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856 2018 年 11 月

于驱动聚焦超声治疗相控系统，可实现激励信号幅
1 引言 值、延时、频率可调。同年，骆英等 [6] 基于 FPGA 及

延时算法实现了延时分辨率为 3.75 ns 的相位延时
高强度聚焦超声(High intensity focused ultra-
控制集成相控发射系统。2011 年，厉彦忠等 [7] 基于
sound, HIFU) 是利用超声波的穿透性、可聚焦性，
STM32 实现了延时分辨率为 20 ns 的 4 通道超声相
将体外换能器发出的低能量超声波聚焦于目标靶
控阵。2013 年，Assef 等 [8−9] 基于 FPGA 实现了幅
区，靶区组织能量叠加，在机械、热、空化等效应作用
值、延时可调的 8 通道的超声相控聚焦系统。2014
下使目标靶区肿瘤组织热凝固致死的新型物理疗
年，Kim 等 [10] 基于 FPGA 设计了频率为 500 kHz
法。目前已经应用于乳腺癌、子宫肌瘤、前列腺癌等
的32通道相控信号发生器，结果表明低频超声在脑
实体软组织肿瘤的临床治疗 [1−3] 。这些 HIFU 系统
部治疗中效果更好。2016年，杜春晖 [11] 基于FPGA
中主要采用单阵元聚焦换能器，但对于颅骨包裹的
实现了延时分辨率为2.5 ns 的8 通道超声相控阵激
脑肿瘤 HIFU 经颅治疗而言，必须利用相控换能器
励信号的发射。
和人体颅骨结构及其声学参数进行相控调节才能
本文基于 FPGA 设计了 HIFU 相位控制系统，
实现颅内聚焦。
实测多通道延时分辨率1 ns，延时误差小于1 ns，可
多阵元相控聚焦换能器实现相控聚焦的关键
满足多阵元 HIFU治疗相控聚焦换能器延时精度的
技术之一为相位控制系统的设计。目前 HIFU 治疗
需要。
相位控制系统设计中的难点是在保证输出信号稳
定的同时提高 HIFU 相位控制系统多通道延时分
2 原理及方法
辨率。
2008 年， Liu 等 [4] 利 用 现 场 可 编 程 门 阵 列 图 1 为多通道 HIFU 相控聚焦系统，主要由相
(Field-programmable gate array, FPGA) 及 匹 配 位控制系统、功率放大电路、阻抗匹配电路、多阵元
电 路 设 计 了 可 诱 导 局 部 血 脑 屏 障 (Blood-brain 换能器构成。其中 HIFU 相位控制系统由 PC 机用
barrier, BBB) 打开的高压脉冲信号电路。2010 户界面通过串口将前期仿真得到的各通道延时时
年，Pindter-Medina 等 [5] 基于 FPGA 中的 Cyclone 间发送到 FPGA，再由 FPGA通过时钟控制各个通
II 单元 (Altera，San Jose，California，US) 设计了用 道激励信号的触发时序来实现相位控制。

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图 1 HIFU 相控系统聚焦示意图
Fig. 1 HIFU phase control system focus schematic

2.1 用户界面 示的 HIFU 用户控制界面。该界面可实现各阵元延
时数据、激励功率数据的导入/导出，可在用户界面
采用 Visual Studio 2013 的微软基础类库 (Mi- 上进行激励频率、占空比、驱动时间、波特率、串口

crosoft foundation classes, MFC) 设计了如图 2 所 号等参数的选择及调整。