Ultrasonic Generator for Surgical Applications and Non-invasive Cancer Treatment by High Intensity Focused Ultrasound

par Xusheng Wang

Thèse de doctorat en Électronique et Optoélectronique, Nano et Microtechnologies

Sous la direction de Ming Zhang.

Soutenue le 11-02-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) et de Institut d'électronique fondamentale (Orsay, Essonne ; 19..-2016) (laboratoire) .

Le président du jury était Patricia Desgreys.

Le jury était composé de Ming Zhang, Patricia Desgreys, Robert Sobot, Luc Hebrard, Nicolas Mauduit.

Les rapporteurs étaient Robert Sobot, Luc Hebrard.

  • Titre traduit

    Générateur d'ultrasons pour les applications chirurgicales et le traitement non-invasif du cancer par High Intensity Focused Ultrasound


  • 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'auto-tuning 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.


  • Résumé

    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 1.25 MHz 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 auto-impedance tuning networks, there is no need of microprogrammed control unit (MCU) or computer in the proposed design. Besides, without using bulky magnetic components, this auto-tuning 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 (137 mW). 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.


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