虚拟仪器环境下小型智能化超声热疗系统设计

作者:姜峰;白景峰;陈亚珠 刊名:生物医学工程学杂志 上传者:沈国秀

【摘要】小型智能化医疗仪器是当今生物医学工程领域研究热点之一,而LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)由于其本身固有的优点为实现该功能提供了非常便捷的环境。文中介绍了在LabVIEW环境下小型超声热疗治癌仪工作原理及系统构成。温度传感器采用T型热电偶,放大电路由两级构成,内置冰点补偿,提高了温度性能。通过设计专门电路产生控制信号驱动数据采集卡内置的可编程计数器/定时器8254芯片并适当编程产生脉宽调制(Pulsewidthmodulation,PWM)方波作为超声能量控制信号。文中详细阐述了人体组织内实时闭环温度控制算法以及超声治疗头水温控制这两个系统核心子模块的软件设计。根据系统特殊要求,在癌变组织温度控制子程序中,改进了比例积分微分(PID)算法,实现了对靶区组织温度的严格控制。实验证明系统设计可靠,PID算法改进合理,满足热疗治疗要求。

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1引言超声辐射热疗是一种通过计算机有控制地驱动多元阵列超声换能器发射超声波进行组织加温以综合利用超声的物理学、生物学效应原理治疗人体肿瘤的医疗技术,能治疗不同深度、不同部位、不同大小的肿瘤。由于其技术相对成熟、成本低廉以及对正常组织损伤小等优点在肿瘤治疗技术领域占有一定地位[1]。LabVIEW是一种基于G语言(Graphicslanguage,图形化编程语言)的革命性的图形化软件开发集成环境[2],为实现仪器小型化、降低成本提供了便捷的开发环境,在小型智能化生物医学仪器领域中有良好的应用前景。本文基于实验室虚拟仪器工程平台LabVIEW开发了一种小型智能化超声热疗系统,实验结果显示工作稳定、控制可靠,效果良好。2系统原理及硬件构成2.1工作原理整个热疗系统负责三部分智能化管理任务:(1)人体组织温度控制;(2)真空泵管理控制;(3)治疗头水位、水温控制以及储水箱水温控制。组织温度控制处于核心地位,实时高速监测癌瘤区域的组织温度,通过温度传感器后,经放大、滤波反馈回子系统中进行PID运算,输出电压占空比值(将高频控制信号能量量化后的数值),以精确控制超声功放发射合适强度的超声波束。治疗头和储水箱内的介质水是一个闭环回路系统,通过从现场反馈回来的水位信号经逻辑运算控制进、出水泵工作状态,实现水位控制;同时该子系统还负责监测循环水温,经逻辑运算后控制冷凝器工作状态达到冷却超声治疗头(Ultrasoundapplicator)的作用。真空泵管理控制负责在治疗开始前以及治疗过程中将循环水进行去气处理,以避免过多气泡造成超声波能量大幅衰减。2.2硬件结构系统硬件结构框图如图1所示,我们将虚线框内部分设计成一块集成控制电路板,通过I/O接口设备与工业计算机内的数据采集卡相连,以提高系统工作稳定性和可靠性。图1超声热疗治癌系统构成框图Fig1Structureblockofultrasoundhyperthermiasystem热疗系统硬件组成主要包括DAQ(DataAcquisition)系统、多通道温度检测系统、超声能量控制信号发生系统、功能驱动系统、密闭管道系统、真空泵六部分。DAQ系统基本功能包括模拟量输入、模拟量输出、数字和定时/计数等,同时必须支持LabVIEW环境。温度检测系统包括温度传感器探头、接口电路及放大电路三部分。本系统采用5路热电偶,4路用于实时采集病灶区多点温度信号,1路用于采集循环水温。接口电路将探头采集的微压信号低损耗地引入放大电路。放大电路由两级放大构成:第一级由带内置冰点补偿(built-inicepointcompensation)的热电偶放大器AD595及其外围电路构成,可将热电偶输出微电压放大到毫伏级;第二级采用AD620构成的高精度运放。能量控制信号发生电路以可编程计数器/定时器8254为核心,用方波发生电路产生2MHz方波,经过分频器产生62.5KHz和488Hz两个信号分别作为8254的计数时钟和门控信号,再配以软件控制可产生脉冲调制(PWM)信号以定量控制超声功率。功能驱动包括进、出水泵、加热器、冷凝器等部件驱动。为防止大电流冲击,在各驱动电路的输出端都进行光电隔离。密闭管道主要进行循环水处理,真空泵控制系统则负责对循环水去气。3PID建模及改进算法LabVIEW程序设计热疗系统从逻辑功能上可分为组织温度控制、真空泵处理、循环水控制处理三个功能子系统,其中温度控制是系统的关键。临床实践表明,理想的超声加热效果应该力求做到两点:(1)能精确地把全部癌瘤组织加热并控制到有效治疗温度范围内(4145),并维持一定时间(

参考文献

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