??? 摘? 要： 介紹了一種采用PC機(jī)、單片機(jī)、線性光耦合電路組成的控制系統(tǒng)及運(yùn)用增量式PID技術(shù)控制大功率UHR-915型微波熱療機(jī)輸出功率的方法。結(jié)果表明，在100～900W的范圍內(nèi)，可以將微波熱療機(jī)輸出功率的波動(dòng)控制在±10%以內(nèi)，大大低于國家標(biāo)準(zhǔn)所要求的≤±30%。
關(guān)鍵詞： 微波? 熱療機(jī) ?PID控制
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采用熱療的方法治療腫瘤和癌癥，已越來越廣泛地受到專家和學(xué)者的重視，臨床應(yīng)用也已經(jīng)收到很好的效果[1]。特別是近年來，大功率的射頻熱療機(jī)、超聲熱療機(jī)和微波熱療機(jī)相繼問世，掀起了一個(gè)應(yīng)用熱療的高潮。其中微波熱療機(jī)由于具有輻射能量的方向性好、加熱面能量分布均勻、有效透熱深度深、既可對(duì)腫瘤作局部熱療又可對(duì)患者作全身熱療等優(yōu)點(diǎn)而獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。但是，由于微波本身的特性，使得穩(wěn)定地產(chǎn)生、傳導(dǎo)和輸出大功率微波的技術(shù)和工藝相當(dāng)復(fù)雜。特別是負(fù)載(受熱體)和輻射器本身對(duì)微波的反射，有可能引起微波磁控管振蕩條件改變而導(dǎo)致輸出功率的漂移甚至振蕩等不穩(wěn)定現(xiàn)象。另一方面，由于大功率微波的強(qiáng)干擾，導(dǎo)致控制、測(cè)量系統(tǒng)與微波源的銜接十分困難。因此，現(xiàn)有的相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)[2]在這方面制定得比較寬松，它規(guī)定微波醫(yī)療設(shè)備的輸出功率波動(dòng)應(yīng)≤±30%。但即便如此，若沒有完善的控制電路和控制方法也是難以達(dá)到的。作者將PC機(jī)與單片機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合構(gòu)成測(cè)控系統(tǒng)，利用單片機(jī)及外圍的AD/DA器件作前端信號(hào)采集和控制輸出接口，后臺(tái)的PC機(jī)作圖形數(shù)據(jù)處理以及PID計(jì)算。為了減少微波源系統(tǒng)對(duì)單片機(jī)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的干擾，二者之間用光電隔離，并為此設(shè)計(jì)了線性光耦合電路。所有與微波源連接的通道都采用光電隔離，取得了很好的效果。
1 工作原理
微波熱療機(jī)采用磁控管作微波振蕩管，微波的頻率選定為915MHz，當(dāng)磁控管的工作點(diǎn)設(shè)置合理、內(nèi)部振蕩穩(wěn)定時(shí)，微波可由諧振耦合器和同軸電纜耦合到專門設(shè)計(jì)的圓形輻射器輸出。根據(jù)磁控管的工作原理[3]，微波輸出功率近似滿足：
式中，Ia是磁控管內(nèi)由陰極到達(dá)陽極的電子流形成的陽極電流，VH是加在磁控管陽極和陰極之間的高電壓，Ia·VH是磁控管的輸入功率，η是轉(zhuǎn)換效率系數(shù)，可通過標(biāo)定確定，不同的機(jī)器略有差別。一般在整個(gè)工作過程中，VH可通過對(duì)高壓變壓器的輸入電壓采取穩(wěn)壓措施而基本維持不變，微波熱療機(jī)輸出功率波動(dòng)主要由磁控管陽極電流的波動(dòng)及熱漂移所引起。因此，要調(diào)節(jié)和控制輸出微波功率，只需調(diào)節(jié)與控制陽極電流Ia即可。相關(guān)部分的電路原理圖見圖1。磁場(chǎng)線圈L1繞在磁控管的外圍，磁場(chǎng)電源V磁通過達(dá)林頓管組成的電路給磁場(chǎng)線圈L1提供勵(lì)磁電流Im，它將在磁控管內(nèi)部產(chǎn)生磁場(chǎng)，此磁場(chǎng)強(qiáng)度B與勵(lì)磁電流Im成正比。為了使磁控管電路工作穩(wěn)定，令陽極電流Ia流過也繞在磁控管外圍的線圈L2作為負(fù)反饋。當(dāng)設(shè)計(jì)合理時(shí)，陽極電流Ia與磁場(chǎng)強(qiáng)度B有一種近似的反比關(guān)系，因此Ia與Im近似成反比。這樣，可通過調(diào)節(jié)和控制勵(lì)磁電流Im來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)和控制陽極電流Ia，從而達(dá)到調(diào)節(jié)和控制熱療機(jī)微波輸出功率的目的。圖1下部的雙光耦器件TLP521-2與運(yùn)放LM358組成線性光耦合接口電路，正確設(shè)定R3、R4、R5和R6，可將單片機(jī)D/A通道輸出的模擬控制電壓V控線性地轉(zhuǎn)換成光電流I控，通過分流T1的基極電流來控制磁場(chǎng)電流Im，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)陽極電流Ia的控制。合理設(shè)定R7的值，使剛通電時(shí)T2飽和導(dǎo)通，Im最大，Ia近似為0，熱療機(jī)輸出功率為零。然后由操作者根據(jù)需要設(shè)定熱療機(jī)輸出相應(yīng)的微波功率。與實(shí)際微波功率對(duì)應(yīng)的陽極電流Ia由R1采樣，取得Va=Ia·R1，經(jīng)圖1上部的另一線性光耦合接口電路變換成與Va成正比的Vb提供給單片機(jī)的A/D接口電路，以實(shí)現(xiàn)對(duì)微波功率的測(cè)量。
??? 計(jì)算機(jī)、單片機(jī)系統(tǒng)的電路原理圖見圖2。PC機(jī)工作在WIN95/98操作系統(tǒng)下，系統(tǒng)軟件由Borland C++和FOXPRO for Windows混編而成。單片機(jī)采用 MCS51 系列的 8032，它通過串行通訊接口芯片MAX232與PC機(jī)的串口2相連。用于測(cè)量與輸出功率對(duì)應(yīng)的Vb的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用12位的AD574，它之前的運(yùn)算放大器OP-07是為了將Vb變換成AD574所要求的0～10V輸入電壓。將輸出數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬控制電壓V控的數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用8位的AD558，它的輸出設(shè)定為0～10V。調(diào)節(jié)R5和R6分壓電路的分壓比可以使V控的變化范圍滿足后面線性光耦合接口電路的需要。根據(jù)設(shè)計(jì)，實(shí)際工作時(shí)，UHR-915微波熱療機(jī)的輸出功率范圍為100～900W(國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定它不能超過900W)，這樣輸出功率測(cè)量的理論分辨率可達(dá)約0.2W，輸出功率控制的理論分辨率可達(dá)約3.1W。因此，即使考慮到實(shí)際過程中一些未定因素的影響，也應(yīng)能滿足功率波動(dòng)≤±10%控制精度要求。實(shí)踐表明確實(shí)如此。工作時(shí)，首先由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)定熱療機(jī)的輸出加熱功率，并將與此功率對(duì)應(yīng)的數(shù)字控制量V數(shù)控發(fā)送到單片機(jī)，由D/A通道輸出模擬控制電壓V控，而與熱療機(jī)實(shí)際加熱功率對(duì)應(yīng)的Vb則由A/D通道轉(zhuǎn)換成數(shù)字量Vp后測(cè)量。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，由PC機(jī)執(zhí)行PID計(jì)算，再將修正后的數(shù)字控制量V數(shù)控由D/A通道輸出，依此循環(huán)不斷。
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2 增量式PID控制的實(shí)現(xiàn)
工作前，應(yīng)首先通過定標(biāo)實(shí)測(cè)V數(shù)控、Vp、P輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系。方法是在定標(biāo)程序中，由鍵盤操作計(jì)算機(jī)從0依次增加輸出V數(shù)控 (二進(jìn)制整數(shù))到單片機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)D/A通道轉(zhuǎn)換成V控，使得陽極電流Ia(亦即Vb)及輸出功率P輸出相應(yīng)增加。Vb由A/D通道直接測(cè)量，并轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制整數(shù)Vp傳送回計(jì)算機(jī)。熱療機(jī)的實(shí)際輸出功率則須經(jīng)衰減器衰減后耦合到功率計(jì)進(jìn)行測(cè)量，所測(cè)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)庫文件儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)硬盤。當(dāng)熱療機(jī)實(shí)際工作時(shí)，操作者通過鍵盤設(shè)定輸出功率P設(shè)定，PC機(jī)根據(jù)P設(shè)定在定標(biāo)數(shù)據(jù)庫文件中查出相應(yīng)的V數(shù)控(V設(shè)定)發(fā)送到單片機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)D/A通道轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的V控，使熱療機(jī)啟動(dòng)功率輸出，單片機(jī)系統(tǒng)的A/D通道及時(shí)測(cè)量與熱療機(jī)的實(shí)際輸出功率對(duì)應(yīng)的Vb，并將它轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制整數(shù)Vp后傳送回計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)根據(jù)Vp在定標(biāo)數(shù)據(jù)庫文件中查算出對(duì)應(yīng)的實(shí)際工作功率P輸出，再查出與此實(shí)際功率對(duì)應(yīng)的V數(shù)控。為了區(qū)別計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)定功率主動(dòng)送出的V數(shù)控和由實(shí)測(cè)得到的V數(shù)控，特將后者設(shè)定為V數(shù)測(cè)。則輸出功率誤差ΔP=P輸出-P設(shè)定，計(jì)算機(jī)輸出的控制電壓誤差ΔV數(shù)=V數(shù)測(cè)-V設(shè)定。這樣，PC機(jī)每送出一個(gè)V數(shù)控，都可通過測(cè)量獲得與V數(shù)測(cè)，因而可計(jì)算輸出功率誤差和控制電壓誤差，為實(shí)現(xiàn)PID控制創(chuàng)造了條件。為了獲得較好的控制效果，減少控制振蕩幅度，消除發(fā)生飽和的危險(xiǎn)，特采用了增量式PID控制方式。設(shè)Kp為比例系數(shù)、Ki為積分系數(shù)、Kd為微分系數(shù)，則增量PID控制規(guī)律如式(2)、(3)所示[4][5]：
為了減小測(cè)量V數(shù)測(cè)的誤差，除在硬件上采用濾波和采樣保持電路外，在軟件上，每次測(cè)量V數(shù)測(cè)時(shí)均連續(xù)采樣10次，采用數(shù)字濾波，去掉2個(gè)最大值和2個(gè)最小值后，取中間6個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值作為V數(shù)測(cè)。理論上，V數(shù)測(cè)的采樣間隔越小，控制特性越好。但在熱療機(jī)實(shí)際工作過程中，整個(gè)系統(tǒng)還需執(zhí)行多路溫度測(cè)量和監(jiān)控以及各種狀態(tài)檢測(cè)等，使得測(cè)量V數(shù)測(cè)的間隔只能設(shè)定為0.2秒。在采用增量式PID控制后，陽極電流的波動(dòng)幅度和漂移速率均受到限制，因此這樣的采樣周期能夠滿足控制要求。但需要特別指出的是，對(duì)于不同的熱療機(jī)，微波電路特性略有差異，因此Kp、Ki、Kd沒有統(tǒng)一的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于每一臺(tái)機(jī)器，都需要反復(fù)地調(diào)節(jié)具體數(shù)值的大小，以便獲得令人滿意的控制效果。在這里，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)于縮短調(diào)試時(shí)間起著重要的作用。
微波熱療作為一門新興的治療腫瘤和癌癥的方法正方興未艾，特別是將它與化療和放療的方法相結(jié)合，取得了極好的臨床效果。經(jīng)測(cè)試，本熱療機(jī)輸出微波功率的波動(dòng)≤±10%，大大低于最新國家標(biāo)準(zhǔn)所要求的≤±30%。這表明本文介紹的電路和控制方法在控制大功率微波熱療機(jī)輸出功率穩(wěn)定性方面是有效的。
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參考文獻(xiàn)
1 李鼎九，胡自省. 腫瘤熱療學(xué). 鄭州：河南醫(yī)科大學(xué)出版社，1995
2 全國醫(yī)用電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)：醫(yī)用電器設(shè)備 微波治療設(shè)備專用安全要求
(GB9706.6-92). 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997
3 磁控管設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：電子管設(shè)計(jì)手冊(cè)編輯委員會(huì). 國防工業(yè)出版社，1979
4 李錫雄，陳婉兒，鮑 鴻，程良倫.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù).北京：科學(xué)出版社，1999
5 何忠克，李 偉.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng).北京：清華大學(xué)出版社，1998