膀胱腫瘤恒溫熱灌注治療模擬設備的控制實驗研究

朱學峰 王秀 肖術駿 林云莉 趙雪竹

（華南理工大學自動化科學與工程學院）

膀胱腫瘤恒溫熱灌注治療模擬設備的控制實驗研究

朱學峰 王秀 肖術駿 林云莉 趙雪竹

（華南理工大學自動化科學與工程學院）

眾所周知，對實際被控對象的模型辨識是進行良好控制的重要前提。本論文研究了一種開環辨識方法。被辨識的對象是膀胱恒溫熱灌注治療儀模擬設備，對該對象進行了開環飛升曲線測試，根據記錄的輸出曲線，采用改進的面積法對被控過程的一階慣性加時滯模型進行參數估計，得到被控對象的傳遞函數。然后，根據所得到的過程模型，進行PID參數整定并進行了閉環的控制試驗。實驗表明，此方法具有較好的辨識精度，對測量噪聲不敏感，閉環控制實驗也表明了該控制系統的可行性。

熱灌注治療；開環實驗；模型辨識；參數整定；閉環控制

1 引言

膀胱癌發生率在美國、歐洲和我國男性中分別列第4、5、10位，年新增病例僅美國就超過了60000例[1]，是常見的惡性腫瘤之一。大多數淺表性膀胱癌可經尿道膀胱腫瘤切除術（TURBT）治愈，但仍有50%～70%的淺表性膀胱癌在術后1年內出現復發，60%～90%在3~5年內出現復發。對于腫瘤的治療，除傳統的手術切除、放射治療及化療外，腫瘤的加溫治療（簡稱熱療）是生物醫學工程界最有發展前景的新療法之一。因此，輔助性治療對膀胱癌患者具有極為重要的作用，術后施行膀胱灌注治療是預防復發的有效手段。

實驗證明：不少腫瘤內的血流僅為正常血流量的2%～15%，腫瘤組織的血流大大少于正常組織，高溫能選擇性破壞腫瘤。在41℃～43℃范圍內，癌細胞對熱的敏感性遠比正常細胞為高。本課題針對膀胱腫瘤的治療，研制可同時進行化療與熱療的恒溫熱灌注治療儀。通過對化療液流體介質加熱，提高病灶組織溫度，對病人進行循環式化療液灌注治療，不僅可直接殺傷腫瘤細胞或觸發其凋亡，還可擴張腫瘤組織的血管、增加化療藥的膜通透性、提高腫瘤細胞胞漿中藥物的濃度、逆轉某些化療藥物的多藥耐藥等，同時還減輕病人生理不適與經濟負擔。

為了能開發、設計出精確控制化療液溫度的治療儀，我們建立了一套模擬實驗系統，并進行了相應的建模和控制實驗，為今后開發、設計出正式樣機打下堅實的基礎。

2 模擬熱灌注治療儀的描述

為進行膀胱腫瘤恒溫熱灌注治療，我們先進行模擬實驗。其模擬試驗設備如圖1所示。

圖1膀胱腫瘤恒溫熱灌注治療儀的實驗平臺原理圖

試驗中，人造膀胱（在初步實驗中，該人工膀胱先用一個塑料瓶替代）置于37℃恒溫水浴中，治療液通過三腔管進入膀胱，再由三腔管流出進行循環控制。循環速度用蠕動泵調節，在初步試驗中，流量設定在25轉/min。熱電阻T3用于測量人造膀胱內的溫度，并將其信號輸入PID控制器，控制器的設定值一般為42℃～43℃（最佳治療溫度）。PID控制器的輸出是固態繼電器（SSR）的導通角大小，固態繼電器串聯在連接加熱管的電源線中，當控制器的輸出變大時，繼電器的導通角變大，加熱管在一個周期內和電源接通的時間變長，流過加熱管的水溫就會相應增高；當輸出變小時，則溫度降低，以此來達到控制的目的。膀胱的進水溫度T2和膀胱內溫度T3都輸入到無紙記錄儀中進行記錄。實驗系統的加熱管是特殊加工訂制的，其加熱可以用交流或直流供電。

3 對象模型的辨識

為了能精確獲取對象的特性，設計了相應的控制系統并對系統進行了開環飛升曲線的測試。在系統穩定時，對被控對象的輸入（PID控制器的手動輸出）做階躍變化，記錄相應T3溫度的變化曲線，就可以通過數據處理，得到被控對象的數學模型。

3.1 辨識原理

一般而言，工業過程大多可以用一階慣性加純滯后模型來近似：

對于上述模型，文獻[1]提出，從穩態的輸出和輸入的幅值來獲得K，響應曲線中有最大斜率點的橫坐標作為L，從時滯L到曲線上升到0.63K之間的時間為T，這是一種最簡單的數據處理方法，但在過程噪音比較大的情況下，辨識精度有限。

兩點法的K值如上所述，T和L值通過t1=0.28K和t2=0.63K的值經過數值計算[2,7]，該方法也比較簡易，但是對測量的噪聲也很敏感。

文獻[3]提出的面積法對于噪聲信號不敏感，但是面積法的辨識精度主要依靠一個面積數值，為提高準確性，保證系統進入下一個穩態，所以測試的時間必須足夠長。

在Qiang Bi等人的研究基礎[4-5]上，我們采用一種對噪聲不敏感，且測試不需要必須達到下一個穩態值的方法。該法具體做法如下：首先使系統處于穩態，然后，輸入階躍信號u(t)=h，直到系統進入下一個穩態，記錄相應的輸入u(t)和輸出y(t)的值。對于上述式(1)描述的過程，得輸出為：

其中w(t)是測量噪聲。從t=0到t=τ(τ≥L)對y(t)積分的推導結果為三項之和：

方程（4）還可以寫成以下矩陣方程：

Ts是采樣時間且mTs≥L。n為采樣次數。由KTL組成的矩陣θ可通過下式得到：

上述估計是在δ(τ)為均值白噪聲的基礎上得到的，但是在實際工業應用中，大部分噪聲是均值相關的。一個解決的辦法是選取一個合適的矩陣Z來代替Ψ，Z需要滿足：

3.2 治療儀模型辨識

根據上述辨識原理，對治療儀進行開環控制，即控制手動輸出為30（滿量程為100）使系統達到穩態后，再手動改變輸出至55，即被控對象輸入為u（t）=0.25。相應地，T3溫度由38.6°升至41.6°，記錄被控對象的輸出值數據并進行辨識：mTs≥L的時刻各值，組成Z,ψ,Γ矩陣的第一行。第i時刻時，A[(m+i)Ts]是mTs到（m+i）Ts之間y(s)的累加和。組成n行矩陣后，以（7）進行計算，得到K，T，L的值。辨識得到其傳遞函數為：

根據辨識得到的K，T，L值計算其開環響應，與實驗測取的開懷響應曲線的比較如圖2所示。點劃線為無紙記錄儀記錄的數據，虛線為進行辨識得到對象模型的輸出曲線。

圖2 過程模型辨識結果

由圖2可以看出，辨識模型的輸出與實際輸出是十分接近的。更重要的是，試驗數據記錄n值相應小幅度變小時，辨識結果沒有受到太大的影響，例如，對此實驗分別取n值為1600，1800，2000個采樣點時，辨識結果幾乎相同。

4 PID控制實驗

有了辨識結果，就可以進行PID參數的整定。這里根據PID整定規則[6-8]計算選取Kp=0.1809，Ki=0.0011。但在實際控制中還要對PID參數進行微調。以下，對該控制系統進行了抗干擾性能實驗：

（1）加熱電壓的干擾。加熱管的給定電壓為75V，給予20%的干擾，即電壓由75V調到90V，再調回75V后的干擾試驗結果如圖3所示。

圖3 電壓干擾下的控制試驗

（2）流量變化干擾。在穩態時，蠕動泵的轉速為25轉/min，給予20%的干擾，即轉速由25轉/min調到30轉/min，再調回25轉/min的干擾試驗結果如圖4所示。

圖4 流量干擾下的控制試驗

5 結論

本文采用了基于階躍響應的改進辨識方法來進行實際對象的辨識，此辨識方法比常規的一點法、兩點法要準確很多，并對噪聲不敏感，計算也比較簡單，對膀胱腫瘤恒溫熱灌注治療模擬設備的辨識實驗證明，該方法是準確、可靠的。下一步，我們將進行動物（豬）的膀胱的辨識與控制實驗。

[1] Astrom,K.J.,Hagglund,T. PID controllers:theory, design and tuning[M]. Instrument Society of America.1995．

[2] Marlin,T.E. Process control disigning processes and control system for dynamic performance[M].New York:McGraw-Hill. 1995．

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[4] Qiang Bi, Wen-Jian Cai，Eng-Lock lee,QGW, CCH,YZ. Robust identification of first-order plus dead-time model from step response[J]. Control Engineering Practice.1999(7)71-77．

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[6] 王凌,唐芳.基于遺傳退火策略的PID整定研究[J].化工自動化及儀表.2002,29(3):21-24．

[7] 胡晚霞,余玲玲,戴義保.PID控制器參數快速整定新方法[J].工業儀表與自動化裝置.1996(5):11-17．

[8] Wang,Q.G., Lee,T.H., Fung, H.W., Bi,Q. PID tuning for improved performance[J]. IEEE Trans. On Control Systems Technol. 1999(7):457-465．

The Experimental Control Research on a Simulated Facility with Constant Temperature Hyperthermic Perfusion Treatment on Bladder Cancer

Zhu Xuefeng Wang Xiu Xiao Shujun Lin Yunli Zhao Xuezhu
(South China University of Technology, College of Automation Science and Engineering)

As well known, process identification is very important in process control. A Open-loop identification method is proposed in this paper. The identification object is a simulated facility with constant temperature hyperthermic perfusion treatment on bladder cancer. Open-loop step response is applied ,the process input and the resulted output response are logged, and the improved area method is adopted, from which the parameters of a first-order plus dead-time model can be estimated. Based on some PID tuning rule the closed loop experiments have been conducted. The experimental results have shown that the proposed method has good identification accuracy and is insensitive to the noise. Furthermore, the experiments of the closed loop control system have also indicated the design closed loop control system is valid.

Hyperthermic Perfusion Treatment; Open-loop Control; Model Identification; Parameter Tuning; Closed Loop Control

朱學峰，男，1940年出生，華南理工大學自動化學院教授、博導，主要研究方向：工業過程的建模與智能控制，軟測量技術與應用，圖像處理與應用

王秀，女，1985年生，碩士，研究方向：智能控制與應用，圖像處理與應用。

肖術駿，男，1985年生，碩士，研究方向：智能控制與應用，工業過程辨識。

致謝：本論文的實驗系統與相關實驗是根據廣州市第一人民醫院泌尿科主任鐘惟德教授的想法進行設計的，在此表示衷心的感謝。