[发明专利]超声相控阵列聚焦模式高速切换系统及聚焦模式合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物医学工程技术领域，具体地，涉及一种超声相控阵列聚焦模式高速切换系统及聚焦模式合成方法。

背景技术

相控型聚焦超声是新一代聚焦超声技术，它通过调控超声相控阵列内任意阵元激励正弦波信号的幅度和相位，将体外超声波束汇聚于一点或多点，该点（即焦点）在三维声场分布中具有声压幅度最大的特性，从理论上说，通过切换焦点的空间位置和时间分布可实现设定的超声能量分布和温度场结果。聚焦模式合成以及不同聚焦模式间切换是相控型聚焦超声系统的关键核心技术，以下将相控型聚焦超声系统简写为相控系统。聚焦模式合成是相控系统实现超声能量空间分布的唯一手段，不同聚焦模式间切换则是相控系统调整超声能量空间和时间分布的实现方式，间接影响温度场分布结果。对相控系统而言，合成单组聚焦模式须产生对应相控阵列内各阵元的激励正弦波信号，不同聚焦模式间切换则需要改变对应激励正弦波信号的幅度和相位。因此，要实现超声能量的精确时空分布，必须提高相邻聚焦模式的切换速度和频率，这就需要一个针对超声相控阵列的聚焦模式高速切换系统。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利授权公告号为CN101862511B，2012.04.25授权，由上海交通大学申请的发明专利《多通道高精度相控信号发生装置》披露了“一种多通道高精度相控信号发生装置，具体结构包括高精度有源晶振、现场可编程门阵列芯片、可编程只读存储器和I/O接口板，由电源模块为整个装置供电。所述可编程只读存储器存储现场可编程门阵列芯片的程序和配置信息。所述现场可编程门阵列芯片通过从可编程只读存储器中读取程序和配置信息，生成相移模块、相位译码模块、地址译码模块及若干个多路选通器。上位机提供的相位控制信号和通道控制信号通过I/O接口板分别连接到相位译码模块和地址译码模块，两个模块的输出分别连接到每一个多路选通器。高精度有源晶振作为系统信源，产生的时钟信号连接相移模块，其输出连接到每一个多路选通器。各个多路选通器并行工作：每个多路选通器根据上位机提供的相位控制信号确定输出信号的相位值；多路选通器输出的方波信号通过I/O接口板连接外部推挽式功率放大器。I/O接口板实现现场可编程门阵列芯片与输出信号之间的光电隔离，并将现场可编程门阵列芯片3.3V的高电平电压输出提升为I/O接口板5V的高电平电压输出。”该技术存在以下三点不足：第一，一次“上位机提供的相位控制信号和通道控制信号”仅能合成单组聚焦模式，若需切换聚焦模式，上位机不得不重新发送新的相位控制信号和通道控制信号至“相位译码模块和地址译码模块”，进而发送一次信号无法实现多组聚焦模式的切换；第二，相邻聚焦模式间的切换很大程度上依赖上位机和现场可编程门阵列芯片内对应模块之间的数据传输，而I/O接口板传输速度的瓶颈限制了多组聚焦模式间的切换速度，进而影响相控系统对超声能量时空分布的精确调控；第三，该多通道高精度相控信号发生装置缺乏锁相环电路，因此无法对存在相位误差的“输出的方波信号”进行调整，进而不能实现输出信号与设定相位信号的同步。

经对现有技术的文献检索还发现，中国专利申请公布号为CN102231625A，2011.11.02申请公布，由哈尔滨工程大学申请的《一种相控信号发生器及相控方法》披露了“一种可以使信号源的规模大大降低的相控信号发生器和一种相控方法，相控信号发生器由多个基本信号产生单元构成，每个基本信号产生单元又包含可控相移信号产生电路、幅度控制及驱动电路和单路-多路信号转接头，三者依次电信号连接；可控相移信号产生电路产生具有一定相移的信号；幅度控制及驱动电路用来控制输出信号的幅度，并提供驱动能力；单路-多路信号转接头将可控相移信号产生电路产生的并经幅度控制及驱动电路的单路信号分接成相同的多路信号，这些多路信号对应于被测多波束系统不同的输入端。”该技术存在明显不足：由于相控信号发生器和“被测多波束系统”内对应基元间存在电缆连接，每根电缆具有特性阻抗（与电缆的感抗和容抗有关），但该发生器内部缺乏阻抗匹配电路，因此，“被测多波束系统”的输入信号和相控信号发生器的输出信号之间会存在差别，表现为信号幅度和相位的不同。虽然单路输入信号的误差并不大，但随着基元数量的大幅增加，“被测多波束系统”输入信号的整体误差将变得不可忽略，进而影响“波束形成”效果。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种可以在多个聚焦模式间高速切换的超声相控阵列聚焦模式高速切换系统及聚焦模式合成方法。