臺灣博碩士論文加值系統

聚焦式超音波已被證實在特定頻率下能暫開血腦障壁，以進行局部腦部藥物釋放。為使聚焦超音波可以改變聚焦能量，超音波探頭需設計為低頻透顱骨可穿透、且製作成相位陣列型式，使每一陣元可獨立進行訊號延遲控制以產生電子式焦點掃描聚焦之效果。欲達到此目的，需要一套多通道超音波腦部藥物釋放驅動系統以順利產生多通道控制及驅動射頻訊號，且此系統需先經過電磁相容檢測才得繼續進行後續的安規與臨床測試。本論文研究的主要目的就是設計一套多通道超音波的驅動系統，並且通過電磁相容性的測試。本系統架構在電磁相容性的部分包含電源濾波電路與機構電磁屏蔽設計，驅動系統部分包含半橋式轉換器、降壓式轉換器與匹配電路。系統經整合後委託財團法人台灣電子檢驗中心(ETC)測試電磁相容性，測試結果顯示本驅動系統可通過醫電設備類規範下之電磁相容性驗證。

Focused ultrasound technology has been verified to be able to temporarily disrupt the blood-brain barrier for noninvasive local brain drug delivery. The focused ultrasound need to be designed to be operated at low frequency so that the energy can be transcranially delivered into the deep-seated brain. In order to perform focal ultrasound energy scanning to conform the planned targeting volume, the use of focused ultrasound phased array in electrically off-center steering and scanning is necessary, and the driving system that can comply with the electromagnetic compatibility is required. The aim of this study is to design a 256-channel ultrasound driving system that can comply with the electromagnetic compatibility (EMC). In order to comply with EMC, the prototype system contains power source filter and electromagnetic screening. The driving system also contains half-bridge converter for DC-to-AC conversion and buck-type DC-to-DC converting system for power regulation. Impedance matching were also designed to provide high power output for each RF channel. The integrated system tested the electromagnetic compatibility in Electronics Testing Center (ETC) in Taiwan and the testing results showed that the designed 256-channel ultrasound system can comply with the IEC60601-1-2 standard electromagnetic compatibility.

目錄
指導教授推薦書
口試委員審定書
長庚大學博碩士論文著作授權書 III
誌謝 IV
摘要 V
ABSTRACT VI
目錄 VII
圖目錄 XI
表目錄 XVI
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機與目的 2
1-3 論文架構 3
第二章 超音波系統驅動電路原理 4
2-1 多通道超音波系統介紹 4
2-1.1 中樞控制系統 5
2-1.2 驅動端與負載端 6
2-1.3 功率回授系統 6
2-1.4 應用實驗 7
2-2 降壓式轉換器操作原理 7
2-3 半橋式轉換器操作原理 12
2-4 阻抗匹配原理 16
第三章 電磁相容性簡介與電磁相容性設計 17
3-1 電磁干擾 17
3-2電磁相容性的定義 18
3-3 研發時各階段之電磁相容考量 18
3-4 電磁相容測試通用標準簡介 19
3-4.1 放射性類 19
3-4.2 耐受性類 19
3-5 IEC61000之電磁相容測試基礎標準簡介 20
3-5.1 IEC61000-3 20
3-5.2 IEC61000-4 21
3-6 醫療電氣設備標準 24
3-7電磁屏蔽原理 24
3-8 濾波原理 26
第四章 具電磁相容性之多通道超音波驅動系統設計 28
4-1電壓調控電路設計 29
4-1.1降壓式轉換器 31
4-1.2閘極驅動電路 32
4-1.3緩衝電路 32
4-2超音波驅動電路設計 33
4-2.1半橋式轉換器 33
4-3匹配電路設計 35
第五章 多通道超音波驅動系統整合測試與結果 37
5-1 電壓調控電路測試 37
5-1.1光耦合閘極驅動電路 37
5-1.2 降壓式轉換器輸出電壓測試 39
5-2超音波驅動電路測試 42
5-2-1半橋式轉換器測試 42
5-3阻抗匹配測試 56
5-4電磁相容性測試 59
5-4.1 電源傳導干擾電壓測試 60
5-4.2 輻射干擾場測試 72
5-4.3 電磁相容性實測狀況與測試結果 84
第六章 結論與未來研究方向 90
6-1 結論 90
6-2未來研究方向 91
參考文獻 93

圖目錄
圖2-1多通道超音波系統架構圖 4
圖2-2中樞控制基本方塊圖 6
圖2-3 實驗架構示意圖 7
圖2-4 降壓式轉換器基本架構 8
圖2-5 連續導通模式下VGS、VL、IL之理想波形 10
圖2-6 不連續導通模式下VGS、VL、IL之理想波形 11
圖2-7 半橋式轉換器搭配LC諧振電路之基本架構 12
圖2-8 Q1與Q2閘極控制訊號與VNS的時序圖 12
圖2-9 Q1導通 Q2截止時的狀態 14
圖2-10 Q1截止 Q2截止時的狀態 14
圖2-11 Q2導通 Q1截止時的狀態 15
圖2-12 Q2截止 Q1截止時的狀態 15
圖3-1 電性快速脈衝干擾訊號之實際波形圖 22
圖3-2 傳導耐受干擾訊號之實際波形圖 23
圖3-3 電磁屏蔽的類型 25
圖3-4 電源濾波器的基本架構 27
圖4-1 多通道超音波系統的驅動部分與負載部分 28
圖4-2 模組內電源供應器分配架構圖 30
圖4-3 電壓調控電路板 30
圖4-4 光耦合驅動電路 32
圖4-5 RCD緩衝電路 33
圖4-6 IR2010應用在半橋式轉換器的應用電路圖 34
圖4-7 驅動端的半橋式轉換器電路 34
圖4-8 串接或並接L、C時SMITH CHART移動的軌跡 35
圖4-9 匹配電路板 36
圖5-1 PIC微控器PWM訊號的輸出波型圖(DUTY=50%) 37
圖5-2 光耦合閘極驅動電路的輸出波型(DUTY=49.5%) 38
圖5-3 光耦合閘極驅動電路的輸出波型 (DUTY=15%) 38
圖5-4 光耦合閘極驅動電路的輸出波型圖 (DUTY=85.3%) 39
圖5-5 瞬間同步上升波形 40
圖5-6 瞬間同步下降波形 40
圖5-7 降壓式轉換器與半橋式轉換器BURST=10MS的輸出波形 41
圖5-8 單通道的輸出功率與降壓式轉換器輸出電壓之關係曲線 42
圖5-9 驅動端弦波訊號 43
圖5-10 半橋轉換器閘極控制訊號與輸出功率變化的關係曲線 46
圖5-11 BURST模式時中控訊號與負載端所輸出的同步波形 49
圖5-12 BURST模式下直流輸出電壓與
負載端輸出的同步變化波形 52
圖5-13不同電源接上負載端量測出的正弦波峰對峰值與波形 54
圖5-14 改變時間軸刻度後不同電源接上負載端
量測出的正弦波波形 55
圖5-15 256通道超音波探頭的外型規格 56
圖5-16 256通道超音波探頭 57
圖5-17 AGILENT 4395A 三合一分析儀 57
圖5-18 256通道超音波探頭的阻抗特性圖 58
圖5-19 未匹配前256通道超音波探頭的史密斯圖 58
圖5-20 匹配後256通道超音波探頭的史密斯圖 59
圖5-21 模組未加電源濾波器時所掃描出的頻譜圖 62
圖5-22 電源濾波器架構(一) 63
圖5-23 使用電源濾波器(一)時所掃描出的頻譜圖 64
圖5-24 使用電源濾波器(一)再外加一個共模扼流圈
所掃描出的頻譜圖 66
圖5-25 使用電源濾波器(一)再搭配UPS所掃描出的頻譜圖 68
圖5-26 電源濾波器架構(二) 69
圖5-27 使用電源濾波器(二)時所掃描出的頻譜圖 70
圖5-28 機箱的平面架構圖 73
圖5-29 機箱的3D模擬圖 74
圖5-30 模組機箱實際組裝後 74
圖5-31 機櫃內部配置構想圖 75
圖5-32 伺服器專用機櫃的平面架構圖 75
圖5-33 伺服器專用機櫃的實際內部組裝圖 76
圖5-34 伺服器專用機櫃的實際外觀圖 76
圖5-35 輻射干擾場測試實驗暗室 77
圖5-36 伺服器專用機櫃的實測狀況 77
圖5-37 伺服器專用機櫃輻射測試頻譜圖 78
圖5-38 將伺服器專用機櫃之散熱孔貼上銅箔後的實測狀況 79
圖5-39 將伺服器專用機櫃之散熱孔貼上銅箔後的
輻射測試頻譜圖 80
圖5-40 伺服器專用機櫃更改測試標準後的
輻射測試頻譜圖 82
圖5-41 256通道超音波系統諧波干擾
與電壓閃爍測試的實際狀況 84
圖5-42 256通道超音波系統靜電放電耐受性測試的實際狀況 85
圖5-43 256通道超音波系統輻射耐受性測試的實際狀況 85
圖5-44 256通道超音波系統電性快速脈衝性測試的實際狀況 86
圖5-45 256通道超音波系統傳導耐受性測試的實際狀況 86
圖5-46 256通道超音波系統電源頻率磁場耐受性
測試的實際狀況 87
圖5-47 256通道超音波系統電源電壓瞬斷
及瞬降測試的實際狀況 87
圖5-48 256通道超音波系統雷擊突波測試的實際狀況 88

表目錄
表5-1 單通道的輸出功率與降壓式轉換器的輸出電壓 41
表5-2 電壓調控電路的輸出電壓與負載端
的輸出弦波電壓峰對峰值 44
表5-3 半橋轉換器閘極控制訊號的DUTY CYCLE
與輸出功率變化(VDC=25V) 45
表5-4 各種昇壓幅度的上昇時間 53
表5-5 未加電源濾波器時的測試數據 62
表5-6 使用電源濾波器(一)的測試數據 65
表5-7 使用電源濾波器(一) 再外加一個共模扼流圈的測試數據 67
表5-8 使用電源濾波器(一) 再搭配UPS的測試數據 69
表5-9 使用電源濾波器(二)的測試數據 71
表5-10 伺服器專用機櫃的測試數據 79
表5-11 伺服器專用機櫃貼銅後的測試數據 81
表5-12 伺服器專用機櫃CLASS A的測試數據 83
表5-13 測試報告書中的完整測試結果 89

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