嵌入式超聲腫瘤溫?zé)嶂委焹x的研制

楊博，沈國(guó)峰，陳晟，蘇志強(qiáng)，朱夢(mèng)媛

1 上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)儀器研究所，上海市，200030

2 上海交通大學(xué)Med-X研究院，上海市，200030

0 引言

腫瘤熱療是利用有關(guān)的物理能量在組織中沉淀從而產(chǎn)生熱效應(yīng)的一種治療方法。按照腫瘤組織的治療溫度，可以將其分為腫瘤升溫至(42～43) ℃并持續(xù)一段時(shí)間的溫?zé)嶂委煟约芭c短時(shí)間將腫瘤升溫至65 ℃以上的高熱治療[1-4]。其中溫?zé)嶂委煹脑碓谟诳梢源龠M(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡，抑制腫瘤血管新生，減小腫瘤轉(zhuǎn)移傾向，增強(qiáng)免疫力。同時(shí)，溫?zé)岑煼梢栽黾踊颊邔?duì)放、化療的敏感性，能夠與放化療協(xié)同起到更好的治療效果。超聲具有一定的穿透性和指向性，無(wú)電磁輻射，無(wú)毒副作用，是一種較為理想的熱源。

本文描述了一種采用超聲作為熱源，可以對(duì)腫瘤進(jìn)行溫?zé)嶂委煹男⌒突⒈銛y式的嵌入式超聲溫?zé)嶂委焹x。該熱療儀智能化程度較高，操作方便，具有水冷循環(huán)及多重的溫度監(jiān)控，安全性好，預(yù)留多種測(cè)溫方式軟件接口，便于改進(jìn)，是一種使用方便的腫瘤熱療儀。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及基本工作原理

該熱療儀系統(tǒng)組成的框圖見(jiàn)圖1所示，主要由可控高頻功率源、超聲治療頭、多通道PWM發(fā)生電路、水冷卻裝置、多通道溫度測(cè)量電路、A/D采集卡、主控計(jì)算機(jī)和電源等幾個(gè)模塊組成。

治療過(guò)程先由醫(yī)生借助B超等手段，確定病灶所在的區(qū)域、病灶的深度和大小，然后借助于這些數(shù)據(jù)得到在治療過(guò)程中所要設(shè)置的各項(xiàng)治療參數(shù)，包括治療時(shí)間、工作頻率、最高電壓、最高占空比以及病灶、體表和水箱中的溫度等。系統(tǒng)的工作流程如下：

(1) 由可控高頻功率源產(chǎn)生1.0 MHz或者3.3 MHz的正弦信號(hào)，根據(jù)設(shè)定的頻率選通放大后激勵(lì)超聲換能器形成超聲波，通過(guò)水、耦合劑及皮膚輻射到病灶，熱效應(yīng)使病灶區(qū)域升溫；

(2) 醫(yī)用測(cè)溫探針采集腫瘤基底各檢測(cè)點(diǎn)的溫度，處理后傳送到主控計(jì)算機(jī)；

(3) 主控計(jì)算機(jī)根據(jù)檢測(cè)溫度與設(shè)定溫度(一般為43oC)的差值，通過(guò)PID算法得到功率放大器應(yīng)當(dāng)輸出的功率，控制其使病灶溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度附近；

(4) 由各路檢測(cè)溫度來(lái)監(jiān)控治療是否安全，是否繼續(xù)進(jìn)行，以及控制水冷模塊的運(yùn)行。

1.1 超聲功率放大模塊

超聲功率放大模塊的主要作用在于產(chǎn)生信號(hào)，并將信號(hào)放大后驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生超聲，它包括了信號(hào)產(chǎn)生、串聯(lián)諧振放大、控制三個(gè)部分。頻率信號(hào)由集成芯片LTC6900產(chǎn)生，為1.0 MHz和3.3 MHz的方波信號(hào)。該方波信號(hào)根據(jù)設(shè)定選通后由串聯(lián)諧振方式放大，將方波變?yōu)橄嗤l率的正弦波，經(jīng)功率放大后輸出到換能器。功放的供電電壓有24 V、27 V、30 V、33 V4個(gè)電壓值可選。為了功放供電電壓可選，設(shè)備中采用了(0～45) V的可控電源，通過(guò)一個(gè)(0～5) V的小電壓控制功放供電電源的輸出電壓，從而控制換能器諧振電壓的幅度，實(shí)現(xiàn)粗調(diào)輸出功率。同時(shí)，控制電路還控制頻率切換，以及根據(jù)設(shè)定和溫度控制需要控制占空比，實(shí)現(xiàn)輸出功率細(xì)調(diào)。

1.2 溫度數(shù)據(jù)采集處理模塊和水冷循環(huán)模塊

溫度信息模塊包含溫度數(shù)據(jù)的采集和A/D轉(zhuǎn)換兩部分。檢測(cè)點(diǎn)的熱電偶感應(yīng)溫度產(chǎn)生感應(yīng)電壓，放大后傳送A/D轉(zhuǎn)換卡；A/D轉(zhuǎn)換卡將信號(hào)數(shù)字化后傳送主控計(jì)算機(jī)，為安全監(jiān)控和溫度閉環(huán)控制提供依據(jù)。

水冷循環(huán)模塊包括恒流泵、水箱、風(fēng)扇和半導(dǎo)體散熱片等組件，將治療頭上水囊內(nèi)的水進(jìn)行循環(huán)冷卻，確保病灶附近組織不會(huì)因熱量積累導(dǎo)致熱損傷。

1.3 控制與處理模塊

控制與處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，包括了上位機(jī)與下位控制芯片兩部分。

下位控制芯片采用了PIC16F877A控制芯片。它片內(nèi)帶有8 k字節(jié)FLASH程序存儲(chǔ)器，368字節(jié)RAM，256字節(jié)E2PROM數(shù)字存儲(chǔ)器，8通道/10位分辨率的多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，2通道PWM輸出等。它采用14 位RISC指令系統(tǒng)，僅35條指令，開(kāi)發(fā)周期短，程序的效率較高。

上位機(jī)采用了PCM－3370研華嵌入式模塊。它主要功能包括：

(1) 執(zhí)行輸出頻率的選擇；

(2)通過(guò)對(duì)饋電電壓的步進(jìn)調(diào)節(jié)完成輸出功率的粗調(diào)；

(3) 通過(guò)對(duì)占空比的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率的微調(diào)；

(4) 對(duì)各通道溫度數(shù)據(jù)的處理；

(5) 加熱控制的計(jì)算；

(6) 數(shù)據(jù)圖形的顯示以及病人數(shù)據(jù)檔案管理等的工作。

主控機(jī)根據(jù)計(jì)算和設(shè)定，將超聲功放電源開(kāi)啟/關(guān)閉、超聲功放工作頻率選擇、冷卻單元冷卻開(kāi)啟/關(guān)閉等指令，以及超聲功放供電電源輸出控制電壓和超聲功放功率輸出占空比等控制參數(shù)，通過(guò)RS232通訊接口傳送給PIC16F877A控制芯片，控制芯片根據(jù)指令產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)，完成指定的操作。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及PID控制算法

系統(tǒng)軟件采用了Visual C++6.0作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。整個(gè)程序的工作流程如圖2所示，關(guān)鍵模塊包括了病人數(shù)據(jù)庫(kù)、溫度檢測(cè)、PID算法的溫度控制、下位機(jī)控制以及通信等模塊。

圖2 系統(tǒng)程序主要流程Fig.2 Flowchart of the whole program

2.1 病人信息管理模塊

病人信息管理模塊對(duì)病人數(shù)據(jù)庫(kù)中的各項(xiàng)信息進(jìn)行管理，其中包括了病人的基本信息，如編號(hào)、姓名、性別和年齡等；也包括了病人的病情信息，如腫瘤性質(zhì)、病情描述和治療次數(shù)等。這些信息與操作函數(shù)一起被封裝在用戶自定義類(lèi)CPatient中，對(duì)外接口為insert、delete和update三個(gè)函數(shù)，完成病人數(shù)據(jù)的插入、刪除和修改。所采用的數(shù)據(jù)庫(kù)為Microsoft Access，數(shù)據(jù)庫(kù)的連接方式是通過(guò)ADO實(shí)現(xiàn)的。整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的連接、數(shù)據(jù)庫(kù)的遍歷以及執(zhí)行SQL語(yǔ)句被封裝在一個(gè)類(lèi)中，這為與醫(yī)院數(shù)據(jù)庫(kù)的對(duì)接，獲取診斷用的圖像等后續(xù)改進(jìn)提供了便捷的途徑。

2.2 溫度數(shù)據(jù)采集模塊

溫度采集模塊將測(cè)溫針收集到的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換卡后數(shù)字化并傳送到溫控模塊。該模塊內(nèi)部主要包括了A/D轉(zhuǎn)換卡提供的數(shù)模轉(zhuǎn)換和對(duì)于轉(zhuǎn)換卡其他操作的函數(shù)，如對(duì)外接口函數(shù)通過(guò)參數(shù)來(lái)表明所要獲取的是哪個(gè)通道的溫度數(shù)據(jù)。函數(shù)返回值為該通道的實(shí)時(shí)溫度。

2.3 通信模塊

通信模塊主要負(fù)責(zé)將上位機(jī)的各項(xiàng)控制參數(shù)和指令通過(guò)串行口傳送到下位機(jī)，并將下位機(jī)收到指令后的返回碼傳送到上位機(jī)，以此來(lái)判斷下位機(jī)的工作狀態(tài)是否正常。在本程序中，對(duì)串口的操作采取了WinAPI的方式來(lái)進(jìn)行，這種方式編程較為復(fù)雜，但是具有很強(qiáng)的靈活性。在WinAPI中，串口和其他通信設(shè)備是作為文件來(lái)處理的，在本程序中是采用同步查詢(xún)方式編程的，用CreateFile、CloseFile進(jìn)行串口的打開(kāi)和關(guān)閉，用WriteFile和ReadFile進(jìn)行串口的讀寫(xiě)，用SetupCommState進(jìn)行串口參數(shù)的設(shè)置[5]。

2.4 PID溫度控制模塊

該模塊分為兩個(gè)主要部分：通過(guò)溫度信息進(jìn)行PID計(jì)算后，得到應(yīng)當(dāng)輸出的功率；將PID計(jì)算的結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷赫伎毡群洼敵稣伎毡鹊瓤刂茀?shù)傳遞到下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)溫度控制。該模塊還監(jiān)控各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度是否在安全范圍內(nèi)，是否需要緊急停機(jī)以及對(duì)水冷循環(huán)模塊工作狀態(tài)的控制。

模擬PID控制系統(tǒng)是由模擬PID控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制對(duì)象組成。給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)存在控制偏差為：

PID控制器將偏差e(t)的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過(guò)線性組合形成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。在實(shí)際過(guò)程中，數(shù)字PID算法會(huì)出現(xiàn)積分飽和或“超調(diào)”現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)積分項(xiàng)進(jìn)行改進(jìn)可以削弱飽和和超調(diào)現(xiàn)象。常用的方式有積分分離PID控制算法和遇限削弱積分PID控制算法兩種，在本程序中采用了遇限削弱積分PID控制算法。該算法當(dāng)控制量進(jìn)入飽和區(qū)后，只進(jìn)行削弱積分項(xiàng)的累加，而不進(jìn)行增大積分項(xiàng)的累加，可以避免控制量長(zhǎng)時(shí)間停留在飽和區(qū)。

控制過(guò)程根據(jù)當(dāng)前實(shí)際溫度與設(shè)定溫度之間的差值，將控制分為三種，當(dāng)實(shí)際溫度已超過(guò)設(shè)定溫度一定值超調(diào)時(shí)，將功率占空比設(shè)為0，停止輸出；當(dāng)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度距離很近時(shí)，進(jìn)行PID運(yùn)算得到控制量；當(dāng)實(shí)際溫度遠(yuǎn)低于設(shè)定溫度時(shí)，進(jìn)行線性加熱，輸出設(shè)定范圍內(nèi)的最大功率，使治療溫度迅速上升。其基本控制流程如圖3所示。

圖3 溫度控制流程圖Fig.3 Flowchart of the temperature control program

3 動(dòng)物及臨床實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

該設(shè)備已經(jīng)在上海市第九人民醫(yī)院完成動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究，目前正在開(kāi)展I期和II期臨床研究。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明，單獨(dú)的熱療或者單獨(dú)的化療復(fù)發(fā)率高，但是將熱療和化療結(jié)合起來(lái)，可以提高療效[6]。因此，在I/II期臨床實(shí)驗(yàn)階段，我們?cè)?005年2月至2008年2月間，選擇27例患者為局部熱化療組，以此期間不適合做超聲熱療的30例晚期口腔頜面-頭頸腫瘤患者為對(duì)照組，27名患者接受了33個(gè)周期165次加熱治療。治療后4周，按WHO實(shí)體瘤評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估療效，如表1所示，分為完全緩解（CR）、部分緩解(PR)、穩(wěn)定(SD)和進(jìn)展(PD)，以CR+PR計(jì)算有效率。

表1 超聲熱化療與化療組的療效比較Tab.1 Treatment efficacy comparison of thermo-chemotherapy group and chemotherapy group

從表1可以看出，超聲熱化療組總緩解率51.85%（14／27），且有6例晚期的患者又獲得了手術(shù)治療指征；單純化療組總緩解率23.33%（7／30），與單純化療相比有顯著差異（P=0.026）[7]。

設(shè)備在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床研究期間，可以按照醫(yī)生的要求，實(shí)現(xiàn)精確的加熱和溫度控制，證明本文研制的設(shè)備具有良好的安全性和可靠性。

4 結(jié)論

本文描述了一種采用嵌入式平臺(tái)作為主控核心，通過(guò)預(yù)先削弱積分的PID控制，以超聲作為能量載體的腫瘤超聲溫?zé)嶂委焹x。該儀通過(guò)合理的內(nèi)部設(shè)計(jì)，采用小體積的嵌入式平臺(tái)，達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的小型化和便攜化；采用改進(jìn)的PID算法，對(duì)超聲輸出電壓占空比和功率占空比兩級(jí)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了病灶溫度的控制。嵌入式超聲腫瘤溫?zé)嶂委焹x經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果表明，將超聲熱療與局部化療協(xié)同治療，起到明顯的增敏作用，提高了單純局部化療或單純熱療的療效，具有良好的安全性和可靠性。

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