灌注升温疗法用的血液温度控制方法及变温装置 技术领域：
灌注升温疗法用的血液温度控制方法及变温装置涉及到医用热疗技术领域。
背景技术：
灌注升温疗法是针对癌症中晚期患者的一种治疗方法。它主要是利用灌注升温系统，将人体血液抽出，在体外升高，然后流回人体，形成一个血液循环升温的系统。现有技术的灌注升温系统主要由加热水箱、热交换器、血泵、水泵、血液温度采集仪和计算机组成，由计算机控制水箱的加热功率，使水的温度升高，从而使流经热交换器的水和血液进行热交换，通过血液循环不断加热全身血液，使人体的整个温度升高并维持在一个定值上(通常为41℃～43℃)，从而达到杀死癌细胞的目的。经检索，在国内外文献中没有检索到关于灌注升温疗法用的血液温度控制方法方面的文献。国内外目前所用的灌注升温系统中的加热水箱主要是利用电热管加热，电热管的功率不可调，只能利用开关控制，所以水温在稳定过程中容易产生较大地振荡。水温稳定后若出现小幅的波动，也不能迅速的达到稳定，这对于治疗是不利的，目前解决这一问题，只能增加水箱的体积，以增加水的热容量，使小幅波动不容易导致水温的变化。但这样使整个系统的体积庞大，使用不方便。
发明内容：
本发明的目的在于，提出了一种灌注升温疗法用的血液温度控制方法，该方法采用双环PID控制，其输出的是一个动态调节值，能够使血液温度平稳的上升，并迅速达到稳定。根据本方法，本发明还设计了一种功率可调的变温装置，该装置功率可变，可以根据调节值的变化灵活的调节温度的上升幅度，使温度值能够快速达到稳定。当血液温度振荡较大时，本装置还能够制冷，使温度迅速达到稳定。
本发明提出的灌注升温疗法中的血液温度控制方法，其特征在于，它是将水箱中的水温升高到温度tem20后，开始在计算机中进行以热交换器出血口的血液温度为外环主控制量，以热交换器进水口的水温为内环辅控制量的双环PID控制，它含有：
1)初始化：
外环PID初始化：
给定热交换器出血口的血液温度控制目标值为tem1；
设计算机采集到的热交换器出血口的血液温度值为c1(k)；
设计算机采集到的热交换器出血口的血液温度值与目标值的差值为e1(k)＝tem1-c1(k)；
设热交换器进水口温度应增加的量为：
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分别为给定的外环PID控制的比例系数、积分系数和微分系数，Tw为热交换器出血口血液温度的采集周期；e1(k-1)和e1(k-2)分别为热交换器出血口血液温度的上一次和上上次采集值和目标值之间的差值，e1(k-1)和e1(k-2)的初始值设为0；
内环初始化：
设热交换器进水口水温的动态控制值为：tem2＝tem2+Δtem2，tem2的初始值设定为刚开始控制时，热交换器进水口的水温的值，即tem0；
设计算机采集到的热交换器进水口的水温值为：c2(L)；
设计算机采集到的热交换器进水口的水温值与水温动态控制值的差值为e2(L)＝tem2-c2(L)；
设变温装置的动态调节量的增量为：
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分别为给定的内环PID控制的比例系数、积分系数和微分系数，Tn为热交换器进水口水温的采集周期；e2(L-1)和e2(L-2)分别为热交换器进水口水温的上一次和上上次采集值和动态控制值之间的差值，e2(L-1)和e2(L-2)的初始值设为0；
设输出给变温装置的动态调节量为u＝u+Δu，u的初始值设定为刚开始控制时，热交换器进水口的水温的值，即tem20；
给定内环PID控制的连续循环次数为n次；
2)计算热交换器进水口水温的动态控制值：
采集热交换器出血口的血液温度值c1(k)，与目标值进行差值运算得到e1(k)，进行PID计算，得到Δtem2；
计算热交换器进水口水温的动态调节值tem2＝tem2+Δtem2；
3)计算输出到变温装置的温度调节值：
采集热交换器进水口的水温度值c2(L)，与动态控制值进行差值运算得到e2(L)，并进行PID计算，得到Δu；
计算变温装置的动态调节量u＝u+Δu，将u输出给变温装置，对水温进行调节；
4)重复n次内环PID计算，并输出调节值后，回到外环PID计算。
根据本发明的灌注升温疗法用的血液温度控制方法所设计的变温装置，其特征在于，它含有依次连接的单片机(U1)、A/D芯片(U2)和变温水箱用的加热器(U5)，其特征在于，所述加热器是功率可调的大功率半导体加热器，在所述A/D芯片(U2)的输出端和所述大功率半导体加热器(U5)的输入端之间还依次串接一个大功率可变直流电源(U3)和一个换向继电器(U4)，所述换向继电器的换向信号输入端与所述单片机(U1)的换向信号输出端相连。
所述大功率半导体加热器的型号为FPH1-12707。
试验证明，使用本发明所提出的灌注升温疗法用的血液温度控制方法能够有效的控制血液温度升降的幅度，使血液温度能够快速稳定在某个定值上。本变温装置使用灵活，能够使温度快速稳定，而不需要增加水箱的体积；当温度值超过预定值时，能够迅速降温并稳定，达到了预期的目的。
附图说明：
图1是温度控制的控制系统框图；
图2是血液温度控制原理框图；
图3是血液温度控制软件流程图；
图4是图3的内部循环控制子流程图；
图5是本变温装置电路原理图；
图6是换向继电器的电路原理图。
具体实施方式：
结合附图说明本发明的具体实施方式。
如图1所示的温度控制的控制系统框图，血液从人体中抽出后，流经热交换器，然后流回人体，形成人体内外的血液循环；水从变温水箱中流出，进入热交换器，与血液进行热量交换，然后流回变温水箱，形成水循环。分别在热交换器的出血口和进水口装上温度检测仪，将水温和血液温度传送到计算机中进行处理，计算机根据处理结果，通过变温装置对变温水箱中的水进行温度调节，最终通过热交换方式改变血液的温度，达到血液温度控制的目的。
如图2所示，由于最终目的是通过控制变温水箱中的水温来控制热交换器出血口的血液温度，如果计算机处理数据直接采用采集值与目标值的差值控制，将会造成较大的超调和振荡，使人体血液温度可能存在大幅度变化，也不利于温度的快速稳定，因为它们之间存在加热水箱和热交换器两个具有大时间常数的装置。因此本发明采用双环PID控制来解决出血口的控温问题，PID控制是常用的减小超调的控制方法，本发明以热交换器出血口的血液温度作为外环控制量，也是主控制量，而热交换器进水口的水温是内环控制量，即辅控制量，经过内环的多次PID控制输出，使外环的控制量——血液温度值能够平稳的上升，直到稳定，减小了控制过程中的超调和振荡，对于人体治疗来说是非常安全的。
在控制过程开始之前，先将变温水箱中的水以最大功率加热到一定的温度(最好接近目标值)，这样可以使温度更快达到稳定，开始控制后，先进行初始化：
外环PID初始化：
给定tem1；
给定Kpw，Tiw，Tdw，Tw；
设e1(k-1)＝0，e1(k-2)＝0；
设A1＝Kpw(1+Tw/Tiw+Tdw/Tw)；
B1＝Kpw(1+2×Tdw/Tw)；
C1＝Kpw/Tw；
内环初始化：
设tem2＝tem20；
给定Kpn，Tin，Tdn，Tn；
给定n；
设e2(L-1)＝0，e2(L-2)＝0；
设u＝tem20；
设A2＝Kpn(1+Tn/Tin+Tdn/Tn)；
B2＝Kpn(1+2×Tdn/Tn)；
C2＝Kpn/Tn；
上述内、外环PID控制算法中各系数的确定与所使用的变温水箱和热交换器有关，根据经验确定；内循环次数n的确定与内外环的采样周期有关，n＝Tw/Tn。在开始控制之前，先将水箱中的水加热到温度tem20(tem20最好接近目标值，这样能够加快后续的控制过程，使温度更快达到稳定)，tem20可作为热交换器进水口水温的动态控制值累加计算的初值，又可作为变温装置的动态调节量累加计算的初值，tem20的精确度并不会影响到控制的准确性，因此tem20可以手动输入。由于调节的实际量是变温装置的功率值，而该功率值与温度之间具有正比关系，因此，将温度到功率的转换放在变温装置的单片机中进行，将温度乘一个相应的系数就得到功率，该系数与具体装置有关。
控制的具体过程见图3和图4所示的软件流程图，当初次进行外环PID运算时e1(k-2)、e1(k-1)值设为0，在后续的外环PID运算中，每次的差值均向左移动一位；内环PID运算中e2(L-2)、e2(L-1)值以此类推。
由于本控制方法的输出量u是一个变化的量，就现有的变温装置来说，电热器的功率是定值，不能随控制量而变化；另外由于电热器只能升温，不能制冷，当温度有波动，超过设定值时，不能够及时的使温度下降。本发明考虑到这一问题，设计了功率可调的变温装置，见图5。该变温装置主要采用一个功率可调的、可制热和制冷的大功率半导体加热器，由于该加热器的输出功率较大，直接以控制信号作为输入值是不可行的，因此在控制信号输出端和大功率半导体加热器之间串接一个大功率可变直流电源，该直流电源通过由单片机控制的换向继电器给大功率半导体加热器供电。本例中所采用的大功率半导体加热器是富连京电子有限公司生产的FPH1-12707型加热器，当控制量为正的时候，该加热器用于加热；当控制量为负的时候该加热器就可用于制冷。大功率可变直流电源为万众公司所销售，其输入电压的范围是0-2.55V，输出范围是0-40V，完全适合将控制信号的电压转变为加热器的输入电压。具体工作时，单片机U1通过串口RXD、TXD与计算机的串口实现通讯，接收计算机传来的控制信号，并通过D/A芯片U2将传送过来的u值的绝对值模拟化，输出给大功率可变直流电源U3，单片机U1根据u值的正负调整换向继电器U4的开关方向，输出控制量经过功率放大后，使大功率半导体加热器U5加热或制冷，最后使变温水箱的温度变化，达到控制血液温度的目的。其中单片机U1的型号为AT89C51；D/A芯片U2的型号为AD558，其引脚的接法在芯片说明书中有清楚说明。
换向继电器的电路原理图如图6所示，它含有两个单刀双掷开关T1、T2和线圈T3，其中T1的a1端为常闭端，b1端为常开端，T2的a2端为常闭端，b2为常开端；图中各个出现端子与图5中的对应，1，2端是接大功率电源，3，4是控制端，4接控制电源正极，3接单片机的换向信号输出端P21，输出控制量u的方向通过3的电平高低来决定，3的电平高低变换可使3，4间线圈断开和导通，导通线圈就产生磁力，吸引两个单刀双掷开关的常闭开关断开，常开开关闭合，从而改变输出5，6端的极性，于是改变负载的电流流向，使变温装置加热或制冷。
与现有技术相比，本发明所采用的控制方法能够使血液温度平稳、快速的上升，减小了超调和振荡。根据本发明的方法所设计的变温装置，其升降温灵活，具有制冷功能，使水温能快速稳定，不易受干扰，而且不需要增大水箱的体积，使用起来灵活方便。