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

1、目的：肺癌的三維適形放療中，腫瘤會隨著呼吸運動和心臟搏動而改變位置，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動的移動范圍，準(zhǔn)確勾畫治療靶區(qū)，在減少周圍正常組織的受照同時又不使病變區(qū)漏照，成為當(dāng)前研究的一個重要問題。近年來國內(nèi)外學(xué)者提出幾種不同方法來解決由于呼吸運動對ITV確定的影響問題，都有不盡人意之處。本課題在汲取相關(guān)研究經(jīng)驗前提下，設(shè)計制作了主動呼吸控制系統(tǒng)，用以完成對患者呼吸運動狀態(tài)的實時監(jiān)

2、測和控制，并對整個系統(tǒng)進(jìn)行臨床使用驗證，實現(xiàn)ITV確定的個體化。 方法：1設(shè)計制作主動呼吸控制系統(tǒng)：系統(tǒng)原理是在計算機(jī)端編寫程序開發(fā)圖形化接口，通過數(shù)據(jù)采集模塊實時收集患者呼吸運動狀態(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)和計算機(jī)系統(tǒng)相連接，計算機(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算機(jī)屏幕上，操作者根據(jù)計算機(jī)顯示的肺內(nèi)氣體體積的實時改變，按需要主動關(guān)閉或打開氣道，控制患者呼吸

3、于呼吸周期的某一時相。整個系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：圖形監(jiān)測界面、采集控制模塊、通信控制模塊(RS-232)。圖形監(jiān)測界面，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、電動閥、控制開關(guān)和系統(tǒng)控制軟件等組成。主要實現(xiàn)控制流量傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、電動閥的驅(qū)動控制、醫(yī)生操作和病人狀態(tài)的檢測并完成

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)計和軟件設(shè)計兩個方面。硬件設(shè)計，主要完成采集模塊的物理實現(xiàn)，本設(shè)計以AT89C52為主體，控制A/D轉(zhuǎn)換器，將流量傳感器傳來的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，驅(qū)動流量傳感器實現(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)動控制電動閥以進(jìn)行呼吸控制等；軟件設(shè)計采用C語言，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，為保證臨床使用安全，在

5、系統(tǒng)患者端設(shè)有控制開關(guān)，患者擁有操作系統(tǒng)氣道閥門控制的優(yōu)先權(quán)，當(dāng)醫(yī)生關(guān)閉氣道后，患者有任何不適，均可自行開啟閥門，恢復(fù)正常通氣。2系統(tǒng)臨床驗證設(shè)計：篩選10例Ⅰ～Ⅲb期自愿受試肺癌患者。系統(tǒng)驗證操作過程，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時間。適形定位時患者在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。點擊主動呼吸運

6、動控制系統(tǒng)操作界面的“開始”按鈕，經(jīng)過系統(tǒng)氣體流量數(shù)字轉(zhuǎn)換及通信傳輸，在計算機(jī)屏幕上實時顯示患者呼吸運動波形及肺內(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，通過電動閥主動關(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，掃描范圍包括整個胸腔。兩組圖像序列傳輸至物理室治療計劃系統(tǒng)，進(jìn)行靶區(qū)圖像融合，確定個體化ITV，制定相應(yīng)治療計劃。 結(jié)

7、果：1系統(tǒng)性能測試結(jié)果，整個系統(tǒng)控制部件及氣體流量計算準(zhǔn)確，響應(yīng)時間很短，完全符合設(shè)計要求。2系統(tǒng)臨床驗證結(jié)果，對10例自愿受試的患者進(jìn)行CT適形定位時，應(yīng)用主動呼吸控制系統(tǒng)，通過計算機(jī)屏幕實時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，無一例因不適自行打開系統(tǒng)閥門開關(guān)。3患者平靜呼吸時肺部病變的位移范圍測量。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，測量10例患者肺部病變隨呼吸運動產(chǎn)生的移動距離(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軸方向為0.900.42cm(范圍0.30～1.80cm)，X軸方向為0.3540.23cm(范圍0.00～0.80cm)，Y軸方向為0.16±0.15cm(范圍0.00～0.5cm)。4ITV的個體化，將受試患者平靜呼吸下，吸氣末與呼氣末兩組CT圖像序列，通過網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)入放射治療計劃系統(tǒng)，啟用計劃系統(tǒng)靶區(qū)