模糊自適應PID在腫瘤熱療溫度控制系統中的應用

黃建林，葉劍

珠海和佳醫療設備股份有限公司，廣東 珠海 519030

模糊自適應PID在腫瘤熱療溫度控制系統中的應用

黃建林，葉劍

珠海和佳醫療設備股份有限公司，廣東 珠海 519030

本文分析了腫瘤介入熱療機的溫度控制系統特性，設計了一種有效的恒溫控制算法——模糊自適應PID。實驗表明，該恒溫控制算法具有適應能力強，動態特性好，穩態精度高等品質。

腫瘤介入熱療機；PID；溫度控制系統；腫瘤熱療

0 前言

腫瘤熱療是用加熱方法治療腫瘤的一種方法，即利用有關物理能量在組織中沉淀而產生熱效應，使腫瘤組織溫度上升到有效治療溫度，并維持一段時間，以殺死癌細胞，又不損傷正常細胞的一種治療方法，其最大特點是可增加放療化療效果又無毒副作用，尤其對某些局部腫瘤的控制作用是其他方法無法比擬的[1,6]。腫瘤介入熱療機是以球囊導管阻斷腫瘤供養血管，將溫度精確的高溫液體注入到腫瘤病灶內，使腫瘤營養血管破裂，從而破壞腫瘤營養血管床，熱液滲漏到腫瘤組織間，實現組織間加熱，使腫瘤組織凝固壞死，從而達到治療效果。有關研究表明：當治療溫度超過43℃時，溫度每增加1℃，治療時間可縮短1/2[2]。因此，在熱療臨床應用中進行精確的溫度控制顯得十分重要。

1 溫度控制系統分析

腫瘤介入熱療機由加熱系統、注射系統、計算機控制系統等構成。其中加熱系統由加熱管、循環水泵、調功器、溫度感應放大單元、管路、熱交換筒、熱交換媒體等構成。其治療溫度控制過程可分為三個階段：注射前熱交換筒內水浴加熱至目標控制溫度；治療開始注射后熱交換筒內水浴提升使盤管出口溫度至目標控制溫度；治療時盤管出口溫度維持在目標溫度精度范圍。第一階段水浴溫度控制只是對盤管內藥液的預熱，還沒有開始注射治療，不會對治療效果有直接影響。第二階段開啟了注射系統，藥液以一定流速注入治療病灶部位，此階段控制應盡量縮短藥液溫升時間和減小盤管出口藥液溫度的超調量。第三階段是整個治療控制的關鍵，溫度控制的好壞直接影響治療的優劣。

圖 1 腫瘤介入熱療機的溫度控制系統

腫瘤介入熱療機溫度控制系統的被控制對象由調功器、加熱器、水與管路組成，其結構如圖1所示。由于目前產品中采用的調功器響應延時，加熱器與水、水自循環和管路之間熱交換延時，采用的溫度傳感器具有滯后特性，整個加熱系統還受環境、管路內藥液流速及材料特性等的影響，因此該機的溫度控制系統是一個非線性、大時滯控制系統。采用普通的功率分段控制和開關控制以及傳統的PID控制很難達到系統的溫度控制精度，要獲得更好的治療效果，必須采用更精確的溫度控制。

2 恒溫控制方案

對于非線性、大時滯控制系統，采用常規的PID調節器或改進型PID調節器，溫度控制精度不高，特別是溫度超調較大。模糊控制可以將人的經驗、智慧總結提煉成模糊規則，模仿人的控制經驗而不依賴對象的模型進行直接推理，具有系統響應快、超調小、過渡過程時間短等優點，其應用越來越廣泛，成為智能控制的一個重要方面。模糊自適應PID控制器是一種在常規PID調節器的基礎上，應用模糊集合理論根據控制偏差、偏差變化，在線自動整定比例系數、積分系數和微分系數的模糊控制器。模糊邏輯控制器動態性能抗干擾性和PID控制器穩態精度高，取兩者的優點就構成模糊自適應PID控制器。其控制器不僅保持了常規PID控制器的優點，而且具有很強的魯棒性和適應性[3]。

模糊自適應PID控制器以偏差和偏差變化作為輸入，可以滿足不同時刻偏差和偏差變化對PID參數自整定的要求。利用模糊控制規則[4,7]在線對PID 參數進行修改，便構成了模糊自適應PID 控制器，其結構如圖2 所示。

圖 2 模糊自適應PID控制結構圖

針對本公司腫瘤介入熱療機產品特性，采用偏差e和偏差變化ec作為輸入變量，以△Kp、 △Ki和△Kd作為輸出。經過大量的調試，模糊集E及模糊集EC均取為｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝，論域為［-3，3］；模糊輸出△Kp取為｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝，論域為［-0.3，0.3］；△Ki取為｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝，論域為［-0.06，0.06］； △Kd取為｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝，論域為［-3，3］。E、EC、 △Kp、 △Ki和△Kd采用中間分辨率強的三角隸屬函數。模糊推理采用Mamdani（瑪達尼）方法[5]，模糊量的反模糊化采用重心法，該方法是取模糊隸屬度函數曲線與橫坐標軸圍成面積的重心作為輸出量。經過模糊推理后，對整定的3個修正參數進行反模糊化，得出PID 的各個調整參數。實現模糊PID 的參數調整算式如下：Kp=△Kp0+△Kp、Ki=△Ki0+△Ki、Kd=△Kd0+△Kd，式中：△Kp0、△Ki0、 △Kd0為初始值，采用常規PID參數整定法得到；△Kp、 △Ki和△Kd為經模糊推理后得到的PID 的調整參數值。

PID控制采用增量式輸出，PID參數在線整定流程如下圖3。

圖 3 PID參數在線整定流程圖

3 應用

由于受環境散熱及藥液注流率波動等的相互影響，腫瘤介入熱療機的溫度控制動態特性很不穩定。利用模糊自適應PID算法實時動態的補償干擾產生的影響，溫度控制系統從而獲得較好的動態特性。根據系統要求，采用目標溫度與盤管出口溫度之差作為控制器偏差輸入，控制器輸出調控電壓值，系統的動態恒溫控制精度達到±0.2℃，穩定性很好。本公司腫瘤介入熱療機在常溫25℃下水的實際控溫效果如圖4所示，從圖中可見，治療過程中盤管內水的溫升很快，超調量很小，治療控制溫度基本為一條直線。

圖 4 治療過程的溫度曲線

圖4中橫坐標表示治療時間，每格表示1min，綠線表示目標溫度，藍線表示水浴溫度，黃線表示盤管出口溫度。(a)是目標溫度為45℃流速為0.6mL/s時的溫度曲線；(b)是目標溫度為50℃流速為0.6mL/s時的溫度曲線；(c)是目標溫度為60℃流速為0.6mL/s時的溫度曲線；(d)是目標溫度為50℃流速為0.3mL/s時的溫度曲線；(e)是目標溫度為50℃流速為1.0mL/s時的溫度曲線；(f)是目標溫度為50℃流速為2.0mL/s時的溫度曲線。

4 結論

模糊自適應PID控制器能夠根據實際工況的變化實時動態調整PID參數，適應能力強，動態特性好，保證系統達到良好的控制性能指標。該算法已運用于珠海和佳醫療設備股份有限公司腫瘤介入熱療機，獲得客戶的一致好評。

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[3] 李友善．模糊控制理論及其在過程控制中的應用[M]．北京:國防工業出版社,1993．

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[5] 劉金琨．先進PID控制及其MATLAB仿真[M]．北京:電子工業出版社,2003．

[6] 趙磊,等．腫瘤熱療中組織熱物性參數對熱場分布的影響[J]．中國醫療設備,2009(4):15-17．

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Application of Fuzzy Self-tuning PID in the Temperature Control System for Tumor Hyperthermia

HUANG Jian-lin,YE Jian
Zhuhai Hokai Medical Instruments Co. Ltd,Zhuhai Guangdong 519030,China

This paper analyzes the features of temperature control system for the tumor intervention hyperthermia system, and designs an effective temperature control algorithm- fuzzy self-tuning PID. The experiment shows that the temperature control algorithm has the qualities of faster self-tuning, greater dynamic characteristics and higher control precision.

tumor intervention hyperthermia；PID；temperature control system;tumor hyperthermia

R319

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.06.013

1674-1633(2010)06-0041-03

2009-11-06

2010-01-29

作者郵箱：hjlshu@126．com