CN100462116C

CN100462116C - 功率超声换能器激励电路

Info

Publication number: CN100462116C
Application number: CNB2004100532601A
Authority: CN
Inventors: 陈亚珠; 白景峰
Original assignee: Shanghai Jiao Tong University
Current assignee: Zhonghui Medical Technology Shanghai Co ltd
Priority date: 2004-07-29
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2009-02-18
Anticipated expiration: 2024-07-29
Also published as: CN1586672A

Abstract

一种用于生物医学工程技术领域的功率超声换能器激励电路，第一信号发生电路和第二信号发生电路的输出端分别接入到选通门的输入端，选通门的控制端接受频率选择信号，它的输出端接入到信号调制电路的第一个输入端，其第三个输入端接受来自保护电路的信号，它的输出端接入到驱动电路的输入端，驱动电路的输出端接入到串联谐振功率放大电路的信号输入端，串联谐振功率放大电路的馈电输入端与多级直流电源的电压输出端相连接，向保护电路输出保护信号，它的信号输出端直接与功率超声换能器相连接，激励其发出超声波。本发明电路简单，调试方便，输出信号的幅度和占空比均可控制，传输效率很高，电路运行安全。

Description

功率超声换能器激励电路

技术领域

本发明涉及的是一种用于生物医学工程技术领域的医疗器械中的激励电路，尤其是一种恶性肿瘤超声热疗系统的功率超声换能器激励电路。

背景技术

超声热疗既能治疗浅表肿瘤又能治疗深部肿瘤，安全可控，疗效良好，无副作用，而且它与放疗、化疗有明显的互补和增敏效果，热疗结合放疗或化疗实现综合治疗，疗效将显著提高；此外，超声热疗无电离、非电离辐射和电磁辐射，既不会对医务人员带来任何损害，又不会污染环境，因而，超声热疗是一种新兴有力的抗癌手段。近几年来，以高强度聚焦超声(HIFU)为代表的大剂量即损伤性剂量的治疗方法，取得了突破性的进展，更使超声治疗设备得到了长足的发展。众多的超声治疗设备都离开不了功率超声换能器激励电路，它必须能根据治疗需要提供适当的电压和电流，即适当的功率，尤为重要的是它必须是可控的，即能随着治疗的进展相应地调整其输出的电压、电流和占空比。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利授权公告号为CN1111074C，专利名称为：大功率超声换能器阵驱动电路，虽然具有新意，且已克服了其它同类电路的某些不足之处，但其“功率驱动单元是由完全相同的两臂电路组成的推挽式丙类电路”，使用变压器输出。造成其线路复杂、所需的馈电电源电压高、效率较低等等不足之处。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种功率超声换能器激励电路，使其用于恶性肿瘤超声热疗系统中，具有电路简单，调试方便，馈电电源电压低，输出信号的幅度和占空比均可控制，工作效率和传输效率都很高，电路运行安全、控制灵活方便、高性能价格比等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明由第一信号发生电路、第二信号发生电路、选通门、信号调制电路、驱动电路、串联谐振功率放大电路、多级直流电源和保护电路各单元电路构成，第一信号发生电路和第二信号发生电路的输出端分别接入到选通门的输入端，选通门的控制端接受频率选择信号，该信号来自恶性肿瘤超声热疗系统的智能化监控子系统，智能化监控子系统是恶性肿瘤超声热疗系统的另一个子系统，由监控插卡、主控计算机、智能化软件、人机对话外设等部件组成，是恶性肿瘤超声热疗系统各部分正常、合理地运行和智能化控制的指挥中心，所述功率超声换能器激励电路的工作频率选择；馈电电源电压的步进调节，按PWM信号精细控制超声功率输出等等都由它监控，它的输出端接入到信号调制电路的第一个输入端，信号调制电路的第二个输入端接受来自智能化监控子系统的脉冲宽度调制PWM信号，其第三个输入端接受来自保护电路的信号，它的输出端接入到驱动电路的输入端，驱动电路的输出端接入到串联谐振功率放大电路的信号输入端，串联谐振功率放大电路的馈电输入端与多级直流电源的电压输出端相连接，它还接受来自智能化监控子系统的频率选择信号，向保护电路输出保护信号，它的信号输出端直接与功率超声换能器相连接，激励其发出超声波，多级直流电源的三个电压控制端接受来自智能化监控子系统的并行控制信号。

所述串联谐振功率放大电路应用调谐放大电路程式，使用VMOS场效应管作功率放大器件，工作在临界C类状态。

所述串联谐振功率放大电路，VMOS场效应管MOSFET-IRF460的栅极由来自驱动电路的信号驱动，匹配电阻R1并接在栅极与源极之间，源极接地，漏极通过由L1、C1、C2组成的Γ型滤波电路与多级直流电源的电压输出端相接，消除杂波的电容C3并接在漏极与源极之间，漏极还与偶合电容C4相连，C4的另一端经过继电器J1的触点J1A与谐振电感L2或L3相连，L2的另一端与谐振电容C5相接，C5的另一端接地，L3的另一端与谐振电容C6相接，C6的另一端接地，功率超声换能器经过继电器J1的触点J1B并接在谐振电容C5或C6上，L2、C5和功率超声换能器构成谐振频率为F1的串联谐振网络，L3、C6和功率超声换能器构成谐振频率为F2的串联谐振网络，偶合电容C4和谐振电容C5、C6由多个电容并联组成，谐振电感L2、L3由多个电感并联组成，感应线圈L4、L5的一端接地，它们的另一端分别经检波二极管D1或D2与充电电容C7相连接，充电电容C7的一端接地，另一端接到保护电路。

本发明摈弃了现有技术的推挽式功率放大电路，不但省略了其结构中的笨重、繁杂的功率输出变压器和少用了一半的功率放大器件，而且电路变得十分简单；它的馈电电源(多级直流电源)因电压大大降低而变得轻巧；它的信号调制电路、驱动电路也因只需输出固定幅度的信号而变得十分简单。本发明增加了现有技术所没有的保护电路，电路十分简单，但功效显著。

因此，本发明的功率超声换能器激励电路能够：(一)串联谐振功率放大电路良好的选频特性可将方波激励信号转换成同频的正弦波输出信号，而其谐振特性可使输出的正弦波信号的幅度大大高于其漏极馈电电压，不象传统功率放大电路那样，输出信号的幅度总是低于漏极馈电电压，除非其使用升压变压器输出。(二)串联谐振功率放大电路输出的功率超声换能器激励信号的电压幅度，直接取决于多级直流电源的输出电压，它也决定了超声换能器输出的超声功率。借助于信号调制电路，可以改变串联谐振功率放大电路输出的功率超声换能器激励信号的占空比，从而使输出的超声功率得到精确的控制。前者决定于电压选择，后者决定于PWM信号，两者均来自智能化监控子系统。(三)串联谐振功率放大电路中的串联谐振网络还能使它的输出阻抗与功率超声换能器的输入阻抗相匹配，从而得到最高的传输效率，尤为重要的是，当两者严重失配时，它还能发出失配信号，通过保护电路、信号调制电路自动关闭电路的运行，确保安全。

本发明设计的功率超声换能器激励电路思路新颖，电路简单，调试方便，输出的激励电压的幅度可数倍于馈电电压，输出信号的幅度和占空比均可控制，波形失真小，不仅电路本身的工作效率很高，而且与超声换能器之间的传输效率也很高，电路运行安全，控制灵活方便，有着广阔的应用前景和市场潜力。

附图说明

图1为本发明的系统组成图。

图2为本发明的串联谐振功率放大电路的电原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进一步详细描述：

如图1所示，本发明由第一信号发生电路、第二信号发生电路、选通门、信号调制电路、驱动电路、串联谐振功率放大电路、多级直流电源和保护电路各单元电路构成。第一信号发生电路和第二信号发生电路的输出端分别接入到选通门的输入端。它的输出端接入到信号调制电路的第一个输入端。信号调制电路的第二个输入端接受来自智能化监控子系统的脉冲宽度调制PWM信号，其第三个输入端接受来自保护电路的信号，它的输出端接入到驱动电路的输入端。驱动电路的输出端接入到串联谐振功率放大电路的信号输入端。串联谐振功率放大电路的馈电输入端与多级直流电源的电压输出端相连接，它还接受来自智能化监控子系统的频率选择信号，向保护电路输出失配信号，它的信号输出端直接与功率超声换能器相连接，激励其发出超声波。多级直流电源的三个电压控制端接受来自智能化监控子系统的并行控制信号。

所述第一信号发生电路、第二信号发生电路分别产生频率为F1、F2的连续方波信号，在实施例中，F1＝1MHz，F2＝3.3MHz。选通门采用多级与门电路，在来自智能化监控子系统的频率选择信号控制下输出频率为F1或F2的连续方波信号。信号调制电路实质上是一个三与门，三个输入信号分别是：频率为F1或F2的连续方波信号；来自智能化监控子系统的PWM信号以及来自保护电路的电平控制信号。正常情况下它的输出是一串被PWM信号调制的方波，当串联谐振功率放大电路的输出阻抗与功率超声换能器的输入阻抗严重失配时，保护电路输出低电平控制信号，将信号调制电路的输出锁定在高电平，自动关闭电路的运行并发出失配报警信号。驱动电路采用由P沟道和N沟道场效应管，在本实施例中，前者是IRF640，后者是IRF9540组合而成的互补型放大电路，以保证有足够的驱动电流，去驱动串联谐振功率放大电路。

如图2所示，串联谐振功率放大电路应用调谐放大电路程式，使用VMOS场效应管作功率放大器件，工作在临界C类状态，输出采用LC串联谐振，负载，即功率超声换能器并接在谐振电容上，漏极由多级直流电源馈电。其具体的电路为：VMOS场效应管MOSFET-IRF460的栅极由来自驱动电路的信号驱动，匹配电阻R1并接在栅极与源极之间，源极接地，漏极通过由L1、C1、C2组成的Γ型滤波电路与多级直流电源的电压输出端相接，消除杂波的电容C3并接在漏极与源极之间，漏极还与偶合电容C4相连。C4的另一端经过继电器J1的触点J1A与谐振电感L2或L3相连，L2的另一端与谐振电容C5相接，C5的另一端接地，L3的另一端与谐振电容C6相接，C6的另一端接地。负载，即功率超声换能器经过继电器J1的触点J1B并接在谐振电容C5或C6上。L2、C5和功率超声换能器构成谐振频率为F1的串联谐振网络，L3、C6和功率超声换能器构成谐振频率为F2的串联谐振网络。偶合电容C4和谐振电容C5、C6可以由多个电容并联组成，在实施例中，C4由4个电容量相同的电容并联组成，C5由5个电容量相同的电容并联组成，C6由4个电容量相同的电容并联组成。谐振电感L2、L3也可以由多个电感并联组成，在实施例中，L2、L3都由两个电感量不同的电感并联组成，其中一个是电感量可调的可变电感。感应线圈L4、L5的一端接地，它们的另一端分别经检波二极管D1或D2与充电电容C7相连接。充电电容C7的一端接地，另一端接到保护电路。

本发明利用串联谐振功率放大电路良好的选频特性将方波激励信号转换成同频的正弦波输出信号，而其谐振特性可使输出的正弦波信号的幅度大大高于其漏极馈电电压，同时，由谐振电容、谐振电感和功率超声换能器构成的串联谐振网络还能使串联谐振功率放大电路的输出阻抗与超声换能器的输入阻抗相匹配，从而得到最高的传输效率，尤为重要的是，当两者严重失配时，在感应线圈上产生的感应电压足以令保护电路动作，自动关闭电路的运行，并发出失配报警信号以确保安全。另一方面，由于VMOS场效应管MOSFET-IRF460工作在临界C类状态，管子本身的功率损耗近乎为零，因而，工作效率很高。串联谐振功率放大电路的输出幅度直接取决于其漏极馈电电压，即多级直流电源的输出电压，它也决定了超声换能器输出的超声功率。同时，因为串联谐振功率放大电路工作在临界C类状态，所以借助于信号调制电路，可以方便地改变其输出信号的占空比，从而使功率超声换能器输出的超声功率得到精确的控制。前者决定于电压选择，后者决定于PWM信号，两者均来自智能化监控子系统。

所述多级直流电源是一个能输出不同电压的开关稳压电源，在实施例中，其输出电压范围在24～45V之间，分8级步进；受控于智能化监控子系统。

所述保护电路是一个RS触发器，它的输出状态取决于来自串联谐振功率放大电路的失配信号。

Claims

1.一种功率超声换能器激励电路，其特征在于：由第一信号发生电路、第二信号发生电路、选通门、信号调制电路、驱动电路、串联谐振功率放大电路、多级直流电源和保护电路各单元电路构成，第一信号发生电路和第二信号发生电路的输出端分别接入到选通门的输入端，选通门的控制端接受频率选择信号，该信号来自恶性肿瘤超声热疗系统的智能化监控子系统，它的输出端接入到信号调制电路的第一个输入端，信号调制电路的第二个输入端接受来自智能化监控子系统的脉冲宽度调制PWM信号，其第三个输入端接受来自保护电路的信号，它的输出端接入到驱动电路的输入端，驱动电路的输出端接入到串联谐振功率放大电路的信号输入端，串联谐振功率放大电路的馈电输入端与多级直流电源的电压输出端相连接，它还接受来自智能化监控子系统的频率选择信号，向保护电路输出保护信号，它的信号输出端直接与功率超声换能器相连接，激励其发出超声波，多级直流电源的三个电压控制端接受来自智能化监控子系统的并行控制信号。

2.如权利要求1所述的功率超声换能器激励电路，其特征是，所述串联谐振功率放大电路应用调谐放大电路程式，使用VMOS场效应管作功率放大器件，工作在临界C类状态。

3.如权利要求1或者2所述的功率超声换能器激励电路，其特征是，所述串联谐振功率放大电路，VMOS场效应管MOSFET-IRF460的栅极由来自驱动电路的信号驱动，匹配电阻R1并接在栅极与源极之间，源极接地，漏极通过由感应线圈L1、偶合电容C1和C2组成的Γ型滤波电路与多级直流电源的电压输出端相接，消除杂波的电容C3并接在漏极与源极之间，漏极还与偶合电容C4相连，C4的另一端经过继电器J1的触点J1A与谐振电感L2或L3相连，L2的另一端与谐振电容C5相接，C5的另一端接地，L3的另一端与谐振电容C6相接，C6的另一端接地，功率超声换能器经过继电器J1的触点J1B并接在谐振电容C5或C6上，L2、C5和功率超声换能器构成谐振频率为F1的串联谐振网络，L3、C6和功率超声换能器构成谐振频率为F2的串联谐振网络，偶合电容C4和谐振电容C5、C6由多个电容并联组成，谐振电感L2、L3由多个电感并联组成，感应线圈L4、L5的一端接地，它们的另一端分别经检波二极管D1或D2与充电电容C7相连接，充电电容C7的一端接地，另一端接到保护电路。

4.如权利要求1所述的功率超声换能器激励电路，其特征是，所述的第一信号发生电路、第二信号发生电路分别产生频率为F1、F2的连续方波信号。

5.如权利要求1所述的功率超声换能器激励电路，其特征是，所述的选通门采用多级与门电路，在来自智能化监控子系统的频率选择信号控制下输出频率为F1或F2的连续方波信号。

6.如权利要求1所述的功率超声换能器激励电路，其特征是，所述的信号调制电路是一个三与门，三个输入信号分别是：频率为F1或F2的连续方波信号；来自智能化监控子系统的PWM信号以及来自保护电路的电平控制信号。

7.如权利要求1所述的功率超声换能器激励电路，其特征是，所述的信号调制电路，在正常情况下它的输出是一串被PWM信号调制的方波，当串联谐振功率放大电路的输出阻抗与功率超声换能器的输入阻抗严重失配时，保护电路输出低电平控制信号，将信号调制电路的输出锁定在高电平，自动关闭电路的运行并发出失配报警信号。