自帶高精度定時功能的P-HIFU相位信號發(fā)生器

向昱，白景峰

1 上海交通大學生物醫(yī)學工程學院生物醫(yī)學儀器研究所，上海市， 200030

2 上海交通大學Med-X研究院，上海市，200030

P-HIFU可以實現(xiàn)焦點的快速移動，多焦點聚焦，指定聲窗聚焦等功能[1]。P-HIFU系統(tǒng)主要由上位機、相位信號發(fā)生器、功率放大器、換能器陣列組成。上位機通過串口1發(fā)送相位控制指令，使相位信號發(fā)生器發(fā)出頻率、相位符合要求的多路方波信號；通過串口2發(fā)出功率指令，功率放大器接收指令并將相位信號發(fā)生器輸出的相位信號放大到所需功率，且頻率、相位相同的多路正弦波；由換能器陣列將多路正弦波轉(zhuǎn)換成相應的超聲波束。P-HIFU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 P-HIFU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of P-HIFU system structure

1 P-HIFU相控陣列設計

實現(xiàn)相控陣列的方式有主要有軟件移相、模擬移相、數(shù)字移相和雷達中的鐵氧體移相等。但是，模擬移相復雜且精度不高，軟件移相精度更低，鐵氧體移相成本過高，均不是實現(xiàn)P-HIFU相控陣列的理想方法。隨著可編程邏輯陣列(FPGA)的發(fā)展，數(shù)字移相實現(xiàn)P-HIFU相控陣列的技術越來越成熟，具有開發(fā)周期短、成本低、精度高、可靈活配置系統(tǒng)參數(shù)等優(yōu)勢。

1.1 移相原理

本文根據(jù)文獻[2]中提出的一種數(shù)字采樣移相的方法實現(xiàn)相移，將方波波形存儲在ROM中。假設ROM的位寬為N，則ROM中存儲數(shù)列為：

當基準時間為t0(0 ≤t0≤N)，偏移量為τ(0≤τ≤N)，生成的相移波束為xN((t0+τ)%N。在FPGA中，我們用時鐘輸入的上升沿觸發(fā)Flip-Flop加法器，產(chǎn)生t0，然后用17路加法器分別實現(xiàn)相移波束合成。系統(tǒng)參數(shù)為：相位精度通過更改FPGA固件程序，可靈活配置。

1.2 FPGA固件實現(xiàn)

本文使用Xilinx Spartan6 FPGA，外接Silicon Labs CP2102芯片，從上位機串口讀入相控指令；外接50MHz晶振和SW開關，作為各固件模塊的異步復位觸發(fā)器；通過FPGA芯片內(nèi)置DCM模塊將時鐘倍頻為200MHz，實現(xiàn)位寬96位的ROM，相位精度達到3.75o；產(chǎn)生17路相移波束輸出, 頻率為200 MHz/96 =2.083 MHz。根據(jù)實際需要，我們可以很方便地應用DCM模塊靈活配置主頻，并在固件程序中設置不同的ROM位寬，靈活地配置系統(tǒng)參數(shù)。相控指令包括偏移量和加法器地址選擇信息，最終為17個加法器配置不同的偏移量。FPGA固件如圖2所示。

圖2 FPGA相控陣列固件框圖Fig.2 Block diagram of FPGA phased-arrayfirmware

2 模式控制模塊增加高精度定時功能

2.1 傳統(tǒng)的基于軟件定時的方法所面臨的問題

P-HIFU系統(tǒng)治療腫瘤所需時間很短，在100 ms～10s范圍內(nèi)。治療時間的控制往往由上位機HIFU系統(tǒng)控制軟件來完成。其步驟為：①串口發(fā)送FPGA相控指令和功率放大器工作指令；②軟件倒計時開始；③軟件計時結(jié)束時，上位機通過串口發(fā)送FPGA和功率放大器停止工作的指令。

由于上位機系統(tǒng)往往為windows，屬于多任務分時操作系統(tǒng)，控制軟件通常為窗體應用程序，其軟件計時的誤差往往為55 ms左右[3]。要達到1 ms左右高精度的軟件計時，往往需要使用一部分艱深的Windows API，還需要修改軟件計時器權(quán)限[4]。更糟的是，若串口通信使用9 600波特率，通過串口發(fā)送指令對FPGA相控陣列進行調(diào)制所需時間為2.1 ms×調(diào)節(jié)路數(shù)，最壞情況需耗時＞100 ms。而且通過串口啟動功率放大器，需要數(shù)秒鐘穩(wěn)定放大器輸入電壓值。因此，傳統(tǒng)的由軟件控制HIFU系統(tǒng)腫瘤治療時間會帶來很大的誤差，在HIFU系統(tǒng)治療時間為0.1 s時，僅軟件計時誤差就導致50%定時誤差。

2.2 預配置解決定時精度問題

本文采取預配置的方式，規(guī)避FPGA相控陣列設定所需時間，其核心思路是FPGA內(nèi)配置計數(shù)器，使其具有高精度定時功能。具體實現(xiàn)思路為：不改變FPGA程序內(nèi)相控陣列模塊，另在FPGA內(nèi)配置計數(shù)器；通過計數(shù)器改變相控陣列輸出的相位信號的使能狀態(tài)，當使能狀態(tài)為‘1’時有相位信號輸出，使能狀態(tài)為‘0’的時候相位信號不輸出；計數(shù)器控制使能狀態(tài)的方法即為模式控制。

預配置包括功率放大器預配置、相位預配置和模式預配置，模式預配置是核心。軟件啟動功率放大器并待其穩(wěn)定，同時軟件計時器啟動，此即功率放大器預配置。然后完成相位控制，期間使能狀態(tài)為‘0’，此即相位預配置。配置計數(shù)器，未完成期間使能狀態(tài)為‘0’，配置結(jié)束后使能狀態(tài)按預設改變，此即模式預配置。軟件計時預留時間為FPGA輸出信號持續(xù)時間加從串口向FPGA和功率放大器發(fā)送指令所需時間，并再加一定的冗余時間，保證在FPGA輸出相位信號之前啟動并穩(wěn)定功率放大器，并在FPGA輸出方波結(jié)束后關閉功率放大器。通過預配置可完全規(guī)避發(fā)送相控指令、啟動FPGA、啟動功率放大器所需時間和軟件計時的誤差，F(xiàn)PGA控制的信號輸出能夠達到時鐘周期級的時間精度，使HIFU治療時間精度大大提高。

2.3 FPGA固件實現(xiàn)模式控制

模式控制模塊以內(nèi)置兩個計數(shù)器的方式，產(chǎn)生精確到一個超聲波周期(480 ns)的使能信號enable，對已有相控陣列產(chǎn)生的相位信號進行相與，得到最終輸出。

計數(shù)器由上位機輸入模式控制指令配置。模式控制指令配置pulse、period、repeat三個參數(shù)。取值范圍均為[0，2 147 483 647]，并且必須保證period≥pulse。此表示每period個超聲波周期內(nèi)，前pulse個周期相控陣輸出相位信號可輸出，后periodpulse個周期內(nèi)不可輸出。period個超聲波周期內(nèi)輸出的波形重復repeat次，repeat為0時，則無限重復。

FPGA內(nèi)兩計數(shù)器分別針對pulse和repeat?？刂浦噶钶斎胪瓿珊螅琾ulse、repeat計數(shù)器清0，并且最大值分別設為period、repeat值，每一個超聲波周期pulse計數(shù)器+1。當pulse計數(shù)器等于period時，若repeat＞0，repeat計數(shù)器+1；若repeat等于0則repeat計數(shù)器不變。enable= (pulse計數(shù)器＜period) && (repeat計數(shù)器＜repeat||repeat ==0)。

圖3為增加模式控制模塊后的FPGA固件圖，虛線部分為模式控制模塊：

圖3 FPGA模式控制模塊固件框圖Fig.3 Block diagram of FPGA mode control module firmware

2.4 模式控制驗證

為了驗證模式控制模塊的有效性，本文分別使用仿真和示波器測試模式波輸出的方式進行驗證。

圖4 FPGA模式控制仿真時序圖Fig.4 Time sequence diagram of FPGA mode control simulation

圖5 FPGA模式控制仿真關鍵時序部分Fig.5 Important time sequence section of mode control simulation

圖4為FPGA相位、模式控制輸入、相控陣列產(chǎn)生的連續(xù)波，經(jīng)模式調(diào)制后輸出的模式波仿真時序圖(pulse=3，period=6，repeat=3)。圖5可見：①enable出現(xiàn)3段高電平，高電平持續(xù)時間為3個方波周期，與pulse、period、repeat的設置完全相符；②enable處于高電平期間，模式波輸出相位、頻率與連續(xù)波完全一致，處于低電平時模式波均為低電平，證明了enable可有效對相控陣列輸出相位信號進行調(diào)制。仿真結(jié)果證明了模式控制的可行性。

將固件下載到FPGA中，使用采樣率為2.00 GSa/s的 Agilent MSO-X 2012A示波器進行測試。圖6為對設置為pulse=3、period=6和repeat=0的輸出模式波進行測試的結(jié)果，實測period波段持續(xù)時間2.88 μs，pulse波段持續(xù)時間1.44 μs，剛好分別為6和3個超聲波周期，證明模式控制成功且定時精度達到單個超聲波周期，即0.48 μs。另外方波頻率2.083 MHz，占空比50%，峰峰值為5.39 V，滿足TTL電平標準。跳變沿持續(xù)時間為13ns。圖7為示波器數(shù)字通道測得并經(jīng)過相位調(diào)制和模式調(diào)制后的相位信號輸出，pulse=3，period=6，repeat=0，可見模式控制對相位控制完全沒有影響。

圖6 模式波信號測試結(jié)果，pulse=3，period=6，repeat=0Fig.6 Moded signal testing result, pulse=3, period=6, repeat=0

圖7 模式控制結(jié)合相位調(diào)制的多路輸出波形Fig.7 Multi-output with both phase control and mode control

3 新型相控信號發(fā)生器的應用

3.1 實現(xiàn)超短連續(xù)波或脈沖波

t為超短連續(xù)波或脈沖波持續(xù)時間，超聲波周期為0.48 μs，預先發(fā)送相控指令調(diào)制好相位，然后發(fā)送模式控制指令，設置pulse = t/(0.48 μs)，period ≥ pulse，repeat = 1，即可實現(xiàn)超短連續(xù)波或脈沖波。圖7即可視為持續(xù)時間為1.44 μs，每隔2.88 μs發(fā)送一次的超短脈沖波的波形。

3.2 實現(xiàn)間歇式治療策略

傳統(tǒng)的P-HIFU治療方式為連續(xù)波聚焦于靶點，一次性加熱，非常容易造成熱量累積，對靶點周圍和焦前區(qū)造成損傷。有研究表明[5]，采用間歇式治療方式，即多次發(fā)送持續(xù)時間很短的連續(xù)波，每次之間有較長的時間間隔，可以有效地避免熱量累積。模式控制可以很精確地做到間歇式治療。設治療總時間為T，單次治療時間為t，間隔時間為Цt，可計算出：pulse = t/(0.48 μs)，period = (t + Цt)/(0.48μs)，repeat = T/t。

4 結(jié)論

實驗表明，在基于FPGA技術實現(xiàn)P-HIFU相控陣列的基礎上增加模式控制模塊，在相位信號輸出之前預配置相位、相位信號持續(xù)時間、連續(xù)信號間隔時間和重復次數(shù)，從而實現(xiàn)相位信號輸出的高精度定時的方法是可行的。該方法定時精度高，而且不影響相位信號發(fā)生器的相控效果，是提高短時間尺度內(nèi)P-HIFU治療定時精度的一種較好的解決方案。

[1]Ji, X., Shen, G.-F.J Bai et al.Multi-element ultrasound phased array applicator for the ablation of deep-seated tissue[J].Journal of Shanghai Jiaotong University (Science), 2011, 16(1): 55-60.

[2]Tai K.Song, Song B.Parkl.A new digital phased array system for dynamic focusing and steering with reduced sampling rate[J].Ultrasonic Imaging, 1990, 12(1): 1-16.

[3]Feng-juan Cheng, Hui Yin, Qing-hui Zhang, et al.Research of Accurate Software Timing Based on Windows[C].2010 International Conference on Challenges in Environmental Science and Computer Engineering (CESCE), 2010: 104-106.

[4]CHRISTOPHER D, CHAMBERS, MEL BROWN, et al.Timing accuracy under Microsoft Windows revealed through external chronometry[J].Behavior Research Methods, Instruments, &Computers, 2003, 35 (1): 96-108.

[5]McDannold, N, Jolesz, F, Hynynen, K.Determination of the Optimal Delay between Sonications during Focused Ultrasound Surgery in Rabbits by Using MR Imaging to Monitor Thermal Buildup in Vivo[J].Radiology 1999, 211(2):419–426.