楊新華 ，李潤春 ，王 鵬

(1.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050；2.蘭州瑞德實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司 瑞德高科，甘肅 蘭州730000)

腫瘤熱療采用加熱方法治療腫瘤，精確而言，這種治療方法是一種利用各種物理量（如微波、射頻和超聲波）在人體組織中沉淀所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，使組織溫度上升至有效治療溫度區(qū)域(41℃以上)，并維持一定的時(shí)間以達(dá)到既殺滅癌細(xì)胞又不損傷正常組織為目的的治療方法。它是繼手術(shù)、放療、化療和免疫治療后的第5種治療手段，尤其對(duì)局部腫瘤的控制作用往往是其他方法所無法比擬的[1]。

實(shí)驗(yàn)表明，在42℃區(qū)域，溫度差 1℃就可以引起細(xì)胞存活率的成倍變化，因此，熱療中的溫度測(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器件)存在非線性、參數(shù)不一致，器件更換時(shí)因放大器零漂問題而需對(duì)電路重新調(diào)試等問題。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)，這些以軟件方式控制操作和運(yùn)算的系統(tǒng)速度顯然無法與純硬件系統(tǒng)相比，且可靠性不高。

針對(duì)以上兩個(gè)問題，本文采用高精度數(shù)字溫度傳感器DS18B20與可編程邏輯器件FPGA實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量與控制。DS18B20是由單片集成電路構(gòu)成的單信號(hào)數(shù)字化溫度傳感器，突出優(yōu)點(diǎn)是可以將被測(cè)溫度直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸出。經(jīng)電橋電路獲取電壓模擬量，再經(jīng)信號(hào)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)，避免了傳統(tǒng)傳感器的互換性差的問題。尤其在多點(diǎn)溫度檢測(cè)場(chǎng)合，在解決各種誤差、可靠性和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化等方面，DS18B20與傳統(tǒng)溫度傳感器相比，有著無可比擬的優(yōu)越性。采用FPGA作為控制器，是由于它以純硬件實(shí)現(xiàn)控制，適應(yīng)溫度場(chǎng)高可靠性的要求。另外，還可以使系統(tǒng)的器件數(shù)目大大減少，具有設(shè)計(jì)靈活、現(xiàn)場(chǎng)可編程、調(diào)試簡(jiǎn)單和體積小等特點(diǎn)。

1 射頻熱療系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)腦膠質(zhì)瘤的生物組織特點(diǎn)，選用射頻信號(hào)作為加熱的物理能量，并采用二極板容性加熱的方式，系統(tǒng)框圖如圖1所示。射頻信號(hào)的頻率為0.5 MHz，經(jīng)過500 Hz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)溫度進(jìn)行測(cè)量，并且將實(shí)時(shí)數(shù)字測(cè)量值送回FPGA。FPGA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500 Hz調(diào)制信號(hào)的占空比來控制。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 硬件整體結(jié)構(gòu)

硬件電路主要包括 FPGA及其配置電路[2]、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電路，框圖如圖2所示。

本設(shè)計(jì)使用的FPGA芯片是Altera公司ACEX 1K系列的EP1K30TC144-3，并采用了Altera公司提供的專用配置芯片EPC2對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)配置；外部20 MHz的石英晶振為FPGA提供時(shí)鐘信號(hào)；ACEX 1K所需的2.5 V和3.3 V電壓由外部的5 V電源通過電源電路獲得；控制面板由撥碼開關(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1 MHz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56 V電源提供。

2.2 高精度數(shù)字溫度傳感器DS18B20

本設(shè)計(jì)采用的溫度傳感器是Dallas公司的1-Wire系列[3]高精度數(shù)字溫度傳感器DS18B20。1-Wire單總線是Dallas的一項(xiàng)專有技術(shù)，它采用單根信號(hào)線既傳輸時(shí)鐘又傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的。具有節(jié)省I/O口線資源、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，1-Wire單總線適用于單個(gè)主機(jī)系統(tǒng)，能控制一個(gè)或多個(gè)從機(jī)設(shè)備。

DS18B20提供9～12位精度的溫度測(cè)量；電源供電范圍是3.0 V～5.5 V；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12 bit的數(shù)字量最大需要750 ms。DS18B20可采用信號(hào)線寄生供電，不需額外的外部供電電壓。每個(gè)DS18B20有唯一的64 bit的序列號(hào)，這使得多個(gè)DS18B20可以在單一總線上工作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

全部軟件功能在Quartus II軟件平臺(tái)上使用混合編程的方法設(shè)計(jì)。功能框圖如圖3所示。指定溫度[4]通過外部的兩個(gè)按鈕式按鍵輸入，在FPGA內(nèi)部對(duì)這兩個(gè)按鍵進(jìn)行彈跳消除處理，因此完全可以用來計(jì)數(shù)。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是溫度顯示開關(guān)。系統(tǒng)時(shí)鐘由外部的20 MHz的石英晶振提供，經(jīng)過分頻處理得到500 kHz、占空比為50%的射頻信號(hào)和 500 Hz、占空比 0～40%可調(diào)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)。射頻信號(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。

3.1 控制算法的選擇和設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，控制算法由系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型確定。在本系統(tǒng)中，被控對(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(如腫瘤所在的人體部位、腫瘤大小和患者本身的高矮胖瘦無不是影響受熱溫度的因素)，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。因此，本熱療系統(tǒng)采用了模糊控制作為系統(tǒng)的控制算法。

3.2 射頻熱療模糊控制器的設(shè)計(jì)

理論上講，模糊控制系統(tǒng)所選用的模糊控制器維數(shù)越高，系統(tǒng)的控制精度也就越高。但是維數(shù)越高，模糊控制規(guī)律也越復(fù)雜，基于模糊合成推理的控制算法的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)也就越困難。權(quán)衡精度要求與復(fù)雜度兩方面因素后，在射頻熱療溫度控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了兩種控制方案[5]：第一種采用以溫度偏差作為輸入，以 500 Hz調(diào)制信號(hào)（PWM波）的占空比數(shù)為輸出的一維模糊控制器結(jié)構(gòu)；第二種采用以溫度偏差及溫度偏差變化率作為輸入、以500 Hz調(diào)制信號(hào)的占空比數(shù)為輸出量的二維模糊控制器結(jié)構(gòu)。

3.2.1 單輸入、單輸出的一維模糊控制器

設(shè)溫度偏差 error=設(shè)定溫度T0-測(cè)量溫度Tt，它和輸出控制量即占空比數(shù)ratio的論域分別為E和R，因?yàn)樵O(shè)定溫度的范圍為40℃～45℃，測(cè)量溫度范圍為25℃～45℃，假設(shè)超調(diào)溫度不超過 5℃，那么 error的基本論域?yàn)閇-5℃，+20℃]；R 的基本論域?yàn)閇0，40%]。將 E分成 7個(gè)模糊子集，將R分成6個(gè)擋，采用IF E then R的模糊控制規(guī)則，即可得到相應(yīng)的模糊控制規(guī)則表。

3.2.2 雙輸入、單輸出的二維模糊控制器

其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，輸入信號(hào)分別是溫度偏差和溫度偏差率，輸出信號(hào)是500 Hz PWM波的占空比數(shù)。設(shè)溫度偏差error=設(shè)定溫度T0-測(cè)量溫度Tt，而溫度偏差率=（此刻測(cè)量溫度-上一時(shí)刻的測(cè)量溫度）/時(shí)間間隔。令時(shí)間間隔為1 s，所以用此刻測(cè)量溫度與上一時(shí)刻的測(cè)量溫度的差值即可衡量溫差變化的幅度。因此令溫度偏差變化率rate=此刻測(cè)量溫度(Tt)-上一時(shí)刻的測(cè)量溫度(Tt-1)。偏差error的基本論域取為[-5℃，+20℃]，定義error所在的模糊集的論域?yàn)镋，并將其劃分為10個(gè)模糊子集。rate的基本論域取為 [-0.25℃，+0.25℃]，定義rate所在的模糊集的論域?yàn)镽T，并將其劃分為9個(gè)模糊子集，將輸出量即占空比數(shù)ratio所在的模糊集的論域R也劃分為9個(gè)模糊子集。采用IF E and RT then R的模糊控制規(guī)則，即可得到相應(yīng)的模糊控制規(guī)則表。

4 溫度場(chǎng)測(cè)量與控制的實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的射頻熱療溫度場(chǎng)測(cè)量與控制系統(tǒng)的性能，設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)：

(1)在室溫條件下(25℃)，取豬精瘦肉為加工對(duì)象[6]，將鋁質(zhì)極板夾在豬肉兩側(cè)，并在豬肉的中心位置、距離中心位置4 cm處(記作邊緣)和表面各放置一個(gè)DS18B20測(cè)量實(shí)時(shí)加熱溫度。

(3)取三塊精豬肉(電導(dǎo)率為 σ=0.6 S/m)記作 A、B和 C，它們的體積分別為 10 cm×10 cm×5 cm(長×寬×高)、10 cm×9 cm×5 cm 和 8 cm×8 cm×4 cm；令功率電源電壓UDD=56 V，則可得到最大功率分別為242 W、215 W和193 W。兩個(gè)極板材料為鋁，面積為8 cm×8 cm。

(4)指定加熱溫度(40℃～45℃)對(duì)豬肉進(jìn)行加熱，每隔1 min分別記錄一次中心、邊緣和表面溫度。

(5)對(duì)兩種控制算法（一維和二維）分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 用一維模糊控制器作算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)一 加熱對(duì)象 A，指定溫度 40℃，記錄A中心和表面的加熱溫度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

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從結(jié)果可以看出，在第7 min時(shí)A的中心溫度超過指定的溫度40℃，但溫度仍繼續(xù)升高到40.7℃，此后溫度逐漸下降，在第12 min時(shí)，溫度穩(wěn)定下來，在 39.9℃和40.0℃之間振蕩。而A的表面溫度沒有隨著加熱而變化，一直是25℃。

實(shí)驗(yàn)二 加熱對(duì)象 A，指定溫度 41℃，記錄A中心和表面的加熱溫度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

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從結(jié)果可以看出，在第6 min多時(shí)A的中心溫度達(dá)到指定的溫度41℃，但溫度仍繼續(xù)上升并在第7 min時(shí)達(dá)到最高溫度42.1℃，此后溫度逐漸下降，在第 10 min降到極小值41.0℃。然后溫度升高，在第12 min時(shí)穩(wěn)定在41℃。表面溫度仍未發(fā)生變化,保持在25℃。

4.2.2 用二維模糊控制器作算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)三 加熱對(duì)象B，設(shè)定溫度分別為41℃、42℃、43℃、44℃和45℃。記錄B中心、邊緣和表面的加熱溫度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

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從結(jié)果可以看出，在指定溫度為41℃、42℃和43℃時(shí)，中心溫度有超調(diào)現(xiàn)象，但超調(diào)量很小，均在0.2℃內(nèi)。邊緣溫度隨著中心溫度的升高而上升，最高邊緣溫度是27.1℃（此時(shí)中心溫度為45.0℃），表面溫度沒有變化，仍為25℃。

實(shí)驗(yàn)四 加熱對(duì)象C，設(shè)定溫度分別為41℃、42℃、43℃、44℃和45℃。記錄C中心、邊緣和表面的加熱溫度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

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表4中，中心溫度超調(diào)最大時(shí)為0.5℃，且出現(xiàn)超調(diào)后，溫度下降的速度較快。邊緣溫度最高時(shí)為32.7℃。表面溫度沒有變化，仍為25℃。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

(1)超調(diào)問題。從一維控制算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二）可以看出，溫度超調(diào)量比較大，超出了1℃。而從二維控制算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（實(shí)驗(yàn)三和實(shí)驗(yàn)四）可以看出，溫度超調(diào)量比較小。均在0.5℃內(nèi)；

(2)從A、B和C加熱時(shí)的表面溫度和邊緣溫度可以得出以下結(jié)論：

①加熱過程中，A、B和C的表面溫度沒有發(fā)生變化，均為 25℃；②不同加熱溫度時(shí)，邊緣溫度不同，且邊緣溫度的變化與中心溫度的變化是一致的；③同一加熱溫度時(shí)，3個(gè)不同體積的對(duì)象邊緣溫度不同，這正反映了熱療溫度場(chǎng)的溫度分布是從中心向表面呈梯度分布的。

(3)實(shí)驗(yàn)過程中可能的影響因素：

①三塊豬肉的肉質(zhì)，如含水量等存在差異；②極板與介質(zhì)（豬肉）的接觸面緊密程度不一致，會(huì)引起電磁場(chǎng)阻抗的差異。

本文根據(jù)腦膠質(zhì)瘤的組織特點(diǎn)，選用射頻容性加熱的方法，并針對(duì)常規(guī)的溫度傳感器互換性差和控制方法不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了使用高精度數(shù)字溫度傳感器DS18B20和可編程邏輯器件FPGA來實(shí)現(xiàn)射頻熱療溫度場(chǎng)測(cè)溫和控溫的系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的射頻溫度場(chǎng)溫度測(cè)量與控制的方法滿足熱療要求。為達(dá)到更好的溫度場(chǎng)控制效果，本射頻熱療系統(tǒng)還應(yīng)加入四或六電極板的方法，以進(jìn)一步優(yōu)化控制算法。

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