基于FPGA的射频热疗系统的设计

　　肿瘤热 疗采 用 加 热 方 法 治 疗 肿 瘤 ，精 确 而 言 ，这 种治疗方法是一种利用各种物 理量 (如微 波、射频 和超 声波)在人体组织中沉淀 所产 生的热 效应 ，使组 织温度 上升至有效治疗温度区域(41 ℃以上)，并维持一定的时间以达 到既 杀灭癌 细胞 又不损 伤正 常组 织为目 的 的 治 疗方法。它是继手术、放疗、化疗和免疫治疗后的第 5 种治疗手段，尤其对局部肿瘤的控制作用往往是其他方法所无法比拟的[ 1]。

　　实验表 明，在 42 ℃区域，温 度差 1 ℃就可 以引起 细胞存活率的成倍变化，因此 ，热疗 中的温 度测 量有 着十分重要的意义。 可以说，热疗中能否准确测温和精确控温是取得疗效的关键。

　　常用的温度传感器(如热敏电阻等模拟类器件)存在非线性、参数不一致，器件更 换时 因放 大器零 漂问 题而需对电路重新调试等问题。 而对于温度场的控制方法，多采用以 CPU 或单片机为核心的控制系 统 ， 这 些以软件方式 控制 操作和 运算 的系 统速度 显然 无法 与 纯 硬 件系统相比，且可靠性不高。

　　针对以上两个问题，本文采用高精度数字温度传感器 DS18B20 与 可 编 程 逻 辑 器 件 FPGA 实 现 温 度 测 量 与控制。 DS18B20 是由单片集成电路构成的单信号数字化温度传 感器 ， 突出优 点是 可以 将被测 温度 直 接 转 化 为数字信号输出。 经电桥电路获取电压模拟量，再经信号放大和 模数 转换变 成数 字信 号 ， 避免 了传 统 传 感 器 的互换性差的问题。 尤其在多点温度检测场合，在解决各种误差、 可靠性和实现系统优化等方面，DS18B20 与 传统 温 度 传 感 器 相 比 ， 有 着 无 可 比 拟 的 优 越 性 。 采 用FPGA 作 为 控 制 器 ， 是 由 于 它 以 纯 硬 件 实 现 控 制 ， 适 应温度场高可靠性的要求。 另外，还可以使系统的器件数目 大 大 减 少 ，具 有 设 计 灵 活 、现 场 可 编 程 、调 试 简 单 和体积小等特点。

　　1 射频热疗系统设计

　　根据脑胶质瘤的生物组织特点，选用射频信号作为加热的物理能量，并 采用二 极板 容性 加热的 方式 ，系统框图如图 1 所示。射频信号的频率为 0.5 MHz，经过 500 Hz占空比可调的调制信号调制后输出控制信号。 FPGA 作为控制器控制加温的全过程，设定温度通过控制面板向FPGA 输入 ，DS18B20 对温度进行测量 ， 并且将实时数字测量值送回 FPGA。 FPGA 将测量值与设定值进行比较，经过控制算法的处理后，确定调制信号的占空比。 控制信号经过隔离电路与驱动电路加到工作极板上。 极板间介质的加热功率可通过调整 500 Hz 调制信 号的 占空比来控制。