精确放疗中控制方法的研究与设计

朱明

上海理工大学，上海医疗器械高等专科学校 (上海 200093)

精确放疗中控制方法的研究与设计

朱明

上海理工大学，上海医疗器械高等专科学校 (上海 200093)

胸肺部或者上腹部的生理运动，特别是呼吸运动，造成靶区内的剂量与预定剂量之间产生差别，这种差别造成肿瘤得不到有效的治疗，而且还将造成周围正常组织受到射线的照射。本文探讨一种利用数学模型编写程序来控制单片机从而控制步进电机，步进电机通过传动机构带动可移动平台使其能实时地按器官运动规律逆向同步地运动，以抵消呼吸运动造成的器官组织运动，减小呼吸运动对放疗精度的影响。

放疗精度 数学模型 单片机 步进电机 可移动平台设备

1 肿瘤移动数据采集分析及数学模型的建立

病灶随呼吸运动的测量：使用日本岛津S7-SUD-350XLB超机测量。测量前至少5min时间训练患者平卧位平静呼吸，消除紧张情绪后，于B超检查床上双上肢上举，双手自然放于头顶(与立体定向放射治疗体位相同)。Z轴方向为头脚方向，X轴方向为身体前后方向，Y轴方向为身体左右方向。测量时，先将探头放置于前腹壁病灶位置处测量Z、X轴方向病灶的移动距离，然后将探头置于右侧腹壁或胸壁测量Y轴方向病灶移动距离，测量10个呼吸周期的移动距离，求其均数作为Z、Y、X轴方向的移动距离。

统计分析：采用SS10.0软件包进行统计分析，用多元线性回归分别对X、Y、Z轴方向的移动距离同时间、性别、年龄、身高、体重进行向后剔除法回归分析，根据回归系数建立回归数学模型。Z轴的复相关系数为0.68(时间、身高、体重、年龄)，Y轴的复相关系数为0.53(时间、体重、身高)，X轴的复相关系数为0.25(时间、体重、性别)。Z轴方向移动距离的回归模型为Z=-2.67T+2.95H-1.54×10-3W-3.93×10-3A，Y轴方向移动距离的回归模型为Y=-0.93T+0.99H-4.99×10-3W，X轴方向移动距离的回归模型为X=0.51T+7.63×10-3S-3.69×10-3W，其中T(s)为时间，H(m)为身高，W体重(kg)，A为年龄(岁)，S为性别(男为1，女为0)。100例肝部恶性肿瘤随呼吸运动移动距离数学模型计算结果：Z轴方向平均最大位移为(1.02±0.36)cm，X轴方向平均最大位移为(0.31±0.14)cm，Y轴方向平均最大位移为(0.36±0.10)cm，100例原发肝部恶性肿瘤随呼吸运动移动距离实测结果Z轴方向平均最大位移为(1.03±0.32)cm，X轴方向平均最大位移为(0.30±0.13)cm，Y轴方向平均最大位移为(0.37+0.13)cm，经配对t检验(100例实测同数学模型计算结果比较)结果为：Z轴方向t=0.89，P=0.40，X轴方向t=-1.79，P=0.10，Y轴方向t=0.29，P=0.78。以上P值均大于0.05，可以认为Z、X、Y方向上的移动距离数学模型计算结果同实测结果无显著差异。

2 常用呼吸控制方法

在诸多生理运动中，呼吸运动的影响最为严重。进行呼吸运动控制，保证外放边界在适当范围内，成为放疗工作者的重点改进方向，国内外为了减小呼吸运动对精确放疗的影响，采用了以下方法减小肿瘤运动的动度，提高精确放疗的精度：①被动加压技术：应用各种装置对体位进行固定并对胸腹部采用加压的方法，来限制肺部、膈肌等的运动幅度，从而减少肿瘤的运动幅度。②深吸气后屏气技术(DIBH)：深吸气后屏气(deep inspiration breath—hold，DIBH)技术是属于最简单的呼吸运动控制方法，DIBH技术能够减小肿瘤运动幅度，并降低了肺组织密度，从而减少了高剂量曲线内正常肺组织的受照射体积，可以降低正常组织并发症(NTCP)。DIBH技术的不足之处是要求患者屏气的过程持续较长的一段时间，进行治疗时通常要坚持到1min左右。这对于某些肺部呼吸功能不很健全的患者来说，不太容易实现，因为功能残气量的不足导致某些患者不可能在屏气下坚持太长时间[1]。③主动呼吸控制技术(ABC)[2]：应用ABC技术也能有效减少正常肺组织照射体积，靶区中心位移亦能明显减少，并且患者不需要一次性屏气很长时间，通过实时监控能使治疗结束时间把握得很准确。但本技术的缺点在于每次呼吸控制前，因患者的功能残气量不同、重复吸气控制造成疲劳以及肺肿瘤患者多伴有呼吸系统症状而致耐受性较差。[3]④呼吸门控技术：患者可以自由呼吸，但需附加门控设备，而且由于并非直接监控肿瘤运动，再加上呼吸运动的复杂性，很难保证肿瘤运动和外部监控信号在时间和空间上的一致性。[4]⑤实时跟踪放射技术：在治疗过程中直接监控肿瘤运动并指导门控治疗，部分解决了放疗过程中肿瘤运动的问题，患者在治疗过程中可以进行自由呼吸。但该技术属于有创技术，而且金粒在肿瘤内可能会发生一定的松动。还需要在加速器上另外附加特殊的跟踪设备和门控设备，且照射过程断断续续，由此延长了整个治疗时间。⑥慢速CT扫描：在扫描靶区和重复性上优于常规CT扫描，但扫描比较慢，耗时长，患者接受辐射比较多。

上述控制方法，都相应存在着一定的缺点，这些方法还不能从根本上解决呼吸运动等胸腹部的生理运动给精确放疗带来的精度影响，探索研究出一种普遍性准确性更高的精度控制方法，仍然是放疗领域的研究热点。针对呼吸运动对放疗精度的影响问题，我们设想在既不改变原有直线加速器等放疗设备结构，又不限制病人呼吸的情况下，拟采用下面的解决方案，来解决呼吸运动对放疗精度的影响。

3 呼吸运动位移误差补偿法方案的提出

肿瘤的呼吸运动可认为是非刚性体的运动，在其运动的同时还会发生形变。鉴于一般情况下肿瘤形变量不太，因此可以认为其形变对精确治疗的影响可忽略不计，此方案只考虑肿瘤在三维空间方向上的位移变化对疗效所造成的不利影响。实现位移误差补偿的思路较简单，患者在治疗的同时，当肿瘤在某一时刻、某一方向发生位移时，治疗床的控制系统根据以上建立的数学模型发回逆向补偿的位移控制信号控制相应的补偿装置进行相反方向的移动，这样一来，肿瘤又相当于同时返回原来的初始位置，在一定程度上可以减少肿瘤的呼吸运动引起的位移误差。

4 具体方案的实现

本方法是在原有加速器治疗床上再附加一套类似于床的可移动平台设备[5]，此平台大小、厚度应适中且不能太重，以避免对原治疗床施加过大的压力。此平台叠加在治疗床上与其相接配套使用，两者之间吻合度要非常高。平台和治疗床连接好后，能在上面灵活自由滑动。平台的运动靠一整套与微型计算机相连的控制系统进行操纵。控制系统的核心部分主要由单片机集成电路板、大功率步进电机、一部微型计算机所组成，单片机通过调用基于数学模型而设计的逆向补偿程序对步进电机进行有目的的控制，能在不同时刻自动调节电机的转速跟转向，在此种情形下步进电机按照事先设定的运动规律进行运转，进而再带动与其相连的可移动平台也进行具有相同规律的同步移动。具体方案实现流程如图1：

图1 控制方案的实现流程

5 单片机控制步进电机的实现

步进电机的控制系统(如图2)主要由微型计算机、单片机AT89S52、电机驱动芯片2803、光耦TLP521、电源和时钟电路等几个单元组成，其结构框图如图2所示。整个系统结构简单、成本低廉、可靠性高、使用方便、通用性强等特点。在实际使用中，可采用大功率的达林顿管来代替2803对步进电机进行驱动。成本比较低，由于电机的干扰问题，在驱动线上采用光耦隔离。

由于人呼吸时，组织器官的运动是变速的。因此要求控制电路能对步进电机进行升降速控制。本设计采用s形加减速，处理速度可以很快，平稳性也比较好，同时可以准确定位。

图2 单片机控制步进电机的实现

6 展望

本文所采用的单片机控制步进电机是基于建立的数学模型来带动可移动平台运动，从而减小呼吸运动对精确放疗精度的影响，达到提高精确放疗精度目的的方法，从理论程度上可以达到比较精确地进行放疗精度控制，它的精确性较好，患者也不需要进行专门的呼吸训练，呼吸比较自由。因此它所具有的优点使我们相信它在精确放疗精度控制领域具有广阔的发展前景。

[1]范立，放射治疗的新技术，现代医院，2005，5(4)，123

[2]Wong JW，Sharpe MB Jaffray DA，et al，The use of active breathing control(ABC)to reduce margin for breathing motion.Int J Radiat Oncol Biol Phys，1999，44，91l-919

[3]于金明，姚春萍.呼吸控制技术用于放射治疗的研究进展，中华肿瘤杂志，2006，28(1)，l-3

[4]黄伟等，精确放疗中呼吸运动对肺部肿瘤靶区的影响与控制，国外医学肿瘤学分册，2005，32(1)，53，56

[5]苏志宏，陈超敏，周凌宏等，新型体部精确放射治疗定位床研制，医疗卫生装备，2006，27(11)：7-1

[6]丁元杰，单片微机原理及应用，机械工业出版社，2009

[7]张书旭。陈光杰，周凌宏等，运动靶区CT三维重建对其体积与形状的影响，华南国防医学杂志，2007，(05)：14-17

[8]赵攀，宋钢，林辉等，基于CT值的外轮廓提取方法在精确放疗计划制定中的实现，中华放射医学与防护杂志，2007，27(5)

[9]Shimizu S，Shirato H，Kagei K，et a1，Impact of respiratory movement on computed tomographic images of small lung tumors in three-dimensional(3D)radiotherapy.Int J Radial Oncol Biol Phys，2000，46(5)，l127-l133

Study and Design Of Control Method For The Precision Radiotherapy

ZHU Ming
University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai Medical Instrument College (Shanghai 200093)

Physiological motions of organs in thorax lung and upper abdomen, especially respiratory movement, make difference between planning and actual dosage which weaken the treatment effect and also bring about radiation exposure of proximate tissue.Structure the math model of organs and program to control single-chip microcomputer, and use single-chip microcomputer to control stepping motors which spur the removable equipment move in real-time and widdershins way through actuating mechanism that is the method investigated in this paper which call counteract the organs’ motion as well as reduce the impact of respiratory movement on radiotherapy accuracy.

radiotherapy accuracy,math model,single-chip microcomputer,stepping motor,removable equipment

1006-6586(2011)02-0015-03

：R815.2

：A

2010-12-09

朱明，助教

本项目获2009上海市优青项目基金资助