大功率超聲波換能器陣驅動電路的制作方法

專利名稱：大功率超聲波換能器陣驅動電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種超聲波換能器陣的大功率驅動電路，特別是在高能超聲體外聚焦熱療機中用于超聲波換能器陣電驅動的電路。
頻率為1.0MHZ左右的超聲波在人體組織內傳導時，具備直線傳導衰減小、脂肪吸收產熱輕、易于聚焦的特性，國內外對該頻率的小功率超聲波已有多年的研究歷史，也積累了豐富的應用于人體疾病治療的經驗，其實現技術較為成熟，與射頻波、微波相比，具有體外聚焦體內治療的最佳可選擇性。
高能超聲體外聚焦熱療機就是一種用于腹部實體癌癥無創傷殺滅治療的新型設備，采用的即是FEP技術(Focussed Extracorpreal Parothrapy)，又稱HiFu技術(Hight Iutensive Focussed Ultrasound)。該技術采用在人體外向人體腹部癌變部位分散發射高能超聲波，各束超聲波均瞄向體內的腫瘤靶并聚焦于一點，而形成一個高能密度區，利用聲能轉換為熱能的聲熱轉換機制，在1至5秒內形成焦域區的70至100℃高溫，導致腫瘤細胞快速壞死。因此FEP技術是一種不用開刀即可殺死癌變組織的新穎治療技術，也因為其類似開刀切除的治療方式但無形無影而被俗稱為“無形超聲刀”。正確使用FEP技術，可以使癌癥患者獲得象開刀切除一樣的治療效果，或者使晚期患者、放療或化療失敗的病人得到一種有效的治療新方法。
FEP技術是這樣實現的將若干個壓電陣元(片)固定在一個球面的基底上，且使每一個壓電陣元的發射面均朝向球心設置，當對這些壓電陣元(片)施加一組相位相同或基本相同的連續正弦波電信號時，壓電陣元(片)即各自發射出超聲波，這種分散發射出的超聲波在透射體層時能量分散，再于球心位置處(即人體病變處)聚焦后則形成一個高能密度區(焦域區)，高能超聲在焦域區內經聲熱轉換效應后形成一高溫區，如果溫度達到70℃，則細胞可在0.25秒內死亡，若溫度達到100℃，細胞死亡的時間可縮短為0.1秒。
目前國內在FEP技術的使用中，對換能器陣的驅動大多采用先將超聲換能器陣分組，每組各使用一個功率電路作驅動的方式，因此很難保證各組換能器所發射的超聲波相位一致，從而導致換能器陣聚焦性能下降，影響治療使用效果。
本發明的目的是設計一種大功率超聲波換能器陣驅動電路，用于FEP治療用超聲波換能器陣的電驅動，使換能器陣可發射相位一致的超聲波，且波源聚焦良好、焦點聲強能滿足要求。
本發明的目的是這樣實現的一種大功率超聲波換能器陣驅動電路，包括信號源、功率驅動單元、輸出變壓器和換能器陣，其特征在于所述的功率驅動單元及與之對應的輸出變壓器有一個以上，所述信號源的輸出端與一個以上功率驅動單元的輸入端連接；每個功率驅動單元的輸出端連接一輸出變壓器的初級線圈，各輸出變壓器的次級線圈串連連接并與所述的換能器陣兩端連接。
所述的功率驅動單元是由完全相同的兩臂電路組成的推挽式丙類電路，每臂電路包括順序連接的整形及前、后沿延時調整電路、放大電路和功率主開關管；每一功率驅動單元中兩臂電路的功率主開關管連接一輸出變壓器的初級線圈。
所述的信號源由振蕩器、分頻器、180度分相電路和互補射極跟隨電路順序連接構成，互補射極跟隨電路的兩路具有180度相位差、占空比小于0.5的輸出信號分別連接所述每一功率驅動單元中兩臂電路的整形及前、后沿延時調整電路的輸入端。
所述的每一功率驅動單元中兩臂電路的功率主開關管兩端并聯連接有低損耗諧振電容。
所述功率驅動電路中的放大電路包括由專用集成片構成的第一級放大電路和按圖騰柱式連接的第二級放大電路。
本發明讓多個結構完全相同的功率驅動單元使用同一個信號源，各個功率驅動單元連接一輸出變壓器，將各輸出變壓器的次級線圈串聯，從而組合成一個輸出信號去驅動換能器陣，由于每個功率驅動單元的輸出仍會存在較小的相位誤差，因此功率驅動單元采用推挽式電路，且使其功率主開關工作在導通角小于180度的“丙類”開關狀態，以提高電路效率和使換能器陣獲得同相位的連續正弦波電信號，獲得良好的波源聚焦效果及達到預期的焦點聲強。
下面結合實施例及附圖進一步說明本發明的技術

圖1是本發明輸出變壓器與換能器陣的連接電路2是本發明功率驅動單元的實施電路3是本發明信號源的實施電路4是本發明大功率超聲波換能器陣驅動電路的結構示意圖參見圖1，圖中示出當設置有十個輸出變壓器T1至T10時，與換能器陣100的連接電路。十個輸出變壓器T1至T10的初級線圈分別連接一功率驅動單元1至10，十個輸出變壓器T1至T10的次級線圈串聯連接后，其串聯電路的兩端與換能器陣100連接。各功率驅動單元經各自輸出變壓器次級線圈的互相串聯后而組合成一個輸出信號，由單一的輸出接口與換能器陣連接，使換能器陣所發射的超聲波有一致的相位。圖中各功率驅動單元1至10共用一個信號源20。
參見圖2，圖中示出任一功率驅動單元(1至10)的實施電路，為解決每個功率驅動單元的輸出仍可能存在的較小相位差問題、提高電路效率，因此各功率驅動單元設計成推挽式電路。推挽式電路的兩臂電路完全相同(如圖中所示的上、下兩臂電路)，現以上臂電路為例說明。來自信號源的驅動信號經反相器2D3A、2D3B及與邏輯門2D4A、2D4B整形及前、后沿延時調整后輸入專用集成電路2D1(2110)進行第一級放大，其輸出再經由2V2、2V3組成的圖騰柱式驅動電路進行第二級放大，從而獲得了對末級功率主開關2V7-2V9的強驅動能力，保證了功率主開關有良好的柵極驅動波形。實施電路中功率控制元件即功率主開關2V7-2V9、2V10-2V12工作在“丙類”開關狀態(開關導通角小于180度)。
由于輸出變壓器在大尺寸、高頻率條件下的漏電感是不容忽視的，本發明為了利用漏電感能量并能同時改善功率主開關管的工作條件，而在功率主開關管2V7-2V9、2V10-2V12兩端并聯連接了低損耗的電容器2C5、2C6，通過調整其容量，使其與相關引線電感及變壓器漏電感的組合效果在工作頻率下接近諧振，從而有效降低了功率主開關管的工作電壓和發熱現象，明顯提高了電路能量的轉換效率。
參見圖3，圖中示出信號源電路。由于功率驅動單元采用推挽式丙類工作方式，故要求信號源能輸出兩路相位差180度、占空比小于0.5的矩形波信號，且可在一定范圍內作調整(即調整開關管的導通角)；又由于多個功率驅動單元共用一個信號源，故要求信號源的輸出有相當強的驅動能力。
本發明的信號源電路，由兩個或非邏輯門3D1A、3D1D及其外圍元件連接組成振蕩器，振蕩頻率2MHZ左右并可微調。雙D觸發器3D2A、3D2B實現2分頻，并經兩個或邏輯門3D1C、3D1B的組合分相輸出兩路占空比一致、相位差180度的信號。其中電位器3RP2與3D2A、3D2B雙D觸發器11輸入腳上的等效電容一起構成的R、C延時電路使輸出信號的占空比小于0.5，且通過調整3RP2可對占空比作一定范圍的調整。所獲得的兩路信號分別經集成驅動器3D3A-3D3F緩沖，再經由3V1-3V4組成的兩組互補射極跟隨器輸出。
本發明的功率驅動單元及信號源電路，全部采用普通元件，結構簡單、性能穩定可靠。
參見圖4，圖中示出本發明大功率超聲波換能器陣驅動電路的結構。實施例設置有十個功率驅動單元1-10，十個輸出變壓器T1-T10和一個信號源20，與換能器陣100連接。十個輸出變壓器T1至T10的初級線圈分別連接一功率驅動單元1至10，十個輸出變壓器T1至T10的次級線圈串聯連接后，其串聯電路的兩端與換能器陣100連接。
兩組電源分別產生12V直流和10-80V直流，12V直流通過接插件3XS1、2XS2與信號源電路20及各功率驅動單元1-10連接。各功率驅動單元1-10通過各自的接插件2XS1與信號源電路20的接插件3XS2連接，使各功率驅動單元共用一個信號源(結合參見圖2、圖3)。
本發明的大功率超聲波換能器陣驅動電路，各功率驅動單元經輸出變壓器次級的互相串聯而組合成一個輸出信號，再由單一的輸出接口與換能器陣連接；各功率驅動單元以推挽方式工作且在功率主開關管上并接諧振電容，及簡單實用的信號源電路，都是現有的FEP驅動電路中所未有的。
權利要求
1.一種大功率超聲波換能器陣驅動電路，包括信號源、功率驅動單元、輸出變壓器和換能器陣，其特征在于所述的功率驅動單元及與之對應的輸出變壓器有一個以上，所述信號源的輸出端與一個以上功率驅動單元的輸入端連接；每個功率驅動單元的輸出端連接一輸出變壓器的初級線圈，各輸出變壓器的次級線圈串連連接并與所述的換能器陣兩端連接。
2.根據權利要求1所述的大功率超聲波換能器陣驅動電路，其特征在于所述的功率驅動單元是由完全相同的兩臂電路組成的推挽式丙類電路，每臂電路包括順序連接的整形及前、后沿延時調整電路、放大電路和功率主開關管；每一功率驅動單元中兩臂電路的功率主開關管連接一輸出變壓器的初級線圈。
3.根據權利要求1或2所述的大功率超聲波換能器陣驅動電路，其特征在于所述的信號源由振蕩器、分頻器、180度分相電路和互補射極跟隨電路順序連接構成，互補射極跟隨電路的兩路具有180度相位差、占空比小于0.5的輸出信號分別連接所述每一功率驅動單元中兩臂電路的整形及前、后沿延時調整電路的輸入端。
4.根據權利要求2所述的大功率超聲波換能器陣驅動電路，其特征在于所述的每一功率驅動單元中兩臂電路的功率主開關管兩端并聯連接有低損耗諧振電容。
5.根據權利要求2所述的大功率超聲波換能器陣驅動電路，其特征在于所述功率驅動電路中的放大電路包括由專用集成片構成的第一級放大電路和按圖騰柱式連接的第二級放大電路。
全文摘要
本發明涉及一種超聲波換能器陣的大功率驅動電路,用于高能超聲體外聚焦熱療機中超聲波換能器陣的電驅動。包括信號源、與信號源連接的一個以上的功率驅動單元、通過初級線圈分別與功率驅動單元連接的輸出變壓器,各輸出變壓器的次級線圈串連連接并以單一的輸出接口與換能器陣兩端連接,組合為一個輸出信號驅動換能器陣。功率驅動單元采用推挽式丙類電路,信號源輸出兩路具有180度相位差、占空比小于0.5的信號。簡單、實用、可靠。
文檔編號A61N7/00GK1241445SQ99103199
公開日2000年1月19日 申請日期1999年3月26日 優先權日1999年3月26日
發明者何申戎, 于晉生, 蘭江, 吳曉東 申請人:北京貝儀醫療設備廠, 北京成軒經貿有限責任公司