基于MSP430的射频热疗系统设计
2013-03-16张思远韩醒之
张思远,王 迪,白 璐,韩醒之
（吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春,130026）
0 引言
据报道2000年我国恶性肿瘤发病人数为180～200万，死亡人数为140～150万，总死亡人数中死于恶性肿瘤者约占20%，且在过去30年，我国恶性肿瘤死亡率呈明显上升趋势。恶性肿瘤或将成为21世纪人类的第一杀手，已构成对公共卫生的巨大挑战。
肿瘤热疗是一种利用热的生物效应来治疗肿瘤的医学手段，通过物理的手段，对肿瘤进行加热使其被诱导凋亡或者直接热消融原位灭活。这种方法利用各种物理能量（如微波、射频和超声波等）在人体组织中沉积所产生的热效应，使组织稳定上升到有效治疗温度区域（41℃～45℃），并维持一定时间以达到杀死癌细胞又不损伤正常组织目的的一种治疗方法。它具有安全可靠、操作简单、术后恢复快的优势和特点。
实验表明，在42℃区域，温度相差1℃就可以引起细胞存活率的成倍变化。因此，热疗中温度精确控制具有十分重要的意义。
实现对温度的精确控制的前提条件是准确的测量加热部位的温度，常用的温度测量方式是有创测温，即利用探针在影像导引下（一般是超声或CT引导下）将温度敏感元件（热敏电阻、热电偶等）植入组织预定部位直接读取温度，对患者有一定的伤害。无创测温克服了上述缺点，且具有温度参数的读取受组织结构的影响小等优点。本系统采用了红外温度传感器MLX90615实现了对温度的非接触测量。PID 适用于需要进行高精度测量控制的系统，将测量的温度值和预先设定的温度值输入到PID调节单元，可自动演算出PWM波的占空比。
1 系统硬件设计
根据生物组织特点，选用射频信号作为加热的物理能量，并采用二极板容性加热方式。500kHz的射频信号与占空比可调的PWM波调制后作为输出信号控制全桥逆变电路，全桥电路与加热极板相接。硬件电路主要包括红外温度测量电路、MSP430控制器、调制电路、驱动电路、全桥斩波电路、电源系统控制键盘和液晶显示单元.
1.1 红外测温设计
MLX90615是高精度红外温度传感器，通过I2C总线输出温度值，分辨率为0.02℃，测量温度范围为-40℃～85℃，满足射频热疗的温度测量要求。
1.2 与门调制
射频加热的信号为500kHz的方波，将MSP430输出的PWM波与射频方波用74F08相与，输出的调制波形作为全桥逆变的控制信号。
1.3 光耦隔离和电路驱动
为了保护数字电路不受具有较高电压的全桥逆变部分的影响，选用光耦合6N137进行隔离。射频加热的电磁波频率较高，为了保证驱动信号不受MOS管的输入寄生电容的影响，采用了乙类互补对称功率放大器。SIG1和SIG2为调制信号。
1.4 全桥逆变电路
逆变电路是用开关管将直流电压变为交流电压的电路，采用全桥结构。电路如图4所示。直流电压为56V，由外部的开关电源提供。MOS管选用IRF640，S1和S2接加热极板。当M1和M4导通时，M2和M3截止，电流由M1流向M4；当M2和M3导通时，M1和M4截止，电流由M2流向M3。
2 系统软件设计
2.1 红外测温程序设计
MLX90615温度计算公式为：
通过I2C总线读出MLX90615 RAM中地址为0x07的16位数据，使用公式(1)即可算的温度值，主程序如下：
MLX90615_init();//初始化I2C总线电平
SlaveAddress=0x00＜＜1;
//设置MLX90615器件地址为0x00
command= 0x20| 0x07;
//设置读命令(0x20)和读地址(0x07)
data=MemRead(SlaveAddress,command);
//读取16位值
float temp=（float）data*2-27315/100;
//温度转换
2.2 MSP430 PWM程序设计
MSP430F149具有一个16位的定时/计数器，拥有3个捕捉/比较寄存器，可以提供占空比精确的PWM输出。寄存器设置程序如下：
TACCR0=10000;
//设置PWM输出频率为800Hz TACCTL1=OUTMOD2; TACCTL2=OUTMOD2;
//设置输出模式为触发/复位TACTL|=TASSEL1+MC0+MC1;
//设置时钟源8M和加减模式
TACCR1=duty1; //设置SIG1的占空比
TACCR2=10000-duty;
2.3 PID算法设计
数字PID具有调整方便，易于实现，控制精确等优点，被广泛应用于控制领域。离散PID的表达式为：
式中，u0为控制量的初始值，u(k)为控制输出量控制；Kp为比例放大系数，Ki为积分放大系数Kd为微分放大系数。
在本系统中，u0为初始化占空比控制量，e(i)第i次测量的温度值与设定温度值的差，u(k)为第k次PWM占空比的控制量，最大值为5000。PID程序如下：
float e_last=25.0;
float e_sum=0;
Kp=100;K i=16;Kd=10;
float e=temp- last_temp;
e_sum+=temp;
int u=(int)(Kp*e+Ki*e_sum+Kd*(e-e_last) +u0); //计算占空比
if(u＞=5000) u=4900;
//防止占空比超过50%，烧坏全桥电路
last_temp= temp;
e_last=e;
3 性能测试与结果分析
为了测试所设计的射频热疗系统测量与控制系统的性能，设计如下实验：
在室温条件下（25℃），取猪精瘦肉为加热对象，将铝质极板加在猪肉的两侧，加热极板的面积为10cm×10cm。在距离猪肉的中心上方5cm处放置红外温度传感器MLX90615测量实时加热温度。分别设置温度为42℃和44℃，使用本文研制的射频热疗系统对猪肉进行加热，每隔30秒钟记录显示的温度值。
从结果可以看出在4min时温度达到了设定值，但温度会继续上升，超过设定值，经过2min左右的调整后稳定在设定值。
4 结束语
本文简述了射频热疗的基本原理，设计了一种高精度非接触红外温度测量电路，采用PID算法对加热温度进行闭环控制，通过设定PWM的占空比改变加热的功率，从而实现对温度的精确控制。最后，使用从测试结果可以看出，所设计的射频热疗系统满足热疗要求。为了达到更好的温度场控制效果，用使用多个红外温度传感器测量温度，并进一步优化控制算法。
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