CN101036596A - 一种体模运动平台及进行运动模拟的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种体模运动平台及进行运动模拟的方法，体模运动平台具有运动装置、步进电机驱动器和控制装置，所述运动装置为一精密数控工作台配合有两台步进电机，步进电机分别与其步进电机驱动器连接，步进电机驱动器和精密数控工作台与控制装置连接。进行运动模拟的方法为，预先设置运动轨迹、振幅和转速等参数，控制装置计算所需的频率，发送到驱动器，控制步进电机带动精密数控工作台运动。本发明具有结构简单，运动精度高，可以不同频率、不同幅度做直线、菱形和椭圆运动，能够比较系统地模拟人体器官的运动，为临床诊断和治疗的质量保证和质量控制提供了有效手段。

Description

一种体模运动平台及进行运动模拟的方法

技术领域

本发明涉及医疗设备领域，尤其是模拟在呼吸运动等作用下人体肺部等器官边界变化的运动设备。

背景技术

近年来我国肺癌发病率和死亡率均呈上升趋势，在很多地区已居癌症死亡的首位。肺癌中约75％为非小细胞肺癌(non-small cell lungcancer，NSCLC)。放射治疗是NSCLC的主要治疗手段之一，但传统放射治疗的疗效很差，5年生存率仅5％～10％，中位生存期仅10～15个月。以三维适形放疗(3-dimensional conformal radiationtherapy，3DCRT)和调强放疗(intensity modulated radiationtherapy，IMRT)等精确放疗技术的快速发展，在一定程度上提高了肺癌的放疗疗效。精确放疗计划的制定最重要和最基础的步骤是照射靶区的确定。国际放射单位与测量委员会50号和62报告中规定了大体肿瘤区(gross tumor volume，GTV)、临床靶区(clinical targetvolume，CTV)和计划靶区(planning target volume，PTV)等概念，作为三维适形放疗及调强放疗计划中勾画靶区的指导原则。

目前靶区的勾画是以CT等解剖图像为基础，而近年来以正电子发射断层扫描(positron emission tomography，PET)为代表的功能性影像学技术的发展可为CT提供重要的补充，不但在确定上述经典肿瘤靶区的过程中发挥重要作用，而且由于这些技术可以显示组织的功能代谢状态乃至分子水平的变化，使体外检测肿瘤的放射敏感性成为可能，从而直接导致了新的理论和概念的产生，即生物靶区(Biological Target Volume，BTV)及生物适形调强放射治疗(Biological Intensity Modulated Radiotherapy，BIMRT)。PET-CT是将PET与CT安装在同一机架上，一次显像可同时获得PET功能影像与CT解剖影像的融合图像，是当前肿瘤影像学研究的热点，被称为肿瘤影像学的第三次革命，PET-CT较CT、PET单独应用分期准确性更高。由于PET-CT具有功能影像与解剖影像同机融合的突出优势，有可能成为精确放疗模拟定位的新平台。但PET-CT在放射治疗中的应用研究目前才刚刚起步，现在还有很多挑战和问题，主要在以下几个方面：

(1)PET图像上靶区的勾画

应用PET图像勾画病灶靶区时，最常用的技术是阈值法，阈值的选取与病灶的大小、形状以及病灶与周围本底间对比强度等均有关，如何界定有效的阈值才能使PET所示病灶最接近真实体积一直是困扰人们的问题，也是利用PET图像勾画靶区的前提。对于受呼吸运动影响很大的PET-CT而言，需要针对呼吸运动状态的进行确定阈值的研究。

(2)呼吸运动对图像采集的影响

在常规的临床PET-CT检查过程中，CT采用螺旋扫描，可在很短的时间内(几秒至十几秒)完成胸部图像采集，每一层CT图像仅代表占呼吸周期中很小一部分的病灶形态信息，尤其在不进行呼吸控制的情况下，极易形成运动伪影，肿瘤形态和体积发生变形，这种不确定性势必造成制定放疗计划时，靶区增大，从而导致过多的正常肺组织接受不必要的高剂量照射，同时也容易引起肿瘤漏照，治疗失败；而PET每个有效视野的采集约需3-7分钟，覆盖多个呼吸周期，代表随呼吸运动病灶的平均信息。这种采集时间上的差别和呼吸运动的影响，会导致胸部影像两种图像信息位置的不匹配，当用这种不匹配的CT数据对PET图像进行衰减校正时，就会导致PET图像肿瘤定位的错误及标准摄取值(standard uptake value，SUV)定量计算的不准确。对PET图像本身而言，不论病灶是否移动，在一段时间内，探测器所探测到的总放射性计数是固定的，运动的病灶影像体积会有所增加，必然导致病灶内单位象素放射性浓度减低，从而使得PET图像病灶影像模糊，对比度下降，SUV值降低，图像质量降低以及过高的评价病灶体积。如果不加分析和处理的应用这两种图像进行融合勾画靶区则势必造成肿瘤靶区体积的增大，有可能使运动中的肿瘤难以接受足量的照射剂量，同时造成周围正常肺组织接受不必要的更高剂量的照射，可能影响最终的疗效。

(3)呼吸运动对IMRT剂量分布的影响

呼吸运动对IMRT剂量学的影响是两方面因素造成的，一是呼吸运动引起胸部器官和肿瘤的运动，从而导致计划和实际治疗时解剖位置关系不同，正常组织受到更多的照射和肿瘤部分区域低剂量；二是呼吸运动引起肺组织和密度的变化，导致设野半影改变以及与肺组织交界区肿瘤的低剂量。因此如果使用与治疗时不同的图像信息用于治疗计划以及剂量分布分析，会存在较大的误差，尤其是用于剂量递增的临床实验时，更应注意。

针对上述问题，进行了多方面的尝试，而四维(4 dimensioanl，4D)影像采集如4D CT和4D PET-CT等成为发展的方向。所谓4D CT是指利用特殊的扫描程序，首先通过特定的红外摄像设备跟踪、记录呼吸运动轨迹，采集软件将整个呼吸周期分为若干个阶段，然后将不同阶段采集的图像信息与运动信息相结合，从而提供病灶三维空间影像随时间变化的运动信息。4D PET-CT则是在4D CT的基础上，也将PET扫描图像也分为与CT图像相同的部分，将处于同一呼吸时相的PET影像和CT影像进行配准和衰减校正。目前实施4D PET-CT引导IMRT对最终剂量分布的影响仍是未知数，其与其他呼吸控制治疗方式如主动呼吸控制(如让患者在特定呼吸时相屏气然后进行CT图像采集及治疗)比较优势有多少，需要深入研究。在采用PET-CT实施生物适形调强放疗前，必须应用体外模拟系统全面研究呼吸运动对图像采集及治疗实施的影响，以尽量从生物物理学角度保证治疗的精确性，通过降低PTV边界缩小照射体积，为提高肿瘤照射剂量打下基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种精确模拟人体及器官在呼吸运动等影响下边界变化的体模运动平台，及进行运动模拟的方法。

实现第一发明目的的技术方案如下。

一种体模运动平台，具有运动装置、步进电机驱动器和控制装置，所述运动装置为一精密数控工作台，在精密数控工作台的X方向和Y方向分别连接有X向步进电机和Y向步进电机，X、Y向步进电机分别与X、Y向步进电机驱动器连接，X、Y向步进电机驱动器和精密数控工作台与控制装置连接。

所述控制装置包括处理器模块、存储模块、显示输出模块和键盘输入模块，其中存储模块、显示输出模块和键盘输入模块都与处理器模块连接。

X、Y向步进电机驱动器和控制装置与变压器连接，变压器通过整流、滤波器分别为步进电机驱动器和控制装置提供24V～70V和5V直流电压。

实现运动模拟方法的技术方案通过以下步骤实现：

a.系统接通电源，控制装置的显示输出模块显示上次使用该系统时所做运动的轨迹代码“0”、“1”或“2”，其中“0”代表整菱形运动，“1”代表半菱形运动，“2”代表直线运动；

b.通过键盘输入模块，选择运动轨迹；

c.处理器模块从存储器模块读取上次运动的“横向振幅”、“纵向振幅”和“转速”三组参数，通过键盘输入模块对三组参数进行调整；

d.通过键盘输入模块的“启动/停止”键进行启动，运动轨迹代码及上一步骤确定的三组参数写入存储器模块；

e.处理器模块根据运动轨迹代码及三组参数计算出控制电机运动所需的步进脉冲频率；

f.处理器模块向步进电机驱动器发送步进脉冲和方向脉冲，控制步进电机运动，从而带动精密数控工作台运动；

g.通过键盘输入模块的“启动/停止”键结束运动，一次二维模拟运动完成。

电机采用整步方式工作，即每向电机驱动器发送一个步进脉冲，电机轴转动1.8°。由于工作台丝杠导程为4mm，即电机轴转动一周(360°)带动工作台前进4mm，因此发送一个控制脉冲工作台前进距离为

在横向振幅为a(单位：mm)，纵向振幅为b(单位：mm)，转速为V(单位：转/分)的要求下，x轴电机正常工作所需步进脉冲的频率为

$f_x=\frac{a/0.02}{30/V}=\frac{a\×V}{0.6}\left(\mathrm{Hz}\right)\·\·\·\left(1.2\right)$

对于菱形运动和直线运动，y轴电机正常工作所需步进脉冲的频率为

$f_y=\frac{b/0.02}{30/V}=\frac{b\×V}{0.6}\left(\mathrm{Hz}\right)\·\·\·\left(\mathrm{1.3.1}\right)$

对于半菱形运动， $f_y=\frac{b/0.02}{15/V}=\frac{b\×V}{0.3}\left(\mathrm{Hz}\right)\·\·\·\left(\mathrm{1.3.2}\right)$

本发明一种体模运动平台具有如下特点：

1.结构简单，易于维护。

2.操作容易，由运动轨迹、幅度和速度三组参数便可完全控制系统的运动情况。操作人员可在系统运动前设定好三组参数，并能够在运动过程中随时更改，直至达到最佳运动效果。

3.运动精度高，幅度误差为±1毫米，速度误差为±1转/分钟。

4.控制系统和运动系统分离，可远程控制放射治疗室内系统的运动。

5.可以不同频率、不同幅度做直线、菱形和椭圆运动，能够比较系统地模拟人体器官的运动，为临床诊断和治疗的质量保证和质量控制提供了有效手段。

附图说明

图1为本发明一种体模运动平台的结构示意框图

图2为图1中控制装置的结构框图

图3为本发明的电路连接图

图4为本发明步进电机驱动器的接线图

图5为本发明显示输出模块电路图

图6为本发明键盘输入模块电路图

图7为本发明电源部分的电路图

图8为本发明一种体模运动平台进行运动模拟的流程图

图9为本发明用自适应方法计算实际工作频率的流程图

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1-7所示，本发明一种体模运动平台包括运动装置、步进电机驱动器和控制装置，所述运动装置为一精密数控工作台，采用高品质的GGB型直线滚动导轨副与FFB型滚珠丝杠副，且直线滚动导轨副与滚珠丝杠副均采用了预加载荷，消除了间隙，提高了接触刚度和定位精度，在数控系统控制下，通过步进电机驱动，X-Y双坐标数控工作台联动可实现平面内任意曲线运动轨迹，可实现无间隙运动，具有高精度、高效率、寿命长、磨损小、简洁实用等特点。在精密数控工作台的X方向和Y方向分别连接有X向步进电机和Y向步进电机，步进电机采用57BYG两相混合式步进电机，该电机体积小、高转矩和低震动的特点满足本发明对运动模拟的要求，X、Y向步进电机分别与X、Y向步进电机驱动器连接，驱动器采用SH-20803N驱动器，该电机驱动器可提供整步、半步、4细分、8细分、16细分、32细分、64细分8种细分运行模式。整步方式下，一个脉冲使电机转动1.8度，则半步时一个脉冲使电机转动0.9度，4细分时一个脉冲则使电机转动0.45度……依此类推。本发明要求电机带动工作台只需要做直线运动，且转速较高，故采用整步方式。X、Y向步进电机驱动器和精密数控工作台与控制装置连接。步进电机驱动器的接线和输入信号按以下方式，输入信号采用共阳极接线方式，将控制信号的正电源连接到公共端的端子上，信号输出线连接到相应的信号端子上，当信号输入端出现低电平时相对应的内部光耦开通，将信号输入驱动器中，脉冲信号输入：信号从高到低的下跳变被驱动器解释为一个脉冲，此时驱动器将按照相应的时序驱动电机运行一步。脉冲低电平的持续时间不应少于300ns。本驱动器的信号最高响应频率为2MHz。方向信号输入：该端的高电平和低电平被解释为电机运行的两个方向，信号的改变将使电机运行的方向发生变化。该端的悬空被等效认为输入高电平。应确保方向信号领先脉冲信号输入至少10μs建立，从而避免驱动器对脉冲的错误响应。脱机信号输入：输入低电平时电机相电流被切断，转子处于自由状态。本系统不用此功能，脱机信号端可悬空。细分选择信号：这三个端子实现通过上位控制机输出信号设定细分模式和细分模式的在线自动切换功能。本系统已通过驱动器外壳上的“细分选择拨码”将细分模式固定为“半步”，故可将细分选择信号端悬空。控制装置向步进电机驱动器发送步进脉冲，步进脉冲驱动器向步进电机输出步进电机的控制信号，步进电机带动精密数控工作台作二维运动，精密数控工作台向控制装置输送数控工作台限位开关的反馈信号。控制装置包括处理器模块、存储模块、显示输出模块和键盘输入模块，其中存储模块、显示输出模块和键盘输入模块都与处理器模块连接。处理器模块采用AT89C52单片机，是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k字节的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256字节的随机存取数据存储器(RAM)，AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。存储模块采用具有128字节存储空间的AT24C01芯片，AT24C01是采用I²C总线的串行E²PROM。I²C总线是Philips公司首先推出的一种两线制串行传输总线，由一根双向的数据线(SDA)和一根时钟线(SCL)组成，在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps。其最主要的优点是简单性和有效性，占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量。采用三个双位LED数码管完成显示功能，共有“轨计”、“横向振幅”、“纵向镇府”和“转速”四组参数需要显示输出，在启动机器前首先选择好轨迹，再对横向振幅、纵向振幅、转速进行调整，从节省资源的角度，“轨迹”可与“横向振幅”的显示可共用一个双位数码管。这样用三个双位LED数码管就完成了显示功能。用单片机采用静态显示和软件译码的方式驱动LED数码管，用两片串行移位译码器74LS164来驱动一个双位八段LED数码管。由于74LS164的灌电流比拉电流大，即灌电流驱动能力强，因此数码管采用共阳方式连接。74LS164可实现串行输入，并行输出，时钟引脚CLK每来一个上升沿，即把输入端(A、B取逻辑与)的一位数据在输出端移出，八次就可并行输出一个字节。当74LS164输出端QA～QH的某一引脚为低电平时，数码管对应的一段就被点亮。只要向数据输入端发送合适的码字，数码管即可显示相应的数字。因为双位数码管的高低位需同时显示，所以可将驱动高、低位的74LS164的时钟引脚并接。本系统共需“轨迹选择”、“轨迹确认”、“横向振幅+”、“横向振幅-”、“纵向振幅+”、“纵向振幅-”、“转速+”、“转速-”和“启动/停止”九个功能键。类似于显示输出模块中的复用，同样可以考虑按键的复用，即“轨迹选择”与“横向振幅+”，“横向振幅-”与“轨迹确认”分别共用一个按键。

令单片机的P2口接收按键信息，在没有键按下的时候，由于接到+5V电源的上拉电阻的作用，信号线P2.0～P2.6被置为高电平。当某一个键按下的时候，该键所在的信号线与地接通，被置为低电平。单片机通过读取P2口所接信号线的高低电平，判断哪个键被按下并转入相应的处理。

本发明有两套电源，控制装置用+5V标准电压，电机驱动器在24V～70VDC之间都可以正常工作。采用较高电压会使电机高速运行力矩保持不下降，低电压则有助于驱动器降低温升和增加低速时的运行平稳性。本发明采用60V直流电压。所加电源的输出能力应不少于电机的额定相电流，电源电压越低则对电源电流输出能力的要求越大。

采用通用的市电AC220V作电源，首先经过变压器降到AC5V和AC42V。AC5V经整流滤波后加到三端稳压管LM7805进行稳压，再进行滤波，产生标准电压+5V，提供给控制装置，其纹波系数相当小，稳定度高，不容易产生干扰。AC42V经整流滤波后产生60V直流电压，为步进电机驱动器提供电源。

本一种体模运动平台进行模拟运动的方法，为如下步骤：

a.系统接通电源，控制装置的显示输出模块显示上次使用该系统时所做运动的轨迹代码“0”、“1”或“2”，其中“0”代表整菱形运动，“1”代表半菱形运动，“2”代表直线运动；

b.通过键盘输入模块，选择运动轨迹；

c.处理器模块从存储器模块读取上次运动的“横向振幅”、“纵向振幅”和“转速”三组参数，通过键盘输入模块对三组参数进行调整；

d.通过键盘输入模块的“启动/停止”键进行启动，运动轨迹代码及上一步骤确定的三组参数写入存储器模块；

e.处理器模块根据运动轨迹代码及三组参数计算出控制电机运动所需的步进脉冲频率；

f.处理器模块向步进电机驱动器发送步进脉冲和方向脉冲，控制步进电机运动，从而带动精密数控工作台运动；

g.通过键盘输入模块的“启动/停止”键结束运动，一次二维模拟运动完成。

为了使工作台能够在负重(≤10Kg)情况下正常工作，要求电机以较低频率启动，然后均匀加速至所需工作频率；同理，改变运动方向时也需要先均匀减速至较低频率。

所以本系统运动过程为：

(1)以250Hz启动电机。

(2)每发送一个脉冲后频率增加50Hz，直至达到所需f_x、f_y。

(3)以f_x、f_y匀速运动一段时间。

(4)开始减速，每发送一个脉冲后频率减少50Hz，直至达到250Hz。

(5)改变运动方向，重复(1)。

然而按(1.2)和(1.3)计算出的f_x、f_y是不考虑加、减速阶段的工作频率，因此实际工作频率应高于(1.2)和(1.3)的结果。

本实施例采用一种“自适应”方法求解出考虑加速时间之后的实际工作频率，以x电机为例步骤如下：

(1)以工作频率f＝250Hz启动系统。

(2)计算加速阶段应发出的步进脉冲数为 $n_{x\_\mathrm{acc}}=\frac{f_x-250}{50},$ $f_x=\frac{a\×V}{0.6}$ 为应达到的实际工作频率；设已发出的脉冲数为i＝1。

(3)判断i＜n_{x_acc}是否成立，若是则进行下一步；若否则进行步骤(5)。

(4)将当前工作频率f增加50Hz；加速时间t_{x_acc}增加

已发出的步进脉冲数i增加1；进行步骤(3)。

(5)加速阶段已完成，将当前的f_x保存到一个新变量f′_x中，并重新计算应达到的实际工作频率为 $f_x=\frac{a/0.02-2\×n_{x\_\mathrm{acc}}}{30/V-2{\×t}_{x\_\mathrm{acc}}},$

(6)判断f_x-f_x′≥50是否成立，若是则进行步骤(2)；若否则进行下一步骤。

(7)确定此时的f_x为最终要达到的实际工作频率。

Claims (4)

1.一种体模运动平台，具有运动装置、步进电机驱动器和控制装置，其特征为所述运动装置为一精密数控工作台，在精密数控工作台的X方向和Y方向分别连接有X向步进电机和Y向步进电机，X、Y向步进电机分别与X、Y向步进电机驱动器连接，X、Y向步进电机驱动器和精密数控工作台与控制装置连接。

2.根据权利要求1所述的一种体模运动平台，其特征为所述控制装置包括处理器模块、存储模块、显示输出模块和键盘输入模块，其中存储模块、显示输出模块和键盘输入模块都与处理器模块连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种体模运动平台，其特征为X、Y向步进电机驱动器和控制装置与变压器连接，变压器通过整流、滤波器分别为步进电机驱动器和控制装置提供24V～70V和5V直流电压。

4.一种一种体模运动平台进行模拟运动的方法，该方法包含下列步骤：

a.系统接通电源，控制装置的显示输出模块显示上次使用该系统时所做运动的轨迹代码“0”、“1”或“2”，其中“0”代表整菱形运动，“1”代表半菱形运动，“2”代表直线运动；

b.通过键盘输入模块，选择运动轨迹；

c.处理器模块从存储器模块读取上次运动的“横向振幅”、“纵向振幅”和“转速”三组参数，通过键盘输入模块对三组参数进行调整；

d.通过键盘输入模块的“启动/停止”键进行启动，运动轨迹代码及上一步骤确定的三组参数写入存储器模块；

e.处理器模块根据运动轨迹代码及三组参数计算出控制电机运动所需的步进脉冲频率；

f.处理器模块向步进电机驱动器发送步进脉冲和方向脉冲，控制步进电机运动，从而带动精密数控工作台运动；

g.通过键盘输入模块的“启动/停止”键结束运动，一次二维模拟运动完成。

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