麥海濤岑銓華李成毅

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新型精確放射治療腫瘤靶區(qū)呼吸控制系統(tǒng)的研制*

麥海濤①岑銓華①李成毅②*

［摘要］目的：在實(shí)施精確放射治療過程中，隨呼吸運(yùn)動而運(yùn)動的人體器官要達(dá)到一定的精度較為困難。許多胸腹部器官均會伴隨呼吸運(yùn)動產(chǎn)生一定程度的偏移，需對偏移通過各種方法進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)臨床實(shí)際需求，研制出一套新型精確放射治療中腫瘤靶區(qū)呼吸控制系統(tǒng)。方法：基于現(xiàn)有主動呼吸控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)與思路，研制由氣囊、控制箱、患者手柄開關(guān)、電腦、控制箱、氣囊自動控制器、呼吸傳感器及通訊工具等構(gòu)成的新型精確放射治療中腫瘤靶區(qū)呼吸控制系統(tǒng)，選用Pneumotach型的PowerCube肺功能的呼吸傳感器，運(yùn)用C++高級編程語言編寫呼吸控制系統(tǒng)的軟件程序。結(jié)果：可較好地幫助患者進(jìn)行呼吸控制，減少肺部腫瘤隨人體呼吸運(yùn)動而發(fā)生偏移，提高治療準(zhǔn)確性。結(jié)論：該系統(tǒng)集彌散、振蕩及通氣等功能于一體，可實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有儀器上進(jìn)行改裝，達(dá)到放射治療中腫瘤靶區(qū)呼吸控制的設(shè)計(jì)目的，并成功用于臨床。

［關(guān)鍵詞］精確放射治療；呼吸控制；靶區(qū)運(yùn)動

麥海濤，男，（1970- ），大專，工程師。中山市陳星海醫(yī)院設(shè)備科，從事醫(yī)療設(shè)備的管理維護(hù)及維修。

［First-author’s address］ Chen Xinghai Hospital of Guangdong Province， Zhongshan， Guangdong 528415， China.

惡性腫瘤是人類五大死亡原因（心腦血管疾病、惡性腫瘤、呼吸器官疾病、車禍和自殺）之一，而現(xiàn)代治療中，手術(shù)、放射治療及化療是治療腫瘤的3種主要方式［1］。對腫瘤進(jìn)行放射治療有利也有弊，在治療過程中，由于器官的運(yùn)動，尤其是呼吸運(yùn)動所引起腫瘤靶區(qū)位置的改變，將對治療結(jié)果造成嚴(yán)重影響。如果未能即時糾正，則會造成照射偏差，使腫瘤細(xì)胞的受照射量不足，周圍正常組織也會因?yàn)槭艿竭^多的照射而損傷［2］。施國治［2］在自適應(yīng)放射治療的研究發(fā)展中提出，精確放射治療技術(shù)以最大程度的殺滅腫瘤細(xì)胞、最大程度的保護(hù)正常組織為目標(biāo)，這也成為現(xiàn)在腫瘤放射治療的一個重要發(fā)展方向［3］。隨著人們對放射治療質(zhì)量要求的提高，精確放射治療技術(shù)也在不斷的發(fā)展。為了能達(dá)到精確放射治療的目的，伍銳等［4］在呼吸控制技術(shù)在肺部腫瘤精確放射治療的研究中提出，處理呼吸運(yùn)動問題經(jīng)常用到的方法有呼吸控制技術(shù)、呼吸門控技術(shù)、呼吸運(yùn)動位移誤差補(bǔ)償技術(shù)、控制等中心移位技術(shù)、個體化內(nèi)靶體積勾畫及圖像引導(dǎo)技術(shù)等。為此，本研究研制一種新型精確放射治療腫瘤靶區(qū)呼吸控制系統(tǒng)，以達(dá)到在放射治療中腫瘤靶區(qū)呼吸控制的目的。

1 精確放射治療技術(shù)

目前，國內(nèi)一些醫(yī)院已經(jīng)引入賽博刀、拓姆刀及銳速刀等高端精確放射治療設(shè)備，促進(jìn)了精確放射治療的發(fā)展［5］。對于人體的不同部位，對放射治療的要求也有所不同，對于那些不會隨著呼吸運(yùn)動而移位的器官部位，要做到精確放射治療其難度不大，只需前期定位準(zhǔn)確，分次照射時擺位準(zhǔn)確，則能夠?qū)崿F(xiàn)精確放射治療。然而，對于人體一些隨呼吸運(yùn)動而運(yùn)動的器官則比較難做到精確放射治療。腹部和胸部的很多器官都會隨著呼吸運(yùn)動而產(chǎn)生一定程度的偏移，所以需要通過各種手段對這些位移進(jìn)行補(bǔ)償［6-7］。呼吸運(yùn)動的一個周期很短，患者一般不能在一個呼吸周期內(nèi)做完治療，基于這個原因精確放射治療的精準(zhǔn)實(shí)施面臨較多的問題。呼吸運(yùn)動導(dǎo)致的器官運(yùn)動，讓后續(xù)的步驟都出現(xiàn)誤差，結(jié)果是正常組織受到照射而腫瘤細(xì)胞卻沒有受到足量的照射［8］。

在對精確放射治療技術(shù)的研究中，國內(nèi)許多醫(yī)院都在探討解決呼吸運(yùn)動問題的方法，但上述現(xiàn)有的各種方法均有其優(yōu)、缺點(diǎn)［9-10］。典型的呼吸控制系統(tǒng)有醫(yī)科達(dá)公司的主動呼吸控制系統(tǒng)（active breathing control，ABC）和美國Varian公司的呼吸門控系統(tǒng)（respiratory gating system，RGS），如圖1、圖2所示。但其價格昂貴，臨床應(yīng)用條件較高，難以普及。

圖1 醫(yī)科達(dá)公司主動呼吸控制系統(tǒng)示圖

圖2 美國Varian公司呼吸門控系統(tǒng)示圖

由此，根據(jù)醫(yī)院的實(shí)際需求，本研究借鑒主動呼吸控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)與思路，研制新型精確放射治療中腫瘤靶區(qū)呼吸控制系統(tǒng)。

2 腫瘤靶區(qū)呼吸控制系統(tǒng)硬件組成

精確放射治療中腫瘤靶區(qū)呼吸控制系統(tǒng)主要包括氣囊、控制箱、患者手柄開關(guān)、電腦、控制箱、氣囊自動控制器、呼吸傳感器以及通訊工具等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1 呼吸傳感器的選擇

傳感器的作用是把患者呼吸情況的氣流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，再將收集到的電信號通過通信設(shè)備傳遞到計(jì)算機(jī)，經(jīng)過處理顯示出呼吸波形［11］。系統(tǒng)對傳感器的要求有兩點(diǎn)：①可以正確地反映患者呼吸運(yùn)動的真實(shí)情況；②由于傳感器放置在直線加速器治療室里，距離射野較近，應(yīng)盡量選用金屬含量少的設(shè)備。據(jù)此要求評估，選用了Pneumotach型的PowerCube肺功能呼吸傳感器，如圖4所示。

圖3 新型精確放射治療腫瘤靶區(qū)呼吸控制系統(tǒng)框圖

圖4 Pneumotach型傳感器示圖

Pneumotach型的傳感器根據(jù)壓差式流速測量原理設(shè)計(jì)，壓差式流量傳感器利用在一定形狀的流通管道中氣流的壓力降落與流速的依從關(guān)系測定流量［12-13］。該傳感器在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，傳統(tǒng)的傳感器采用固定好了的金屬篩網(wǎng)，流量大阻力也跟著一起大，呼吸過程中所產(chǎn)生的水汽也是其中的阻礙因素；Pneumotach型的傳感器采用了非親水材料的阻力膜，因此水汽無法在其表面凝結(jié)，避免水汽成為阻力。此外，當(dāng)氣流增大時傳感器里面有快膜片會輕輕打開，與氣流增大成線性打開，氣流大時打開則多，氣流小時打開則小，故可保證測量的準(zhǔn)確性和性能的穩(wěn)定性［14］。

2.2 氣囊自動控制箱的選擇

采用Pneumotach型傳感器，就需要有相配套的控制箱。選用Powercube肺功能儀的控制箱，主要是因?yàn)槠淇赏ㄟ^控制阻斷器的輸入和輸出信號來控制氣囊的充氣和放氣，最終選擇具有彌散測試功能的powercube-Diff。傳感器通過接口的RS232通訊插頭把壓差信號傳送到powercube的控制箱里面，控制箱內(nèi)置有壓差傳感器，通過一系列的運(yùn)算處理，把壓差信號轉(zhuǎn)化為電信號，最后將電信號傳送到計(jì)算機(jī)［15］儀器的前、后面板如圖5所示。

圖5 Powercube-diff前面板與后面板示圖

2.3 充氣氣囊與氣囊控制器的連接應(yīng)用

患者在用本系統(tǒng)進(jìn)行放射治療時，呼吸通道的開放還是關(guān)閉是通過氣囊的開放和鼓起來決定［16］。本研究設(shè)計(jì)中對選用氣囊無高要求，很多設(shè)備的氣囊均適合本設(shè)計(jì)，但氣囊的口徑需要合適，能夠與本設(shè)計(jì)所采用的傳感器良好吻合，確保在工作中不會漏氣，充氣氣囊如圖6所示。

圖6 充氣氣囊示圖

氣囊的開放和鼓起需要有一個控制裝置，當(dāng)滿足一定條件時控制氣囊可鼓起，當(dāng)條件不滿足時氣囊開放，患者可自由呼吸。系統(tǒng)只需要用到一個控制氣路通斷的氣囊，因此選擇美國Hans Rudolph公司9330系列的充氣氣囊自動控制器，具有充氣閉塞閥的控制器，能夠控制氣囊的開放和關(guān)閉，氣囊控制器如圖7所示。

圖7 充氣氣囊自動控制器示圖

該控制器能夠在100 ms之內(nèi)對氣囊進(jìn)行充氣和放氣，并具備有其他多種功能，對患者呼出氣流具有過濾、調(diào)節(jié)等功能，控制器的前面板如圖8所示。

圖8 自動控制器前面板示圖

2.4 控制箱與自動控制器的連接

在控制器的后面板有針腳1和針腳2（如圖8所示），是外部輸入端。在兩個針腳之間加上5 Vdc電壓，氣囊自動控制器會立刻對氣囊進(jìn)行充氣，進(jìn)而封閉了患者的呼吸通路，這時患者為屏氣的狀態(tài)；如果針腳1和針腳2之間加上低電平，氣囊自動控制器會對氣囊進(jìn)行放氣，患者的呼吸通路松開，能夠進(jìn)行自由呼吸。

2.5 控制手柄的使用

需要配合患者自身肺功能的情況時，必須有一個由患者意志所控制的手柄，控制氣囊的充放氣［17］。只有當(dāng)患者按下手柄的時候氣囊才會充氣，患者這時處于屏氣的狀態(tài)；患者如果沒有按下控制手柄，氣囊將不會進(jìn)行充氣，必須對氣囊放氣，這樣就可以自由呼吸。為了滿足這種需求，需要完成一種具有按壓功能開關(guān)的設(shè)計(jì)，患者按下手柄開關(guān)導(dǎo)通，松開手柄則斷開，再將這個手柄連接到控制箱上，控制手柄和控制箱不同狀態(tài)時氣囊的工作情況見表1。

表1 控制手柄和控制箱不同狀態(tài)時氣囊的工作情況

呼吸控制系統(tǒng)需要解決的主要問題是安全問題，即患者屏氣時能否自主控制迅速放氣。因此，在設(shè)計(jì)上手柄必須有硬件上的優(yōu)先權(quán)，患者在屏氣的過程中如果感到任何的不適，可立刻按下手柄進(jìn)行放氣。

2.6 通訊設(shè)備

呼吸控制系統(tǒng)需要在控制室和直線加速器治療室之間進(jìn)行VGA、鼠標(biāo)、鍵盤、音頻和RS232信號的傳輸。據(jù)此，本研究選擇優(yōu)特普公司的UTP602KVMADA-300S型的PC主機(jī)延長器，該裝置包括發(fā)射器和接收器。發(fā)射器連接主機(jī)，將音頻、視頻、鼠標(biāo)、鍵盤和串口信號分為兩組，一組提供信號給PC主機(jī)，另一組通過雙網(wǎng)線傳輸信號給接收器。接收器在遠(yuǎn)端用兩個RJ45接收發(fā)射器通過網(wǎng)線送來的各種信號，再將接收來的信號重新轉(zhuǎn)化為音頻、視頻、鼠標(biāo)、鍵盤和串口信號。

3 腫瘤靶區(qū)呼吸控制系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用C++高級編程語言編寫呼吸控制系統(tǒng)的軟件程序?；颊咴谄翚獾臅r候，如果出現(xiàn)下面這3種情況中的一種，軟件程序就會向powercube控制箱發(fā)送指令，使氣囊放氣，控制箱向氣囊輸入低電平，氣囊開始放氣，患者就可以自由呼吸。①患者的肺功能障礙，屏氣一段時間后無法堅(jiān)持下去，自主按下控制手柄，控制手柄具有最高優(yōu)先權(quán)，氣囊自動控制器的控制端口獲得低電平，氣囊放氣，患者自由呼吸；②醫(yī)生在軟件頁面點(diǎn)擊了“結(jié)束”按鈕，屏氣就提前結(jié)束；③患者屏氣的時長已經(jīng)達(dá)到了預(yù)先設(shè)置的最大屏氣時間。軟件程序的流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)軟件程序流程圖

4 結(jié)論

所設(shè)計(jì)研制的新型呼吸控制系統(tǒng)集彌散、振蕩及通氣等功能于一體，可以較好地幫助患者進(jìn)行呼吸控制，從而實(shí)現(xiàn)減少肺部腫瘤隨人體呼吸運(yùn)動而發(fā)生的位移，有效減少計(jì)劃腫瘤靶區(qū)的外放邊界，一定程度地減少正常組織受照射體積，患者的耐受度較低，更容易被接受，但組裝起來的呼吸控制系統(tǒng)有些分散，移動不甚方便，穩(wěn)定性較差，且治療時間較長。后期研究，考慮將直接用小氣泵對氣囊進(jìn)行充放氣，代替氣囊自動控制器和氧氣瓶，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的便用性和有效性。

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①中山市陳星海醫(yī)院設(shè)備科 廣東 中山 528415

②廣州市第十二人民醫(yī)院 廣東 廣州 510620

［文章編號］1672-8270（2016）05-0005-04 ［中圖分類號］ R197.324

［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A

DOI:10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.05.002

作者簡介

收稿日期：2016-01-15

*基金項(xiàng)目：廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015A020214013）“基于實(shí)時跟蹤呼吸預(yù)測的圖像引導(dǎo)精確放射治療關(guān)鍵技術(shù)研究”

*通訊作者：646845462@qq.com；13602796369@139.com

Development of a new breathing control system of tumor target for precision radiotherapy

MAI Hai-tao， CEN Quan-hua， LI Cheng-yi

China Medical Equipment，2016，13（5）:5-8.

［Abstract］ Objective: It is more difficult to conduct precision radiotherapy for organs of the human body with the respiratory movement. It is necessary to compensate a certain degree of deviation which is produced by many thoracic and abdominal organs with breathing exercises. To develop a new breathing control system of tumor target for precision radiotherapy is the practical demand in hospital. Methods: According to the current active breathing control system， there are gasbag， control box， handle switch for the patients， computer， automatic gasbag controller， respiratory sensor and communication tools. The Pneumotach PowerCube pulmonary function respiratory sensor and C++ high level programming language were selected to program the breathing control system. Results: The system could make patients conduct respiratory control better， reduce the deviation of pulmonary tumor caused by respiratory movement and improve the accuracy of treatment. Conclusion: The system had a lot of functions， such as dispersion，oscillation， ventilation and so on. It is refitted on the current instruments and successful to clinical application.

［Key words］Precision radiotherapy； Breathing control； Target movement