依托神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為探討超聲腫瘤熱療儀溫度控制算法

劉永紅

吉林省腫瘤醫(yī)院超聲科，吉林長春 130000

1 熱療系統(tǒng)溫度測控方法

1.1 溫度測量

溫度是自然界任何物體的基本屬性參數(shù)，被廣泛應(yīng)用于各種物理檢測中。幾乎所有的物理和化學(xué)檢測都需要考慮溫度在其中所發(fā)生的影響和作用。溫度因此在現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)的各個行業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用。在醫(yī)學(xué)檢測上溫度同樣是十分重要的檢測項(xiàng)目。從最簡單的體溫測量和更加復(fù)雜體內(nèi)局部器官溫度檢測，溫度測量被廣泛運(yùn)用到醫(yī)學(xué)檢測的各個方面，各個環(huán)節(jié)。從檢測的手段來看，可以根據(jù)測量儀器與測量體之間是否直接發(fā)生接觸而分成接觸式測量和非接觸式測量兩種測量方法。接觸式測量的優(yōu)點(diǎn)在于測量的結(jié)果更加準(zhǔn)確，測量的方法更加簡單，缺點(diǎn)在于必須與被測介質(zhì)發(fā)生接觸，而且由于測量時必須與被測介質(zhì)接觸一段時間后才能達(dá)到熱平衡所以測量結(jié)果與實(shí)際被測介質(zhì)溫度存在時間上的滯后差異。非接觸式測量的優(yōu)點(diǎn)在于具有更快的檢測速度，并且可以檢測移動的物體，但由于檢測時與被檢測體存在一段空間上的距離，因此檢測結(jié)果的誤差較大。在實(shí)際的醫(yī)學(xué)臨床溫度測量當(dāng)中，通常根據(jù)需要檢測的實(shí)際部位以及檢測的環(huán)境對于溫度測量方式和方法進(jìn)行選擇。

1.2 溫度控制的作用

溫度由于是物質(zhì)的重要參數(shù)屬性，能夠反應(yīng)物質(zhì)內(nèi)部和外部的狀態(tài)，因此經(jīng)常被用作監(jiān)測和控制儀器操作的重要指標(biāo)。通過監(jiān)測溫度可以對儀器的操作進(jìn)行實(shí)時的控制，使得儀器的工作始終處在正常的狀況和水平下。如果監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)溫度發(fā)生變化，則需要對于溫度變化的原因進(jìn)行分析和判斷，從而做出適當(dāng)?shù)牟僮鳌?/p>

在超聲腫瘤熱療儀器中，需要進(jìn)行溫度實(shí)時監(jiān)測的是患者需要治療的腫瘤，正常的溫度范圍應(yīng)該是在25℃～50℃度之間。如果監(jiān)測到的腫瘤溫度超過正常范圍，則需要對儀器所發(fā)出的超聲熱度進(jìn)行調(diào)整，從而避免由于治療時溫度的過低或者過高而對人體組織結(jié)構(gòu)造成損害。為了保證溫度監(jiān)測的準(zhǔn)確性和可靠性，對腫瘤的溫度監(jiān)測采用接觸式監(jiān)測方法。即將監(jiān)測溫度儀器深入到腫瘤內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)測。這就需要在監(jiān)測時選擇靈敏度高、運(yùn)行穩(wěn)定、體積較小的電偶傳感器來完成對于溫度的監(jiān)測。通常選用針形的電偶傳感器來對腫瘤內(nèi)部的溫度進(jìn)行監(jiān)測。

1.3 溫度測控系統(tǒng)的方法

超聲腫瘤熱療儀的溫度監(jiān)測對象是人體內(nèi)的腫瘤。由于人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，人體內(nèi)的腫瘤組織結(jié)構(gòu)同樣在組織結(jié)構(gòu)和病理性質(zhì)上存在較大的差別。即使是同樣類型的腫瘤在不同的人體內(nèi)也會呈現(xiàn)處不同的性狀變化。此外，超聲腫瘤熱療儀在治療的過程中也會使得腫瘤的內(nèi)部性狀進(jìn)行變化。因此對于腫瘤建立較為精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型無疑是非常困難的，因此采用自適應(yīng)控制是一種相對合理的選擇。自適應(yīng)控制是一種能夠根據(jù)監(jiān)測到的動態(tài)數(shù)據(jù)對于系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)調(diào)控的計算方法。由于超聲腫瘤熱療儀在治療過程中，腫瘤溫度變化的頻率和強(qiáng)度都相對復(fù)雜，因此采用自適應(yīng)控制通常可以對于溫度的判斷和控制更加實(shí)時、動態(tài)、準(zhǔn)確。

2 基于人工神經(jīng)網(wǎng)的新型溫度控制算法

2.1 人工神經(jīng)網(wǎng)

人的大腦是最復(fù)雜的計算和控制系統(tǒng)，人的大腦通過人體內(nèi)的多條神經(jīng)線路完成對于人體的操作和控制。人工神經(jīng)網(wǎng)是一種基于人體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行所抽象出來的新型信息處理系統(tǒng)。人工神經(jīng)網(wǎng)的系統(tǒng)從模型上來看盡可能模擬人體真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)控制系統(tǒng)。人工神經(jīng)網(wǎng)是一種集成人工智能和信息傳感等多門學(xué)科的新型知識體系。人工神經(jīng)網(wǎng)通過各種不同的傳感器采集相應(yīng)的信號，再經(jīng)過不同的傳輸介質(zhì)傳導(dǎo)到計算機(jī)中心處理器上進(jìn)行計算和處理。人工神經(jīng)網(wǎng)模型的提出和構(gòu)建是計算機(jī)發(fā)展歷史上的一次重大變革。它為計算機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的信息采集和信息處理提供了更加科學(xué)、合理的模型。

2.1 BP人工神經(jīng)網(wǎng)的動態(tài)控制結(jié)構(gòu)

BP算法是誤差反傳訓(xùn)練算法的簡稱。

誤差反傳算法的主要思想是把學(xué)習(xí)過程分為兩個階段：第一階段正向傳播過程，人給出輸入信息通過輸入層經(jīng)隱含層逐層處理并計算每個單元的實(shí)際輸出值；第二階段反向傳播過程人若在輸出層未能得到期望的輸出值，則逐層遞歸地計算實(shí)際輸出與期望輸出之差值用誤差人以便根據(jù)此差調(diào)節(jié)權(quán)值，具體些說，就是可對每一個權(quán)重計算出接收單元的誤差值與發(fā)送單元的激活值的積。因?yàn)檫@個積和誤差對權(quán)重的(負(fù))微商成正比(又稱梯度下降算法，又可把它稱做權(quán)重誤差微商)。權(quán)重的實(shí)際改變可由權(quán)重誤差徽商一個模式一個模式地計算出來，即它們可以在這組模式集上進(jìn)行累加。

BP網(wǎng)絡(luò)不僅有輸入層結(jié)點(diǎn)，輸出層結(jié)點(diǎn)，而且有一層或多層隱含結(jié)點(diǎn)。對于輸入信息，要先向前傳播到隱含層的結(jié)點(diǎn)上，經(jīng)過各單元的特性為Sigmod型的激活函數(shù)(又稱作用函數(shù)、轉(zhuǎn)換函數(shù)或映射函數(shù)等)運(yùn)算后，把隱含結(jié)點(diǎn)的輸出信息傳播到輸出結(jié)點(diǎn)，最后給出輸出結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程由正向和反向傳播兩部分組成。在正向傳播過程中，每一層神經(jīng)元的狀態(tài)只影響下一層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，如果輸出層不能得到期望輸出，就是實(shí)際輸出值與期望輸出值之間有誤差，那么轉(zhuǎn)入反向傳播過程，將誤差信號沿原來的連接通路返回，通過修改各層神經(jīng)元的權(quán)值，逐次地向輸入層傳播去。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行推理訓(xùn)練，并用動態(tài)結(jié)構(gòu)BP網(wǎng)絡(luò)校正現(xiàn)有的控制參數(shù)的方法，從而實(shí)現(xiàn)規(guī)則自組織，達(dá)到在控制過程中不斷優(yōu)化控制性能之目的。

3 超聲腫瘤熱療儀溫控系統(tǒng)程序編制

3.1 超聲腫瘤熱療儀溫控系統(tǒng)的程序設(shè)計要求

首先是統(tǒng)一性原則。超聲腫瘤熱療儀是為患者提供腫瘤治療服務(wù)的一種新型手段，其溫控系統(tǒng)運(yùn)行情況的好壞直接影響到最終的治療效果。因此溫控系統(tǒng)在程序設(shè)計上必須首先保證整體運(yùn)算的可靠性和準(zhǔn)確性，才能使得儀器在運(yùn)行過程中能夠面對復(fù)雜的人體內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的變化而正常運(yùn)行。由于熱療儀溫控系統(tǒng)涉及到的電子元件都是非常精細(xì)和縝密，因此程序的設(shè)計必須從整體上考慮元件之間信號傳輸和銜接問題，使得不同的元件能夠有效、有序地工作。

其次是可靠性原則。溫度是監(jiān)測超聲腫瘤熱療儀的最基礎(chǔ)、最重要的參數(shù)。從某種程度上說超聲腫瘤熱療儀的所有工作都是圍繞溫控系統(tǒng)而進(jìn)行的。溫控系統(tǒng)對于溫度的監(jiān)測和判斷是熱療儀進(jìn)行操作的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。因此系統(tǒng)程序編制必須保證數(shù)據(jù)在采集和傳輸時的可靠性，通過合理、有效的數(shù)據(jù)驗(yàn)證是保障溫控系統(tǒng)可靠性的重要方法。

最后是實(shí)時性原則。超聲腫瘤熱療儀溫控系統(tǒng)要求對腫瘤在治療過程中所發(fā)生的溫度變化實(shí)時采集并進(jìn)行分析和處理，以便能夠及時調(diào)整治療儀的功率，達(dá)到最可靠、最有效的治療效果。因此在溫控系統(tǒng)的程序設(shè)計時必須堅持實(shí)時性原則，對于采集到的數(shù)據(jù)在最短的時間內(nèi)進(jìn)行實(shí)時的檢驗(yàn)和校正，在傳輸數(shù)據(jù)的過程中也同樣盡可能避免由于程序重復(fù)運(yùn)行而造成的時間上的延誤。

3.2 超聲腫瘤熱療儀溫控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

超聲腫瘤熱療儀溫控系統(tǒng)是一個集成溫度采集、篩選、分析和控制的復(fù)合操作系統(tǒng)，因此是一個集成軟件和硬件的綜合系統(tǒng)。其主要結(jié)構(gòu)由溫度采集模塊、傳輸模塊、信號處理模塊和信號顯示模塊。溫度采集模塊即選用針式點(diǎn)偶傳感器進(jìn)入腫瘤內(nèi)部進(jìn)行實(shí)時性的溫度采集，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)校驗(yàn)，校驗(yàn)通過以后傳遞給傳輸模塊。傳輸模塊的作用主要是保障采集到的數(shù)據(jù)能夠在不同的電子元件和傳輸介質(zhì)之間快速、有效地傳輸。信號處理模塊則主要是用于對采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，從而做出有效的判斷和控制。信號顯示模塊是根據(jù)系統(tǒng)操作人員的需要將信號以波形或者其他的表示形式顯示到終端顯示器上。

3.3 上位機(jī)的程序設(shè)計功能

超聲熱療系統(tǒng)上位機(jī)完成溫度的各種圖形顯示、加溫控制的計算、控制數(shù)據(jù)的管理和通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)等功能，以使熱療儀各個子系統(tǒng)能夠正常、合理地運(yùn)行。上位機(jī)軟件不僅是整個超聲熱療系統(tǒng)的控制核心，而且是醫(yī)療人員在治療過程中進(jìn)行人機(jī)交互的主要手段，因此，它必須具備如下功能：

①參數(shù)設(shè)置.設(shè)置治療的時間、溫度、頻率、測量點(diǎn)、加溫單元；②溫度顯示.采用多種顯示方式，直觀形象地顯示實(shí)測溫度值；③功率控制；④數(shù)據(jù)通信.實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間各類數(shù)據(jù)的正確傳輸；⑤出錯控制.儀器故障或執(zhí)行非法操作時，提示出錯信息，進(jìn)行出錯處理。

為了能使這些功能協(xié)調(diào)運(yùn)行，必須對軟件的靜態(tài)、動態(tài)模型進(jìn)行合理規(guī)劃與設(shè)計。

[1]鮑蘇蘇，王鴻樟.高強(qiáng)度相控聚焦超聲腫瘤熱療儀與高精度相控實(shí)現(xiàn)[J].中國超聲醫(yī)學(xué)雜志，1997（5）:7-9.

[2]鮑蘇蘇，王鴻樟.高強(qiáng)度相控聚焦超聲腫瘤熱療儀研究和實(shí)現(xiàn)[J].樟聲學(xué)技術(shù)， 1996/（1）:39.

[3]須梅.高能聚焦超聲腫瘤熱療儀治療子宮肌瘤的護(hù)理[J].齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院學(xué)報，2002（12）:1407.

[4]姜峰，蔡雷，陳亞珠.基于ARM內(nèi)核的嵌入式腫瘤熱療系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報，2006（2）:123-127.