凹球面换能器加热治疗中温度控制方法研究

廖志远等

摘要 高强度聚焦超声（HIFU）治疗肿瘤是目前临床治疗的一种有效方法，治疗过程中组织内的温度控制十分重要.本文针对HIFU治疗过程中用时过长、超调、振荡等特性及控制延时的问题，提出了一种模糊控制方法以优化系统的控制性能.该方法采用Mamdani推理型模糊控制器代替传统的控制器，依据模糊控制规则控制凹球面换能器的输出声功率，实现对治疗区温度的精确控制.Matlab仿真结果表明，模糊控制的引入有效地缩短了治疗时间，避免了超调和振荡现象，且在声源参数不同的条件下均能获得理想的控制效果.该方法相对PID控制具有明显的优势，对提高HIFU疗效有重要意义.

关键词 凹球面换能器；热疗；模糊控制；PID控制；超声聚焦；温度

中图分类号 TP273⁺.4 文献标识码 A 文章编号 1000-2537（2014）01-0048-05

高强度聚焦超声（HIFU）治疗是目前国际超声治疗学领域中的一个研究热点，其原理是以超声波为能量载体，通过超声波对人体组织形成热效应、机械效应、空化效应，达到治疗或康复的目的，其最大的优势在于消除病灶的同时，尽可能不损伤周围正常组织，从而达到无创治疗[1].临床应用中，准确的聚焦、焦域的温度和超声辐照时间的控制相当重要，本文以凹球面自聚焦换能器为例，根据BHTE模型[25]，运用Matlab模糊控制进行仿真实验，得出不同条件下，模糊控制在凹球面自聚焦换能器温度场控制效果.由于HIFU治疗温度控制具有单向性，即只控制升温，降温靠自然冷却，且组织特性参数具有时变性，本文运用模糊合成推理方法设计模糊控制器，并在此基础上进行控制器的自调整算法设计，以提高系统控制精度.

4结束语

本文依据差分法求解Pennes生物传热方程，运用Matlab仿真分析了不同条件下模糊控制方法对凹球面自聚焦换能器加热的控制效果.仿真结果表明：声源初始声压越大，靶区达到目标温度所需要的时间越短；通过对比不同频率换能器仿真结果，可知该控制器能控制不同频率换能器输出使靶区达到目标温度；对比PID控制和模糊控制，可知模糊控制能有效缩短治疗时间，避免超调和振荡.

参考文献：

[1]钱盛友，刑达，孙福成，等.热疗用聚焦超声换能器的研究[J].应用声学， 2000，19（3）：223.

[2]尹昌，刘晓宙，龚秀芬，等.超声引起的双层生物组织中的温度场研究[J].中国生物医学工程学， 2009，28（1）：4247.

[3]毛彦欣，程建政，张德俊，等.凹球面HIFU换能器声焦域的位置和形状[J]. 中国超声医学杂志， 2004，20（7）：558560.

[4]DHIRAJ A， DANIEL C， TRENT P. Thermal dose control of ultrasound therapies using MR thermometry images： an invitro phantom study[C].American Control Conference， Porland， Oregon， America， 2005：405410.

[5]LU M Z， WAN M X， XU F， et al. Focused beam control for ultrasound surgery with sphericalsection phased array： sound field calculation and genetic optimization algorithm[J]. IEEE Trans Ultrason Ferroelect Freq Contr，2005，52（8）：12701290.

[6]胡继文，钱盛友.伪逆算法的改进及其用于相控阵激发声场的控制[J].系统仿真学报， 2010，22（5）：11111116.

[7]孙武军，张弥左，李文龙，等.高强度聚焦超声换能器温度场的数值仿真[J].生物物理学报， 2009，25（5）：366371.

[8]MATTI M， TOMI H， JARI P K. Thermal dose optimization method for ultrasound surgery[J]. Phys Med Biol， 2003，48（3）：745762.

[9]丁亚军，钱盛友，胡继文，等. 凹球面换能器在多层生物组织中的温度场仿真 [J].计算机工程与应用， 2011，47（36）：242244.

[10]李祖欣.MATLAB 在模糊控制系统设计和仿真的应用[J].系统仿真学报， 2003，15（1）：132134.

[11]张德丰.MATLAB模糊系统设计[M].北京：国防工业出版社， 2009.

[12]黄卫华，方康玲.模糊控制系统及应用[M].北京：电子工业出版社， 2012.

（编辑陈笑梅）

摘要 高强度聚焦超声（HIFU）治疗肿瘤是目前临床治疗的一种有效方法，治疗过程中组织内的温度控制十分重要.本文针对HIFU治疗过程中用时过长、超调、振荡等特性及控制延时的问题，提出了一种模糊控制方法以优化系统的控制性能.该方法采用Mamdani推理型模糊控制器代替传统的控制器，依据模糊控制规则控制凹球面换能器的输出声功率，实现对治疗区温度的精确控制.Matlab仿真结果表明，模糊控制的引入有效地缩短了治疗时间，避免了超调和振荡现象，且在声源参数不同的条件下均能获得理想的控制效果.该方法相对PID控制具有明显的优势，对提高HIFU疗效有重要意义.

关键词 凹球面换能器；热疗；模糊控制；PID控制；超声聚焦；温度

中图分类号 TP273⁺.4 文献标识码 A 文章编号 1000-2537（2014）01-0048-05

高强度聚焦超声（HIFU）治疗是目前国际超声治疗学领域中的一个研究热点，其原理是以超声波为能量载体，通过超声波对人体组织形成热效应、机械效应、空化效应，达到治疗或康复的目的，其最大的优势在于消除病灶的同时，尽可能不损伤周围正常组织，从而达到无创治疗[1].临床应用中，准确的聚焦、焦域的温度和超声辐照时间的控制相当重要，本文以凹球面自聚焦换能器为例，根据BHTE模型[25]，运用Matlab模糊控制进行仿真实验，得出不同条件下，模糊控制在凹球面自聚焦换能器温度场控制效果.由于HIFU治疗温度控制具有单向性，即只控制升温，降温靠自然冷却，且组织特性参数具有时变性，本文运用模糊合成推理方法设计模糊控制器，并在此基础上进行控制器的自调整算法设计，以提高系统控制精度.

4结束语

本文依据差分法求解Pennes生物传热方程，运用Matlab仿真分析了不同条件下模糊控制方法对凹球面自聚焦换能器加热的控制效果.仿真结果表明：声源初始声压越大，靶区达到目标温度所需要的时间越短；通过对比不同频率换能器仿真结果，可知该控制器能控制不同频率换能器输出使靶区达到目标温度；对比PID控制和模糊控制，可知模糊控制能有效缩短治疗时间，避免超调和振荡.

参考文献：

[1]钱盛友，刑达，孙福成，等.热疗用聚焦超声换能器的研究[J].应用声学， 2000，19（3）：223.

[2]尹昌，刘晓宙，龚秀芬，等.超声引起的双层生物组织中的温度场研究[J].中国生物医学工程学， 2009，28（1）：4247.

[3]毛彦欣，程建政，张德俊，等.凹球面HIFU换能器声焦域的位置和形状[J]. 中国超声医学杂志， 2004，20（7）：558560.

[4]DHIRAJ A， DANIEL C， TRENT P. Thermal dose control of ultrasound therapies using MR thermometry images： an invitro phantom study[C].American Control Conference， Porland， Oregon， America， 2005：405410.

[5]LU M Z， WAN M X， XU F， et al. Focused beam control for ultrasound surgery with sphericalsection phased array： sound field calculation and genetic optimization algorithm[J]. IEEE Trans Ultrason Ferroelect Freq Contr，2005，52（8）：12701290.

[6]胡继文，钱盛友.伪逆算法的改进及其用于相控阵激发声场的控制[J].系统仿真学报， 2010，22（5）：11111116.

[7]孙武军，张弥左，李文龙，等.高强度聚焦超声换能器温度场的数值仿真[J].生物物理学报， 2009，25（5）：366371.

[8]MATTI M， TOMI H， JARI P K. Thermal dose optimization method for ultrasound surgery[J]. Phys Med Biol， 2003，48（3）：745762.

[9]丁亚军，钱盛友，胡继文，等. 凹球面换能器在多层生物组织中的温度场仿真 [J].计算机工程与应用， 2011，47（36）：242244.

[10]李祖欣.MATLAB 在模糊控制系统设计和仿真的应用[J].系统仿真学报， 2003，15（1）：132134.

[11]张德丰.MATLAB模糊系统设计[M].北京：国防工业出版社， 2009.

[12]黄卫华，方康玲.模糊控制系统及应用[M].北京：电子工业出版社， 2012.

（编辑陈笑梅）

摘要 高强度聚焦超声（HIFU）治疗肿瘤是目前临床治疗的一种有效方法，治疗过程中组织内的温度控制十分重要.本文针对HIFU治疗过程中用时过长、超调、振荡等特性及控制延时的问题，提出了一种模糊控制方法以优化系统的控制性能.该方法采用Mamdani推理型模糊控制器代替传统的控制器，依据模糊控制规则控制凹球面换能器的输出声功率，实现对治疗区温度的精确控制.Matlab仿真结果表明，模糊控制的引入有效地缩短了治疗时间，避免了超调和振荡现象，且在声源参数不同的条件下均能获得理想的控制效果.该方法相对PID控制具有明显的优势，对提高HIFU疗效有重要意义.

关键词 凹球面换能器；热疗；模糊控制；PID控制；超声聚焦；温度

中图分类号 TP273⁺.4 文献标识码 A 文章编号 1000-2537（2014）01-0048-05

高强度聚焦超声（HIFU）治疗是目前国际超声治疗学领域中的一个研究热点，其原理是以超声波为能量载体，通过超声波对人体组织形成热效应、机械效应、空化效应，达到治疗或康复的目的，其最大的优势在于消除病灶的同时，尽可能不损伤周围正常组织，从而达到无创治疗[1].临床应用中，准确的聚焦、焦域的温度和超声辐照时间的控制相当重要，本文以凹球面自聚焦换能器为例，根据BHTE模型[25]，运用Matlab模糊控制进行仿真实验，得出不同条件下，模糊控制在凹球面自聚焦换能器温度场控制效果.由于HIFU治疗温度控制具有单向性，即只控制升温，降温靠自然冷却，且组织特性参数具有时变性，本文运用模糊合成推理方法设计模糊控制器，并在此基础上进行控制器的自调整算法设计，以提高系统控制精度.

4结束语

本文依据差分法求解Pennes生物传热方程，运用Matlab仿真分析了不同条件下模糊控制方法对凹球面自聚焦换能器加热的控制效果.仿真结果表明：声源初始声压越大，靶区达到目标温度所需要的时间越短；通过对比不同频率换能器仿真结果，可知该控制器能控制不同频率换能器输出使靶区达到目标温度；对比PID控制和模糊控制，可知模糊控制能有效缩短治疗时间，避免超调和振荡.

参考文献：

[1]钱盛友，刑达，孙福成，等.热疗用聚焦超声换能器的研究[J].应用声学， 2000，19（3）：223.

[2]尹昌，刘晓宙，龚秀芬，等.超声引起的双层生物组织中的温度场研究[J].中国生物医学工程学， 2009，28（1）：4247.

[3]毛彦欣，程建政，张德俊，等.凹球面HIFU换能器声焦域的位置和形状[J]. 中国超声医学杂志， 2004，20（7）：558560.

[4]DHIRAJ A， DANIEL C， TRENT P. Thermal dose control of ultrasound therapies using MR thermometry images： an invitro phantom study[C].American Control Conference， Porland， Oregon， America， 2005：405410.

[5]LU M Z， WAN M X， XU F， et al. Focused beam control for ultrasound surgery with sphericalsection phased array： sound field calculation and genetic optimization algorithm[J]. IEEE Trans Ultrason Ferroelect Freq Contr，2005，52（8）：12701290.

[6]胡继文，钱盛友.伪逆算法的改进及其用于相控阵激发声场的控制[J].系统仿真学报， 2010，22（5）：11111116.

[7]孙武军，张弥左，李文龙，等.高强度聚焦超声换能器温度场的数值仿真[J].生物物理学报， 2009，25（5）：366371.

[8]MATTI M， TOMI H， JARI P K. Thermal dose optimization method for ultrasound surgery[J]. Phys Med Biol， 2003，48（3）：745762.

[9]丁亚军，钱盛友，胡继文，等. 凹球面换能器在多层生物组织中的温度场仿真 [J].计算机工程与应用， 2011，47（36）：242244.

[10]李祖欣.MATLAB 在模糊控制系统设计和仿真的应用[J].系统仿真学报， 2003，15（1）：132134.

[11]张德丰.MATLAB模糊系统设计[M].北京：国防工业出版社， 2009.

[12]黄卫华，方康玲.模糊控制系统及应用[M].北京：电子工业出版社， 2012.

（编辑陈笑梅）