廖志遠等

摘要 高強度聚焦超聲（HIFU）治療腫瘤是目前臨床治療的一種有效方法，治療過程中組織內(nèi)的溫度控制十分重要.本文針對HIFU治療過程中用時過長、超調(diào)、振蕩等特性及控制延時的問題，提出了一種模糊控制方法以優(yōu)化系統(tǒng)的控制性能.該方法采用Mamdani推理型模糊控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制器，依據(jù)模糊控制規(guī)則控制凹球面換能器的輸出聲功率，實現(xiàn)對治療區(qū)溫度的精確控制.Matlab仿真結(jié)果表明，模糊控制的引入有效地縮短了治療時間，避免了超調(diào)和振蕩現(xiàn)象，且在聲源參數(shù)不同的條件下均能獲得理想的控制效果.該方法相對PID控制具有明顯的優(yōu)勢，對提高HIFU療效有重要意義.

關(guān)鍵詞 凹球面換能器；熱療；模糊控制；PID控制；超聲聚焦；溫度

中圖分類號 TP273⁺.4 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1000-2537（2014）01-0048-05

高強度聚焦超聲（HIFU）治療是目前國際超聲治療學(xué)領(lǐng)域中的一個研究熱點，其原理是以超聲波為能量載體，通過超聲波對人體組織形成熱效應(yīng)、機械效應(yīng)、空化效應(yīng)，達到治療或康復(fù)的目的，其最大的優(yōu)勢在于消除病灶的同時，盡可能不損傷周圍正常組織，從而達到無創(chuàng)治療[1].臨床應(yīng)用中，準(zhǔn)確的聚焦、焦域的溫度和超聲輻照時間的控制相當(dāng)重要，本文以凹球面自聚焦換能器為例，根據(jù)BHTE模型[25]，運用Matlab模糊控制進行仿真實驗，得出不同條件下，模糊控制在凹球面自聚焦換能器溫度場控制效果.由于HIFU治療溫度控制具有單向性，即只控制升溫，降溫靠自然冷卻，且組織特性參數(shù)具有時變性，本文運用模糊合成推理方法設(shè)計模糊控制器，并在此基礎(chǔ)上進行控制器的自調(diào)整算法設(shè)計，以提高系統(tǒng)控制精度.

4結(jié)束語

本文依據(jù)差分法求解Pennes生物傳熱方程，運用Matlab仿真分析了不同條件下模糊控制方法對凹球面自聚焦換能器加熱的控制效果.仿真結(jié)果表明：聲源初始聲壓越大，靶區(qū)達到目標(biāo)溫度所需要的時間越短；通過對比不同頻率換能器仿真結(jié)果，可知該控制器能控制不同頻率換能器輸出使靶區(qū)達到目標(biāo)溫度；對比PID控制和模糊控制，可知模糊控制能有效縮短治療時間，避免超調(diào)和振蕩.

參考文獻：

[1]錢盛友，刑達，孫福成，等.熱療用聚焦超聲換能器的研究[J].應(yīng)用聲學(xué)， 2000，19（3）：223.

[2]尹昌，劉曉宙，龔秀芬，等.超聲引起的雙層生物組織中的溫度場研究[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)， 2009，28（1）：4247.

[3]毛彥欣，程建政，張德俊，等.凹球面HIFU換能器聲焦域的位置和形狀[J]. 中國超聲醫(yī)學(xué)雜志， 2004，20（7）：558560.

[4]DHIRAJ A， DANIEL C， TRENT P. Thermal dose control of ultrasound therapies using MR thermometry images： an invitro phantom study[C].American Control Conference， Porland， Oregon， America， 2005：405410.

[5]LU M Z， WAN M X， XU F， et al. Focused beam control for ultrasound surgery with sphericalsection phased array： sound field calculation and genetic optimization algorithm[J]. IEEE Trans Ultrason Ferroelect Freq Contr，2005，52（8）：12701290.

[6]胡繼文，錢盛友.偽逆算法的改進及其用于相控陣激發(fā)聲場的控制[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報， 2010，22（5）：11111116.

[7]孫武軍，張彌左，李文龍，等.高強度聚焦超聲換能器溫度場的數(shù)值仿真[J].生物物理學(xué)報， 2009，25（5）：366371.

[8]MATTI M， TOMI H， JARI P K. Thermal dose optimization method for ultrasound surgery[J]. Phys Med Biol， 2003，48（3）：745762.

[9]丁亞軍，錢盛友，胡繼文，等. 凹球面換能器在多層生物組織中的溫度場仿真 [J].計算機工程與應(yīng)用， 2011，47（36）：242244.

[10]李祖欣.MATLAB 在模糊控制系統(tǒng)設(shè)計和仿真的應(yīng)用[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報， 2003，15（1）：132134.

[11]張德豐.MATLAB模糊系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社， 2009.

[12]黃衛(wèi)華，方康玲.模糊控制系統(tǒng)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2012.

（編輯陳笑梅）

摘要 高強度聚焦超聲（HIFU）治療腫瘤是目前臨床治療的一種有效方法，治療過程中組織內(nèi)的溫度控制十分重要.本文針對HIFU治療過程中用時過長、超調(diào)、振蕩等特性及控制延時的問題，提出了一種模糊控制方法以優(yōu)化系統(tǒng)的控制性能.該方法采用Mamdani推理型模糊控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制器，依據(jù)模糊控制規(guī)則控制凹球面換能器的輸出聲功率，實現(xiàn)對治療區(qū)溫度的精確控制.Matlab仿真結(jié)果表明，模糊控制的引入有效地縮短了治療時間，避免了超調(diào)和振蕩現(xiàn)象，且在聲源參數(shù)不同的條件下均能獲得理想的控制效果.該方法相對PID控制具有明顯的優(yōu)勢，對提高HIFU療效有重要意義.

關(guān)鍵詞 凹球面換能器；熱療；模糊控制；PID控制；超聲聚焦；溫度

中圖分類號 TP273⁺.4 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1000-2537（2014）01-0048-05

高強度聚焦超聲（HIFU）治療是目前國際超聲治療學(xué)領(lǐng)域中的一個研究熱點，其原理是以超聲波為能量載體，通過超聲波對人體組織形成熱效應(yīng)、機械效應(yīng)、空化效應(yīng)，達到治療或康復(fù)的目的，其最大的優(yōu)勢在于消除病灶的同時，盡可能不損傷周圍正常組織，從而達到無創(chuàng)治療[1].臨床應(yīng)用中，準(zhǔn)確的聚焦、焦域的溫度和超聲輻照時間的控制相當(dāng)重要，本文以凹球面自聚焦換能器為例，根據(jù)BHTE模型[25]，運用Matlab模糊控制進行仿真實驗，得出不同條件下，模糊控制在凹球面自聚焦換能器溫度場控制效果.由于HIFU治療溫度控制具有單向性，即只控制升溫，降溫靠自然冷卻，且組織特性參數(shù)具有時變性，本文運用模糊合成推理方法設(shè)計模糊控制器，并在此基礎(chǔ)上進行控制器的自調(diào)整算法設(shè)計，以提高系統(tǒng)控制精度.

4結(jié)束語

本文依據(jù)差分法求解Pennes生物傳熱方程，運用Matlab仿真分析了不同條件下模糊控制方法對凹球面自聚焦換能器加熱的控制效果.仿真結(jié)果表明：聲源初始聲壓越大，靶區(qū)達到目標(biāo)溫度所需要的時間越短；通過對比不同頻率換能器仿真結(jié)果，可知該控制器能控制不同頻率換能器輸出使靶區(qū)達到目標(biāo)溫度；對比PID控制和模糊控制，可知模糊控制能有效縮短治療時間，避免超調(diào)和振蕩.

參考文獻：

[1]錢盛友，刑達，孫福成，等.熱療用聚焦超聲換能器的研究[J].應(yīng)用聲學(xué)， 2000，19（3）：223.

[2]尹昌，劉曉宙，龔秀芬，等.超聲引起的雙層生物組織中的溫度場研究[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)， 2009，28（1）：4247.

[3]毛彥欣，程建政，張德俊，等.凹球面HIFU換能器聲焦域的位置和形狀[J]. 中國超聲醫(yī)學(xué)雜志， 2004，20（7）：558560.

[4]DHIRAJ A， DANIEL C， TRENT P. Thermal dose control of ultrasound therapies using MR thermometry images： an invitro phantom study[C].American Control Conference， Porland， Oregon， America， 2005：405410.

[5]LU M Z， WAN M X， XU F， et al. Focused beam control for ultrasound surgery with sphericalsection phased array： sound field calculation and genetic optimization algorithm[J]. IEEE Trans Ultrason Ferroelect Freq Contr，2005，52（8）：12701290.

[6]胡繼文，錢盛友.偽逆算法的改進及其用于相控陣激發(fā)聲場的控制[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報， 2010，22（5）：11111116.

[7]孫武軍，張彌左，李文龍，等.高強度聚焦超聲換能器溫度場的數(shù)值仿真[J].生物物理學(xué)報， 2009，25（5）：366371.

[8]MATTI M， TOMI H， JARI P K. Thermal dose optimization method for ultrasound surgery[J]. Phys Med Biol， 2003，48（3）：745762.

[9]丁亞軍，錢盛友，胡繼文，等. 凹球面換能器在多層生物組織中的溫度場仿真 [J].計算機工程與應(yīng)用， 2011，47（36）：242244.

[10]李祖欣.MATLAB 在模糊控制系統(tǒng)設(shè)計和仿真的應(yīng)用[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報， 2003，15（1）：132134.

[11]張德豐.MATLAB模糊系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社， 2009.

[12]黃衛(wèi)華，方康玲.模糊控制系統(tǒng)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2012.

（編輯陳笑梅）

摘要 高強度聚焦超聲（HIFU）治療腫瘤是目前臨床治療的一種有效方法，治療過程中組織內(nèi)的溫度控制十分重要.本文針對HIFU治療過程中用時過長、超調(diào)、振蕩等特性及控制延時的問題，提出了一種模糊控制方法以優(yōu)化系統(tǒng)的控制性能.該方法采用Mamdani推理型模糊控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制器，依據(jù)模糊控制規(guī)則控制凹球面換能器的輸出聲功率，實現(xiàn)對治療區(qū)溫度的精確控制.Matlab仿真結(jié)果表明，模糊控制的引入有效地縮短了治療時間，避免了超調(diào)和振蕩現(xiàn)象，且在聲源參數(shù)不同的條件下均能獲得理想的控制效果.該方法相對PID控制具有明顯的優(yōu)勢，對提高HIFU療效有重要意義.

關(guān)鍵詞 凹球面換能器；熱療；模糊控制；PID控制；超聲聚焦；溫度

中圖分類號 TP273⁺.4 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1000-2537（2014）01-0048-05

高強度聚焦超聲（HIFU）治療是目前國際超聲治療學(xué)領(lǐng)域中的一個研究熱點，其原理是以超聲波為能量載體，通過超聲波對人體組織形成熱效應(yīng)、機械效應(yīng)、空化效應(yīng)，達到治療或康復(fù)的目的，其最大的優(yōu)勢在于消除病灶的同時，盡可能不損傷周圍正常組織，從而達到無創(chuàng)治療[1].臨床應(yīng)用中，準(zhǔn)確的聚焦、焦域的溫度和超聲輻照時間的控制相當(dāng)重要，本文以凹球面自聚焦換能器為例，根據(jù)BHTE模型[25]，運用Matlab模糊控制進行仿真實驗，得出不同條件下，模糊控制在凹球面自聚焦換能器溫度場控制效果.由于HIFU治療溫度控制具有單向性，即只控制升溫，降溫靠自然冷卻，且組織特性參數(shù)具有時變性，本文運用模糊合成推理方法設(shè)計模糊控制器，并在此基礎(chǔ)上進行控制器的自調(diào)整算法設(shè)計，以提高系統(tǒng)控制精度.

4結(jié)束語

本文依據(jù)差分法求解Pennes生物傳熱方程，運用Matlab仿真分析了不同條件下模糊控制方法對凹球面自聚焦換能器加熱的控制效果.仿真結(jié)果表明：聲源初始聲壓越大，靶區(qū)達到目標(biāo)溫度所需要的時間越短；通過對比不同頻率換能器仿真結(jié)果，可知該控制器能控制不同頻率換能器輸出使靶區(qū)達到目標(biāo)溫度；對比PID控制和模糊控制，可知模糊控制能有效縮短治療時間，避免超調(diào)和振蕩.

參考文獻：

[1]錢盛友，刑達，孫福成，等.熱療用聚焦超聲換能器的研究[J].應(yīng)用聲學(xué)， 2000，19（3）：223.

[2]尹昌，劉曉宙，龔秀芬，等.超聲引起的雙層生物組織中的溫度場研究[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)， 2009，28（1）：4247.

[3]毛彥欣，程建政，張德俊，等.凹球面HIFU換能器聲焦域的位置和形狀[J]. 中國超聲醫(yī)學(xué)雜志， 2004，20（7）：558560.

[4]DHIRAJ A， DANIEL C， TRENT P. Thermal dose control of ultrasound therapies using MR thermometry images： an invitro phantom study[C].American Control Conference， Porland， Oregon， America， 2005：405410.

[5]LU M Z， WAN M X， XU F， et al. Focused beam control for ultrasound surgery with sphericalsection phased array： sound field calculation and genetic optimization algorithm[J]. IEEE Trans Ultrason Ferroelect Freq Contr，2005，52（8）：12701290.

[6]胡繼文，錢盛友.偽逆算法的改進及其用于相控陣激發(fā)聲場的控制[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報， 2010，22（5）：11111116.

[7]孫武軍，張彌左，李文龍，等.高強度聚焦超聲換能器溫度場的數(shù)值仿真[J].生物物理學(xué)報， 2009，25（5）：366371.

[8]MATTI M， TOMI H， JARI P K. Thermal dose optimization method for ultrasound surgery[J]. Phys Med Biol， 2003，48（3）：745762.

[9]丁亞軍，錢盛友，胡繼文，等. 凹球面換能器在多層生物組織中的溫度場仿真 [J].計算機工程與應(yīng)用， 2011，47（36）：242244.

[10]李祖欣.MATLAB 在模糊控制系統(tǒng)設(shè)計和仿真的應(yīng)用[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報， 2003，15（1）：132134.

[11]張德豐.MATLAB模糊系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社， 2009.

[12]黃衛(wèi)華，方康玲.模糊控制系統(tǒng)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2012.

（編輯陳笑梅）