射频消融治疗仪输出功率的PID控制策略

射频消融治疗仪输出功率的PID控制策略

作者：王民明

来源：《价值工程》2016年第21期

摘要：改变传统射频治疗仪输出功率算法，采用PID控制算法，可以使射频治疗仪输出功率更加准确和稳定，提高治疗效果。本文就构建射频功率控制的数学模型，对PID控制算法进行仿真研究，实现PID控制器的设计以及参数的整定，并且设计温度控制策略，并在离体组织中进行实验研究，验证PID控制的有效性作了详细阐述。

Abstract： Changing the output power algorithm of traditional radiofrequency treatment instrument and using PID control algorithm can make the output power of radiofrequency treatment instrument more accurate and stable and improve the treatment effect. This paper builds the mathematical model of radiofrequency power control to study the simulation of PID control algorithm， realize the design PID controller and parameter tuning， carry out the experimental study of in vitro tissue and verify the effectiveness of PID control.

关键词：射频消融治疗；输出功率；PID控制

Key words： radiofrequency ablation treatment；output power；PID control

中图分类号：R318.6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）21-0194-05

0 引言

射频消融技术常用于对肿瘤的治疗，射频消融治疗仪可以产生一种高频电磁波，作用于人体组织后可以产生加热作用，其热量包含生物组织中的离子传导电流所产生的焦耳热以及在高频电磁场中的介电损耗的热作用。组织在焦耳热和介电损耗热的双重作用下温度逐渐升高。通常，正常组织可以通过正常的血液循环将热量有效地散发出去，而瘤组织则因为血管畸形，血液供给量低于正常组织，从而造成热量无法及时散发并逐渐积累，最终使温度上升到50℃～110℃左右，来实现有效的杀灭肿瘤细胞的同时避免对正常组织细胞的损伤。

典型的射频治疗系统通常主要由射频功率源、消融电极以及智能化监控系统组成，其中射频功率源是整个系统的核心部件之一。通常，在射频治疗系统工作时，需要射频功率源提供快速的、稳定的功率值，如果输出的功率过冲或者过低都会导致温度过高或过低，从而造成治疗质量下降。因此，对射频功率源的控制就显得极为重要。目前比较传统的方法为变步长功率控制方法，它是通过测量信号干扰比来实现控制的。在功率控制周期内，测控基站测量获得实际的信号干扰比值，并将之与期望值比较，根据比较结果的不同向移动控制台发送相对应的功率控制指令，并根据当相邻的两次功率控制指令，可以获得若干不同的状态。然后对获得的不同状态设置相对应的步长，最后通过软件的仿真结果来选择出比较合适的步长。它的优点是简单

方便，易于实现。但是缺点也很明显，就是它的操作必须是先进行测量然后做出调整，所以当信号衰落的速度比功控指令的更新周期快的时候，由基站产生的功控是跟不上节奏的，这时误差就容易形成。

PID控制算法，是一种在功率控制领域内比较成熟的算法，它算法简单、鲁棒性好、可靠性高，优于其他的控制算法。而且PID控制器参数的整定和仿真研究可以在

MATLAB/Simulink环境中方便的进行。所以是目前工程上应用最为广泛的一种控制方法，将PID控制控制算法用于射频治疗仪输出功率的控制上，能够使功率源为射频治疗系统提供更加准确而稳定的功率值，提高治疗效果。相对于变步长功率控制方法，PID控制具有更高的可靠性与稳定性。

1 控制算法

在模拟控制系统中，系统偏差的比例-积分-微分综合控制也就是PID（Proportional-Integral-Derivative，简称PID）控制是一种基于过去-现在-将来信息估计的简单有效的控制算法。由于该算法具有简单、易行和可靠等优点，被广泛应用于工程领域。

PID控制器（即比例-积分-微分控制器）最早的应用可以追溯到上个世纪，其简单易懂，稳定可靠，使用的过程中不需要精确的系统模型等优点使其成为工业控制领域的主要技术之一。PID控制器是由比例单元（proportion）、积分单元（integration）和微分单元（differentiation）组成，其控制原理如图1所示。

PID控制的具体算法主要表现为：将设定值r（t）和实际输出值y（t）构成控制偏差的比例、积分以及微分通过线性组合形成控制量，如公式（1）所示。

式中，u0是控制作用的初始化稳态值；Kc是比例放大系数；Ti是积分时间常数；Td是微分时间常数；u（t）是t时刻控制作用的输出；e（t）是t时刻控制器的输入，其值等于t时刻控制器的设定值r（t）和当前值y（t）之差，即e（t）=r（t）-y（t）。

2 数字PID控制算法

由于计算机广泛应用于控制领域，PID控制算法结合计算机控制的特点形成了具有多功能模块的数字PID控制算法，使传统PID控制变得更加灵活，能够更好地满足于各领域的需要。通常，数字PID控制算法分为增量式和位置式两大类，并且在应用中具有各自的特点。

2.1 位置式：其算法的结构如图2所示。

由于计算机控制属于采样制式，因此需要对式（1）中的积分和微分项进行离散化处理。令一系列采样时刻kT来代表连续时间t，用和代表积分以及用增量代替微分，获得如下公式：