朱明

上海理工大學(xué)，上海醫(yī)療器械高等?？茖W(xué)校 (上海 200093)

精確放療中控制方法的研究與設(shè)計(jì)

朱明

上海理工大學(xué)，上海醫(yī)療器械高等?？茖W(xué)校 (上海 200093)

胸肺部或者上腹部的生理運(yùn)動，特別是呼吸運(yùn)動，造成靶區(qū)內(nèi)的劑量與預(yù)定劑量之間產(chǎn)生差別，這種差別造成腫瘤得不到有效的治療，而且還將造成周圍正常組織受到射線的照射。本文探討一種利用數(shù)學(xué)模型編寫程序來控制單片機(jī)從而控制步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)通過傳動機(jī)構(gòu)帶動可移動平臺使其能實(shí)時(shí)地按器官運(yùn)動規(guī)律逆向同步地運(yùn)動，以抵消呼吸運(yùn)動造成的器官組織運(yùn)動，減小呼吸運(yùn)動對放療精度的影響。

放療精度 數(shù)學(xué)模型 單片機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 可移動平臺設(shè)備

1 腫瘤移動數(shù)據(jù)采集分析及數(shù)學(xué)模型的建立

病灶隨呼吸運(yùn)動的測量：使用日本島津S7-SUD-350XLB超機(jī)測量。測量前至少5min時(shí)間訓(xùn)練患者平臥位平靜呼吸，消除緊張情緒后，于B超檢查床上雙上肢上舉，雙手自然放于頭頂(與立體定向放射治療體位相同)。Z軸方向?yàn)轭^腳方向，X軸方向?yàn)樯眢w前后方向，Y軸方向?yàn)樯眢w左右方向。測量時(shí)，先將探頭放置于前腹壁病灶位置處測量Z、X軸方向病灶的移動距離，然后將探頭置于右側(cè)腹壁或胸壁測量Y軸方向病灶移動距離，測量10個(gè)呼吸周期的移動距離，求其均數(shù)作為Z、Y、X軸方向的移動距離。

統(tǒng)計(jì)分析：采用SS10.0軟件包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用多元線性回歸分別對X、Y、Z軸方向的移動距離同時(shí)間、性別、年齡、身高、體重進(jìn)行向后剔除法回歸分析，根據(jù)回歸系數(shù)建立回歸數(shù)學(xué)模型。Z軸的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.68(時(shí)間、身高、體重、年齡)，Y軸的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.53(時(shí)間、體重、身高)，X軸的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.25(時(shí)間、體重、性別)。Z軸方向移動距離的回歸模型為Z=-2.67T+2.95H-1.54×10-3W-3.93×10-3A，Y軸方向移動距離的回歸模型為Y=-0.93T+0.99H-4.99×10-3W，X軸方向移動距離的回歸模型為X=0.51T+7.63×10-3S-3.69×10-3W，其中T(s)為時(shí)間，H(m)為身高，W體重(kg)，A為年齡(歲)，S為性別(男為1，女為0)。100例肝部惡性腫瘤隨呼吸運(yùn)動移動距離數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果：Z軸方向平均最大位移為(1.02±0.36)cm，X軸方向平均最大位移為(0.31±0.14)cm，Y軸方向平均最大位移為(0.36±0.10)cm，100例原發(fā)肝部惡性腫瘤隨呼吸運(yùn)動移動距離實(shí)測結(jié)果Z軸方向平均最大位移為(1.03±0.32)cm，X軸方向平均最大位移為(0.30±0.13)cm，Y軸方向平均最大位移為(0.37+0.13)cm，經(jīng)配對t檢驗(yàn)(100例實(shí)測同數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果比較)結(jié)果為：Z軸方向t=0.89，P=0.40，X軸方向t=-1.79，P=0.10，Y軸方向t=0.29，P=0.78。以上P值均大于0.05，可以認(rèn)為Z、X、Y方向上的移動距離數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果同實(shí)測結(jié)果無顯著差異。

2 常用呼吸控制方法

在諸多生理運(yùn)動中，呼吸運(yùn)動的影響最為嚴(yán)重。進(jìn)行呼吸運(yùn)動控制，保證外放邊界在適當(dāng)范圍內(nèi)，成為放療工作者的重點(diǎn)改進(jìn)方向，國內(nèi)外為了減小呼吸運(yùn)動對精確放療的影響，采用了以下方法減小腫瘤運(yùn)動的動度，提高精確放療的精度：①被動加壓技術(shù)：應(yīng)用各種裝置對體位進(jìn)行固定并對胸腹部采用加壓的方法，來限制肺部、膈肌等的運(yùn)動幅度，從而減少腫瘤的運(yùn)動幅度。②深吸氣后屏氣技術(shù)(DIBH)：深吸氣后屏氣(deep inspiration breath—hold，DIBH)技術(shù)是屬于最簡單的呼吸運(yùn)動控制方法，DIBH技術(shù)能夠減小腫瘤運(yùn)動幅度，并降低了肺組織密度，從而減少了高劑量曲線內(nèi)正常肺組織的受照射體積，可以降低正常組織并發(fā)癥(NTCP)。DIBH技術(shù)的不足之處是要求患者屏氣的過程持續(xù)較長的一段時(shí)間，進(jìn)行治療時(shí)通常要堅(jiān)持到1min左右。這對于某些肺部呼吸功能不很健全的患者來說，不太容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楣δ軞垰饬康牟蛔銓?dǎo)致某些患者不可能在屏氣下堅(jiān)持太長時(shí)間[1]。③主動呼吸控制技術(shù)(ABC)[2]：應(yīng)用ABC技術(shù)也能有效減少正常肺組織照射體積，靶區(qū)中心位移亦能明顯減少，并且患者不需要一次性屏氣很長時(shí)間，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控能使治療結(jié)束時(shí)間把握得很準(zhǔn)確。但本技術(shù)的缺點(diǎn)在于每次呼吸控制前，因患者的功能殘氣量不同、重復(fù)吸氣控制造成疲勞以及肺腫瘤患者多伴有呼吸系統(tǒng)癥狀而致耐受性較差。[3]④呼吸門控技術(shù)：患者可以自由呼吸，但需附加門控設(shè)備，而且由于并非直接監(jiān)控腫瘤運(yùn)動，再加上呼吸運(yùn)動的復(fù)雜性，很難保證腫瘤運(yùn)動和外部監(jiān)控信號在時(shí)間和空間上的一致性。[4]⑤實(shí)時(shí)跟蹤放射技術(shù)：在治療過程中直接監(jiān)控腫瘤運(yùn)動并指導(dǎo)門控治療，部分解決了放療過程中腫瘤運(yùn)動的問題，患者在治療過程中可以進(jìn)行自由呼吸。但該技術(shù)屬于有創(chuàng)技術(shù)，而且金粒在腫瘤內(nèi)可能會發(fā)生一定的松動。還需要在加速器上另外附加特殊的跟蹤設(shè)備和門控設(shè)備，且照射過程斷斷續(xù)續(xù)，由此延長了整個(gè)治療時(shí)間。⑥慢速CT掃描：在掃描靶區(qū)和重復(fù)性上優(yōu)于常規(guī)CT掃描，但掃描比較慢，耗時(shí)長，患者接受輻射比較多。

上述控制方法，都相應(yīng)存在著一定的缺點(diǎn)，這些方法還不能從根本上解決呼吸運(yùn)動等胸腹部的生理運(yùn)動給精確放療帶來的精度影響，探索研究出一種普遍性準(zhǔn)確性更高的精度控制方法，仍然是放療領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。針對呼吸運(yùn)動對放療精度的影響問題，我們設(shè)想在既不改變原有直線加速器等放療設(shè)備結(jié)構(gòu)，又不限制病人呼吸的情況下，擬采用下面的解決方案，來解決呼吸運(yùn)動對放療精度的影響。

3 呼吸運(yùn)動位移誤差補(bǔ)償法方案的提出

腫瘤的呼吸運(yùn)動可認(rèn)為是非剛性體的運(yùn)動，在其運(yùn)動的同時(shí)還會發(fā)生形變。鑒于一般情況下腫瘤形變量不太，因此可以認(rèn)為其形變對精確治療的影響可忽略不計(jì)，此方案只考慮腫瘤在三維空間方向上的位移變化對療效所造成的不利影響。實(shí)現(xiàn)位移誤差補(bǔ)償?shù)乃悸份^簡單，患者在治療的同時(shí)，當(dāng)腫瘤在某一時(shí)刻、某一方向發(fā)生位移時(shí)，治療床的控制系統(tǒng)根據(jù)以上建立的數(shù)學(xué)模型發(fā)回逆向補(bǔ)償?shù)奈灰瓶刂菩盘柨刂葡鄳?yīng)的補(bǔ)償裝置進(jìn)行相反方向的移動，這樣一來，腫瘤又相當(dāng)于同時(shí)返回原來的初始位置，在一定程度上可以減少腫瘤的呼吸運(yùn)動引起的位移誤差。

4 具體方案的實(shí)現(xiàn)

本方法是在原有加速器治療床上再附加一套類似于床的可移動平臺設(shè)備[5]，此平臺大小、厚度應(yīng)適中且不能太重，以避免對原治療床施加過大的壓力。此平臺疊加在治療床上與其相接配套使用，兩者之間吻合度要非常高。平臺和治療床連接好后，能在上面靈活自由滑動。平臺的運(yùn)動靠一整套與微型計(jì)算機(jī)相連的控制系統(tǒng)進(jìn)行操縱。控制系統(tǒng)的核心部分主要由單片機(jī)集成電路板、大功率步進(jìn)電機(jī)、一部微型計(jì)算機(jī)所組成，單片機(jī)通過調(diào)用基于數(shù)學(xué)模型而設(shè)計(jì)的逆向補(bǔ)償程序?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)進(jìn)行有目的的控制，能在不同時(shí)刻自動調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟轉(zhuǎn)向，在此種情形下步進(jìn)電機(jī)按照事先設(shè)定的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而再帶動與其相連的可移動平臺也進(jìn)行具有相同規(guī)律的同步移動。具體方案實(shí)現(xiàn)流程如圖1：

圖1 控制方案的實(shí)現(xiàn)流程

5 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的實(shí)現(xiàn)

步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)(如圖2)主要由微型計(jì)算機(jī)、單片機(jī)AT89S52、電機(jī)驅(qū)動芯片2803、光耦TLP521、電源和時(shí)鐘電路等幾個(gè)單元組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、可靠性高、使用方便、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。在實(shí)際使用中，可采用大功率的達(dá)林頓管來代替2803對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。成本比較低，由于電機(jī)的干擾問題，在驅(qū)動線上采用光耦隔離。

由于人呼吸時(shí)，組織器官的運(yùn)動是變速的。因此要求控制電路能對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行升降速控制。本設(shè)計(jì)采用s形加減速，處理速度可以很快，平穩(wěn)性也比較好，同時(shí)可以準(zhǔn)確定位。

圖2 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的實(shí)現(xiàn)

6 展望

本文所采用的單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)是基于建立的數(shù)學(xué)模型來帶動可移動平臺運(yùn)動，從而減小呼吸運(yùn)動對精確放療精度的影響，達(dá)到提高精確放療精度目的的方法，從理論程度上可以達(dá)到比較精確地進(jìn)行放療精度控制，它的精確性較好，患者也不需要進(jìn)行專門的呼吸訓(xùn)練，呼吸比較自由。因此它所具有的優(yōu)點(diǎn)使我們相信它在精確放療精度控制領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。

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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

本項(xiàng)目獲2009上海市優(yōu)青項(xiàng)目基金資助