沐勇杰，王娟，趙金哲，晉曉飛，錢志余南京航空航天大學，南京市，210016

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，中國每年因惡性肝腫瘤死亡的人數(shù)正在逐年上升，已經(jīng)成為威脅居民生命健康的主要因素之一[1-2]。腫瘤微波熱消融作為一種微創(chuàng)腫瘤治療方式，具有消融范圍大、并發(fā)癥少等優(yōu)點，已經(jīng)成為了一種惡性腫瘤常規(guī)治療方法[3-4]。

傳統(tǒng)微波治療儀采用的是磁控管作為微波輸出的核心部件，然而磁控管具有輸出功率穩(wěn)定性欠佳、工作電壓較高的缺點，這就導致了微波熱消融治療劑量難以控制，儀器安全性受到影響[5]。近幾年，針對433 MHz腫瘤微波熱消融研究正在不斷的深入[6-7]，有希望成為治療不規(guī)則肝腫瘤的合適頻率，然而，市場上暫時沒有基于433 MHz的腫瘤微波熱消融儀。針對以上問題，本文使用微波固態(tài)源替代磁控管，搭建一套基于433 MHz和2 450 MHz的腫瘤熱消融系統(tǒng)，并利用微波固態(tài)源自帶的功率檢測電路對微波輸出功率進行PID反饋控制，進一步提高了系統(tǒng)功率輸出的穩(wěn)定性。與此同時，系統(tǒng)還配備了多路基于熱敏電阻的溫度測量通道，消融過程中對重要器官部位進行實時的溫度監(jiān)測，當溫度達到預警溫度時，微波源停止輸出，整套系統(tǒng)通過電腦端的軟件界面進行控制和顯示。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)總體框架

考慮到微波熱消融系統(tǒng)實現(xiàn)的復雜性，系統(tǒng)選用了高性能的STM32F103ZET6微控制器。該芯片內(nèi)部資源豐富，內(nèi)置了高速存儲器、12位A/D轉(zhuǎn)換器、12位D/A轉(zhuǎn)換器、串口、定時器等外設，大大減少了系統(tǒng)的外圍模塊，提高了系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性[8]。

本文設計的控制系統(tǒng)分為三大模塊，如圖1所示。串口通信模塊主要用來實現(xiàn)上位機與微處理器實時通信功能，雙頻微波源驅(qū)動控制模塊主要負責控制微波源的功率輸出，溫度采集模塊主要用于監(jiān)控消融過程中的實時溫度信息。

圖1 雙頻微波熱消融系統(tǒng)總體框架Fig.1 The general framework of dual-frequency microwave thermal ablation system

1.2 雙頻微波源驅(qū)動模塊

系統(tǒng)選用的是由杭州八達微波科技有限公司研制的雙頻微波固態(tài)源，微波輸出頻率為2 450 MHz和433 MHz，誤差為±3 MHz，駐波比＜2，功率調(diào)節(jié)步進10 W，配備了輸出功率檢測電路，通過12芯航空接口實現(xiàn)外部控制功能。每個微波頻率主要有四個控制端口，啟停控制端口和硬件故障反饋端口采用的是TTL電平，輸出功率設置端口采用的是0～5 V的模擬電壓，實際輸出功率反饋端口采用0～3.3 V的模擬電壓。實際測得輸出功率設置端口電壓與微波源輸出功率關(guān)系曲線，如圖2(a)所示，系統(tǒng)輸出功率在20 W～90 W之間與設置電壓成正相關(guān)，在相鄰較小的功率范圍內(nèi)可以看作是線性相關(guān)。輸出功率反饋端口電壓與微波源輸出功率關(guān)系曲線，如圖2(b)所示。

圖2 實測功率與電壓對應關(guān)系曲線Fig.2 Diagram of measured output power versus voltage

STM32芯片數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊設置的最大參考電壓為3.3 V，無法滿足輸出0～5 V模擬電壓的要求，因此系統(tǒng)采用了比例放大電路，放大后的電壓滿足功率設置電壓要求。

考慮到微波固態(tài)源的輸出是非線性、時變的復雜系統(tǒng)，外部擾動往往會對功率輸出的穩(wěn)定性造成很大的影響。所以本文利用微波固態(tài)源的功率檢測電路，對微波源輸出功率進行PID反饋控制，進一步提高功率輸出的準確性和穩(wěn)定性。

本文為了獲得較好的控制效果，減少輸出功率振蕩的幅度，消除發(fā)生飽和的危險，特采用增量式PID控制方式[9]。設k時刻功率偏差為ek，ek=P標稱-P實際，k時刻的功率控制電壓設為Uk，則PID控制的輸出為Uk=Kp×(ek-ek-1)+Ki×ek+Kd×(ek-2×ek-1+ek-2)+Uk-1，其中Kp為比例系數(shù)、Ki為積分系數(shù)、Kd為微分系數(shù)。

當系統(tǒng)實際輸出功率出現(xiàn)偏差時，比例控制環(huán)節(jié)開始起作用，輸出功率逐漸逼近標稱功率值。而積分環(huán)節(jié)能夠減小穩(wěn)態(tài)輸出功率值與標稱功率值之間的誤差，進一步提高輸出功率的精確性。為了減小輸出功率的振蕩幅度，系統(tǒng)的動態(tài)響應特性做出了一定的犧牲，而微分環(huán)節(jié)恰恰能夠提高調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)響應特性。

1.3 溫度采集模塊

系統(tǒng)選用了由日本芝浦電子公司生產(chǎn)的PSB-S7形熱敏電阻，這是一款負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻，具有靈敏度高、熱響應速度快、使用壽命長、耐熱性強的優(yōu)點。在實際工作過程中傳感器往往會受到外界或系統(tǒng)內(nèi)部干擾源的影響，例如工頻干擾、電阻熱噪聲等[10-11]。因此，系統(tǒng)硬件對采集到的電壓信號進行了有源低通濾波。本文利用FLUKE公司的多路測溫儀和干式計量爐對溫度傳感器進行了定標實驗，系統(tǒng)在40 ℃～60 ℃范圍內(nèi)（微波熱消融敏感溫度區(qū)間），溫度分辨力可以達到0.1 ℃，其他溫度范圍分辨率為0.2 ℃。

1.4 主控制板軟件設計

系統(tǒng)采用了uC/OSⅡ?qū)崟r嵌入式操作系統(tǒng)，uC/OSⅡ是多任務的操作系統(tǒng)，具有可裁剪、多任務、搶占式和實時性的優(yōu)點[12]。系統(tǒng)主要包含了初始化任務、溫度采集及發(fā)送任務、微波源參數(shù)設置任務、微波源功率輸出任務、系統(tǒng)保護中斷。當測量溫度達到預警溫度或微波源輸出功率偏離設置功率超過2 W時，系統(tǒng)停止微波輸出。

1.5 上位機軟件設計

上位機軟件系統(tǒng)基于LabWindows集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)，界面如圖3所示。主要功能包括固態(tài)微波源工作參數(shù)設置、蠕動泵參數(shù)設置、顯示并存儲實時溫度信息、固態(tài)微波源工作狀態(tài)顯示。

圖3 系統(tǒng)軟件用戶界面Fig.3 User interface of system software

2 系統(tǒng)測試與分析

2.1 系統(tǒng)功率輸出穩(wěn)定性實驗

微波熱消融治療系統(tǒng)最核心的要求就是安全、可靠，主要體現(xiàn)在輸出功率的穩(wěn)定性和一致性，因此本文就系統(tǒng)微波功率輸出穩(wěn)定性進行了實驗。實驗器材：40 dB功率衰減器（實測433 MHz衰減40.3 dB，2 450 MHz衰減40.9 dB），微波功率計（精度為0.01 dbm），微波傳輸線若干。實驗方法與步驟：將微波固態(tài)源輸出端通過同軸電纜連接到衰減器，再將衰減器的輸出端口接到微波功率計上，最后將微波功率計的串口連接到電腦端。微波熱消融治療手術(shù)時間通常不超過20 min，因此實驗記錄了433 MHz微波頻率下30 W～80 W輸出功率在20 min內(nèi)的變化情況，并對未引入PID算法的系統(tǒng)輸出功率進行了測量。

圖4 系統(tǒng)輸出功率誤差隨時間變化曲線Fig.4 Diagram of system output power error versus time

實驗結(jié)果表明，在20 min內(nèi)，433 MHz輸出功率最大誤差小于1 W，如圖4(a)所示，考慮到測量誤差，可以認為系統(tǒng)在20 min內(nèi)功率輸出穩(wěn)定，符合腫瘤微波熱消融治療標準。由圖4(b)可以看出，未引入PID反饋算法的系統(tǒng)70 W輸出功率最大誤差達到了2 W，并且系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差一直保持在1.5 W左右，遠大于引入PID反饋算法的系統(tǒng)，這也驗證了PID算法能夠減小功率輸出的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)功率輸出的準確性和穩(wěn)定性。

2.2 離體豬肝消融實驗

實驗器材包括：雙頻固態(tài)微波源、水循環(huán)蠕動泵和筆記本電腦，如圖5(a)所示；系統(tǒng)主控制板，見圖5(b)；自制2 450 MHz和433 MHz微波熱消融針，其中，A為433 MHz微波熱消融針，B為2 450 MHz微波熱消融針，見圖5(c)；若干塊新鮮離體豬肝。實驗中微波功率分別為40 W、50 W、60 W、70 W，消融時間均為10 min。實驗結(jié)束后，將消融針從豬肝中拔出，沿針道方向水平切開肝組織，顯露消融區(qū)域的切面，最后記錄下消融區(qū)域的縱徑和橫徑。

圖5 微波熱消融硬件系統(tǒng)Fig.5 Microwave thermal ablation hardware system

2 450 MHz微波熱消融后損傷區(qū)域如圖6(a)～6(d)所示，損傷區(qū)域橫切面呈橢圓形，主要由碳化區(qū)、凝固區(qū)和充血帶構(gòu)成。消融橫縱經(jīng)40 W時為2.0 cm×3.2 cm，50 W時為2.5 cm×3.8 cm，60 W時為3.2 cm×4.1 cm，70 W時為3.6 cm×4.3 cm。從實驗結(jié)果可以看出，在相同的消融時間下，凝固區(qū)域隨著功率的增加而增大。2 450 MHz微波頻率下的消融形狀大小與文獻中的實驗數(shù)據(jù)基本一致[13-15]，這也驗證了系統(tǒng)2 450 MHz頻率的可靠性。

433 MHz微波熱消融后損傷區(qū)域如圖6(e)～6(h)所示，消融區(qū)域呈長條形，長徑約為短徑的3～4倍，有明顯的碳化區(qū)、凝固區(qū)和充血帶。從實驗結(jié)果可以看出，在相同的消融時間下，隨著實驗功率的增加，消融區(qū)域體積和長徑都在不斷增大，符合能量守恒的基本規(guī)律。以上實驗結(jié)果表明本系統(tǒng)能夠為433 MHz和2 450 MHz提供一個安全可靠的實驗平臺。

圖6 40 W～70 W功率下消融區(qū)域剖面圖Fig.6 Sectional areas of ablation zone with power from 40 W to 70 W

3 總結(jié)

本文設計了一套基于微波固態(tài)源的雙頻熱消融系統(tǒng)，系統(tǒng)具有良好的人機交互界面，操作簡便，微波功率輸出穩(wěn)定，可以為腫瘤微波熱消融后續(xù)研究提供一個安全可靠的實驗平臺。但是，在微波熱消融過程中，負載變化有時可能導致輻射天線反射增大，從而引起負載吸收到的功率小于標稱功率，影響治療效果。所以如何檢測到負載吸收功率和微波天線反射功率是本文后續(xù)需要研究的問題。