張思遠(yuǎn),王 迪,白 璐,韓醒之

（吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，長(zhǎng)春,130026）

0 引言

據(jù)報(bào)道2000年我國(guó)惡性腫瘤發(fā)病人數(shù)為180～200萬(wàn)，死亡人數(shù)為140～150萬(wàn)，總死亡人數(shù)中死于惡性腫瘤者約占20%，且在過去30年，我國(guó)惡性腫瘤死亡率呈明顯上升趨勢(shì)。惡性腫瘤或?qū)⒊蔀?1世紀(jì)人類的第一殺手，已構(gòu)成對(duì)公共衛(wèi)生的巨大挑戰(zhàn)。

腫瘤熱療是一種利用熱的生物效應(yīng)來(lái)治療腫瘤的醫(yī)學(xué)手段，通過物理的手段，對(duì)腫瘤進(jìn)行加熱使其被誘導(dǎo)凋亡或者直接熱消融原位滅活。這種方法利用各種物理能量（如微波、射頻和超聲波等）在人體組織中沉積所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，使組織穩(wěn)定上升到有效治療溫度區(qū)域（41℃～45℃），并維持一定時(shí)間以達(dá)到殺死癌細(xì)胞又不損傷正常組織目的的一種治療方法。它具有安全可靠、操作簡(jiǎn)單、術(shù)后恢復(fù)快的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)表明，在42℃區(qū)域，溫度相差1℃就可以引起細(xì)胞存活率的成倍變化。因此，熱療中溫度精確控制具有十分重要的意義。

實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確控制的前提條件是準(zhǔn)確的測(cè)量加熱部位的溫度，常用的溫度測(cè)量方式是有創(chuàng)測(cè)溫，即利用探針在影像導(dǎo)引下（一般是超聲或CT引導(dǎo)下）將溫度敏感元件（熱敏電阻、熱電偶等）植入組織預(yù)定部位直接讀取溫度，對(duì)患者有一定的傷害。無(wú)創(chuàng)測(cè)溫克服了上述缺點(diǎn)，且具有溫度參數(shù)的讀取受組織結(jié)構(gòu)的影響小等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)采用了紅外溫度傳感器MLX90615實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的非接觸測(cè)量。PID 適用于需要進(jìn)行高精度測(cè)量控制的系統(tǒng)，將測(cè)量的溫度值和預(yù)先設(shè)定的溫度值輸入到PID調(diào)節(jié)單元，可自動(dòng)演算出PWM波的占空比。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)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方式。500kHz的射頻信號(hào)與占空比可調(diào)的PWM波調(diào)制后作為輸出信號(hào)控制全橋逆變電路，全橋電路與加熱極板相接。硬件電路主要包括紅外溫度測(cè)量電路、MSP430控制器、調(diào)制電路、驅(qū)動(dòng)電路、全橋斬波電路、電源系統(tǒng)控制鍵盤和液晶顯示單元.

1.1 紅外測(cè)溫設(shè)計(jì)

MLX90615是高精度紅外溫度傳感器，通過I2C總線輸出溫度值，分辨率為0.02℃，測(cè)量溫度范圍為-40℃～85℃，滿足射頻熱療的溫度測(cè)量要求。

1.2 與門調(diào)制

射頻加熱的信號(hào)為500kHz的方波，將MSP430輸出的PWM波與射頻方波用74F08相與，輸出的調(diào)制波形作為全橋逆變的控制信號(hào)。

1.3 光耦隔離和電路驅(qū)動(dòng)

為了保護(hù)數(shù)字電路不受具有較高電壓的全橋逆變部分的影響，選用光耦合6N137進(jìn)行隔離。射頻加熱的電磁波頻率較高，為了保證驅(qū)動(dòng)信號(hào)不受MOS管的輸入寄生電容的影響，采用了乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器。SIG1和SIG2為調(diào)制信號(hào)。

1.4 全橋逆變電路

逆變電路是用開關(guān)管將直流電壓變?yōu)榻涣麟妷旱碾娐?，采用全橋結(jié)構(gòu)。電路如圖4所示。直流電壓為56V，由外部的開關(guān)電源提供。MOS管選用IRF640，S1和S2接加熱極板。當(dāng)M1和M4導(dǎo)通時(shí)，M2和M3截止，電流由M1流向M4；當(dāng)M2和M3導(dǎo)通時(shí)，M1和M4截止，電流由M2流向M3。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 紅外測(cè)溫程序設(shè)計(jì)

MLX90615溫度計(jì)算公式為：

通過I2C總線讀出MLX90615 RAM中地址為0x07的16位數(shù)據(jù)，使用公式(1)即可算的溫度值，主程序如下：

MLX90615_init();//初始化I2C總線電平

SlaveAddress=0x00＜＜1;

//設(shè)置MLX90615器件地址為0x00

command= 0x20| 0x07;

//設(shè)置讀命令(0x20)和讀地址(0x07)

data=MemRead(SlaveAddress,command);

//讀取16位值

float temp=（float）data*2-27315/100;

//溫度轉(zhuǎn)換

2.2 MSP430 PWM程序設(shè)計(jì)

MSP430F149具有一個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，擁有3個(gè)捕捉/比較寄存器，可以提供占空比精確的PWM輸出。寄存器設(shè)置程序如下：

TACCR0=10000;

//設(shè)置PWM輸出頻率為800Hz TACCTL1=OUTMOD2; TACCTL2=OUTMOD2;

//設(shè)置輸出模式為觸發(fā)/復(fù)位TACTL|=TASSEL1+MC0+MC1;

//設(shè)置時(shí)鐘源8M和加減模式

TACCR1=duty1; //設(shè)置SIG1的占空比

TACCR2=10000-duty;

2.3 PID算法設(shè)計(jì)

數(shù)字PID具有調(diào)整方便，易于實(shí)現(xiàn)，控制精確等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域。離散PID的表達(dá)式為：

式中，u0為控制量的初始值，u(k)為控制輸出量控制；Kp為比例放大系數(shù)，Ki為積分放大系數(shù)Kd為微分放大系數(shù)。

在本系統(tǒng)中，u0為初始化占空比控制量，e(i)第i次測(cè)量的溫度值與設(shè)定溫度值的差，u(k)為第k次PWM占空比的控制量，最大值為5000。PID程序如下：

float e_last=25.0;

float e_sum=0;

Kp=100;K i=16;Kd=10;

float e=temp- last_temp;

e_sum+=temp;

int u=(int)(Kp*e+Ki*e_sum+Kd*(e-e_last) +u0); //計(jì)算占空比

if(u＞=5000) u=4900;

//防止占空比超過50%，燒壞全橋電路

last_temp= temp;

e_last=e;

3 性能測(cè)試與結(jié)果分析

為了測(cè)試所設(shè)計(jì)的射頻熱療系統(tǒng)測(cè)量與控制系統(tǒng)的性能，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)：

在室溫條件下（25℃），取豬精瘦肉為加熱對(duì)象，將鋁質(zhì)極板加在豬肉的兩側(cè)，加熱極板的面積為10cm×10cm。在距離豬肉的中心上方5cm處放置紅外溫度傳感器MLX90615測(cè)量實(shí)時(shí)加熱溫度。分別設(shè)置溫度為42℃和44℃，使用本文研制的射頻熱療系統(tǒng)對(duì)豬肉進(jìn)行加熱，每隔30秒鐘記錄顯示的溫度值。

從結(jié)果可以看出在4min時(shí)溫度達(dá)到了設(shè)定值，但溫度會(huì)繼續(xù)上升，超過設(shè)定值，經(jīng)過2min左右的調(diào)整后穩(wěn)定在設(shè)定值。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)述了射頻熱療的基本原理，設(shè)計(jì)了一種高精度非接觸紅外溫度測(cè)量電路，采用PID算法對(duì)加熱溫度進(jìn)行閉環(huán)控制，通過設(shè)定PWM的占空比改變加熱的功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確控制。最后，使用從測(cè)試結(jié)果可以看出，所設(shè)計(jì)的射頻熱療系統(tǒng)滿足熱療要求。為了達(dá)到更好的溫度場(chǎng)控制效果，用使用多個(gè)紅外溫度傳感器測(cè)量溫度，并進(jìn)一步優(yōu)化控制算法。

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