一种宽频匹配多层包络超声刺激信号发生装置及方法

本发明涉及超声刺激设备，特别涉及一种宽频匹配多层包络超声刺激信号发生装置及方法。

背景技术：

1、超声神经调控是一种利用超声波对神经组织或生物组织进行刺激调控的技术。相比于传统电刺激和磁刺激，超声刺激具有作用深度较大、空间聚焦能力较强、非接触或低侵入等特点，在神经调控、脑科学研究、生物医学实验以及实验动物刺激研究中具有应用价值。

2、公开号为cn116672624a的专利公开了一种低频包络脉冲调制超声与磁声刺激系统，通过脉冲调制模块输出脉冲调制方波信号，以控制基波信号发生模块产生脉冲调制基波信号，再利用幅值调制模块引入低频正弦信号完成幅值调制，最终经功率放大后驱动超声换能器输出带有低频包络的脉冲超声信号，以此实现对生物组织的超声神经调控。

3、然而，上述方案能够实现含有低频包络的脉冲超声输出，但其技术重点在于低频包络脉冲超声与磁声刺激的产生，并未公开将连续正弦载波经宽频带缓冲、阻抗匹配和滤波后，利用射频开关进行外部门控以形成脉冲正弦信号的结构；同时，也未公开对滤波后的连续正弦载波进行零点检测，并利用零点检测信号对多层包络控制信号进行同步锁存，使射频开关在载波零点附近导通或关断的技术方案。因此，在需要提高脉冲正弦信号起止相位一致性、减小非零点切换引起的瞬态尖峰、振铃和尾部拖尾的超声刺激信号发生场景中，仍存在进一步改进空间。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种宽频匹配多层包络超声刺激信号发生装置及方法，用于解决现有技术存在的基波信号相位的稳定性差，基波信号通断时机不受约束而造成输出脉冲波形畸变的技术问题。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、第一方面，本发明提供了一种宽频匹配多层包络超声刺激信号发生装置，包括：

4、参数获取单元，用于获取超声刺激参数；

5、控制单元，用于根据所述超声刺激参数生成载波生成控制信号以及多层包络控制信号，所述载波生成控制信号用于驱动生成连续正弦载波信号；

6、连续载波发生单元，用于基于所述载波生成控制信号，生成工作频率在预设频率区间的连续正弦载波信号；

7、宽频带缓冲与阻抗匹配单元，用于对所述连续正弦载波信号进行缓冲处理，生成经预设输出阻抗匹配后的载波信号；

8、滤波单元，用于对所述载波信号进行滤波，生成频谱整形信号；

9、零点检测单元，用于检测频谱整形信号的零点，生成零点检测信号；

10、同步锁存单元，用于以所述零点检测信号作为同步触发信号，对所述多层包络控制信号进行采样或锁存，生成零点同步门控信号；

11、边沿整形单元，用于对所述零点同步门控信号进行边沿整形，生成边沿整形信号；

12、射频开关调制单元，用于在所述边沿整形信号的控制下对所述频谱整形信号进行通断调制，生成脉冲正弦信号；

13、宽频带放大单元，用于对所述脉冲正弦信号进行功率放大处理，生成放大后的脉冲正弦信号；

14、阻抗匹配单元，用于将所述宽频带放大单元的输出阻抗与超声换能输出单元的输入阻抗进行匹配；

15、超声换能输出单元，用于将放大后的脉冲正弦信号转换为超声刺激信号进行输出。

16、进一步地，所述连续载波发生单元包括直接数字频率合成器；

17、所述控制单元从所述超声刺激参数中提取目标载波频率，根据所述目标载波频率计算频率控制字，并将所述频率控制字写入直接数字频率合成器；

18、所述直接数字频率合成器基于所述频率控制字生成连续正弦载波信号。

19、进一步地，所述宽频带缓冲与阻抗匹配单元包括宽带缓冲器和阻抗匹配电阻；

20、所述宽带缓冲器用于接收所述连续正弦载波信号并进行缓冲处理；

21、所述阻抗匹配电阻用于将端口输出阻抗调整至预设阻抗；

22、所述宽带缓冲器的输入端与所述连续载波发生单元的输出端连接，所述阻抗匹配电阻串联设置于所述宽带缓冲器与所述滤波单元的输入端之间。

23、进一步地，所述滤波单元包括低通滤波器、带通滤波器或可切换滤波器组中的至少一种。

24、进一步地，所述多层包络控制信号包括微脉冲包络信号和宏刺激包络信号；

25、所述微脉冲包络信号基于脉冲持续时间和脉冲重复频率生成；

26、所述宏刺激包络信号基于刺激持续时间和刺激间隔生成；

27、所述宏刺激包络信号用于对所述微脉冲包络信号进行门控，以使所述微脉冲包络信号仅在刺激持续时间内有效。

28、进一步地，所述控制单元包括第一硬件定时器和第二硬件定时器；

29、所述第一硬件定时器用于产生微脉冲包络信号；

30、所述第二硬件定时器用于产生宏刺激包络信号；

31、所述第二硬件定时器通过门控、触发或使能的方式，控制所述第一硬件定时器的输出状态。

32、进一步地，所述零点检测单元包括载波取样与偏置电路和高速比较器；

33、所述载波取样与偏置电路用于对频谱整形信号进行交流耦合、偏置或限幅处理；

34、所述高速比较器用于将所述载波取样与偏置电路处理后的频谱整形信号转换为零点检测信号；

35、所述同步锁存单元包括同步锁存电路，所述同步锁存电路用于以所述零点检测信号作为同步触发信号，并对所述多层包络控制信号进行采样或锁存，以生成零点同步门控信号。

36、第二方面，本发明还提供了一种宽频匹配多层包络超声刺激信号发生方法，包括：

37、通过参数获取单元获取超声刺激参数；

38、通过控制单元根据所述超声刺激参数生成载波生成控制信号以及多层包络控制信号，所述载波生成控制信号用于驱动生成连续正弦载波信号；

39、通过连续载波发生单元基于所述载波生成控制信号，生成工作频率在预设频率区间的连续正弦载波信号；

40、通过宽频带缓冲与阻抗匹配单元对所述连续正弦载波信号进行缓冲处理，生成经预设输出阻抗匹配后的载波信号；

41、通过滤波单元对所述载波信号进行滤波，生成频谱整形信号；

42、通过零点检测单元检测频谱整形信号的零点，生成零点检测信号；

43、通过同步锁存单元以所述零点检测信号作为同步触发信号，对所述多层包络控制信号进行采样或锁存，生成零点同步门控信号；

44、通过边沿整形单元对所述零点同步门控信号进行边沿整形，生成边沿整形信号；

45、通过射频开关调制单元在所述边沿整形信号的控制下对所述频谱整形信号进行通断调制，生成脉冲正弦信号；

46、通过宽频带放大单元对所述脉冲正弦信号进行功率放大处理，生成放大后的脉冲正弦信号；

47、通过阻抗匹配单元将宽频带放大单元的输出阻抗与超声换能输出单元的输入阻抗进行匹配；

48、通过超声换能输出单元将放大后的脉冲正弦信号转换为超声刺激信号进行输出。

49、进一步地，根据所述超声刺激参数生成多层包络控制信号，包括：

50、根据所述超声刺激参数中的脉冲持续时间和脉冲重复频率生成微脉冲包络信号；

51、根据所述超声刺激参数中的刺激持续时间和刺激间隔生成宏刺激包络信号；

52、通过所述宏刺激包络信号对所述微脉冲包络信号进行门控，生成多层包络控制信号。

53、进一步地，在所述生成脉冲正弦信号之后，还包括：通过泄放单元释放射频开关调制单元输出节点或宽频带放大单元输入节点的残余电荷

54、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

55、本发明通过零点检测单元获取频谱整形信号的零点，同步锁存单元对零点检测信号与多层包络控制信号进行同步锁存处理而生成零点同步门控信号，以使射频开关调制单元在载波（即基波）零点附近实现通断调制，能够提升载波相位的稳定程度，减少因随意通断引起的波形畸变；同时，射频开关调制单元以门控方式将连续正弦载波信号转换为脉冲正弦信号，改善载波相位的波动情况，进而提升最终输出超声刺激信号的波形品质。

56、基于上述理由本发明可在超声刺激设备等领域广泛推广。