新型精確放射治療腫瘤靶區呼吸控制系統的研制*

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呼吸控制系統的研制*

麥海濤①岑銓華①李成毅②*

［摘要］目的：在實施精確放射治療過程中，隨呼吸運動而運動的人體器官要達到一定的精度較為困難。許多胸腹部器官均會伴隨呼吸運動產生一定程度的偏移，需對偏移通過各種方法進行補償。根據臨床實際需求，研制出一套新型精確放射治療中腫瘤靶區呼吸控制系統。方法：基于現有主動呼吸控制系統的組成結構與思路，研制由氣囊、控制箱、患者手柄開關、電腦、控制箱、氣囊自動控制器、呼吸傳感器及通訊工具等構成的新型精確放射治療中腫瘤靶區呼吸控制系統，選用Pneumotach型的PowerCube肺功能的呼吸傳感器，運用C++高級編程語言編寫呼吸控制系統的軟件程序。結果：可較好地幫助患者進行呼吸控制，減少肺部腫瘤隨人體呼吸運動而發生偏移，提高治療準確性。結論：該系統集彌散、振蕩及通氣等功能于一體，可實現在現有儀器上進行改裝，達到放射治療中腫瘤靶區呼吸控制的設計目的，并成功用于臨床。

［關鍵詞］精確放射治療；呼吸控制；靶區運動

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

［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，而現代治療中，手術、放射治療及化療是治療腫瘤的3種主要方式［1］。對腫瘤進行放射治療有利也有弊，在治療過程中，由于器官的運動，尤其是呼吸運動所引起腫瘤靶區位置的改變，將對治療結果造成嚴重影響。如果未能即時糾正，則會造成照射偏差，使腫瘤細胞的受照射量不足，周圍正常組織也會因為受到過多的照射而損傷［2］。施國治［2］在自適應放射治療的研究發展中提出，精確放射治療技術以最大程度的殺滅腫瘤細胞、最大程度的保護正常組織為目標，這也成為現在腫瘤放射治療的一個重要發展方向［3］。隨著人們對放射治療質量要求的提高，精確放射治療技術也在不斷的發展。為了能達到精確放射治療的目的，伍銳等［4］在呼吸控制技術在肺部腫瘤精確放射治療的研究中提出，處理呼吸運動問題經常用到的方法有呼吸控制技術、呼吸門控技術、呼吸運動位移誤差補償技術、控制等中心移位技術、個體化內靶體積勾畫及圖像引導技術等。為此，本研究研制一種新型精確放射治療腫瘤靶區呼吸控制系統，以達到在放射治療中腫瘤靶區呼吸控制的目的。

1 精確放射治療技術

目前，國內一些醫院已經引入賽博刀、拓姆刀及銳速刀等高端精確放射治療設備，促進了精確放射治療的發展［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，只需前期定位準確，分次照射時擺位準確，則能夠實現精確放射治療。然而，對于人體一些隨呼吸運動而運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動而產生一定程度的偏移，所以需要通過各種手段對這些位移進行補償［6-7］。呼吸運動的一個周期很短，患者一般不能在一個呼吸周期內做完治療，基于這個原因精確放射治療的精準實施面臨較多的問題。呼吸運動導致的器官運動，讓后續的步驟都出現誤差，結果是正常組織受到照射而腫瘤細胞卻沒有受到足量的照射［8］。

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

圖1 醫科達公司主動呼吸控制系統示圖

圖2 美國Varian公司呼吸門控系統示圖

由此，根據醫院的實際需求，本研究借鑒主動呼吸控制系統的組成結構與思路，研制新型精確放射治療中腫瘤靶區呼吸控制系統。

2 腫瘤靶區呼吸控制系統硬件組成

精確放射治療中腫瘤靶區呼吸控制系統主要包括氣囊、控制箱、患者手柄開關、電腦、控制箱、氣囊自動控制器、呼吸傳感器以及通訊工具等，系統結構如圖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變為電信號，再將收集到的電信號通過通信設備傳遞到計算機，經過處理顯示出呼吸波形［11］。系統對傳感器的要求有兩點：①可以正確地反映患者呼吸運動的真實情況；②由于傳感器放置在直線加速器治療室里，距離射野較近，應盡量選用金屬含量少的設備。據此要求評估，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呼吸控制系統框圖

圖4 Pneumotach型傳感器示圖

Pneumotach型的傳感器根據壓差式流速測量原理設計，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系測定流量［12-13］。該傳感器在原有的基礎上進行改進，傳統的傳感器采用固定好了的金屬篩網，流量大阻力也跟著一起大，呼吸過程中所產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，避免水汽成為阻力。此外，當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，故可保證測量的準確性和性能的穩定性［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，主要是因為其可通過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，控制箱內置有壓差傳感器，通過一系列的運算處理，把壓差信號轉化為電信號，最后將電信號傳送到計算機［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用

患者在用本系統進行放射治療時，呼吸通道的開放還是關閉是通過氣囊的開放和鼓起來決定［16］。本研究設計中對選用氣囊無高要求，很多設備的氣囊均適合本設計，但氣囊的口徑需要合適，能夠與本設計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，當滿足一定條件時控制氣囊可鼓起，當條件不滿足時氣囊開放，患者可自由呼吸。系統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之內對氣囊進行充氣和放氣，并具備有其他多種功能，對患者呼出氣流具有過濾、調節等功能，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行充氣，進而封閉了患者的呼吸通路，這時患者為屏氣的狀態；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行放氣，患者的呼吸通路松開，能夠進行自由呼吸。

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；患者如果沒有按下控制手柄，氣囊將不會進行充氣，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的設計，患者按下手柄開關導通，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時氣囊的工作情況

呼吸控制系統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，在設計上手柄必須有硬件上的優先權，患者在屏氣的過程中如果感到任何的不適，可立刻按下手柄進行放氣。

2.6 通訊設備

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

3 腫瘤靶區呼吸控制系統軟件的實現

系統采用C++高級編程語言編寫呼吸控制系統的軟件程序。患者在屏氣的時候，如果出現下面這3種情況中的一種，軟件程序就會向powercube控制箱發送指令，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持下去，自主按下控制手柄，控制手柄具有最高優先權，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醫生在軟件頁面點擊了“結束”按鈕，屏氣就提前結束；③患者屏氣的時長已經達到了預先設置的最大屏氣時間。軟件程序的流程如圖9所示。

圖9 系統軟件程序流程圖

4 結論

所設計研制的新型呼吸控制系統集彌散、振蕩及通氣等功能于一體，可以較好地幫助患者進行呼吸控制，從而實現減少肺部腫瘤隨人體呼吸運動而發生的位移，有效減少計劃腫瘤靶區的外放邊界，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有些分散，移動不甚方便，穩定性較差，且治療時間較長。后期研究，考慮將直接用小氣泵對氣囊進行充放氣，代替氣囊自動控制器和氧氣瓶，以進一步提高系統的便用性和有效性。

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①中山市陳星海醫院設備科 廣東 中山 528415

②廣州市第十二人民醫院 廣東 廣州 510620

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

［文獻標識碼］A

DOI:10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.05.002

作者簡介

收稿日期：2016-01-15

*基金項目：廣東省科技計劃項目（2015A020214013）“基于實時跟蹤呼吸預測的圖像引導精確放射治療關鍵技術研究”

*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