Razvoj močnostnega ojačevalnika za ultrazvočno pulzno stimulacijo

GRADIŠEK, MIHA (avtor), Križaj, Dejan (mentor)

Magistrsko delo opisuje izdelavo ojačevalnika električnih signalov sinusne oblike v ultrazvočnem spektru frekvenc do 1 MHz za namene vzbujanja ultrazvočne sonde. Delo zajema analizo visokofrekvenčnih pojavov in karakteristik sistema oddajnika ultrazvočnih valov, ki jih moramo upoštevati pri konstrukciji naprave z namenom maksimalne oddane moči ultrazvočnega oddajnika. Zasnova električnega vezja močnostnega ojačevalnika je bila sprva preverjena s simulatorjem LT Spice in kasneje nadgrajena z določenimi izboljšavami in popravki. Za generiranje signalov smo uporabili večnamensko kartico Red Pitaya, ki nam je služila tudi pri zajemu signala iz hidrofona. Z Red Pitayo upravljamo preko aplikacije, ki je bila spisana s pomočjo programskih jezikov JavaScript, HTML, C in API-ukazov. Za testiranje temperaturnega obnašanja izhodne močnostne stopnje ojačevalnika smo uporabili okolje Matlab v katerem smo preko SCPI-ukazov generirali vzbujalne signale z Red Pitaye in hkrati prikazovali potek temperature z uporabo temperaturnega senzorja. Za analizo impedančnih in faznih karakteristik ultrazvočnih oddajnikov, sprejemnikov in navitij transformatorjev smo uporabili LCR-meter Quadtech 1920. Signale smo med testiranjem opazovali na osciloskopu MSO7104B. Po simulacijah in podrobnih analizah vezja smo načrtali vezje v programskem paketu Altium ter izdelali tiskanino ob upoštevanju načrtovalskih pravil z namenom zmanjšanja motenj in stabilnega delovanja. Za eksperimente smo za različne konfiguracije potrebovali razne nastavke, ki smo jih tiskali na Vellemanovem 3D-tiskalniku K8400. Ojačevalnik je dizajniran in testiran za vzbujanje ultrazvočnega oddajnika V318-SU v frekvenčnem področju od 300 kHz do 500 kHz. Oddajnik najintenzivneje deluje pri frekvencah okoli 320 kHz, saj je tu blizu resonančna frekvenca prilagoditvenega vezja, ki smo ga dodali na izhodne sponke ojačevalnika, z namenom maksimalnega prenosa moči iz ojačevalnika na ultrazvočni oddajnik. Prenesena moč na ultrazvočni oddajnik je okoli 90W, pri čemer ultrazvočni oddajnik proizvede tlak 7 barov in intenziteto oddanega valovanja 33 W/cm2. Celoten sistem je bil uporabljen za in vitro eksperimente, kjer smo vzbujali HEK 293 in HEK 293T celice v kombinaciji z mikromehurčki in opazovali odzive na laserskem mikroskopu Leica TCS SP5.

• Jezik: Slovenski jezik
• Ključne besede: ultrazvok, piezoelektrični oddajnik, hidrofon, piezoelektrični efekt, resonančna frekvenca, impedančno prilagajanje, kavitacija, mikromehurčki, sonoporacija
• Vrsta gradiva: Magistrsko delo/naloga
• Organizacija: FE - Fakulteta za elektrotehniko
• Leto izida: 2016
• PID: 20.500.12556/RUL-84767
• Datum objave v RUL: 02.09.2016

Sekundarni jezik

• Jezik: Angleški jezik
• Naslov: Development of a power amplifier for pulsed ultrasound stimulation

Izvleček

The thesis presents the construction of a power amplifier used for excitation of ultrasonic transducers with a nominal frequency up to 1 MHz. Scope of this document also covers analyses of high frequency phenomenons and characteristics of ultrasonic transducers which must be taken into account to transmit maximal power to the transducer. Design of electrical circuit was firstly tested with simulation tool LT Spice and improved step by step during the research. Signal which was amplified, was generated with a multifunctional card Red Pitaya. Simultaneously we can measure signals for instance a signal from a hydrophone, which detects pressure transmitted from the ultrasonic transducer. Red Pitaya card is controlled using a web browser based application built with basic programming languages such as JavaScript, HTML, C and API routines. For the purpose of temperature analysis of output amplifier stage we used a Matlab interface to control the Red Pitaya using SCPI commands. Impedance and phase characteristics of ultrasonic transmitter, receiver and windings of transformers were obtained by a LCR-meter Quadtech 1920. Signals were measured with osciloscope MSO710. After the final circuit was defined, we constructed a PCB with Altium Designer software considering most vital designer rules to minimize the interferences. For experimental work we constructed 3D models and printed with Velleman 3D-printer K8400. The amplifier was designed and tested for use with an ultrasonic transducer V318-SU for frequencies from 300 kHz to 500 kHz. Ultrasonic transducer most intensively transmits power at frequency of 320 kHz, which is a resonance frequency of the matching circuit. The amplifier is capable of providing 90 W for a used transducer, which is equal to 7 bars of pressure and intensity of transmitted wave 33 W/cm2. The designed system was successfully used in practice in experiment in vitro with HEK 293 and HEK 293T cells in combination with micro bubbles. Images of cells responses were obtained with microscope Leica TCS SP5.

• Ključne besede: ultrasound, piezoelectric transducer, hydrophone, piezoelectric effect, resonance frequency, impedance matching, cavitation, microbubbles, sonoporation