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1. 主要作者与机构及发表信息
本研究由E. C. Barroso（墨西哥国立理工学院CINVESTAV-IPN、古巴哈瓦那数学与控制物理研究所ICIMAF）、A. J. Cañas、E. M. Hernández等团队合作完成，发表于2025年全球医学工程物理交流/泛美医疗保健交流会议（GMEPE/PAHCE），会议论文编号DOI: 10.1109/GMEPE/PAHCE65777.2025.11002803，ISBN为979-8-3315-9696-5。

2. 学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于生物医学工程中的治疗性超声（therapeutic ultrasound）领域，聚焦于骨科康复中的骨愈合（bone consolidation）治疗。
研究动机：人口老龄化加剧了骨折愈合延迟问题，传统手术成本高且恢复周期长。超声治疗可通过机械应力促进骨痂（callus）形成，但现有设备存在成本高、功率控制不精准等问题。
研究目标：设计并开发一种中功率（medium-power）超声发生器，用于骨愈合治疗，要求低成本、精准控制频率（1 MHz）及强度（1–3 W/cm²），并实现闭环反馈系统。

3. 研究流程与实验方法
3.1 中功率超声换能器设计
- 研究对象：使用PZT-4压电陶瓷（直径25 mm/30 mm，厚2 mm）作为主动元件，铝层（6.2 mm）作为耦合层。
- 仿真工具：通过COMSOL 5.6进行有限元分析（FEM），模拟谐振频率（1 MHz）下的阻抗特性（图9、10）及机械形变（图11）。结果显示铝层厚度需为半波长（λ/2）倍数以避免共振干扰。

3.2 模拟模块开发
- 功能模块：
- 采样机制：采用空气耦合变压器（T3）实现1 MHz信号的高效传输（图3）。
- 相位匹配：通过逻辑电路比较电流/电压相位差（图4），反馈至数字模块调节频率。
- 发射器：基于4046锁相环（PLL）芯片的压控振荡器（VCO），输出50%占空比方波（图6）。

3.3 数字模块与控制
- 硬件：Arduino Mega 2560主板，集成LCD显示与按键输入（图7）。
- 软件：Arduino IDE环境编程，配置四个定时器：
- Timer 1：生成10位PWM控制功率输出；
- Timer 2：读取ADC信号以监测传感器状态。

3.4 原型测试与验证
- 换能器性能：实测阻抗最小值接近1 MHz（图13–14），相位差变化验证皮肤接触时的频率调整需求（表1）。
- 系统集成：推挽式（push-pull）IRF840晶体管驱动电路（图19）成功输出1 MHz脉冲，功率达1–3 W/cm²（图20）。

4. 主要研究结果
- 换能器设计：FEM仿真显示1 MHz下陶瓷与铝层的协同振动模式（图11），阻抗相位差为23°时实现最佳能量传输（图16）。
- 闭环控制：数字模块实时调节VCO频率，确保传感器与皮肤接触时相位差趋近0°（图21），治疗时间可精确设定（LCD显示“00:16”）。
- 成本优化：采用Arduino开源硬件与印刷电路板（PCB）变压器，降低制造成本。

5. 研究结论与价值
- 科学价值：首次将FEM仿真与低成本数字控制结合，验证了中功率超声对骨愈合的精准治疗潜力。
- 应用价值：设备可减少40–50%的康复时间（参考文献[2,3]），适用于老龄化社会的非侵入性治疗需求。

6. 研究亮点
- 方法创新：
- 空气耦合变压器设计提升1 MHz信号传输效率；
- 基于相位差的实时反馈算法优化功率输出。
- 跨学科整合：融合压电材料仿真、模拟电路设计及嵌入式系统编程。

7. 其他价值
- 合作网络：项目获得墨西哥、古巴、多米尼加等多国机构支持（见致谢部分），体现国际科研协作的可行性。
- 开源兼容性：Arduino平台的选用为后续临床适配提供灵活扩展空间。

此研究为超声治疗设备的低成本化与精准化提供了重要范式，未来可扩展至其他组织修复领域。