基于磁定位技術的放療呼吸曲線檢測系統的設計與應用

王旋，敦煌俊秋，湯福南，張可，吳小玲

南京醫科大學 生物醫學工程系，江蘇南京 210029

基于磁定位技術的放療呼吸曲線檢測系統的設計與應用

王旋，敦煌俊秋，湯福南，張可，吳小玲

南京醫科大學 生物醫學工程系，江蘇南京 210029

目的設計基于磁定位技術的放療呼吸曲線檢測系統，用于實時檢測患者的呼吸曲線，控制放射治療床三維反向運動以抵消因呼吸因素造成的靶區位移，實現靶區的相對靜止。方法在受試者胸腹部體表粘貼小磁體，通過磁阻傳感器檢測小磁體的磁場信號，對其進行處理和變換，得到其位移信息，再通過上位機軟件（LabVIEW）實時顯示受試者的呼吸曲線。結果該系統實現了小磁體運動位置及受試者呼吸曲線的實時顯示及數據存儲。結論基于磁定位技術的放療呼吸曲線檢測系統可實時、準確地獲取受試者的呼吸曲線，為胸腹部動態放療中患者呼吸曲線的獲取提供了一種新的方法。

磁定位技術；呼吸曲線；動態放療；單片機；LabVIEW

0 前言

呼吸是機體與外界環境進行氣體交換的過程，是維持機體生命活動所必需的基本生理過程之一。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為主，使胸廓前后徑發生變化。腹式呼吸以膈肌舒縮活動為主，使胸廓上下徑發生變化[1]。

據世界衛生組織統計，大約有70%的腫瘤患者需在病程的不同時期接受放射治療。在胸腹部腫瘤的放射治療中，呼吸是造成靶區位移的重要因素。美國學者Yu等[2]通過理論模型計算證實，在調強放射治療中，呼吸運動所導致的劑量偏差可達100%。可見，呼吸是影響放療結果的重要因素之一。

英國愛丁堡癌癥中心的Erridge等[3]利用射野影像系統監測了肺癌患者肺部腫瘤的運動范圍，結果顯示：頭腳方向運動距離為5.2～19.8 mm，側向運動距離為4.6～10 mm。德國圖賓根大學醫院的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。美國學者Hanley等[5]通過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。上述研究結果表明，呼吸對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，且對于頭腳方向的影響更為明顯。

目前放療過程中針對呼吸引起的腫瘤運動的補償方法主要有主動呼吸控制技術、呼吸門控技術、四維放療技術和腫瘤實時跟蹤技術等[6]。其中，患者對主動呼吸控制技術的耐受性較差；呼吸門控技術只能在呼吸的一定時相使用，因此會導致放療時間增加；四維放療技術和腫瘤實時跟蹤技術是目前動態放療的主要發展方向[7]，但四維放療需要患者在治療時保持與CT掃描時相同的呼吸時相[8]，腫瘤實時跟蹤在治療中的CT掃描可增加病人的輻射劑量。

目前呼吸檢測系統中檢測呼吸的常用手段包括體外和體內兩種，體外檢測手段包括肺活量計、紅外線、腹帶壓力傳感器、激光測微儀以及電磁傳感器；體內檢測手段通常為X線透視和植入金屬標記物[9]。體外檢測手段僅能檢測呼吸時相信息，不能反映實時呼吸曲線；而體內檢測手段具有增加病人輻射劑量和有創的缺點。綜上所述，開發一種無附加輻射且能夠實時顯示呼吸曲線的檢測系統對于胸腹部動態放療的具有深遠意義。

Kubo等[10]使用紅外線對腫瘤進行跟蹤，結果表明安靜呼吸時得到的呼吸曲線波形與膈肌運動曲線一致。Ozhasoglu等[11]運用射波刀呼吸檢測系統獲得的數據證實了胰腺癌患者體表標記物與體內腫瘤標記物的運動具有良好的相關性。Gierga等[12]在肝癌患者體表和體內分別安裝電磁傳感器，通過評價兩組傳感器測得的位置坐標之間的相關性，得到穩定呼吸時的相關系數為94%，非穩定呼吸時的相關系數為78%。Ionascu等[13]對10例肺癌患者自由呼吸時體表標記物和體內標記的位置的相關性進行研究，結果表明兩者在頭腳方向上的相關性良好，在前后方向上的差異＜5 mm。這些實驗表明，如果選取適當的位置，體表運動和體內腫瘤運動之間就具有很好的相關性，只要建立體表運動與體內腫瘤運動的相關性模型，通過檢測體表標記點的呼吸曲線就可以準確推測體內腫瘤的運動范圍，再通過放射治療床的反向運動就可以達到體內腫瘤在治療過程中的相對靜止。

本研究所設計的基于磁定位技術的放療呼吸曲線檢測系統是在受試者胸腹部體表粘貼小磁體，通過磁阻傳感器檢測小磁體的磁場信號，對其進行處理和變換，得到其位移信息，再由上位機軟件實時顯示受試者的呼吸曲線。

1 系統結構

放療呼吸曲線檢測系統主要由磁檢測電路、單片機（MCU）控制電路以及上位機軟件組成。在受試者體表粘貼小磁體，檢測時小磁體隨呼吸運動做三維運動，檢測小磁體的三維運動曲線即可代替該位置體表的呼吸運動曲線。磁檢測電路用于檢測小磁體的磁場信號，并通過模擬信號調理電路對其進行放大濾波；MCU控制電路用于對磁場信號進行A/D采樣，產生方波信號用于磁阻傳感器的置位復位；上位機軟件選用的是LabVIEW，用于對A/D采樣后的磁場信號進行采樣、定位，并顯示及保存小磁體的三維運動曲線。

2 系統硬件

系統硬件部分主要由傳感器及其周圍電路、模擬信號調理電路、MCU控制電路等組成。單片機采用的是TI公司的MSP430F149。系統硬件電路框圖，見圖1。

圖1 放療呼吸曲線檢測系統硬件電路框圖

2.1 傳感器及其周圍電路

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的弱磁檢測傳感器，具有體積小、功耗低、溫度穩定性好、抗干擾能力強、工作頻帶寬、穩定性高等優點。HMC1043測量范圍為±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內部由3個惠斯登電橋組成，3個電橋的敏感軸相互垂直，可以同時感應空間磁場3方向上的分量大小。

2.1.2 置位/復位電路

在外界強磁場的干擾下，可使用置位/復位電路來恢復傳感器的靈敏度。當磁阻傳感器暴露于干擾磁場中時，內部磁疇將變得雜亂無章，致使傳感器靈敏度降低。通過對置位/復位電流帶施加脈沖電流，將在內部產生一強磁場，此磁場能將磁疇統一到一個方向上，以恢復傳感器靈敏度。設計的置位/復位電路圖，見圖2。圖中DA、DB信號由MCU控制，G1、G2為雙刀雙擲繼電器。電路通電后，電容C2快速地充滿電，兩端電壓為5 V。當MCU控制DA=0，DB=1時，三極管Q1導通，繼電器G1工作，電容C2兩端電壓不會發生突變，電容C2放電，電流通過置位/復位電阻，完成置位操作；當MCU控制DA=1，DB=0時，三極管Q2導通，繼電器G2工作，進行復位操作；當MCU控制DA=1，DB=1時，兩個三極管均不導通。

圖2 置位/復位電路圖

2.2 模擬信號調理電路

模擬信號調理電路包括模擬開關切換電路、初級信號放大電路及次級放大低通濾波電路。信號經多路切換電路共用后續電路。模擬信號調理電路的性能直接關系著弱磁檢測的最小分辨率、信噪比等重要參數。

2.2.1 模擬開關切換電路

模擬開關切換電路采用ADI公司的四選一模擬多路復用器ADG1604，其導通電阻小，輸出范圍可擴展至電源電壓范圍，可采用單電源或雙電源方式供電。根據三位地址線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，見表1。

表1 ADG1604真值表

2.2.2 初級信號放大電路

磁傳感器輸出的電壓信號大小為±0.6 μV～±30 mV，需要對微弱的電壓信號進行放大，信號經放大濾波后進行A/D采集。放大電路的性能直接影響整個系統的精度，電路中應選用高輸入阻抗、低失調電壓和高共模抑制比的放大器。

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

由于AD8231為單電源+5.0 V工作，所以當差分輸入信號為負時，輸出為零，信號丟失，不利于系統定位。為避免出現此問題，將其REF引腳接參考電壓3.0 V，則初級放大后輸出信號會抬高至3.0 V左右。參考電壓由低功耗基準電壓源REF2930提供，該芯片精度高，輸出電壓波動在±1 mV；工作溫度范圍廣，為-40～+125 ℃;；電路簡單，如圖3所示，不需要負載電容即可穩定工作。

圖3 參考電壓電路圖

2.2.3 次級放大濾波電路

圖4 次級放大濾波電路圖

3 系統軟件

單片機通過A/D采樣獲取的6個數據分別是兩個傳感器的每個軸上的讀數X、Y、Z，數據傳輸格式為X1、X2，Y1、Y2，Z1、Z2。將A/D轉換后的數據經RS-232串口發送給上位機，在上位機中利用LabVIEW軟件，采用事件結構的設計方法，明確系統的要求及性能參數，對其進行處理后在前面板實時顯示其軌跡。為了方便對定位結果進行查看及分析，本研究還增加了數據的存儲功能。系統軟件主要由主程序界面、實時顯示模塊和軌跡重現模塊構成。其中實時顯示模塊包括串口通信、數據預處理、數據處理、數據保存及顯示子模塊；軌跡重現模塊包括數據讀取、數據處理及顯示子模塊。LabVIEW程序框圖，見圖5。

圖5 LabVIEW程序框圖

4 呼吸曲線獲取實驗

受試者為女性，25歲，呼吸功能正常，身體健康。囑其仰臥于測試床上，雙手自然放置于身體兩側，在其左側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。囑受試者正常呼吸，初始時磁阻傳感器與小磁體保持在同一平面上，通過磁阻傳感器檢測粘貼于其胸腹部體表的小磁體的磁場信號，對其進行處理和變換，得到其位移信息，同時用LabVIEW軟件顯示并儲存所測得的X、Y、Z軸方向上的呼吸曲線。呼吸曲線實驗示意圖，見圖6。

圖6 呼吸曲線實驗示意圖

所獲得的兩個周期的呼吸曲線圖，見圖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，與實際相符。由于測量中標記物置于第二肋間隙處，檢測到胸廓前后壁運動幅度較頭腳方向明顯，而胸廓左右方向運動幅度最弱。

圖7 所獲得的呼吸曲線圖

從實驗結果可以看出，利用永磁定位方法得到的人體呼吸曲線類似于正弦曲線，與美國密歇根大學的Lujan等人提出的呼吸運動符合高階余弦函數的理論相符[15]。本研究選用PSO算法結合L-M算法的綜合算法進行磁源定位，PSO算法運行時間較長，平均為2.3203 s，L-M算法的平均運行時間為0.1485 s，但只在最初定位時調用一次PSO算法，因此系統具有較好的實時性。

5 結論

本研究采用磁定位技術跟蹤人體表面粘貼的小磁體在呼吸過程中的位置變化，再通過上位機軟件進行數據處理，最終獲得了人體呼吸曲線。實驗表明，基于磁定位技術的放療呼吸曲線檢測系統能夠實時、準確地實現呼吸曲線的測量與顯示，且具有價格低、人體耐受性好、無附加射線輻射等優點，具有一定的臨床應用價值。但該系統目前僅利用一個永磁體來獲取呼吸曲線，后續可考慮采用多個永磁體同時進行檢測，以獲得更為平穩的呼吸曲線；同時體表小磁體的運動與胸腹部腫瘤組織在呼吸時的實際位移的相關性也值得進一步的研究與探討；另外，將該系統應用于實際治療還需考慮小磁體的大小對放射劑量的影響。

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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