王旋，敦煌俊秋，湯福南，張可，吳小玲

南京醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程系，江蘇南京 210029

基于磁定位技術(shù)的放療呼吸曲線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王旋，敦煌俊秋，湯福南，張可，吳小玲

南京醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程系，江蘇南京 210029

目的設(shè)計(jì)基于磁定位技術(shù)的放療呼吸曲線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)患者的呼吸曲線(xiàn)，控制放射治療床三維反向運(yùn)動(dòng)以抵消因呼吸因素造成的靶區(qū)位移，實(shí)現(xiàn)靶區(qū)的相對(duì)靜止。方法在受試者胸腹部體表粘貼小磁體，通過(guò)磁阻傳感器檢測(cè)小磁體的磁場(chǎng)信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行處理和變換，得到其位移信息，再通過(guò)上位機(jī)軟件（LabVIEW）實(shí)時(shí)顯示受試者的呼吸曲線(xiàn)。結(jié)果該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了小磁體運(yùn)動(dòng)位置及受試者呼吸曲線(xiàn)的實(shí)時(shí)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。結(jié)論基于磁定位技術(shù)的放療呼吸曲線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲取受試者的呼吸曲線(xiàn)，為胸腹部動(dòng)態(tài)放療中患者呼吸曲線(xiàn)的獲取提供了一種新的方法。

磁定位技術(shù)；呼吸曲線(xiàn)；動(dòng)態(tài)放療；單片機(jī)；LabVIEW

0 前言

呼吸是機(jī)體與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換的過(guò)程，是維持機(jī)體生命活動(dòng)所必需的基本生理過(guò)程之一。人體呼吸主要分為胸式呼吸和腹式呼吸兩種。胸式呼吸以肋間外肌舒縮活動(dòng)為主，使胸廓前后徑發(fā)生變化。腹式呼吸以膈肌舒縮活動(dòng)為主，使胸廓上下徑發(fā)生變化[1]。

據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，大約有70%的腫瘤患者需在病程的不同時(shí)期接受放射治療。在胸腹部腫瘤的放射治療中，呼吸是造成靶區(qū)位移的重要因素。美國(guó)學(xué)者Yu等[2]通過(guò)理論模型計(jì)算證實(shí)，在調(diào)強(qiáng)放射治療中，呼吸運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的劑量偏差可達(dá)100%?？梢?jiàn)，呼吸是影響放療結(jié)果的重要因素之一。

英國(guó)愛(ài)丁堡癌癥中心的Erridge等[3]利用射野影像系統(tǒng)監(jiān)測(cè)了肺癌患者肺部腫瘤的運(yùn)動(dòng)范圍，結(jié)果顯示：頭腳方向運(yùn)動(dòng)距離為5.2～19.8 mm，側(cè)向運(yùn)動(dòng)距離為4.6～10 mm。德國(guó)圖賓根大學(xué)醫(yī)院的Plathow等[4]利用MRI觀察到肺癌在頭腳方向上的位移為4.5～16.4 mm，在前后方向上的位移為2.5～9.8 mm，在左右方向上的位移為2.9～9.8 mm。美國(guó)學(xué)者Hanley等[5]通過(guò)CT觀察到肺癌在頭腳方向上的位移為0～20 mm，在前后方向上的位移為0～13 mm，在左右方向上的位移為0～l mm。上述研究結(jié)果表明，呼吸對(duì)肺部腫瘤在頭腳方向、前后方向和左右方向上的位移均有較大影響，且對(duì)于頭腳方向的影響更為明顯。

目前放療過(guò)程中針對(duì)呼吸引起的腫瘤運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償方法主要有主動(dòng)呼吸控制技術(shù)、呼吸門(mén)控技術(shù)、四維放療技術(shù)和腫瘤實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)等[6]。其中，患者對(duì)主動(dòng)呼吸控制技術(shù)的耐受性較差；呼吸門(mén)控技術(shù)只能在呼吸的一定時(shí)相使用，因此會(huì)導(dǎo)致放療時(shí)間增加；四維放療技術(shù)和腫瘤實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)是目前動(dòng)態(tài)放療的主要發(fā)展方向[7]，但四維放療需要患者在治療時(shí)保持與CT掃描時(shí)相同的呼吸時(shí)相[8]，腫瘤實(shí)時(shí)跟蹤在治療中的CT掃描可增加病人的輻射劑量。

目前呼吸檢測(cè)系統(tǒng)中檢測(cè)呼吸的常用手段包括體外和體內(nèi)兩種，體外檢測(cè)手段包括肺活量計(jì)、紅外線(xiàn)、腹帶壓力傳感器、激光測(cè)微儀以及電磁傳感器；體內(nèi)檢測(cè)手段通常為X線(xiàn)透視和植入金屬標(biāo)記物[9]。體外檢測(cè)手段僅能檢測(cè)呼吸時(shí)相信息，不能反映實(shí)時(shí)呼吸曲線(xiàn)；而體內(nèi)檢測(cè)手段具有增加病人輻射劑量和有創(chuàng)的缺點(diǎn)。綜上所述，開(kāi)發(fā)一種無(wú)附加輻射且能夠?qū)崟r(shí)顯示呼吸曲線(xiàn)的檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于胸腹部動(dòng)態(tài)放療的具有深遠(yuǎn)意義。

Kubo等[10]使用紅外線(xiàn)對(duì)腫瘤進(jìn)行跟蹤，結(jié)果表明安靜呼吸時(shí)得到的呼吸曲線(xiàn)波形與膈肌運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)一致。Ozhasoglu等[11]運(yùn)用射波刀呼吸檢測(cè)系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)證實(shí)了胰腺癌患者體表標(biāo)記物與體內(nèi)腫瘤標(biāo)記物的運(yùn)動(dòng)具有良好的相關(guān)性。Gierga等[12]在肝癌患者體表和體內(nèi)分別安裝電磁傳感器，通過(guò)評(píng)價(jià)兩組傳感器測(cè)得的位置坐標(biāo)之間的相關(guān)性，得到穩(wěn)定呼吸時(shí)的相關(guān)系數(shù)為94%，非穩(wěn)定呼吸時(shí)的相關(guān)系數(shù)為78%。Ionascu等[13]對(duì)10例肺癌患者自由呼吸時(shí)體表標(biāo)記物和體內(nèi)標(biāo)記的位置的相關(guān)性進(jìn)行研究，結(jié)果表明兩者在頭腳方向上的相關(guān)性良好，在前后方向上的差異＜5 mm。這些實(shí)驗(yàn)表明，如果選取適當(dāng)?shù)奈恢茫w表運(yùn)動(dòng)和體內(nèi)腫瘤運(yùn)動(dòng)之間就具有很好的相關(guān)性，只要建立體表運(yùn)動(dòng)與體內(nèi)腫瘤運(yùn)動(dòng)的相關(guān)性模型，通過(guò)檢測(cè)體表標(biāo)記點(diǎn)的呼吸曲線(xiàn)就可以準(zhǔn)確推測(cè)體內(nèi)腫瘤的運(yùn)動(dòng)范圍，再通過(guò)放射治療床的反向運(yùn)動(dòng)就可以達(dá)到體內(nèi)腫瘤在治療過(guò)程中的相對(duì)靜止。

本研究所設(shè)計(jì)的基于磁定位技術(shù)的放療呼吸曲線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)是在受試者胸腹部體表粘貼小磁體，通過(guò)磁阻傳感器檢測(cè)小磁體的磁場(chǎng)信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行處理和變換，得到其位移信息，再由上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)顯示受試者的呼吸曲線(xiàn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

放療呼吸曲線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)主要由磁檢測(cè)電路、單片機(jī)（MCU）控制電路以及上位機(jī)軟件組成。在受試者體表粘貼小磁體，檢測(cè)時(shí)小磁體隨呼吸運(yùn)動(dòng)做三維運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)小磁體的三維運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)即可代替該位置體表的呼吸運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)。磁檢測(cè)電路用于檢測(cè)小磁體的磁場(chǎng)信號(hào)，并通過(guò)模擬信號(hào)調(diào)理電路對(duì)其進(jìn)行放大濾波；MCU控制電路用于對(duì)磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行A/D采樣，產(chǎn)生方波信號(hào)用于磁阻傳感器的置位復(fù)位；上位機(jī)軟件選用的是LabVIEW，用于對(duì)A/D采樣后的磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行采樣、定位，并顯示及保存小磁體的三維運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)。

2 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件部分主要由傳感器及其周?chē)娐贰⒛M信號(hào)調(diào)理電路、MCU控制電路等組成。單片機(jī)采用的是TI公司的MSP430F149。系統(tǒng)硬件電路框圖，見(jiàn)圖1。

圖1 放療呼吸曲線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)硬件電路框圖

2.1 傳感器及其周?chē)娐?/p>

2.1.1 HMC1043各向異性磁阻傳感器

HMC1043是Honeywell公司推出的一款基于各向異性磁阻效應(yīng)的弱磁檢測(cè)傳感器，具有體積小、功耗低、溫度穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、工作頻帶寬、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。HMC1043測(cè)量范圍為±6 Gauss，分辨率為120 μGuass，靈敏度為（1.0±0.2）mV/V/Gauss，工作電壓為1.8～10 V[14]。HMC1043內(nèi)部由3個(gè)惠斯登電橋組成，3個(gè)電橋的敏感軸相互垂直，可以同時(shí)感應(yīng)空間磁場(chǎng)3方向上的分量大小。

2.1.2 置位/復(fù)位電路

在外界強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾下，可使用置位/復(fù)位電路來(lái)恢復(fù)傳感器的靈敏度。當(dāng)磁阻傳感器暴露于干擾磁場(chǎng)中時(shí)，內(nèi)部磁疇將變得雜亂無(wú)章，致使傳感器靈敏度降低。通過(guò)對(duì)置位/復(fù)位電流帶施加脈沖電流，將在內(nèi)部產(chǎn)生一強(qiáng)磁場(chǎng)，此磁場(chǎng)能將磁疇統(tǒng)一到一個(gè)方向上，以恢復(fù)傳感器靈敏度。設(shè)計(jì)的置位/復(fù)位電路圖，見(jiàn)圖2。圖中DA、DB信號(hào)由MCU控制，G1、G2為雙刀雙擲繼電器。電路通電后，電容C2快速地充滿(mǎn)電，兩端電壓為5 V。當(dāng)MCU控制DA=0，DB=1時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，繼電器G1工作，電容C2兩端電壓不會(huì)發(fā)生突變，電容C2放電，電流通過(guò)置位/復(fù)位電阻，完成置位操作；當(dāng)MCU控制DA=1，DB=0時(shí)，三極管Q2導(dǎo)通，繼電器G2工作，進(jìn)行復(fù)位操作；當(dāng)MCU控制DA=1，DB=1時(shí)，兩個(gè)三極管均不導(dǎo)通。

圖2 置位/復(fù)位電路圖

2.2 模擬信號(hào)調(diào)理電路

模擬信號(hào)調(diào)理電路包括模擬開(kāi)關(guān)切換電路、初級(jí)信號(hào)放大電路及次級(jí)放大低通濾波電路。信號(hào)經(jīng)多路切換電路共用后續(xù)電路。模擬信號(hào)調(diào)理電路的性能直接關(guān)系著弱磁檢測(cè)的最小分辨率、信噪比等重要參數(shù)。

2.2.1 模擬開(kāi)關(guān)切換電路

模擬開(kāi)關(guān)切換電路采用ADI公司的四選一模擬多路復(fù)用器ADG1604，其導(dǎo)通電阻小，輸出范圍可擴(kuò)展至電源電壓范圍，可采用單電源或雙電源方式供電。根據(jù)三位地址線(xiàn)A0、A1及EN將四路輸入中的一路與公共輸出端連接。ADG1604真值表，見(jiàn)表1。

表1 ADG1604真值表

2.2.2 初級(jí)信號(hào)放大電路

磁傳感器輸出的電壓信號(hào)大小為±0.6 μV～±30 mV，需要對(duì)微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行放大，信號(hào)經(jīng)放大濾波后進(jìn)行A/D采集。放大電路的性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的精度，電路中應(yīng)選用高輸入阻抗、低失調(diào)電壓和高共模抑制比的放大器。

為了充分利用A/D量程，整個(gè)放大電路的總增益要求非常高，而單個(gè)運(yùn)放芯片的增益不宜過(guò)大，所以電路采用兩級(jí)放大，以逐步提高信噪比。經(jīng)比較后，本研究觸及信號(hào)放大電路選擇AD8231芯片，它是一款低漂移、軌到軌數(shù)字可編程的儀表放大器，放大增益為1、2、4、8、16、32、128可調(diào)。

由于AD8231為單電源+5.0 V工作，所以當(dāng)差分輸入信號(hào)為負(fù)時(shí)，輸出為零，信號(hào)丟失，不利于系統(tǒng)定位。為避免出現(xiàn)此問(wèn)題，將其REF引腳接參考電壓3.0 V，則初級(jí)放大后輸出信號(hào)會(huì)抬高至3.0 V左右。參考電壓由低功耗基準(zhǔn)電壓源REF2930提供，該芯片精度高，輸出電壓波動(dòng)在±1 mV；工作溫度范圍廣，為-40～+125 ℃;；電路簡(jiǎn)單，如圖3所示，不需要負(fù)載電容即可穩(wěn)定工作。

圖3 參考電壓電路圖

2.2.3 次級(jí)放大濾波電路

圖4 次級(jí)放大濾波電路圖

3 系統(tǒng)軟件

單片機(jī)通過(guò)A/D采樣獲取的6個(gè)數(shù)據(jù)分別是兩個(gè)傳感器的每個(gè)軸上的讀數(shù)X、Y、Z，數(shù)據(jù)傳輸格式為X1、X2，Y1、Y2，Z1、Z2。將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)RS-232串口發(fā)送給上位機(jī)，在上位機(jī)中利用LabVIEW軟件，采用事件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，明確系統(tǒng)的要求及性能參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行處理后在前面板實(shí)時(shí)顯示其軌跡。為了方便對(duì)定位結(jié)果進(jìn)行查看及分析，本研究還增加了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能。系統(tǒng)軟件主要由主程序界面、實(shí)時(shí)顯示模塊和軌跡重現(xiàn)模塊構(gòu)成。其中實(shí)時(shí)顯示模塊包括串口通信、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)保存及顯示子模塊；軌跡重現(xiàn)模塊包括數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)處理及顯示子模塊。LabVIEW程序框圖，見(jiàn)圖5。

圖5 LabVIEW程序框圖

4 呼吸曲線(xiàn)獲取實(shí)驗(yàn)

受試者為女性，25歲，呼吸功能正常，身體健康。囑其仰臥于測(cè)試床上，雙手自然放置于身體兩側(cè)，在其左側(cè)第二肋間隙處粘貼小磁體，并將磁阻傳感器固定于身體同側(cè)。囑受試者正常呼吸，初始時(shí)磁阻傳感器與小磁體保持在同一平面上，通過(guò)磁阻傳感器檢測(cè)粘貼于其胸腹部體表的小磁體的磁場(chǎng)信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行處理和變換，得到其位移信息，同時(shí)用LabVIEW軟件顯示并儲(chǔ)存所測(cè)得的X、Y、Z軸方向上的呼吸曲線(xiàn)。呼吸曲線(xiàn)實(shí)驗(yàn)示意圖，見(jiàn)圖6。

圖6 呼吸曲線(xiàn)實(shí)驗(yàn)示意圖

所獲得的兩個(gè)周期的呼吸曲線(xiàn)圖，見(jiàn)圖7。該受試者的呼吸周期約為3 s/次，正常人體每分鐘呼吸16～20次，與實(shí)際相符。由于測(cè)量中標(biāo)記物置于第二肋間隙處，檢測(cè)到胸廓前后壁運(yùn)動(dòng)幅度較頭腳方向明顯，而胸廓左右方向運(yùn)動(dòng)幅度最弱。

圖7 所獲得的呼吸曲線(xiàn)圖

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，利用永磁定位方法得到的人體呼吸曲線(xiàn)類(lèi)似于正弦曲線(xiàn)，與美國(guó)密歇根大學(xué)的Lujan等人提出的呼吸運(yùn)動(dòng)符合高階余弦函數(shù)的理論相符[15]。本研究選用PSO算法結(jié)合L-M算法的綜合算法進(jìn)行磁源定位，PSO算法運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，平均為2.3203 s，L-M算法的平均運(yùn)行時(shí)間為0.1485 s，但只在最初定位時(shí)調(diào)用一次PSO算法，因此系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)性。

5 結(jié)論

本研究采用磁定位技術(shù)跟蹤人體表面粘貼的小磁體在呼吸過(guò)程中的位置變化，再通過(guò)上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終獲得了人體呼吸曲線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)表明，基于磁定位技術(shù)的放療呼吸曲線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)呼吸曲線(xiàn)的測(cè)量與顯示，且具有價(jià)格低、人體耐受性好、無(wú)附加射線(xiàn)輻射等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的臨床應(yīng)用價(jià)值。但該系統(tǒng)目前僅利用一個(gè)永磁體來(lái)獲取呼吸曲線(xiàn)，后續(xù)可考慮采用多個(gè)永磁體同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，以獲得更為平穩(wěn)的呼吸曲線(xiàn)；同時(shí)體表小磁體的運(yùn)動(dòng)與胸腹部腫瘤組織在呼吸時(shí)的實(shí)際位移的相關(guān)性也值得進(jìn)一步的研究與探討；另外，將該系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際治療還需考慮小磁體的大小對(duì)放射劑量的影響。

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Design and Application of a Respiratory Curve Detecting System for RT Based on Magnetic Positioning Technology

WANG Xuan, DUN HUANG Jun-qiu, TANG Fu-nan, ZHANG Ke, WU Xiao-ling
Department of Biomedical Engineering, Nanjing Medical University, Nanjing Jiangsu 210029, China

ObjectiveTo design a respiratory curve detecting system for RT (Radiotherapy) based on the technology of magnetic positioning, which was intended for real-time detection of the patients’respiratory curve, controlling the three-dimensional inverse kinematics of RT beds for offsetting the respiratory-factor-caused location changes of the target area and could realize the relatively static status of the target.MethodsThe magneto-resistive sensors was used to detect magnetic fi eld signal of small magnet which had been pasted on the surface of the patient’s chest. Then, location changes could be obtained through the signal processing and conversion. Finally, a PC software (LabVIEW) was deployed real-timely to display the patients’respiratory curve.ResultsThe system realized the real-time display and data storage of small magnet position movement and the patients’respiratory curve.ConclusionThe experimental results showed that this magnetic-positioning-based system could real-timely and accurately acquire the patients’respiratory curve, which provided a new method for acquisition of the patients’respiratory curve in thoracic-abdominal dynamic RT.

magnetic positioning detection; respiratory curve; dynamic radiotherapy; single chip microcomputer; labVIEW

TP311.52

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.06.009

1674-1633(2015)06-0042-04

2015-03-16

2015-03-26

吳小玲，教授。

作者郵箱：wx@njmu．edu．cn