多通道超聲相控陣驅動控制系統設計*

凌子超 張艷秋 張默涵 楊久敏 菅喜岐

(天津醫科大學生物醫學工程與技術學院 天津 300070)

0 引言

低強度經顱聚焦超聲是一種利用脈沖聚焦超聲對人腦神經元進行調節的治療技術，具有無創、空間分辨率高和可深部腦刺激等特性，目前已應用于帕金森病、癲癇和抑郁癥等腦部疾病治療的研究[1-3]。對于顱骨包裹的腦部疾病經顱治療時，由于人顱骨的結構個體差異性大、聲學參數呈非均質性分布及其強聲衰減性，超聲經顱后產生的相位畸變和能量衰減可能導致焦點位置偏移、散焦、焦域能量不足等臨床問題發生。目前一般需結合患者顱骨生理結構及其聲學參數利用類似時間反轉法[4]計算對多陣元相控陣換能器各陣元進行相位調控和幅值補償的參數，實現經顱精準定位聚焦及其焦域能量的調控。

多陣元相控陣聚焦換能器的相位控制和驅動電路系統是決定其能否應用于臨床的關鍵技術之一。目前，實現多通道驅動信號的幅值和高精度相位控制是設計該系統的重點與難點。2017 年，Liu等[5]基于直接數字式頻率合成(Direct digital synthesizer,DDS)技術設計了多通道同步高速任意波形信號發生器，相鄰通道之間的延時誤差小于1.6 ns。2018 年，趙夢娟等[6]基于現場可編程邏輯門陣列(Field programmable gate array,FPGA)、高速數字模擬轉換器(Digital-to-analog converter,DAC)設計的高強度聚焦超聲(High-intensity focused ultrasound,HIFU)治療相控陣換能器相位控制和驅動系統可實現相位分辨率為2 ns。2020年，王歡等[7]基于FPGA 設計了相位延時精度為5 ns的多通道相控陣超聲控制系統。現有的相位控制和驅動電路系統相位分辨率低，延時誤差大，且通道數量的擴展有限。

本文采用以PC 為上位機、單片機為下位機的控制方式，基于DDS 設計了相位分辨率為12 位的多通道相控驅動電路系統，可實現相位分辨率為0.1°，延時誤差小于1 ns，輸出信號電壓峰峰值在0～37.5 V 可調，可滿足驅動信號為正弦波或方波的低強度經顱聚焦超聲相控陣刺激治療腦神經疾病的需要。

1 硬件電路系統設計

圖1 為多通道相位控制及驅動電路系統框圖。上位機PC 通過TCP/IP 通信將各通道的波形參數發送至下位機單片機(Microcontroller unit,MCU)，MCU接收到參數設置后控制DDS芯片生成相應頻率和相位的波形信號，輸出信號通過幅度控制和功率放大后激勵換能器陣元工作。該系統的時鐘由同一個晶振經時鐘分配后發送給每個DDS，同時結合通道間的相位差檢測功能，將相位差信息反饋到MCU，MCU 調節DDS 的相位控制字，以確保所有DDS芯片輸出波形的相位同步。

圖1 多通道相位控制及驅動系統框圖Fig.1 Block diagram of multi-channel phase control and drive system

1.1 信號發生及相位控制電路

本文采用MCU 控制多個DDS 芯片的頻率控制字和相位控制字的方式來實現頻率和相位控制。MCU選用ST 意法半導體的STM32H743IIT6 實現整個系統的數據傳輸和控制。DDS 芯片選用Analog Devices 的AD9834 芯片實現正弦波信號輸出，正弦波通過芯片的過零比較器可實現方波輸出，其輸出相移ΔPh和頻率f的公式[8]分別為

其中，PHASEREG 為寫入12位相位寄存器中的值，相位分辨率為0.087°；fMCLK為AD9834 的時鐘頻率，FREQ為寫入28位頻率寄存器中的值。

多通道相位同步輸出時鐘分配系統如圖2 所示，每一個DDS 接收來自同一個晶振經時鐘分配后的CLK 信號。為確保各個DDS 芯片間的輸出相位同步，采取印刷電路板(Printed circuit board,PCB)物理等長布線減小通道間的傳輸誤差，采用低電壓差分信號(Low-voltage differential signaling,LVDS)差分傳輸防止波形失真，選取溫補晶體振蕩器(Temperature compensate X’tal(crystal)oscillator,TCXO)減少溫漂的影響。

圖2 時鐘分配系統圖Fig.2 Clock distribution system diagram

1.2 相位差檢測

盡管采取了上述措施，各通道之間還會產生相位差。為確保各通道之間輸出相位的同步性，采用軟件與硬件結合的方式對各通道輸出的相位差進行檢測，基于該相位差檢測信號進行反饋和校準。軟件檢測基于時鐘主頻為200 MHz 的STM32H743IIT6單片機的定時器捕獲功能，該定時器相位捕獲框圖如圖3 所示，當DDS 輸出方波信號時，捕獲計數器將邊沿檢測器檢測到方波跳變沿時刻的計數值存儲到捕獲寄存器中，處理器根據各捕獲寄存器中的差值計算相位差信息，單次相位差檢測精度為5 ns，采用將采樣次數增加到104次的過采樣方法，對采樣值進行均值計算使相位差檢測精度降低至1 ns以下。

圖3 單片機定時器相位捕獲框圖Fig.3 Single-chip timer phase capture block diagram

硬件檢測是利用相位差檢測芯片AD8302，將不同輸入端的兩通道信號接到AD8302 的對數放大器，通過鑒相器和加法器之后，輸出與兩信號相位差成反比的電壓信號獲得相位差信息[9]。利用AD8302 在相位差為90°時最高檢測精度為0.1°的特性，當系統啟動時，對兩個通路的相位差進行軟件和硬件相位檢測，并以硬件檢測結果為基準校正軟件檢測精度。當系統正常工作時，只需使用軟件相位檢測即可實現多通道高精度的相位檢測。

1.3 幅度控制電路

選取ADI 公司的VGA 芯片AD8368 實現幅值調控，DAC 為具有0.3 mV 步長和可調節電壓范圍為0～1.25 V 的12 位DAC，幅度控制框圖如圖4 所示。通過MCU 調節DAC 輸出的模擬電壓實現對AD8368 的增益控制，從而實現對激勵信號幅值的程控調節；同時通過AD8368 串聯減小幅值調節步長，實現幅值調節步長20 mV、輸出信號幅值0～4.5 V可調。

圖4 幅度控制框圖Fig.4 Block diagram of amplitude control

1.4 功率放大電路

經幅度控制電路后產生的信號幅值和功率不足以驅動換能器正常工作，需要對激勵信號進行幅值放大和功率放大。本文采用如圖5 所示的兩級級聯放大電路，其中LM7171 運算放大器(-3 dB 帶寬為220 MHz，壓擺率為4100 V/μs)用于放大信號電壓，可將輸出電壓峰峰值放大到15 V；ADA4870功率放大器(-3 dB帶寬為52 MHz，壓擺率為2500 V/μs)用于放大信號輸出功率，在±20 V供電下可提供1 A 電流輸出，輸出電壓峰峰值可達37.5 V。運算放大器和功率放大器采用同相放大電路形式，固定增益為9倍。

圖5 功率放大電路原理圖Fig.5 Power amplifier circuit schematic

1.5 通道數拓展

本相控驅動系統由1 塊主PCB板和(N/8-1)塊從PCB 板構成，單板輸出8 通道驅動信號，可構成N通道激勵信號輸出。主從板通過RS485 總線連接，系統時鐘均來源于主控板上的同源時鐘晶振，主從板電路結構相同且單板包含完整的電源管理系統、時鐘擴展系統和數據總線通信接口。本系統可通過增加從板數量實現一定程度的通道數的擴增。

2 軟件系統設計

在Visual Studio 2010 平臺上采用C#語言編程設計如圖6 所示的上位機相位控制和驅動系統用戶界面，該界面可進行各通道延時數據的導入/導出以及各通道輸出波形、相位、幅值、激勵頻率、輻照時間等參數的選擇及調整。在該界面軟件程序中，波形參數采用浮點型處理，相位調控步長采用與DDS的相位分辨率相近的0.1°。上位機將波形參數發送到下位機時，對浮點數進行取整處理，將其轉化成長整型后發送至下位機完成參數設置。

圖6 相位控制和驅動系統用戶界面Fig.6 Phase control and drive system user interface

3 結果

為驗證所設計的多通道相控驅動電路輸出波形的性能，搭建如圖7 所示的硬件測試系統。通過上位機PC 將設定的波形參數發送下位機MCU，使其發射具有不同相位差的激勵信號，用示波器(Agilent，MSO7052B/500M/4GSa/s)測量該系統的輸出相位同步性及延時誤差。

圖7 硬件電路測試實物圖Fig.7 Hardware circuit test physical diagram

3.1 相位同步性測試

驅動電路同時輸出多通道頻率為1.1 MHz、相位差為0°的激勵信號，任意選取相鄰兩通道進行檢測，示波器檢測到的波形如圖8 所示。由圖8(a)可知，當輸出波形為方波時，與設定的頻率相比，頻率誤差百分比小于0.05%，通道間實測相移為0.02°，延時時間為0.06 ns；由圖8(b)可知，當輸出波形為正弦波時，與設定的頻率相比，頻率誤差百分比小于0.01%，通道間實測相移為0.23°，延時時間為0.58 ns。方波的實測相移和延時時間均小于正弦波，由此可知，方波的相位同步效果優于正弦波。

圖8 不同波形激勵時實測輸出波形圖Fig.8 Measured output waveforms with different waveform excitation

3.2 多通道間的延時誤差測試

設置工作頻率為1.1 MHz，輸出波形為方波，以通道1 為參考通道，任意選取9 個通道相對參考通道設置不同的延時，實際測量延時值與設置延時值對比結果如表1 所示。在同樣的條件下正弦波的實際測量結果如表2所示。由表1可知，方波的實測相對延時與設置相對延時之間的最大誤差為0.16 ns。由表2 可知，正弦波的實測相對延時與設置相對延時之間的最大誤差為0.8 ns。由表1 與表2 對比可知，方波的延時誤差小于正弦波，系統延時誤差小于1 ns。

表1 方波的設置與實測相控延時數據對比Table 1 Comparison of square wave setup and measured phase control delay data

表2 正弦波的設置與實測相控延時數據對比Table 2 Comparison of sine wave setup and measured phase control delay data

4 結論與討論

本文基于MCU 和DDS 芯片設計并搭建可產生多通道正弦波或方波輸出的相控驅動系統，可實現相位和幅度控制、功率放大等功能，具體研究結果如下：

(1)該系統可輸出多通道相位分辨率為0.1°，延時誤差小于1 ns，輸出信號電壓峰峰值在0～37.5 V可調的正弦波或方波信號。

(2) 基于Visual Studio 2010 設計的上位機用戶界面可將相位延時數據導入/導出，控制驅動系統輸出不同波形、頻率、相位以及幅值的激勵信號。

(3) 多通道DDS 共享同一個時鐘源和主PCB板與從PCB 板通過總線連接方式構建的多通道相位同步輸出系統的通道數可拓展。

綜上所述，本文設計的相控換能器相控驅動系統相位分辨率高、延時誤差小、通道數可拓展，可滿足低強度經顱聚焦超聲治療腦部疾病及神經調控的需求。但存在方波相位同步效果優于正弦波的問題，與系統中采用相位差檢測的方法有關，針對不同信號波形的相位差檢測和校正的研究正在進行之中。