成志新，孟輝，劉傳永，王大鵬，金振華，李博

（1.山東省藥學(xué)科學(xué)院，濟(jì)南250101；2.山東微感光電子有限公司，濟(jì)南250014）

1 引 言

近年來，采用射頻熱療的方法治療腫瘤，在臨床上取得了較好的效果。射頻消融是一種加熱治療腫瘤的微創(chuàng)治療技術(shù)，利用一定頻率的射頻加熱，使得腫瘤溫度短時間內(nèi)快速升高，腫瘤組織凝固性壞死[1]。

溫度的精確控制對于射頻消融療效至關(guān)重要，溫度達(dá)到50～65℃才能實(shí)現(xiàn)有效治療。溫度過低，達(dá)不到治療效果，導(dǎo)致癌細(xì)胞擴(kuò)散；溫度過高，會殺死正常細(xì)胞，甚至引起組織炭化，造成正常組織的不可逆損傷[2]。大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，腫瘤組織溫度和阻抗之間具有耦合性。治療過程中，隨著射頻能量的增加，組織溫度升高，腫瘤細(xì)胞熱凝固程度不斷加劇，病灶組織因水份減少而炭化，導(dǎo)致阻抗加大；組織阻抗增高過快時，為防止組織汽化結(jié)碳影響消融范圍，需要降低射頻能量，這樣也勢必導(dǎo)致組織溫度下降[3]。

現(xiàn)有的射頻消融設(shè)備一般采用獨(dú)立的溫度或阻抗控制方式，忽略了兩者的相互影響和耦合關(guān)系。我們將溫度和阻抗兩種監(jiān)測方法結(jié)合起來，通過對射頻輸出功率的智能控制，使治療過程中溫度和阻抗處于穩(wěn)定狀態(tài)，在最短時間內(nèi)得到最大范圍的腫瘤消融區(qū)。

人體組織在結(jié)構(gòu)、性質(zhì)上相差很大，治療過程中組織形態(tài)也不斷改變，很難建立較為精確的數(shù)學(xué)模型；而且生物組織導(dǎo)熱性能較弱，對溫度的控制屬于大遲滯系統(tǒng)，經(jīng)典的PID控制具有一定局限性[4]。由于在離體實(shí)驗(yàn)及臨床醫(yī)學(xué)中，積累了大量數(shù)據(jù)可以作為專家經(jīng)驗(yàn)庫，針對受控對象的復(fù)雜性與動態(tài)性，系統(tǒng)選用模糊控制算法對溫度和阻抗進(jìn)行控制[5]，確保對腫瘤病灶進(jìn)行均勻、平穩(wěn)的射頻加熱。

2 溫度及阻抗檢測

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

射頻消融系統(tǒng)由單片機(jī)控制器、射頻功率源、電極針、阻抗檢測、光纖光柵測溫等部分組成，總體結(jié)構(gòu)見圖1。

光纖光柵測溫及阻抗檢測作為監(jiān)測核心，實(shí)時測量腫瘤組織的溫度及阻抗變化，通過單片機(jī)控制系統(tǒng)的模糊控制器，對射頻輸出功率進(jìn)行控制，確保溫度和阻抗處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig 1 General structure of system

2.2 溫度測量

現(xiàn)有的射頻消融設(shè)備大多采用熱電阻、熱電偶測量溫度，但二者均為導(dǎo)體材料，且通過金屬導(dǎo)線傳輸信號，絕緣性能和抗電磁干擾能力較弱[6]。

光纖光柵溫度傳感器由非導(dǎo)電性的二氧化硅與聚酰亞胺等材料制成，具有體積小、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)[7]。光纖光柵溫度傳感器可以在不關(guān)閉射頻輸出的情況下，實(shí)時測量腫瘤組織溫度，加熱效率更高。

當(dāng)測量端的溫度改變時，光纖光柵反射光的中心波長漂移量與溫度變化呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，通過中心波長的漂移量便可以獲得測量點(diǎn)的溫度[8]。光纖光柵溫度傳感器測量溫度的重點(diǎn)是利用光纖光柵解調(diào)儀解調(diào)出中心波長，系統(tǒng)選用山東微感光電子開發(fā)的光纖光柵溫度傳感器和光纖光柵多點(diǎn)溫度解調(diào)儀測量組織溫度，測溫精度達(dá)到±0.3℃，滿足射頻消融系統(tǒng)的精度要求。

2.3 溫度測量

系統(tǒng)通過測量治療過程中人體組織的相對電壓和相對電流，經(jīng)過計(jì)算得到阻抗值。為避免大功率射頻信號對測量系統(tǒng)造成干擾，系統(tǒng)采用電阻采樣、互感器隔離的方式，將電壓、電流耦合至測量系統(tǒng)，該方式信號失真小、不損耗被測電路能量[9]。電壓、電流采樣電路見圖2。

圖2 電壓和電流采樣電路Fig 2 Voltage and current sampling circuit

系統(tǒng)測得的電壓和電流信號，經(jīng)過放大、濾波及A/D轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)，通過電壓、電流與阻抗的標(biāo)定關(guān)系式，得到人體組織的阻抗值。

3 單片機(jī)模糊控制器設(shè)計(jì)

溫度及阻抗控制是一種時變的復(fù)雜過程，為了在最短時間內(nèi)得到最大范圍的消融區(qū)，系統(tǒng)采用兩個階段對加溫過程進(jìn)行控制。第一階段主要是在閾值范圍之外，以設(shè)定的射頻輸出功率，確保組織溫度在短時間內(nèi)快速上升；第二個階段采用模糊控制的方法，確保溫度和阻抗平穩(wěn)可靠地接近目標(biāo)值[10]。溫度模糊控制范圍設(shè)定為溫度偏差值-4～4℃，阻抗模糊控制范圍設(shè)定為阻抗偏差值0～9Ω。

3.1 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

溫度和阻抗模糊控制器的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)理論知識和臨床醫(yī)學(xué)中獲得的實(shí)用數(shù)據(jù)，建立針對溫度和阻抗控制的模糊規(guī)則表，利用模糊工具使其定量化，轉(zhuǎn)化為模糊控制算法[11]。模糊控制器將實(shí)際測得的溫度值、阻抗值與目標(biāo)值進(jìn)行對比，根據(jù)偏差大小和偏差變化率，利用模糊控制算法得到相應(yīng)的控制輸出量，通過控制射頻輸出功率，將溫度和阻抗值維持在目標(biāo)值范圍內(nèi)。溫度和阻抗模糊控制系統(tǒng)的工作原理見圖3。

圖3 溫度和阻抗模糊控制系統(tǒng)Fig 3 Temperature and impedance fuzzy control system

模糊控制器的輸入變量包括：Te、△Te、Re、△Re。其中，Te、△Te分別為腫瘤組織處的溫度值與目標(biāo)值的偏差、偏差隨時間的變化率；Re、△Re分別為腫瘤組織處阻抗與目標(biāo)阻抗的偏差、偏差隨時間的變化率。

模糊控制器的輸出變量為射頻功率控制輸出U。經(jīng)過模糊推理，按規(guī)則調(diào)節(jié)輸出信號的占空比，改變射頻輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)對溫度和阻抗的調(diào)節(jié)。模糊控制器的核心是使系統(tǒng)輸出的動態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)特性最佳[5]，當(dāng)溫度、阻抗測量值與目標(biāo)值偏差較大時，控制輸出以盡快消除偏差為主；當(dāng)偏差較小時，控制輸出以保持系統(tǒng)穩(wěn)定、防止超調(diào)、避免振蕩為主。

3.2 溫度與阻抗模糊控制器設(shè)計(jì)

模糊控制系統(tǒng)中，將溫度偏差Te分為5個模糊子集，分別為負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中，簡化表示為TE=｛NM，NS，Z，PS，PM｝，TE的論域?yàn)椋海?4，-2，0，2，4｝。圖4為TE模糊子集的隸屬函數(shù)曲線，處于設(shè)定值附近的溫度值，通過隸屬函數(shù)找到相應(yīng)的隸屬度，將溫度偏差轉(zhuǎn)換為模糊量。

圖4 Te的隸屬函數(shù)Fig 4 Membership function for Te

同樣將溫度偏差變化率△Te分為5個模糊子集：TEC=｛NM，NS，Z，PS，PM｝，論域?yàn)椋海?1，-0.5，0，0.5，1｝，隸屬函數(shù)曲線見圖5。

圖5 △Te的隸屬函數(shù)Fig 5 Membership function for△Te

一旦阻抗值大于目標(biāo)值，人體組織將因凝血炭化而無法恢復(fù)正常，影響消融范圍和治療效果，因此，治療過程中阻抗值不允許大于目標(biāo)值。系統(tǒng)將阻抗偏差Re分為4個模糊子集：｛負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零｝，簡化表示為 RE=｛NB，NM，NS，Z｝，論域?yàn)椋海?9，-6，-3，0｝，隸屬函數(shù)曲線見圖6。

阻抗偏差變化率△Re劃分為5個模糊子集：REC=｛NM，NS，Z，PS，PM｝。REC的論域?yàn)椋海?6，-3，0，3，6｝，隸屬函數(shù)曲線見圖7。

控制器輸出狀態(tài)U分為7個模糊子集：｛負(fù)大2，負(fù)大1，負(fù)中2，負(fù)中1，負(fù)小2，負(fù)小1，零｝，簡化表示為 U=｛NB2，NB1，NM2，NM1，NS2，NS1，Z｝，各輸出狀態(tài)對應(yīng)不同占空比的射頻輸出信號，U的論域?yàn)椋海?.2，0.4，0.6，0.7，0.8，0.9，1｝。治療過程中，如果組織溫度與阻抗值均遠(yuǎn)低于目標(biāo)值，則采用較大占空比，以較大的輸出功率使溫度迅速上升，縮短治療時間；當(dāng)溫度或阻抗接近目標(biāo)值時，為了防止溫度上升過快或阻抗增加過快而產(chǎn)生大的振蕩，則采用較小占空比，降低輸出功率以保證溫度和阻抗處在正常范圍內(nèi)，提高治療效果。

圖6 Re的隸屬函數(shù)Fig 6 Membership function for Re

圖7 △Re的隸屬函數(shù)Fig 7 Membership function for△Re

3.3 模糊控制規(guī)則建立

模糊控制器有 TE、TEC、RE、REC四種輸入，各輸入量又分別有多種劃分，所以模糊規(guī)則集合一共由500（5×5×4×5）條模糊規(guī)則構(gòu)成，控制規(guī)則集結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量龐大，需要建立一個構(gòu)造合理的控制算法結(jié)構(gòu)，才能減少運(yùn)算時間，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運(yùn)行效率。

系統(tǒng)選用分層多規(guī)則集結(jié)構(gòu)的形式，將控制器分解成由多個簡單的規(guī)則集組成的分層結(jié)構(gòu)，減少模糊控制規(guī)則的維數(shù)，簡化模糊關(guān)系[12]。將溫度相關(guān)參數(shù)TE、TEC作為高層全局變量，將阻抗相關(guān)參數(shù)RE、REC作為低層局部變量，模糊控制器用下面的模糊條件語句描述：

高層（判別規(guī)則集 T）：if（TE=TEi and TEC=TECj），then｛控制規(guī)則為 R｝；

低層（控制規(guī)則集 R）：if（RE=REm and REC=RECn），then U=Uk。

以其中一層規(guī)則為例，可以描述為：

if（TE=NSand TEC=NM）

then｛if（RE=NM and REC=PS）then U=NM1；

if（RE=NM and REC=PM）then U=NM2；……｝

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)過程中，將新鮮離體豬肝放置于引導(dǎo)電極板上，射頻電極針插入豬肝主葉部位，設(shè)置治療溫度60℃，分別在模糊控制和PID控制兩種方式下監(jiān)測組織溫度。每間隔20 s對兩種控制方式下的組織溫度進(jìn)行一次采樣，分別得到40組溫度測量數(shù)據(jù)，見表1。

表1 模糊控制與PID控制作用下溫度數(shù)據(jù)Table1 Temperature data under fuzzy control and PID control

根據(jù)測量數(shù)據(jù)繪制的模糊控制與PID控制作用下離體豬肝溫升曲線，見圖8。

圖8 模糊控制與PID控制作用下組織溫升曲線Fig 8 Temperature rising curve under fuzzy control and PID control

圖8中，實(shí)線為模糊控制作用下組織溫升曲線，熱療開始階段，為了縮短到達(dá)模糊控制閾值溫度的時間，射頻輸出功率較高，溫升曲線斜率大，組織溫度上升較快，可以看出，160 s內(nèi)即上升至閾值溫度56℃。到達(dá)閾值溫度后，為了減小振蕩，保證溫度的穩(wěn)步上升，射頻輸出功率較小，溫升曲線斜率變小，5 min以后組織溫度與目標(biāo)溫度的誤差在1℃以內(nèi)。整個模糊控制過程中，溫度最大超調(diào)量為1℃，穩(wěn)態(tài)精度為±0.4℃，升溫比較平穩(wěn)，溫度波動小。

虛線為PID控制下組織溫升曲線，120 s內(nèi)溫度即上升至目標(biāo)溫度60℃，但最大超調(diào)量達(dá)到3℃，雖然升溫速度優(yōu)于模糊控制系統(tǒng)，但過大的超調(diào)量影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

治療進(jìn)行到600 s時，將電極針拔出較小距離，加入干擾信號，可以看出，模糊控制系統(tǒng)能更加平穩(wěn)地將組織溫度快速收斂至目標(biāo)溫度，且超調(diào)量小。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與PID控制系統(tǒng)相比，模糊控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能好，具有較小的超調(diào)量，滿足射頻系統(tǒng)的溫度控制精度。

模糊控制作用下，離體豬肝阻抗值初始時約為52Ω，治療開始的前2 min略有下降，約降至42Ω，治療7 min后阻抗值穩(wěn)定在56Ω左右，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，阻抗控制穩(wěn)定性較好。

5 總結(jié)

針對腫瘤組織溫度和阻抗的測量與精確控制在射頻消融治療系統(tǒng)中的重要性，我們設(shè)計(jì)了基于模糊控制的溫度和阻抗監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)測和控制射頻熱療過程中腫瘤組織的溫度和阻抗變化。系統(tǒng)采用光纖光柵溫度傳感器測量組織溫度，運(yùn)用電阻采樣、互感器隔離的方式測量組織阻抗。

為了適應(yīng)治療過程中人體組織溫度和阻抗的復(fù)雜性與動態(tài)性，系統(tǒng)選用模糊控制算法，設(shè)計(jì)了單片機(jī)模糊控制器對溫度和阻抗進(jìn)行控制，針對多參數(shù)模糊控制規(guī)則集結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，通過建立分層多規(guī)則集結(jié)構(gòu)，降低了控制復(fù)雜度。經(jīng)過離體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，治療溫度上升速度快、過渡時間短且超調(diào)小，阻抗值較穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)對腫瘤病灶均勻、平穩(wěn)的加熱治療，對于臨床腫瘤治療具有較高的實(shí)用價值。