新型精确放射治疗肿瘤靶区呼吸控制系统的研制*

麦海涛岑铨华李成毅



新型精确放射治疗肿瘤靶区呼吸控制系统的研制*

麦海涛①岑铨华①李成毅②*

［摘要］目的：在实施精确放射治疗过程中，随呼吸运动而运动的人体器官要达到一定的精度较为困难。许多胸腹部器官均会伴随呼吸运动产生一定程度的偏移，需对偏移通过各种方法进行补偿。根据临床实际需求，研制出一套新型精确放射治疗中肿瘤靶区呼吸控制系统。方法：基于现有主动呼吸控制系统的组成结构与思路，研制由气囊、控制箱、患者手柄开关、电脑、控制箱、气囊自动控制器、呼吸传感器及通讯工具等构成的新型精确放射治疗中肿瘤靶区呼吸控制系统，选用Pneumotach型的PowerCube肺功能的呼吸传感器，运用C++高级编程语言编写呼吸控制系统的软件程序。结果：可较好地帮助患者进行呼吸控制，减少肺部肿瘤随人体呼吸运动而发生偏移，提高治疗准确性。结论：该系统集弥散、振荡及通气等功能于一体，可实现在现有仪器上进行改装，达到放射治疗中肿瘤靶区呼吸控制的设计目的，并成功用于临床。

［关键词］精确放射治疗；呼吸控制；靶区运动

麦海涛，男，（1970- ），大专，工程师。中山市陈星海医院设备科，从事医疗设备的管理维护及维修。

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

恶性肿瘤是人类五大死亡原因（心脑血管疾病、恶性肿瘤、呼吸器官疾病、车祸和自杀）之一，而现代治疗中，手术、放射治疗及化疗是治疗肿瘤的3种主要方式［1］。对肿瘤进行放射治疗有利也有弊，在治疗过程中，由于器官的运动，尤其是呼吸运动所引起肿瘤靶区位置的改变，将对治疗结果造成严重影响。如果未能即时纠正，则会造成照射偏差，使肿瘤细胞的受照射量不足，周围正常组织也会因为受到过多的照射而损伤［2］。施国治［2］在自适应放射治疗的研究发展中提出，精确放射治疗技术以最大程度的杀灭肿瘤细胞、最大程度的保护正常组织为目标，这也成为现在肿瘤放射治疗的一个重要发展方向［3］。随着人们对放射治疗质量要求的提高，精确放射治疗技术也在不断的发展。为了能达到精确放射治疗的目的，伍锐等［4］在呼吸控制技术在肺部肿瘤精确放射治疗的研究中提出，处理呼吸运动问题经常用到的方法有呼吸控制技术、呼吸门控技术、呼吸运动位移误差补偿技术、控制等中心移位技术、个体化内靶体积勾画及图像引导技术等。为此，本研究研制一种新型精确放射治疗肿瘤靶区呼吸控制系统，以达到在放射治疗中肿瘤靶区呼吸控制的目的。

1 精确放射治疗技术

目前，国内一些医院已经引入赛博刀、拓姆刀及锐速刀等高端精确放射治疗设备，促进了精确放射治疗的发展［5］。对于人体的不同部位，对放射治疗的要求也有所不同，对于那些不会随着呼吸运动而移位的器官部位，要做到精确放射治疗其难度不大，只需前期定位准确，分次照射时摆位准确，则能够实现精确放射治疗。然而，对于人体一些随呼吸运动而运动的器官则比较难做到精确放射治疗。腹部和胸部的很多器官都会随着呼吸运动而产生一定程度的偏移，所以需要通过各种手段对这些位移进行补偿［6-7］。呼吸运动的一个周期很短，患者一般不能在一个呼吸周期内做完治疗，基于这个原因精确放射治疗的精准实施面临较多的问题。呼吸运动导致的器官运动，让后续的步骤都出现误差，结果是正常组织受到照射而肿瘤细胞却没有受到足量的照射［8］。

在对精确放射治疗技术的研究中，国内许多医院都在探讨解决呼吸运动问题的方法，但上述现有的各种方法均有其优、缺点［9-10］。典型的呼吸控制系统有医科达公司的主动呼吸控制系统（active breathing control，ABC）和美国Varian公司的呼吸门控系统（respiratory gating system，RGS），如图1、图2所示。但其价格昂贵，临床应用条件较高，难以普及。

图1 医科达公司主动呼吸控制系统示图

图2 美国Varian公司呼吸门控系统示图

由此，根据医院的实际需求，本研究借鉴主动呼吸控制系统的组成结构与思路，研制新型精确放射治疗中肿瘤靶区呼吸控制系统。

2 肿瘤靶区呼吸控制系统硬件组成

精确放射治疗中肿瘤靶区呼吸控制系统主要包括气囊、控制箱、患者手柄开关、电脑、控制箱、气囊自动控制器、呼吸传感器以及通讯工具等，系统结构如图3所示。

2.1 呼吸传感器的选择

传感器的作用是把患者呼吸情况的气流信号转变为电信号，再将收集到的电信号通过通信设备传递到计算机，经过处理显示出呼吸波形［11］。系统对传感器的要求有两点：①可以正确地反映患者呼吸运动的真实情况；②由于传感器放置在直线加速器治疗室里，距离射野较近，应尽量选用金属含量少的设备。据此要求评估，选用了Pneumotach型的PowerCube肺功能呼吸传感器，如图4所示。

图3 新型精确放射治疗肿瘤靶区呼吸控制系统框图

图4 Pneumotach型传感器示图

Pneumotach型的传感器根据压差式流速测量原理设计，压差式流量传感器利用在一定形状的流通管道中气流的压力降落与流速的依从关系测定流量［12-13］。该传感器在原有的基础上进行改进，传统的传感器采用固定好了的金属筛网，流量大阻力也跟着一起大，呼吸过程中所产生的水汽也是其中的阻碍因素；Pneumotach型的传感器采用了非亲水材料的阻力膜，因此水汽无法在其表面凝结，避免水汽成为阻力。此外，当气流增大时传感器里面有快膜片会轻轻打开，与气流增大成线性打开，气流大时打开则多，气流小时打开则小，故可保证测量的准确性和性能的稳定性［14］。

2.2 气囊自动控制箱的选择

采用Pneumotach型传感器，就需要有相配套的控制箱。选用Powercube肺功能仪的控制箱，主要是因为其可通过控制阻断器的输入和输出信号来控制气囊的充气和放气，最终选择具有弥散测试功能的powercube-Diff。传感器通过接口的RS232通讯插头把压差信号传送到powercube的控制箱里面，控制箱内置有压差传感器，通过一系列的运算处理，把压差信号转化为电信号，最后将电信号传送到计算机［15］仪器的前、后面板如图5所示。

图5 Powercube-diff前面板与后面板示图

2.3 充气气囊与气囊控制器的连接应用

患者在用本系统进行放射治疗时，呼吸通道的开放还是关闭是通过气囊的开放和鼓起来决定［16］。本研究设计中对选用气囊无高要求，很多设备的气囊均适合本设计，但气囊的口径需要合适，能够与本设计所采用的传感器良好吻合，确保在工作中不会漏气，充气气囊如图6所示。

图6 充气气囊示图

气囊的开放和鼓起需要有一个控制装置，当满足一定条件时控制气囊可鼓起，当条件不满足时气囊开放，患者可自由呼吸。系统只需要用到一个控制气路通断的气囊，因此选择美国Hans Rudolph公司9330系列的充气气囊自动控制器，具有充气闭塞阀的控制器，能够控制气囊的开放和关闭，气囊控制器如图7所示。

图7 充气气囊自动控制器示图

该控制器能够在100 ms之内对气囊进行充气和放气，并具备有其他多种功能，对患者呼出气流具有过滤、调节等功能，控制器的前面板如图8所示。

图8 自动控制器前面板示图

2.4 控制箱与自动控制器的连接

在控制器的后面板有针脚1和针脚2（如图8所示），是外部输入端。在两个针脚之间加上5 Vdc电压，气囊自动控制器会立刻对气囊进行充气，进而封闭了患者的呼吸通路，这时患者为屏气的状态；如果针脚1和针脚2之间加上低电平，气囊自动控制器会对气囊进行放气，患者的呼吸通路松开，能够进行自由呼吸。

2.5 控制手柄的使用

需要配合患者自身肺功能的情况时，必须有一个由患者意志所控制的手柄，控制气囊的充放气［17］。只有当患者按下手柄的时候气囊才会充气，患者这时处于屏气的状态；患者如果没有按下控制手柄，气囊将不会进行充气，必须对气囊放气，这样就可以自由呼吸。为了满足这种需求，需要完成一种具有按压功能开关的设计，患者按下手柄开关导通，松开手柄则断开，再将这个手柄连接到控制箱上，控制手柄和控制箱不同状态时气囊的工作情况见表1。

表1 控制手柄和控制箱不同状态时气囊的工作情况

呼吸控制系统需要解决的主要问题是安全问题，即患者屏气时能否自主控制迅速放气。因此，在设计上手柄必须有硬件上的优先权，患者在屏气的过程中如果感到任何的不适，可立刻按下手柄进行放气。

2.6 通讯设备

呼吸控制系统需要在控制室和直线加速器治疗室之间进行VGA、鼠标、键盘、音频和RS232信号的传输。据此，本研究选择优特普公司的UTP602KVMADA-300S型的PC主机延长器，该装置包括发射器和接收器。发射器连接主机，将音频、视频、鼠标、键盘和串口信号分为两组，一组提供信号给PC主机，另一组通过双网线传输信号给接收器。接收器在远端用两个RJ45接收发射器通过网线送来的各种信号，再将接收来的信号重新转化为音频、视频、鼠标、键盘和串口信号。

3 肿瘤靶区呼吸控制系统软件的实现

系统采用C++高级编程语言编写呼吸控制系统的软件程序。患者在屏气的时候，如果出现下面这3种情况中的一种，软件程序就会向powercube控制箱发送指令，使气囊放气，控制箱向气囊输入低电平，气囊开始放气，患者就可以自由呼吸。①患者的肺功能障碍，屏气一段时间后无法坚持下去，自主按下控制手柄，控制手柄具有最高优先权，气囊自动控制器的控制端口获得低电平，气囊放气，患者自由呼吸；②医生在软件页面点击了“结束”按钮，屏气就提前结束；③患者屏气的时长已经达到了预先设置的最大屏气时间。软件程序的流程如图9所示。

图9 系统软件程序流程图

4 结论

所设计研制的新型呼吸控制系统集弥散、振荡及通气等功能于一体，可以较好地帮助患者进行呼吸控制，从而实现减少肺部肿瘤随人体呼吸运动而发生的位移，有效减少计划肿瘤靶区的外放边界，一定程度地减少正常组织受照射体积，患者的耐受度较低，更容易被接受，但组装起来的呼吸控制系统有些分散，移动不甚方便，稳定性较差，且治疗时间较长。后期研究，考虑将直接用小气泵对气囊进行充放气，代替气囊自动控制器和氧气瓶，以进一步提高系统的便用性和有效性。

参考文献

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①中山市陈星海医院设备科 广东 中山 528415

②广州市第十二人民医院 广东 广州 510620

［文章编号］1672-8270（2016）05-0005-04 ［中图分类号］ R197.324

［文献标识码］A

DOI:10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.05.002

作者简介

收稿日期：2016-01-15

*基金项目：广东省科技计划项目（2015A020214013）“基于实时跟踪呼吸预测的图像引导精确放射治疗关键技术研究”

*通讯作者：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