【正文】 廣東工業(yè)大學 華立學院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 外文參考文獻譯文及原文 系 部 機械電氣學部 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 年 級 2022 級 班級名稱 09 電氣（ 5）班 學 號 12030905002 學生姓名 蔡中杰 指導教師 劉大龍 目錄 外 文 文獻 譯文 ............................................................................................................................ 1 外文文獻 原文 .......................................................................................................................... 12 1 外 文 文獻 譯文 自動控制的有限元模型對溫控射頻消融術(shù) 摘 要 背景 有限元法 (FEM)已經(jīng)被用來模擬心臟和肝射頻 (RF)消融。有限元建模的復雜幾何形狀允許所不能解決的分析 方法或有限差分模型。在這兩個肝和心臟射頻消融共同控制模式是溫控方式。商業(yè)有限元軟件包不支持自動溫度控制。大多數(shù)研究人員手動控制應(yīng)用的功率通過試驗和錯誤保持提示溫度電極的常數(shù)。 方法 我們實現(xiàn)了一個 PI 控制器控制程序用 c++寫的。程序檢查提示溫度在每一步和控制應(yīng)用的電壓以保持溫度恒定。我們創(chuàng)建了一個閉循環(huán)系統(tǒng)組成的一個有限元模型和軟件控制應(yīng)用的電壓。控制器的控制參數(shù)進行優(yōu)化使用閉環(huán)系統(tǒng)仿真。 結(jié)果 我們報告一個溫度可控的結(jié)果三維有限元模型的麗塔模型 30 電極?？刂栖浖行Э刂仆饧与妷涸谟邢拊Ｐ瞳@得 ,保持電極在 目標的溫度高達 100176。 C。閉環(huán)系統(tǒng)仿真輸出密切相關(guān)的有限元模型 ,并允許我們來優(yōu)化控制參數(shù)。 討論 閉環(huán)控制的有限元模型允許我們實現(xiàn)溫度控制射頻消融與最小的用戶輸入。 關(guān)鍵詞 : 消融 。肝臟消融 。肝切除 。射頻消融 。射頻消融 。有限元方法 背景 射頻 (RF)消融已成為相當重要的作為一個微創(chuàng)治療原發(fā)性和轉(zhuǎn)移性肝腫瘤。肝細胞癌是最常見的惡性腫瘤之一 ,全世界估計每年 500000人死亡 [1]。手術(shù)切除提供了最好的機會的長期生存 ,但很少是可能的。在許多肝硬化患者或多個腫瘤 ,肝儲備不足以容忍切除和替代治療的手段是必要的 [2]。在射頻消融 ,射頻電流 450到 500千赫傳遞到組織通過電極插入 percutaneously或手術(shù)期間。不同的模式控制電磁功率交付組織可以利用。功率控制模式 (P =常數(shù) ),溫度控制模式 (T =常數(shù) )和阻抗控制模式 (Z 常數(shù) )是常用的。電磁能量轉(zhuǎn)換為熱能通過電阻加熱。組織損傷可以發(fā)生在溫度高于 43176。 C與加熱的時候幾個小2 時 。在 50176。 C細胞壞死后發(fā)生 ~ 3分鐘 [12]。一個常用的模式是溫控消融 ,電極的尖端溫度保持在預定值 ,通常約 100176。 C。肝電極 (圖 1)用于溫控消融有溫度傳感元素 (熱敏電阻或熱電偶 )嵌入在刺技巧。 傳感器報告溫度回發(fā)生器 ,然后應(yīng)用適量的權(quán)力電極保持溫度恒定。 圖 圖 30傘探針用于有限元模型的尖頭叉子和遠端 10毫米的軸進行射頻電流。 研究人員一直在使用有限元方法來模擬兩個心臟和肝射頻消融 (3 11)。當使用有限元模型溫控消融 ,外加電壓必須進行調(diào)整 ,以保持溫度不變的提示。以前 ,大多數(shù)研究人員使用手動調(diào)節(jié)外加電壓和試錯的方法來執(zhí)行溫控消融 [3,5 8]。實現(xiàn)溫度控制在模型是重要的反饋獲得的結(jié)果與臨床設(shè)備 ,使用這種類型的控制。我們建立了一個臨床用于肝臟消融電極 (15計 ,麗塔醫(yī)療系統(tǒng)模型 30),如前面描述的 [6]。我們實現(xiàn)了一個控制算法對于一個 PI控制器 —— 一個常用的控制器類型 —— 在一個 c++程序來改變外加電壓之間的時間步驟。我們使用一個封閉的循環(huán)系統(tǒng)仿真優(yōu)化控制參數(shù) PI控制器。 3 方法 有限元方法 射頻消融破壞組織的熱能量 ,轉(zhuǎn)化為電能。當前流從導電電極通過組織一個表面分散電極。組織在接近附近的電極頭加熱電阻加熱。 加熱的組織在射頻消融治療是由 bioheat方程 : 哪里是密度 ρ (公斤 /立方米 ),c是比熱 (J /(公斤 ?K)),K是熱導率 (W /(m?K))。 J是電流密度 (一個 / m2)和 E是電場強度 (V / m)。臺是溫度的血液 ,ρ bl是血液密度 (公斤 /立方米 ),水泥膠結(jié)測井的比熱容是血 (J /(公斤 ?K)),和 wbl是血液灌注 (1 / s)。子是對流傳熱系數(shù)占血液灌注。 Qm(W / m3)是由代謝過程產(chǎn)生的電能 ,是被忽視的 ,因為它是小的比其他條款 [13]。方程 (1)定義解決方案在空間域包括電極和組織。 組織性能的假定溫度獨立和更詳細地描述 [6]。我們使用商業(yè)軟件 ABAQUS /標準(Hibbitt,卡爾森 amp。索倫森 ,Inc .的波塔基特 ,國際扶輪 )解決耦合 熱電氣分析。所有的分析是基于太陽葉片 1000工作站配備 GB內(nèi)存和 80 GB的硬盤空間。 圖 四叉電極我們用于我們的模型。電極放置在一個汽缸 (80毫米 ,直徑 50毫米長度 )的肝組織。外表面缸被設(shè)置為 37176。 C(熱邊界條件 )和 0 V(電邊界條件 )。我們進行準靜態(tài)分析。由于對稱的安排 ,我們可以減少計算時間只建模四分之一的汽缸。我們使用相同的模型在之前的一項研究 [3]。模型包括 ~ 35000四面體元素和 ~ 7000節(jié)點。節(jié)點間距很小旁邊的電極 ( )和更大的在模型邊界 (2毫米 )。灌注是包含在模型根據(jù)是模型 [14]。血液灌注 wbl用于該模型 ?打出 1 / s[15]。 一個輸入文件被提交到有限元分析中 ,幾何、材料性質(zhì)、邊界條件的步驟的時間和指定的。應(yīng)用電壓是一個邊界條件和保持常數(shù)在每個步驟。有限元分析結(jié)果文件中創(chuàng)建了一個溫度的所有節(jié)點的有限元模型的步驟結(jié)束時寫的。我們創(chuàng)建了一個 c++程序 ,讀取溫度電極頭從結(jié)果文件并創(chuàng)建一個新的輸入文件 ,應(yīng)用電壓設(shè)置根據(jù)控制算法 。C + +程序然后調(diào)用有限元分析和等待 ,直到下一個步驟是完成了。我們實現(xiàn)了一個 PI控制器在我們的控制算法。 閉環(huán) 系統(tǒng)仿真 因為有限元模型需要幾個小時才能完成 ,使用有限元模型優(yōu)化控制參數(shù)是不可行。因4 此我們使用閉環(huán)仿真調(diào)整控制器的參數(shù) ,然后用這些參數(shù)的有限元模型。在實現(xiàn)控制器 ,我們分析了動態(tài)系統(tǒng) (即有限元模型 )來控制。這個系統(tǒng)是由電極的燒蝕 ,組織 ,和分散電極。系統(tǒng)的輸入變量是電壓應(yīng)用到電極。輸出變量是溫度測量電極的尖端。最初 ,我們確定了階躍響應(yīng)通過應(yīng)用一個恒定電壓為 180年代的 25 V。然后我們接近這個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的離散傳遞函數(shù)以下形式 : 我們使用了控制系統(tǒng)仿真軟件安娜 (免費軟件 ,控制工程 ,技術(shù)部門的。大 學。維也納 /奧地利 )來分析控制系統(tǒng)。這個軟件允許我們近似系統(tǒng)從其階躍響應(yīng)通過遞歸最小平方算法 ,給出了參數(shù) a0、 a a b1和 b2的 (2)。圖 2顯示了一步反應(yīng)的原始動力系統(tǒng) (即有限元模型 )和近似根據(jù) (2)。這些參數(shù)用于近似在 (2):a0 = ,a a2 = = ,b1,b2 = = 。采樣時間的近似系統(tǒng) 10年代 ,因為那也是以后的采樣時間使用在數(shù)字 PI控制器。這確保了更精確的仿真模型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 圖 圖 (有限 元模型 )和近似。 一旦我們確定了一個近似的動態(tài)系統(tǒng) (有限元模型 ),我們設(shè)計了一個反饋控制系統(tǒng)。5 有不同的方法控制提示溫度如 PID控制、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測控制和模糊邏輯控制。我們選擇了相對簡單的 PI控制器對我們控制系統(tǒng)。圖 3顯示了完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。Ts是所需的設(shè)置提示溫度和 Tt是當前提示溫度。 PI控制器的輸入 e = Ts Tt。 PI控制器的輸出 u(對應(yīng)于應(yīng)用電壓 )被送入動態(tài)系統(tǒng)。 圖 圖 PI控制器和動態(tài)系統(tǒng) (有限元模型 )。 傳遞函數(shù)的 PI控制器 : 方程 (3)可以在時域的描述 : 實現(xiàn)該控制器在軟件開發(fā)中 ,我們必須使用離散時域版 (4), 第二學期 ,(5)代表的近似積分術(shù)語 (4)通過梯形數(shù)值積分。 PI控制器的行為是由這兩個參數(shù) Kp和接近。 我們模擬閉環(huán)系統(tǒng)的行為與軟件安裝在豬體內(nèi)的實驗與麗塔 500發(fā)電機和模型 30我們認為電極需要 1到 2分鐘的提示溫度達到目標溫度 100176。 C,即溫度用于臨床病例在我們機構(gòu)。在麗塔 500發(fā)電機不允許記錄的提示溫度信號 ,所以我們沒有確切數(shù)據(jù)的提示溫度隨著時間的推移。實證性地選擇參數(shù) PI控制器來減少超調(diào) ,獲得類似的時間行為在體內(nèi)實驗。 6 我們使用的參數(shù) PI控制器是 Kp = ,Ki = 。 圖 。目標 100176。 C的咀溫度達到 100年代后開始消融。超調(diào)量為 11%,148年代后達成。最大電壓 V應(yīng)用 100年代之后。 圖 圖 。上面的曲線顯示提示溫度 ,較低的曲線顯示了外加電壓。光曲線顯示結(jié)果的控制系統(tǒng)仿真。黑暗的曲線顯示結(jié)果的有限元模型控制的控制軟件。 控制有限元模型 我們實現(xiàn)了 PI控制器的參數(shù)所引起的控制系統(tǒng)仿真在控制程序用 c++寫的。 軟件控制程序確定了外加電壓和步驟時間。一個輸入文件被創(chuàng)建和 ABAQUS有限元分析解決了有限元模型。有限元分析結(jié)果文件的創(chuàng)建 ,其中包括在所有節(jié)點的溫度。 小費溫度讀取結(jié)果文件的控制程序。然后 ,確定了外加電壓和步長為下一步 ,和有限元分析是重啟與修改輸入文件。減小步長 (即時間 ,有限元分析模擬模型與恒壓 )總計算時間變長。作為妥協(xié) ,我們選擇 10年代作為初始步長。注意 ,有限元解算器劃分成更小的增量的每一步 ,從 。同時 ,有限元解算器進行收斂測試來確保增量尺寸足夠小。 這個計劃被重復 ,直到消融被模擬為所需的時間。圖 7是一個流程圖的算法實現(xiàn)的控制程序。初始步長是十年代。隨后 ,步長增加一旦提示溫度變化的步驟之間減少低于一定值。 7 圖 圖 PI控制算法。 我們模擬的消融了 12分鐘利用有限元模型和控制程序。仿真花了 250分鐘來運行 ,分為 35級。單個步驟 6和 11分鐘之間了運行在有限元分析。不使用控制程序、手動交互是8 必要的在每一步后手動更改輸入文件進行有限元分析 ,并應(yīng)用一個新的輸入電壓和設(shè)置步長。在這種情況下 ,運營商必須檢查結(jié)果文件在每個步驟 (即在 6到 11分鐘間隔 )、修改輸入文件并重啟有限元分析。 結(jié)果與討論 圖 200年代的閉環(huán)系統(tǒng)組成的有限元模型和控制軟件。沒有結(jié)果顯示在 200年代以來幾乎沒有改變一旦設(shè)置提示溫度了。圖 4還顯示了結(jié)果的控制系統(tǒng)仿真。有很好的相關(guān)關(guān)系控制仿真和閉環(huán)系統(tǒng)組成的有限元模型和控制軟件。我們解釋這兩者之間的偏差不準確的近似 (見 (2))和差異在步驟大小。在控制系統(tǒng)仿真一個常數(shù)采樣時間 (即步驟時間 )的 10年代被使用。然而 ,該算法實現(xiàn)控制程序沒有使用固定步長時期。一步提高了時間如果改變提示溫度的步驟之間是低于一定值。注意參數(shù)的控制器必須修改當 邊界條件 (如灌注 ),電極幾何形狀等變化。否則會有變化的閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)行為。圖 5顯示了溫度和電壓的有限元模型由同一 PI控制器兩例。光圖顯示的行為沒有將灌注在有限元模型中 ,黑暗的圖表顯示了行為相同的有限元模型與灌注(如無花果。 4)。兩個超和沉降時間的提示溫度較高的情況 ,灌注同時 ,電壓要求保持提示溫度高于設(shè)定溫度價值因為灌注進行熱了。獲得相同的性能在初始階段在這兩種情況下 ,不同的控制器必須被使用 ,如 PI控制器的參數(shù)進行了修正。我們的模型只包括一個季度的實際的電極。在模型中 ,如果不均勻加熱由于血管發(fā)生時 ,電極將獲得 不同溫度下 [6]。在這種情況下 ,溫度最熱的電極應(yīng)該用于控制以避免組織過熱。 圖 9 圖 。上面的曲線顯示提示溫度 ,較低的曲線顯示了外加電壓。光曲線顯示的結(jié)果沒有灌注控制有限元模型。黑暗的曲線顯示結(jié)果的控制有限元模型將灌注。 在肝射頻消融 ,消融次臨床用于上升到 35分鐘。自加熱周期相對小得多 (1到 2分鐘。 ),它不是至關(guān)重要的時間行為的控制算法控制算法中再現(xiàn)了臨床設(shè)備在加熱期間。從我們的經(jīng)驗中溫度分布的有限元模型達到接近穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)束時由于長期模擬次數(shù)。只要提示溫度保 持在一個小范圍目標周圍的溫度在最初的加熱期間 ,模型結(jié)果 (即最終溫度分布 )應(yīng)該沒有顯著差異。然而 ,隨著知識的實際控制參數(shù)和算法的商業(yè)設(shè)備 (如獲得測量 ),準確模擬這些設(shè)備可以使用我們的方法。 結(jié) 論 我們實現(xiàn)了一個閉環(huán)控制系統(tǒng) ,一個有限元模型 ,自動溫控射頻消融的模擬。我們進一步用閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真優(yōu)化控制參數(shù)。此前 ,研究人員經(jīng)常應(yīng)用恒功率 ,或使用耗時的試錯方法來確定所需電壓。此外 ,如果控制參數(shù)和算法的商業(yè)設(shè)備是已知