基于自抗扰控制器的射频消融电极温度控制系统仿真研究_程妍妍.pdf

第 卷 第 期 年 月北京生物医学工程 .基金项目：国家自然科学基金（、）资助作者单位：北京工业大学环境与生命学部（北京）通信作者：南群，教授。：.基于自抗扰控制器的射频消融电极温度控制系统仿真研究程妍妍 田甄 张之帅 宋晓华 南群摘 要 目的 将自抗扰控制器（，）应用于射频电极并探讨温度控制效果。方法 在 仿真平台，建立基于 的射频电极温度控制系统，进行阶跃信号实验。加入幅值为 的阶跃信号扰动，以模拟不稳定的人体内环境。最后，将温度滞后时间、温度转换时间 和增益系数 值增加 和，与同条件比例积分微分（，）控制性能对比。结果（）调节时间（.）较（.）短且超调为。（）与 值变化时，超调最大增量分别为.和.，但 超调均为；值变化时，虽出现超调，但同参数下的超调均较 小。（）各种参数变化下，两者受干扰后均能在 内平稳快速达到设定值。结论 控制技术在射频电极温度控制中显示超调小、稳定速度快、一定的抗干扰性及参数变化适应性，具有良好的调节能力。关键词 射频消融；去肾交感神经术；温度控制；自抗扰控制器；仿真：.中图分类号.文献标志码 文章编号（）本文著录格式 程妍妍，田甄，张之帅，等 基于自抗扰控制器的射频消融电极温度控制系统仿真研究北京生物医学工程，（）：，（）：，：（：.）【】（），（）（.）（.），（），.，（），【】；引言目前，射频去肾交感神经术（，）是一种新型治疗顽固性高血压的微创方法。其原理是 电极穿刺到肾动脉内紧贴血管壁，输出 能量将动脉外周的肾交感神经加热到所需治疗温度，使神经细胞发生病理性变化如坏死、萎缩，从而丧失细胞功能，阻断交感神经传递，最终达到降低血压的目的。射频消融术应用于神经外科时，温度在 时神经细胞会发生不可逆性破坏，而 内表现为可逆性神经损伤。通常将 作为神经有效热损伤温度。但消融时，若临近电极的肾动脉壁温度过高，即加热温度超出 ，会形成壁内气泡（蒸汽）造成血管壁膨胀，若膨胀持续，最终会导致动脉破裂。因此，为动脉壁热损伤阈值温度，超出后则存在血管“爆裂”或电极上血栓形成的风险。为极大降低风险，在 术中要求电极端温度不超过。可见，在消融过程中如何准确控制电极温度，使其快速达到并稳定在目标消融温度而不伤害正常组织，即精准温度控制成为 关键问题。射频电极一般含有温控器，通过相应算法实现温度精准控制，称为温控型射频仪。临床上，温控型 电极消融温度包括、和。目前，比例积分微分（，）是射频温控领域中比较成熟、应用最为广泛的控制器。但是，人体动脉血液中的环境比较复杂，血压及血流速度的变化都会造成控制精度的偏差。这一复杂性决定了射频电极温度控制系统具有非线性、时变性和滞后性。而传统 采用线性控制，依赖于精确数学模型，且调节时间越快超调越大，存在快速与超调的矛盾，使控制效果难以满足要求。为此，一些学者在 控制算法基础上进行改进。陆宏伟等改进 算法，解决了射频消融治疗过程中肿瘤组织电、热等性质变化导致控温性能降低的问题，但此算法对于短时间消融治疗、抗干扰能力强的场合并不适用。熊斌等改进 算法应用于多极射频消融治疗系统，实现了治疗过程中对消融温度和加热时间精确控制，但仍存在 的温度误差。邵江华提出基于最优切换控制方法，对温度误差和温度变化进行模糊化处理，该算法可对控制参数自适应调整，且在外界干扰时可迅速恢复到平稳状态。等设计模糊 自整定温控控制器，使得系统在扰动时能自动进行参数调整，但仍存在.的超调。基于此，需要一种可实现非线性控制、很好适应系统复杂性、不过于依赖精确数学模型且无超调的控制方法来克服上述问题。自 抗 扰 控 制（，）方法继承了 的技术精髓，以“基于误差来消除误差”为理念，并对内外扰动综合处理，通过扩张状态观测器对其进行估计，在反馈中引入非线性特性来改善控制效果，弥补 及改进控制的不足。这一策略的出现为非线性、时变性复杂的温度控制对象控制提供新思路。该算法结构简单易懂，理论体系成熟，且不依赖精确数学模型。目前 在 控制领域鲜有研究。为 探 索 控 制 能 力，应 用 仿真平台建立基于 的射频电极温度控制系统，与 控制性能进行对比。仿真中考虑人体内部环境不确定性特点外加扰动，以测试其抗干扰能力。通过改变电极模型参数值以研究 参数变化适应能力。研究方法.射频消融电极数学模型射频消融仪工作时，通过温度传感器对电极端温度实时检测，当检测到实际温度与设定值存在偏差，则会带入相应算法以动态调整电极温度，将其稳定在目标值。用于描述射频消融电极温度控制模型的公式为：（）（）式中：为增益系数；为温度转换时间；为温北京生物医学工程 第 卷度滞后时间。.控制器设计原理 控制器结构如图 所示，由跟踪微分器、非线性状态反馈 及扩张状态观测器 三个模块构成，具体算法实现如下。图 系统结构 （）作用后可输出（）的跟踪信号（）和微分信号（）。其离散动态方程为：（）（）（）（）（）（）（），（）式中：（）为 时刻的输入信号；为积分步长；为跟踪速度因子，决定跟踪速度快慢；为滤波因子。非线性函数 方程为：，（）|（）（，）（）|（）式中：、均为中间变量。（）是对控制量 和输出信号 进行观测，得出 的估计状态变量、和对系统内、外扰的总扰动估计值。离散动态方程为：（）（）（）（）（）（）（）（）（，）（）（）（）（，）|（）式中：（）和 分别为被控对象的输入及输出信号；、为可调参数；为扰动补偿因子；与控制精度有关。据大量文献，可取.，可取.。式中的非线性函数 为：（，）（）|（）式中：为偏差；为滤波因子；为非线性因子。（）实际是 的进阶版本，先用非线性函数对误差和误差的微分进行处理，然后再进行 线性加权。离散动态方程为：（）（），（）（）（，）（，）（）（）|（）式中：、为、信号与 两个估计量、形成的误差量；调节参数、和、，和可形成控制信号，与、参数 共同作用形成对扰动的补偿。该模块 和 常取.和.。.仿真系统模型构建根据 设计原理，应用 模块构建仿真系统。通过 语言编译，并将其封装到 自定义模块，实现 自定义过程。系统输入为单位阶跃信号。研究表明，单电极 常规消融温度为 ，。电极从室温 升至目标温度 ，温升为。因此，设定阶跃信号初始值，幅值，仿真时间 。被控对象传递函数见式（），初始、和。人体内部环境较复杂，任意时刻环境的变化都可能会对控制器造成干扰。为测试 抗扰动能力，在 时，加入幅值为 的阶跃扰动。改变、和 值，分别增至原来的 和，测试 的模型参数变化适应能力。.系统参数整定根据文献，对 三个核心模块的调节参数进行整定，整定值见表。表 控制参数设置 .第 期 程妍妍，等：基于自抗扰控制器的射频消融电极温度控制系统仿真研究 仿真结果.阶跃响应实验与抗干扰实验通过阶跃响应仿真研究，得到 和 阶跃响应曲线，如图（）所示。无干扰时两种控制器仿真结果见表。其中，上升时间为响应曲线从零时刻首次达到 稳态值的时间，其值越小，响应速度越快；调节时间为阶跃响应达到稳态值的偏差在范围内，且不再超出此范围所对应的最短时间，时间较短代表控制器性能较好；超调量为输出量的最大值减去稳态值，与稳态值的比值，表示系统最大动态偏差。抗干扰实验结果如图（）所示。表 无干扰时两种控制器仿真结果 控制器类型上升时间 调节时间 超调量.据上述结果，的上升时间（.）较 时间（.）短，但超调达到.。虽响应速度慢，但调节时间小于，为.。和 均能较快响应并进行扰动补偿，但 超调的存在使响应曲线整体波动幅度较大。受干扰后响应趋势更平稳，在较短时间内也很快恢复至目标值。.被控对象模型参数变化模型参数改变后，两种控制器仿真结果如图 所示。仿真结果表明，模型 和 分别增加、时，几乎不受影响，且超调均为，在 变化时较、变化反应敏感，出现超调，但对扰动稳定时间基本不变，最终稳定，且超调仍小于；超调 随 之 增 加，在 变 化 时 超 调 最 大 增 量 为.，变化时超调最大增量为.。同条件时，超调量均大于；在各种参数变化模型下，受干扰后两者均能在 内平稳快速达到设定值。讨论与结论射频电极温度控制系统具有非线性、时变性和滞后性，在实际应用时较难精确获取对象模型。传统 算法虽简单、成熟，但依赖于精确数学模型，对系统误差的控制为简单线性加权计算，使得控制效果可能不理想。引入非线性函数是 的改进版本，具有超调小、系统响应快和不依赖于系统精确模型等特点。因此，研究考虑将 应用于 温 度 控 制 上 探 索 控 制 性 能。在 搭建仿真模型，并分别进行阶跃响应仿真、阶跃信号干扰和参数变化适应试验。通过 仿真试验，可见 与 对比，具有调节时间短、对射频电极温度调节趋势更稳定，且超调量可达到 的特点。这利于解决先前研究中存在的超调（.）问题。等采用基于腹腔镜 温控方法时，超调最大值为.。这意味着 在 具有良好应用前景。另外，零超调可避免临床温度突然过高，防止图 两种控制器的阶跃响应曲线 北京生物医学工程 第 卷图 两种控制器随、和 变化时响应曲线 ，组织热损伤现象发生，外加阶跃扰动信号，两个控制器均可较快稳定至目标温升，具有一定的抗干扰能力。改变模型参数值，的超调始终小于同条件；并在阶跃信号干扰时，内可快速稳定至目标值，具有较好的模型参数（变动）变化响应能力。本文也存在一定局限性。首先，射频温度控制模型参数取值仅用于测试 控制性能，实际应用中需通过实验获取精准数值，以表达其热传递函数。其次，仿真中控制参数仅作粗略调整，其参数正确性还需实验验证。最后，研究仅为 在射频温度控制中初步理论应用，软硬件实现还需下一步开展。参考文献 ，：，（）：，：，（）：，（）：，（）：李慧杰，杨成明，余航，等 肾交感神经射频消融术治疗高血压犬的适宜消融温度探讨 第三军医大学学报，（）：，（）：，（）：，第 期 程妍妍，等：基于自抗扰控制器的射频消融电极温度控制系统仿真研究（）：，（）：，（）：刘明 肾交感神经射频消融仪温度控制系统的研究哈尔滨：哈尔滨工业大学，：，（）：，（）：张福强基于嵌入式的人体射频温控系统的设计与实现计算机测量与控制，（）：，（）：陆宏伟，陈亚珠 基于改进 算法的射频消融治疗仪北京生物医学工程，（）：，（）：熊斌，陈琦，陈亚珠，等 基于改进 算法的多极射频消融治疗系统的研制仪器仪表学报，（）：，（）：邵江华 人体射频探头最优温度控制方法仿真分析 计算机仿真，（）：，（）：，（）：，文定都 串级控制在电加热炉温度控制中的应用研究仪表技术与传感器，（）：，（）：，（）：，（）：李岷钊 基于 对自抗扰控制技术的仿真分析 信息与电脑，（）：，（）：郭雪梅，南群，翟飞，等 肾动脉交感神经消融术治疗顽固性高血压研究现状 北京生物医学工程，（）：，（）：云泽荣 基于自抗扰的低温恒温槽黑体温控系统研究天津：天津理工大学，：，喻桂兰，彭宇宁一种基于动态性能指标的数字控制算法自动化与仪表，（）：，（）：文定都基于 的电加热炉温度控制系统自动化与仪表，（）：，（）：，：，（）：（收稿，修回）北京生物医学工程 第 卷