現(xiàn)階段,檢測(cè)超聲在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。而功率超聲在醫(yī)療方面應(yīng)用相對(duì)較少,處于研究階段的如超聲刀,靶向給藥等。超聲的理療作用已被廣泛的認(rèn)可,但理療儀的驅(qū)動(dòng)電源仍存在不足。由于超聲理療頻率較高大多在1MHz以上,若采用傳統(tǒng)的功率芯片實(shí)現(xiàn)輸出功率放大的功能,將存在輸出功率是否可調(diào)節(jié)、輸出電壓波形是否畸變等問(wèn)題。在實(shí)際應(yīng)用中,僅僅依靠超聲電源的匹配網(wǎng)絡(luò)難以完成精確的匹配。且由于換能器發(fā)熱、粘合劑的不同、老化等因素導(dǎo)致的換能器幾個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)變化,換能器的諧振頻率也會(huì)不斷改變,此時(shí)要求超聲電源能跟蹤換能器的諧振頻率,從而避免能量的大量損耗以及進(jìn)一步發(fā)熱灼傷病人。本文參照超聲理療驅(qū)動(dòng)電源的國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,就目前存在的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)頻率為1MHz輸出功率為10W的數(shù)字化超聲電源整體架構(gòu)。根據(jù)換能器電學(xué)等效阻抗模型,設(shè)計(jì)了超聲換能器的靜態(tài)匹配網(wǎng)絡(luò)并計(jì)算了元器件參數(shù)。分析比較了FFT變換法、相關(guān)函數(shù)法、過(guò)零點(diǎn)比較法等相位差檢測(cè)方法,選擇合適的相位差檢測(cè)方法并設(shè)計(jì)相關(guān)的檢測(cè)電路。采用基于LCC功率諧振逆變器實(shí)現(xiàn)功率放大,對(duì)諧振逆變器各個(gè)模塊進(jìn)行分析,利用電路理論等知識(shí)給出LCC諧振逆變器參數(shù)的計(jì)算方法。比較目前開(kāi)關(guān)電源常用的功率調(diào)節(jié)方法,引入PDM方法實(shí)現(xiàn)輸出功率的可調(diào)節(jié)。針對(duì)理療換能器自身諧振頻率的漂移,引入頻率自跟蹤功能,使得換能器始終處于諧振狀態(tài)。對(duì)工程應(yīng)用中常用的頻率點(diǎn)搜索算法提出改進(jìn),并指出其不足。針對(duì)換能器具有復(fù)雜的非線性、沒(méi)有精確數(shù)學(xué)模型的特性提出基于模糊控制器的頻率跟蹤算法,并利用數(shù)學(xué)仿真工具M(jìn)atlab中的模糊工具箱和Simulink仿真平臺(tái),搭建了基于模糊控制器的頻率跟蹤算法仿真模型。其仿真結(jié)果驗(yàn)證了模糊控制器實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤的可行性和快速性。論文最后制作了超聲理療儀的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于LCC諧振逆變器和模糊鎖相環(huán)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)可以高效地驅(qū)動(dòng)理療換能器,能夠?qū)崿F(xiàn)換能器兩端電壓電流同相位,系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定的持續(xù)運(yùn)行。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類(lèi)】：TH789
【部分圖文】：

圖 1-2 超聲理療超聲理療在實(shí)際應(yīng)用中有兩個(gè)主要的參數(shù)不可忽視，一是超聲頻率，二是強(qiáng)度。在傳播過(guò)程中，超聲波的頻率越高，則在傳播過(guò)程中的衰減速度就會(huì)。所以在實(shí)際的治療過(guò)程中，要根據(jù)病變的部位來(lái)選擇合適的超聲理療儀的。例如，當(dāng)治療心臟等內(nèi)臟器官時(shí)選擇的頻率要比治療皮膚等表面部位的頻。在實(shí)際的應(yīng)用中，超聲理療儀的頻率范圍在 0.8MHz 到 2MHz 之間。功率強(qiáng)來(lái)描述超聲理療換能器輸出強(qiáng)度，也就是所謂的超聲劑量。在超聲理療過(guò)程中于病變部位對(duì)超聲的敏感程度不同，例如骨骼肌對(duì)超聲波很敏感而結(jié)締組織聲敏感性較差，需要選擇合適的超聲劑量。為滿(mǎn)足大多數(shù)的理療需要，一般聲理療設(shè)備輸出功率強(qiáng)度20.1 1.5 W /cm。.2 超聲理療儀現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì).2.1 超聲理療儀的現(xiàn)狀壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)與上世紀(jì)末被發(fā)現(xiàn)后，基于電子學(xué)的超聲波的產(chǎn)生使得超聲被廣泛的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，開(kāi)啟了超聲技術(shù)的新篇章[3]。國(guó)際醫(yī)學(xué)超

中給出超聲頻率和功率選擇，并設(shè)計(jì)了基于 LLC 的功率放大電路。相比于國(guó)外，國(guó)內(nèi)對(duì)超聲理療的起步更晚，目前在各高校有許多優(yōu)秀研果。文獻(xiàn)[8]是浙江大學(xué)對(duì)不同頻率的超聲波對(duì)藥物導(dǎo)入影響研究，文章中采超聲頻率是 0.8MHz 和 1MHz，并研究了換能器失諧對(duì)藥物導(dǎo)入的影響，并采態(tài)匹配使換能器處于諧振狀態(tài)。文獻(xiàn)[9]是東北大學(xué)設(shè)計(jì)的用于治療軟骨損傷聲治療儀，治療儀的驅(qū)動(dòng)頻率為 1.5MHz，輸出功率為 15W。文中主要研究了理療換能器的阻抗匹配和信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)。文獻(xiàn)[10]是南方醫(yī)科大學(xué)研究的高頻空化效應(yīng)對(duì)腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制作用，文中采用的超聲頻率為 3MHz，電源的功率為 30W，采用全橋逆變電路和移相調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)功率輸出。文獻(xiàn)[11]研究了超療儀的頻率自動(dòng)跟蹤技術(shù)，文中采用電壓和電流相位差作為反饋信號(hào)，采用糊控制實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤技術(shù)。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)許多超聲理療產(chǎn)品也陸續(xù)推出，如深圳市德邁科技有限的 DM-200B、深圳市威爾德醫(yī)療電子有限公司的 WED-300B、廣州多浦樂(lè)電技有限公司的 T-5000、天津樂(lè)今科技有限公司的 UT1021、江蘇福瑞科技有限的 RZ 等。圖 1-3 是市面上所見(jiàn)的超聲理療儀設(shè)備圖。

其實(shí)物圖2-2 所示。72MHz 為其最高的工作頻率。STM32F103VCT6 多達(dá) 80 個(gè)輸入輸出 I/O口，含有 2 個(gè) 12 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器且其采樣頻率為 1MHz、多個(gè)定時(shí)器可供使用，同時(shí)含有的數(shù)字鑒相器也大大利于課題的設(shè)計(jì)�？傊瑔纹瑱C(jī) STM32F103VCT6含有的以上資源足夠本課題使用。圖 2-2 主控芯片實(shí)物圖2.3 電端匹配網(wǎng)絡(luò)換能器是超聲理療儀驅(qū)動(dòng)電源必不可少的組成部分，目前市場(chǎng)上的換能器種類(lèi)繁多，本論文中將采用壓電陶瓷陶瓷換能器且其諧振頻率為 1MHz。本節(jié)將基于

【參考文獻(xiàn)】

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1 李炳毅;丁U

本文編號(hào)：2824399