CN106377842B - 一种基于温度反馈的磁流体热疗温度控制方法及热疗仪 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种基于温度反馈的磁流体热疗温度控制方法及热疗仪

技术领域

本发明属于实时智能温控技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明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，按照本发明的一个方面，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热疗窗口内。

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，…，H_n]和M＝[M₁，M₂，…，M_n]；并据此建立M_i＝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；M_s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，…，H_n]和M＝[M₁，M₂，…，M_n]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-T_s|<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)比较上一次加热后温度T₁与热疗窗口温度上限T_max的大小，当T₁>T_max,进入步骤(4.2)；当T₁<T_max，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-T_s|<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)比较下一次加热前温度T₃与T_s，当T₃<T_s，则进入步骤(4.4)；当T₃>T_s，则固定加热时间，减小加热电流；

(4.4)判断是否满足T₃>T_min，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热疗窗口内；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T₃高于热疗窗口温度下限T_min；

其中，T_max、T_min分别是指热疗窗口温度上、下限；其中，预设理想温度T_s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T_min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K_I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想温度T_s时，可在保持加热电流不变的情况下增大加热时间，或者在固定加热时间情况下增大加热电流；具体地，

当T_s-T(t)>0，在保持加热电流不变时，P为常数；根据磁流体能量耗散功率P与温度T之间的关系获得加热时间修正电流I_f＝0；其中，K为常量；

或者固定加热时间，增大加热电流，此时加热时间Δt为常数；

根据磁流体能量耗散功率P与温度T之间的关系变形为

结合P＝(I+I_f)S(z)W(z)K(z)获取修正电流I_f，此时修正电流为正，为正反馈。

当磁流体温度高于T_s且低于热疗窗温度上限，在固定加热时间情况下减小加热电流；具体地，

当T(t)-T_s>0时，在固定加热时间时，Δt为常数，根据P＝(I+I_f)S(z)W(z)K(z)获取修正电流I_f，此时修正电流为负，为负反馈。

通过温度的反馈控制对加热参数进行实时调整，实现预设的温度序列，实现对磁流体温度的精确控制。

为实现本发明的目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种基于温度反馈控制的磁流体热疗仪，包括传送模块、加热模块、测温模块和控制模块；

其中，传送模块与控制模块的第一端相连；加热模块与控制模块的第二端相连；测温模块的第一端与控制模块的第三端相连，测温模块的第二端与控制模块的第四端相连；

其中，传送模块在控制模块的作用下实现精确传动；测温模块在控制模块的作用下获取目标区域的温度；加热模块在控制模块作用下根据目标区域的温度反馈在热疗窗口内对目标区域进行精准加热。

优选的，上述基于温度反馈控制的磁流体热疗仪，其测温模块包括功率放大器、激励线圈、探测线圈和前置放大器；

其中，功率放大器用于驱动激励线圈产生激励磁场对磁流体进行磁化；探测线圈用于检测磁流体的磁化强度；前置放大器用于将探测线圈探测到的微伏级电压进行放大。

优选的，上述基于温度反馈控制的磁流体热疗仪，其加热模块包括射频磁场发生装置和射频磁场控制器；

其中，射频磁场发生装置用于产生射频磁场来加热磁流体；所述射频磁场控制器用来实现数据采集卡与射频磁场发生装置的接口匹配。

优选的，上述基于温度反馈控制的磁流体热疗仪，其传送模块包括电机控制器和滑台模组；所述电机控制器用于端口匹配；所述滑台模组用于在所述控制模块的控制下将磁流体传送至加热模块的中心区域或测温模块的中心区域。

优选的，上述基于温度反馈控制的磁流体热疗仪，其控制模块包括数据采集卡和LABVIEW模块；数据采集卡在LABVIEW模块的控制下进行数据采集和存储；由LabVIEW模块控制数据采集卡生成激励波形；由LabVIEW模块配合数据采集卡、借助外部LabVIEW上位机实现数据处理、存储和显示功能。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的基于温度反馈的磁流体热疗温度控制方法，以磁场作为媒介进行温度的测量，实现了非侵入式测量；

(2)本发明提供的基于温度反馈的磁流体热疗仪，利用控制模块远程控制传送模块、加热模块、测温模块，可自动完成背景噪声消除、磁化响应信号获取、样品的加热以及样品的温度控制，具有智能化程度高、易于操作的特点；

(3)本发明提供的基于温度反馈的磁流体热疗温度控制方法及热疗仪，利用磁流体的弛豫效应产生热疗所需的热量，由于使用的射频磁场来加热磁流体对人体辐射小，避免在热疗过程中对正常细胞造成创伤；并且在本发明提供的温度控制方法下，能够使目标区域的温度迅速升至温度区间内理想温度；利用温度的反馈控制达到了对温度的实时监控，使温度稳定在最安全的热疗窗口温度内，实现了无创温度监控及热疗。

附图说明

图1是本发明实施例提供的热疗仪的系统示意图；

图2是本发明实施例提供的热疗仪的系统结构函数；

图3是本发明实施例提供的温度控制方法的流程示意图；

图4是本发明实施例提供的温度时间序列图示意图；

图5是本发明实施例提供的热疗仪的结构示意图；其中，(a)所示的磁流体热疗仪的示意图，(b)是磁流体热疗仪的传送结构示意图；

图6是本发明实施例中射频磁场发生装置控制器用户端口；

图7是本发明实施例中反演温度与光纤温度曲线；

图8是本发明实施例中的磁流体温度曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的基于温度反馈控制的磁流体热疗仪，其系统如图1所示，包括传送模块、加热模块、测温模块和控制模块；传送模块与控制模块的第一端相连；加热模块与控制模块的第二端相连；测温模块的第一端与控制模块的第三端相连，测温模块的第二端与控制模块的第四端相连；矩形框内为各模块之间的箭头指向表明了模块间的信号传递关系；

实施例里，控制模块的数据采集卡与加热模块的射频磁场发生装置通过射频磁场控制器相连；数据采集卡还连接有其他外设，包括显示器、键盘、鼠标；

实施例中，加热线圈、激励线圈与传送模块的物理位置关系为：加热线圈置于最上方，激励线圈位于加热线圈下面约20cm处，激励线圈和加热线圈敏感轴共线并垂直于水平面；激励线圈通过四脚支架支撑，传送模块置于四脚支架中心轴线处，使得传送样品能刚好处于激励线圈、加热线圈中心处。

实施例中采用的射频磁场发生装置为用户留有19个接口端子用于远程控制；采用射频磁场控制器来实现用户端口与数据采集卡端口的匹配；通过射频磁场控制器，LabVIEW模块实现对射频磁场发生装置的远程控制以及数据共享，提升了磁流体热疗仪的自动化水平；在测温模块，采用赫姆霍兹线圈作为激励线圈；功率放大器用以驱动赫姆霍兹线圈产生激励磁场对磁流体进行磁化，探测线圈用以检测磁流体的磁化强度信息并通过前置放大器将探测线圈微伏级放大至数据采集卡的采集范围；

在实施例提供的这种磁流体热疗仪中，磁流体既作为产热源又作为温度感知的元件；由于加热模块与测温模块不宜放在一起，因此采用传送模块将磁流体传送至加热模块或测温模块的激励线圈中；传送部分由电机控制器和带电机的滑台模组构成，与射频磁场控制器类似，电机控制器同样具有匹配的作用，LabVIEW模块通过电机控制器控制滑台模组中的电机，继而实现精确传动。

图2所示，是本发明实施例提供的热疗仪的系统结构函数；I为给定值的电流信号，是指射频加热装置的加热电流；T(t)为被控量，是指磁流体在t时刻对应的温度；P(t)为中间变量，表示t时刻磁流体耗散功率；I_f为反馈信号，是指射频加热电流的修正信号，其值为正时为正反馈，为负时表示负反馈；

控制器传递函数C(z)＝S(z)W(z)K(z)，是射频加热装置和控制函数的模型；采用这种控制方法以使温度迅速达到理想值；其中，S(z)是指射频加热装置的模型，为射频加热装置固有，可由加热电流和磁场强度的关系获得

W(z)为交变磁场强度H与磁流体能量耗散功率P转换关系的传递函数，磁流体能量耗散功率P与H函数关系为P＝πμ₀χ″H²f；其中，μ₀为真空磁导率，χ″表示磁化率虚部，H为交变磁场强度，f为交变磁场的频率。

K(z)是指控制策略函数，与磁流体当前温度T(t)有关；

当|T_s-T(t)|>C，K(z)＝K₁；

当|T_s-T(t)|<C，K(z)＝K₂；

其中，K₁，K₂表示加热电流调整系数；C为温度差阈值。

磁流体的模型G(z)为被控对象传递函数，采用唯象卢卡斯方程表述；磁流体能量耗散功率P与T之间关系为其中T₀、T分别是指加热前、加热后的磁流体温度，K为常数，P为能量耗散功率P＝πμ₀χ″H²f；

P＝(I+I_f)S(z)W(z)K(z)，其中

在特定加热电流下，交变磁化强度为常数，磁流体能量耗散功率P为常数，等式两边对t求导，即该方程表示在特定加热电流时温度随时间的变化率；

由此，在固定加热时间时，时间t为常数，可获得目标区域升高到设定温度所需的加热电流。

H(z)为测量变送元件传递函数，实现从目标区域温度到反馈电流的变换；当磁流体温度低于Ts时，可在保持加热电流不变的情况下增大加热时间，或者在固定加热时间情况下增大加热电流；

当Ts-T(t)>0，在固定加热电流时，P为常数，加热时间I_f＝0；Ts-T(t)>0；

在固定加热时间时，Δt为常数，

将其变形为令

根据P＝(I+I_f)S(z)W(z)K(z)反推获取修正电流I_f，此时修正电流为正，为正反馈；

当磁流体温度高于T_s且低于热疗窗温度上限，在固定加热时间情况下减小加热电流；

当T(t)-T_s>0时，在固定加热时间时，Δt为常数，根据P＝(I+I_f)S(z)W(z)K(z)反推获取修正电流I_f，此时修正电流为负，为负反馈。

如图3所示，是本发明实施例提供的温度控制方法的流程示意图，具体包括如下步骤：

(1)采用预激励方式生成三角波激励磁场；

(2)利用一对差分线圈消除三角波激励磁场的响应信号，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；

(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)在测量端测量此时目标区域温度；

(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和下一次加热前目标区域温度，基于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)，直至测量端温度稳定在热疗热疗窗口内。

如图4所示，是实施例中的温度时间序列控制示意图；其中，[T_min,T_max]是指热疗窗口温度区间，T_s(位于[T_min,T_max]内)是预先设定的理想温度，其意义为是系统温控稳定在热疗窗口温度区间的最终理想趋近的温度，T_s为T_min、T_max的平均值；t₀～t₈表示系统处于特定状态所对应的时刻，t₀表示热疗开始时间，T₀～T₈分别表示对应各个时刻的温度。

实施例中，温度时间序列的控制过程如下：热疗仪开始于t₀，t₀处对应的温度如图所示的T₀；控制在一定时间内加热磁流体温度达到预先设定的理想温度T_s，根据(T_s-T₀)计算出在特定加热电流下所需的加热时间；

图中t₁是指加热终止的时刻，(t₁-t₀)即为所需加热时间，由于存在偏差，在经过(t₁-t₀)时间加热后的温度如图所示的T₁；在t₁～t₂，传送模块将磁流体移入激励磁场；在t₂时刻完成温度反演，获得在t₂时刻的温度为T₂；在t₂～t₃，将磁流体移入加热线圈；在t₃时刻时，磁流体刚好位于加热线圈中心；

在t₁～t₃时段磁流体的降温主要来源于磁流体与外界的热交换，t₁～t₂时段内是将磁流体从加热线圈移入激励线圈，t₂～t₃时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，与环境温差大，在短时间内可以近似为线性下降；

因而在已获得时间与t₂处的温度T₂情况下，依据磁流体降温曲线可推算出t₁、t₃时刻对应的温度T₁、T₃；

比较上一次加热后温度T₁与T_max的大小，当T₁>T_max，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；当T₁<T_max，比较下一次加热前温度T₃与T_s，当T₃<T_s，判断是否满足T₃>T_min，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T_min，当T₃>T_s，则固定加热时间，减小加热电流；

t₄～t₆、t₆～t₈控制方法如前面所述相同，最终使得磁流体温度稳定在[T_min，T_max]、在T_s附近微小摆动。

磁流体温度与加热功率或加热电流的关系是基于唯象卢卡斯方程、射频磁场发生装置磁场强度与加热电流的对应关系所建立的一个函数关系；在热疗温度控制过程中，反复依据此关系计算温度。

实施例中，为了提高计算速度，采用在LabVIEW模块中调用MATLAB脚本程序的方式；因此可以做到快速获取升高到特定温度所需的时间；在确定加热时间下，就可以确定升高到特定温度所需要的加热功率；实施例中，采用MATLAB脚本程序使软件模块更加简洁，具有提高系统运行速度和稳定性的效果。

如图5所示是实施例提供的磁流体热疗仪的示意图；磁流体热疗仪中探测线圈、激励线圈、加热线圈与磁纳米粒子的相互作用均以磁场为媒介，而这种方式具有很强的空间距离敏感性；具体的，磁流体在加热时应置于加热线圈半高截面上，以保证最大的磁热转换率；进行温度测量时应置于激励线圈中心的均匀区内，并且探测线圈的相对位置保持固定，同时加热线圈工作时释放的大量电磁波，探测线圈与激励线圈应置于其影响区外以避免加热；基于上述两点，探测线圈、激励线圈、加热线圈与磁流体之间的位置关系需依靠良好的机械设计；

在图5中(a)所示的实施例提供的磁流体热疗仪的示意图中，加热线圈、激励线圈与传送模块的物理位置关系为：加热线圈置于最上方，激励线圈位于加热线圈下面约20cm处，激励线圈和加热线圈敏感轴共线并垂直于水平面；激励线圈通过四脚支架支撑，传送模块置于四脚支架中心轴线处，使得传送样品能刚好处于激励线圈、加热线圈中心处。

图5中(b)是实施例提供的磁流体热疗仪的传送结构示意图；磁流体放置于支架上，支架和滑台通过连接件、连接杆固定在一起，步进电机与螺杆相连；步进电机转动带动螺杆转动使滑台沿螺杆方向上下移动，从而控制与滑台相连的支架移动，以将磁流体置于加热线圈的中心区域或激励线圈中心区域；本实施例中，滑台模组行程为360mm，精度0.1mm，满足加热线圈与激励线圈的距离要求和定位精度要求。

如图6所示是本发明实施例中射频磁场控制器用户端口对应关系；按照该对应关系通过电平转换电路实现射频磁场发生装置与数据采集卡的连接。控制D11～D14可以实现对射频磁场发生装置的远程开停机；控制AIN1和AIN2实现射频磁场发生装置输出电流控制；读取AOUT1和AOUT2实现对实时功率和电流的监控。AGND模拟地为控制电路提供参考地平面；CV+、CV-为控制电路提供正负24V供电；读取K1故障继电器端子实现对射频磁场发生装置故障检测。

如图7所示，是本发明一种实施例中的反演温度与光纤温度曲线图；通过对光纤温度计与测温模块对应的磁纳米温度计测量结果的比较，可以看出两种测量方法所得结果趋势一致；以光纤温度计结果作为基准，实施例中的测温误差标准差为0.3445K。

如图8所示，实施例中，在220秒内磁流体的温度从298.2K上升到316.1K，在340秒时达到温度最大值317.3K，此后温度不断接近315K，在360秒之后温度稳定在315K±1.5K的范围内，对应的热力学温度为315～318K，与肿瘤热疗的窗口温度42℃-45℃相对应；实施例中的控制参数如下：C＝10，K(z)＝K₁＝1.2,K₂＝1,C1＝0.95,C2＝0.5。由此验证了将本实施例所提供的磁流体热疗仪及温度控制方法应用于肿瘤热疗的可行性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于温度反馈的磁流体热疗仪，其特征在于，包括传送模块、加热模块、测温模块和控制模块；

所述传送模块与控制模块的第一端相连；加热模块与控制模块的第二端相连；测温模块的第一端与控制模块的第三端相连，测温模块的第二端与控制模块的第四端相连；

所述控制模块包括LabVIEW模块，以及与LabVIEW模块具有信号交互的数据采集卡；

加热模块的加热线圈、测温模块的激励线圈与传送模块的物理位置关系为：所述加热线圈置于最上方，所述激励线圈位于加热线圈下方，激励线圈与加热线圈的敏感轴共线并垂直于水平面，所述传送模块在控制模块的作用下将磁流体传送到加热模块或测温模块，使得磁流体在加热时置于加热模块加热线圈半高截面上，以保证最大的磁热转换率，而进行温度测量时磁流体置于测温模块激励线圈中心的均匀区内；

所述测温模块在控制模块的作用下获取目标区域的温度；所述加热模块在控制模块作用下根据目标区域的温度反馈在热疗窗口内对目标区域进行加热，当磁流体温度低于T_s时，在保持加热电流不变的情况下增大加热时间，或者在固定加热时间情况下增大加热电流；当磁流体温度高于T_s且低于预设的热疗窗温度上限T_max，在固定加热时间情况下减小加热电流；其中，T_s是预先设定的理想温度。

2.如权利要求1所述的磁流体热疗仪，其特征在于，所述加热模块包括射频磁场发生装置和射频磁场控制器；

所述射频磁场发生装置用于产生射频磁场来加热磁流体；所述射频磁场控制器用来实现数据采集卡与射频磁场发生装置的接口匹配；

所述LabVIEW模块通过射频磁场控制器实现对射频磁场发生装置的远程控制以及数据共享，以提升磁流体热疗仪的自动化水平。

3.如权利要求1或2所述的磁流体热疗仪，其特征在于，所述传送模块包括电机控制器和滑台模组；所述电机控制器用于端口匹配；所述滑台模组用于在所述控制模块的控制下将磁流体传送至加热模块的中心区域或测温模块的中心区域；

所述滑台模组包括支架、滑台、连接件、步进电机、连接杆和螺杆；支架用于承载磁流体，支架和滑台通过连接件和连接杆固定在一起，步进电机与螺杆相连；步进电机转动带动螺杆转动使滑台沿螺杆方向上下移动，从而控制与滑台相连的支架移动，以将磁流体置于加热线圈的中心区域或激励线圈中心区域。

4.如权利要求1或2所述的基于温度反馈的磁流体热疗仪，其特征在于，所述磁流体热疗仪的温度时间序列的控制过程如下：

加热开始时刻t₀处对应的温度为T₀；

磁流体在加热线圈经过(t₁-t₀)时长加热，温度达到T₁；

在t₁～t₂，传送模块将磁流体移入激励线圈；在t₂时刻完成温度反演，获得在t₂时刻的温度为T₂；

在t₂～t₃，将磁流体移入加热线圈；在t₃时刻时，磁流体刚好位于加热线圈中心；

比较上一次加热后温度T₁与T_max的大小，当T₁>T_max，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T_s 满足|T₃-T_s |<C1，其中，C₁为温度区间控制常数；

当T₁<T_max，比较下一次加热前温度T₃与T_s，当T₃<T_s，判断是否满足T₃>T_min，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T₃高于T_min，当T₃>T_s，则固定加热时间，减小加热电流；最终使得磁流体温度稳定在[T_min，T_max] 范围内、在T_s附近微小摆动；其中，T_min是指预设的热疗窗口温度下限，T_s是指预先设定的理想温度。

5.如权利要求4所述的基于温度反馈的磁流体热疗仪，其特征在于，所述控制策略函数

其中，K₁，K₂均为调节系数，表示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，是指目标区域当前温度与预先设定的理想温度T_s之间的温度差阈值；当目标区域当前温度与预先设定的理想温度T_s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先设定的理想温度T_s所用时间；T(t)是目标区域当前温度。