專利名稱：灌注升溫療法用的血液溫度控制方法及變溫裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
灌注升溫療法用的血液溫度控制方法及變溫裝置涉及到醫(yī)用熱療技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
灌注升溫療法是針對癌癥中晚期患者的一種治療方法。它主要是利用灌注升溫系統(tǒng)，將人體血液抽出，在體外升高，然后流回人體，形成一個血液循環(huán)升溫的系統(tǒng)?，F(xiàn)有技術(shù)的灌注升溫系統(tǒng)主要由加熱水箱、熱交換器、血泵、水泵、血液溫度采集儀和計算機組成，由計算機控制水箱的加熱功率，使水的溫度升高，從而使流經(jīng)熱交換器的水和血液進行熱交換，通過血液循環(huán)不斷加熱全身血液，使人體的整個溫度升高并維持在一個定值上(通常為41℃～43℃)，從而達(dá)到殺死癌細(xì)胞的目的。經(jīng)檢索，在國內(nèi)外文獻(xiàn)中沒有檢索到關(guān)于灌注升溫療法用的血液溫度控制方法方面的文獻(xiàn)。國內(nèi)外目前所用的灌注升溫系統(tǒng)中的加熱水箱主要是利用電熱管加熱，電熱管的功率不可調(diào)，只能利用開關(guān)控制，所以水溫在穩(wěn)定過程中容易產(chǎn)生較大的振蕩。水溫穩(wěn)定后若出現(xiàn)小幅的波動，也不能迅速的達(dá)到穩(wěn)定，這對于治療是不利的，目前解決這一問題，只能增加水箱的體積，以增加水的熱容量，使小幅波動不容易導(dǎo)致水溫的變化。但這樣使整個系統(tǒng)的體積龐大，使用不方便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出了一種灌注升溫療法用的血液溫度控制方法，該方法采用雙環(huán)PID控制，其輸出的是一個動態(tài)調(diào)節(jié)值，能夠使血液溫度平穩(wěn)的上升，并迅速達(dá)到穩(wěn)定。根據(jù)本方法，本發(fā)明還設(shè)計了一種功率可調(diào)的變溫裝置，該裝置功率可變，可以根據(jù)調(diào)節(jié)值的變化靈活的調(diào)節(jié)溫度的上升幅度，使溫度值能夠快速達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)血液溫度振蕩較大時，本裝置還能夠制冷，使溫度迅速達(dá)到穩(wěn)定。
本發(fā)明提出的灌注升溫療法中的血液溫度控制方法，其特征在于，它是將水箱中的水溫升高到溫度tem20后，開始在計算機中進行以熱交換器出血口的血液溫度為外環(huán)主控制量，以熱交換器進水口的水溫為內(nèi)環(huán)輔控制量的雙環(huán)PID控制，它含有1)初始化外環(huán)PID初始化給定熱交換器出血口的血液溫度控制目標(biāo)值為tem1；設(shè)計算機采集到的熱交換器出血口的血液溫度值為c1(k)；設(shè)計算機采集到的熱交換器出血口的血液溫度值與目標(biāo)值的差值為e1(k)＝tem1-c1(k)；設(shè)熱交換器進水口溫度應(yīng)增加的量為
Δtem2＝Kpw(1+Tw/Tiw+Tdw/Tw)×e1(k)-Kpw(1+2×Tdw/Tw)×e1(k-1)+(Kpw/Tw)×e1(k-2)；其中Kpw、Tiw、Tdw分別為給定的外環(huán)PID控制的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，Tw為熱交換器出血口血液溫度的采集周期；e1(k-1)和e1(k-2)分別為熱交換器出血口血液溫度的上一次和上上次采集值和目標(biāo)值之間的差值，e1(k-1)和e1(k-2)的初始值設(shè)為0；內(nèi)環(huán)初始化設(shè)熱交換器進水口水溫的動態(tài)控制值為tem2＝tem2+Δtem2，tem2的初始值設(shè)定為剛開始控制時，熱交換器進水口的水溫的值，即tem0；設(shè)計算機采集到的熱交換器進水口的水溫值為c2(L)；設(shè)計算機采集到的熱交換器進水口的水溫值與水溫動態(tài)控制值的差值為e2(L)＝tem2-c2(L)；設(shè)變溫裝置的動態(tài)調(diào)節(jié)量的增量為Δu＝Kpn(1+Tn/Tin+Tdn/Tn)×e2(L)-Kpn(1+2×Tdn/Tn)×e2(L-1)+(Kpn/Tn)×e2(L-2)；其中Kpn、Tin、Tdn分別為給定的內(nèi)環(huán)PID控制的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，Tn為熱交換器進水口水溫的采集周期；e2(L-1)和e2(L-2)分別為熱交換器進水口水溫的上一次和上上次采集值和動態(tài)控制值之間的差值，e2(L-1)和e2(L-2)的初始值設(shè)為0；設(shè)輸出給變溫裝置的動態(tài)調(diào)節(jié)量為u＝u+Δu，u的初始值設(shè)定為剛開始控制時，熱交換器進水口的水溫的值，即tem20；給定內(nèi)環(huán)PID控制的連續(xù)循環(huán)次數(shù)為n次；2)計算熱交換器進水口水溫的動態(tài)控制值采集熱交換器出血口的血液溫度值c1(k)，與目標(biāo)值進行差值運算得到e1(k)，進行PID計算，得到Δtem2；計算熱交換器進水口水溫的動態(tài)調(diào)節(jié)值tem2＝tem2+Δtem2；3)計算輸出到變溫裝置的溫度調(diào)節(jié)值采集熱交換器進水口的水溫度值c2(L)，與動態(tài)控制值進行差值運算得到e2(L)，并進行PID計算，得到Δu；計算變溫裝置的動態(tài)調(diào)節(jié)量u＝u+Δu，將u輸出給變溫裝置，對水溫進行調(diào)節(jié)；4)重復(fù)n次內(nèi)環(huán)PID計算，并輸出調(diào)節(jié)值后，回到外環(huán)PID計算。
根據(jù)本發(fā)明的灌注升溫療法用的血液溫度控制方法所設(shè)計的變溫裝置，其特征在于，它含有依次連接的單片機(U1)、A/D芯片(U2)和變溫水箱用的加熱器(U5)，其特征在于，所述加熱器是功率可調(diào)的大功率半導(dǎo)體加熱器，在所述A/D芯片(U2)的輸出端和所述大功率半導(dǎo)體加熱器(U5)的輸入端之間還依次串接一個大功率可變直流電源(U3)和一個換向繼電器(U4)，所述換向繼電器的換向信號輸入端與所述單片機(U1)的換向信號輸出端相連。
所述大功率半導(dǎo)體加熱器的型號為FPH1-12707。
試驗證明，使用本發(fā)明所提出的灌注升溫療法用的血液溫度控制方法能夠有效的控制血液溫度升降的幅度，使血液溫度能夠快速穩(wěn)定在某個定值上。本變溫裝置使用靈活，能夠使溫度快速穩(wěn)定，而不需要增加水箱的體積；當(dāng)溫度值超過預(yù)定值時，能夠迅速降溫并穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的目的。


圖1是溫度控制的控制系統(tǒng)框圖；圖2是血液溫度控制原理框圖；圖3是血液溫度控制軟件流程圖；圖4是圖3的內(nèi)部循環(huán)控制子流程圖；圖5是本變溫裝置電路原理圖；圖6是換向繼電器的電路原理圖。
具體實施例方式結(jié)合

本發(fā)明的具體實施方式
。
如圖1所示的溫度控制的控制系統(tǒng)框圖，血液從人體中抽出后，流經(jīng)熱交換器，然后流回人體，形成人體內(nèi)外的血液循環(huán)；水從變溫水箱中流出，進入熱交換器，與血液進行熱量交換，然后流回變溫水箱，形成水循環(huán)。分別在熱交換器的出血口和進水口裝上溫度檢測儀，將水溫和血液溫度傳送到計算機中進行處理，計算機根據(jù)處理結(jié)果，通過變溫裝置對變溫水箱中的水進行溫度調(diào)節(jié)，最終通過熱交換方式改變血液的溫度，達(dá)到血液溫度控制的目的。
如圖2所示，由于最終目的是通過控制變溫水箱中的水溫來控制熱交換器出血口的血液溫度，如果計算機處理數(shù)據(jù)直接采用采集值與目標(biāo)值的差值控制，將會造成較大的超調(diào)和振蕩，使人體血液溫度可能存在大幅度變化，也不利于溫度的快速穩(wěn)定，因為它們之間存在加熱水箱和熱交換器兩個具有大時間常數(shù)的裝置。因此本發(fā)明采用雙環(huán)PID控制來解決出血口的控溫問題，PID控制是常用的減小超調(diào)的控制方法，本發(fā)明以熱交換器出血口的血液溫度作為外環(huán)控制量，也是主控制量，而熱交換器進水口的水溫是內(nèi)環(huán)控制量，即輔控制量，經(jīng)過內(nèi)環(huán)的多次PID控制輸出，使外環(huán)的控制量——血液溫度值能夠平穩(wěn)的上升，直到穩(wěn)定，減小了控制過程中的超調(diào)和振蕩，對于人體治療來說是非常安全的。
在控制過程開始之前，先將變溫水箱中的水以最大功率加熱到一定的溫度(最好接近目標(biāo)值)，這樣可以使溫度更快達(dá)到穩(wěn)定，開始控制后，先進行初始化外環(huán)PID初始化
給定tem1；給定Kpw，Tiw，Tdw，Tw；設(shè)e1(k-1)＝0，e1(k-2)＝0；設(shè)A1＝Kpw(1+Tw/Tiw+Tdw/Tw)；B1＝Kpw(1+2×Tdw/Tw)；C1＝Kpw/Tw；內(nèi)環(huán)初始化設(shè)tem2＝tem20；給定Kpn，Tin，Tdn，Tn；給定n；設(shè)e2(L-1)＝0，e2(L-2)＝0；設(shè)u＝tem20；設(shè)A2＝Kpn(1+Tn/Tin+Tdn/Tn)；B2＝Kpn(1+2×Tdn/Tn)；C2＝Kpn/Tn；上述內(nèi)、外環(huán)PID控制算法中各系數(shù)的確定與所使用的變溫水箱和熱交換器有關(guān)，根據(jù)經(jīng)驗確定；內(nèi)循環(huán)次數(shù)n的確定與內(nèi)外環(huán)的采樣周期有關(guān)，n＝Tw/Tn。在開始控制之前，先將水箱中的水加熱到溫度tem20(tem20最好接近目標(biāo)值，這樣能夠加快后續(xù)的控制過程，使溫度更快達(dá)到穩(wěn)定)，tem20可作為熱交換器進水口水溫的動態(tài)控制值累加計算的初值，又可作為變溫裝置的動態(tài)調(diào)節(jié)量累加計算的初值，tem20的精確度并不會影響到控制的準(zhǔn)確性，因此tem20可以手動輸入。由于調(diào)節(jié)的實際量是變溫裝置的功率值，而該功率值與溫度之間具有正比關(guān)系，因此，將溫度到功率的轉(zhuǎn)換放在變溫裝置的單片機中進行，將溫度乘一個相應(yīng)的系數(shù)就得到功率，該系數(shù)與具體裝置有關(guān)。
控制的具體過程見圖3和圖4所示的軟件流程圖，當(dāng)初次進行外環(huán)PID運算時e1(k-2)、e1(k-1)值設(shè)為0，在后續(xù)的外環(huán)PID運算中，每次的差值均向左移動一位；內(nèi)環(huán)PID運算中e2(L-2)、e2(L-1)值以此類推。
由于本控制方法的輸出量u是一個變化的量，就現(xiàn)有的變溫裝置來說，電熱器的功率是定值，不能隨控制量而變化；另外由于電熱器只能升溫，不能制冷，當(dāng)溫度有波動，超過設(shè)定值時，不能夠及時的使溫度下降。本發(fā)明考慮到這一問題，設(shè)計了功率可調(diào)的變溫裝置，見圖5。該變溫裝置主要采用一個功率可調(diào)的、可制熱和制冷的大功率半導(dǎo)體加熱器，由于該加熱器的輸出功率較大，直接以控制信號作為輸入值是不可行的，因此在控制信號輸出端和大功率半導(dǎo)體加熱器之間串接一個大功率可變直流電源，該直流電源通過由單片機控制的換向繼電器給大功率半導(dǎo)體加熱器供電。本例中所采用的大功率半導(dǎo)體加熱器是富連京電子有限公司生產(chǎn)的FPH1-12707型加熱器，當(dāng)控制量為正的時候，該加熱器用于加熱；當(dāng)控制量為負(fù)的時候該加熱器就可用于制冷。大功率可變直流電源為萬眾公司所銷售，其輸入電壓的范圍是0-2.55V，輸出范圍是0-40V，完全適合將控制信號的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榧訜崞鞯妮斎腚妷骸＞唧w工作時，單片機U1通過串口RXD、TXD與計算機的串口實現(xiàn)通訊，接收計算機傳來的控制信號，并通過D/A芯片U2將傳送過來的u值的絕對值模擬化，輸出給大功率可變直流電源U3，單片機U1根據(jù)u值的正負(fù)調(diào)整換向繼電器U4的開關(guān)方向，輸出控制量經(jīng)過功率放大后，使大功率半導(dǎo)體加熱器U5加熱或制冷，最后使變溫水箱的溫度變化，達(dá)到控制血液溫度的目的。其中單片機U1的型號為AT89C51；D/A芯片U2的型號為AD558，其引腳的接法在芯片說明書中有清楚說明。
換向繼電器的電路原理圖如圖6所示，它含有兩個單刀雙擲開關(guān)T1、T2和線圈T3，其中T1的a1端為常閉端，b1端為常開端，T2的a2端為常閉端，b2為常開端；圖中各個出現(xiàn)端子與圖5中的對應(yīng)，1，2端是接大功率電源，3，4是控制端，4接控制電源正極，3接單片機的換向信號輸出端P21，輸出控制量u的方向通過3的電平高低來決定，3的電平高低變換可使3，4間線圈斷開和導(dǎo)通，導(dǎo)通線圈就產(chǎn)生磁力，吸引兩個單刀雙擲開關(guān)的常閉開關(guān)斷開，常開開關(guān)閉合，從而改變輸出5，6端的極性，于是改變負(fù)載的電流流向，使變溫裝置加熱或制冷。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所采用的控制方法能夠使血液溫度平穩(wěn)、快速的上升，減小了超調(diào)和振蕩。根據(jù)本發(fā)明的方法所設(shè)計的變溫裝置，其升降溫靈活，具有制冷功能，使水溫能快速穩(wěn)定，不易受干擾，而且不需要增大水箱的體積，使用起來靈活方便。
權(quán)利要求
1.灌注升溫療法用的血液溫度控制方法，其特征在于，它是將水箱中的水溫升高到溫度tem20后，開始在計算機中進行以熱交換器出血口的血液溫度為外環(huán)主控制量，以熱交換器進水口的水溫為內(nèi)環(huán)輔控制量的雙環(huán)PID控制，它含有1)初始化外環(huán)PID初始化給定熱交換器出血口的血液溫度控制目標(biāo)值為tem1；設(shè)計算機采集到的熱交換器出血口的血液溫度值為c1(k)；設(shè)計算機采集到的熱交換器出血口的血液溫度值與目標(biāo)值的差值為e1(k)＝tem1-c1(k)；設(shè)熱交換器進水口溫度應(yīng)增加的量為Δtem2＝Kpw(1+Tw/Tiw+Tdw/Tw)×e1(k)-Kpw(1+2×Tdw/Tw)×e1(k-1)+(Kpw/Tw)×e1(k-2)；其中Kpw、Tiw、Tdw分別為給定的外環(huán)PID控制的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，Tw為熱交換器出血口血液溫度的采集周期；e1(k-1)和e1(k-2)分別為熱交換器出血口血液溫度的上一次和上上次采集值和目標(biāo)值之間的差值，e1(k-1)和e1(k-2)的初始值設(shè)為0；內(nèi)環(huán)初始化設(shè)熱交換器進水口水溫的動態(tài)控制值為tem2＝tem2+Δtem2，tem2的初始值設(shè)定為剛開始控制時，熱交換器進水口的水溫的值，即tem20；設(shè)計算機采集到的熱交換器進水口的水溫值為c2(L)；設(shè)計算機采集到的熱交換器進水口的水溫值與水溫動態(tài)控制值的差值為e2(L)＝tem2-c2(L)；設(shè)變溫裝置的動態(tài)調(diào)節(jié)量的增量為Δu＝Kpn(1+Tn/Tin+Tdn/Tn)×e2(L)-Kpn(1+2×Tdn/Tn)×e2(L-1)+(Kpn/Tn)×e2(L-2)；其中Kpn、Tin、Tdn分別為給定的內(nèi)環(huán)PID控制的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，Tn為熱交換器進水口水溫的采集周期；e2(L-1)和e2(L-2)分別為熱交換器進水口水溫的上一次和上上次采集值和動態(tài)控制值之間的差值，e2(L-1)和e2(L-2)的初始值設(shè)為0；設(shè)輸出給變溫裝置的動態(tài)調(diào)節(jié)量為u＝u+Δu，u的初始值設(shè)定為剛開始控制時，熱交換器進水口的水溫的值，即tem20；給定內(nèi)環(huán)PID控制的連續(xù)循環(huán)次數(shù)n；2)計算熱交換器進水口水溫的動態(tài)控制值采集熱交換器出血口的血液溫度值c1(k)，與目標(biāo)值進行差值運算得到e1(k)，進行PID計算，得到Δtem2；計算熱交換器進水口水溫的動態(tài)調(diào)節(jié)值tem2＝tem2+Δtem2；3)計算輸出到變溫裝置的溫度調(diào)節(jié)值采集熱交換器進水口的水溫度值c2(L)，與動態(tài)控制值進行差值運算得到e2(L)，并進行PID計算，得到Δu；計算變溫裝置的動態(tài)調(diào)節(jié)量u＝u+Δu，將u輸出給變溫裝置，對水溫進行調(diào)節(jié)；4)重復(fù)n次內(nèi)環(huán)PID計算，并輸出調(diào)節(jié)值后，回到外環(huán)PID計算。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的灌注升溫療法用的血液溫度控制方法所設(shè)計的變溫裝置，其特征在于，它含有依次連接的單片機(U1)、A/D芯片(U2)和變溫水箱用的加熱器(U5)，其特征在于，所述加熱器是功率可調(diào)的大功率半導(dǎo)體加熱器，在所述A/D芯片(U2)的輸出端和所述大功率半導(dǎo)體加熱器(U5)的輸入端之間還依次串接一個大功率可變直流電源(U3)和一個換向繼電器(U4)，所述換向繼電器的換向信號輸入端與所述單片機(U1)的換向信號輸出端相連。
3.如權(quán)利要求2所述的變溫裝置，其特征在于，所述大功率半導(dǎo)體加熱器的型號為FPH1-12707。
全文摘要
灌注升溫療法用的血液溫度控制方法及變溫裝置涉及到醫(yī)用熱療技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于，該控制方法是將水箱中的水溫升高到一定溫度值后，在計算機中進行的以熱交換器出血口的血液溫度為外環(huán)控制量，以熱交換器進水口的水溫為內(nèi)環(huán)控制量的雙環(huán)PID控制方法；根據(jù)該控制方法設(shè)計的變溫裝置，含有功率可調(diào)的大功率半導(dǎo)體加熱器，該加熱器的輸入端還依次串聯(lián)一個換向繼電器和一個大功率直流電源。本發(fā)明所采用的控制方法能夠減小振蕩，使血液溫度平穩(wěn)、快速的穩(wěn)定在設(shè)定值，本變溫裝置能夠配合控制輸出量，使溫度快速穩(wěn)定，由于具有制冷功能，當(dāng)溫度超過設(shè)定值時，能夠迅速降溫并穩(wěn)定。
文檔編號A61M5/44GK1535736SQ03109809
公開日2004年10月13日 申請日期2003年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月11日
發(fā)明者周兆英, 張東旭, 張毓笠 申請人:清華大學(xué)