依托神经网络为探讨超声肿瘤热疗仪温度控制算法

刘永红

吉林省肿瘤医院超声科，吉林长春 130000

[摘要] 本文从热疗系统温度测控方法、基于人工神经网的新型温度控制算法和超声肿瘤热疗仪温控系统程序编制三个方面分析了依托神经网络为探讨超声肿瘤热疗仪温度控制算法。

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关键词 ] 神经网络；肿瘤；热疗仪；温度测控

[中图分类号] R197.39　[文献标识码] A　[文章编号] 1672-5654（2014）05（b）-0197-02

1热疗系统温度测控方法

1.1温度测量

温度是自然界任何物体的基本属性参数，被广泛应用于各种物理检测中。几乎所有的物理和化学检测都需要考虑温度在其中所发生的影响和作用。温度因此在现代工业化生产的各个行业中发挥着巨大的作用。在医学检测上温度同样是十分重要的检测项目。从最简单的体温测量和更加复杂体内局部器官温度检测，温度测量被广泛运用到医学检测的各个方面，各个环节。从检测的手段来看，可以根据测量仪器与测量体之间是否直接发生接触而分成接触式测量和非接触式测量两种测量方法。接触式测量的优点在于测量的结果更加准确，测量的方法更加简单，缺点在于必须与被测介质发生接触，而且由于测量时必须与被测介质接触一段时间后才能达到热平衡所以测量结果与实际被测介质温度存在时间上的滞后差异。非接触式测量的优点在于具有更快的检测速度，并且可以检测移动的物体，但由于检测时与被检测体存在一段空间上的距离，因此检测结果的误差较大。在实际的医学临床温度测量当中，通常根据需要检测的实际部位以及检测的环境对于温度测量方式和方法进行选择。

1.2温度控制的作用

温度由于是物质的重要参数属性，能够反应物质内部和外部的状态，因此经常被用作监测和控制仪器操作的重要指标。通过监测温度可以对仪器的操作进行实时的控制，使得仪器的工作始终处在正常的状况和水平下。如果监测中发现温度发生变化，则需要对于温度变化的原因进行分析和判断，从而做出适当的操作。

在超声肿瘤热疗仪器中，需要进行温度实时监测的是患者需要治疗的肿瘤，正常的温度范围应该是在25℃~50℃度之间。如果监测到的肿瘤温度超过正常范围，则需要对仪器所发出的超声热度进行调整，从而避免由于治疗时温度的过低或者过高而对人体组织结构造成损害。为了保证温度监测的准确性和可靠性，对肿瘤的温度监测采用接触式监测方法。即将监测温度仪器深入到肿瘤内部进行监测。这就需要在监测时选择灵敏度高、运行稳定、体积较小的电偶传感器来完成对于温度的监测。通常选用针形的电偶传感器来对肿瘤内部的温度进行监测。

1.3温度测控系统的方法

超声肿瘤热疗仪的温度监测对象是人体内的肿瘤。由于人体内部结构复杂多变，人体内的肿瘤组织结构同样在组织结构和病理性质上存在较大的差别。即使是同样类型的肿瘤在不同的人体内也会呈现处不同的性状变化。此外，超声肿瘤热疗仪在治疗的过程中也会使得肿瘤的内部性状进行变化。因此对于肿瘤建立较为精准的数学模型无疑是非常困难的，因此采用自适应控制是一种相对合理的选择。自适应控制是一种能够根据监测到的动态数据对于系统进行动态调控的计算方法。由于超声肿瘤热疗仪在治疗过程中，肿瘤温度变化的频率和强度都相对复杂，因此采用自适应控制通常可以对于温度的判断和控制更加实时、动态、准确。

2基于人工神经网的新型温度控制算法

2.1人工神经网

人的大脑是最复杂的计算和控制系统，人的大脑通过人体内的多条神经线路完成对于人体的操作和控制。人工神经网是一种基于人体神经网络运行所抽象出来的新型信息处理系统。人工神经网的系统从模型上来看尽可能模拟人体真实的网络神经控制系统。人工神经网是一种集成人工智能和信息传感等多门学科的新型知识体系。人工神经网通过各种不同的传感器采集相应的信号，再经过不同的传输介质传导到计算机中心处理器上进行计算和处理。人工神经网模型的提出和构建是计算机发展历史上的一次重大变革。它为计算机进行复杂的信息采集和信息处理提供了更加科学、合理的模型。

2.1 BP人工神经网的动态控制结构

BP算法是误差反传训练算法的简称。

误差反传算法的主要思想是把学习过程分为两个阶段：第一阶段正向传播过程，人给出输入信息通过输入层经隐含层逐层处理并计算每个单元的实际输出值；第二阶段反向传播过程人若在输出层未能得到期望的输出值，则逐层递归地计算实际输出与期望输出之差值用误差人以便根据此差调节权值，具体些说，就是可对每一个权重计算出接收单元的误差值与发送单元的激活值的积。因为这个积和误差对权重的(负)微商成正比(又称梯度下降算法，又可把它称做权重误差微商)。权重的实际改变可由权重误差徽商一个模式一个模式地计算出来，即它们可以在这组模式集上进行累加。

BP网络不仅有输入层结点，输出层结点，而且有一层或多层隐含结点。对于输入信息，要先向前传播到隐含层的结点上，经过各单元的特性为Sigmod型的激活函数(又称作用函数、转换函数或映射函数等)运算后，把隐含结点的输出信息传播到输出结点，最后给出输出结果。网络的学习过程由正向和反向传播两部分组成。在正向传播过程中，每一层神经元的状态只影响下一层神经元网络，如果输出层不能得到期望输出，就是实际输出值与期望输出值之间有误差，那么转入反向传播过程，将误差信号沿原来的连接通路返回，通过修改各层神经元的权值，逐次地向输入层传播去。利用BP神经网络进行推理训练，并用动态结构BP网络校正现有的控制参数的方法，从而实现规则自组织，达到在控制过程中不断优化控制性能之目的。

3超声肿瘤热疗仪温控系统程序编制

3.1超声肿瘤热疗仪温控系统的程序设计要求

首先是统一性原则。超声肿瘤热疗仪是为患者提供肿瘤治疗服务的一种新型手段，其温控系统运行情况的好坏直接影响到最终的治疗效果。因此温控系统在程序设计上必须首先保证整体运算的可靠性和准确性，才能使得仪器在运行过程中能够面对复杂的人体内部组织结构的变化而正常运行。由于热疗仪温控系统涉及到的电子元件都是非常精细和缜密，因此程序的设计必须从整体上考虑元件之间信号传输和衔接问题，使得不同的元件能够有效、有序地工作。

其次是可靠性原则。温度是监测超声肿瘤热疗仪的最基础、最重要的参数。从某种程度上说超声肿瘤热疗仪的所有工作都是围绕温控系统而进行的。温控系统对于温度的监测和判断是热疗仪进行操作的基础性数据。因此系统程序编制必须保证数据在采集和传输时的可靠性，通过合理、有效的数据验证是保障温控系统可靠性的重要方法。

最后是实时性原则。超声肿瘤热疗仪温控系统要求对肿瘤在治疗过程中所发生的温度变化实时采集并进行分析和处理，以便能够及时调整治疗仪的功率，达到最可靠、最有效的治疗效果。因此在温控系统的程序设计时必须坚持实时性原则，对于采集到的数据在最短的时间内进行实时的检验和校正，在传输数据的过程中也同样尽可能避免由于程序重复运行而造成的时间上的延误。

3.2超声肿瘤热疗仪温控系统的结构

超声肿瘤热疗仪温控系统是一个集成温度采集、筛选、分析和控制的复合操作系统，因此是一个集成软件和硬件的综合系统。其主要结构由温度采集模块、传输模块、信号处理模块和信号显示模块。温度采集模块即选用针式点偶传感器进入肿瘤内部进行实时性的温度采集，并对采集到的数据进行初步的数据校验，校验通过以后传递给传输模块。传输模块的作用主要是保障采集到的数据能够在不同的电子元件和传输介质之间快速、有效地传输。信号处理模块则主要是用于对采集到的温度数据进行分析和处理，从而做出有效的判断和控制。信号显示模块是根据系统操作人员的需要将信号以波形或者其他的表示形式显示到终端显示器上。

3.3上位机的程序设计功能

超声热疗系统上位机完成温度的各种图形显示、加温控制的计算、控制数据的管理和通信协议的实现等功能，以使热疗仪各个子系统能够正常、合理地运行。上位机软件不仅是整个超声热疗系统的控制核心，而且是医疗人员在治疗过程中进行人机交互的主要手段，因此，它必须具备如下功能：

①参数设置．设置治疗的时间、温度、频率、测量点、加温单元；②温度显示．采用多种显示方式，直观形象地显示实测温度值；③功率控制； ④数据通信．实现上位机与下位机之间各类数据的正确传输；⑤出错控制．仪器故障或执行非法操作时，提示出错信息，进行出错处理。

为了能使这些功能协调运行，必须对软件的静态、动态模型进行合理规划与设计。

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参考文献]

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（收稿日期：2014-02-12）