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1、第18卷第2期1997年4月儀器儀表學(xué)報(bào)CHINESEJOURNALOFSCIENTIFICINSTRUMENTVol.182Apr.1997天津大學(xué)天津300072)3,介紹了在微波熱療機(jī)中測(cè)控溫的重要性及其難點(diǎn),比較了多種測(cè)控溫方案及其臨床應(yīng)用特點(diǎn),并論述了利用有限的溫度測(cè)量信號(hào)計(jì)算熱療溫場(chǎng)分布的方法和應(yīng)用自適應(yīng)廣義預(yù)測(cè)控制的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞微波熱療機(jī),無(wú)擾測(cè)溫,溫場(chǎng)分布,自適應(yīng)廣義預(yù)測(cè)控制。0引言微波熱療機(jī)應(yīng)用于治療惡性腫瘤早在60年代國(guó)外已有報(bào)導(dǎo),直到70年代后期才開(kāi)始引起重視。已在某些腫瘤的醫(yī)治中取得了一些效果。但是,由于微波熱療是一門(mén)綜合性很強(qiáng)的技術(shù),有許多尚未完全解決的技術(shù)難題阻礙

2、了它進(jìn)一步提高療效及推廣應(yīng)用。其中,微波場(chǎng)下的測(cè)控溫技術(shù)是急需解決的兩大難題。目前,世界上許多國(guó)家都在進(jìn)行有關(guān)熱療問(wèn)題的研究工作,我國(guó)也在一部分城市中引進(jìn)或自行研制了一些熱療儀器。我們科研組從80年代開(kāi)始與醫(yī)院合作,開(kāi)展了微波熱療機(jī)的研制工作,到目前為止,研制的儀器已在多家醫(yī)院試用于治療食管癌,宮頸癌,腦瘤等多種疾病。1熱療的機(jī)理癌細(xì)胞在高溫下會(huì)產(chǎn)生變性壞死,這是一個(gè)復(fù)雜的代謝與結(jié)構(gòu)改變過(guò)程。加溫治癌主要是利用癌組織比正常組織血流量小,散熱慢等差異性,在受到相同功率加熱時(shí),前者溫度將高于后者,達(dá)到對(duì)癌細(xì)胞加溫殺滅而不損傷正常組織的目的。關(guān)于加溫治癌的必須溫度,許多國(guó)家的醫(yī)學(xué)專家根據(jù)組織培養(yǎng)和實(shí)

3、驗(yàn)結(jié)果得出1:在4244之間,癌細(xì)胞殘存率隨溫度升高明顯減少,在45以后影響變小,而對(duì)某些正常組織加熱到45,再維持1小時(shí)就會(huì)受到不可逆損傷。因此,醫(yī)學(xué)界普遍認(rèn)為,加熱治癌溫度以在4244范圍內(nèi)為宜,而將45作為安全上限。199511114儀器儀表學(xué)報(bào)第18卷腫瘤熱療的加熱劑量除了加熱溫度還與加熱時(shí)間有關(guān),而且治療不同部位的腫瘤應(yīng)施加熱劑量也不一致,這個(gè)問(wèn)題目前還處于研究階段。我們與天津市醫(yī)科大學(xué)一附院腦神經(jīng)外科合作,在體模實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)30余例惡性腦膠質(zhì)瘤患者進(jìn)行了臨床治療,從分子水平上探討了微波熱療對(duì)腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞的抑制和殺傷效應(yīng),為臨床熱療提供了可靠的治療依據(jù)。對(duì)于一定的治療時(shí)

4、間,在43附近區(qū)域內(nèi),癌細(xì)胞的殘存率是溫度的敏感函數(shù),因而加溫治癌首先應(yīng)有準(zhǔn)確可靠的測(cè)溫和控溫手段。2熱療領(lǐng)域的溫度檢測(cè)可以分為兩種類型:,。后者尚有許多實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題有待解決,。有損測(cè)溫有兩種測(cè)溫方式:,組織間熱療多采用這種方式;,只測(cè)量治療導(dǎo)管周圍生物組織的溫度,。在微波熱療機(jī)中利用的是微波近場(chǎng),即一種強(qiáng)電磁場(chǎng)。在有損測(cè)溫中,由金屬材料制成的常規(guī)測(cè)溫探頭(如熱電偶等)在強(qiáng)電磁場(chǎng)下將產(chǎn)生感應(yīng)電流,在傳感器輸入回路上的壓降與有用信號(hào)疊加,一起送入到后面的測(cè)量電路,直接成為干擾信號(hào)。同時(shí),感應(yīng)電流在探頭及導(dǎo)線上將產(chǎn)生歐姆熱,使其自身溫度升高,引起測(cè)量誤差。由于導(dǎo)體的集膚效應(yīng),導(dǎo)體表面電流密度隨電磁

5、場(chǎng)頻率增高而增加,使這種自溫升更為嚴(yán)重。即使用半導(dǎo)體熱敏電阻作測(cè)溫探頭,如用金屬導(dǎo)線作信號(hào)傳輸線,由于導(dǎo)線在微波場(chǎng)中產(chǎn)生的自溫升經(jīng)熱傳導(dǎo)使熱敏電阻加熱,同樣會(huì)產(chǎn)生很大的熱誤差。80年代國(guó)外大部分微波熱療機(jī)中,采用熱電偶停機(jī)測(cè)溫,但效果不夠理想。針對(duì)上述問(wèn)題,我們研制了兩種無(wú)擾測(cè)溫傳感器:熱敏電阻與高阻導(dǎo)線測(cè)溫傳感器和光纖測(cè)溫傳感器。1)熱敏電阻與高阻導(dǎo)線測(cè)溫傳感器采用高阻值的半導(dǎo)體熱敏電阻作測(cè)溫探頭,用特制的高阻值的導(dǎo)線作信號(hào)傳輸線,再配用較簡(jiǎn)單的測(cè)量電路,這樣構(gòu)成的測(cè)溫傳感器稱為熱敏電阻與高阻導(dǎo)線測(cè)溫傳感器。該傳感器抑制了微波場(chǎng)中測(cè)溫探頭及信號(hào)傳輸線上的高頻感應(yīng)電流,因而避免了微波場(chǎng)對(duì)測(cè)溫造

6、成的影響。采用這種測(cè)溫傳感器可以做到不停機(jī)測(cè)溫。我們研制的高阻導(dǎo)線直徑約為012mm,阻值為120K8 cm。選用的熱敏電阻為超小型珠狀NTC熱敏電阻,直徑為013mm,標(biāo)稱阻值為600K8左右(25),溫度系數(shù)為-4%。在傳感器中,熱敏電阻與高阻導(dǎo)線用非金屬導(dǎo)電膠粘接。經(jīng)過(guò)幾年的研制,不斷改進(jìn),已成功地將這種測(cè)溫傳感器應(yīng)用于微波熱療機(jī)中。表1為三種測(cè)溫傳感器抗微波干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中,將這三種傳感器依次安裝在915MHz微波輻射器的同一點(diǎn)上,在輻射器及測(cè)溫探頭外套一薄的乳膠套后,插入超級(jí)恒溫水浴中,水的溫度保持在43011。安裝時(shí)探頭的位置及走線方式保持一致,在3555的區(qū)間上,將三者輸出信

7、號(hào)都轉(zhuǎn)換成0100mv直流電壓。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,開(kāi)動(dòng)恒溫水浴的攪拌器,以保證隨時(shí)把輻射器周圍被加熱的水排走,因此輸出電壓的變化,能代表微波對(duì)測(cè)溫的干擾。由表1可見(jiàn):熱敏電阻與高阻導(dǎo)線溫度傳感器產(chǎn)生的干擾很小,而其它兩種傳感器產(chǎn)生的微波干第2期微波熱療機(jī)中的測(cè)溫與控溫技術(shù)研究表1微波場(chǎng)中三種測(cè)溫探頭輸出變化量115輸出變化(mv)微波功率()0510203040傳感熱電偶熱敏電阻 銅導(dǎo)線熱敏電阻 高阻導(dǎo)線0891412132533320379412215421500110141132擾十分嚴(yán)重,根本無(wú)法使用;熱敏電阻與高阻導(dǎo)線測(cè)溫傳感器的測(cè)溫誤差與輻射微波功率有關(guān),應(yīng)根據(jù)臨床測(cè)溫精度要求和實(shí)際使用的

8、微波輻射器最大輻射功率,選擇采用砷化鎵,液晶等感溫元件作測(cè)溫探頭,用光纖作信號(hào)傳輸線,。這種傳,用光纖傳遞該測(cè)量信號(hào)。由于光纖,從根本上解決了微波場(chǎng)給測(cè)溫帶來(lái)的影響,因而測(cè)溫精度高。我們研制的光纖測(cè)溫傳感器,采用厚012mm,面積為11mm2的砷化鎵晶片作感溫器,利用砷化鎵半導(dǎo)體的本征吸收特性隨溫度變化這一原理實(shí)現(xiàn)測(cè)溫的。當(dāng)把一束一定波長(zhǎng)的光垂直投射到砷化鎵晶片上時(shí),其透射光強(qiáng)度隨砷化鎵溫度的變化而改變,此透射光經(jīng)光纖傳出,測(cè)量其光強(qiáng)即可得到被測(cè)物的溫度值。光纖測(cè)量傳感器抗微波干擾實(shí)驗(yàn)和熱敏電阻與高阻導(dǎo)線測(cè)量傳感器類似。實(shí)驗(yàn)中,傳感器輸出幾乎沒(méi)有變化。顯然光纖測(cè)溫傳感器比熱敏電阻與高阻導(dǎo)線測(cè)溫

9、傳感器抗微波干擾能力好。從測(cè)溫原理上講,前者也優(yōu)于后者,但其制做工藝復(fù)雜,價(jià)格貴,因而在微波熱療機(jī)中,它不會(huì)取代熱敏電阻與高阻導(dǎo)線測(cè)溫傳感器。3生物組織中的溫場(chǎng)分布臨床上影響熱療效果的關(guān)鍵因素是有效熱療溫場(chǎng),即在被加熱生物組織中,最高溫度不超過(guò)45時(shí),加熱溫度達(dá)到42以上的區(qū)域。在微波熱療機(jī)中采用有損測(cè)溫方法,只能測(cè)量有限的幾個(gè)點(diǎn)的溫度,因而利用有限的溫度測(cè)量信號(hào),計(jì)算出被加熱生物組織中的溫場(chǎng)分布具有重要臨床意義。計(jì)算溫場(chǎng)分布離不開(kāi)微波輻射器的性質(zhì)。圖1所示為帶冷卻水的腔內(nèi)熱療絕緣偶極子微波輻射器剖面圖。用這種輻射器熱療時(shí),被加熱生物組織中的穩(wěn)態(tài)溫場(chǎng)分布為2:22(T-Tb)=0(1)+SAR

10、(r.z)-Cbbmbt2+2+r r zKtKt r式中:Kt為被加熱生物組織的導(dǎo)熱系數(shù);Cb為血液的比熱系數(shù);b和t分別為血液和被加熱生物組織的密度;SAR(r.z)為單位體積被加熱組織吸收的微波能量;Tb為人體體溫。邊界條件和初始條件為:(2a)-Kt+UT=UTc(r=r0)r116儀器儀表學(xué)報(bào)第18卷T=Tb(r=rm或z=hm)T=Tb(t=0)(2b)(3)式中:Tc為冷卻水溫度;rm為大于或等于微波在被加熱組織中的穿透深度;hm=112115h;U為等效換熱系數(shù)。利用實(shí)測(cè)溫度和溫場(chǎng)數(shù)學(xué)模型(1)及其邊界條件(2ab)和初始條件(3),就可以計(jì)算出被加熱生物組織中的溫場(chǎng)分布。圖2

11、為用上述方法計(jì)算的溫場(chǎng)分布,從圖中可以得到有效熱療溫場(chǎng),為臨床熱療提供了直觀依據(jù),這必將促進(jìn)臨床療效的提高,不久將應(yīng)用于微波腔內(nèi)熱療機(jī)中。,在3050范圍內(nèi)誤差可以小到011,對(duì)控溫的要求也相應(yīng)提高,在微波熱療機(jī)中開(kāi)始采用PID控制,得到了較好的控溫效果。但對(duì)不同病灶部位的熱療,微波輻射器結(jié)構(gòu)及測(cè)溫點(diǎn)的相對(duì)位置有很大差異。在圖1中測(cè)溫探頭固定在治療導(dǎo)管上,由于不同治療對(duì)象的生理特性及各個(gè)微波輻射器的熱輻射場(chǎng)離散性都很大,在治療對(duì)象改變或更換輻射器以后,都需要調(diào)整控制器參數(shù),這在臨床應(yīng)用中是做不到的,因而會(huì)使控溫精度下降。圖3為腦膠質(zhì)瘤微波熱療示意圖。當(dāng)實(shí)體腦瘤開(kāi)顱全切或大部分切除以后,在腫瘤殘

12、腔內(nèi)置入一個(gè)帶膨脹水囊的輻射器,根據(jù)腫瘤大小調(diào)整輻射器插入在囊內(nèi)的深度,視手術(shù)切除腔大小向囊內(nèi)注入等體積的注射用水,測(cè)溫探圖1偶極子微波輻射器與測(cè)溫探頭(a=111mm,b=113mm,r0=3mm,d=012mm,h=25,最高溫度為45,微波輻射功率為23W,冷卻水溫度為5,血流量為41510-6m3 Rgs)圖2生物組織中的溫場(chǎng)分布圖圖3腦膠質(zhì)瘤熱療第2期微波熱療機(jī)中的測(cè)溫與控溫技術(shù)研究117頭被夾在兩者之間,以測(cè)量腔壁的溫度。因此,對(duì)不同患者的術(shù)后熱療,測(cè)溫探頭與輻射器間的相對(duì)位置是不同的,用確定參數(shù)的PID算法控制溫度效果很不理想。綜上所述,微波熱療機(jī)控溫的過(guò)程是相當(dāng)復(fù)雜的,缺乏先驗(yàn)

13、知識(shí),且是時(shí)變的。因此既要求實(shí)時(shí)辨識(shí)過(guò)程特性,以校正控制器參數(shù)的自適應(yīng)控制,又要求控制算法本身具有良好的特性。廣義預(yù)測(cè)控制(GPC)具有對(duì)過(guò)程模型要求低,魯棒性好,綜合控制質(zhì)量高等特點(diǎn),我們將其與過(guò)程辨識(shí)算法結(jié)合,用于微波熱療機(jī)中,使控溫精度達(dá)到了012。在GPC算法中,過(guò)程采用CARIMA模型3:-1-1-1(t) (q-(4)A(q)y(t)=B(q)U(t-d)+C(q式中:-1-1-na-11-nb-1-1A(q)=1+a1q+anaq,B(q)=q+nbq,q)=C0+C1q+-ncCncq。(1-q-1),它能自然地將積。GPC:(1)在當(dāng)前采樣時(shí)刻t導(dǎo)出以后一定時(shí)間長(zhǎng)度上的預(yù)測(cè)值

14、,它是這段時(shí)間上施加的控制作用U(t)的函數(shù);(2)按以下優(yōu)化性能指標(biāo)確定控制作用:N22minJ(t)=Ej=Ny(t+j)-W(t+j)+1Nu66(j)u2(t+j-1)j=1(5)式中:W為過(guò)程輸出的期望值;N1和N2分別為優(yōu)化時(shí)域的始值和終值;Nu為控制時(shí)域;(j)為控制加權(quán)系數(shù)。(3)在得到的控制序列中僅把當(dāng)前時(shí)刻的控制作用送給過(guò)程。(4)在下一采樣時(shí)刻重復(fù)上述過(guò)程。采用這種控制算法的微波熱療機(jī)用于各種部位的腫瘤熱療效果都很好。5結(jié)束語(yǔ)微波熱療機(jī)的研制涉及多種技術(shù),需要多方面人才合作。我們先后與十幾家醫(yī)院合作,用我們研制的儀器進(jìn)行了大量動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床一、二期研究。反過(guò)來(lái)又促使我們不

15、斷對(duì)微波熱療機(jī)進(jìn)行改善和提高,使設(shè)備日趨完善。參考文獻(xiàn)1GeorgeM.Hahn,BiologicalRationaleforNewClinicalTrials,Proceedingsofthe6thInternational.2,7981CongressonHyperthermicOncology,1992.Vol2GuidoBiffiGentili,etal,EletromagneticandThermalModelsofaWater-CooledDipoleRadiating.38,No.1,98103inaBiologicalTissue,IEEETrans.onBiomedicalE

16、ngineering,1991,Vol3席裕庚,預(yù)測(cè)控制,國(guó)防工業(yè)出版社,1993,2835118儀器儀表學(xué)報(bào)第18卷TheTechnicalResearchesontheTemperatureMeasurementandControlforMicrowaveHyperthermiaInstrumentsWang,Shi2jieSui,Xiu2wuZhang,Li2ruXiang,Wan2(TianjinUniversityTianjin300072)ABSTRACT:Theimportanceanddifficultyofentandcontrolinmicrowavehyperthermiainstrumtsbinationwithourscientificre2searchworkformany.theremeasurementandcontrol,andthechar2acteristicsofcompared.Finallythemet

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