Générateur d`ultrasons pour les applications chirurgicales et le

INSTITUT D'ÉLECTRONIQUE FONDAMENTALE
Université Paris-Saclay – UMR8622 - Centre Scientifique d'Orsay - Bâtiment 220 - F 91405 ORSAY Cedex
Jeudi 11 février 2016 à 10h30
Salle P. Grivet - RDC pièce 44
WANG Xusheng – Microsystèmes & NanoBioTechnologies
Générateur d'ultrasons pour les applications chirurgicales et le traitement non invasif du cancer
par high intensity focused ultrasound
Membres du jury :
Directeur de thèse
Ming ZHANG
IEF Orsay
Rapporteurs
Robert SOBOT
Luc HEBRARD
ENSEA Cergy
Université de Strasbourg
Examinateurs
Patricia DESGREYS
Nicolas MAUDUIT
Télécom ParisTech
Société Vision Intégré Paris
Résumé :
La technique de haute intensité ultrasons focalisés (HIFU) est maintenant largement
utilisée pour le traitement du cancer, grâce à son avantage non-invasif. Dans un système de
HIFU, une matrice de transducteurs à ultrasons est pilotée en phase pour produire un faisceau
focalisé d'ultrasons (1M ~ 10 MHz) dans une petite zone de l'emplacement de la cible sur le
cancer dans le corps. La plupart des systèmes HIFU sont guidées par imagerie par résonance
magnétique (IRM) dans de nos jours. Dans cette étude de doctorat, un amplificateur de
puissance de classe D en demi-pont et un système d'accord automatique d'impédance sont
proposés. Tous deux circuits proposés sont compatibles avec le système IRM. L'amplificateur
de puissance proposé a été réalisé par un circuit imprimé (PCB) avec des composants discrets.
Selon les résultats du test, il a rendement de conversion en puissance de 82% pour une
puissance de sortie conçue de 1,25W à une fréquence de travail de 3MHz. Le système
d'accord automatique d'impédance proposé a été conçu en deux versions: une version en PCB
et une version en circuit intégré (IC). Contrairement aux systèmes d'accord automatique
proposés dans la littérature, il n'y a pas besoin de l'unité de microcontrôleur (MCU) ou de
l'ordinateur dans la conception proposée. D'ailleurs, sans l'aide de composants magnétiques
volumineux, ce système d'auto-réglage est entièrement compatible avec l'équipement IRM. La
version en PCB a été conçue pour vérifier le principe du système proposé, et il est également
utilisé pour guider à la conception du circuit intégré. La réalisation en PCB occupe une surface
de 110cm2. Les résultats des tests ont confirmé la performance attendue. Le système d'autotuning proposé peut parfaitement annuler l'impédance imaginaire du transducteur, et il peut
également compenser l'impédance de la dérive causée par les variations inévitables (variation
de température, dispersion technique, etc.). La conception du système d'auto-réglage en circuit
intégré a été réalisé avec une technologie CMOS (C35B4C3) fournies par Austrian Micro
Systems (AMS). La surface occupée par le circuit intégré est seulement de 0,42mm2. Le circuit
intégré conçu est capable de fonctionner à une large gamme de fréquence tout en conservant
une consommation d'énergie très faible (137 mW). D'après les résultats de la simulation, le
rendement de puissance de ce circuit peut être amélioré jusqu'à 20% comparant à celui utilisant
le réseau d'accord statique.
Mots-clefs : Générateur d'ultrasons, HIFU, Traitement non-invasif, Auto-tuning système,
D'accord de l'impédance, Transducteur ultrasonique
Abstract :
High intensity focused ultrasound (HIFU) technology is now broadly used for cancer
treatment, thanks to its non-invasive property. In a HIFU system, a phased array of ultrasonic
transducers is utilized to generate a focused beam of ultrasound (1M~10MHz) into a small area
of the cancer target within the body. Most HIFU systems are guided by magnetic resonance
imaging (MRI) in nowadays. In this PhD study, a half-bridge class D power amplifier and an
automatic impedance tuning system are proposed. Both the class D power amplifier and the
auto-tuning system are compatible with MRI system. The proposed power amplifier is
implemented by a printed circuit board (PCB) circuit with discrete components. According to the
test results, it has a power efficiency of 82% designed for an output power of 3W at 1.25MHz
working frequency. The proposed automatic impedance tuning system has been designed in
two versions: a PCB version and an integrated circuit (IC) version. Unlike the typical autoimpedance tuning networks, there is no need of microprogrammed control unit (MCU) or
computer in the proposed design. Besides, without using bulky magnetic components, this autotuning system is completely compatible with MRI equipment. The PCB version was designed to
verify the principle of the proposed automatic impedance tuning system, and it is also used to
help the design of the integrated circuit. The PCB realization occupies a surface of 110cm2. The
test results confirmed the expected performance. The proposed auto-tuning system can
perfectly cancel the imaginary impedance of the transducer, and it can also compensate the
impedance drifting caused by unavoidable variations (temperature variation, technical
dispersion, etc.). The IC design of the auto-tuning system is realized in a CMOS process
(C35B4C3) provided by Austrian Micro Systems (AMS). The die area of the integrated circuit is
only 0.42mm2. This circuit design can provide a wide working frequency range while keeping a
very low power consumption (137mW). According to the simulation results, the power efficiency
can be improved can up to 20% by using this auto-tuning circuit compared with that using the
static tuning network.
Key-words: Ultrasonic generator, HIFU, Non-invasive treatment, Auto-tuning system,
Impedance tuning, Ultrasonic transducer
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