基于FPGA的射頻熱療系統(tǒng)的設計

楊新華 ，李潤春 ，王 鵬

(1.蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州730050；2.蘭州瑞德實業(yè)集團有限公司 瑞德高科，甘肅 蘭州730000)

腫瘤熱療采用加熱方法治療腫瘤，精確而言，這種治療方法是一種利用各種物理量（如微波、射頻和超聲波）在人體組織中沉淀所產(chǎn)生的熱效應，使組織溫度上升至有效治療溫度區(qū)域(41℃以上)，并維持一定的時間以達到既殺滅癌細胞又不損傷正常組織為目的的治療方法。它是繼手術、放療、化療和免疫治療后的第5種治療手段，尤其對局部腫瘤的控制作用往往是其他方法所無法比擬的[1]。

實驗表明，在42℃區(qū)域，溫度差 1℃就可以引起細胞存活率的成倍變化，因此，熱療中的溫度測量有著十分重要的意義?？梢哉f，熱療中能否準確測溫和精確控溫是取得療效的關鍵。

常用的溫度傳感器(如熱敏電阻等模擬類器件)存在非線性、參數(shù)不一致，器件更換時因放大器零漂問題而需對電路重新調試等問題。而對于溫度場的控制方法，多采用以CPU或單片機為核心的控制系統(tǒng)，這些以軟件方式控制操作和運算的系統(tǒng)速度顯然無法與純硬件系統(tǒng)相比，且可靠性不高。

針對以上兩個問題，本文采用高精度數(shù)字溫度傳感器DS18B20與可編程邏輯器件FPGA實現(xiàn)溫度測量與控制。DS18B20是由單片集成電路構成的單信號數(shù)字化溫度傳感器，突出優(yōu)點是可以將被測溫度直接轉化為數(shù)字信號輸出。經(jīng)電橋電路獲取電壓模擬量，再經(jīng)信號放大和模數(shù)轉換變成數(shù)字信號，避免了傳統(tǒng)傳感器的互換性差的問題。尤其在多點溫度檢測場合，在解決各種誤差、可靠性和實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化等方面，DS18B20與傳統(tǒng)溫度傳感器相比，有著無可比擬的優(yōu)越性。采用FPGA作為控制器，是由于它以純硬件實現(xiàn)控制，適應溫度場高可靠性的要求。另外，還可以使系統(tǒng)的器件數(shù)目大大減少，具有設計靈活、現(xiàn)場可編程、調試簡單和體積小等特點。

1 射頻熱療系統(tǒng)設計

根據(jù)腦膠質瘤的生物組織特點，選用射頻信號作為加熱的物理能量，并采用二極板容性加熱的方式，系統(tǒng)框圖如圖1所示。射頻信號的頻率為0.5 MHz，經(jīng)過500 Hz占空比可調的調制信號調制后輸出控制信號。FPGA作為控制器控制加溫的全過程，設定溫度通過控制面板向FPGA輸入，DS18B20對溫度進行測量，并且將實時數(shù)字測量值送回FPGA。FPGA將測量值與設定值進行比較，經(jīng)過控制算法的處理后，確定調制信號的占空比。控制信號經(jīng)過隔離電路與驅動電路加到工作極板上。極板間介質的加熱功率可通過調整500 Hz調制信號的占空比來控制。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 硬件整體結構

硬件電路主要包括 FPGA及其配置電路[2]、電源電路、光耦隔離電路、驅動電路、控制面板和顯示單元電路，框圖如圖2所示。

本設計使用的FPGA芯片是Altera公司ACEX 1K系列的EP1K30TC144-3，并采用了Altera公司提供的專用配置芯片EPC2對其進行數(shù)據(jù)配置；外部20 MHz的石英晶振為FPGA提供時鐘信號；ACEX 1K所需的2.5 V和3.3 V電壓由外部的5 V電源通過電源電路獲得；控制面板由撥碼開關和按鈕構成，指撥開關用來控制數(shù)碼管的顯示，按鈕用來向FPGA輸入設定溫度，為避免驅動電路對控制電路的干擾，采用1 MHz的高速光耦6N137進行隔離，控制對象的加熱功率由驅動電路中的56 V電源提供。

2.2 高精度數(shù)字溫度傳感器DS18B20

本設計采用的溫度傳感器是Dallas公司的1-Wire系列[3]高精度數(shù)字溫度傳感器DS18B20。1-Wire單總線是Dallas的一項專有技術，它采用單根信號線既傳輸時鐘又傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的。具有節(jié)省I/O口線資源、結構簡單、成本低廉、便于總線擴展和維護等諸多優(yōu)點，1-Wire單總線適用于單個主機系統(tǒng)，能控制一個或多個從機設備。

DS18B20提供9～12位精度的溫度測量；電源供電范圍是3.0 V～5.5 V；溫度測量范圍-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范圍內，測量精度是0.5℃;增量值最小可為0.062 5℃；將測量溫度轉換為12 bit的數(shù)字量最大需要750 ms。DS18B20可采用信號線寄生供電，不需額外的外部供電電壓。每個DS18B20有唯一的64 bit的序列號，這使得多個DS18B20可以在單一總線上工作。

3 系統(tǒng)軟件設計

全部軟件功能在Quartus II軟件平臺上使用混合編程的方法設計。功能框圖如圖3所示。指定溫度[4]通過外部的兩個按鈕式按鍵輸入，在FPGA內部對這兩個按鍵進行彈跳消除處理，因此完全可以用來計數(shù)。指撥電平開關Set用來對溫度設置進行控制，而Show_set是溫度顯示開關。系統(tǒng)時鐘由外部的20 MHz的石英晶振提供，經(jīng)過分頻處理得到500 kHz、占空比為50%的射頻信號和 500 Hz、占空比 0～40%可調信號，同時為 DS18B20提供同步信號。指定溫度和經(jīng)DS18B20測量得到的實際溫度經(jīng)過處理轉換成4位十進制以后，通過數(shù)碼管顯示其數(shù)值。根據(jù)指定溫度和實際溫度，由控制算法得到相應占空比的兩路帶死區(qū)的互補調制信號。射頻信號經(jīng)調制信號調制后，經(jīng)過光耦隔離電路和驅動電路，最后加到工作電容上。

3.1 控制算法的選擇和設計

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，控制算法由系統(tǒng)的數(shù)學模型確定。在本系統(tǒng)中，被控對象是患者的體內溫度，由于每個患者的情況各不相同(如腫瘤所在的人體部位、腫瘤大小和患者本身的高矮胖瘦無不是影響受熱溫度的因素)，對于這樣的不確定對象建立確定的數(shù)學模型是很困難的。因此，本熱療系統(tǒng)采用了模糊控制作為系統(tǒng)的控制算法。

3.2 射頻熱療模糊控制器的設計

理論上講，模糊控制系統(tǒng)所選用的模糊控制器維數(shù)越高，系統(tǒng)的控制精度也就越高。但是維數(shù)越高，模糊控制規(guī)律也越復雜，基于模糊合成推理的控制算法的計算機實現(xiàn)也就越困難。權衡精度要求與復雜度兩方面因素后，在射頻熱療溫度控制系統(tǒng)中，設計了兩種控制方案[5]：第一種采用以溫度偏差作為輸入，以 500 Hz調制信號（PWM波）的占空比數(shù)為輸出的一維模糊控制器結構；第二種采用以溫度偏差及溫度偏差變化率作為輸入、以500 Hz調制信號的占空比數(shù)為輸出量的二維模糊控制器結構。

3.2.1 單輸入、單輸出的一維模糊控制器

設溫度偏差 error=設定溫度T0-測量溫度Tt，它和輸出控制量即占空比數(shù)ratio的論域分別為E和R，因為設定溫度的范圍為40℃～45℃，測量溫度范圍為25℃～45℃，假設超調溫度不超過 5℃，那么 error的基本論域為[-5℃，+20℃]；R 的基本論域為[0，40%]。將 E分成 7個模糊子集，將R分成6個擋，采用IF E then R的模糊控制規(guī)則，即可得到相應的模糊控制規(guī)則表。

3.2.2 雙輸入、單輸出的二維模糊控制器

其結構框圖如圖4所示，輸入信號分別是溫度偏差和溫度偏差率，輸出信號是500 Hz PWM波的占空比數(shù)。設溫度偏差error=設定溫度T0-測量溫度Tt，而溫度偏差率=（此刻測量溫度-上一時刻的測量溫度）/時間間隔。令時間間隔為1 s，所以用此刻測量溫度與上一時刻的測量溫度的差值即可衡量溫差變化的幅度。因此令溫度偏差變化率rate=此刻測量溫度(Tt)-上一時刻的測量溫度(Tt-1)。偏差error的基本論域取為[-5℃，+20℃]，定義error所在的模糊集的論域為E，并將其劃分為10個模糊子集。rate的基本論域取為 [-0.25℃，+0.25℃]，定義rate所在的模糊集的論域為RT，并將其劃分為9個模糊子集，將輸出量即占空比數(shù)ratio所在的模糊集的論域R也劃分為9個模糊子集。采用IF E and RT then R的模糊控制規(guī)則，即可得到相應的模糊控制規(guī)則表。

4 溫度場測量與控制的實驗

4.1 實驗材料及方法

為了檢驗所設計的射頻熱療溫度場測量與控制系統(tǒng)的性能，設計了如下實驗：

(1)在室溫條件下(25℃)，取豬精瘦肉為加工對象[6]，將鋁質極板夾在豬肉兩側，并在豬肉的中心位置、距離中心位置4 cm處(記作邊緣)和表面各放置一個DS18B20測量實時加熱溫度。

(3)取三塊精豬肉(電導率為 σ=0.6 S/m)記作 A、B和 C，它們的體積分別為 10 cm×10 cm×5 cm(長×寬×高)、10 cm×9 cm×5 cm 和 8 cm×8 cm×4 cm；令功率電源電壓UDD=56 V，則可得到最大功率分別為242 W、215 W和193 W。兩個極板材料為鋁，面積為8 cm×8 cm。

(4)指定加熱溫度(40℃～45℃)對豬肉進行加熱，每隔1 min分別記錄一次中心、邊緣和表面溫度。

(5)對兩種控制算法（一維和二維）分別進行實驗。

4.2 實驗結果

4.2.1 用一維模糊控制器作算法的實驗結果

實驗一 加熱對象 A，指定溫度 40℃，記錄A中心和表面的加熱溫度，實驗結果如表1所示。

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從結果可以看出，在第7 min時A的中心溫度超過指定的溫度40℃，但溫度仍繼續(xù)升高到40.7℃，此后溫度逐漸下降，在第12 min時，溫度穩(wěn)定下來，在 39.9℃和40.0℃之間振蕩。而A的表面溫度沒有隨著加熱而變化，一直是25℃。

實驗二 加熱對象 A，指定溫度 41℃，記錄A中心和表面的加熱溫度，實驗結果如表2所示。

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從結果可以看出，在第6 min多時A的中心溫度達到指定的溫度41℃，但溫度仍繼續(xù)上升并在第7 min時達到最高溫度42.1℃，此后溫度逐漸下降，在第 10 min降到極小值41.0℃。然后溫度升高，在第12 min時穩(wěn)定在41℃。表面溫度仍未發(fā)生變化,保持在25℃。

4.2.2 用二維模糊控制器作算法的實驗結果

實驗三 加熱對象B，設定溫度分別為41℃、42℃、43℃、44℃和45℃。記錄B中心、邊緣和表面的加熱溫度，實驗結果如表3所示。

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從結果可以看出，在指定溫度為41℃、42℃和43℃時，中心溫度有超調現(xiàn)象，但超調量很小，均在0.2℃內。邊緣溫度隨著中心溫度的升高而上升，最高邊緣溫度是27.1℃（此時中心溫度為45.0℃），表面溫度沒有變化，仍為25℃。

實驗四 加熱對象C，設定溫度分別為41℃、42℃、43℃、44℃和45℃。記錄C中心、邊緣和表面的加熱溫度，實驗結果如表4所示。

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表4中，中心溫度超調最大時為0.5℃，且出現(xiàn)超調后，溫度下降的速度較快。邊緣溫度最高時為32.7℃。表面溫度沒有變化，仍為25℃。

4.3 實驗結果分析

(1)超調問題。從一維控制算法的實驗結果（實驗一和實驗二）可以看出，溫度超調量比較大，超出了1℃。而從二維控制算法的實驗結果（實驗三和實驗四）可以看出，溫度超調量比較小。均在0.5℃內；

(2)從A、B和C加熱時的表面溫度和邊緣溫度可以得出以下結論：

①加熱過程中，A、B和C的表面溫度沒有發(fā)生變化，均為 25℃；②不同加熱溫度時，邊緣溫度不同，且邊緣溫度的變化與中心溫度的變化是一致的；③同一加熱溫度時，3個不同體積的對象邊緣溫度不同，這正反映了熱療溫度場的溫度分布是從中心向表面呈梯度分布的。

(3)實驗過程中可能的影響因素：

①三塊豬肉的肉質，如含水量等存在差異；②極板與介質（豬肉）的接觸面緊密程度不一致，會引起電磁場阻抗的差異。

本文根據(jù)腦膠質瘤的組織特點，選用射頻容性加熱的方法，并針對常規(guī)的溫度傳感器互換性差和控制方法不穩(wěn)定的缺點，設計了使用高精度數(shù)字溫度傳感器DS18B20和可編程邏輯器件FPGA來實現(xiàn)射頻熱療溫度場測溫和控溫的系統(tǒng)。所設計的射頻溫度場溫度測量與控制的方法滿足熱療要求。為達到更好的溫度場控制效果，本射頻熱療系統(tǒng)還應加入四或六電極板的方法，以進一步優(yōu)化控制算法。

[1]周潤景，圖雅，張麗敏.基于 Quartus II的 FPGA/CPLD的數(shù)字系統(tǒng)設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009：354-405.

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