相控陣聚焦超聲控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(qiáng)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(diǎn)，研究表明，低強(qiáng)度聚焦超聲具有促進(jìn)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(qiáng)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(diǎn)為中心的一個(gè)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(dòng)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(dòng)技術(shù)大部分采用分立式電子儀器組合來實(shí)現(xiàn)簡易的超聲激勵(lì)[7]，通常實(shí)驗(yàn)搭建較耗時(shí)，效率低，無法滿足特殊激勵(lì)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(gè)較小的規(guī)模，不利于多元化激勵(lì)方案的實(shí)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(jì)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(shí)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(shí)精度為5 ns，可驅(qū)動(dòng)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(shí)聚焦原理

超聲相控陣由若干個(gè)陣元按照一定的規(guī)律組合而成，每個(gè)陣元按照預(yù)先設(shè)定好的發(fā)射順序，間隔一定時(shí)間依次發(fā)射聲波，使各陣元發(fā)出的聲波能同時(shí)到達(dá)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(diǎn)疊加合成，在聚焦位置處聲壓達(dá)到最大值，從而實(shí)現(xiàn)聲場聚焦或聲束的偏轉(zhuǎn)[10]。

對于由N個(gè)陣元組成的超聲相控陣，設(shè)第i個(gè)陣元在空間某點(diǎn)處的聲壓為pi，則該點(diǎn)處的總聲壓為各陣元在該點(diǎn)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(gè)陣元，第i個(gè)陣元中心坐標(biāo)為(xi,yi,0)，焦點(diǎn)為F(x,y,z)，則陣元i到焦點(diǎn)F的聲波傳輸時(shí)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(shí)到達(dá)焦點(diǎn)F處，因此，各陣元的信號發(fā)射延遲時(shí)間為

Δti=max(ti)-tii=1,2,3,…,N

(3)

時(shí)間延遲控制可認(rèn)為是相控陣技術(shù)的核心。通過對單個(gè)陣元相對應(yīng)的通道進(jìn)行單獨(dú)的激勵(lì)控制，使各陣元所激勵(lì)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(jì)

基于 FPGA的超聲相控陣發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是：利用 FPGA 豐富的 I/O 引腳資源和高速計(jì)數(shù)功能，實(shí)現(xiàn)換能器陣列發(fā)射波束的聚焦深度控制和自動(dòng)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(jī)、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(dòng)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(shí)控制，用于產(chǎn)生256路不同延時(shí)波形信號，波形信號經(jīng)過功率放大后激勵(lì)相控聚焦超聲換能器。具體過程如下：通過PC機(jī)控制軟件輸入各個(gè)陣元的延時(shí)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(shí)可調(diào)(n×步長，其中n為單位延時(shí)數(shù)量)控制信號，該控制信號控制驅(qū)動(dòng)模塊的時(shí)序和頻率，經(jīng)功率放大后最終激勵(lì)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(jì)

主控單元采用STM32+FPGA的組合方式，由STM32F4通過串口與上位機(jī)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(dòng)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(jìn)、主頻可達(dá)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(yùn)算能力和數(shù)據(jù)處理能力。EP4CE75F23I7具有75408邏輯單元和292個(gè)可用I/O引腳。該系統(tǒng)采樣50 MHz的系統(tǒng)時(shí)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(shí)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(dòng)時(shí)間差達(dá)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(jì)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(shí)鐘分頻延時(shí)輸出信號圖

2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4為驅(qū)動(dòng)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?qiáng)電路，使信號功率放大。而后功率放大的信號經(jīng)過匹配網(wǎng)絡(luò)輸出到目標(biāo)換能器基元上。同時(shí)反饋電路會(huì)檢測輸出信號的電流和電壓，并將數(shù)據(jù)傳輸至保護(hù)電路中，如果系統(tǒng)無安全隱患，保護(hù)電路會(huì)將這些數(shù)據(jù)重新反饋到功率增強(qiáng)電路，功率增強(qiáng)電路會(huì)根據(jù)實(shí)際輸出情況進(jìn)行微調(diào)。如果存在安全隱患，保護(hù)電路將中斷功率增強(qiáng)電路的輸出，避免系統(tǒng)的損壞。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對16路超聲陣元的驅(qū)動(dòng)。16個(gè)驅(qū)動(dòng)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(dòng)輸出。

圖4 驅(qū)動(dòng)模塊示意圖

驅(qū)動(dòng)信號的幅度實(shí)際上取決于MOSFET陣列的正負(fù)供電電源，器件TC6321可在±100 V供電下工作，單路驅(qū)動(dòng)信號只要調(diào)節(jié)內(nèi)部供電電源的大小就可以實(shí)現(xiàn)±100 V以下驅(qū)動(dòng)輸出幅值連續(xù)。同時(shí)，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(fù)供電可實(shí)現(xiàn)輸出驅(qū)動(dòng)信號為±100 V可調(diào)雙極性信號。驅(qū)動(dòng)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(jì)

為了在PC端用戶界面上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、可視化的操作，設(shè)計(jì)了低強(qiáng)度超聲相位控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用戶界面，如圖5所示。界面上可實(shí)現(xiàn)各陣元延時(shí)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(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整,對各通道相位、激勵(lì)頻率、輸入功率、輻照時(shí)間、間隙時(shí)間、工作次數(shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定及調(diào)整。

圖5 軟件操作界面

3 電路實(shí)驗(yàn)測試

為了驗(yàn)證以上系統(tǒng)是否滿足相控陣激勵(lì)發(fā)射的要求，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對相控陣系統(tǒng)的超聲發(fā)射信號的相控延時(shí)、聚焦效果進(jìn)行了測試。

3.1 相控陣延時(shí)數(shù)據(jù)測試

通過上位機(jī)系統(tǒng)將計(jì)算得到的延時(shí)值發(fā)送給 FPGA 并進(jìn)行相應(yīng)的配置，使256通道發(fā)射具有不同相位差的激勵(lì)脈沖信號。用示波器測量256個(gè)通道間的延時(shí)值，與理論計(jì)算得出的延時(shí)值進(jìn)行對比。圖6為搭建的時(shí)延測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

圖6 時(shí)延測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

任意11通道設(shè)置的延時(shí)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)測試的聚焦延時(shí)數(shù)據(jù)對比如表 1 所示。由表可看出，實(shí)際延時(shí)值和理論延時(shí)值的相對誤差較小。

表1 任意11通道設(shè)置的延時(shí)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)測試的聚焦延時(shí)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(jī)，對超聲針灸相控陣的聚焦聲場進(jìn)行聲場測量實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)裝置為同濟(jì)大學(xué)的Schlieren聲場可視化系統(tǒng)，如圖7所示。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中通過在上位機(jī)程序中導(dǎo)入預(yù)設(shè)聚集位置的延時(shí)表，控制相控陣單個(gè)陣元的激勵(lì)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(diǎn)(0,0,15 mm)和(0,3 mm,15 mm)時(shí)，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(diǎn)位置，并且通過對延時(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)256通道的相控陣聚焦控制，實(shí)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(dá)5 ns。基于Labview用戶界面可將各陣元延時(shí)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。