相控陣聚焦超聲控制系統(tǒng)的設(shè)計

王 歡,張 清,周紅生,潘海林,劉逍逸

(1.中國科學(xué)院 聲學(xué)研究所東海研究站，上海 201815；2.華東師范大學(xué) 軟件工程學(xué)院 國家可信嵌入式軟件工程技術(shù)研究中心，上海 200062)

0 引言

低強度聚焦超聲治療技術(shù)是當(dāng)前超聲治療領(lǐng)域的研究熱點，研究表明，低強度聚焦超聲具有促進血管新生、神經(jīng)損傷再生、加速骨骼愈合、改善男性勃起功能障礙、突破血腦屏障及治療腦神經(jīng)疾病等作用[1-5]。低強度聚焦超聲作用對象不同，對聚焦超聲的要求也不同，傳統(tǒng)的物理聚焦焦域是以焦點為中心的一個很小的類橢球區(qū)域，焦域模式固定，聚焦的深度、廣度、角度都不能隨意調(diào)節(jié)，對于神經(jīng)調(diào)控、腦刺激及血管再生等需要精準(zhǔn)控制的應(yīng)用難以勝任，相控陣技術(shù)的引入為解決聚焦聲場精確控制帶來了新的思路[6]。

相控陣相位控制和驅(qū)動技術(shù)是超聲治療技術(shù)得以臨床應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，不同的應(yīng)用場景對于超聲系統(tǒng)的性能參數(shù)有著不同的技術(shù)要求。目前，相控陣相位控制和驅(qū)動技術(shù)大部分采用分立式電子儀器組合來實現(xiàn)簡易的超聲激勵[7]，通常實驗搭建較耗時，效率低，無法滿足特殊激勵序列要求。另一方面，部分已經(jīng)應(yīng)用的相控陣聚焦超聲控制系統(tǒng)通常具有輸出參數(shù)相對固定，頻率、功率可調(diào)范圍窄，且支持換能器陣列通道尚處于一個較小的規(guī)模，不利于多元化激勵方案的實現(xiàn)[8-9]，在一定程度上阻礙了超聲治療技術(shù)在不同領(lǐng)域的深入應(yīng)用。

本文設(shè)計了一種基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)的256通道的相控陣聚焦超聲控制系統(tǒng)，實現(xiàn)頻率在1～3 MHz可調(diào)，輸出電壓峰-峰值在±100 V連續(xù)可調(diào)，相位延時精度為5 ns，可驅(qū)動不同陣元數(shù)的相控陣探頭，滿足相控陣聚焦超聲差異化研究要求。

1 控陣延時聚焦原理

超聲相控陣由若干個陣元按照一定的規(guī)律組合而成，每個陣元按照預(yù)先設(shè)定好的發(fā)射順序，間隔一定時間依次發(fā)射聲波，使各陣元發(fā)出的聲波能同時到達聚焦位置。根據(jù)惠更斯原理，各陣元發(fā)射的超聲波束在空間各點疊加合成，在聚焦位置處聲壓達到最大值，從而實現(xiàn)聲場聚焦或聲束的偏轉(zhuǎn)[10]。

對于由N個陣元組成的超聲相控陣，設(shè)第i個陣元在空間某點處的聲壓為pi，則該點處的總聲壓為各陣元在該點處聲壓的總和[10]，即

(1)

圖1為二維相控面陣示意圖。假定面陣有N個陣元，第i個陣元中心坐標(biāo)為(xi,yi,0)，焦點為F(x,y,z)，則陣元i到焦點F的聲波傳輸時間ti為

i=1,2,3,…,N

(2)

式中c為超聲在介質(zhì)中的傳播速度。

圖1 二維相控陣

相控聚焦要求各陣元發(fā)射聲波的信號同時到達焦點F處，因此，各陣元的信號發(fā)射延遲時間為

Δti=max(ti)-tii=1,2,3,…,N

(3)

時間延遲控制可認(rèn)為是相控陣技術(shù)的核心。通過對單個陣元相對應(yīng)的通道進行單獨的激勵控制，使各陣元所激勵出的超聲波相位存在一定的相位差，然后根據(jù)波的疊加和干涉原理，這些超聲波將在空間某處形成聚焦。

2 超聲控制系統(tǒng)設(shè)計

基于 FPGA的超聲相控陣發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計思想是：利用 FPGA 豐富的 I/O 引腳資源和高速計數(shù)功能，實現(xiàn)換能器陣列發(fā)射波束的聚焦深度控制和自動偏轉(zhuǎn)角度控制。

本文研制的超聲相控陣發(fā)射系統(tǒng)由PC機、基于MCU的通訊和控制模塊、基于FPGA的發(fā)射波束形成模塊、電源管理模塊和驅(qū)動模塊組成。其中FPGA作為控制系統(tǒng)的主控單元，承載著相控陣發(fā)射的延時控制，用于產(chǎn)生256路不同延時波形信號，波形信號經(jīng)過功率放大后激勵相控聚焦超聲換能器。具體過程如下：通過PC機控制軟件輸入各個陣元的延時控制指令，經(jīng)通訊控制模塊發(fā)送至FPGA，F(xiàn)PGA控制I/O端口輸出基于基礎(chǔ)波形的延時可調(diào)(n×步長，其中n為單位延時數(shù)量)控制信號，該控制信號控制驅(qū)動模塊的時序和頻率，經(jīng)功率放大后最終激勵相控陣陣列。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 超聲相控陣控制系統(tǒng)框圖

2.1 FPGA主控模塊設(shè)計

主控單元采用STM32+FPGA的組合方式，由STM32F4通過串口與上位機通信獲得控制指令并將其發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA控制256路驅(qū)動信號的頻率和相位，可輸出頻率為1～3 MHz,相位分辨率為5 ns。FPGA采用Alter 公司的EP4CE75F23I7器件。其中STM32F4是基于ARM-CortexTM-M4架構(gòu)的微控制器，內(nèi)核架構(gòu)先進、主頻可達168 MHz，ART技術(shù)使程序零等待執(zhí)行，執(zhí)行效率高，具有較高的運算能力和數(shù)據(jù)處理能力。EP4CE75F23I7具有75408邏輯單元和292個可用I/O引腳。該系統(tǒng)采樣50 MHz的系統(tǒng)時鐘，通過鎖相環(huán)將頻率升高輸出至200 MHz。200 MHz頻率的信號周期為5 ns，所以本系統(tǒng)的延時精度為5 ns。具體步驟如下：

1) 信號相位由相位累加器控制，相位累加器通過控制不同輸出信號的啟動時間差達到控制相位的目的。

2) 各通道的輸出頻率由頻率控制器控制，頻率控制器控制各輸出通道的信號周期。

3) 信號發(fā)生計數(shù)器是將相位累加器和頻率控制器的參數(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生所需波形信號,如圖3所示。

圖3 時鐘分頻延時輸出信號圖

2.2 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

圖4為驅(qū)動模塊的電路原理圖。邏輯單元產(chǎn)生的信號通過隔離器件傳輸?shù)焦β试鰪婋娐?，使信號功率放大。而后功率放大的信號?jīng)過匹配網(wǎng)絡(luò)輸出到目標(biāo)換能器基元上。同時反饋電路會檢測輸出信號的電流和電壓，并將數(shù)據(jù)傳輸至保護電路中，如果系統(tǒng)無安全隱患，保護電路會將這些數(shù)據(jù)重新反饋到功率增強電路，功率增強電路會根據(jù)實際輸出情況進行微調(diào)。如果存在安全隱患，保護電路將中斷功率增強電路的輸出，避免系統(tǒng)的損壞。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對16路超聲陣元的驅(qū)動。16個驅(qū)動模塊在MCU控制下相互協(xié)調(diào)工作，構(gòu)成256路可控驅(qū)動輸出。

圖4 驅(qū)動模塊示意圖

驅(qū)動信號的幅度實際上取決于MOSFET陣列的正負供電電源，器件TC6321可在±100 V供電下工作，單路驅(qū)動信號只要調(diào)節(jié)內(nèi)部供電電源的大小就可以實現(xiàn)±100 V以下驅(qū)動輸出幅值連續(xù)。同時，電路輸出采用N型MOS管加P型MOS管串行結(jié)構(gòu)，采用正負供電可實現(xiàn)輸出驅(qū)動信號為±100 V可調(diào)雙極性信號。驅(qū)動信號的頻率取決于MD1210K6的輸入控制信號，該控制由FPGA(EP4CE75F23I7)產(chǎn)生。

2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

為了在PC端用戶界面上實現(xiàn)實時、可視化的操作，設(shè)計了低強度超聲相位控制和驅(qū)動系統(tǒng)用戶界面，如圖5所示。界面上可實現(xiàn)各陣元延時數(shù)據(jù)文本文檔導(dǎo)入/輸入，可在用戶界面上直接對延時數(shù)據(jù)進行調(diào)整,對各通道相位、激勵頻率、輸入功率、輻照時間、間隙時間、工作次數(shù)等參數(shù)進行設(shè)定及調(diào)整。

圖5 軟件操作界面

3 電路實驗測試

為了驗證以上系統(tǒng)是否滿足相控陣激勵發(fā)射的要求，搭建實驗平臺對相控陣系統(tǒng)的超聲發(fā)射信號的相控延時、聚焦效果進行了測試。

3.1 相控陣延時數(shù)據(jù)測試

通過上位機系統(tǒng)將計算得到的延時值發(fā)送給 FPGA 并進行相應(yīng)的配置，使256通道發(fā)射具有不同相位差的激勵脈沖信號。用示波器測量256個通道間的延時值，與理論計算得出的延時值進行對比。圖6為搭建的時延測試實驗系統(tǒng)。

圖6 時延測試實驗系統(tǒng)

任意11通道設(shè)置的延時參數(shù)和實驗測試的聚焦延時數(shù)據(jù)對比如表 1 所示。由表可看出，實際延時值和理論延時值的相對誤差較小。

表1 任意11通道設(shè)置的延時參數(shù)和實驗測試的聚焦延時數(shù)據(jù)對比

3.2 相控陣聚焦聲場測試

采用紋影法(Schlieren法)，結(jié)合高速攝像機，對超聲針灸相控陣的聚焦聲場進行聲場測量實驗，其實驗裝置為同濟大學(xué)的Schlieren聲場可視化系統(tǒng)，如圖7所示。實驗所用的發(fā)射換能器為多普勒超聲相控陣換能器(2 MHz 256elts Matrix Phased Array)，陣元數(shù)為256，陣元間距為1.2 mm,中心頻率為2 MHz。

圖7 Schlieren聲場可視化系統(tǒng)

實驗中通過在上位機程序中導(dǎo)入預(yù)設(shè)聚集位置的延時表，控制相控陣單個陣元的激勵信號發(fā)射不同相位的超聲波以形成聚焦聲場。圖8、9為預(yù)設(shè)焦點(0,0,15 mm)和(0,3 mm,15 mm)時，形成聚焦聲場的Schlieren像。由圖8、9可知，超聲波較準(zhǔn)確地聚焦于系統(tǒng)預(yù)設(shè)的焦點位置，并且通過對延時表的修改，波束發(fā)生了固定的偏轉(zhuǎn)。測試結(jié)果表明，本文設(shè)計的相控陣聚焦超聲控制系統(tǒng)對超聲換能器聲場具有較好的控制效果。

圖8 聲場聚焦于(0, 0, 15 mm)的Schlieren像

圖9 聲場聚焦于(0,3 mm ,15 mm)的Schlieren像

4 結(jié)束語

基于FPGA控制的低能量超聲相控陣系統(tǒng)可實現(xiàn)256通道的相控陣聚焦控制，實現(xiàn)頻率在1～3 MHz可調(diào)，輸出電壓峰-峰值在±100 V連續(xù)可調(diào)，相位分辨率可達5 ns?；贚abview用戶界面可將各陣元延時數(shù)據(jù)以配置文件形式直接導(dǎo)入，可根據(jù)需要匹配不同陣元的相控陣，從而滿足相控陣聚焦超聲差異化研究要求。