HIFU换能器电阻抗变化规律及最小失配优化策略研究

High-intensity focused ultrasound (HIFU) therapy is a promising non-invasive treatment technology emerging in recent years. Our country is a world leader in HIFU treatment device development and clinical application. However, the power transmission problem caused by dynamic variation of HIFU transducer's impedance influences the efficiency and safety of HIFU therapy seriously. Frequency tracking and automatic impedance matching can not be applied on HIFU transducer by operating frequency variation and matching speed. There’s lacking an impedance matching method which eliminates the influence of impedance variation. Combining with our preliminary research on this subject, we import first time the minimum mismatch network theory into the impedance matching design of ultrasound transducer. Optimization algorithm and wideband impedance matching design method are combined to propose the minimum mismatching design theory for HIFU transducer with varying impedance. Online electrical impedance measurement method of HIFU transducer, impedance variation characteristics and regulation, optimization design theory for minimum mismatch network will be studied in this project. An impedance matching network insensible to variation of HIFU transducer's impedance will be obtained for improving the dynamic stability of ultrasound power transmission. This study will provide theoretical support for more efficient and safe HIFU therapy system.

高强度聚焦超声（HIFU）是一种极具潜力的无创治疗技术，已在临床治疗和设备研制方面得到了广泛应用与关注，但HIFU换能器电阻抗动态变化导致的功率传输问题严重影响了HIFU治疗的有效性和安全性。目前对HIFU换能器电阻抗在工作状态下的的变化规律还不明确，尚缺少一种能有效消除HIFU换能器电阻抗变化影响的阻抗匹配方法。本项目从研究HIFU换能器工作状态下电阻抗动态变化的特性及规律出发，将最小失配网络理论引入至超声换能器电阻抗匹配网络，拟结合最优化算法和简化实频法宽带阻抗匹配网络理论，提出HIFU换能器电阻抗变化下的最小失配网络优化策略与设计理论，重点研究HIFU换能器电阻抗在线测量方法、电阻抗变化特性及规律和最小失配网络的最优化设计理论三方面内容，获得一种对HIFU换能器电阻抗变化不敏感的阻抗匹配网络，以提高超声功率传输的动态稳定性，为下一代更高效、更安全的HIFU治疗系统提供理论支撑。

高强度聚焦超声（HIFU）是一种极具潜力的无创治疗技术，已在临床治疗和设备研制方面得到了广泛应用与关注，但HIFU换能器电阻抗动态变化导致的功率传输问题严重影响了治疗有效性和安全性。项目从研究HIFU换能器工作状态下电阻抗动态变化规律出发，将最小失配网络理论引入至超声换能器阻抗匹配网络，结合最优化算法和简化实频法宽带阻抗匹配网络设计理论，围绕对换能器电阻抗变化不敏感的阻抗匹配网络设计理论和方法这一关键问题，首先完成了基于脉冲响应的HIFU换能器电阻抗谱在线测量系统实现，搭建了换能器电声转换特性测试平台；其次，开展了不同工作状态下HIFU换能器电声特性的研究，确定了换能器电阻抗的变化特性、规律和变化范围；最后，对可变负载情况下的单频阻抗匹配和宽带阻抗匹配进行了深入的理论分析和研究，结合最优化算法和简化实频法的最小失配网络优化模型，实现了对HIFU换能器电阻抗变化时的宽带阻抗匹配，突破了基于优化算法的最小失配网络设计等关键理论和技术，有效提高了功率超声传输效率和稳定性，为下一代更高效、更安全的HIFU治疗系统提供理论支撑。项目取得的主要研究成果有：.①提出基于脉冲响应的超声换能器电阻抗谱时域测量法，具有测量速度快、成本低和易于实现在线测量等优点。通过取样电阻高频模型和参数拟合法校正了高频失真，采用全局最优小波阀值去噪消除了高频噪声，并首次研制成功HIFU换能器电阻抗谱在线测量装置。.②采用虚拟仪器技术构建了超声换能器电声转换效率自动测试系统，并开展了不同工作状态下HIFU换能器电声特性的研究，确定了HIFU换能器电阻抗变化特性、规律和范围。.③ 建立了单频阻抗匹配网络中负载阻抗变化与反射系数之间的解析方程，根据此解析方程，提出了可综合考虑谐波抑制能力和负载阻抗变化的单频阻抗匹配设计法。.④ 提出采用最小失配网络来减小HIFU换能器电阻抗变化对匹配性能影响的方法。采用多目标优化方法将最小失配网络理论与简化实频法相结合，提出了可变负载的宽带阻抗匹配设计方法。