嵌入式超声肿瘤温热治疗仪的研制

杨博，沈国峰，陈晟，苏志强，朱梦媛

1 上海交通大学生物医学工程学院生物医学仪器研究所，上海市，200030

2 上海交通大学Med-X研究院，上海市，200030

0 引言

肿瘤热疗是利用有关的物理能量在组织中沉淀从而产生热效应的一种治疗方法。按照肿瘤组织的治疗温度，可以将其分为肿瘤升温至(42～43) ℃并持续一段时间的温热治疗，以及与短时间将肿瘤升温至65 ℃以上的高热治疗[1-4]。其中温热治疗的原理在于可以促进肿瘤细胞凋亡，抑制肿瘤血管新生，减小肿瘤转移倾向，增强免疫力。同时，温热疗法可以增加患者对放、化疗的敏感性，能够与放化疗协同起到更好的治疗效果。超声具有一定的穿透性和指向性，无电磁辐射，无毒副作用，是一种较为理想的热源。

本文描述了一种采用超声作为热源，可以对肿瘤进行温热治疗的小型化、便携式的嵌入式超声温热治疗仪。该热疗仪智能化程度较高，操作方便，具有水冷循环及多重的温度监控，安全性好，预留多种测温方式软件接口，便于改进，是一种使用方便的肿瘤热疗仪。

1 系统构成及基本工作原理

该热疗仪系统组成的框图见图1所示，主要由可控高频功率源、超声治疗头、多通道PWM发生电路、水冷却装置、多通道温度测量电路、A/D采集卡、主控计算机和电源等几个模块组成。

治疗过程先由医生借助B超等手段，确定病灶所在的区域、病灶的深度和大小，然后借助于这些数据得到在治疗过程中所要设置的各项治疗参数，包括治疗时间、工作频率、最高电压、最高占空比以及病灶、体表和水箱中的温度等。系统的工作流程如下：

(1) 由可控高频功率源产生1.0 MHz或者3.3 MHz的正弦信号，根据设定的频率选通放大后激励超声换能器形成超声波，通过水、耦合剂及皮肤辐射到病灶，热效应使病灶区域升温；

(2) 医用测温探针采集肿瘤基底各检测点的温度，处理后传送到主控计算机；

(3) 主控计算机根据检测温度与设定温度(一般为43oC)的差值，通过PID算法得到功率放大器应当输出的功率，控制其使病灶温度稳定在设定温度附近；

(4) 由各路检测温度来监控治疗是否安全，是否继续进行，以及控制水冷模块的运行。

1.1 超声功率放大模块

超声功率放大模块的主要作用在于产生信号，并将信号放大后驱动换能器产生超声，它包括了信号产生、串联谐振放大、控制三个部分。频率信号由集成芯片LTC6900产生，为1.0 MHz和3.3 MHz的方波信号。该方波信号根据设定选通后由串联谐振方式放大，将方波变为相同频率的正弦波，经功率放大后输出到换能器。功放的供电电压有24 V、27 V、30 V、33 V4个电压值可选。为了功放供电电压可选，设备中采用了(0～45) V的可控电源，通过一个(0～5) V的小电压控制功放供电电源的输出电压，从而控制换能器谐振电压的幅度，实现粗调输出功率。同时，控制电路还控制频率切换，以及根据设定和温度控制需要控制占空比，实现输出功率细调。

1.2 温度数据采集处理模块和水冷循环模块

温度信息模块包含温度数据的采集和A/D转换两部分。检测点的热电偶感应温度产生感应电压，放大后传送A/D转换卡；A/D转换卡将信号数字化后传送主控计算机，为安全监控和温度闭环控制提供依据。

水冷循环模块包括恒流泵、水箱、风扇和半导体散热片等组件，将治疗头上水囊内的水进行循环冷却，确保病灶附近组织不会因热量积累导致热损伤。

1.3 控制与处理模块

控制与处理模块是整个系统的核心，包括了上位机与下位控制芯片两部分。

下位控制芯片采用了PIC16F877A控制芯片。它片内带有8 k字节FLASH程序存储器，368字节RAM，256字节E2PROM数字存储器，8通道/10位分辨率的多通道模/数转换器，2通道PWM输出等。它采用14 位RISC指令系统，仅35条指令，开发周期短，程序的效率较高。

上位机采用了PCM－3370研华嵌入式模块。它主要功能包括：

(1) 执行输出频率的选择；

(2)通过对馈电电压的步进调节完成输出功率的粗调；

(3) 通过对占空比的调节实现对输出功率的微调；

(4) 对各通道温度数据的处理；

(5) 加热控制的计算；

(6) 数据图形的显示以及病人数据档案管理等的工作。

主控机根据计算和设定，将超声功放电源开启/关闭、超声功放工作频率选择、冷却单元冷却开启/关闭等指令，以及超声功放供电电源输出控制电压和超声功放功率输出占空比等控制参数，通过RS232通讯接口传送给PIC16F877A控制芯片，控制芯片根据指令产生相应的信号，完成指定的操作。

2 系统软件设计及PID控制算法

系统软件采用了Visual C++6.0作为开发平台。整个程序的工作流程如图2所示，关键模块包括了病人数据库、温度检测、PID算法的温度控制、下位机控制以及通信等模块。

图2 系统程序主要流程Fig.2 Flowchart of the whole program

2.1 病人信息管理模块

病人信息管理模块对病人数据库中的各项信息进行管理，其中包括了病人的基本信息，如编号、姓名、性别和年龄等；也包括了病人的病情信息，如肿瘤性质、病情描述和治疗次数等。这些信息与操作函数一起被封装在用户自定义类CPatient中，对外接口为insert、delete和update三个函数，完成病人数据的插入、删除和修改。所采用的数据库为Microsoft Access，数据库的连接方式是通过ADO实现的。整个数据库的连接、数据库的遍历以及执行SQL语句被封装在一个类中，这为与医院数据库的对接，获取诊断用的图像等后续改进提供了便捷的途径。

2.2 温度数据采集模块

温度采集模块将测温针收集到的温度数据，经A/D转换卡后数字化并传送到温控模块。该模块内部主要包括了A/D转换卡提供的数模转换和对于转换卡其他操作的函数，如对外接口函数通过参数来表明所要获取的是哪个通道的温度数据。函数返回值为该通道的实时温度。

2.3 通信模块

通信模块主要负责将上位机的各项控制参数和指令通过串行口传送到下位机，并将下位机收到指令后的返回码传送到上位机，以此来判断下位机的工作状态是否正常。在本程序中，对串口的操作采取了WinAPI的方式来进行，这种方式编程较为复杂，但是具有很强的灵活性。在WinAPI中，串口和其他通信设备是作为文件来处理的，在本程序中是采用同步查询方式编程的，用CreateFile、CloseFile进行串口的打开和关闭，用WriteFile和ReadFile进行串口的读写，用SetupCommState进行串口参数的设置[5]。

2.4 PID温度控制模块

该模块分为两个主要部分：通过温度信息进行PID计算后，得到应当输出的功率；将PID计算的结果转变为电压占空比和输出占空比等控制参数传递到下位机，实现温度控制。该模块还监控各监测点的温度是否在安全范围内，是否需要紧急停机以及对水冷循环模块工作状态的控制。

模拟PID控制系统是由模拟PID控制器、执行机构和控制对象组成。给定值r(t)与实际输出值c(t)存在控制偏差为：

PID控制器将偏差e(t)的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合形成控制量，对被控对象进行控制。在实际过程中，数字PID算法会出现积分饱和或“超调”现象，通过对积分项进行改进可以削弱饱和和超调现象。常用的方式有积分分离PID控制算法和遇限削弱积分PID控制算法两种，在本程序中采用了遇限削弱积分PID控制算法。该算法当控制量进入饱和区后，只进行削弱积分项的累加，而不进行增大积分项的累加，可以避免控制量长时间停留在饱和区。

控制过程根据当前实际温度与设定温度之间的差值，将控制分为三种，当实际温度已超过设定温度一定值超调时，将功率占空比设为0，停止输出；当实际温度与设定温度距离很近时，进行PID运算得到控制量；当实际温度远低于设定温度时，进行线性加热，输出设定范围内的最大功率，使治疗温度迅速上升。其基本控制流程如图3所示。

图3 温度控制流程图Fig.3 Flowchart of the temperature control program

3 动物及临床实验验证

该设备已经在上海市第九人民医院完成动物实验研究，目前正在开展I期和II期临床研究。动物实验证明，单独的热疗或者单独的化疗复发率高，但是将热疗和化疗结合起来，可以提高疗效[6]。因此，在I/II期临床实验阶段，我们在2005年2月至2008年2月间，选择27例患者为局部热化疗组，以此期间不适合做超声热疗的30例晚期口腔颌面-头颈肿瘤患者为对照组，27名患者接受了33个周期165次加热治疗。治疗后4周，按WHO实体瘤评价标准评估疗效，如表1所示，分为完全缓解（CR）、部分缓解(PR)、稳定(SD)和进展(PD)，以CR+PR计算有效率。

表1 超声热化疗与化疗组的疗效比较Tab.1 Treatment efficacy comparison of thermo-chemotherapy group and chemotherapy group

从表1可以看出，超声热化疗组总缓解率51.85%（14／27），且有6例晚期的患者又获得了手术治疗指征；单纯化疗组总缓解率23.33%（7／30），与单纯化疗相比有显著差异（P=0.026）[7]。

设备在动物实验和临床研究期间，可以按照医生的要求，实现精确的加热和温度控制，证明本文研制的设备具有良好的安全性和可靠性。

4 结论

本文描述了一种采用嵌入式平台作为主控核心，通过预先削弱积分的PID控制，以超声作为能量载体的肿瘤超声温热治疗仪。该仪通过合理的内部设计，采用小体积的嵌入式平台，达到整个系统的小型化和便携化；采用改进的PID算法，对超声输出电压占空比和功率占空比两级调节实现了病灶温度的控制。嵌入式超声肿瘤温热治疗仪经试验结果表明，将超声热疗与局部化疗协同治疗，起到明显的增敏作用，提高了单纯局部化疗或单纯热疗的疗效，具有良好的安全性和可靠性。

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