一种基于温度反馈的磁流体热疗温度控制方法及热疗仪技术

本发明专利技术公开了一种基于温度反馈的磁流体热疗温度控制方法及热疗仪，其方法包括如下步骤：(1)采用预激励方式生成三角波激励磁场；(2)消除三角波激励磁场的响应信号，并获取目标区域磁化响应信号，并反演目标区域当前温度；(3)根据当前温度以及控制策略函数控制射频磁场发生装置加热目标区域；(4)在测量端测量目标区域温度；(5)通过所测目标区域温度预测上一次加热后目标区域温度与下一次加热前目标区域温度，根据所预测温度反馈控制射频磁场发生装置，调整加热参数；(6)重复步骤(4)～(5)，直至温度稳定在热疗温度窗口内；本发明专利技术提供的这种方法及热疗仪使用温度反馈控制目标区域温度，从而实现磁流体热疗中的精准温度控制。

Temperature control method for magnetic fluid hyperthermia based on temperature feedback and thermotherapy instrument

The invention discloses a magnetic fluid hyperthermia and hyperthermia temperature control method based on temperature feedback, the method comprises the following steps: (1) using the pre excitation mode generates a triangular wave excitation field; (2) eliminate the response signal of triangular wave excitation magnetic field, and obtain the magnetization response signal of the target area, and the current distribution in the target area temperature; (3) according to the current temperature and control function to control the RF magnetic field generating device for heating the target area; (4) measurement of target area temperature at the measuring end; (5) the predict target area temperature on a target area after heating temperature and heating temperature before the next target area, according to the prediction of temperature feedback control of the RF magnetic field generating device, adjust the heating parameters; (6) repeat steps (4) ~ (5), until the stable temperature in hyperthermia temperature window; the method provided by the invention and heat In order to realize the precise temperature control in the magnetic fluid hyperthermia, the temperature of the target area is controlled by the temperature controller.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于实时智能温控
，更具体地，涉及一种基于温度反馈的磁流体热疗温度控制方法及热疗仪。
技术介绍
数据表明，42℃-45℃是癌细胞逐渐坏死而正常细胞存活的窗口温度，当肌体组织局部温度超过42℃，肿瘤组织开始出现淤血甚至凝固性坏死的现象，而45℃内的温度不会对正常组织造成不可逆的损伤。肿瘤热疗正是利用肿瘤组织与正常组织在温度耐受性上的显著差异，通过加热肿瘤部位使其温度处于窗口温度来实现破坏肿瘤组织的目的。磁流体是一种由磁纳米粒子、基载液、界面活性剂混合而成的新型功能材料，它兼备磁纳米粒子的磁学特性和液体的流动性，磁流体可在外加磁场诱导下定位于病灶部位，并在交变磁场作用下吸收电磁波以向外辐射热量，使得肿瘤组织局部升温；当肿瘤细胞中含有磁纳米粒子时，由于产热来自细胞内部，肿瘤细胞杀伤效果更为明显；因此将磁流体应用于肿瘤治疗具有极大的实用价值。但将磁流体作用于病灶部位时，如何实现对病灶部位局部温度的精确控制，目前尚未有研究。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于温度反馈的磁流体热疗温度控制方法及热疗仪，其目的在于利用射频磁场对磁流体靶向加热，利用非侵入式方法进行局部温度测量，通过温度的反馈控制对加热参数进行实时调整，实现对磁流体温度的精确控制。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于温度反馈的磁流体热疗温度控制方法，包括如下步骤：(1)采用预激励方式生成三角波激励磁场并消除三角波激励磁场的响应信号，获取目标区域磁化响应信号，并反演目标区域当前温度；(2)根据当前温度以及控制策略函数控制射频加热装置对目标区域进行加热；(3)获取加热后的目标区域温度；(4)通过所述目标区域温度预测上一次加热后目标区域温度与下一次加热前目标区域温度；根据预测的这两项温度反馈控制射频磁场发生装置调整加热参数；(5)重复步骤(3)～(4)，直至目标区域温度稳定在热疗温度窗口内。优选地，上述的磁流体热疗温度控制方法，其步骤(1)包括如下子步骤：(1.1)采用预激励方式生成三角波激励磁场；(1.2)利用一对差分线圈消除三角波激励磁场的响应信号；(1.3)利用所述差分线圈获取目标区域磁化响应信号，并反演目标区域当前温度；基于三角波激励的磁纳米温度测量方法的原理为：在低频交流磁场激励下，通过对交流磁场H和磁流体磁化强度M的n次同步采样，得到其离散化数据H＝[H1，H2，…，Hn]和M＝[M1，M2，…，Mn]；并据此建立Mi＝f(Hi)，i＝1,2,3...n；在低频交流磁场下，其中：φ为单位体积的磁纳米粒子数量；Ms为饱和磁化强度；V为粒子的体积；k为波尔兹曼常数(约1.38×10-23J/k)；在已知磁场H＝[H1，H2，…，Hn]和M＝[M1，M2，…，Mn]的条件下，通过拟合获得中的参数x、y；其中x＝φMs，进而获得温度优选地，上述的磁流体热疗温度控制方法，其步骤(2)包括如下子步骤：(2.1)在外加磁场诱导下将磁流体定位于加热目标，并在交变磁场作用下吸收电磁波以向外辐射热量，使得目标区域升温；(2.2)根据当前温度以及控制策略函数调整加热电流，对目标区域进行加热，直至达到预设的加热时长后停止加热。优选地，上述的磁流体热疗温度控制方法，其控制策略函数其中，K1，K2均为调节系数，表示对加热电流的调整系数值，用于对加热电流值进行粗调，K1＞1，K2≤1；当K(z)＝1时，加热电流对应给定的电流；C为大于或者等于0的常量，是指目标区域温度与预设理想温度之间的温度差阈值；当目标区域温度与预设理想温度之间的温度差高于温度差阈值时，通过控制策略函数实现对电流的粗调，以减小从目标区域当前温度上升到预设理想温度所用时间；T(t)是目标区域当前温度。优选地，上述的磁流体热疗温度控制方法，其步骤(2.2)具体为：(2.2.1)设定初次加热时长，并根据预设理想温度与目标区域温度之间的温度差以及初次加热时长，基于磁流体温升模型估算初始加热电流；(2.2.2)根据目标区域在初次加热后的测试温度微调加热电流，直至初次加热后目标区域测试温度T2满足|T2-Ts|<C2。其中，C2是指温度测量时刻所对应的温度区间限定常数，表示温度测量时刻对应温度在预设理想温度附近的波动值，用于限定温度测量时刻目标区域温度区间，0<C2<1.5。优选地，上述的磁流体热疗温度控制方法，其步骤(3)包括如下子步骤：(3.1)将磁流体置于激励线圈中心，并反演获取当前时刻t2的温度T2；(3.2)将磁流体置于加热线圈中心，根据t2时刻的温度T2预测上一次加热后对应时刻t1的磁流体的温度，以及下一次加热前对应时刻t3的磁流体的温度；t1～t2时间段内将磁流体从加热线圈移入激励线圈，t2～t3时间段内将磁流体从激励线圈移入加热线圈，这两段时间相对较短；由于在磁流体降温初期，其温度与环境温度的温差大，在短时间内近似为线性下降；预估温度其中，T0为测试温度，为磁流体温度下降直线斜率，Δt为变化时间；t1时刻预估温度t3时刻预估温度采用这种近似处理的意义在于，在相对较短内采用直线近似简化模型；这种近似带来的误差可在温度反馈控制过程中得到修正，由此取得很好的控制效果。优选地，上述的磁流体热疗温度控制方法，其步骤(4)具体为：(4.1)比较上一次加热后对应温度T1与热疗窗口温度上限Tmax的大小，当T1>Tmax,进入步骤(4.2)；当T1<Tmax，进入步骤(4.3)；(4.2)调整控制策略函数以减小加热电流，直至下一次加热前温度T3与Ts满足|T3-Ts|<C1；其中，C1为温度区间控制常数，表示下一次目标区域温度在理想预设温度附近的波动值，用于限定目标区域下一次加热前温度范围，0<C1<1.5；(4.3)比较下一次加热前对应温度T3与Ts，当T3<Ts，则进入步骤(4.4)；当T3>Ts，则固定加热时间，减小加热电流；(4.4)判断是否满足T3>Tmin，若是，则增大加热电流并确定加热时间或者在加热时间内保持加热电流恒定，使得目标区域处于热疗温度窗口内；若否，则调整控制策略函数以及温度区间控制常数C1，以使得下一次加热前温度高于热疗窗口温度下限Tmin；其中，Tmax、Tmin分别是指热疗窗口温度上、下限；其中，预设理想温度Ts为目标区域温度的稳定温度，根据控制效果可以调整，其初始值可设置为热疗窗上、下限温度的平均值；C1、C2分别表示下一次加热前温度区间控制常数、温度测量时刻所对应温度区间限定常数。通过设定C1、C2实现对下一次加热前温度区间、温度测量时刻所对应温度区间的控制，即满足0<C1、C2<1.5。对控制策略函数K(z)的调整通过改变加热电流调节系数K1、K2来实现；当K(z)＝1时，加热电流即为所给定加热电流；当K(z)＝K1时，加热电流为给定电流的K1倍；在所给定加热电流I下加热，经过一定的时间达到Ts，目标区域从初始温度上升到Tmin前所用时间为热疗准备时间，近似线性关系；用表示温度变化率，其中，T初始表示目标区域初始温度；获知加热电流I与KI关系后，通过调整控制策略函数来控制加热准备时间。为了达到温度控制的目的，当磁流体温度低于预设理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于温度反馈的磁流体热疗温度控制方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)采用预激励方式生成三角波激励磁场并消除三角波激励磁场的响应信号，获取目标区域磁化响应信号，并反演目标区域当前温度；(2)根据当前温度以及控制策略函数控制射频加热装置对目标区域进行加热；(3)获取加热后的目标区域温度；(4)通过所述目标区域温度预测上一次加热后目标区域温度与下一次加热前目标区域温度；根据预测的这两项温度反馈控制射频磁场发生装置调整加热参数；(5)重复步骤(3)～(4)，直至目标区域温度稳定在热疗温度窗口内。

【技术特征摘要】
1.一种基于温度反馈的磁流体热疗温度控制方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)采用预激励方式生成三角波激励磁场并消除三角波激励磁场的响应信号，获取目标区域磁化响应信号，并反演目标区域当前温度；(2)根据当前温度以及控制策略函数控制射频加热装置对目标区域进行加热；(3)获取加热后的目标区域温度；(4)通过所述目标区域温度预测上一次加热后目标区域温度与下一次加热前目标区域温度；根据预测的这两项温度反馈控制射频磁场发生装置调整加热参数；(5)重复步骤(3)～(4)，直至目标区域温度稳定在热疗温度窗口内。2.如权利要求1所述的磁流体热疗温度控制方法，其特征在于，所述步骤(2)包括如下子步骤：(2.1)在外加磁场诱导下将磁流体定位于加热目标区域，并在交变磁场作用下吸收电磁波以向外辐射热量，使得目标区域升温；(2.2)根据当前温度以及控制策略函数控制射频磁场发生装置对目标区域加热，直至达到预设的加热时长后停止加热。3.如权利要求1或2所述的磁流体热疗温度控制方法，其特征在于，所述步骤(3)包括如下子步骤：(3.1)将磁流体置于激励线圈中心，并反演获取当前时刻t2的温度T2；(3.2)将磁流体置于加热线圈中心，根据t2时刻的温度T2预测上一次加热后对应时刻t1的磁流体的温度、以及下一次加热前对应时刻t3的磁流体的温度。4.如权利要求1或2所述的磁流体热疗温度控制方法，其特征在于，所述步骤(4)包括如下子步骤：(4.1)比较上一次加热后对应温度T1与Tmax的大小，当T1>Tmax，进入步骤(4.2)；当T1<Tmax，进入步骤(4.3)；(4.2)调整控制策略函数以减小加热电流，直至下一次加热前温度T3与Ts满足|T3-Ts|<C1；其中，C1为温度区间控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹维，刘文中，张朴，徐文彪，杨明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42