蔣雙燕，黃秋萍

（1.蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州215021；2.蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 蘇州 215009）

1 引言

熱療是泛指用加熱來治療腫瘤的一類治療方法?；驹硎抢梦锢砟芰考訜崛梭w全身或局部，使腫瘤組織溫度上升到有效治療溫度，并維持一定時(shí)間，利用正常組織和腫瘤細(xì)胞對(duì)溫度耐受能力的差異，達(dá)到既能使腫瘤細(xì)胞凋亡、又不損傷正常組織的治療目的。

熱療已成為繼手術(shù)、放療、化療和免疫療法之后的第五大療法，是治療腫瘤的一種新的有效手段。它能夠更有效地殺傷惡性腫瘤細(xì)胞，提高病人的生存質(zhì)量，延長(zhǎng)病人的生命，同時(shí)又減輕放療和化療所產(chǎn)生的副作用，因此被稱為是“綠色療法”。

實(shí)驗(yàn)表明，在42℃區(qū)域，溫度差1℃就可引起細(xì)胞存活率的成倍變化，因此，熱療中的溫度精確控制和測(cè)量有著十分重要的意義?？梢哉f，熱療中能否準(zhǔn)確測(cè)溫和精確控溫是取得療效的關(guān)鍵。

常用的溫度傳感器，如熱敏電阻等模擬類的器件，具有非線性及參數(shù)不一致等特點(diǎn)，在更換時(shí)因放大器零漂問題而需對(duì)電路重新調(diào)試。而對(duì)于溫度場(chǎng)的控制方法，多采用以CPU或單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)。

本文主要針對(duì)熱療系統(tǒng)的溫度測(cè)控進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一種基于FPGA用于熱療系統(tǒng)中的溫度控制系統(tǒng)，通過程序控制來實(shí)現(xiàn)熱療過程中腫瘤組織溫度的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與高精度智能控制，以較高的溫度控制精度來保證熱療的療效。

2 系統(tǒng)整體框圖

熱療系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示，設(shè)置熱療系統(tǒng)的熱療溫度為42℃，信號(hào)的頻率為0.5MHz，經(jīng)過500Hz占空比可調(diào)的調(diào)制信號(hào)調(diào)制后輸出控制信號(hào)。FPGA作為控制器控制加溫的全過程，設(shè)定溫度通過控制面板向FPGA輸入，DS18B20對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行溫度測(cè)量，并且將實(shí)時(shí)數(shù)字測(cè)量值送回FPGA，F(xiàn)PGA將測(cè)量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，經(jīng)過控制算法的處理后，確定調(diào)制信號(hào)的占空比?？刂菩盘?hào)經(jīng)過隔離電路與驅(qū)動(dòng)電路，加到工作極板上，極板間介質(zhì)的加熱功率可通過調(diào)整500Hz調(diào)制信號(hào)的占空比來控制。

熱療系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)如下：

（1）功率電源電壓56V；

（2）熱療工作頻率0.5MHz；

（3）溫度測(cè)量范圍0～63℃，測(cè)控溫精度±0.1℃。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要包括FPGA及其配置電路、電源電路、光耦隔離電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制面板和顯示單元，如圖2所示。

溫控系統(tǒng)的硬件以FPGA為核心，采用這種方案的最大優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，借助VHDL語言編程的靈活性及FPGA具有在系統(tǒng)編程的特點(diǎn)，使得電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活，易于修改，大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)研制周期。本文使用的FPGA芯片是 Altera的Cyclone系列FPGA芯片，型號(hào)為EP1C6，容量為120 000門，TQFP144封裝，并采用了Altera提供的專用配置芯片EPC2對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)配置，外部20MHz的石英晶振為FPGA提供時(shí)鐘信號(hào)；EP1C6所需的2.5V和3.3V電壓由外部5V電源通過電源電路獲得；控制面板由指撥開關(guān)和按鈕構(gòu)成，指撥開關(guān)用來控制數(shù)碼管的顯示，按鈕用來向FPGA輸入設(shè)定溫度；為避免驅(qū)動(dòng)電路對(duì)控制電路的干擾，采用1MHz的高速光耦6N137進(jìn)行隔離，控制對(duì)象的加熱功率由驅(qū)動(dòng)電路中的56V電源提供，DS18B20為高精度數(shù)字溫度傳感器。

DS18B20提供9～12位精度的溫度測(cè)量；電源供電范圍是3.0V～5.5V；溫度測(cè)量范圍-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范圍內(nèi)，測(cè)量精度是±0.5℃；增量值最小可為0.062 5℃；將測(cè)量溫度轉(zhuǎn)換為12bit的數(shù)字量最大需750ms。

4 基于FPGA的溫度測(cè)控部件設(shè)計(jì)

基于FPGA的溫度測(cè)控部件功能框圖如圖3所示。指定溫度通過外部的兩個(gè)按鈕式按鍵輸入，對(duì)這兩個(gè)按鍵進(jìn)行了彈跳消除處理，指撥電平開關(guān)Set用來對(duì)溫度設(shè)置進(jìn)行控制，而Show_set是溫度顯示選擇開關(guān)。系統(tǒng)時(shí)鐘由外部20MHz的石英晶振提供，經(jīng)過分頻處理得到500kHz占空比為50%的信號(hào)和500Hz占空比在0～40%可調(diào)的調(diào)制信號(hào)，同時(shí)為DS18B20提供同步信號(hào)。指定溫度和經(jīng)DS18B20測(cè)量得到的實(shí)際溫度經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成4位十進(jìn)制數(shù)以后，通過數(shù)碼管顯示其數(shù)值。根據(jù)指定溫度和實(shí)際溫度，由控制算法得到相應(yīng)占空比的兩路帶死區(qū)的互補(bǔ)調(diào)制信號(hào)。500kHz信號(hào)經(jīng)調(diào)制信號(hào)調(diào)制后，經(jīng)過光耦隔離電路和驅(qū)動(dòng)電路，最后加到工作電容上。

4.1 溫度設(shè)置子模塊

因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)有效的溫度范圍是30℃～45℃，所以設(shè)定的最低溫度為30℃，最高溫度為45℃。也即溫度設(shè)置范圍是30.00℃～45.00℃。為了與測(cè)量溫度一致，設(shè)定溫度也用二進(jìn)制數(shù)來表示：低四位為小數(shù)部分，高六位為整數(shù)部分，起始設(shè)置溫度為“0111100000”即30.00℃。通過面板上的兩個(gè)單脈沖按鈕（rise和down）和一個(gè)選擇位開關(guān)（set）來設(shè)定溫度。 Rise用來增加溫度，Down用來減小溫度，每按一次都是增加或減小一個(gè)十進(jìn)制數(shù)。Set用來選擇設(shè)定的溫度是整數(shù)部分還是小數(shù)部分，當(dāng)Set=1時(shí)，設(shè)置整數(shù)部分，Set=0時(shí)，設(shè)置小數(shù)部分。

4.2 按鍵彈跳消除子模塊

一般按鍵的彈跳現(xiàn)象，雖然只是按下按鍵一次然后放掉，結(jié)果在按鍵信號(hào)穩(wěn)定前后，會(huì)出現(xiàn)一些不該存在的噪聲，如果將這樣的信號(hào)直接輸入至計(jì)數(shù)器電路，將可能發(fā)生計(jì)數(shù)超過一次以上的錯(cuò)誤。所以設(shè)計(jì)了彈跳消除電路，以避免這種情況。

本模塊有3個(gè)端口：按鍵輸入key_press、時(shí)鐘脈沖信號(hào)輸入clk100和一個(gè)時(shí)鐘脈沖周期寬度的單脈沖輸出信號(hào)singal_pulse，本電路由兩部分組成。

4.2.1 電路上半部分消抖電路

key_press信號(hào)經(jīng)過兩級(jí)D觸發(fā)器延時(shí)成立后，再用RS觸發(fā)器進(jìn)行處理。

假設(shè)一般人的按鍵速度是10次/s，亦即按鍵時(shí)間是100ms，所以按下的時(shí)間可估算為50ms。如果取樣信號(hào)clk_div頻率為10ms（100Hz）則可取樣5次。對(duì)于不穩(wěn)定的噪聲在5ms以下，至少可以取樣一次。RS觸發(fā)器前接上與非門后，則RS的組態(tài)為：（1）S=0，R=0，plus=不變；（2）S=1，R=0，plus=1；（3）S=0，R=1，plus=0，即必須抽樣到兩次1（認(rèn)為是穩(wěn)定的按下按鍵）才會(huì)輸出1，兩次0（認(rèn)為已是穩(wěn)定的放掉按鍵）才會(huì)輸出0。該部分電路已經(jīng)可以完成消抖的功能。

4.2.2 下半部分微分電路

為了避免因信號(hào)的長(zhǎng)度不同而使計(jì)數(shù)器產(chǎn)生錯(cuò)誤，在上半部分電路再接一級(jí)微分電路，然后才接至計(jì)數(shù)器電路。

電路的仿真如圖4所示，從plus波形可以發(fā)現(xiàn)，由外部輸入類似按鍵的key_press信號(hào)前后噪聲都被消除掉了；而且再經(jīng)過一次微分后，輸出信號(hào)single_pulse的寬度也只有一個(gè)時(shí)鐘脈沖周期了。

5 控制算法的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，控制算法是由系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型確定的。在本文中，被控制對(duì)象是患者的體內(nèi)溫度，由于每個(gè)患者的情況各不相同，因此，對(duì)于這樣的不確定對(duì)象建立確定的數(shù)學(xué)模型是很困難的。所以本熱療系統(tǒng)采用了模糊控制作為系統(tǒng)的控制算法。

模糊控制系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，它以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式的知識(shí)表示和邏輯規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有反饋通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)，它的組成核心是具有智能性的模糊控制器。在本設(shè)計(jì)中，采用以溫度偏差作為輸入，以500Hz調(diào)制信號(hào)（pwm波）的占空比數(shù)為輸出量的一維模糊控制器結(jié)構(gòu)。

pwm波生成子模塊的輸入信號(hào)為pwm占空比控制信號(hào)（ctrl）和10kHz的輸入時(shí)鐘（clk），輸出為兩路pwm波。兩路調(diào)制方波信號(hào)pwm1和pwm2的關(guān)系如圖5所示（此處占空比為40%），它們幾何對(duì)稱，且為避免功率放大電路MOS管的全部導(dǎo)通，它們之間有一定的死區(qū)（調(diào)制信號(hào)的占空比最大為40%）。因?yàn)檎伎毡鹊木仁?%，所以可用10kHz的方波信號(hào)再20分頻得到。

由于篇幅的限制，無法對(duì)所有模塊進(jìn)行介紹，本設(shè)計(jì)的所有模塊都進(jìn)行了仿真驗(yàn)證并最終下載到Altera的Cyclone系列FPGA芯片EP1C6中，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了整體調(diào)式并獲通過。

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)使用了高精度數(shù)字溫度傳感器DS18B20和可編程邏輯器件FPGA來實(shí)現(xiàn)熱療溫度場(chǎng)測(cè)溫和控溫的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含了溫度設(shè)置、溫度顯示、控制算法、FPGA芯片的配置等。該系統(tǒng)的療效有待實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證。

［1］Samir Palnitkar Verilog HDL. A Guide to Digital Design and Synthesis Second Edition.

［2］王金明.數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Verilog HDL[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［3］李運(yùn)智，唐露新.熱療中測(cè)控溫技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程，2008，（03）：315-319.

［4］邵汛帆，張珊文．腫瘤全身熱療的臨床進(jìn)展[J]．國(guó)際腫瘤學(xué)雜志，2005（12）：915-917.

［5］張曉蘭，郭冰菁，朱堅(jiān)民，等.基于Mcu和cPLD的熱溫度模糊控制系統(tǒng)[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，28（4）：24-27.