振後，產生與原輸出信號相同頻率和相 位的正弦波信號，用於相控型高強度聚焦超聲治療系統中超聲換能器陣元的激勵信號；晶 振頻率由超聲換能器陣元的諧振頻率及相控精度要求決定。本發明多通道高精度相控信號發生裝置的具體結構包括高精度有源晶振、現場可 編程門陣列晶片、可編程只讀存儲器和I/O接口板，由電源模塊為整個裝置供電。所述可編程只讀存儲器存儲現場可編程門陣列晶片的程序和配置信息。所述現場可編程門陣列晶片通過從可編程只讀存儲器中讀取程序和配置信息，生 成相移模塊、相位解碼模塊、地址解碼模塊及若干個多路選通器。上位機提供的相位控制信號通過I/O接口板連接到相位解碼模塊，上位機提供的 通道控制信號通過I/O接口板連接到地址解碼模塊，相位解碼模塊和地址解碼模塊的輸出 分別連接到每一個多路選通器。高精度有源晶振作為系統信源，產生的時鐘信號連接相移模塊，相移模塊的輸出 連接到每一個多路選通器。各個多路選通器並行工作；每個多路選通器根據上位機提供的相位控制信號確定 輸出信號的相位值；多路選通器輸出的方波信號通過I/O接口板連接外部推挽式功率放大
器oI/O接口板實現現場可編程門陣列晶片與輸出信號之間的光電隔離，並將現場可 編程門陣列晶片3. 3V的高電平電壓輸出提升為I/O接口板5V的高電平電壓輸出。將本發明所述多路選通器輸出的方波信號接入外部推挽式功率放大器諧振後，產 生與原輸出信號相同頻率和相位的正弦波信號，用於相控型高強度聚焦超聲治療系統中超 聲換能器陣元的激勵信號，從而通過激勵相位的不同來實現電子聚焦和掃描，進而形成所 需形狀(圓、環等規則形狀以及任意的不規則形狀)、大小的焦域，實現人體深部腫瘤病灶 的定向適形加熱。實際應用時，根據超聲換能器陣元的諧振頻率及相控精度要求決定本發 明中高精度有源晶振的頻率。本發明的具體工作流程為每次上電後，現場可編程門陣列晶片FPGA自動從可編 程只讀存儲器PR0M中讀取配置信息，生成專用電路，包括相移模塊、相位解碼模塊、地址譯 碼模塊及若干個多路選通器。然後由上位機發送通道控制信號和相位控制信號並發送使能 信號，FPGA即可由各個多路選通器輸出指定相位的方波信號。其中，不同的多路選通器並行 工作，每個多路選通器的輸出對應一個通道，每個通道的相位值都是獨立可控的。在應用於 相控型高強度聚焦超聲治療系統中，相位值可根據需要反覆修改，實現焦點的停留與移動。 如果僅改變特定通道的相位值，只需輸出一組該通道的通道值和相位值即可。與現有技術相比，本發明大幅增加了相控信號的路數，大大提高了相控信號的精 度，從而滿足高強度相控聚焦超聲治療系統對相控信號發生裝置高精度多路數的需求。本發明裝置可以方便的進行升級和擴展。只需重新編寫VHDL程序，即可方便的進 行系統硬體電路升級。同樣，改變VHDL程序可輕鬆提高通道的個數，改變VHDL程序可輕鬆 修改相控精度，從而實現焦點精度和焦點面積的最優組合。本發明結構簡單，集成度高，容易拓展，精度較高，也容易集成到其它相控系統，如 相控超聲探傷儀，相控B超成像設備之中，因此具有廣闊的應用前景。
圖1為本發明多通道高精度相控信號發生器的結構示意圖。圖2為本發明中現場可編程門陣列晶片生成的專用電路及工作原理示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步詳細描述。以下實施例不構 成對本發明的限定。本發明多通道高精度相控信號發生裝置的硬體結構組成如圖1所示，包括高精度 有源晶振、現場可編程門陣列晶片、可編程只讀存儲器和I/O接口板，由電源模塊為整個裝 置供電。所述可編程只讀存儲器用來存儲現場可編程門陣列晶片的程序和配置信息，現場 可編程門陣列晶片通過從可編程只讀存儲器中讀取程序和配置信息，生成專用電路。上位 機的控制信號通過I/O接口板與現場可編程門陣列晶片連接，現場可編程門陣列晶片輸出 的信號連接到外部推挽式功率放大器。高精度有源晶振作為系統信源與現場可編程門陣列 晶片連接。圖2給出了現場可編程門陣列晶片生成的專用電路及工作原理的示意。如圖2所 示，所述現場可編程門陣列晶片從可編程只讀存儲器中讀取程序和配置信息後，生成的專 用電路包括相移模塊、相位解碼模塊、地址解碼模塊及若干個多路選通器。上位機提供的相位控制信號通過I/O接口板連接到相位解碼模塊，上位機提供的 通道控制信號通過I/O接口板連接到地址解碼模塊，圖中粗線表示多路。相位解碼模塊和 地址解碼模塊的輸出分別連接到每一個多路選通器，根據輸入的信號控制多路選擇器的選
iM o高精度有源晶振作為系統信源，產生的時鐘信號連接相移模塊，圖中細線表示一 路。相移模塊產生多路不同相位的信號，其輸出連接到每一個多路選通器。各個多路選通器並行工作，每個多路選通器根據上位機提供的相位控制信號確定 輸出信號的相位值；多路選通器輸出的方波信號通過I/O接口板連接外部推挽式功率放大 器。推挽式功率放大器將方波信號轉換成正弦波信號，同時調整該信號的幅度。I/O接口板一方面實現現場可編程門陣列晶片與輸出信號之間的光電隔離，另一 方面將現場可編程門陣列晶片3. 3V的高電平電壓輸出提升為I/O接口板5V的高電平電壓 輸出。在本發明的實施例中，高精度有源晶振作為電路的系統時鐘，其晶振頻率根據超 聲換能器的諧振頻率及相控精度要求確定，再由廠商定製。FPGA晶片採用的是Xilinx公司 的晶片，是裝置最核心的硬體。軟體部分主要由VHDL語言編程實現。VHDL語言編寫各個電 路模塊，然後綜合實現，下載到FPGA板上的PR0M中。這些電路模塊主要包括(1)相移模 塊相移模塊提供不同相位的信號，作為多路選通器的輸入；(2)相位解碼模塊根據輸入 的相位信號控制多路選通器的選通；(3)地址解碼模塊根據輸入的通道信號控制多路選 通器的選通；(4)多路選通器多路選通器根據輸入的相位值輸出相應的相位信號。當裝置上電穩定後，為了輸出特定相位值的信號，上位機發送9路相位控制信號， 經相位解碼模塊解碼後產生512路相位選擇信號，同時上位機發送9路通道控制信號，經地址解碼模塊解碼後產生512路通道選擇信號。上位機發送完通道及相位信息後，發送使能 信號，該裝置即可使輸出512個通道指定相位的方波信號。多路選通器輸出的信號為lMhz的方波信號。該方波信號經過外部推挽式諧振功 率放大器諧振後，產生與原輸出信號相同相位和相同頻率(lMhz)的正弦波信號，各通道間 相位差保持不變。正弦波信號作用於相控型高強度聚焦超聲治療系統中的各個超聲換能 器陣元的激勵信號，從而通過激勵相位的不同來實現電子聚焦和掃描，進而形成所需形狀 (圓、環等規則形狀以及任意的不規則形狀)、大小的 焦域，實現人體深部腫瘤病灶的定向 適形加熱。本發明升級簡單。該裝置基於FPGA來實現專用數字電路，FPGA的配置信息存儲 於一塊PR0M中。如需修改該數字電路，只需重新編寫VHDL程序，綜合實現成相應的信息， 通過下載線下載到該存儲器中即可，從而進行系統硬體電路升級。本發明擴展簡單。在已經實現的512個通道，512種相位控制信號的基礎上，通過 改變裝置有源晶振的頻率，在通道數及相位精度不變的情況下，改變裝置輸出的方波信號 頻率，從而實現信號頻率同超聲換能器諧振頻率的匹配。在本發明裝置基本結構的基礎上， 改變VHDL程序可輕鬆提高通道的個數，如受到FPGA面積限制，使用更大面積的FPGA晶片 即可。同樣，改變VHDL程序可輕鬆修改相控精度，從而實現焦點精度和焦點面積的最優組
1=1 o
權利要求
一種多通道高精度相控信號發生裝置，其特徵在於包括高精度有源晶振、現場可編程門陣列晶片、可編程只讀存儲器和I/O接口板，由電源模塊為整個裝置供電；所述可編程只讀存儲器存儲現場可編程門陣列晶片的程序和配置信息；所述現場可編程門陣列晶片通過從可編程只讀存儲器中讀取程序和配置信息，生成相移模塊、相位解碼模塊、地址解碼模塊及若干個多路選通器；上位機提供的相位控制信號通過I/O接口板連接到相位解碼模塊，上位機提供的通道控制信號通過I/O接口板連接到地址解碼模塊，相位解碼模塊和地址解碼模塊的輸出分別連接到每一個多路選通器；高精度有源晶振作為系統信源，產生的時鐘信號連接相移模塊，相移模塊的輸出連接到每一個多路選通器；各個多路選通器並行工作，每個多路選通器根據上位機提供的相位控制信號確定輸出信號的相位值；多路選通器輸出的方波信號通過I/O接口板連接外部推挽式功率放大器；所述I/O接口板實現現場可編程門陣列晶片與輸出信號之間的光電隔離，並將現場可編程門陣列晶片3.3V的高電平電壓輸出提升為I/O接口板5V的高電平電壓輸出。
2.根據權利要求1的多通道高精度相控信號發生裝置，其特徵在於所述上位機輸出9 路相位控制信號，經相位解碼模塊解碼後產生512路相位選擇信號；上位機輸出9路通道控 制信號，經地址解碼模塊解碼後產生512路通道選擇信號。
3.—種權利要求1的多通道高精度相控信號發生裝置的應用，其特徵在於將所述多路 選通器輸出的方波信號接入外部推挽式功率放大器諧振後，產生與原輸出信號相同頻率和 相位的正弦波信號，用於相控型高強度聚焦超聲治療系統中超聲換能器陣元的激勵信號； 所述高精度有源晶振的頻率由超聲換能器陣元的諧振頻率及相控精度要求決定。
全文摘要
本發明涉及一種多通道高精度相控信號發生裝置，利用可編程只讀存儲器，通過VHDL語言編程，在FPGA現場可編程門陣列電路中產生定製專用電路，包括相移模塊、相位解碼模塊、地址解碼模塊及若干個多路選通器；以高精度有源晶振為信源，各個多路選通器並行工作，接收上位機的相位控制信號，輸出多通道特定相位的方波信號。本發明輸出的方波信號接入功率放大器諧振後，產生與原輸出信號相同頻率和相位的正弦波信號，用於相控型高強度聚焦超聲治療系統中超聲換能器陣元的激勵信號；晶振頻率由超聲換能器陣元的諧振頻率及相控精度要求決定。本發明大幅增加了相控信號的路數，提高了相控信號的精度，從而滿足高強度相控聚焦超聲治療系統的需求。
文檔編號A61N7/00GK101862511SQ20101016594
公開日2010年10月20日 申請日期2010年5月7日 優先權日2010年5月7日
發明者沈國峰, 陳亞珠 申請人:上海交通大學