基于磁定位技术的放疗呼吸曲线检测系统的设计与应用

王旋，敦煌俊秋，汤福南，张可，吴小玲

南京医科大学 生物医学工程系，江苏南京 210029

基于磁定位技术的放疗呼吸曲线检测系统的设计与应用

王旋，敦煌俊秋，汤福南，张可，吴小玲

南京医科大学 生物医学工程系，江苏南京 210029

目的设计基于磁定位技术的放疗呼吸曲线检测系统，用于实时检测患者的呼吸曲线，控制放射治疗床三维反向运动以抵消因呼吸因素造成的靶区位移，实现靶区的相对静止。方法在受试者胸腹部体表粘贴小磁体，通过磁阻传感器检测小磁体的磁场信号，对其进行处理和变换，得到其位移信息，再通过上位机软件（LabVIEW）实时显示受试者的呼吸曲线。结果该系统实现了小磁体运动位置及受试者呼吸曲线的实时显示及数据存储。结论基于磁定位技术的放疗呼吸曲线检测系统可实时、准确地获取受试者的呼吸曲线，为胸腹部动态放疗中患者呼吸曲线的获取提供了一种新的方法。

磁定位技术；呼吸曲线；动态放疗；单片机；LabVIEW

0 前言

呼吸是机体与外界环境进行气体交换的过程，是维持机体生命活动所必需的基本生理过程之一。人体呼吸主要分为胸式呼吸和腹式呼吸两种。胸式呼吸以肋间外肌舒缩活动为主，使胸廓前后径发生变化。腹式呼吸以膈肌舒缩活动为主，使胸廓上下径发生变化[1]。

据世界卫生组织统计，大约有70%的肿瘤患者需在病程的不同时期接受放射治疗。在胸腹部肿瘤的放射治疗中，呼吸是造成靶区位移的重要因素。美国学者Yu等[2]通过理论模型计算证实，在调强放射治疗中，呼吸运动所导致的剂量偏差可达100%。可见，呼吸是影响放疗结果的重要因素之一。

英国爱丁堡癌症中心的Erridge等[3]利用射野影像系统监测了肺癌患者肺部肿瘤的运动范围，结果显示：头脚方向运动距离为5.2～19.8 mm，侧向运动距离为4.6～10 mm。德国图宾根大学医院的Plathow等[4]利用MRI观察到肺癌在头脚方向上的位移为4.5～16.4 mm，在前后方向上的位移为2.5～9.8 mm，在左右方向上的位移为2.9～9.8 mm。美国学者Hanley等[5]通过CT观察到肺癌在头脚方向上的位移为0～20 mm，在前后方向上的位移为0～13 mm，在左右方向上的位移为0～l mm。上述研究结果表明，呼吸对肺部肿瘤在头脚方向、前后方向和左右方向上的位移均有较大影响，且对于头脚方向的影响更为明显。

目前放疗过程中针对呼吸引起的肿瘤运动的补偿方法主要有主动呼吸控制技术、呼吸门控技术、四维放疗技术和肿瘤实时跟踪技术等[6]。其中，患者对主动呼吸控制技术的耐受性较差；呼吸门控技术只能在呼吸的一定时相使用，因此会导致放疗时间增加；四维放疗技术和肿瘤实时跟踪技术是目前动态放疗的主要发展方向[7]，但四维放疗需要患者在治疗时保持与CT扫描时相同的呼吸时相[8]，肿瘤实时跟踪在治疗中的CT扫描可增加病人的辐射剂量。

目前呼吸检测系统中检测呼吸的常用手段包括体外和体内两种，体外检测手段包括肺活量计、红外线、腹带压力传感器、激光测微仪以及电磁传感器；体内检测手段通常为X线透视和植入金属标记物[9]。体外检测手段仅能检测呼吸时相信息，不能反映实时呼吸曲线；而体内检测手段具有增加病人辐射剂量和有创的缺点。综上所述，开发一种无附加辐射且能够实时显示呼吸曲线的检测系统对于胸腹部动态放疗的具有深远意义。

Kubo等[10]使用红外线对肿瘤进行跟踪，结果表明安静呼吸时得到的呼吸曲线波形与膈肌运动曲线一致。Ozhasoglu等[11]运用射波刀呼吸检测系统获得的数据证实了胰腺癌患者体表标记物与体内肿瘤标记物的运动具有良好的相关性。Gierga等[12]在肝癌患者体表和体内分别安装电磁传感器，通过评价两组传感器测得的位置坐标之间的相关性，得到稳定呼吸时的相关系数为94%，非稳定呼吸时的相关系数为78%。Ionascu等[13]对10例肺癌患者自由呼吸时体表标记物和体内标记的位置的相关性进行研究，结果表明两者在头脚方向上的相关性良好，在前后方向上的差异＜5 mm。这些实验表明，如果选取适当的位置，体表运动和体内肿瘤运动之间就具有很好的相关性，只要建立体表运动与体内肿瘤运动的相关性模型，通过检测体表标记点的呼吸曲线就可以准确推测体内肿瘤的运动范围，再通过放射治疗床的反向运动就可以达到体内肿瘤在治疗过程中的相对静止。

本研究所设计的基于磁定位技术的放疗呼吸曲线检测系统是在受试者胸腹部体表粘贴小磁体，通过磁阻传感器检测小磁体的磁场信号，对其进行处理和变换，得到其位移信息，再由上位机软件实时显示受试者的呼吸曲线。

1 系统结构

放疗呼吸曲线检测系统主要由磁检测电路、单片机（MCU）控制电路以及上位机软件组成。在受试者体表粘贴小磁体，检测时小磁体随呼吸运动做三维运动，检测小磁体的三维运动曲线即可代替该位置体表的呼吸运动曲线。磁检测电路用于检测小磁体的磁场信号，并通过模拟信号调理电路对其进行放大滤波；MCU控制电路用于对磁场信号进行A/D采样，产生方波信号用于磁阻传感器的置位复位；上位机软件选用的是LabVIEW，用于对A/D采样后的磁场信号进行采样、定位，并显示及保存小磁体的三维运动曲线。

2 系统硬件

系统硬件部分主要由传感器及其周围电路、模拟信号调理电路、MCU控制电路等组成。单片机采用的是TI公司的MSP430F149。系统硬件电路框图，见图1。

图1 放疗呼吸曲线检测系统硬件电路框图

2.1 传感器及其周围电路

2.1.1 HMC1043各向异性磁阻传感器

HMC1043是Honeywell公司推出的一款基于各向异性磁阻效应的弱磁检测传感器，具有体积小、功耗低、温度稳定性好、抗干扰能力强、工作频带宽、稳定性高等优点。HMC1043测量范围为±6 Gauss，分辨率为120 μGuass，灵敏度为（1.0±0.2）mV/V/Gauss，工作电压为1.8～10 V[14]。HMC1043内部由3个惠斯登电桥组成，3个电桥的敏感轴相互垂直，可以同时感应空间磁场3方向上的分量大小。

2.1.2 置位/复位电路

在外界强磁场的干扰下，可使用置位/复位电路来恢复传感器的灵敏度。当磁阻传感器暴露于干扰磁场中时，内部磁畴将变得杂乱无章，致使传感器灵敏度降低。通过对置位/复位电流带施加脉冲电流，将在内部产生一强磁场，此磁场能将磁畴统一到一个方向上，以恢复传感器灵敏度。设计的置位/复位电路图，见图2。图中DA、DB信号由MCU控制，G1、G2为双刀双掷继电器。电路通电后，电容C2快速地充满电，两端电压为5 V。当MCU控制DA=0，DB=1时，三极管Q1导通，继电器G1工作，电容C2两端电压不会发生突变，电容C2放电，电流通过置位/复位电阻，完成置位操作；当MCU控制DA=1，DB=0时，三极管Q2导通，继电器G2工作，进行复位操作；当MCU控制DA=1，DB=1时，两个三极管均不导通。

图2 置位/复位电路图

2.2 模拟信号调理电路

模拟信号调理电路包括模拟开关切换电路、初级信号放大电路及次级放大低通滤波电路。信号经多路切换电路共用后续电路。模拟信号调理电路的性能直接关系着弱磁检测的最小分辨率、信噪比等重要参数。

2.2.1 模拟开关切换电路

模拟开关切换电路采用ADI公司的四选一模拟多路复用器ADG1604，其导通电阻小，输出范围可扩展至电源电压范围，可采用单电源或双电源方式供电。根据三位地址线A0、A1及EN将四路输入中的一路与公共输出端连接。ADG1604真值表，见表1。

表1 ADG1604真值表

2.2.2 初级信号放大电路

磁传感器输出的电压信号大小为±0.6 μV～±30 mV，需要对微弱的电压信号进行放大，信号经放大滤波后进行A/D采集。放大电路的性能直接影响整个系统的精度，电路中应选用高输入阻抗、低失调电压和高共模抑制比的放大器。

为了充分利用A/D量程，整个放大电路的总增益要求非常高，而单个运放芯片的增益不宜过大，所以电路采用两级放大，以逐步提高信噪比。经比较后，本研究触及信号放大电路选择AD8231芯片，它是一款低漂移、轨到轨数字可编程的仪表放大器，放大增益为1、2、4、8、16、32、128可调。

由于AD8231为单电源+5.0 V工作，所以当差分输入信号为负时，输出为零，信号丢失，不利于系统定位。为避免出现此问题，将其REF引脚接参考电压3.0 V，则初级放大后输出信号会抬高至3.0 V左右。参考电压由低功耗基准电压源REF2930提供，该芯片精度高，输出电压波动在±1 mV；工作温度范围广，为-40～+125 ℃;；电路简单，如图3所示，不需要负载电容即可稳定工作。

图3 参考电压电路图

2.2.3 次级放大滤波电路

图4 次级放大滤波电路图

3 系统软件

单片机通过A/D采样获取的6个数据分别是两个传感器的每个轴上的读数X、Y、Z，数据传输格式为X1、X2，Y1、Y2，Z1、Z2。将A/D转换后的数据经RS-232串口发送给上位机，在上位机中利用LabVIEW软件，采用事件结构的设计方法，明确系统的要求及性能参数，对其进行处理后在前面板实时显示其轨迹。为了方便对定位结果进行查看及分析，本研究还增加了数据的存储功能。系统软件主要由主程序界面、实时显示模块和轨迹重现模块构成。其中实时显示模块包括串口通信、数据预处理、数据处理、数据保存及显示子模块；轨迹重现模块包括数据读取、数据处理及显示子模块。LabVIEW程序框图，见图5。

图5 LabVIEW程序框图

4 呼吸曲线获取实验

受试者为女性，25岁，呼吸功能正常，身体健康。嘱其仰卧于测试床上，双手自然放置于身体两侧，在其左侧第二肋间隙处粘贴小磁体，并将磁阻传感器固定于身体同侧。嘱受试者正常呼吸，初始时磁阻传感器与小磁体保持在同一平面上，通过磁阻传感器检测粘贴于其胸腹部体表的小磁体的磁场信号，对其进行处理和变换，得到其位移信息，同时用LabVIEW软件显示并储存所测得的X、Y、Z轴方向上的呼吸曲线。呼吸曲线实验示意图，见图6。

图6 呼吸曲线实验示意图

所获得的两个周期的呼吸曲线图，见图7。该受试者的呼吸周期约为3 s/次，正常人体每分钟呼吸16～20次，与实际相符。由于测量中标记物置于第二肋间隙处，检测到胸廓前后壁运动幅度较头脚方向明显，而胸廓左右方向运动幅度最弱。

图7 所获得的呼吸曲线图

从实验结果可以看出，利用永磁定位方法得到的人体呼吸曲线类似于正弦曲线，与美国密歇根大学的Lujan等人提出的呼吸运动符合高阶余弦函数的理论相符[15]。本研究选用PSO算法结合L-M算法的综合算法进行磁源定位，PSO算法运行时间较长，平均为2.3203 s，L-M算法的平均运行时间为0.1485 s，但只在最初定位时调用一次PSO算法，因此系统具有较好的实时性。

5 结论

本研究采用磁定位技术跟踪人体表面粘贴的小磁体在呼吸过程中的位置变化，再通过上位机软件进行数据处理，最终获得了人体呼吸曲线。实验表明，基于磁定位技术的放疗呼吸曲线检测系统能够实时、准确地实现呼吸曲线的测量与显示，且具有价格低、人体耐受性好、无附加射线辐射等优点，具有一定的临床应用价值。但该系统目前仅利用一个永磁体来获取呼吸曲线，后续可考虑采用多个永磁体同时进行检测，以获得更为平稳的呼吸曲线；同时体表小磁体的运动与胸腹部肿瘤组织在呼吸时的实际位移的相关性也值得进一步的研究与探讨；另外，将该系统应用于实际治疗还需考虑小磁体的大小对放射剂量的影响。

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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

吴小玲，教授。

作者邮箱：wx@njmu．edu．cn