HIFU换能器电阻抗变化规律及最小失配优化策略研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号：
    81501615
  • 项目类别：
    青年科学基金项目
  • 资助金额：
    18.0万
  • 负责人：
    谭坚文
  • 依托单位：
    中国人民解放军陆军工程大学
  • 学科分类：
    H2813.检测及治疗的医学器件和仪器
  • 结题年份：
    2018
  • 批准年份：
    2015
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2016-01-01 至2018-12-31

项目摘要

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。

结项摘要

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。

项目成果

期刊论文数量（3）
专著数量（0）
科研奖励数量（0）
会议论文数量（0）
专利数量（6）
基于虚拟仪器技术的聚焦超声换能器电声转换效率自动测试系统
  • DOI：
    --
  • 发表时间：
    2017
  • 期刊：
    中国生物医学工程学报
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    刘阳;谭坚文;曾德平;钟志明;陈志聪
  • 通讯作者：
    陈志聪
基于统计分析的多协议单片机数据通信系统EFT抗扰度研究
  • DOI：
    --
  • 发表时间：
    2018
  • 期刊：
    电子学报
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    钟志明;谭坚文;叶方伟;刘阳;曾德平;吴明达
  • 通讯作者：
    吴明达
Finite-Element Simulation and Experiments on Plastic Heating in the Process of Electromagnetic Pulse Forming
电磁脉冲成形过程中塑料加热的有限元模拟与实验
  • DOI：
    10.1109/tps.2018.2825650
  • 发表时间：
    2018-04
  • 期刊：
    IEEE Transactions on Plasma Science
  • 影响因子：
    1.5
  • 作者：
    Yan Zhou;Jianwen Tan;Chenguo Yao;Chengxiang Li;Xiaoyu Wang;Wenting Zhou;Xianmin Wang
  • 通讯作者：
    Xianmin Wang

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其他文献

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课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要：

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题，其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子，其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而，TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用，影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法，探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用，为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义，并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路：

科学问题：TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达？
前期研究：已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应，但其具体机制尚不明确。
研究创新点：本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线：包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术：TRIM2与病毒RNA的相互作用分析，IFN-β启动子活性检测。
实验模型：使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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