"怀长期主义，聊医工科技"
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| 今天的文章中，超哥为大家介绍该一种用于低强度脉冲超声（LIPUS）治疗设备的高度集成应用专用集成电路（ASIC）芯片，旨在实现小型化、低成本和MRI兼容性。该芯片采用无电感设计，集成了电荷泵、高电压电平转换器（HVLS）、半桥驱动器和电压控制振荡器（VCO），使其适用于可穿戴设备。实验表明，该系统在3.7V和5V供电下分别可输出107.2 mW和184.2 mW的功率，功率密度为29.5 mW/cm²和51.6 mW/cm²，效率达30%。这种设计支持骨折愈合、神经调节和炎症抑制等治疗需求，并在MRI环境中具备良好的兼容性。相比现有技术，该ASIC在输出功率、效率和适应性方面表现卓越，显著降低了传统LIPUS系统的体积和成本。未来研究将专注于优化外围模块和能量转换效率，为医疗可穿戴设备的进一步发展提供强有力的支持。 |
创新应用 | LIPUS低强度脉冲超声在周围动脉疾病PAD中的应用
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本篇文章中，超哥为大家介绍一种用于可穿戴医疗治疗设备的低强度脉冲超声接口ASIC电路，本篇文章的重点是研究了一种创新的低强度脉冲超声（LIPUS）接口ASIC芯片，该芯片旨在优化超声治疗设备的便携性和MRI兼容性，为医疗技术带来了重要突破。
1. 研究背景与目的
LIPUS是一种非侵入性医疗疗法，已被证明在骨折愈合、炎症抑制和神经再生等领域具有显著疗效。然而，现有的LIPUS驱动系统普遍存在体积大、成本高的问题，不适合可穿戴设备应用。为了克服这些挑战，研究团队设计并实现了一种高度集成的ASIC芯片，用于驱动LIPUS设备，从而实现低成本、小型化和MRI兼容的解决方案。
2. 系统架构与技术创新
该ASIC系统采用了以下关键技术模块：
电荷泵（Charge Pump）：替代传统的电感升压转换器，解决了体积大和MRI环境中不兼容的问题。电荷泵设计为四级结构，通过电压控制振荡器（VCO）优化输出频率，提高了系统效率。
高电压电平转换器（HVLS）：实现了低电压与高电压域的信号转换，确保了芯片的稳定性和效率。
半桥驱动器（Half-Bridge Driver）：通过优化的MOSFET设计，降低了开关电阻，并集成了死区时间发生器以防止短路。
电压控制振荡器（VCO）：使用三阶段电流饥饿型振荡器，实现了频率可调的脉冲信号生成，以适配不同的负载条件。
3. 芯片性能与实验结果
该ASIC芯片采用AMS 0.35 µm高压CMOS工艺设计，芯片面积仅为4 mm²。实验表明，系统在3.7V和5V供电下分别可以输出107.2 mW和184.2 m
W的功率，效率分别为30.8%和29.7%。以下是具体性能和实验结果的亮点：
超声输出能力：
在3.7V供电下，系统可提供平均超声功率密度为29.5 mW/cm²；
在5V供电下，功率密度提高至51.6 mW/cm²。这些参数满足多种临床治疗需求，如骨折愈合、神经调节和抗炎治疗。
小型化与MRI兼容性：
ASIC采用无电感设计，避免了磁场干扰，确保了MRI环境的兼容性；
系统外围电路仅需少量被动元件，整体占用面积不到2 cm²，适合便携式医疗设备应用。
实验测试：
使用1.5 MHz谐振频率的压电换能器（PZT）进行测试，测试显示输出波形稳定，电荷泵输出电压在负载切换时的恢复能力良好；
超声功率测量表明，在20%占空比的工作模式下，系统可在节能状态与峰值输出间高效切换。
功率转换效率：
虽然电荷泵效率受到多级设计的限制（约30%），但通过优化频率选择和外围设计，系统仍能实现较高的输出功率，满足实际应用需求。
4. 临床和应用前景
LIPUS已被FDA和CE批准用于骨折愈合、延迟愈合等治疗，相关研究表明其参数（如1.5 MHz频率、30 mW/cm²功率密度）对牙根修复、骨髓间充质干细胞增殖和骨植入物周围骨生成具有显著促进作用。
ASIC设计为便携式医疗设备的开发奠定了基础，尤其是对于需要MRI引导的超声治疗场景，如神经调节、肿瘤治疗等。未来可进一步优化外围模块以提升整体效率和适用性。
5. 与现有研究的对比
与其他类似的电荷泵驱动芯片研究相比，该ASIC具有以下优势：
在相同输入电压下输出更高的电压（如15.5V vs 14V）；
在高负载情况下实现更高的功率效率（30.8% vs 17%）；
提供更强的输出功率（184.2 mW vs 72 mW），适应更广泛的医疗应用需求。
虽然与某些专注于优化转换效率的芯片相比，该系统效率稍低，但通过设计调整，该ASIC在高功率输出场景中的表现更为卓越。
6. 结论与展望
这款ASIC芯片为LIPUS提供了一种小型化、低成本且MRI兼容的解决方案，推动了可穿戴医疗设备的发展。尽管存在效率提升空间，该系统通过整合关键模块和优化设计，展现了良好的实用性和扩展性。未来研究可聚焦于以下领域：
改进外围元件的MRI兼容性；
优化能量转换效率和功率输出；
进一步探索在神经调节、组织修复等新兴医疗领域的应用。
参考文献
Ye, Xuanjie, Xiaoxue Jiang, Shuren Wang, and Jie Chen. "A Low-Intensity Pulsed Ultrasound Interface ASIC for Wearable Medical Therapeutic Device Applications." Electronics 13, no. 6 (2024): 1154.
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我是超哥，超声行业17年老伙计，做过研发，搞过生产，趟过市场，开过（在开）公司；越野跑爱好者；工作狂；沟通粗暴直接；严苛完美主义者；起伏皆为过往；信奉长期主义和第一性原则；欢迎来聊来组局...
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