微波热疗机中的测温与控温技术研究_百度文库.

1、第18卷第2期仪器仪表学报V o l.1821997年4月CH I N ESE JOU RNAL O F SC IEN T IF I C I N STRUM EN T A p r.1997微波热疗机中的测温与控温技术研究3王世杰隋修武张立儒向婉成(天津大学天津300072摘要本文结合我们多年的科研工作,介绍了在微波热疗机中测控温的重要性及其难点,比较了多种测控温方案及其临床应用特点,并论述了利用有限的温度测量信号计算热疗温场分布的方法和应用自适应广义预测控制的优越性。关键词微波热疗机,无扰测温,温场分布,自适应广义预测控制。0引言微波热疗机应用于治疗恶性肿瘤早在60年代国外已有报导,直到70年

2、代后期才开始引起重视。已在某些肿瘤的医治中取得了一些效果。但是,由于微波热疗是一门综合性很强的技术,有许多尚未完全解决的技术难题阻碍了它进一步提高疗效及推广应用。其中,微波场下的测控温技术是急需解决的两大难题。目前,世界上许多国家都在进行有关热疗问题的研究工作,我国也在一部分城市中引进或自行研制了一些热疗仪器。我们科研组从80年代开始与医院合作,开展了微波热疗机的研制工作,到目前为止,研制的仪器已在多家医院试用于治疗食管癌,宫颈癌,脑瘤等多种疾病。1热疗的机理癌细胞在高温下会产生变性坏死,这是一个复杂的代谢与结构改变过程。加温治癌主要是利用癌组织比正常组织血流量小,散热慢等差异性,在受到相同功

3、率加热时,前者温度将高于后者,达到对癌细胞加温杀灭而不损伤正常组织的目的。关于加温治癌的必须温度,许多国家的医学专家根据组织培养和实验结果得出1:在4244之间,癌细胞残存率随温度升高明显减少,在45以后影响变小,而对某些正常组织加热到45,再维持1小时就会受到不可逆损伤。因此,医学界普遍认为,加热治癌温度以在4244范围内为宜,而将45作为安全上限。199511411仪器仪表学报第18卷肿瘤热疗的加热剂量除了加热温度还与加热时间有关,而且治疗不同部位的肿瘤应施加热剂量也不一致,这个问题目前还处于研究阶段。我们与天津市医科大学一附院脑神经外科合作,在体模实验和动物实验的基础上,对30余例恶性脑

4、胶质瘤患者进行了临床治疗,从分子水平上探讨了微波热疗对脑胶质瘤细胞的抑制和杀伤效应,为临床热疗提供了可靠的治疗依据。对于一定的治疗时间,在43附近区域内,癌细胞的残存率是温度的敏感函数,因而加温治癌首先应有准确可靠的测温和控温手段。2微波热疗机中的测温技术热疗领域的温度检测可以分为两种类型:一种为有损测温,另一种为无损测温。后者尚有许多实际应用问题有待解决,目前临床上普遍应用的还是有损测温。有损测温有两种测温方式:一种是借助针头或套管将测温探头置入生物组织内部进行测量,组织间热疗多采用这种方式;另一种是将测温探头与微波辐射器放入同一个治疗导管内部,只测量治疗导管周围生物组织的温度,腔内热疗多采

5、用这种方式。在微波热疗机中利用的是微波近场,即一种强电磁场。在有损测温中,由金属材料制成的常规测温探头(如热电偶等在强电磁场下将产生感应电流,在传感器输入回路上的压降与有用信号叠加,一起送入到后面的测量电路,直接成为干扰信号。同时,感应电流在探头及导线上将产生欧姆热,使其自身温度升高,引起测量误差。由于导体的集肤效应,导体表面电流密度随电磁场频率增高而增加,使这种自温升更为严重。即使用半导体热敏电阻作测温探头,如用金属导线作信号传输线,由于导线在微波场中产生的自温升经热传导使热敏电阻加热,同样会产生很大的热误差。80年代国外大部分微波热疗机中,采用热电偶停机测温,但效果不够理想。针对上述问题,

6、我们研制了两种无扰测温传感器:热敏电阻与高阻导线测温传感器和光纤测温传感器。1热敏电阻与高阻导线测温传感器采用高阻值的半导体热敏电阻作测温探头,用特制的高阻值的导线作信号传输线,再配用较简单的测量电路,这样构成的测温传感器称为热敏电阻与高阻导线测温传感器。该传感器抑制了微波场中测温探头及信号传输线上的高频感应电流,因而避免了微波场对测温造成的影响。采用这种测温传感器可以做到不停机测温。我们研制的高阻导线直径约为012mm,阻值为120K8 c m。选用的热敏电阻为超小型珠状N TC热敏电阻,直径为013mm,标称阻值为600K8左右(25,温度系数为-4%。在传感器中,热敏电阻与高阻导线用非金

7、属导电胶粘接。经过几年的研制,不断改进,已成功地将这种测温传感器应用于微波热疗机中。表1为三种测温传感器抗微波干扰实验结果。实验中,将这三种传感器依次安装在915M H z微波辐射器的同一点上,在辐射器及测温探头外套一薄的乳胶套后,插入超级恒温水浴中,水的温度保持在43±011。安装时探头的位置及走线方式保持一致,在3555的区间上,将三者输出信号都转换成0100m v直流电压。实验过程中,开动恒温水浴的搅拌器,以保证随时把辐射器周围被加热的水排走,因此输出电压的变化,能代表微波对测温的干扰。由表1可见:热敏电阻与高阻导线温度传感器产生的干扰很小,而其它两种传感器产生的微波干表1微波

8、场中三种测温探头输出变化量传感器输出变化(m v微波功率(W热电偶热敏电阻 铜导线热敏电阻 高阻导线0000589370111014194014202131221133025315421240332215310扰十分严重,根本无法使用;热敏电阻与高阻导线测温传感器的测温误差与辐射微波功率有关,应根据临床测温精度要求和实际使用的微波辐射器最大辐射功率,选择热敏电阻和高阻导线的阻值。2光纤测温传感器采用砷化镓,液晶等感温元件作测温探头,用光纤作信号传输线,再配用相应的测量电路,这样构成的测温传感器称为光纤测温传感器。这种传感器的共同点是利用感温元件,将温度信号转变为光信号,用光纤传递该测量信号。由

9、于光纤为纯介质材料,它在微波场中不会产生高频感应电流,从根本上解决了微波场给测温带来的影响,因而测温精度高。我们研制的光纤测温传感器,采用厚012mm,面积为1×1mm2的砷化镓晶片作感温器,利用砷化镓半导体的本征吸收特性随温度变化这一原理实现测温的。当把一束一定波长的光垂直投射到砷化镓晶片上时,其透射光强度随砷化镓温度的变化而改变,此透射光经光纤传出,测量其光强即可得到被测物的温度值。光纤测量传感器抗微波干扰实验和热敏电阻与高阻导线测量传感器类似。实验中,传感器输出几乎没有变化。显然光纤测温传感器比热敏电阻与高阻导线测温传感器抗微波干扰能力好。从测温原理上讲,前者也优于后者,但其制

10、做工艺复杂,价格贵,因而在微波热疗机中,它不会取代热敏电阻与高阻导线测温传感器。3生物组织中的温场分布临床上影响热疗效果的关键因素是有效热疗温场,即在被加热生物组织中,最高温度不超过45时,加热温度达到42以上的区域。在微波热疗机中采用有损测温方法,只能测量有限的几个点的温度,因而利用有限的温度测量信号,计算出被加热生物组织中的温场分布具有重要临床意义。计算温场分布离不开微波辐射器的性质。图1所示为带冷却水的腔内热疗绝缘偶极子微波辐射器剖面图。用这种辐射器热疗时,被加热生物组织中的稳态温场分布为2:2T r2+1rTr+2Tz2+1K tSA R(r.z-C bb m bt1K t(T-T b

11、=0(1式中:K t为被加热生物组织的导热系数;C b为血液的比热系数;b和t分别为血液和被加热生物组织的密度;SA R(r.z为单位体积被加热组织吸收的微波能量;T b为人体体温。边界条件和初始条件为:-K t T+U T=U T c(r=r0(2a511第2期微波热疗机中的测温与控温技术研究T =T b (r =r m 或z =±h m (2b T =T b (t =0(3式中:T c 为冷却水温度;r m 为大于或等于微波在被加热组织中的穿透深度;h m =112115h ;U 为等效换热系数。利用实测温度和温场数学模型(1及其边界条件(2a b 和初始条件(3,就可以计算出被

12、加热生物组织中的温场分布。图2为用上述方法计算的温场分布,从图中可以得到有效热疗温场,为临床热疗提供了直观依据,这必将促进临床疗效的提高,该技术已基本成熟,不久将应用于微波腔内热疗机中。4微波热疗机中的控温技术 当无扰测温传感器问世以后,微波场下的测温精度得到了较大提高,在3050范围内图1偶极子微波辐射器与测温探头误差可以小到±011,对控温的要求也相应提高,在微波热疗机中开始采用P I D 控制,得到了较好的控温效果。但对不同病灶部位的热疗,微波辐射器结构及测温点的相对位置有很大差异。在图1中测温探头固定在治疗导管上,由于不同治疗对象的生理特性及各个微波辐射器的热辐射场离散性都很

13、大,在治疗对象改变或更换辐射器以后,都需要调整控制器参数,这在临床应用中是做不到的,因而会使控温精度下降。图3为脑胶质瘤微波热疗示意图。当实体脑瘤开颅全切或大部分切除以后, 在肿瘤残腔内置入一个带膨胀水囊的辐射器,根据肿瘤大小调整辐射器插入在囊内的深度,视手术切除腔大小向囊内注入等体积的注射用水,测温探(a =111mm ,b =113mm ,r 0=3mm ,d =012mm ,h =25,最高温度为45,微波辐射功率为23W ,冷却水温度为5,血流量为415×10-6 m 3 R gs 图2生物组织中的温场分布图图3脑胶质瘤热疗611仪器仪表学报第18卷头被夹在两者之间,以测量腔

14、壁的温度。因此,对不同患者的术后热疗,测温探头与辐射器间的相对位置是不同的,用确定参数的P I D 算法控制温度效果很不理想。综上所述,微波热疗机控温的过程是相当复杂的,缺乏先验知识,且是时变的。因此既要求实时辨识过程特性,以校正控制器参数的自适应控制,又要求控制算法本身具有良好的特性。广义预测控制(GPC 具有对过程模型要求低,鲁棒性好,综合控制质量高等特点,我们将其与过程辨识算法结合,用于微波热疗机中,使控温精度达到了±012。在GPC 算法中,过程采用CA R I M A 模型3:A (q -1y (t =B (q -1U (t -d +C (q -1(t (1-q -1(4式

15、中:A (q -1=1+a 1q -1+a na q -na ,B (q -1=b 0+b 1q -1+b nb q -nb ,C (q -1=C 0+C 1q -1+C nc q -nc 。这种模型可以描述一类非平稳扰动,又由于模型中含有偏差的(1-q -1,它能自然地将积分作用纳入控制算法中,使控制无静差。GPC 的控制策略如下:(1在当前采样时刻t 导出以后一定时间长度上的预测值,它是这段时间上施加的控制作用U (t 的函数;(2按以下优化性能指标确定控制作用:m inJ (t =E 6N 2j=N 1y (t +j -W (t +j 2+6N u j=1(j u 2(t +j -1(5

16、式中:W 为过程输出的期望值;N 1和N 2分别为优化时域的始值和终值;N u 为控制时域;(j 为控制加权系数。(3在得到的控制序列中仅把当前时刻的控制作用送给过程。(4在下一采样时刻重复上述过程。采用这种控制算法的微波热疗机用于各种部位的肿瘤热疗效果都很好。5结束语微波热疗机的研制涉及多种技术,需要多方面人才合作。我们先后与十几家医院合作,用我们研制的仪器进行了大量动物实验和临床一、二期研究。反过来又促使我们不断对微波热疗机进行改善和提高,使设备日趋完善。参考文献1Geo rge M .H ahn ,B i o logical R ati onale fo r N ew C linical

17、 T rials ,P roceedings of the 6th Internati onalCongress on H yperther m ic O nco logy ,1992.V o l.2,79812Guido B iffi Gentili ,et al ,E letrom agnetic and T her m alM odels of a W ater -Coo led D i po le R adiatingin a B i o logical T issue ,IEEE T rans .on B i om edical Engineering ,1991,V o l.38,

18、N o .1,981033席裕庚,预测控制,国防工业出版社,1993,2835711第2期微波热疗机中的测温与控温技术研究118 仪器仪表学报 第 1 8 卷 The Techn ica l Researches on the Tem pera ture M ea surem en t and Con trol for M icrowave Hypertherm ia In strum en ts W ang, Sh i2jie Su i, X iu 2 u Zhang, L i2ru X iang,W an 2cheng w (T ianj in U n iv ersity T ianj in 300072 ABSTRACT: T he im po rtance and d ifficu lty of the tem p era tu re m ea su rem en t and con t ro l sea rch w o rk fo r m any yea rs. P lan s of the tem p era tu re m ea su rem en t a