主動(dòng)呼吸控制系統(tǒng)的研制及其在肺癌放射治療靶區(qū)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.pdf

1、目的：肺癌的三維適形放療中，腫瘤會(huì)隨著呼吸運(yùn)動(dòng)和心臟搏動(dòng)而改變位置，這種變化是確定放療內(nèi)靶區(qū)(ITV)范圍的重要依據(jù)之一。如何確定和控制病變隨呼吸運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)范圍，準(zhǔn)確勾畫(huà)治療靶區(qū)，在減少周圍正常組織的受照同時(shí)又不使病變區(qū)漏照，成為當(dāng)前研究的一個(gè)重要問(wèn)題。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出幾種不同方法來(lái)解決由于呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)ITV確定的影響問(wèn)題，都有不盡人意之處。本課題在汲取相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)前提下，設(shè)計(jì)制作了主動(dòng)呼吸控制系統(tǒng)，用以完成對(duì)患者呼吸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)

2、測(cè)和控制，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行臨床使用驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)ITV確定的個(gè)體化。 方法：1設(shè)計(jì)制作主動(dòng)呼吸控制系統(tǒng)：系統(tǒng)原理是在計(jì)算機(jī)端編寫(xiě)程序開(kāi)發(fā)圖形化接口，通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)收集患者呼吸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，在制定適當(dāng)通訊協(xié)議與通訊格式的前提下，數(shù)據(jù)采集模塊以網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連接，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)讀取模塊上的數(shù)字信息，并將采集得到的數(shù)據(jù)以波形的形式顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，操作者根據(jù)計(jì)算機(jī)顯示的肺內(nèi)氣體體積的實(shí)時(shí)改變，按需要主動(dòng)關(guān)閉或打開(kāi)氣道，控制患者呼吸

3、于呼吸周期的某一時(shí)相。整個(gè)系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：圖形監(jiān)測(cè)界面、采集控制模塊、通信控制模塊(RS-232)。圖形監(jiān)測(cè)界面，采用Microsoft公司的VisualBasic6.0中文版進(jìn)行監(jiān)控軟件的編制，軟件的主要功能是實(shí)現(xiàn)電腦與資料收集系統(tǒng)間的串行通信和數(shù)據(jù)的采集、處理和曲線圖的顯示。采集控制模塊由流量傳感器、電動(dòng)閥、控制開(kāi)關(guān)和系統(tǒng)控制軟件等組成。主要實(shí)現(xiàn)控制流量傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、電動(dòng)閥的驅(qū)動(dòng)控制、醫(yī)生操作和病人狀態(tài)的檢測(cè)并完成

4、與電腦的通信和數(shù)據(jù)交換，模塊是本系統(tǒng)的核心部分，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。硬件設(shè)計(jì)，主要完成采集模塊的物理實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)以AT89C52為主體，控制A/D轉(zhuǎn)換器，將流量傳感器傳來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，驅(qū)動(dòng)流量傳感器實(shí)現(xiàn)流量的采集，以及電腦和MCU串行接口的電平轉(zhuǎn)換，正確驅(qū)動(dòng)控制電動(dòng)閥以進(jìn)行呼吸控制等；軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言，主要有初始化模塊、A/D轉(zhuǎn)換器的控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及串行通信模塊。系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)，為保證臨床使用安全，在

5、系統(tǒng)患者端設(shè)有控制開(kāi)關(guān)，患者擁有操作系統(tǒng)氣道閥門(mén)控制的優(yōu)先權(quán)，當(dāng)醫(yī)生關(guān)閉氣道后，患者有任何不適，均可自行開(kāi)啟閥門(mén)，恢復(fù)正常通氣。2系統(tǒng)臨床驗(yàn)證設(shè)計(jì)：篩選10例Ⅰ～Ⅲb期自愿受試肺癌患者。系統(tǒng)驗(yàn)證操作過(guò)程，適形定位前訓(xùn)練患者在平臥位，阻斷鼻道狀態(tài)下，張口平靜呼吸至少5min時(shí)間。適形定位時(shí)患者在CT機(jī)檢查床上雙上肢上舉，雙手自然放于頭頂(與放射治療體位相同)。將儀器托架放于患者頭部，患者口含儀器氣道入口，用鼻夾阻斷鼻腔氣道。點(diǎn)擊主動(dòng)呼吸運(yùn)

6、動(dòng)控制系統(tǒng)操作界面的“開(kāi)始”按鈕，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)氣體流量數(shù)字轉(zhuǎn)換及通信傳輸，在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)時(shí)顯示患者呼吸運(yùn)動(dòng)波形及肺內(nèi)殘余氣量曲線，操作者根據(jù)波形，確認(rèn)患者處于平靜呼吸吸氣末時(shí)，通過(guò)電動(dòng)閥主動(dòng)關(guān)閉患者呼吸氣道，并行螺旋掃描，然后相同條件下進(jìn)行平靜呼吸呼氣末掃描，要求兩次掃描間隔至少1min，以利患者恢復(fù)平靜呼吸節(jié)律，掃描范圍包括整個(gè)胸腔。兩組圖像序列傳輸至物理室治療計(jì)劃系統(tǒng)，進(jìn)行靶區(qū)圖像融合，確定個(gè)體化ITV，制定相應(yīng)治療計(jì)劃。 結(jié)

7、果：1系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果，整個(gè)系統(tǒng)控制部件及氣體流量計(jì)算準(zhǔn)確，響應(yīng)時(shí)間很短，完全符合設(shè)計(jì)要求。2系統(tǒng)臨床驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)10例自愿受試的患者進(jìn)行CT適形定位時(shí)，應(yīng)用主動(dòng)呼吸控制系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕實(shí)時(shí)顯示患者的呼吸狀態(tài)，成功采集患者平靜呼吸狀態(tài)下吸氣末與呼吸末兩組圖像。10例患者均能耐受上述操作，無(wú)一例因不適自行打開(kāi)系統(tǒng)閥門(mén)開(kāi)關(guān)。3患者平靜呼吸時(shí)肺部病變的位移范圍測(cè)量。由高年資CT診斷醫(yī)師和放射治療醫(yī)師各1名分別對(duì)患者平靜呼吸下，吸氣末與呼氣

8、末兩組CT圖像進(jìn)行閱片，測(cè)量10例患者肺部病變隨呼吸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的移動(dòng)距離(設(shè)定X軸為身體左右方向，Y軸為身體前后方向，Z軸為頭腳方向)，Z軸方向?yàn)?.900.42cm(范圍0.30～1.80cm)，X軸方向?yàn)?.3540.23cm(范圍0.00～0.80cm)，Y軸方向?yàn)?.16±0.15cm(范圍0.00～0.5cm)。4ITV的個(gè)體化，將受試患者平靜呼吸下，吸氣末與呼氣末兩組CT圖像序列，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)入放射治療計(jì)劃系統(tǒng)，啟用計(jì)劃系統(tǒng)靶區(qū)