前列腺理疗机中测控温技术
作者：苗振魁 朱淑文 常录
单位：苗振魁 朱淑文 天津大学 (300072)；常录 南开大学 (300071)
关键词：前列腺理疗机；温度测量；温度控制；温场分布
提要 介绍了在前列腺理疗机中温度测量和温度控制的重点和难点 提要 介绍了在前列腺理疗机中温度测量和温度控制的重点和难点，讨论了本系统测温和控温方案及其特点，还简单介绍了利用有限的测温信号计算其热场分布方法及其控温特点。
Temperature Measurement and Control
in Prostate Therapy Apparatus
Miao Zhenkui Zhu Shuwen
, http://www.100md.com
Tianjin University
Chang Lu
Nankai University
ABSTRACT The importance and difficulties of the temperature measurement and control in Prostate therapy apparatus are discussses. Plans of the temperature measurement and control, and the characters of the clinical applications are compared. Finally the method of caculating the temperature distribution with few measurement signals and the advantages of using the adaptive generalized predictive control are expounded.
, 百拇医药
KEY WORDS Prostate therapy apparatus Temperature measurement Temperature control Temperature distribution
有关微波理疗机的治病机理、电路组成、工作原理等，作者已在文献[1]中论述过。几年来的科研、生产经验证明，微波理疗是门综合性很强的技术，有许多技术问题有待研究，其中微波场下的测控温技术就是一例。
1 测温技术的研究
温度测量是微波理疗中的关键技术。因为在微波理疗中，利用的是微波近场即强磁场。由于金属材料制成的测温探头在强磁场下将产生感应电流，对测温电路直接形成强大干扰；同时，由于热效应，使其自身温度升高，引起测量误差。而超高频的集肤效应，进一步加剧了自身温度的提高，使测温工作很难进行。为解决这一技术难题，可将测温探头与微波辐射器放入同一个治疗导管内，只测量治疗导管周围生物组织的温度， 这种方式是腔内理疗机行之有效的方式之一。
, 百拇医药
采用超小型珠状NTC热敏电阻，ФT=0.3mm，RT=620KΩ(25℃)；高阻值导线，ФL=0.2mm，RL=120KΩ/cm。该传感器抑制了微波场中的感应电流，避免了强微波场对测温造成的影响，可做到不停机测温。表1为实验结果。
表1 (热敏电阻/高阻导线)传感器
微波功率(W)
0
5
10
20
30
40
, 百拇医药
探头输入(mV)
0
0.15
0.43
1.34
2.25
3.10
由表1可见，该传感器产生的干扰小，其测温误差与微波机的输出功率有关，实际中要根据临床测温精度要求和实际使用微波辐射器额定功率大小来设计热敏电阻和高阻导线的标称值。
2 温场分布的研究
微波能量作用于生物组织后，形成了有效热疗温场分布。此温场与采用的辐射器的性质有关。
, http://www.100md.com
图1为被加热生物组织中的稳态温场分布[2]。
图1 温场分布图
(1)
其中，Kt导热系数(组织)；
Cb比热系数(血液)；
ρt密度(组织)；
ρb密度(血液)；
, http://www.100md.com
SAR(r,z)微波能量/单位体积
Tb体温。
边界条件和初始条件：
(2)
式中Tc冷水温度(冷却水)；
U等效换热系数。
当r=rm或Z=±hm;t=0时，T=Tb(3)
[rm穿透深度；hm=1.2h～1.5h]
, 百拇医药
利用实测温度和公式(1)、(2)、(3)就可以算出待加热组织的温场分布如图1所示。从图中可以获得有效热疗温场，为临床热疗提供了科学依据，应用于研制的理疗机中。
3 控温技术的研究
微波理疗机中温度的控制也是关键技术之一。上述研制的测温单元，在30℃～50℃范围内误差可做到±0.1℃的精度。这一精度对控温电路也提出了较高的要求。在研制的理疗机中采用PID控制[3]，得到了较好的控温效果，电路如图2所示。
图2 PID电原理图
对于运算放大器A2组成的比例-积分校正网络，写出传递函数如下：
, 百拇医药
T(s)=U02(s)/U01(s)=-Zf(s)/Z1(s) (4)其中Z1(s)=R4,Zf=-(R6/R4+1/SR4C2)R4
代入(4)式中得：
T(s)=-(R6/R4+1/SR4C2)(5)
考虑到1/s=…dt，在阶跌输入U01的作用下，U02(t)可写为：
U02=-[KpU0(t)9+U01(t).t/τ](6)
, 百拇医药
式中Kp=R6/R4比例系数
τ=R4.C2积分时间常数
U02(t)与U01(t)间的关系如图3所示。
图3 PID图象
上述测温、控温及温场分布的研究应用于开发的理疗机中，取得了满意的临床效果。但也有待改善和提高的地方，如：控温中也可采用广义预测控制(GPC)具有对过程模型要求低、综合控制质量高等特点的新技术。这都有待于进一步研究与实践。
参 考 文 献
1苗振魁等.TDW-1B微电脑控制微波理疗机的研制.中国医疗器械杂志.1993，(1)34～36.
2Guido Biffi Gentli,Eletromagnetic and Thermal Models of a Water Cooled Dipole Radiating in a Biological Tissue.IEEE Trans on Biomedical Engineering.1991;38(1):98～103
3康华光.电子技术基础.人民教育出版社出版，1979., 百拇医药
单位：苗振魁 朱淑文 天津大学 (300072)；常录 南开大学 (300071)
关键词：前列腺理疗机；温度测量；温度控制；温场分布
提要 介绍了在前列腺理疗机中温度测量和温度控制的重点和难点 提要 介绍了在前列腺理疗机中温度测量和温度控制的重点和难点，讨论了本系统测温和控温方案及其特点，还简单介绍了利用有限的测温信号计算其热场分布方法及其控温特点。
Temperature Measurement and Control
in Prostate Therapy Apparatus
Miao Zhenkui Zhu Shuwen
, http://www.100md.com
Tianjin University
Chang Lu
Nankai University
ABSTRACT The importance and difficulties of the temperature measurement and control in Prostate therapy apparatus are discussses. Plans of the temperature measurement and control, and the characters of the clinical applications are compared. Finally the method of caculating the temperature distribution with few measurement signals and the advantages of using the adaptive generalized predictive control are expounded.
, 百拇医药
KEY WORDS Prostate therapy apparatus Temperature measurement Temperature control Temperature distribution
有关微波理疗机的治病机理、电路组成、工作原理等，作者已在文献[1]中论述过。几年来的科研、生产经验证明，微波理疗是门综合性很强的技术，有许多技术问题有待研究，其中微波场下的测控温技术就是一例。
1 测温技术的研究
温度测量是微波理疗中的关键技术。因为在微波理疗中，利用的是微波近场即强磁场。由于金属材料制成的测温探头在强磁场下将产生感应电流，对测温电路直接形成强大干扰；同时，由于热效应，使其自身温度升高，引起测量误差。而超高频的集肤效应，进一步加剧了自身温度的提高，使测温工作很难进行。为解决这一技术难题，可将测温探头与微波辐射器放入同一个治疗导管内，只测量治疗导管周围生物组织的温度， 这种方式是腔内理疗机行之有效的方式之一。
, 百拇医药
采用超小型珠状NTC热敏电阻，ФT=0.3mm，RT=620KΩ(25℃)；高阻值导线，ФL=0.2mm，RL=120KΩ/cm。该传感器抑制了微波场中的感应电流，避免了强微波场对测温造成的影响，可做到不停机测温。表1为实验结果。
表1 (热敏电阻/高阻导线)传感器
微波功率(W)
0
5
10
20
30
40
, 百拇医药
探头输入(mV)
0
0.15
0.43
1.34
2.25
3.10
由表1可见，该传感器产生的干扰小，其测温误差与微波机的输出功率有关，实际中要根据临床测温精度要求和实际使用微波辐射器额定功率大小来设计热敏电阻和高阻导线的标称值。
2 温场分布的研究
微波能量作用于生物组织后，形成了有效热疗温场分布。此温场与采用的辐射器的性质有关。
, http://www.100md.com
图1为被加热生物组织中的稳态温场分布[2]。
图1 温场分布图
(1)其中，Kt导热系数(组织)；
Cb比热系数(血液)；
ρt密度(组织)；
ρb密度(血液)；
, http://www.100md.com
SAR(r,z)微波能量/单位体积
Tb体温。
边界条件和初始条件：
(2)式中Tc冷水温度(冷却水)；
U等效换热系数。
当r=rm或Z=±hm;t=0时，T=Tb(3)
[rm穿透深度；hm=1.2h～1.5h]
, 百拇医药
利用实测温度和公式(1)、(2)、(3)就可以算出待加热组织的温场分布如图1所示。从图中可以获得有效热疗温场，为临床热疗提供了科学依据，应用于研制的理疗机中。
3 控温技术的研究
微波理疗机中温度的控制也是关键技术之一。上述研制的测温单元，在30℃～50℃范围内误差可做到±0.1℃的精度。这一精度对控温电路也提出了较高的要求。在研制的理疗机中采用PID控制[3]，得到了较好的控温效果，电路如图2所示。
图2 PID电原理图
对于运算放大器A2组成的比例-积分校正网络，写出传递函数如下：
, 百拇医药
T(s)=U02(s)/U01(s)=-Zf(s)/Z1(s) (4)其中Z1(s)=R4,Zf=-(R6/R4+1/SR4C2)R4
代入(4)式中得：
T(s)=-(R6/R4+1/SR4C2)(5)
考虑到1/s=…dt，在阶跌输入U01的作用下，U02(t)可写为：
U02=-[KpU0(t)9+U01(t).t/τ](6)
, 百拇医药
式中Kp=R6/R4比例系数
τ=R4.C2积分时间常数
U02(t)与U01(t)间的关系如图3所示。
图3 PID图象
上述测温、控温及温场分布的研究应用于开发的理疗机中，取得了满意的临床效果。但也有待改善和提高的地方，如：控温中也可采用广义预测控制(GPC)具有对过程模型要求低、综合控制质量高等特点的新技术。这都有待于进一步研究与实践。
参 考 文 献
1苗振魁等.TDW-1B微电脑控制微波理疗机的研制.中国医疗器械杂志.1993，(1)34～36.
2Guido Biffi Gentli,Eletromagnetic and Thermal Models of a Water Cooled Dipole Radiating in a Biological Tissue.IEEE Trans on Biomedical Engineering.1991;38(1):98～103
3康华光.电子技术基础.人民教育出版社出版，1979., 百拇医药