嵌入式超聲腫瘤溫熱治療儀的研制

楊博，沈國峰，陳晟，蘇志強，朱夢媛

1 上海交通大學生物醫學工程學院生物醫學儀器研究所，上海市，200030

2 上海交通大學Med-X研究院，上海市，200030

0 引言

腫瘤熱療是利用有關的物理能量在組織中沉淀從而產生熱效應的一種治療方法。按照腫瘤組織的治療溫度，可以將其分為腫瘤升溫至(42～43) ℃并持續一段時間的溫熱治療，以及與短時間將腫瘤升溫至65 ℃以上的高熱治療[1-4]。其中溫熱治療的原理在于可以促進腫瘤細胞凋亡，抑制腫瘤血管新生，減小腫瘤轉移傾向，增強免疫力。同時，溫熱療法可以增加患者對放、化療的敏感性，能夠與放化療協同起到更好的治療效果。超聲具有一定的穿透性和指向性，無電磁輻射，無毒副作用，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，可以對腫瘤進行溫熱治療的小型化、便攜式的嵌入式超聲溫熱治療儀。該熱療儀智能化程度較高，操作方便，具有水冷循環及多重的溫度監控，安全性好，預留多種測溫方式軟件接口，便于改進，是一種使用方便的腫瘤熱療儀。

1 系統構成及基本工作原理

該熱療儀系統組成的框圖見圖1所示，主要由可控高頻功率源、超聲治療頭、多通道PWM發生電路、水冷卻裝置、多通道溫度測量電路、A/D采集卡、主控計算機和電源等幾個模塊組成。

治療過程先由醫生借助B超等手段，確定病灶所在的區域、病灶的深度和大小，然后借助于這些數據得到在治療過程中所要設置的各項治療參數，包括治療時間、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。系統的工作流程如下：

(1) 由可控高頻功率源產生1.0 MHz或者3.3 MHz的正弦信號，根據設定的頻率選通放大后激勵超聲換能器形成超聲波，通過水、耦合劑及皮膚輻射到病灶，熱效應使病灶區域升溫；

(2) 醫用測溫探針采集腫瘤基底各檢測點的溫度，處理后傳送到主控計算機；

(3) 主控計算機根據檢測溫度與設定溫度(一般為43oC)的差值，通過PID算法得到功率放大器應當輸出的功率，控制其使病灶溫度穩定在設定溫度附近；

(4) 由各路檢測溫度來監控治療是否安全，是否繼續進行，以及控制水冷模塊的運行。

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生信號，并將信號放大后驅動換能器產生超聲，它包括了信號產生、串聯諧振放大、控制三個部分。頻率信號由集成芯片LTC6900產生，為1.0 MHz和3.3 MHz的方波信號。該方波信號根據設定選通后由串聯諧振方式放大，將方波變為相同頻率的正弦波，經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個電壓值可選。為了功放供電電壓可選，設備中采用了(0～45) V的可控電源，通過一個(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，實現粗調輸出功率。同時，控制電路還控制頻率切換，以及根據設定和溫度控制需要控制占空比，實現輸出功率細調。

1.2 溫度數據采集處理模塊和水冷循環模塊

溫度信息模塊包含溫度數據的采集和A/D轉換兩部分。檢測點的熱電偶感應溫度產生感應電壓，放大后傳送A/D轉換卡；A/D轉換卡將信號數字化后傳送主控計算機，為安全監控和溫度閉環控制提供依據。

水冷循環模塊包括恒流泵、水箱、風扇和半導體散熱片等組件，將治療頭上水囊內的水進行循環冷卻，確保病灶附近組織不會因熱量積累導致熱損傷。

1.3 控制與處理模塊

控制與處理模塊是整個系統的核心，包括了上位機與下位控制芯片兩部分。

下位控制芯片采用了PIC16F877A控制芯片。它片內帶有8 k字節FLASH程序存儲器，368字節RAM，256字節E2PROM數字存儲器，8通道/10位分辨率的多通道模/數轉換器，2通道PWM輸出等。它采用14 位RISC指令系統，僅35條指令，開發周期短，程序的效率較高。

上位機采用了PCM－3370研華嵌入式模塊。它主要功能包括：

(1) 執行輸出頻率的選擇；

(2)通過對饋電電壓的步進調節完成輸出功率的粗調；

(3) 通過對占空比的調節實現對輸出功率的微調；

(4) 對各通道溫度數據的處理；

(5) 加熱控制的計算；

(6) 數據圖形的顯示以及病人數據檔案管理等的工作。

主控機根據計算和設定，將超聲功放電源開啟/關閉、超聲功放工作頻率選擇、冷卻單元冷卻開啟/關閉等指令，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，通過RS232通訊接口傳送給PIC16F877A控制芯片，控制芯片根據指令產生相應的信號，完成指定的操作。

2 系統軟件設計及PID控制算法

系統軟件采用了Visual C++6.0作為開發平臺。整個程序的工作流程如圖2所示，關鍵模塊包括了病人數據庫、溫度檢測、PID算法的溫度控制、下位機控制以及通信等模塊。

圖2 系統程序主要流程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病人數據庫中的各項信息進行管理，其中包括了病人的基本信息，如編號、姓名、性別和年齡等；也包括了病人的病情信息，如腫瘤性質、病情描述和治療次數等。這些信息與操作函數一起被封裝在用戶自定義類CPatient中，對外接口為insert、delete和update三個函數，完成病人數據的插入、刪除和修改。所采用的數據庫為Microsoft Access，數據庫的連接方式是通過ADO實現的。整個數據庫的連接、數據庫的遍歷以及執行SQL語句被封裝在一個類中，這為與醫院數據庫的對接，獲取診斷用的圖像等后續改進提供了便捷的途徑。

2.2 溫度數據采集模塊

溫度采集模塊將測溫針收集到的溫度數據，經A/D轉換卡后數字化并傳送到溫控模塊。該模塊內部主要包括了A/D轉換卡提供的數模轉換和對于轉換卡其他操作的函數，如對外接口函數通過參數來表明所要獲取的是哪個通道的溫度數據。函數返回值為該通道的實時溫度。

2.3 通信模塊

通信模塊主要負責將上位機的各項控制參數和指令通過串行口傳送到下位機，并將下位機收到指令后的返回碼傳送到上位機，以此來判斷下位機的工作狀態是否正常。在本程序中，對串口的操作采取了WinAPI的方式來進行，這種方式編程較為復雜，但是具有很強的靈活性。在WinAPI中，串口和其他通信設備是作為文件來處理的，在本程序中是采用同步查詢方式編程的，用CreateFile、CloseFile進行串口的打開和關閉，用WriteFile和ReadFile進行串口的讀寫，用SetupCommState進行串口參數的設置[5]。

2.4 PID溫度控制模塊

該模塊分為兩個主要部分：通過溫度信息進行PID計算后，得到應當輸出的功率；將PID計算的結果轉變為電壓占空比和輸出占空比等控制參數傳遞到下位機，實現溫度控制。該模塊還監控各監測點的溫度是否在安全范圍內，是否需要緊急停機以及對水冷循環模塊工作狀態的控制。

模擬PID控制系統是由模擬PID控制器、執行機構和控制對象組成。給定值r(t)與實際輸出值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)通過線性組合形成控制量，對被控對象進行控制。在實際過程中，數字PID算法會出現積分飽和或“超調”現象，通過對積分項進行改進可以削弱飽和和超調現象。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。該算法當控制量進入飽和區后，只進行削弱積分項的累加，而不進行增大積分項的累加，可以避免控制量長時間停留在飽和區。

控制過程根據當前實際溫度與設定溫度之間的差值，將控制分為三種，當實際溫度已超過設定溫度一定值超調時，將功率占空比設為0，停止輸出；當實際溫度與設定溫度距離很近時，進行PID運算得到控制量；當實際溫度遠低于設定溫度時，進行線性加熱，輸出設定范圍內的最大功率，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 動物及臨床實驗驗證

該設備已經在上海市第九人民醫院完成動物實驗研究，目前正在開展I期和II期臨床研究。動物實驗證明，單獨的熱療或者單獨的化療復發率高，但是將熱療和化療結合起來，可以提高療效[6]。因此，在I/II期臨床實驗階段，我們在2005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-頭頸腫瘤患者為對照組，27名患者接受了33個周期165次加熱治療。治療后4周，按WHO實體瘤評價標準評估療效，如表1所示，分為完全緩解（CR）、部分緩解(PR)、穩定(SD)和進展(PD)，以CR+PR計算有效率。

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]。

設備在動物實驗和臨床研究期間，可以按照醫生的要求，實現精確的加熱和溫度控制，證明本文研制的設備具有良好的安全性和可靠性。

4 結論

本文描述了一種采用嵌入式平臺作為主控核心，通過預先削弱積分的PID控制，以超聲作為能量載體的腫瘤超聲溫熱治療儀。該儀通過合理的內部設計，采用小體積的嵌入式平臺，達到整個系統的小型化和便攜化；采用改進的PID算法，對超聲輸出電壓占空比和功率占空比兩級調節實現了病灶溫度的控制。嵌入式超聲腫瘤溫熱治療儀經試驗結果表明，將超聲熱療與局部化療協同治療，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。

[1]Diedder Chris J,Hynynen Kullervo.Ultrasound technology for hyperthermia[J].Ultrasound Med Biol,1999,25(6):871-887.

[2]Overgaard J,Gonzalez D,Hulshof MCCM,et al.Randomized trial of hyperthermia as adjuvant to radiotherapy for recurrent of metastatic malignant melanoma[J].Lancet,1995,345(8949):540-543.

[3]Qiao Shan,Shen Guofeng,Bai Jingfeng,et al.Effects of different parameters in the fast scanning method for HIFU treatment[J].J Med Phys,2012,39(10):5797-5813.

[4]Ji Xiang,Shen Guofeng,Bai Jingfeng,et al.The characterization of an ultrasound spherical phased array for the ablation of deep-seated tissue[J].Appl Acoust,2012,24(5):529-534.

[5] George Shepherd,Scot Wingo.《MFC Internals》[M].北京：中國電力出版社,2003.

[6]任國欣,郭偉,葉東霞,等.超聲加熱誘導舌鱗癌Tca8113細胞凋亡的機制探討[J].上海口腔醫學,2006,15(5):507-511.

[7]任國欣,沈國峰,陳亞珠,等.晚期口腔頜面部惡性腫瘤超聲熱化療的I/II期臨床研究[J].臨床腫瘤學雜志,2011,16(3):244-248.