腹腔温热化疗仪系统设计与药液温度控制研究

发布时间：2017-10-17 18:29

  本文关键词：腹腔温热化疗仪系统设计与药液温度控制研究

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【摘要】：腹腔温热化疗(简称IHCT)疗法通过向腹腔灌注一定温度范围内的化疗药物,综合运用热疗和化疗在肿瘤治疗方面的作用,在提升胃癌等腹腔癌症的治疗效果,抑制癌细胞腹膜转移,降低腹腔癌症术后复发率等方面成效显著。研制一款腹腔温热化疗仪,使之满足腹腔温热化疗疗法的需求,对于提高和改善人民健康生活水平具有重大意义。本文通过分析腹腔温热化疗疗法,获得腹腔温热化疗仪在药液循环管路、药液温度控制、人机交互和运行安全性等方面的性能要求,在此基础上设计了一套腹腔温热化疗仪并制成了原型机。设备控制系统的开发包括以DSP芯片为核心的加热板功率调节、蠕动泵控制、温度采集、步进电机控制等部分。在软件方面,本文运用C#开发了上位机控制软件,用于控制腹腔温热化疗疗法的四个治疗阶段,向下位机发送控制指令,分析治疗过程中的温度数据;运用C语言编写了下位机程序,用于自动采集温度数据,驱动腹腔温热化疗仪加热板功率调节电路、蠕动泵驱动控制电路等功能模块自动完成药液温度、流量的协调控制。针对腹腔温热化疗疗法中最为关键的药液温度控制问题,本文运用系统辨识方法,建立了药液加热过程的数学模型,设计了基于模型的控制器,通过Simulink仿真,优化了控制器参数,实验结果表明,药液加热过程模型与实际系统的相适度达到了90.1%,药液升温快,稳态温度误差小于±0.1℃;通过分析腹腔内药液热量交换过程,建立了药液在腹腔内热量交换的数学模型,运用模糊控制算法,设计了腹腔内药液的流量—温度控制方法。最后,通过实验室模拟腹腔温热化疗实验以及动物实验,对本文研制的腹腔温热化疗仪原型机各组成部分的功能进行了验证;根据对实验过程中药液温度数据的分析,得出了药液温度控制效果;基于对实验样本在术前、术后、术中的血液、呼吸、循环及吻合口愈合等方面的统计分析,获得了本文研制的腹腔温热化疗仪用于腹腔温热化疗手术的安全性评估。
【关键词】：腹腔温热化疗 温度控制 系统辨识 系统建模
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH789
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-14
• 第一章 绪论14-22
• 1.1 课题来源14
• 1.2 课题研究背景和意义14-15
• 1.3 国内外研究状况15-20
• 1.3.1 概述15-16
• 1.3.2 国内研究进展16-18
• 1.3.3 国外研究进展18-20
• 1.4 本课题的研究内容20-22
• 1.4.1 课题的研究内容20
• 1.4.2 章节安排20-22
• 第二章 腹腔温热化疗仪总体设计22-38
• 2.1 腹腔温热化疗仪的性能要求22-24
• 2.1.1 药液循环管路设计要求22-23
• 2.1.2 腹腔温热化疗对药液温度的要求23
• 2.1.3 腹腔温热化疗仪的人机交互要求23-24
• 2.1.4 腹腔温热化疗仪的安全性要求24
• 2.2 腹腔温热化疗仪的总体方案24-34
• 2.2.1 腹腔温热化疗仪药液循环管路设计25-30
• 2.2.2 腹腔温热化疗仪药液驱动方案设计30-31
• 2.2.3 腹腔温热化疗仪加热器方案与选型31-32
• 2.2.4 腹腔温热化疗仪温度检测方案32-34
• 2.2.5 腹腔温热化疗仪控制系统方案34
• 2.3 腹腔温热化疗仪原型机设计34-37
• 2.3.1 原型机结构设计35-36
• 2.3.2 原型机电气设计36-37
• 2.4 本章小结37-38
• 第三章 腹腔温热化疗仪控制系统硬件实现38-50
• 3.1 控制系统的总体设计38-39
• 3.2 控制器芯片选型39-40
• 3.3 加热板功率调节电路40-41
• 3.4 蠕动泵驱动控制电路41-42
• 3.5 温度采集电路42-47
• 3.5.1 温度采集电路42-44
• 3.5.2 硬件滤波电路44-45
• 3.5.3 温度信号的自动采集45-46
• 3.5.4 温度采集电路的标定46-47
• 3.6 步进电机控制电路47-48
• 3.7 串口通信电路48-49
• 3.8 本章小结49-50
• 第四章 腹腔温热化疗仪控制软件开发50-68
• 4.1 腹腔温热化疗仪上位机程序50-59
• 4.1.1 概述50-52
• 4.1.2 腹腔温热化疗仪上位机程序的工作流程52-59
• 4.2 腹腔温热化疗仪下位机程序59-67
• 4.2.1 下位机程序开发环境59-60
• 4.2.2 下位机程序结构与流程60-63
• 4.2.3 下位机初始化程序编写63-64
• 4.2.4 A/D转换程序编写64-65
• 4.2.5 PWM信号调功程序编写65-66
• 4.2.6 DA转换程序编写66-67
• 4.2.7 串口通信程序编写67
• 4.3 本章小结67-68
• 第五章 腹腔温热化疗仪药液温度控制系统设计68-84
• 5.1 药液温度控制系统结构及工作原理68-69
• 5.2 药液温度控制系统的数学模型69-71
• 5.3 系统辨识估计模型参数71-74
• 5.3.1 系统辨识的原理71-73
• 5.3.2 系统辨识的实现73
• 5.3.3 系统辨识的效果73-74
• 5.4 控制器的设计与优化74-75
• 5.5 控制器的DSP实现75-76
• 5.6 药液温度控制效果76-77
• 5.7 治疗循环过程中的温度流量控制策略77-83
• 5.7.1 腹腔内热量交换过程建模77-78
• 5.7.2 腹腔内流量—温度控制系统设计78-80
• 5.7.3 腹腔内流量—温度控制策略的设计80-83
• 5.8 本章小结83-84
• 第六章 腹腔温热化疗仪的实验与评估84-96
• 6.1 腹腔温热化疗仪的评价指标84
• 6.2 实验室模拟腹腔温热化疗实验84-88
• 6.2.1 实验平台84-86
• 6.2.2 实验数据分析与评估86-88
• 6.3 动物腹腔温热化疗实验88-95
• 6.3.1 动物实验范式88
• 6.3.2 动物实验的步骤88-91
• 6.3.3 动物实验数据分析与评估91-92
• 6.3.4 安全性评估92-95
• 6.4 本章小结95-96
• 第七章 总结与展望96-99
• 7.1 本文工作总结96-97
• 7.2 未来展望97-99
• 参考文献99-104
• 致谢104-105
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文105-107

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本文编号：1050377