（机械电子工程专业论文）腹腔热灌注系统的设计与研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 腹腔热灌注化疗是近年来为防治腹腔恶性肿瘤，尤其是胃肠癌术后腹腔复 发和肝转移所采用的一种新技术。其作用机理主要是通过高温杀死肿癯细胞， 结合化疗，提高化疗药物的增敏性，并且利用大容量灌洗的机械冲刷效应，达 到清除腹腔内肿瘤细胞的目的。 本文在研究肿瘤腹腔灌注热疗机理的基础上，参考了国内夕 其他一些热疗 设备和灌注设备，并且结合众多医生的经验和对系统的性能要求，提出了整套 熟灌注系统的总体设计方案。本文所讨论的腹腔热灌注系统主要由加热源、制 冷源、循环管路、蠕动泵、温度测量和检测部分以及控制部分组成。 温度控制精度是本文研究的重点。传统的p i d 控制虽然具有动态性能好的 优点，但需要知道被控对象的精确的数学模型。模糊控制虽然不需要知道被控 对象的数学模型。但是需要很多控制经验来支持，而对于本套系统来说，这些 控制的经验数据相当缺乏，故不能采用模糊控制。神经控制能够解决被控对象 具有时滞的特性，不需要建立在精确的数学模型的基础上，并且具有自学习、 自适应的能力。本文所讨论的灌注热疗系统，由于治疗的个体不同、治疗过程 中病灶组织结构的变化、灌注时液体流动速度的变化及外界环境的变化等等， 都能引起被控对象的变化。因此被控对象是不确定的，不能确定其精确的数学 模型，且被控对象还具有时滞的特性，所以不能采用传统的控制理论对其进行 控制。针对被控对象的特性，结合各控制算法的优点，本文给出了单神经元p s x 2 玺鎏三些查兰三兰堡圭兰堡鎏兰 l ( e y w 叫d sh y p e n l l e m i cp e r i t o n e a lp 耐h s i o n ，t e m p e r a n 玳c o n 仰1 ，n e u m na d a 埘v e p s dc o n t r 0 1 i i i 堕玺篓三竺銮耋三兰竺圭兰簦篓兰 的浓度大大高于体循环的浓度，可达数倍到上百创9 1 ，高浓度抗癌药可直接杀 灭和消除腹腔内游离癌细胞和残存微小病灶1 1 0 】。体循环药物浓度低，可减少或 避免全身毒副作用。( 3 ) 抗癌药与热疗具有协同作用，热能促进化疗药与癌靶细 胞结合，并使其活性增强；热可改变癌细胞膜透性，有利于一些化疗药渗入肿 瘤细胞内，增强其作用；热能增加某些抗癌药与癌细胞d n a 交联，增强对癌细 胞杀伤作用；热还能抑制化疗后肿瘤细胞的修复。c h p p 充分利用了热与抗癌 药的协同作用。( 4 ) 大容量灌注能使化疗药液充分与腹腔内脏器官及腹膜接触， 通过机械冲刷作用，可直接清除腹腔内游离癌细胞。 1 1 2 热疗的方法 把肿瘤组织加热到合适温度是保证热化疗法疗效的重要前提之一。对于浅 表肿瘤、中等深度的肿瘤及腔道内肿瘤，微波、射频及超声等加热方式就能满 足热化疗的需要。但对于深部组织( 例如肝脏) 肿瘤，用微波、射频及超声等加热 时，由于其能量进入肌肉组织后急剧衰减、血流所致降温作用及体外局部加温 温度分布由中心向边缘缓慢下降等因素影响，加温效果欠佳。因此，如何把深 部组织肿瘤有效地加热到治疗温度( 4 l 4 5 ) 是热化疗法的难点之一。热盐水加 化疗药物灌注( 介入性热化疗) 则为深部肿瘤热化疗提供了一种新途径。 1 1 2 1 微波热疗微波加热是应用较早而且应用最广的一种加热方法。通常把 频率为3 0 0m h z 3 0 0 0m h z 的电磁波称微波。微波主要以波动形式进入体内， 在不同性质介质传播时被吸收而衰减，在界面处易产生反射和折射，使大部分 能量在体表附近。因此，微波加温只适合于体表浅部位和腔内加温。微波加温 的优点是无脂肪过热，加温效率较好。缺点是加温深度有限，金属性测温探针 因微波干扰不能使用，增加了测温的有创性1 。 1 1 2 2 射频热疗通常将低于1 0 0m h z 频率的电磁波称为射频。射频容性加温 是将加温部位置于2 个极板之间，形成以人体组织为介质的等效电容，通过在 极板加射频，使射频电流通过人体组织产生焦耳热和介电损耗热。射频加温优 点是加温深度比微波深，可用于治疗深部肿瘤，缺点是电场分布较发散，难以 做到均匀加温，易引起脂肪过热和疼痛，多属性测温探针不能使用，增加了测 温的有创性有测温的难度【i 。 1 1 2 _ 3 超声热疗超声热疗应用也比较早。离体和在体实验均表明【l “，超声可 杀灭肿瘤细胞，破坏肿瘤组织，抑制肿瘤增殖。在超声治疗肿瘤的作用机制中， 热效应和空化效应是两个主要因素【1 6 l 。超声波通过介质时与介质界面发生摩擦， 堕玺鎏三兰銮兰王兰堡圭兰堡鎏兰 以及介质对超声波能量的吸收，而使介质局部温度升高。用于肿瘤加热治疗的 超声波频率为0 5m h z 5m h z 。用于加热治疗的超声探头有平板型和聚焦型两 种。平板型单个超声的加热深度为2 3c n l ，适用于表浅肿瘤的加热。高强度超 声聚焦加温m i f u ) 具有穿透深、强聚焦、无创伤或创伤很小等特征，从而为体 内肿瘤、尤其是深部肿瘤的热疗提供新方法【1 7 1 9 】。 1 1 2 4 灌注热疗热灌注疗法是一种介入性疗法，这种治疗方法采用体外加热 的装置，把预热到3 7 的生理盐水和化疗药物通过蠕动泵灌注到腹腔内并保持 循环，通过控温系统监测出水口、入水口和体腔内的温度，确保腔内的温度保持 在4 1 4 5 之间，并持续一个小时以上，从而达到杀死腔内肿瘤细胞的目的。 c h p p 自2 0 世纪8 0 年代首次应用于临床后，作为一个新的治疗途径，已越来 越受到重视。通过温热、低渗及化疗药物等几大因素的相互协同作用不仅可以 杀灭腹腔内游离癌细胞而且能使静脉系统和肝脏内维持较高药物浓度预防肝转 移，提高患者的生存率，临床应用前景极为广阔。 1 1 3 灌注热疗中的温度控制技术 在灌注热疗过程中最迫切需要解决的问题是：在确保对邻近正常组织的热 损伤最小，同时避免组织碳化的基础上，使被治疗组织的温度应在期望值附近 的波动最小。 p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其原理简单，物理意义明 确，鲁棒性好，稳定性高，运用经验成熟等而广泛地应用于各种过程控制之中。 但是，在存在多变量藕合、时变、大时滞、强干扰等复杂动态特性的系统中， p i d 很难获得理想的控制效果，甚至产生不稳定。因此，有必要对p i d 的控制 机理进行全面的分析，并对在上述场合中的应用提出改进的办法。 p i d 控制中的一个关键问题是p d 参数整定，传统的整定方法是在获得被 控对象数学模型的基础上按照某种整定原则来进行p d 参数值的整定。而实际 的控制系统往往具有非线性，时变不确定性，难以建立精确的数学模型，应用 常规的p i d 控制不能达到理想的控制效果。另外，从结构上看p i d 控制器虽然 最简单，但并非最优，在克服较大扰动影响，提高系统动态品质等方面，光靠 调整参数难以获得满意的控制效果。因此，有必要在全面分析的基础上，对p d 控制器进行结构上的改进。 p i d 控制器参数自整定是一种依赖对被控过程动态特性的识别，自动计算 p i d 参数，其控制器参数是在系统辩识或对象特性参数识别的基础上，由自整 哈尔滨工业太学丁学硕士学位论文 定机构自动地予以整定。因此，当对象特性系统运行条件发生变化时，自整定 机构能够自动地予以启动，实现控制器参数的重新整定，进而保证控制过程的 顺利进行，与常规p i d 控制器相比具有显著的优越性。从目前的资料和应用情 况看，p i d 参数自整定的方法主要归结为以下三大类 旧。伽：一是辩识方法，二是 在线模式识别方法，三是基于知识推理的方法。 ( 1 ) 辩识方法设计p i d 控制器必须要知道模型，而辩识是最有力的工具， 这是参数整定最根本的出发点。根据辩识方法和内容不同，可以分为下面两类： 一类是辩识模型传递函数，另一类是辩识闭环系统的临界增益和周期。 许多基于精确模型的整定方法，如根轨迹法、频率特性、极点配置法、基 于鲁棒性方法、自适应方法等，都必须辩识对象的广义模型，一般的方法是通 过加入阶跃信号测得响应曲线，然后求得一阶或二阶的近似模型，在此基础上 设计p i d 控制器参数等等。为了实现p i d 参数的自动整定，尤其是当实际过程 具有非线性，时变等特性时，必须采用实时辩识的方法，亦称递归辩识。这种 方法的缺陷是在实际运用时，它的测试时间比较长( 理论上卜一是最理想的) ， 同时必须对控制对象有粗略的认识，在实际运用时有一定的复杂性。 如果可以找到既能描述对象的本质特性，在物理上又易于实现，并能方便 地实现参数设计的方法，则可以免除测量模型带来的麻烦，通过测取比例控制 时闭环系统的 增益和周期。 ( 2 ) 模式识别方法这种模式识别的思想根据实际响应波形，抽取出一些能 表征系统的特征值，由此来判断系统的动态特性，进而调整控制器参数，即将 波形分析与人工智能结合起来，这一思想开辟了p 参数整定的一条新路，在 实际过程中，己取得很大的成功。这种思想被许多人所接受，并获得了很大发 展。根据波形，可以抽取不同的特征描述量，从不同的角度进行p i d 参数的整定。日本的y n i s l l l 【a w a 和n s a i l n o m i y a 等人 2 2 睬用输出响应波形的误差绝对值积分( i t a ) 、误差平方积 分( i s a ) 和时问加权绝对值积分( r m ) 等指标来评价p d参数，并根据这些值来调节 参数【2 3 纠。该方法特点是不用对系统模型进行辩识， 节省时间，而且能够适应过程的变化，对于非线性、变结构的系统有效，这种 方法在过去的几十年中取得了很大的应用成就。但是，该方法是模仿入的调节 行为，即在波形产生以后再作修改，相当于有了错误再改正一样，而在实际过 里尘蒌三兰銮耋三耋璧当耋竺篓兰 设定中，对于真正的过程运用显然是有一定的危险的。 ( 3 ) 基于知识推理的方法在许多情况和场合中，p i d 控制器的参数整定是 由经验丰富的工程师完成的，他们根据以往的经验，观察输出波形以决定参数 的调整方向。这些经验多是在实际工作中积累产生的，不同于书本知识，移值 性和推广性较差。如果能把这些经验，通过某种方式在机器上实现，则可以更 方便地实现参数的整定。 近年来，由于计算科学、认识科学、细胞神经学等理论的发展，人工智能、 专家系统、神经网络等有关智能控制策略，在理论上取得了一系列重大突破， 并由此波及到控制理论，这些理论的成就已被广泛地引入控制领域。智能控制 以其解决问题的特殊方法，日益引起人们的重视。其中模糊数学、神经元网络、 专家系统成为解决控制难题的新方法，并在应用中取得了可喜的成就【2 5 1 。 模糊控制的最大优点是不依赖于对象的精确模型，能够克服非线性因素对 控制系统的影响，对被调节对象的变化有着较强的鲁棒性。 专家系统的特点是能够运用逻辑知识，将专家的知识收集整理，形成知识 库。运用的时候，通过推理机构得出控制的动作。它完全是一种仿人智能控制 系统，知识库内容的多少取决于对专家知识的了解范围和理解程度。它又是一 个可以不断更新和发展的系统，通过知识库和推理机构不断发展而得以实现。 神经元网络本质上是一个超大规模的非线性连续时间自适应信息处理系 统，它能实现前二者的部分功能，相比较而言，它更符合人们的直观思维。神 经网络的特点是，能够充分逼近任意复杂的非线性系统；能够学习与适应严重 不确定性系统的动态特性；所有定性与定量的信息都分布存储于网络的各个神 经元，故有极强的容性与鲁棒性；采用并行信息处理方法，可以进行快速大量 的运算，这些特点显示了神经网络在解决高度非线性和严重不确定性系统的控 制方面具有巨大的潜力。由于神经网络具有以上特点，故把 x ：至鎏王些盔耋三耋鎏圭耄竺鎏兰 成一种“纠正动作”，即当问题出现以后再作调整，对于问题的产生过程是不能 立即响应的，需要检铡出峰值后才能进行调整。它们都没有实现真正意义上的 自整定。 第二，实际意义上的自整定。 根据实际系统的响应情况，做出超前的动作，以有效地处理可能出现的问 题，如超调量过大，响应时间过长等。对于干扰而言，当它刚刚出现的时候， 引起了系统偏差，控制器立即检测到并且动作，调整p d 参数值，有效地消除 可能产生的震荡，控制效果变差等问题。 目前的白整定方法大都属于第一种情况，无论是辩识的方法还是模式识别 的方法或是基于知识推理的方法，到目前为止都还没有实现真正的自适应。在 许多情况下，p i d 控制器如何实现真正意义上的自整定这个问题被人们所忽视， 但是随着控制的发展和控制要求的提高，这问题应当被提出来，并且要求进 行深入的研究，本论文就在这方面进行了一些粗浅的探索。 1 。2 本文的主要研究内容 本文讨论的是热疗系统中的一种：热灌注治疗系统( 热灌注治疗系统可以结 合化疗共同进行治疗) 。而本文主要致力于整个系统的机械结构的设计、系统的 硬件构建、治疗时温度的控制和算法的探讨以及人机界面的开发等工作，并通 过动物活体实验验证了它的可行性。 主要完成的工作有： f 1 1 系统的总体方案设计：提出一整套切实可行灌注热疗系统的实现方案； ( 2 ) 性能设计：机械结构设计、系统硬件的构建、软件界面的设计、温度控 制算法的研究等； ( 3 ) 冗余设计：系统可实现手动和自动控制，当自动控制出现问题时，可切 换到手动控制模式： f 钔系统的抗干扰设计； ( 5 1 安全设计：电气安全性设计。 1 3 本文结构 论文的主要研究工作的具体章节安排如下： 第一章绪论，简要的介绍了肿瘤热疗的生物学基础、热疗的方法以及热疗 堕玺鎏三兰銮兰王兰堡圭兰堡鎏兰 以及介质对超声波能量的吸收，而使介质局部温度升高。用于肿瘤加热治疗的 超声波频率为0 5m h z 5m h z 。用于加热治疗的超声探头有平板型和聚焦型两 种。平板型单个超声的加热深度为2 3c n l ，适用于表浅肿瘤的加热。高强度超 声聚焦加温m i f u ) 具有穿透深、强聚焦、无创伤或创伤很小等特征，从而为体 内肿瘤、尤其是深部肿瘤的热疗提供新方法【1 7 1 9 】。 1 1 2 4 灌注热疗热灌注疗法是一种介入性疗法，这种治疗方法采用体外加热 的装置，把预热到3 7 的生理盐水和化疗药物通过蠕动泵灌注到腹腔内并保持 循环，通过控温系统监测出水口、入水口和体腔内的温度，确保腔内的温度保持 在4 1 4 5 之间，并持续一个小时以上，从而达到杀死腔内肿瘤细胞的目的。 c h p p 自2 0 世纪8 0 年代首次应用于临床后，作为一个新的治疗途径，已越来 越受到重视。通过温热、低渗及化疗药物等几大因素的相互协同作用不仅可以 杀灭腹腔内游离癌细胞而且能使静脉系统和肝脏内维持较高药物浓度预防肝转 移，提高患者的生存率，临床应用前景极为广阔。 1 1 3 灌注热疗中的温度控制技术 在灌注热疗过程中最迫切需要解决的问题是：在确保对邻近正常组织的热 损伤最小，同时避免组织碳化的基础上，使被治疗组织的温度应在期望值附近 的波动最小。 p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其原理简单，物理意义明 确，鲁棒性好，稳定性高，运用经验成熟等而广泛地应用于各种过程控制之中。 但是，在存在多变量藕合、时变、大时滞、强干扰等复杂动态特性的系统中， p i d 很难获得理想的控制效果，甚至产生不稳定。因此，有必要对p i d 的控制 机理进行全面的分析，并对在上述场合中的应用提出改进的办法。 p i d 控制中的一个关键问题是p d 参数整定，传统的整定方法是在获得被 控对象数学模型的基础上按照某种整定原则来进行p d 参数值的整定。而实际 的控制系统往往具有非线性，时变不确定性，难以建立精确的数学模型，应用 常规的p i d 控制不能达到理想的控制效果。另外，从结构上看p i d 控制器虽然 最简单，但并非最优，在克服较大扰动影响，提高系统动态品质等方面，光靠 调整参数难以获得满意的控制效果。因此，有必要在全面分析的基础上，对p d 控制器进行结构上的改进。 p i d 控制器参数自整定是一种依赖对被控过程动态特性的识别，自动计算 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图中h g 加热器； c 廿一半导体制冷器： t o _ 一外循环热交换区水的温度； t 1 1 内循环药液进入动物体前的温度； t 1 0 内循环药液流出动物体后的温度； f i 内循环药液的流量； t l t s 人体五个重要部位的温度； m ，外循环泵； m 2 内循环泵 2 1 1 外循环系统的功能 外循环系统为封闭的循环区，主要包括加热源、半导体制冷源，电予离心 泵以及热交换器等组成。循环液体为去离子水。其作用主要是根据温度传感器 实时反馈回来的信息，通过控制器控制外循环区加热源、制冷源的功率大小， 从而使外循环区水箱中的水温恒定在某一需要的温度，以提供热交换器与内循 环区进行热交换时的热源。 2 1 2 内循环系统的功能 内循环系统主要包括可调流量灌注泵、预热药液袋和一套相应的一次性管 路组成。内循环区与人体腹腔相通，组成另一个闭循环区。循环液体为具有热 增强效应的化学药物与生理盐水的混合物。其主要功能是通过热交换使腹腔温 度恒定在某一设定温度( 4 l 4 5 ) ，并根据病人情况保持一定的时间( 3 啦! 2 0 枷n ) ，从而达到加强化疗药效和杀死肿瘤细胞的目的。 2 1 3 控制器的功能 控制器选用工业控制计算机，主要完成整个系统数据的采集、优化计算、 显示、自动分析、存储和控制策略输出等功能。其通过实时采样并监控人体几 个重要部位的温度、流进流出人体的药液温度等信息，在进行数据实时显示的 同时输出相应的控制信号，控制外循环区水箱的温度、内循环泵的转速，从而 使人体腹腔温度恒定在某一设定的治疗温度。同时工作人员可根据这些信息和 实际情况做出调整指令，并由微机发送到输出模块控制相应的执行机构动作。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 1 4 人机界面的功能 良好的用户界面，不但可以很好地帮助医生快速理解各部分的功能含义并 进行简单的参数调整，而且利用实时温度曲线以及各种形象直观的控制参数， 有助于医生观察病人的情况以及热疗的效果，同时可以降低对热疗医生的技术 要求。 监控系统对应用软件的要求： ( 1 1 实时性过程控制系统是实时控制系统，所以对应用软件的执行速度有 一定的要求，即能够在被控对象允许时间间隔内对系统进行控制、计算和处理。 ( 2 ) 灵活性和通用陛为节省内存和具有较高的适应能力，应尽量采用模块 结构，尽量将公用的功能编写成子程序，从而提高软件的灵活性和通用性。 ( 3 ) 可靠性系统设计中，可靠性是至关重要的，是系统正常运行的基本保 障。为了保证系统软件的可靠性，通常设计一个诊断程序，定期对系统进行自 诊断。 2 2 系统的结构 基于以上各功能模块，我们可以得出系统的控制结构框图，见图2 - 2 。 图2 2 系统控制结构图 f i g 2 - 2s 知c t u 糟c h a r t0 f s ) l s t e n lc o n 拄l d | 系统运行时，温度采集板卡将实时采集到的人体各点温度数据发送到控制 器进行数据处理。该数据一方面被实时地显示成对应的温度值，另一方面控制 器还要对其进行分析，确定是否调节加热或制冷功率信号的输出，以保证腔内 受热病灶的温度与设定温度曲线的误差在士o 1 以内。其中控制器由一台工业 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 控制计算机完成，是运行系统和医生进行人机交互的桥梁，同时也是系统监视 治疗温度和产生、发送控制命令的核心。 2 3 系统的工作过程 整个系统的工作过程也是热灌注的过程大致可以分为以下4 个阶段： 第一阶段：预加热阶段 这个阶段的目的就是对药液袋中的药液进行预热，主要是考虑到灌注时病 人的舒适度以及腹腔的温度，一般把药液预热到3 7 。此时，内循环回路由预 热袋、蠕动泵和热交换器组成。在药液预热的过程中，医生对病人腹腔实施穿 刺，放置带有温度传感器的进水管和出水管，同时放置好人体其他部位的温度 探头。穿刺完成后，切换内循环回路，通过内循环泵把预热过的药液灌注到病 人腹腔，并保持药液温度在3 7 。当药液全部灌注到人体腹腔后，就可以关闭 预热袋，使内循环回路变成由人体腹腔、蠕动泵和热交换器组成。 第二阶段；升温阶段 这个阶段的目的主要是把腹腔内的药液温度由3 7 匀速升高到我们所需 的设定温度( 一般在4 1 4 5 之间) 。在升温阶段，温度的控制精度没有太大的要 求，只是考虑到病人的舒适性，药液的温度是在3 0i i l i n 内均匀缓慢上升到设定 温度即可。 第三阶段：恒温阶段 这个阶段是保证热疗效果的重要阶段。一方面要使药液的温度达到我们设 定的最高温度，从而取得更好的治疗效果；另一方砸，要严格控制药液的温度， 使其波动范围在o 1 之间，以免正常组织细胞受到永久性的损伤。恒温时间 可以根据病人的情况在3 1 2 0 m i n 之间设定。此时内循环泵的流量可以根据病 人的情况在5 0 0 1 0 0 0m l ，m i i l 之间设定。 第四阶段：降温阶段 当恒温时间结束后，使人体腹腔内的药液温度在3 0 m i n 内均匀降到3 7 ， 使人体温度恢复正常。当药液温度达到体温的时候，拔出内循环回来的出水管， 通过循环泵把腹腔内的药液完全排出，同时关c j j 加热器、制冷器以及循环泵， 整个热疗过程结束。 另外，在热疗过程中还需要考虑突发事故和各种意外情况的处理，如当病 人感觉到严重不适的时候，启动紧急降温，立即停止热疗等措施，这样才能使 系统具有更高的实用性和安全性。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章主要介绍了腹腔热灌注系统的总体方案设计以及各部分功能组成，同 时提出了系统的控制结构，并且详细介绍了系统的工作过程。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第3 章腹腔热灌注系统中控制算法的研究 3 。1 引言 热灌注疗法是治疗各种疾病组织( 如癌症) 的一种有效方法。在灌注热疗中， 当温度保持在4 1 4 5 之间达3 0 6 0m i i l 后，被治疗组织中的肿瘤细胞会被杀死。 由于热疗是一个非线性时变的动态过程，因而具有时间迟滞的特性，高精度的 温度控制不易实现。i 临床研究已经找到热疗法失败的主要原因之一就是被治疗 的组织中缺乏偏差范围小的温度分布。临床要求被治疗的组织温度能很快上升 到期望的温度设定值( 如4 3 ) ，并且组织温度在整个治疗过程中一直维持在这 个温度，以保证治疗的效果。为了确保对邻近正常组织的热损伤最小，同时避 免组织产生永久性损伤，被治疗组织的温度应在期望值附近波动很小，才能够 达到较好的治疗效果。 随着工业和科学技术的不断发展，控制理论的研究也经历了从浅显到深入， 从简单到复杂的过程。通常控制理论的发展分成三个阶段：第一个阶段是“经 典控制理论阶段”；第二个阶段是“现代控制理论阶段”；第三个阶段是“智 能控制阶段”。前两个阶段被统称为传统控制理论，而传统控制理论有一个共 同的特点：控制系统的设计和研究都必须基于被控对象的精确的数学模型。丽本 文所讨论的灌注热疗系统，由于治疗的个体不同、治疗过程中病灶组织结构的 变化、灌注时液体流动速度的变化及外界环境的变化等等，都能引起被控对象 的变化。因此被控对象是不确定的，不能确定其精确的数学模型，且被控对象 还具有时滞的特性，所以不能采用传统的控制理论对其进行控制。智能控制理 论的不断发展，为那些具有开放性、复杂性、多层次、多样性、模糊性、不确 定性的基本控制对象( 不能确定其精确的数学模型的) ，提供了一个有力的控制工 具。而智能控制是一个总的概念，它又可分为【2 6 刃】：( 1 ) 分级递阶智能控制系统 ( h i e r a r c h i c a l l yi i l t e l l i g e n tc o n 臼1s y s t 锄) 是在研究早期学习控制系统的基础上， 并从工程控制论的角度总结人工智能与自适应、自学习和自组织控制的关系之 后而逐渐形成的，是智能控制的最早理论之一；( 2 ) 专家控制系统( e x p e nc o n t r o l s y s t 锄，e c s ) 是一种已广泛应用于故障诊断、各种工业过程控制和工业设计的智 能控制系统；( 3 ) 模糊控制系统( f u z z yc o n 呐l ，f c ) 是一种正在兴起的能够提高工 业自动化能力的控制技术。模糊控制系统是智能控制的一个十分活跃的研究领 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 x j 、功、靠为神经元输入，w 卜耽，”、为神经元对x j 、孙、而 的权重系数，有时也称为突触权重值。q 为神经元阀值，俐是激发函数，只k 为神经元的输出。神经元的数学描述为 “ 尸= 工r q ( 3 _ 1 ) f - l 斥= ，( p ) ( 3 2 ) 式中，广_ 神经元输入状态的维数 自学习功能是神经元的主要特征之一，神经元可通过改变自身的突触权重 值进行自学习来适应控制对象的变化。 3 - 3 单神经元自适应p i d 控制器及其学习算法 3 3 1 常规p i d 调节器的离散差分形式 在模拟调节系统中使用最为普遍的是p i d 控制。其原理是用被控量对参考 输入的偏差印) 及其微分警、积分p ( f ) 出的线性组合来产生控制信号“( 小 即调节器的输出“o ) 与输入p ( f ) 之间成比例、积分、微分的关系 “( f m 水( f ) + 毒出+ 警】 ( 3 3 ) 式中坼，乃，殇一分别为比例增益、积分时间常数和微分时间常数 当采样周期t 较小时，离散化后得到 ”( 七) = 剐e ( f ) + 争e ( f ) + 等( p ( 七) 一p ( 七一1 ) ) 】 ( 3 - 4 j ，f ；l 巾下 即 ”( 七) = 如 缸( | | ) + 鲁f ( 七) + 等2 e ) 】 ( 3 - 5 ) 3 3 2 神经控制几种典型的学习规则 h e b b 学习是一类相关学习 3 ”，其学习过程就是调整权值的过程。基本思路 是，如果两个神经元同时被激活，则他们之间连接强度的增强与他们激励的乘 积成正比，以o 。表示神经元f 的激活值，d j 表示神经元_ ，的激活值，表示神 经元f 和神经元，的连接权值，则h e b b 学习规则可表示为矧 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 x j 、功、靠为神经元输入，w 卜耽，”、为神经元对x j 、孙、而 的权重系数，有时也称为突触权重值。q 为神经元阀值，俐是激发函数，只k 为神经元的输出。神经元的数学描述为 “ 尸= 工r q ( 3 _ 1 ) f - l 斥= ，( p ) ( 3 2 ) 式中，广_ 神经元输入状态的维数 自学习功能是神经元的主要特征之一，神经元可通过改变自身的突触权重 值进瑟霎寺召孺型鬟印鬣塞冀葭蒂雳i 露站篓囊萋囊婪蓄釉毫| 至堕需稳篓纛鬻錾馨莶 ；妻= i 两睦姜i 露囊冀鋈醴霎薹囊霎羹攀墓 勘萄面擐j 蓟笋歌丁姒等雕虿剿雕舞柙囊霎裂弪；豪要川莺事州猫鼎翻熏戮 雾氯器 ：f 暨薹i 抽鲢虱邑毳。鎏一螽| ! i # 差臻裂到盼明醚雏翼托登趣s i 囊 罂题弪等笄蝇 攀! 爿湛滋目i | i 踩1 月鏊豇驰。鞑霹；螺鲤簦翳型 霎瓣鬟酴孽薹霪誉磊碥羹i 囊自自 适应控制，以使系统具有一定的自适应能力。用单神经元实现自适应 p i d 控制的结构框图见图3 2 。 图3 2单神经元自适应p i d 控制结构图 f i g 3 2s 仃u c t 哪lm a g r a mo f s m g l en 啪a d 8 p d v cp mc o n l r 0 1 l 竹 图3 2中转换器的输入分别为系统设定值，和对象实际值x ，在经过转换器 后转换为神经元学习控制所需的状态量柏，娩，曲。令酮= x ，则衲 = e ( d ， 抱( 向= x 哈尔滨t 亚天孽t 孽商+ 孚位论文 j ；翳一，轴翼男婚约话萋；# 薯罐；t 二埘垂孽匀猿蘧j ：。缓，币 廷萍鳇箱妊i 褊裂毛心襄骗鲜熬酥匙；萝蔷嚣哩湛暹鬻= 鬟岜荔甍警些；霞 凛吲郅魏l 良；剧斟覃戳燮嚣热爻妊 目 嚣s 鬈划董：一薹 ! ? j l ! ? ! ； 薹s 薹! 冀； i i = l ? 纠甚j 弦臻篓蔫枣枣雨隆弃嗣甬刚 前蹄鹫百赫褊裂若接囊最跫冀疆d 一! 渤珊稿罐凄塔摧瓮薹掣掣型嚣w 鳃 驻冀瑟霎寺召孺型鬟印鬣塞冀葭蒂雳i 露站篓囊萋囊婪蓄釉毫| 至堕需稳篓纛鬻錾馨莶 ；妻= i 两睦姜i 露囊冀鋈醴萎蓁囊霎羹攀墓 勘萄面娄i 蓟笋歌丁姒等雕虿剿雕舞柙囊霎裂弪；豪要川莺事州猫鼎翻熏戮 雾氯器i l l i 暨薹i 抽鲢虱邑毳。鎏一螽| ! i # 差臻裂到盼明醚雏翼托登趣s i 囊 罂题弪等笄蝇 攀! 爿湛滋目i | i 踩l 萋鏊豇驰。鞑霹；螺鲤簦翳型 霎瓣鬟酴孽薹霪誉磊碥羹i 囊自自 适应控制，以使系统具有一定的自适应能力。用单神经元实现自适应p；薹耋控制 的结构框图见图3 2 。图3 2 单神经元自适应p i d 控制结构图i | i 3 譬至鎏三些查耋王：2 圭：竺兰兰 得 ，( 尼) = 圭【r ( 七) x ( 意) 】2 = 三e 2 ( 七) ( 3 - 1 4 ) 学习算法按梯度法则，沿胸对应于w j 的负梯度方向进行搜索，由此可 吲铲懈) 器 训旷懈) 器 = 吲咖器言 ( 3 1 5 ) 式中言籍可由差商近似求取f 4 0 l ； 器通常是未戋和不确定的，可近似用符号函数唰器来代替【4 l 】。 酬加仁：高 3 4 单神经元自适应p s d 智能控制器 ( 3 - 1 6 ) 单神经元自适应p d 智能控制器虽具有在线学习和自适应调整p d 参数、 以适应被控过程参数时变的能力，但是增益k 不具备在线学习的自动调整功能， 这正是单神经元自适应p s d ( 比例( p r o p o n i o n ) 、求和( a t i o n ) 、微分 ( d i 脓e n t i a l ) ) 智能控制器要解决的问题【4 2 】。一般的自适应控制算法需要对过程 进行辩识，然后设计自适应控制律，这样必须在每个采样周期内进行复杂的数 值运算，且辩识所得到数学模型的准确性也很难保证，因而限制了它的作用。 由m a r s i k 和s 仃吲c 提出的自适应p s d 控制算法1 4 3 】是无需辨识的自适应控制算 法，其机理是根据过程误差的几何特性建立性能指标，只要在线检测过程的期 望输出和实际输出，不用辨识过程参数，就能形成自适应控制规律。此算法无 需辩识过程参数，具有简单性和可实现性的明显优势。 哈尔浜工业大学工学顽上学位论文 p s d 自适应控制律的增量形式为】 “( 后) = 丘( 后) 【e ( 七) + ( | i ) p ( t ) + n ( 七) e ( 七) 】 ( 3 - 1 7 ) 式中板助、n ( 妁、，l ( 肺分别为控制器增益、比例系数和微分系数 参数怕，l 的选取根据过程误差的几何特性建立性能指标，即当被控对象 结构或参数变化时，自动修改如、r l 值，使控制系统处于最佳状态，实现自适 应控制的要求。r 。、r ，使组成增量型控制律各项的绝对平均值满足下列关系 i “后) f = ( 七) “七) | = ( 七1 a 2 “七1 ( 3 一1 8 ) 通常，只要满足式( 3 1 8 ) 总会获得较好的控制效果。 由式( 3 1 7 ) 、( 3 1 8 ) 可看出，求和、比例、微分项所占的比例相等，因而控 制量对期望输出的变化特别敏感，因此将式( 3 - 1 7 ) 修改为 “( 七) = 置( 七) 【c 糖( 后) + i 鲰；( 七) g ( 七) + 7 吒( 七) 2 9 ( 七) 】 ( 3 1 9 ) 式中俚、卢、y 分别为在一定范围内的正常数，可自由设定。由式( 3 - 1 8 ) 推得 ( | 】 ) = 网冈= 瓦( 七) _ ) = f 两，网= 乏( j i ) c 仲) ( 3 - 2 0 ) 瓦( | ) = 网冈 m a r s 设和s 缸叼c 给出了增量疋 、兀( p 的递推算式为 黜童：篇篙等筠i l ( 七) = r s 培啦p ( 七) i 一兀( 七一1 ) i 岔e ( 七) l 】 式中0 0 5 r 0 1 ，疋和兀的最优比例系数关系为驴2 瓦， 式( 3 1 7 ) 变为 ( 3 - 2 1 ) 改进后的控制律 a “( i ) = k ( 忌) 【叫j ) + 2 肛) “七) + 2 群 ) a 2 ( j ) 】 ( 3 2 2 ) 增益聪的递推算式可取为 石( 七) = 世( 七一1 ) + 援m 一1 ) e 一1 ) ， s 细( 。( 的) 2 矾弘( “七一1 ) ( 3 2 3 ) l k ( 露) = o 7 5 置( 七一1 ) ， s g 竹( d 七) ) s 穗m ( e ( 七一1 ) ) 、 式中0 0 2 5 s d s 0 0 5 由式( 3 - 2 1 ) 和式( 3 2 3 ) 可看出刚婶是单调增加的，而且当误差增量变化率的 绝对平均值大于误差增量的绝对平均值时，增益k 耻) 增长速度加大，反之，增 长速度减小。当s 拓珥( e ) s t 即似缸1 ) ) 时，取甄婶= o 7 5 取缸1 ) ，即取o 的增加 速度与姒向成反比例，当控制误差变号时，尉f ) 下降到上一时刻的7 5 。 式( 3 2 3 ) 构成了增益的自适应算法【4 6 7 1 。这种算法的意义是：当误差始终同 号，即始终偏离给定值时，自动调接增益使其增大，以求尽快使输出接近设定 值；当误差异号时，即输出在设定值附近摆动时，减小增益，精细调整输出， 使之与设定值一致。 把式( 3 1 2 ) 中的k 改为k ( 助，增加式( 3 - 2 1 ) ，( 3 - 2 3 ) ，并把式( 3 - 9 ) 中的( 囝 均改为“胁+ e ，即得到单神经元自适应p s d 控制学习算法为 土 ， ( 七) = “( _ j 一1 ) + k w ( i ) 而( 妁 l ， iw ；( | | ) = ( ”h ( 七m i ，_ 1 w l ( 惫) = w l 一1 ) + 叩，z ( 膏) l l ( 七) 0 ( 七) + e ( 七) ) ( 3 - 2 4 ) i w 2 ( 1 】 ) = 毛( 七一1 ) + ，7 p z ( 七) “( 1 】 ) ( e ( 七) + e ( | ) ) i i - w 3 ( 七) = w 3 竹一i ) + z ( 后如( 后) ( e ) + 层 ) ) 当s i 弘( e ( ) = s 喀n ( p ( 七一1 ) ) 时， k ( 七) = k ( 七一1 ) + c k ( 七一1 ) ，( 七一1 ) ： 当s 哲张( p ( 七”s 劬( e ( 七一1 ) ) 时，k ( 七) = o 7 5 置( _ | 一i ， 刚 蒌l 霎l s 要；蠡一l ：萄；錾墓蠹j i 叁一罄? 兰一l i ! 囊j i 藓l | i ；瞄臻i j ；| l 雾朗? ；： 薹，譬毒堂薹。萎。| 。 收敛0 0 5 三，上+ s o 1 。 单神经元自适应psd学习算法的运行效果与可调参数墨q卜和、叩d，的选 取有关，通过大量的仿真与实验研究，总结出选取规则如下【删： (1)对阶跃输入，若输出有大的超调，且多次出现正弦衰减现象，应减少世， 维持枷卯、枷不变：若上升时间长，无超调，应增大k，其他参数不变。 (2)对阶跃输入，若被控对象产生多次正弦衰减现象，应减少和，其他参数 堕堡鎏三些奎兰三茎塑圭耋竺兰兰 f 4 ) 若被控对象上升时间长，增大”，又导致超调过大，可适量增加和，其 他参数保持不变。 ( 5 ) 在开始调整时，叩d 选择较小值，当调攘其他参数使被控对象具有良好特 性时，再逐渐增加轴，而其他参数不变，使系统稳态输出基本无纹波。 r 6 猛是系统最敏感的参数，k 值增大减小相当于p ，i ，d 三项同时增加 减小。因此，应在开始时首先概括规则( 1 ) 调整k ，然后根据( 2 卜( 5 ) 调整孙卯、 玎d o 3 5 单神经元自适应p s d 控制器稳定性分析 单神经元自适应p s d 控制器是一个非线性优化调节过程。权重值是以整个 系统的误差目标函数相应于加权系数w f 的负梯度方向来进行自动调整 的，为此可用l y a p u n o v 直接法对其进行稳定性分析【4 9 1 a 设离散l y a p u n o v 函数为 矿( | ) = 去e 2 ( 七) 随着单神经元自学习过程，导致嘲变化为 y ( 七) = 丢e z ( 七十1 ) 一丢e ( 七) 同时导致学习过程中的误差变化为、 础+ 1 ) 叫m 毒w l + 毒w 2 + 毒挑 叉因为 e ( 七十1 ) = e ( 七) + e ( 七) a ， w j 一叩，丽 j ( j ) = 去p 2 ( 七) 岍1 苦叫d 器 把式( 3 3 1 ) 代入式( 3 - 2 7 ) 中，再由式( 3 - 2 8 ) 可得 ( 3 - 2 5 ) ( 3 2 6 ) ( 3 2 7 ) ( 3 2 8 ) ( 3 2 9 ) ( 3 3 0 ) ( 3 3 1 ) 垒醢l ；一i ；l ? i j i 毳一童囊薹羹= = 羹罡羹；霸耄薹蠹一磊簦薹鬟一耄 季曩筹氯茹曼毽一莹镬霎鹫募鬣嵩兰= 嘉霍i 薹爹= 垂爵一慧穸i 兰蔓器囊，二蠹i 主藿i - 蔫i 萼j i 黾蠹| j ! i 萎j 二= 囊一暑i i 二墓i ；? 羹：蕾零 舅蓍宁三秦薹薹雩二? 囊薹擎藿誊誉f t i 冀i i 婆阡选蠹一二妻琴j i 萝j 二? _ 一二i i 善譬一毒攀囊聱i g ；i i i ；：耄遥o 一玑n 囊_ _ j 毫茸翠l 厂8 i j 喜警= 囊蓍霪二i ：薹爹囊= = 萋丛囊蕊；蛋鞲要萋毳萋翼u 专囊羹 荤j | | 差一毒囊囊：警亨喜妻专薹霉耄差i 霉蔓善薹= 薹羹乏j 喜二 囊耋_ _ 毳萋一孽。 k ? ! | 。j j i ll 科如玳j 嚣；蕊i p ? ? ! j ? ；i | l i i 萋强娶；! ；l ；露裔；毒 妻霪坠冀刿j 弦、霎j 犒式塾餮解。睡萎霉墓重量嚣蠢嚣蹙量r l i 壁 篓 & i ；! s ； i i 一i 蠹窭丝肇i i ：j 耋! 鬣 l ；j | 薹i ；l ! i ij - 暂；攀：萋羹i 手j ! ! ! ii i ! 毒i 。堡j 奏一! i 孽? _ ：霎；i 薹i 蠢；茎；尊薹g ；菱! ! i l 一；l i ! g ：i i i ；母葛奏l 芹| i 莹! i j 暮i 薹l 乒i i i ；l 毒 重i 主垂孽i i i ! i i l i l 喜! i 霉i 一蠹l 阿一：囊鬻e k 印| 薹i | i 鏊l 砻蚕张l i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 因为一般个体的差异以及环境的差异都是在比较小的范围内变化，所以在 控制中，我们综合了p i d 控制和单神经元p s d 自适应控制两种方法。为了保证 系统响应的快速性和具有更好的稳定性，开始升温的时候和误差比较大的时候 ( e ( 功 o 5 ) ，利用p i d 控制的快速性，达到迅速较少误差的目的；当误差比较 小的时候( e ( 的 o 5 ) ，程序自动切换到单神经元p s d 自适应控制，利用神经自 适应控制的自学习能力，在小范围内自动调整控制量大小的输出，使系统在控 制对象有差异的情况下仍然可以得到较好的控制效果，因而具有更好的应用前 景。 系统主程序流程图见图3 - 4 。系统运行的过程中，主程序控制加热、制冷功 图3 _ 4 系统主程序流程图 f i g 3 - 4f l o wc h a r t0 f 娜t e 】：n 撕cp f o 皇印m 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第4 章腹腔热灌注系统的实现 4 1 腹腔热灌注系统的硬件设计与实现 4 1 1 腹腔热灌注系统的组成 腹腔热灌注系统主要由控制器、外循环系统、内循环系统、人体腹腔组成， 如图4 1 所示。 图4 1 腹腔热灌注恒温控制系统示意图 f i g 4 1h y p e n l i e f m i cp e r i i o n e a l 耐u s i o ns y s t 啪 4 1 2 外循环系统的结构设计 虽然在整个系统中水箱只是作为辅助设备，但是由于对工作流体的温度控 制主要是在水箱中进行的，水箱的设计应尽量使工作流体的温度在箱体内充分 分布均匀。因此为了达到良好的控制效果，+ 水箱的结构设计也是非常重要的， x 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 率的大小，使通过热交换后进入人体腹腔的药液温度按照设定的温度曲线进行 升温、恒温以及降温，从而实现对人体腹腔进行加热，达到热疗的目的。但是， 在实际的治疗过程中，常常会遇到各种意外情况，为了病人的安全着想，我们 需要采取各种紧急措施进行紧急处理。所以在主程序中，我们加入了一些异常 情况的处理程序，主要是考虑到在临床的时候病人的安全问题。 3 7 本章小结 本章针对本系统被控对象的特性，结合各控制算法的优点，利用单神经元 的自适应、自学习能力，并且将它与p i d 方法相结合，给出了腹腔热灌注系统 中温度的单神经元的自适应p i d 控制算法，为了改善该算法的性能，进而提出 了改进的单神经元p s d 自适应控制算法，并且通过稳定性分析，证明学习算法 收敛，系统是稳定的。该算法运算简单，适应性强，并且软件实现方便，具有 较广的应用前景。 竺尘鎏三些查耋三兰堡圭兰竺兰：三 它既和一般的液压系统有相同之处，又有自己的特点l 剐。下面以介绍箱体设计 过程中需要注意的问题。 4 1 2 1 水箱容量的确定水箱的容积对温度的均匀分布十分重要，一方面，本 系统采用的是通过热交换器