CN102698376A - 一种被动呼吸门控系统及其调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种被动呼吸门控系统，包括监测装置、呼吸控制设备以及控制设备，所述控制设备与呼吸控制设备连接，根据监测装置反馈的信息，手动触发控制设备来实现被动呼吸控制设备的功能。本发明实时监测在放射治疗时患者呼吸状态的变化，通过干预其呼吸运动从而减少亚临床病灶到计划靶区的外放边界，确保靶区位置在较小范围内变化，同时提高放射治疗效率，有效减少治疗时间。本发明还公开了被动呼吸门控系统的调控方法。

Description

一种被动呼吸门控系统及其调控方法

技术领域

本发明属于放射治疗领域，尤其涉及一种被动呼吸门控系统及其调控方法。

背景技术

在放射医学研究中，如何提高靶区的照射剂量和降低正常组织的毒性反应是关注的重点。近年来迅速发展的三维适形技术，束流调强技术及容积弧形调强技术使得高度适形的剂量分布成为可能，并更好地保护正常组织。放射治疗研究中，呼吸运动对靶区的外放边界存在很大的影响。然而，即使有这些先进的技术，为克服放射时呼吸运动对靶区覆盖的影响，计划靶区的外放边界较大（对呼吸幅度大的患者，外放边界可达2cm以上），使得正常组织受到放射线的影响，容易引起正常组织的病变。

目前为了减少呼吸运动带来的误差主要采用以下方法，一是扩大病人肿瘤组织的勾画体积，但此方法会导致肿瘤靶区周围的正常组织受照射剂量增大；二是采用呼吸控制系统，即治疗时对患者呼吸运动进行干预。通过呼吸运动的干预来减少器官移动。针对第二种方法，国内外研究的主要方向包括呼吸控制，腹部加压，主动浅呼吸，主动深呼吸，主动呼吸控制等，其中应用较为广泛的为呼吸门控技术和主动呼吸控制技术。这两种技术目前市场上已有部分产品，但实际临床应用中有较大的局限性。呼吸门控技术只在某一段呼吸相位或是幅度上进行治疗，导致延长治疗时间2－4倍；主动呼吸技术缺乏相关部位的体表或体内标记物来实时显示患者在各次呼吸控制下的气体量变化。

现有技术的上述缺点满足不了临床应用需求，故需研发新的呼吸控制装置兼顾高效治疗。

发明内容

本发明克服了现有技术对于呼吸监控的局限性以及治疗效率低时间过长等缺陷，提出了一种被动呼吸门控系统及其调控方法。本发明实时监测患者在治疗时呼吸情况的变化，通过干预患者的呼吸减少亚临床病灶到计划靶区的外放边界，确保每次治疗时靶区位置在较小的范围内变化；同时提高了放射治疗的效率，从而有效地减少了治疗时间。

本发明提出了一种被动呼吸门控系统，包括：

监测装置；其包括实时位置管理系统，用于监测靶区位移的信息；

呼吸控制设备；其包括被动呼吸控制装置，通过控制呼吸来减少所述靶区的位移幅度；

控制设备；其与监测装置、呼吸控制设备连接，根据监测装置获得的信息调节控制呼吸控制设备。

本发明中，所述呼吸控制设备进一步包括：

咬嘴，其设置在所述被动呼吸控制装置的一端；

辅助支撑装置，与所述被动呼吸控制装置连接，用于支撑并调节所述被动呼吸控制装置的方向和高低。

本发明中，所述呼吸控制设备进一步包括鼻夹。

本发明中，被动呼吸控制装置包括：

中空套管，其上设置有小孔；

密封环，其设置在所述中空套管中，其上开设有透气孔；

电磁铁，其设置在所述中空套管内壁上，其内设一沿轴向的通孔；

铁杆，其设置在到所述通孔中，其一端设置有密封头；

弹簧，其设置在所述铁杆的另一端；所述弹簧的另一端固定连接在所述电磁铁）或所述中空套管内壁上；

连接线，其一端连接所述电磁铁，另一端与控制装置连接。

本发明中，所述控制装置进一步包括安全中断装置，其用于中断所述控制装置对所述被动呼吸控制装置的控制。

本发明还提出了一种被动呼吸门控系统的调控方法，包括步骤：利用所述监测装置监测获得靶区呼吸运动的波形变化信息，即呼吸运动信息，并确定需要进行呼吸控制的波形幅度值；根据需要进行呼吸控制的波形幅度值，手动触发控制设备；由所述控制设备控制所述被动呼吸控制装置的开启或关闭。

本发明中，“呼吸运动的波形变化信息”是指通过红外线探测器探测放置于患者腹部体表的标记点而在计算机终端显示的标记点变化波形。标记点的变化是患者呼吸运动的体表体现，因此改波形被认为是呼吸运动的波形变化信息。

本发明中，呼吸的控制是在呼吸波形的某一个幅度值上进行，如在呼吸末进行或是吸气末进行，此外也可在呼吸波形上的任意幅度进行。“需要进行呼吸控制的波形幅度值”指的就是进行呼吸控制的幅度。如呼吸波的幅度是1cm，即波峰位置为5mm，波谷位置为－5mm，若需要在50％的幅度位置进行触发，则“需要进行呼吸控制的波形幅度值”为0mm处。

本发明中，所述控制设备向所述电磁铁通电，所述铁杆受磁力驱动向所述密封环方向移动，使所述密封头封堵所述透气孔。

本发明中，所述控制设备中止向所述电磁铁通电，所述铁杆受所述弹簧的牵拉，使所述密封头与所述透气孔分开。

附图说明

图1为本发明被动呼吸门控系统的示意图。

图2为本发明被动呼吸门控系统的调控方法示意图。

图3为本发明中被动呼吸控制装置的示意图。

图4为本发明中咬嘴的示意图。

图5为本发明中呼吸控制设备的示意图。

图6为本发明中鼻夹的示意图。

图7为本发明实施例中自由呼吸状态和被动呼吸呼吸状态的呼吸波及对横膈膜运动比示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明被动呼吸门控系统包括监测装置1、呼吸控制设备2、控制设备3。呼吸控制设备2与控制设备3连接。控制设备3根据监测装置1的信息确定呼吸控制设备2的开启与关闭。呼吸控制设备2包括被动呼吸控制装置21。

监测装置1，采用实时位置管理系统（Real-time position management,RPM），RPM可通过商业市场购得。监测装置1可实时监测待测对象的呼吸运动波形。例如，监测装置1可实时监测并收集靶区信号指示器发出的信号。以胃癌患者为例，以一个小信号盒上的两个信号点作为信号指示器，将小信号盒放置在患者腹部。伴随患者呼吸运动而发生的腹部运动会带动小信息盒上的信号点上下移动，然后通过安装在信号点对面的红外摄像机来追踪信号点的移动情况并在RPM自带的应用软件上进行显示和查看。监测装置1用于监测患者呼吸时信号点随呼吸运动的变化情况，如图7所示，可查看患者在呼吸过程（如治疗过程中的不同阶段）信号点随呼吸运动所发生的波形变化。

如图5所示，呼吸控制设备2，包括被动呼吸控制装置21、咬嘴22、鼻夹23、辅助支撑装置24，用于控制患者的呼吸。咬嘴22如图4所示，设置在被动呼吸控制装置21的一端。鼻夹23如图6所示。咬嘴22和鼻夹23确保患者只能依赖口腔进行呼吸，不能用鼻进行呼吸。

被动呼吸控制装置21，如图3所示，可直接用于干预患者的呼吸。中空套管211，由聚丙烯酸材料制成，其一端与咬嘴22连接。中空套管211上设置有小孔218，小孔218用于观测密封头216的移动状况、以及与透气孔213之间的密封状况。小孔218可以排出患者呼出的气体，减少带有水分的气体对被动呼吸控制装置21中内设的电磁铁结构的影响。中空套管211中设有一橡胶材料制成的密封环212，密封环212上开设有透气孔213。中空套管211的内壁上设有电磁铁219。电磁铁219沿轴向设置一通孔214,通孔214的中心有一铁棒/铁杆215穿过，铁杆215正位于中空套管211的中心轴线上，可在该中心轴线上运动。铁杆215的一端设置有密封头216，密封头216是一橡胶小球，与密封环212构成一密闭阀结构。铁杆215另一端与弹簧217连接。弹簧217的另一端与电磁铁219固定连接。弹簧217也可以连接在中空套管211的内壁上。电磁铁219通过连接线2110与控制设备3连接。当被动呼吸控制装置21不工作时，铁杆215受弹簧217的牵拉，使密封头216与密封环212分开，处于常开的安全状态。

辅助支撑装置24，如图5所示，由有机玻璃结构件组成，也可以是其他适宜材质制成。两根垂直的有机玻璃长条固定在底座的两侧并且可以前后移动，水平放置的有机玻璃长条可以沿垂直有机玻璃长条上下移动。被动呼吸控制装置21放置在有机玻璃长条上。辅助支撑装置24用于固定患者头部，支撑被动呼吸控制装置21，并调节呼吸控制装置21的转动方向。被动呼吸控制装置21可以自由旋转，可调整咬嘴22的方向，以适应于不同待测对象，保证咬嘴22在使用时的密封性。

根据监测装置1显示的波形数据信息，确定需要进行呼吸控制的幅度值，当呼吸波达这一幅度值时，手动触发控制设备3用于控制被动呼吸控制装置2的开启或关闭。控制设备3包括将220VAC转变为24VDC的部件，可以为电磁铁219供电。还包括工作开关、复位开关。工作开关用于开启或关闭被动呼吸控制装置21。控制设备3还设置有紧急按钮，当患者在任何不适时可通过控制紧急按钮使电磁铁219停止工作，打开由密封头216与密封环212构成的密封阀，恢复自由呼吸。当紧急情况消除后，可以通过控制复位开关，重新使电磁铁219通电继续工作。控制设备3进一步包括安全中断装置31，可以通过调节安全中断装置31随时让密封头216与密封环212分开。

如图2所示，本发明被动呼吸门控系统的调控方法，首先，确定需要进行呼吸控制的幅度值；利用所述监测装置监测患者体表呼吸随呼吸波变化的信息；手动调控所述被动呼吸调节装置的开启或关闭。

通过控制设备3的通电及触发，可以快速实现对患者抑制呼吸及自由呼吸的切换。当选择开关为“开启状态”，控制设备3向所述电磁铁219通电，铁杆215受磁力驱动向密封环212方向移动，使所述密封头216封堵透气孔213。此时，患者不能自由呼吸，进入呼吸控制状态。当选择开关为“关闭状态”，控制设备3中止向电磁铁219通电，铁杆215受弹簧的牵拉，使密封头216与透气孔213分开，密封头216回到初始位置。此时，患者处于自由呼吸状态。

当患者在抑制呼吸期间感觉不适时，患者通过操作安全中断装置31发送中断信号至系统控制部件3控制设备3，中断控制设备3对于被动呼吸调节装置21的控制，电磁铁219在断电之后回到原来位置，使密封头216与透气孔213分开。被动呼吸调节装置21终止干预患者的呼吸，恢复患者的自由呼吸状态。

具体步骤：

步骤一：利用辅助支撑装置24固定患者的头部位置，调节被动呼吸调节装置21的方向使其正对患者的嘴部，患者咬住咬嘴22并在鼻子上戴上鼻夹23，确保患者只能通过被动呼吸调节装置21进行呼吸。

步骤二：确定呼吸控制触发时的波形幅度值。例如，在吸气末或是呼气末进行触发，并确保患者在屏气状态可以在15秒以上。

确定呼吸控制触发的波形幅度值，即确定呼吸控制触发幅度，是指确定在波形上的哪个值上进行屏气。如图7所示，绿色的波形表示就是呼吸波，在实际治疗中，可以在呼吸波的任何幅度上进行呼吸控制。所以进行治疗前需确定在哪个幅度值上进行触发。图7所示的为在呼气末进行触发。

步骤三：对患者进行呼吸干预，向电磁铁219通电，铁杆215受磁力驱动向密封环212方向移动，密封头216封堵透气孔213抑制患者的呼吸。

步骤四：控制设备3根据控制呼吸时间中止向电磁铁219通电，铁杆215在弹簧217的作用下向弹簧217移动，密封头216离开透气孔213恢复患者的自由呼吸状态。

当通过监测装置1发现呼吸状态的理想幅度时，一般是呼吸末，由医生或是物理师操作控制设备3，通过对电磁铁219通电，从而使密封头216迅速与密封环212接触，使得透气孔213关闭，患者被动屏气，然后进行放射治疗。在患者被动屏气的情况下，通过CT扫描确定在待放射治疗的靶区的位置信息。验证靶区位置信息并启动放射治疗。

治疗过程中，操作者控制患者被动屏气15到20秒，然后操作控制设备3，通过对电磁铁219断电恢复让其自主呼吸几秒，然后又在同一呼吸运动幅度上控制病人屏气15到20秒，重复以上步骤直至任务完成。无论治疗或是成像时，当患者被动屏气时有任何不适的，可以通过调节安全中断装置31随时让密封头216离开密封环212，恢复自由呼吸并终止治疗。

如图7所示，其上部分为一例患者在自由呼吸状态和被动呼吸呼吸状态的呼吸波对比示意图， 被动呼吸控制1和被动呼吸控制2显示的是相隔10秒的两次呼吸控制曲线。患者在被动屏气时，腹部的运动曲线接近直线。通过该运动曲线可以判断咬嘴22是否有较好气密性，以及被动呼吸调节装置21在通电状态下是否密封。如图7所示，下部分为自由呼吸状态和被动呼吸呼吸状态下横膈膜运动的示意图，患者在自由呼吸状态时横膈膜的相对移动距离在13mm。在本发明被动呼吸门控系统的控制下，患者在被抑制呼吸状态下，横膈膜的移动范围≤3mm。本发明能够使患者在放射治疗时减小内脏运动的范围，提高放射治疗的效率，并且减少正常部位受到放射治疗的面积，减少了放射治疗的副作用。

以上仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种变动与润饰，本发明保护范围应以权利要求书所界定的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种被动呼吸门控系统，其特征在于，包括：

监测装置（1）；其包括实时位置管理系统，用于监测呼吸运动的波形变化信息；

呼吸控制设备（2）；其包括被动呼吸控制装置（21），通过控制呼吸来减少所述靶区的位移幅度；

控制设备（3）；其与所述监测装置（1）、所述呼吸控制设备（2）连接，根据所述监测装置（1）获得的信息手动调控所述呼吸控制设备（2）。

2.如权利要求1所述的被动呼吸门控系统，其特征在于，所述呼吸控制设备（2）进一步包括：

咬嘴（22），其设置在所述被动呼吸控制装置（21）的一端；

辅助支撑装置（24），与所述被动呼吸控制装置（21）连接，用于支撑并调节所述被动控制装置（21）的方向。

3.如权利要求2所述的被动呼吸门控系统，其特征在于，所述呼吸控制设备（2）进一步包括鼻夹（23）。

4.如权利要求1所述的被动呼吸门控系统，其特征在于，所述被动呼吸控制装置（21）包括：

中空套管（211），其上设置有小孔（218）；

密封环（212），其设置在所述中空套管（211）中，其上开设有透气孔（213）；

电磁铁（219），其设置在所述中空套管（211）内壁上，其内设一沿轴向的通孔（214）；

铁杆（215），其设置在到所述通孔（214）中，其一端设置有密封头（216）；

弹簧（217），其设置在所述铁杆（215）的另一端；所述弹簧（217）的另一端固定连接在所述电磁铁（219）或所述中空套管（211）内壁上；

连接线（2110），其一端连接所述电磁铁（219），另一端与控制设备（3）连接。

5.如权利要求1所述的被动呼吸门控系统，其特征在于，所述控制设备（3）进一步包括安全中断装置（31），其用于中断所述控制设备（3）对所述被动呼吸控制装置（21）的控制。

6.一种如权利要求1-5所述被动呼吸门控系统的调控方法，其特征在于，包括步骤：利用所述监测装置（1）监测获得呼吸运动的波形变化信息，并确定需要进行呼吸控制的波形幅度值；根据需要进行呼吸控制的波形幅度值，手动触发控制设备（3）；由所述控制设备（3）调控所述被动呼吸控制装置（21）的开启或关闭。

7.如权利要求6所述的被动呼吸门控系统的调控方法，其特征在于，所述控制设备（3）向所述电磁铁（219）通电，所述铁杆（215）受磁力驱动向所述密封环（212）方向移动，使所述密封头（216）封堵所述透气孔（213）。

8.如权利要求6所述的被动呼吸门控系统的调控方法，其特征在于，所述控制设备（3）中止向所述电磁铁（219）通电，所述铁杆（215）受所述弹簧（217）的牵拉，使所述密封头（216）与所述透气孔（213）分开。

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