热疗技术的发展及现状

    自从人类有了文明的历史，人们就从实践中懂得了用热来治疗疾病。我国古代的医生就用“砭石”和火来治疗疾病。进入60年代后，有人开始尝试对肿瘤用热疗。特别是意大利医师Cavaliere于1967年用体外循环隔离灌注的方法将血液加热后灌注患者肢体，治疗下肢骨肉瘤、滑膜肉瘤及黑色素瘤等得到较为满意的疗效。而进入70年代以来，许多放射学家转向对热生物学的研究。他们从分子水平、细胞水平、小动物水平、大动物水平，对热疗进行广泛深入地研究，给肿瘤热疗奠定了可靠的生物学基础。与此同时，为了适应临床治疗需要，一些物理学家也从事研制热疗设备，并取得了不小的成绩。
       肿瘤热疗的历史虽然可以追溯到100年以前或更远，但真正用科学的方法来研究它只有20多年的时间。肿瘤热疗可以说仍处于幼年阶段，正如20年代或30年代的放射治疗一样，目前尚没有一个满意的热疗工具，也没有一种满意的测温手段。至于肿瘤热疗剂量学也并不完备。可以说肿瘤热疗目前所存在的问题多于能够回答的问题。由于肿瘤热疗在临床上已显示了它突出的、良好的疗效，所以有越来越多的人从事这方面的研究。
我国于70年代中期便有人开始研究肿瘤热疗。1980年召开第一次全国肿瘤热疗学术会议。会议的内容不只限于临床研究，也有相当多的内容涉及热生物学及加热测温技术。热疗能否取得良好的疗效，不仅取决于临床医学和生物学，同时也需要工程技术人员的不懈努力。
热疗器械也在不断的发展，提供给热疗有力的物质上的基础。热疗器械在80年代—90年代中期一直以微波或射频为主，由于解剖的限制，超声热疗一直未能为热疗的主流产品，80年代前期用传统的技术研究加热物理及辐射器，80年代中后期SAR分布逐渐被广泛应用，依此改进辐射器的性能。主要机型为：RF8（日）,BSD1000(美).90年代，计算机技术，微波技术与控制技术相结合，产生了多元微波系统与多元超声系统。90年代末，热疗的观点从单一的追求43℃转向气化（﹥200℃），固化（﹥50℃，术中热疗、内镜组织间热疗），常规热疗（43℃左右）和亚高温（40—42℃）等多方面发展。
近年来，我国在全身热疗与区域性热疗、热疗灌注结合局部热疗等方面进行了有益的探索。我国的热疗机下一步应向多元、可调、自控的方向发展，预期不需要很长时间肿瘤热疗将成为肿瘤综合治疗手段之一，进入各大的肿瘤治疗中心，将受益于肿瘤患者。

1.3 肿瘤热疗中的控制技术问题

    当前最迫切需要解决的问题是：在灌注热疗系统中，按照被控对象的精度要求如何把温度控制在预定的温度范围内，即温度在42.5—43.5℃范围内。与此同时，又不引起附近正常组织严重的或永久性的损伤。
本文所讨论的灌注热疗系统，由于治疗的个体不同、治疗过程中病灶组织的变化、灌注时液体流动速度的变化及外界环境的变化等等，都能引起被控对象的变化。因此被控对象是不确定的，不能确定其精确的数学模型，且被控对象还具有时滞的特性，所以不能采用传统的控制理论对其进行控制。
智能控制的不断发展，对那些具有开放性、复杂性、多层次、多时标和信息模式的多样性、模糊性、不确定性的基本控制对象，提供了一个有力的控制工具。而智能控制是一个总的概念，它又可分为：（1）分级递阶智能控制系统，是在研究早期学习控制系统的基础上，并从工程控制论的角度总结人工智能与自适应、自学习合资组织控制的关系之后而逐渐形成的，是智能控制的最早理论之一；(2)专家控制系统，是一种已广泛应用于故障诊断、各种工业过程控制和工业设计的智能控制系统；（3）模糊控制系统，是一种正在兴起的能够提高工业自动化能力的控制技术。模糊控制系统是智能控制的一个十分活跃的研究领域。凡是无法建立数学模型或难以建立数学模型的场合都可以采用模糊控制技术；（4）神经网络控制系统。基于神经网络的控制器，其控制问题可以看作是一类模式识别问题。要识别的模式是一些关于手控的状态、输出或某个性能评价函数的变化信号。（5）内模控制系统。是一种基于过程数学模型进行控制器设计的新型控制策略。智能控制系统还包括除上述以外的很多种控制系统。它们都同属于智能控制，但又都有其不同的特点。对于本文所要研究的灌注热疗系统，根据其被控对象的特点，控制精度的要求等，采用了模糊控制算法。
方案设计

•主机控制可采用简单的控制仪表、单片机、PC机等，简单的控制仪表由普通运算放大器、电压比较器和可控硅组成，具有温度设置方便装调容易、成本低等优点；单片机对系统进行智能化控制，具有功能强、可编程、精度高等优点。PC机可在恶劣的工业环境下工作而且控制精度高运算能力强，但是价格比较昂贵。本文根据各方面综合考虑采用了单片机实现智能化控制。
•本文要检测的是温度，通常用于测温的温度传感器有以下几种类型：热敏电阻、电阻温度传感器（RTD）、热电偶、半导体温度传感器和集成温度传感器。热电偶利用冷热两端温差所产生的热电势大小反映被测温度使用范围-200～+2000℃，常用的区段是500℃以上高温。热电阻传感器利用金属导体的电阻值随其温度的升高而增大的原理使用范围-200～+500℃。热敏电阻温度传感器是其电阻值随温度升高而下降，适用-100～+300℃。半导体PN结传感器利用正向压降进行测温，适用于-50～150℃。集成温度传感器是将外界的温度变化转化为与之相应的电流变化信号，工作范围在-55～+150℃。数字式温度传感器是将测温信号转化为数字脉冲信号输出。本文从控制精度、适用范围和价格等方面考虑，采用数字式温度传感器。
•执行机构本文选的是微波加热电路，其工作原理是采用磁控管作微波振荡管，微波的频率选定为915MHz,当磁控管的工作点设置合理、内部振荡定时，微波可由谐振耦合到专门设计的圆形辐射器输出。
根据磁控管的工作原理，微波输出功率近似满足： P =   V  I 式中I 是磁控管内由阴极到达阳极的电子流形成的阳极电流, V 是加在磁控管阳极和阴极之间的高电压,I  V 是磁控管的输入功率, 是转换效率系数,可通过标定确定。一般在整个工作过程中，V 可通过对高压变压器的输入电压采取稳压措施而基本维持不变，微波加热电路输出功率波动主要由磁控管阳极电流的波动及热漂移所引起。因此，要调节和控制输出微波功率，只需调节与控制阳极电流I 即可。电路原理图如图2-2所示
    磁场线圈L1绕在磁控管的外围，磁场电源V 通过达林顿管组成的电路给磁场线圈L1提供励磁电流Im,它将在磁控管内部产生磁场，此磁场强度B与励磁电流Im成正比。当设计合理时，阳极电流Ia与磁场强度B有一种近似的反比关系，因此Ia与Im近似成反比。这样，可通过调节和控制励磁电流Im来实现调节和控制阳极电流Ia，从而达到调节和控制微波加热电路的输出功率的目的。图中的双光耦器件与运放LM358组成线性光耦合接口电路，正确设定R3、R4、R5、R6，可将单片机经输出通道输出的模拟控制电压V控线性地转换成光电流I控，通过分流T1的基极电流来控制磁场电流Im,进而实现对阳极电流Ia的控制。
•输出通道是要把单片机传送出来的数字信号转换成执行机构的控制信号，由于本文采用的是微波加热电路，所以输出通道选用D/A转换电路。根据控制要求选取了8位的D/A转换器。
•显示器常用的LED数码管和LCD液晶显示器。液晶显示器种类繁多，有笔段型、点阵字符型点阵图形型，可以显示字母、数字、符号、图形等。它功耗低、抗干扰能力强等优点，但是实现电路比较复杂要有相应的控制器和驱动器以及一定的空间的ROM和RAM来存储写入的命令和显示字符的点阵。相对来说数码管LED显示比较容易实现而且价钱便宜也能满足显示要求，所以本文采用LED的动态显示。
•在单片机测控系统发生故障或处于某种紧急状态时，单片机系统应能发出报警信号。本文根据需要采用了鸣音报警电路。