Page 57 - 《应用声学）》2023年第5期

第 42 卷 第 5 期 凌子超等： 多通道超声相控阵驱动控制系统设计 949

cused ultrasound, HIFU) 治疗相控阵换能器相位
0 引言
控制和驱动系统可实现相位分辨率为2 ns。2020年，
低强度经颅聚焦超声是一种利用脉冲聚焦超 王欢等 [7] 基于 FPGA 设计了相位延时精度为 5 ns
声对人脑神经元进行调节的治疗技术，具有无创、 的多通道相控阵超声控制系统。现有的相位控制和
空间分辨率高和可深部脑刺激等特性，目前已应 驱动电路系统相位分辨率低，延时误差大，且通道数
用于帕金森病、癫痫和抑郁症等脑部疾病治疗的研 量的扩展有限。
究 [1−3] 。对于颅骨包裹的脑部疾病经颅治疗时，由 本文采用以 PC 为上位机、单片机为下位机的
于人颅骨的结构个体差异性大、声学参数呈非均质 控制方式，基于 DDS 设计了相位分辨率为 12 位的
性分布及其强声衰减性，超声经颅后产生的相位畸 多通道相控驱动电路系统，可实现相位分辨率为
变和能量衰减可能导致焦点位置偏移、散焦、焦域 0.1 ，延时误差小于 1 ns，输出信号电压峰峰值在
◦
能量不足等临床问题发生。目前一般需结合患者颅 0∼37.5 V 可调，可满足驱动信号为正弦波或方波的
骨生理结构及其声学参数利用类似时间反转法 [4] 低强度经颅聚焦超声相控阵刺激治疗脑神经疾病
计算对多阵元相控阵换能器各阵元进行相位调控 的需要。
和幅值补偿的参数，实现经颅精准定位聚焦及其焦
域能量的调控。 1 硬件电路系统设计
多阵元相控阵聚焦换能器的相位控制和驱动
电路系统是决定其能否应用于临床的关键技术 图 1 为多通道相位控制及驱动电路系统框图。
之一。目前，实现多通道驱动信号的幅值和高精 上位机 PC 通过 TCP/IP 通信将各通道的波形参数
度相位控制是设计该系统的重点与难点。2017 年， 发送至下位机单片机(Microcontroller unit, MCU)，
Liu 等 [5] 基于直接数字式频率合成 (Direct digital MCU接收到参数设置后控制DDS芯片生成相应频
synthesizer, DDS) 技术设计了多通道同步高速任 率和相位的波形信号，输出信号通过幅度控制和功
意波形信号发生器，相邻通道之间的延时误差小于 率放大后激励换能器阵元工作。该系统的时钟由

1.6 ns。2018 年，赵梦娟等 [6] 基于现场可编程逻辑 同一个晶振经时钟分配后发送给每个 DDS，同时结
门阵列 (Field programmable gate array, FPGA)、 合通道间的相位差检测功能，将相位差信息反馈到
高速数字模拟转换器 (Digital-to-analog converter, MCU，MCU 调节 DDS 的相位控制字，以确保所有
DAC) 设计的高强度聚焦超声 (High-intensity fo- DDS芯片输出波形的相位同步。

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图 1 多通道相位控制及驱动系统框图
Fig. 1 Block diagram of multi-channel phase control and drive system
1.1 信号发生及相位控制电路 log Devices 的 AD9834 芯片实现正弦波信号输出，

本文采用 MCU 控制多个 DDS 芯片的频率控 正弦波通过芯片的过零比较器可实现方波输出，其
制字和相位控制字的方式来实现频率和相位控制。 输出相移∆Ph和频率f 的公式 [8] 分别为
MCU选用 ST 意法半导体的 STM32H743IIT6 实现
2π
整个系统的数据传输和控制。DDS 芯片选用 Ana- ∆Ph = 12 × PHASEREG, (1)
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