凌子超 張艷秋 張默涵 楊久敏 菅喜岐

(天津醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院 天津 300070)

0 引言

低強(qiáng)度經(jīng)顱聚焦超聲是一種利用脈沖聚焦超聲對(duì)人腦神經(jīng)元進(jìn)行調(diào)節(jié)的治療技術(shù)，具有無(wú)創(chuàng)、空間分辨率高和可深部腦刺激等特性，目前已應(yīng)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(duì)于顱骨包裹的腦部疾病經(jīng)顱治療時(shí)，由于人顱骨的結(jié)構(gòu)個(gè)體差異性大、聲學(xué)參數(shù)呈非均質(zhì)性分布及其強(qiáng)聲衰減性，超聲經(jīng)顱后產(chǎn)生的相位畸變和能量衰減可能導(dǎo)致焦點(diǎn)位置偏移、散焦、焦域能量不足等臨床問(wèn)題發(fā)生。目前一般需結(jié)合患者顱骨生理結(jié)構(gòu)及其聲學(xué)參數(shù)利用類(lèi)似時(shí)間反轉(zhuǎn)法[4]計(jì)算對(duì)多陣元相控陣換能器各陣元進(jìn)行相位調(diào)控和幅值補(bǔ)償?shù)膮?shù)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)顱精準(zhǔn)定位聚焦及其焦域能量的調(diào)控。

多陣元相控陣聚焦換能器的相位控制和驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)是決定其能否應(yīng)用于臨床的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，實(shí)現(xiàn)多通道驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值和高精度相位控制是設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。2017 年，Liu等[5]基于直接數(shù)字式頻率合成(Direct digital synthesizer,DDS)技術(shù)設(shè)計(jì)了多通道同步高速任意波形信號(hào)發(fā)生器，相鄰?fù)ǖ乐g的延時(shí)誤差小于1.6 ns。2018 年，趙夢(mèng)娟等[6]基于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列(Field programmable gate array,FPGA)、高速數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(Digital-to-analog converter,DAC)設(shè)計(jì)的高強(qiáng)度聚焦超聲(High-intensity focused ultrasound,HIFU)治療相控陣換能器相位控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)相位分辨率為2 ns。2020年，王歡等[7]基于FPGA 設(shè)計(jì)了相位延時(shí)精度為5 ns的多通道相控陣超聲控制系統(tǒng)?，F(xiàn)有的相位控制和驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)相位分辨率低，延時(shí)誤差大，且通道數(shù)量的擴(kuò)展有限。

本文采用以PC 為上位機(jī)、單片機(jī)為下位機(jī)的控制方式，基于DDS 設(shè)計(jì)了相位分辨率為12 位的多通道相控驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)相位分辨率為0.1°，延時(shí)誤差小于1 ns，輸出信號(hào)電壓峰峰值在0～37.5 V 可調(diào)，可滿足驅(qū)動(dòng)信號(hào)為正弦波或方波的低強(qiáng)度經(jīng)顱聚焦超聲相控陣刺激治療腦神經(jīng)疾病的需要。

1 硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 為多通道相位控制及驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)框圖。上位機(jī)PC 通過(guò)TCP/IP 通信將各通道的波形參數(shù)發(fā)送至下位機(jī)單片機(jī)(Microcontroller unit,MCU)，MCU接收到參數(shù)設(shè)置后控制DDS芯片生成相應(yīng)頻率和相位的波形信號(hào)，輸出信號(hào)通過(guò)幅度控制和功率放大后激勵(lì)換能器陣元工作。該系統(tǒng)的時(shí)鐘由同一個(gè)晶振經(jīng)時(shí)鐘分配后發(fā)送給每個(gè)DDS，同時(shí)結(jié)合通道間的相位差檢測(cè)功能，將相位差信息反饋到MCU，MCU 調(diào)節(jié)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of multi-channel phase control and drive system

1.1 信號(hào)發(fā)生及相位控制電路

本文采用MCU 控制多個(gè)DDS 芯片的頻率控制字和相位控制字的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率和相位控制。MCU選用ST 意法半導(dǎo)體的STM32H743IIT6 實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和控制。DDS 芯片選用Analog Devices 的AD9834 芯片實(shí)現(xiàn)正弦波信號(hào)輸出，正弦波通過(guò)芯片的過(guò)零比較器可實(shí)現(xiàn)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(xiě)入12位相位寄存器中的值，相位分辨率為0.087°；fMCLK為AD9834 的時(shí)鐘頻率，F(xiàn)REQ為寫(xiě)入28位頻率寄存器中的值。

多通道相位同步輸出時(shí)鐘分配系統(tǒng)如圖2 所示，每一個(gè)DDS 接收來(lái)自同一個(gè)晶振經(jīng)時(shí)鐘分配后的CLK 信號(hào)。為確保各個(gè)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(zhǎng)布線減小通道間的傳輸誤差，采用低電壓差分信號(hào)(Low-voltage differential signaling,LVDS)差分傳輸防止波形失真，選取溫補(bǔ)晶體振蕩器(Temperature compensate X’tal(crystal)oscillator,TCXO)減少溫漂的影響。

圖2 時(shí)鐘分配系統(tǒng)圖Fig.2 Clock distribution system diagram

1.2 相位差檢測(cè)

盡管采取了上述措施，各通道之間還會(huì)產(chǎn)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(jié)合的方式對(duì)各通道輸出的相位差進(jìn)行檢測(cè)，基于該相位差檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行反饋和校準(zhǔn)。軟件檢測(cè)基于時(shí)鐘主頻為200 MHz 的STM32H743IIT6單片機(jī)的定時(shí)器捕獲功能，該定時(shí)器相位捕獲框圖如圖3 所示，當(dāng)DDS 輸出方波信號(hào)時(shí)，捕獲計(jì)數(shù)器將邊沿檢測(cè)器檢測(cè)到方波跳變沿時(shí)刻的計(jì)數(shù)值存儲(chǔ)到捕獲寄存器中，處理器根據(jù)各捕獲寄存器中的差值計(jì)算相位差信息，單次相位差檢測(cè)精度為5 ns，采用將采樣次數(shù)增加到104次的過(guò)采樣方法，對(duì)采樣值進(jìn)行均值計(jì)算使相位差檢測(cè)精度降低至1 ns以下。

圖3 單片機(jī)定時(shí)器相位捕獲框圖Fig.3 Single-chip timer phase capture block diagram

硬件檢測(cè)是利用相位差檢測(cè)芯片AD8302，將不同輸入端的兩通道信號(hào)接到AD8302 的對(duì)數(shù)放大器，通過(guò)鑒相器和加法器之后，輸出與兩信號(hào)相位差成反比的電壓信號(hào)獲得相位差信息[9]。利用AD8302 在相位差為90°時(shí)最高檢測(cè)精度為0.1°的特性，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，對(duì)兩個(gè)通路的相位差進(jìn)行軟件和硬件相位檢測(cè)，并以硬件檢測(cè)結(jié)果為基準(zhǔn)校正軟件檢測(cè)精度。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，只需使用軟件相位檢測(cè)即可實(shí)現(xiàn)多通道高精度的相位檢測(cè)。

1.3 幅度控制電路

選取ADI 公司的VGA 芯片AD8368 實(shí)現(xiàn)幅值調(diào)控，DAC 為具有0.3 mV 步長(zhǎng)和可調(diào)節(jié)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(guò)MCU 調(diào)節(jié)DAC 輸出的模擬電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)AD8368 的增益控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)激勵(lì)信號(hào)幅值的程控調(diào)節(jié)；同時(shí)通過(guò)AD8368 串聯(lián)減小幅值調(diào)節(jié)步長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)幅值調(diào)節(jié)步長(zhǎng)20 mV、輸出信號(hào)幅值0～4.5 V可調(diào)。

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

1.4 功率放大電路

經(jīng)幅度控制電路后產(chǎn)生的信號(hào)幅值和功率不足以驅(qū)動(dòng)換能器正常工作，需要對(duì)激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行幅值放大和功率放大。本文采用如圖5 所示的兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大電路，其中LM7171 運(yùn)算放大器(-3 dB 帶寬為220 MHz，壓擺率為4100 V/μs)用于放大信號(hào)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(hào)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(dá)37.5 V。運(yùn)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(shù)拓展

本相控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由1 塊主PCB板和(N/8-1)塊從PCB 板構(gòu)成，單板輸出8 通道驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可構(gòu)成N通道激勵(lì)信號(hào)輸出。主從板通過(guò)RS485 總線連接，系統(tǒng)時(shí)鐘均來(lái)源于主控板上的同源時(shí)鐘晶振，主從板電路結(jié)構(gòu)相同且單板包含完整的電源管理系統(tǒng)、時(shí)鐘擴(kuò)展系統(tǒng)和數(shù)據(jù)總線通信接口。本系統(tǒng)可通過(guò)增加從板數(shù)量實(shí)現(xiàn)一定程度的通道數(shù)的擴(kuò)增。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在Visual Studio 2010 平臺(tái)上采用C#語(yǔ)言編程設(shè)計(jì)如圖6 所示的上位機(jī)相位控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用戶界面，該界面可進(jìn)行各通道延時(shí)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入/導(dǎo)出以及各通道輸出波形、相位、幅值、激勵(lì)頻率、輻照時(shí)間等參數(shù)的選擇及調(diào)整。在該界面軟件程序中，波形參數(shù)采用浮點(diǎn)型處理，相位調(diào)控步長(zhǎng)采用與DDS的相位分辨率相近的0.1°。上位機(jī)將波形參數(shù)發(fā)送到下位機(jī)時(shí)，對(duì)浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行取整處理，將其轉(zhuǎn)化成長(zhǎng)整型后發(fā)送至下位機(jī)完成參數(shù)設(shè)置。

圖6 相位控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用戶界面Fig.6 Phase control and drive system user interface

3 結(jié)果

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的多通道相控驅(qū)動(dòng)電路輸出波形的性能，搭建如圖7 所示的硬件測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)上位機(jī)PC 將設(shè)定的波形參數(shù)發(fā)送下位機(jī)MCU，使其發(fā)射具有不同相位差的激勵(lì)信號(hào)，用示波器(Agilent，MSO7052B/500M/4GSa/s)測(cè)量該系統(tǒng)的輸出相位同步性及延時(shí)誤差。

圖7 硬件電路測(cè)試實(shí)物圖Fig.7 Hardware circuit test physical diagram

3.1 相位同步性測(cè)試

驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)輸出多通道頻率為1.1 MHz、相位差為0°的激勵(lì)信號(hào)，任意選取相鄰兩通道進(jìn)行檢測(cè)，示波器檢測(cè)到的波形如圖8 所示。由圖8(a)可知，當(dāng)輸出波形為方波時(shí)，與設(shè)定的頻率相比，頻率誤差百分比小于0.05%，通道間實(shí)測(cè)相移為0.02°，延時(shí)時(shí)間為0.06 ns；由圖8(b)可知，當(dāng)輸出波形為正弦波時(shí)，與設(shè)定的頻率相比，頻率誤差百分比小于0.01%，通道間實(shí)測(cè)相移為0.23°，延時(shí)時(shí)間為0.58 ns。方波的實(shí)測(cè)相移和延時(shí)時(shí)間均小于正弦波，由此可知，方波的相位同步效果優(yōu)于正弦波。

圖8 不同波形激勵(lì)時(shí)實(shí)測(cè)輸出波形圖Fig.8 Measured output waveforms with different waveform excitation

3.2 多通道間的延時(shí)誤差測(cè)試

設(shè)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(gè)通道相對(duì)參考通道設(shè)置不同的延時(shí)，實(shí)際測(cè)量延時(shí)值與設(shè)置延時(shí)值對(duì)比結(jié)果如表1 所示。在同樣的條件下正弦波的實(shí)際測(cè)量結(jié)果如表2所示。由表1可知，方波的實(shí)測(cè)相對(duì)延時(shí)與設(shè)置相對(duì)延時(shí)之間的最大誤差為0.16 ns。由表2 可知，正弦波的實(shí)測(cè)相對(duì)延時(shí)與設(shè)置相對(duì)延時(shí)之間的最大誤差為0.8 ns。由表1 與表2 對(duì)比可知，方波的延時(shí)誤差小于正弦波，系統(tǒng)延時(shí)誤差小于1 ns。

表1 方波的設(shè)置與實(shí)測(cè)相控延時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 Comparison of square wave setup and measured phase control delay data

表2 正弦波的設(shè)置與實(shí)測(cè)相控延時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比Table 2 Comparison of sine wave setup and measured phase control delay data

4 結(jié)論與討論

本文基于MCU 和DDS 芯片設(shè)計(jì)并搭建可產(chǎn)生多通道正弦波或方波輸出的相控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)相位和幅度控制、功率放大等功能，具體研究結(jié)果如下：

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

(2) 基于Visual Studio 2010 設(shè)計(jì)的上位機(jī)用戶界面可將相位延時(shí)數(shù)據(jù)導(dǎo)入/導(dǎo)出，控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出不同波形、頻率、相位以及幅值的激勵(lì)信號(hào)。

(3) 多通道DDS 共享同一個(gè)時(shí)鐘源和主PCB板與從PCB 板通過(guò)總線連接方式構(gòu)建的多通道相位同步輸出系統(tǒng)的通道數(shù)可拓展。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的相控?fù)Q能器相控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相位分辨率高、延時(shí)誤差小、通道數(shù)可拓展，可滿足低強(qiáng)度經(jīng)顱聚焦超聲治療腦部疾病及神經(jīng)調(diào)控的需求。但存在方波相位同步效果優(yōu)于正弦波的問(wèn)題，與系統(tǒng)中采用相位差檢測(cè)的方法有關(guān)，針對(duì)不同信號(hào)波形的相位差檢測(cè)和校正的研究正在進(jìn)行之中。