王 欢,张 清,周红生,潘海林,刘逍逸

(1.中国科学院 声学研究所东海研究站，上海 201815；2.华东师范大学 软件工程学院 国家可信嵌入式软件工程技术研究中心，上海 200062)

0 引言

低强度聚焦超声治疗技术是当前超声治疗领域的研究热点，研究表明，低强度聚焦超声具有促进血管新生、神经损伤再生、加速骨骼愈合、改善男性勃起功能障碍、突破血脑屏障及治疗脑神经疾病等作用[1-5]。低强度聚焦超声作用对象不同，对聚焦超声的要求也不同，传统的物理聚焦焦域是以焦点为中心的一个很小的类椭球区域，焦域模式固定，聚焦的深度、广度、角度都不能随意调节，对于神经调控、脑刺激及血管再生等需要精准控制的应用难以胜任，相控阵技术的引入为解决聚焦声场精确控制带来了新的思路[6]。

相控阵相位控制和驱动技术是超声治疗技术得以临床应用的关键技术之一，不同的应用场景对于超声系统的性能参数有着不同的技术要求。目前，相控阵相位控制和驱动技术大部分采用分立式电子仪器组合来实现简易的超声激励[7]，通常实验搭建较耗时，效率低，无法满足特殊激励序列要求。另一方面，部分已经应用的相控阵聚焦超声控制系统通常具有输出参数相对固定，频率、功率可调范围窄，且支持换能器阵列通道尚处于一个较小的规模，不利于多元化激励方案的实现[8-9]，在一定程度上阻碍了超声治疗技术在不同领域的深入应用。

本文设计了一种基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的256通道的相控阵聚焦超声控制系统，实现频率在1～3 MHz可调，输出电压峰-峰值在±100 V连续可调，相位延时精度为5 ns，可驱动不同阵元数的相控阵探头，满足相控阵聚焦超声差异化研究要求。

1 控阵延时聚焦原理

超声相控阵由若干个阵元按照一定的规律组合而成，每个阵元按照预先设定好的发射顺序，间隔一定时间依次发射声波，使各阵元发出的声波能同时到达聚焦位置。根据惠更斯原理，各阵元发射的超声波束在空间各点叠加合成，在聚焦位置处声压达到最大值，从而实现声场聚焦或声束的偏转[10]。

对于由N个阵元组成的超声相控阵，设第i个阵元在空间某点处的声压为pi，则该点处的总声压为各阵元在该点处声压的总和[10]，即

(1)

图1为二维相控面阵示意图。假定面阵有N个阵元，第i个阵元中心坐标为(xi,yi,0)，焦点为F(x,y,z)，则阵元i到焦点F的声波传输时间ti为

i=1,2,3,…,N

(2)

式中c为超声在介质中的传播速度。

图1 二维相控阵

相控聚焦要求各阵元发射声波的信号同时到达焦点F处，因此，各阵元的信号发射延迟时间为

Δti=max(ti)-tii=1,2,3,…,N

(3)

时间延迟控制可认为是相控阵技术的核心。通过对单个阵元相对应的通道进行单独的激励控制，使各阵元所激励出的超声波相位存在一定的相位差，然后根据波的叠加和干涉原理，这些超声波将在空间某处形成聚焦。

2 超声控制系统设计

基于 FPGA的超声相控阵发射系统的设计思想是：利用 FPGA 丰富的 I/O 引脚资源和高速计数功能，实现换能器阵列发射波束的聚焦深度控制和自动偏转角度控制。

本文研制的超声相控阵发射系统由PC机、基于MCU的通讯和控制模块、基于FPGA的发射波束形成模块、电源管理模块和驱动模块组成。其中FPGA作为控制系统的主控单元，承载着相控阵发射的延时控制，用于产生256路不同延时波形信号，波形信号经过功率放大后激励相控聚焦超声换能器。具体过程如下：通过PC机控制软件输入各个阵元的延时控制指令，经通讯控制模块发送至FPGA，FPGA控制I/O端口输出基于基础波形的延时可调(n×步长，其中n为单位延时数量)控制信号，该控制信号控制驱动模块的时序和频率，经功率放大后最终激励相控阵阵列。系统架构如图2所示。

图2 超声相控阵控制系统框图

2.1 FPGA主控模块设计

主控单元采用STM32+FPGA的组合方式，由STM32F4通过串口与上位机通信获得控制指令并将其发送给FPGA，FPGA控制256路驱动信号的频率和相位，可输出频率为1～3 MHz,相位分辨率为5 ns。FPGA采用Alter 公司的EP4CE75F23I7器件。其中STM32F4是基于ARM-CortexTM-M4架构的微控制器，内核架构先进、主频可达168 MHz，ART技术使程序零等待执行，执行效率高，具有较高的运算能力和数据处理能力。EP4CE75F23I7具有75408逻辑单元和292个可用I/O引脚。该系统采样50 MHz的系统时钟，通过锁相环将频率升高输出至200 MHz。200 MHz频率的信号周期为5 ns，所以本系统的延时精度为5 ns。具体步骤如下：

1) 信号相位由相位累加器控制，相位累加器通过控制不同输出信号的启动时间差达到控制相位的目的。

2) 各通道的输出频率由频率控制器控制，频率控制器控制各输出通道的信号周期。

3) 信号发生计数器是将相位累加器和频率控制器的参数相结合，产生所需波形信号,如图3所示。

图3 时钟分频延时输出信号图

2.2 驱动系统设计

图4为驱动模块的电路原理图。逻辑单元产生的信号通过隔离器件传输到功率增强电路，使信号功率放大。而后功率放大的信号经过匹配网络输出到目标换能器基元上。同时反馈电路会检测输出信号的电流和电压，并将数据传输至保护电路中，如果系统无安全隐患，保护电路会将这些数据重新反馈到功率增强电路，功率增强电路会根据实际输出情况进行微调。如果存在安全隐患，保护电路将中断功率增强电路的输出，避免系统的损坏。该系统可以实现对16路超声阵元的驱动。16个驱动模块在MCU控制下相互协调工作，构成256路可控驱动输出。

图4 驱动模块示意图

驱动信号的幅度实际上取决于MOSFET阵列的正负供电电源，器件TC6321可在±100 V供电下工作，单路驱动信号只要调节内部供电电源的大小就可以实现±100 V以下驱动输出幅值连续。同时，电路输出采用N型MOS管加P型MOS管串行结构，采用正负供电可实现输出驱动信号为±100 V可调双极性信号。驱动信号的频率取决于MD1210K6的输入控制信号，该控制由FPGA(EP4CE75F23I7)产生。

2.3 软件系统设计

为了在PC端用户界面上实现实时、可视化的操作，设计了低强度超声相位控制和驱动系统用户界面，如图5所示。界面上可实现各阵元延时数据文本文档导入/输入，可在用户界面上直接对延时数据进行调整,对各通道相位、激励频率、输入功率、辐照时间、间隙时间、工作次数等参数进行设定及调整。

图5 软件操作界面

3 电路实验测试

为了验证以上系统是否满足相控阵激励发射的要求，搭建实验平台对相控阵系统的超声发射信号的相控延时、聚焦效果进行了测试。

3.1 相控阵延时数据测试

通过上位机系统将计算得到的延时值发送给 FPGA 并进行相应的配置，使256通道发射具有不同相位差的激励脉冲信号。用示波器测量256个通道间的延时值，与理论计算得出的延时值进行对比。图6为搭建的时延测试实验系统。

图6 时延测试实验系统

任意11通道设置的延时参数和实验测试的聚焦延时数据对比如表 1 所示。由表可看出，实际延时值和理论延时值的相对误差较小。

表1 任意11通道设置的延时参数和实验测试的聚焦延时数据对比

3.2 相控阵聚焦声场测试

采用纹影法(Schlieren法)，结合高速摄像机，对超声针灸相控阵的聚焦声场进行声场测量实验，其实验装置为同济大学的Schlieren声场可视化系统，如图7所示。实验所用的发射换能器为多普勒超声相控阵换能器(2 MHz 256elts Matrix Phased Array)，阵元数为256，阵元间距为1.2 mm,中心频率为2 MHz。

图7 Schlieren声场可视化系统

实验中通过在上位机程序中导入预设聚集位置的延时表，控制相控阵单个阵元的激励信号发射不同相位的超声波以形成聚焦声场。图8、9为预设焦点(0,0,15 mm)和(0,3 mm,15 mm)时，形成聚焦声场的Schlieren像。由图8、9可知，超声波较准确地聚焦于系统预设的焦点位置，并且通过对延时表的修改，波束发生了固定的偏转。测试结果表明，本文设计的相控阵聚焦超声控制系统对超声换能器声场具有较好的控制效果。

图8 声场聚焦于(0, 0, 15 mm)的Schlieren像

图9 声场聚焦于(0,3 mm ,15 mm)的Schlieren像

4 结束语

基于FPGA控制的低能量超声相控阵系统可实现256通道的相控阵聚焦控制，实现频率在1～3 MHz可调，输出电压峰-峰值在±100 V连续可调，相位分辨率可达5 ns。基于Labview用户界面可将各阵元延时数据以配置文件形式直接导入，可根据需要匹配不同阵元的相控阵，从而满足相控阵聚焦超声差异化研究要求。