依托神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為探討超聲腫瘤熱療儀溫度控制算法

劉永紅

吉林省腫瘤醫(yī)院超聲科，吉林長(zhǎng)春 130000

1 熱療系統(tǒng)溫度測(cè)控方法

1.1 溫度測(cè)量

溫度是自然界任何物體的基本屬性參數(shù)，被廣泛應(yīng)用于各種物理檢測(cè)中。幾乎所有的物理和化學(xué)檢測(cè)都需要考慮溫度在其中所發(fā)生的影響和作用。溫度因此在現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)的各個(gè)行業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用。在醫(yī)學(xué)檢測(cè)上溫度同樣是十分重要的檢測(cè)項(xiàng)目。從最簡(jiǎn)單的體溫測(cè)量和更加復(fù)雜體內(nèi)局部器官溫度檢測(cè)，溫度測(cè)量被廣泛運(yùn)用到醫(yī)學(xué)檢測(cè)的各個(gè)方面，各個(gè)環(huán)節(jié)。從檢測(cè)的手段來看，可以根據(jù)測(cè)量?jī)x器與測(cè)量體之間是否直接發(fā)生接觸而分成接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)煞N測(cè)量方法。接觸式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量的結(jié)果更加準(zhǔn)確，測(cè)量的方法更加簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)在于必須與被測(cè)介質(zhì)發(fā)生接觸，而且由于測(cè)量時(shí)必須與被測(cè)介質(zhì)接觸一段時(shí)間后才能達(dá)到熱平衡所以測(cè)量結(jié)果與實(shí)際被測(cè)介質(zhì)溫度存在時(shí)間上的滯后差異。非接觸式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)在于具有更快的檢測(cè)速度，并且可以檢測(cè)移動(dòng)的物體，但由于檢測(cè)時(shí)與被檢測(cè)體存在一段空間上的距離，因此檢測(cè)結(jié)果的誤差較大。在實(shí)際的醫(yī)學(xué)臨床溫度測(cè)量當(dāng)中，通常根據(jù)需要檢測(cè)的實(shí)際部位以及檢測(cè)的環(huán)境對(duì)于溫度測(cè)量方式和方法進(jìn)行選擇。

1.2 溫度控制的作用

溫度由于是物質(zhì)的重要參數(shù)屬性，能夠反應(yīng)物質(zhì)內(nèi)部和外部的狀態(tài)，因此經(jīng)常被用作監(jiān)測(cè)和控制儀器操作的重要指標(biāo)。通過監(jiān)測(cè)溫度可以對(duì)儀器的操作進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制，使得儀器的工作始終處在正常的狀況和水平下。如果監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)溫度發(fā)生變化，則需要對(duì)于溫度變化的原因進(jìn)行分析和判斷，從而做出適當(dāng)?shù)牟僮鳌?/p>

在超聲腫瘤熱療儀器中，需要進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的是患者需要治療的腫瘤，正常的溫度范圍應(yīng)該是在25℃～50℃度之間。如果監(jiān)測(cè)到的腫瘤溫度超過正常范圍，則需要對(duì)儀器所發(fā)出的超聲熱度進(jìn)行調(diào)整，從而避免由于治療時(shí)溫度的過低或者過高而對(duì)人體組織結(jié)構(gòu)造成損害。為了保證溫度監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性，對(duì)腫瘤的溫度監(jiān)測(cè)采用接觸式監(jiān)測(cè)方法。即將監(jiān)測(cè)溫度儀器深入到腫瘤內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這就需要在監(jiān)測(cè)時(shí)選擇靈敏度高、運(yùn)行穩(wěn)定、體積較小的電偶傳感器來完成對(duì)于溫度的監(jiān)測(cè)。通常選用針形的電偶傳感器來對(duì)腫瘤內(nèi)部的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.3 溫度測(cè)控系統(tǒng)的方法

超聲腫瘤熱療儀的溫度監(jiān)測(cè)對(duì)象是人體內(nèi)的腫瘤。由于人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，人體內(nèi)的腫瘤組織結(jié)構(gòu)同樣在組織結(jié)構(gòu)和病理性質(zhì)上存在較大的差別。即使是同樣類型的腫瘤在不同的人體內(nèi)也會(huì)呈現(xiàn)處不同的性狀變化。此外，超聲腫瘤熱療儀在治療的過程中也會(huì)使得腫瘤的內(nèi)部性狀進(jìn)行變化。因此對(duì)于腫瘤建立較為精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型無疑是非常困難的，因此采用自適應(yīng)控制是一種相對(duì)合理的選擇。自適應(yīng)控制是一種能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)到的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)于系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控的計(jì)算方法。由于超聲腫瘤熱療儀在治療過程中，腫瘤溫度變化的頻率和強(qiáng)度都相對(duì)復(fù)雜，因此采用自適應(yīng)控制通?？梢詫?duì)于溫度的判斷和控制更加實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確。

2 基于人工神經(jīng)網(wǎng)的新型溫度控制算法

2.1 人工神經(jīng)網(wǎng)

人的大腦是最復(fù)雜的計(jì)算和控制系統(tǒng)，人的大腦通過人體內(nèi)的多條神經(jīng)線路完成對(duì)于人體的操作和控制。人工神經(jīng)網(wǎng)是一種基于人體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行所抽象出來的新型信息處理系統(tǒng)。人工神經(jīng)網(wǎng)的系統(tǒng)從模型上來看盡可能模擬人體真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)控制系統(tǒng)。人工神經(jīng)網(wǎng)是一種集成人工智能和信息傳感等多門學(xué)科的新型知識(shí)體系。人工神經(jīng)網(wǎng)通過各種不同的傳感器采集相應(yīng)的信號(hào)，再經(jīng)過不同的傳輸介質(zhì)傳導(dǎo)到計(jì)算機(jī)中心處理器上進(jìn)行計(jì)算和處理。人工神經(jīng)網(wǎng)模型的提出和構(gòu)建是計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史上的一次重大變革。它為計(jì)算機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的信息采集和信息處理提供了更加科學(xué)、合理的模型。

2.1 BP人工神經(jīng)網(wǎng)的動(dòng)態(tài)控制結(jié)構(gòu)

BP算法是誤差反傳訓(xùn)練算法的簡(jiǎn)稱。

誤差反傳算法的主要思想是把學(xué)習(xí)過程分為兩個(gè)階段：第一階段正向傳播過程，人給出輸入信息通過輸入層經(jīng)隱含層逐層處理并計(jì)算每個(gè)單元的實(shí)際輸出值；第二階段反向傳播過程人若在輸出層未能得到期望的輸出值，則逐層遞歸地計(jì)算實(shí)際輸出與期望輸出之差值用誤差人以便根據(jù)此差調(diào)節(jié)權(quán)值，具體些說，就是可對(duì)每一個(gè)權(quán)重計(jì)算出接收單元的誤差值與發(fā)送單元的激活值的積。因?yàn)檫@個(gè)積和誤差對(duì)權(quán)重的(負(fù))微商成正比(又稱梯度下降算法，又可把它稱做權(quán)重誤差微商)。權(quán)重的實(shí)際改變可由權(quán)重誤差徽商一個(gè)模式一個(gè)模式地計(jì)算出來，即它們可以在這組模式集上進(jìn)行累加。

BP網(wǎng)絡(luò)不僅有輸入層結(jié)點(diǎn)，輸出層結(jié)點(diǎn)，而且有一層或多層隱含結(jié)點(diǎn)。對(duì)于輸入信息，要先向前傳播到隱含層的結(jié)點(diǎn)上，經(jīng)過各單元的特性為Sigmod型的激活函數(shù)(又稱作用函數(shù)、轉(zhuǎn)換函數(shù)或映射函數(shù)等)運(yùn)算后，把隱含結(jié)點(diǎn)的輸出信息傳播到輸出結(jié)點(diǎn)，最后給出輸出結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程由正向和反向傳播兩部分組成。在正向傳播過程中，每一層神經(jīng)元的狀態(tài)只影響下一層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，如果輸出層不能得到期望輸出，就是實(shí)際輸出值與期望輸出值之間有誤差，那么轉(zhuǎn)入反向傳播過程，將誤差信號(hào)沿原來的連接通路返回，通過修改各層神經(jīng)元的權(quán)值，逐次地向輸入層傳播去。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行推理訓(xùn)練，并用動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)BP網(wǎng)絡(luò)校正現(xiàn)有的控制參數(shù)的方法，從而實(shí)現(xiàn)規(guī)則自組織，達(dá)到在控制過程中不斷優(yōu)化控制性能之目的。

3 超聲腫瘤熱療儀溫控系統(tǒng)程序編制

3.1 超聲腫瘤熱療儀溫控系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)要求

首先是統(tǒng)一性原則。超聲腫瘤熱療儀是為患者提供腫瘤治療服務(wù)的一種新型手段，其溫控系統(tǒng)運(yùn)行情況的好壞直接影響到最終的治療效果。因此溫控系統(tǒng)在程序設(shè)計(jì)上必須首先保證整體運(yùn)算的可靠性和準(zhǔn)確性，才能使得儀器在運(yùn)行過程中能夠面對(duì)復(fù)雜的人體內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的變化而正常運(yùn)行。由于熱療儀溫控系統(tǒng)涉及到的電子元件都是非常精細(xì)和縝密，因此程序的設(shè)計(jì)必須從整體上考慮元件之間信號(hào)傳輸和銜接問題，使得不同的元件能夠有效、有序地工作。

其次是可靠性原則。溫度是監(jiān)測(cè)超聲腫瘤熱療儀的最基礎(chǔ)、最重要的參數(shù)。從某種程度上說超聲腫瘤熱療儀的所有工作都是圍繞溫控系統(tǒng)而進(jìn)行的。溫控系統(tǒng)對(duì)于溫度的監(jiān)測(cè)和判斷是熱療儀進(jìn)行操作的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。因此系統(tǒng)程序編制必須保證數(shù)據(jù)在采集和傳輸時(shí)的可靠性，通過合理、有效的數(shù)據(jù)驗(yàn)證是保障溫控系統(tǒng)可靠性的重要方法。

最后是實(shí)時(shí)性原則。超聲腫瘤熱療儀溫控系統(tǒng)要求對(duì)腫瘤在治療過程中所發(fā)生的溫度變化實(shí)時(shí)采集并進(jìn)行分析和處理，以便能夠及時(shí)調(diào)整治療儀的功率，達(dá)到最可靠、最有效的治療效果。因此在溫控系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)時(shí)必須堅(jiān)持實(shí)時(shí)性原則，對(duì)于采集到的數(shù)據(jù)在最短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢驗(yàn)和校正，在傳輸數(shù)據(jù)的過程中也同樣盡可能避免由于程序重復(fù)運(yùn)行而造成的時(shí)間上的延誤。

3.2 超聲腫瘤熱療儀溫控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

超聲腫瘤熱療儀溫控系統(tǒng)是一個(gè)集成溫度采集、篩選、分析和控制的復(fù)合操作系統(tǒng)，因此是一個(gè)集成軟件和硬件的綜合系統(tǒng)。其主要結(jié)構(gòu)由溫度采集模塊、傳輸模塊、信號(hào)處理模塊和信號(hào)顯示模塊。溫度采集模塊即選用針式點(diǎn)偶傳感器進(jìn)入腫瘤內(nèi)部進(jìn)行實(shí)時(shí)性的溫度采集，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)校驗(yàn)，校驗(yàn)通過以后傳遞給傳輸模塊。傳輸模塊的作用主要是保障采集到的數(shù)據(jù)能夠在不同的電子元件和傳輸介質(zhì)之間快速、有效地傳輸。信號(hào)處理模塊則主要是用于對(duì)采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，從而做出有效的判斷和控制。信號(hào)顯示模塊是根據(jù)系統(tǒng)操作人員的需要將信號(hào)以波形或者其他的表示形式顯示到終端顯示器上。

3.3 上位機(jī)的程序設(shè)計(jì)功能

超聲熱療系統(tǒng)上位機(jī)完成溫度的各種圖形顯示、加溫控制的計(jì)算、控制數(shù)據(jù)的管理和通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)等功能，以使熱療儀各個(gè)子系統(tǒng)能夠正常、合理地運(yùn)行。上位機(jī)軟件不僅是整個(gè)超聲熱療系統(tǒng)的控制核心，而且是醫(yī)療人員在治療過程中進(jìn)行人機(jī)交互的主要手段，因此，它必須具備如下功能：

①參數(shù)設(shè)置.設(shè)置治療的時(shí)間、溫度、頻率、測(cè)量點(diǎn)、加溫單元；②溫度顯示.采用多種顯示方式，直觀形象地顯示實(shí)測(cè)溫度值；③功率控制；④數(shù)據(jù)通信.實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間各類數(shù)據(jù)的正確傳輸；⑤出錯(cuò)控制.儀器故障或執(zhí)行非法操作時(shí)，提示出錯(cuò)信息，進(jìn)行出錯(cuò)處理。

為了能使這些功能協(xié)調(diào)運(yùn)行，必須對(duì)軟件的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行合理規(guī)劃與設(shè)計(jì)。

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