[发明专利]一种基于STM32F334的大功率高强度聚焦超声驱动系统

说明书

一种基于STM32F334的大功率高强度聚焦超声驱动系统，由ARM控制单元，UI控制单元、数字电源单元、射频驱动单元、风扇控制单元、呼吸门控单元六个单元构成。所有单元均由同一片STM32F334来控制与协调，相比于经典的MCU加FPGA的控制方案，本系统集成度高、可靠性好，充分利用了STM32F334片内的高精度定时器资源，可以从4.608GHz往下分频，最高分辨率可达217ps，保证了数字电源单元的移相全桥和射频驱动单元的H桥的PWM驱动信号的精度。同时呼吸门控单元也是采用STM32F334片内的高速ADC采集呼吸信号来实现，在治疗过程中射频驱动单元与呼吸门控单元之间的同步性得到了进一步提升。

技术领域

本发明主要涉及医学超声治疗领域，针对目前高强度聚焦超声(High IntensityFocused Ultrasound，HIFU)驱动系统采用的主流ARM加FPGA方案存在成本较高，集成度低，射频驱动信号精度不高，呼吸同步处理实时性不高，整个驱动系统还需要额外配置电源，为了消除这些缺陷，设计了一种基于STM32F334的大功率高强度聚焦超声的驱动系统。

背景技术

现代电子信息产业的飞速发展同时也带动了医疗技术的进步，21世纪的外科手术也由微创进入无创的时代。高强度聚焦超声(HIFU)作为一种新兴的技术已经在医学和美容上应用广泛，并取得了良好的效果，尤其是近年来在一些肿瘤治疗和筋膜提升(皮肤紧致)等方面效果较好。

HIFU技术是将体外的超声发出的声能量聚焦于人体组织，在人体组织内形成一个声场强度较高的区域，在超声持续一段时间作用下，位于声场强度较高区域的组织细胞会受到影响，影响程度的大小取决于声场强度的大小，而其它区域的组织细胞基本不会受到影响。如果声场强度很大，在该区域，产生瞬间高温(65℃～100℃)和空化效应，令该区域的组织细胞凝固性坏死，空化效应使细胞膜、核膜破裂，细胞失去扩散能力。在医学上可用于治疗一些肿瘤疾病，利用HIFU的这些特性可以实现破坏病变组织的目的。而在这个过程是不可逆的，彻底达到“消融”的目的，取得良好的治疗效果。

然而，HIFU在实际应用过程中存在如下问题：(1)由于超声波在穿过人体到达病患处的传输路径上有用声功率会有损耗，所以对于开始声功率就比较小的发射超声波束来说，到达病患焦区处时有用声强度已经不足以在有限时间内将病变组织消融，在治疗位于人体内较深部位的组织时，这种情况尤其明显；(2)在整个治疗过程中，针对不同的场景，需要的超声功率大小不一，时间长度不一，因此对驱动系统的精度提出更高的要求，即输出特定的功率并持续某一段时间作用于特殊位置。这些问题亟待解决。

本发明设计的基于STM32F334大功率高强度聚焦超声驱动系统就是为了解决之前HIFU驱动系统所使用的ARM加FPGA方案造成的精度低、成本高、调试困难、集成度低、精度不够高等问题。本发明采用的单片STM32F334高度集方案，利用STM32F3334自带的高精度定时器(HRTIM)资源产生射频输出信号，其自带5个高精度定时器(HRTIM_CHA～HRTIM_CHE)，每个定时器有两路输出(CH1、CH2)外设，其中的4路高精度定时器输出作为控制H桥的射频输出，其余的高精度定时器输出外设用于移相全桥数字电源单元，两者相结合能够达到较高精度的驱动效果；经典方案中的电源部分一般是独立的，需要额外采购，在本设计中电源是内置的，并且由同一片STM32F334芯片来控制，系统集成度高、可靠性好。整个系统的各个单元响应迅速，能够较好的与患者的呼吸同步，在患者身体最平稳的时刻治疗，取得较好的治疗效果。

发明内容

本发明要解决的问题是：由于超声波在穿过人体到达病患处之前声强度会有损耗，所以对于开始发射声功率就比较小的超声波束来说，到达病患处时有用声强度已经不足以将病变组织消融；或者由于人体器官有的处在距离体表较远的位置，超声波更难以使必要的超声强度穿透人体组织到达患病病灶处，从而根本起不到应有的治疗的作用；此外，在治疗过程中由于驱动信号的精度不够高，整个驱动系统不能很好地与人的呼吸同步而造成的治疗效果差。因此就需要发明一种基于STM32F334高强度聚焦超声驱动系统。