專利名稱：功率超聲換能器激勵電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種用于生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域的醫(yī)療器械中的激勵電路，尤其是一種惡性腫瘤超聲熱療系統(tǒng)的功率超聲換能器激勵電路。
背景技術(shù)：
超聲熱療既能治療淺表腫瘤又能治療深部腫瘤，安全可控，療效良好，無副作用，而且它與放療、化療有明顯的互補(bǔ)和增敏效果，熱療結(jié)合放療或化療實現(xiàn)綜合治療，療效將顯著提高；此外，超聲熱療無電離、非電離輻射和電磁輻射，既不會對醫(yī)務(wù)人員帶來任何損害，又不會污染環(huán)境，因而，超聲熱療是一種新興有力的抗癌手段。近幾年來，以高強(qiáng)度聚焦超聲(HIFU)為代表的大劑量即損傷性劑量的治療方法，取得了突破性的進(jìn)展，更使超聲治療設(shè)備得到了長足的發(fā)展。眾多的超聲治療設(shè)備都離開不了功率超聲換能器激勵電路，它必須能根據(jù)治療需要提供適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏鳎催m當(dāng)?shù)墓β?，尤為重要的是它必須是可控的，即能隨著治療的進(jìn)展相應(yīng)地調(diào)整其輸出的電壓、電流和占空比。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利授權(quán)公告號為CN1111074C，專利名稱為大功率超聲換能器陣驅(qū)動電路，雖然具有新意，且已克服了其它同類電路的某些不足之處，但其“功率驅(qū)動單元是由完全相同的兩臂電路組成的推挽式丙類電路”，使用變壓器輸出。造成其線路復(fù)雜、所需的饋電電源電壓高、效率較低等等不足之處。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種功率超聲換能器激勵電路，使其用于惡性腫瘤超聲熱療系統(tǒng)中，具有電路簡單，調(diào)試方便，饋電電源電壓低，輸出信號的幅度和占空比均可控制，工作效率和傳輸效率都很高，電路運(yùn)行安全、控制靈活方便、高性能價格比等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明由第一信號發(fā)生電路、第二信號發(fā)生電路、選通門、信號調(diào)制電路、驅(qū)動電路、串聯(lián)諧振功率放大電路、多級直流電源和保護(hù)電路各單元電路構(gòu)成，第一信號發(fā)生電路和第二信號發(fā)生電路的輸出端分別接入到選通門的輸入端，選通門的控制端接受頻率選擇信號，該信號來自惡性腫瘤超聲熱療系統(tǒng)的智能化監(jiān)控子系統(tǒng)，智能化監(jiān)控子系統(tǒng)是惡性腫瘤超聲熱療系統(tǒng)的另一個子系統(tǒng)，由監(jiān)控插卡、主控計算機(jī)、智能化軟件、人機(jī)對話外設(shè)等部件組成，是惡性腫瘤超聲熱療系統(tǒng)各部分正常、合理地運(yùn)行和智能化控制的指揮中心，所述功率超聲換能器激勵電路的工作頻率選擇；饋電電源電壓的步進(jìn)調(diào)節(jié)，按PWM信號精細(xì)控制超聲功率輸出等等都由它監(jiān)控，它的輸出端接入到信號調(diào)制電路的第一個輸入端，信號調(diào)制電路的第二個輸入端接受來自智能化監(jiān)控子系統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制PWM信號，其第三個輸入端接受來自保護(hù)電路的信號，它的輸出端接入到驅(qū)動電路的輸入端，驅(qū)動電路的輸出端接入到串聯(lián)諧振功率放大電路的信號輸入端，串聯(lián)諧振功率放大電路的饋電輸入端與多級直流電源的電壓輸出端相連接，它還接受來自智能化監(jiān)控子系統(tǒng)的頻率選擇信號，向保護(hù)電路輸出保護(hù)信號，它的信號輸出端直接與功率超聲換能器相連接，激勵其發(fā)出超聲波，多級直流電源的三個電壓控制端接受來自智能化監(jiān)控子系統(tǒng)的并行控制信號。
所述串聯(lián)諧振功率放大電路應(yīng)用調(diào)諧放大電路程式，使用VMOS場效應(yīng)管作功率放大器件，工作在臨界C類狀態(tài)。
所述串聯(lián)諧振功率放大電路，VMOS場效應(yīng)管MOSFET-IRF460的柵極由來自驅(qū)動電路的信號驅(qū)動，匹配電阻R1并接在柵極與源極之間，源極接地，漏極通過由L1、C1、C2組成的Γ型濾波電路與多級直流電源的電壓輸出端相接，消除雜波的電容C3并接在漏極與源極之間，漏極還與偶合電容C4相連，C4的另一端經(jīng)過繼電器J1的觸點(diǎn)J1A與諧振電感L2或L3相連，L2的另一端與諧振電容C5相接，C5的另一端接地，L3的另一端與諧振電容C6相接，C6的另一端接地，功率超聲換能器經(jīng)過繼電器J1的觸點(diǎn)J1B并接在諧振電容C5或C6上，L2、C5和功率超聲換能器構(gòu)成諧振頻率為F1的串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，L3、C6和功率超聲換能器構(gòu)成諧振頻率為F2的串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，偶合電容C4和諧振電容C5、C6由多個電容并聯(lián)組成，諧振電感L2、L3由多個電感并聯(lián)組成，感應(yīng)線圈L4、L5的一端接地，它們的另一端分別經(jīng)檢波二極管D1或D2與充電電容C7相連接，充電電容C7的一端接地，另一端接到保護(hù)電路。
本發(fā)明擯棄了現(xiàn)有技術(shù)的推挽式功率放大電路，不但省略了其結(jié)構(gòu)中的笨重、繁雜的功率輸出變壓器和少用了一半的功率放大器件，而且電路變得十分簡單；它的饋電電源(多級直流電源)因電壓大大降低而變得輕巧；它的信號調(diào)制電路、驅(qū)動電路也因只需輸出固定幅度的信號而變得十分簡單。本發(fā)明增加了現(xiàn)有技術(shù)所沒有的保護(hù)電路，電路十分簡單，但功效顯著。
因此，本發(fā)明的功率超聲換能器激勵電路能夠(一)串聯(lián)諧振功率放大電路良好的選頻特性可將方波激勵信號轉(zhuǎn)換成同頻的正弦波輸出信號，而其諧振特性可使輸出的正弦波信號的幅度大大高于其漏極饋電電壓，不象傳統(tǒng)功率放大電路那樣，輸出信號的幅度總是低于漏極饋電電壓，除非其使用升壓變壓器輸出。(二)串聯(lián)諧振功率放大電路輸出的功率超聲換能器激勵信號的電壓幅度，直接取決于多級直流電源的輸出電壓，它也決定了超聲換能器輸出的超聲功率。借助于信號調(diào)制電路，可以改變串聯(lián)諧振功率放大電路輸出的功率超聲換能器激勵信號的占空比，從而使輸出的超聲功率得到精確的控制。前者決定于電壓選擇，后者決定于PWM信號，兩者均來自智能化監(jiān)控子系統(tǒng)。(三)串聯(lián)諧振功率放大電路中的串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)還能使它的輸出阻抗與功率超聲換能器的輸入阻抗相匹配，從而得到最高的傳輸效率，尤為重要的是，當(dāng)兩者嚴(yán)重失配時，它還能發(fā)出失配信號，通過保護(hù)電路、信號調(diào)制電路自動關(guān)閉電路的運(yùn)行，確保安全。
本發(fā)明設(shè)計的功率超聲換能器激勵電路思路新穎，電路簡單，調(diào)試方便，輸出的激勵電壓的幅度可數(shù)倍于饋電電壓，輸出信號的幅度和占空比均可控制，波形失真小，不僅電路本身的工作效率很高，而且與超聲換能器之間的傳輸效率也很高，電路運(yùn)行安全，控制靈活方便，有著廣闊的應(yīng)用前景和市場潛力。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)組成圖。
圖2為本發(fā)明的串聯(lián)諧振功率放大電路的電原理圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)一步詳細(xì)描述如圖1所示，本發(fā)明由第一信號發(fā)生電路、第二信號發(fā)生電路、選通門、信號調(diào)制電路、驅(qū)動電路、串聯(lián)諧振功率放大電路、多級直流電源和保護(hù)電路各單元電路構(gòu)成。第一信號發(fā)生電路和第二信號發(fā)生電路的輸出端分別接入到選通門的輸入端。它的輸出端接入到信號調(diào)制電路的第一個輸入端。信號調(diào)制電路的第二個輸入端接受來自智能化監(jiān)控子系統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制PWM信號，其第三個輸入端接受來自保護(hù)電路的信號，它的輸出端接入到驅(qū)動電路的輸入端。驅(qū)動電路的輸出端接入到串聯(lián)諧振功率放大電路的信號輸入端。串聯(lián)諧振功率放大電路的饋電輸入端與多級直流電源的電壓輸出端相連接，它還接受來自智能化監(jiān)控子系統(tǒng)的頻率選擇信號，向保護(hù)電路輸出失配信號，它的信號輸出端直接與功率超聲換能器相連接，激勵其發(fā)出超聲波。多級直流電源的三個電壓控制端接受來自智能化監(jiān)控子系統(tǒng)的并行控制信號。
所述第一信號發(fā)生電路、第二信號發(fā)生電路分別產(chǎn)生頻率為F1、F2的連續(xù)方波信號，在實施例中，F(xiàn)1＝1MHz，F(xiàn)2＝3.3MHz。選通門采用多級與門電路，在來自智能化監(jiān)控子系統(tǒng)的頻率選擇信號控制下輸出頻率為F1或F2的連續(xù)方波信號。信號調(diào)制電路實質(zhì)上是一個三與門，三個輸入信號分別是頻率為F1或F2的連續(xù)方波信號；來自智能化監(jiān)控子系統(tǒng)的PWM信號以及來自保護(hù)電路的電平控制信號。正常情況下它的輸出是一串被PWM信號調(diào)制的方波，當(dāng)串聯(lián)諧振功率放大電路的輸出阻抗與功率超聲換能器的輸入阻抗嚴(yán)重失配時，保護(hù)電路輸出低電平控制信號，將信號調(diào)制電路的輸出鎖定在高電平，自動關(guān)閉電路的運(yùn)行并發(fā)出失配報警信號。驅(qū)動電路采用由P溝道和N溝道場效應(yīng)管，在本實施例中，前者是IRF640，后者是IRF9540組合而成的互補(bǔ)型放大電路，以保證有足夠的驅(qū)動電流，去驅(qū)動串聯(lián)諧振功率放大電路。
如圖2所示，串聯(lián)諧振功率放大電路應(yīng)用調(diào)諧放大電路程式，使用VMOS場效應(yīng)管作功率放大器件，工作在臨界C類狀態(tài)，輸出采用LC串聯(lián)諧振，負(fù)載，即功率超聲換能器并接在諧振電容上，漏極由多級直流電源饋電。其具體的電路為VMOS場效應(yīng)管MOSFET-IRF460的柵極由來自驅(qū)動電路的信號驅(qū)動，匹配電阻R1并接在柵極與源極之間，源極接地，漏極通過由L1、C1、C2組成的Γ型濾波電路與多級直流電源的電壓輸出端相接，消除雜波的電容C3并接在漏極與源極之間，漏極還與偶合電容C4相連。C4的另一端經(jīng)過繼電器J1的觸點(diǎn)J1A與諧振電感L2或L3相連，L2的另一端與諧振電容C5相接，C5的另一端接地，L3的另一端與諧振電容C6相接，C6的另一端接地。負(fù)載，即功率超聲換能器經(jīng)過繼電器J1的觸點(diǎn)J1B并接在諧振電容C5或C6上。L2、C5和功率超聲換能器構(gòu)成諧振頻率為F1的串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，L3、C6和功率超聲換能器構(gòu)成諧振頻率為F2的串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)。偶合電容C4和諧振電容C5、C6可以由多個電容并聯(lián)組成，在實施例中，C4由4個電容量相同的電容并聯(lián)組成，C5由5個電容量相同的電容并聯(lián)組成，C6由4個電容量相同的電容并聯(lián)組成。諧振電感L2、L3也可以由多個電感并聯(lián)組成，在實施例中，L2、L3都由兩個電感量不同的電感并聯(lián)組成，其中一個是電感量可調(diào)的可變電感。感應(yīng)線圈L4、L5的一端接地，它們的另一端分別經(jīng)檢波二極管D1或D2與充電電容C7相連接。充電電容C7的一端接地，另一端接到保護(hù)電路。
本發(fā)明利用串聯(lián)諧振功率放大電路良好的選頻特性將方波激勵信號轉(zhuǎn)換成同頻的正弦波輸出信號，而其諧振特性可使輸出的正弦波信號的幅度大大高于其漏極饋電電壓，同時，由諧振電容、諧振電感和功率超聲換能器構(gòu)成的串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)還能使串聯(lián)諧振功率放大電路的輸出阻抗與超聲換能器的輸入阻抗相匹配，從而得到最高的傳輸效率，尤為重要的是，當(dāng)兩者嚴(yán)重失配時，在感應(yīng)線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓足以令保護(hù)電路動作，自動關(guān)閉電路的運(yùn)行，并發(fā)出失配報警信號以確保安全。另一方面，由于VMOS場效應(yīng)管MOSFET-IRF460工作在臨界C類狀態(tài)，管子本身的功率損耗近乎為零，因而，工作效率很高。串聯(lián)諧振功率放大電路的輸出幅度直接取決于其漏極饋電電壓，即多級直流電源的輸出電壓，它也決定了超聲換能器輸出的超聲功率。同時，因為串聯(lián)諧振功率放大電路工作在臨界C類狀態(tài)，所以借助于信號調(diào)制電路，可以方便地改變其輸出信號的占空比，從而使功率超聲換能器輸出的超聲功率得到精確的控制。前者決定于電壓選擇，后者決定于PWM信號，兩者均來自智能化監(jiān)控子系統(tǒng)。
所述多級直流電源是一個能輸出不同電壓的開關(guān)穩(wěn)壓電源，在實施例中，其輸出電壓范圍在24～45V之間，分8級步進(jìn)；受控于智能化監(jiān)控子系統(tǒng)。
所述保護(hù)電路是一個RS觸發(fā)器，它的輸出狀態(tài)取決于來自串聯(lián)諧振功率放大電路的失配信號。
權(quán)利要求
1.一種功率超聲換能器激勵電路，其特征在于由第一信號發(fā)生電路、第二信號發(fā)生電路、選通門、信號調(diào)制電路、驅(qū)動電路、串聯(lián)諧振功率放大電路、多級直流電源和保護(hù)電路各單元電路構(gòu)成，第一信號發(fā)生電路和第二信號發(fā)生電路的輸出端分別接入到選通門的輸入端，選通門的控制端接受頻率選擇信號，該信號來自惡性腫瘤超聲熱療系統(tǒng)的智能化監(jiān)控子系統(tǒng)，它的輸出端接入到信號調(diào)制電路的第一個輸入端，信號調(diào)制電路的第二個輸入端接受來自智能化監(jiān)控子系統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制PWM信號，其第三個輸入端接受來自保護(hù)電路的信號，它的輸出端接入到驅(qū)動電路的輸入端，驅(qū)動電路的輸出端接入到串聯(lián)諧振功率放大電路的信號輸入端，串聯(lián)諧振功率放大電路的饋電輸入端與多級直流電源的電壓輸出端相連接，它還接受來自智能化監(jiān)控子系統(tǒng)的頻率選擇信號，向保護(hù)電路輸出保護(hù)信號，它的信號輸出端直接與功率超聲換能器相連接，激勵其發(fā)出超聲波，多級直流電源的三個電壓控制端接受來自智能化監(jiān)控子系統(tǒng)的并行控制信號。
2.如權(quán)利要求1所述的功率超聲換能器激勵電路，其特征是，所述串聯(lián)諧振功率放大電路應(yīng)用調(diào)諧放大電路程式，使用VMOS場效應(yīng)管作功率放大器件，工作在臨界C類狀態(tài)。
3.如權(quán)利要求1或者2所述的功率超聲換能器激勵電路，其特征是，所述串聯(lián)諧振功率放大電路，VMOS場效應(yīng)管MOSFET-IRF460的柵極由來自驅(qū)動電路的信號驅(qū)動，匹配電阻R1并接在柵極與源極之間，源極接地，漏極通過由L1、C1、C2組成的Γ型濾波電路與多級直流電源的電壓輸出端相接，消除雜波的電容C3并接在漏極與源極之間，漏極還與偶合電容C4相連，C4的另一端經(jīng)過繼電器J1的觸點(diǎn)J1A與諧振電感L2或L3相連，L2的另一端與諧振電容C5相接，C5的另一端接地，L3的另一端與諧振電容C6相接，C6的另一端接地，功率超聲換能器經(jīng)過繼電器J1的觸點(diǎn)J1B并接在諧振電容C5或C6上，L2、C5和功率超聲換能器構(gòu)成諧振頻率為F1的串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，L3、C6和功率超聲換能器構(gòu)成諧振頻率為F2的串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，偶合電容C4和諧振電容C5、C6由多個電容并聯(lián)組成，諧振電感L2、L3由多個電感并聯(lián)組成，感應(yīng)線圈L4、L5的一端接地，它們的另一端分別經(jīng)檢波二極管D1或D2與充電電容C7相連接，充電電容C7的一端接地，另一端接到保護(hù)電路。
4.如權(quán)利要求1所述的功率超聲換能器激勵電路，其特征是，所述的第一信號發(fā)生電路、第二信號發(fā)生電路分別產(chǎn)生頻率為F1、F2的連續(xù)方波信號。
5.如權(quán)利要求1所述的功率超聲換能器激勵電路，其特征是，所述的選通門采用多級與門電路，在來自智能化監(jiān)控子系統(tǒng)的頻率選擇信號控制下輸出頻率為F1或F2的連續(xù)方波信號。
6.如權(quán)利要求1所述的功率超聲換能器激勵電路，其特征是，所述的信號調(diào)制電路是一個三與門，三個輸入信號分別是頻率為F1或F2的連續(xù)方波信號；來自智能化監(jiān)控子系統(tǒng)的PWM信號以及來自保護(hù)電路的電平控制信號。
7.如權(quán)利要求1所述的功率超聲換能器激勵電路，其特征是，所述的信號調(diào)制電路，在正常情況下它的輸出是一串被PWM信號調(diào)制的方波，當(dāng)串聯(lián)諧振功率放大電路的輸出阻抗與功率超聲換能器的輸入阻抗嚴(yán)重失配時，保護(hù)電路輸出低電平控制信號，將信號調(diào)制電路的輸出鎖定在高電平，自動關(guān)閉電路的運(yùn)行并發(fā)出失配報警信號。
全文摘要
一種用于生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域的功率超聲換能器激勵電路，第一信號發(fā)生電路和第二信號發(fā)生電路的輸出端分別接入到選通門的輸入端，選通門的控制端接受頻率選擇信號，它的輸出端接入到信號調(diào)制電路的第一個輸入端，其第三個輸入端接受來自保護(hù)電路的信號，它的輸出端接入到驅(qū)動電路的輸入端，驅(qū)動電路的輸出端接入到串聯(lián)諧振功率放大電路的信號輸入端，串聯(lián)諧振功率放大電路的饋電輸入端與多級直流電源的電壓輸出端相連接，向保護(hù)電路輸出保護(hù)信號，它的信號輸出端直接與功率超聲換能器相連接，激勵其發(fā)出超聲波。本發(fā)明電路簡單，調(diào)試方便，輸出信號的幅度和占空比均可控制，傳輸效率很高，電路運(yùn)行安全。
文檔編號A61N7/02GK1586672SQ200410053260
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月29日
發(fā)明者陳亞珠, 白景峰 申請人:上海交通大學(xué)