CN108969904B - 一种用于肿瘤放射治疗的心肺运动门控设备及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于肿瘤放射治疗的心肺运动门控设备及系统，涉及放射治疗技术领域，主要目的能够实现利用患者心肺运动情况控制肿瘤放射治疗。门控设备包括：压力传感器，用于对应患者背部，并采集患者呼吸和心跳引起的压力信号；信号处理采集模块与所述压力传感器电连接，用于从所述压力信号中分解出呼吸信号和心跳信号；门控信号计算模块与所述信号处理采集模块电连接，用于根据所述呼吸压力信号计算呼吸门控信号，并根据所述心跳信号计算心跳门控信号；门控信号输出模块与放疗设备电连接，用于将所述呼吸门控信号和所述心跳门控信号发送给所述放疗设备控制射线束的开关，所述射线束用于放射治疗患者的肿瘤。本发明适用于肿瘤的放射治疗。
Description
技术领域
本发明涉及放射治疗技术领域，尤其涉及一种用于肿瘤放射治疗的心肺运动门控设备及系统。
背景技术
肿瘤放射治疗(简称放疗)是一种治疗肿瘤的常用方式。放疗过程中患者的呼吸运动会引起胸腹部肿瘤(肺癌，肝癌，胰腺癌等)位置的大幅变化，如果不考虑呼吸运动的影响而实施治疗，不仅使肿瘤得不到足够的放疗剂量，无法有效杀死肿瘤，还会使肿瘤周围的正常组织受到过高的剂量而产生严重的副作用。
呼吸门控技术是解决上述问题的一种有效方式，这种方法根据患者呼吸的相位来预测肿瘤的瞬时位置，在肿瘤运动到确定位置后打开射线束，在其他位置关闭射线束以达到准确照射肿瘤的目的。目前，呼吸门控已经广泛应用在肿瘤的放射治疗中。
呼吸门控要求准确监测患者的呼吸相位，现有的呼吸门控监测系统主要分为两类，表面位移监测技术和腹部压力监测技术。
表面位移监测技术的代表有瓦里安公司的RPM呼吸门控系统。此技术将带有红外反光点的塑料小盒放置在腹部，通过红外摄像机实时捕捉反光点的位置，以反光点随腹部上下的运动来代表呼吸信号。这种系统的缺点如下：对于腹部堆积脂肪过多的患者，脂肪随呼吸运动有一定的抖动，使得呼吸信号采集不准确；对部分腹部凹陷的患者，摄像头无法拍摄到反光点的全程运动，无法开展门控治疗；另外，一般治疗情况下要求塑料小盒粘贴在患者腹部，会引起一定的不适和心理紧张。
视频拍摄技术使用摄像头直接对胸腹部进行拍摄，使用视频处理的方法提取呼吸信号。这种系统要求在治疗室和CT室多个角度安装摄像头，造价较为昂贵，且呼吸信号的一致性不佳，在临床应用中并不常见。
腹带压力传感器技术需要将带有压力传感器的腹带缠绕在患者腹部，腹部随呼吸运动而周期性的扩张和收缩，使得腹带压力周期性变化，这一周期性变化的信号可以作为呼吸信号。此技术的主要缺点是需要对患者腹部缠绕呼吸带，容易引起患者紧张与不适，而且腹带的缠绕松紧度对信号质量有一定影响。
目前主要的呼吸门控方法，都只是对呼吸进行监测，并没有对心脏进行监测。对心脏肌肉瘤的治疗，现在使用的心脏门控方法主要是用心电图来进行治疗，其需要在体表粘贴电极才能获取心电信号，易对患者造成不适，影响治疗体验。而且心电图是心脏的电活动，与心脏机械运动有一定的差异，监测的准确性尚无定论。
为此，本发明提出一种用于肿瘤放射治疗的心肺运动门控设备，用来补充现有技术的不足。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种用于肿瘤放射治疗的心肺运动门控设备及系统。
依据本发明的一方面，提供了一种用于肿瘤放射治疗的心肺运动门控设备，包括：
压力传感器，用于对应患者背部，并采集患者呼吸和心跳引起的压力信号；
信号处理采集模块与所述压力传感器电连接，用于从所述压力信号中分解出呼吸信号和心跳信号；
门控信号计算模块与所述信号处理采集模块电连接，用于根据所述呼吸压力信号计算呼吸门控信号，并根据所述心跳信号计算心跳门控信号；
门控信号输出模块与放疗设备电连接，用于将所述呼吸门控信号和所述心跳门控信号发送给所述放疗设备控制射线束的开关，所述射线束用于放射治疗患者的肿瘤。
依据本发明的另一方面，提供了一种用于肿瘤放射治疗的心肺运动门控系统，包括：用于肿瘤放射治疗的心肺运动门控设备和与所述门控设备电连接的放疗设备，
所述门控设备，用于采集患者呼吸和心跳引起的压力信号；从所述压力信号中分解出呼吸信号和心跳信号；根据所述呼吸压力信号计算呼吸门控信号，根据所述心跳信号计算心跳门控信号；并将所述呼吸门控信号和所述心跳门控信号发送给所述放疗设备；
所述放疗设备，用于根据接收的呼吸门控信号和心跳门控信号，生成控制射线束的开关信号，所述开关信号用于控制射线束的开关。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：能够通过压力传感器采集患者呼吸和心跳引起的压力信号，根据所述呼吸压力信号计算呼吸门控信号，并能够使得放疗设备根据所述呼吸门控信号和所述心跳门控信号控制射线束的开关，并对患者的肿瘤进行放射治疗，从而能够实现将呼吸门控和心脏门控集成一体，使用一种信号采集方式同时完成呼吸门控和心脏门控。
附图说明
图1为本发明提出的一种用于肿瘤放射治疗的心肺运动门控设备的结构示意图；
图2为本发明提出的一种用于肿瘤放射治疗的心肺运动门控设备中压力传感器的结构示意图；
图3为本发明提出的另一种用于肿瘤放射治疗的心肺运动门控设备的结构示意图；
图4为本发明提出的一种用于肿瘤放射治疗的心肺运动门控系统的结构框图；
图5为本发明提出的一种用于肿瘤放射治疗的心肺运动门控设备系统的原理示意图；
图6为本发明提出的另一种用于肿瘤放射治疗的心肺运动门控系统的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，本发明实施例提供了一种用于肿瘤放射治疗的心肺运动门控设备，包括压力传感器10、信号处理采集模块20、门控信号计算模块30和门控信号输出模块40；压力传感器10，可以用于对应患者背部，并采集患者呼吸和心跳引起的压力信号。信号处理采集模块20与所述压力传感器10电连接，可以用于从所述压力信号中分解出呼吸信号和心跳信号；门控信号计算模块3与所述信号处理采集模块20电连接，可以用于根据所述呼吸压力信号计算呼吸门控信号，并根据所述心跳信号计算心跳门控信号；门控信号输出模块40与放疗设备电连接，可以用于将所述呼吸门控信号和所述心跳门控信号发送给所述放疗设备控制射线束的开关，所述射线束用于放射治疗患者的肿瘤。
需要说明的是，所述压力传感器10可以置于患者背部对应的治疗床上，当患者躺在治疗床的压力传感器上时，患者背部的压力会着患者的呼吸产生相应的周期性变化，同时心脏收缩与射血也会造成压力的周期性变化，这两种周期性的变化可以代表患者的心肺运动情况，可选择性的开展呼吸门控或者心脏门控。
此外，所述压力传感器10可以为压电薄膜传感器或者压力传感器组，所述压电薄膜传感器或者所述压力传感器组用于粘贴在放疗使用的真空垫或者定位板表面上。所述压力传感器的厚度可以小于1mm,直接制造具有压电感应功能的放疗专用真空垫,从而能够实现方便迅速部署，在患者无感的情况下进行门控，提高治疗的舒适性。如图2所示，提供了压电薄膜传感器的示意图。所述压电薄膜传感器具体可以为聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜或者(易发聚氨脂)_EMFI压电薄膜。
优先地，所述门控信号计算模块30，具体可以用于将所述呼吸信号中处于呼吸末期且对应波形位于波谷位置处的呼吸信号，确定为高电平的呼吸门控信号；将其他呼吸信号，确定为低电平的呼吸门控信号；将所述心跳信号中心跳时间间隔小于预设心跳间隔的心跳信号，确定为高电平的心跳门控信号；将其他心跳信号，确定为低电平的心跳门控信号。对于心跳信号来说，所述预设心跳间隔可以为10个相位的心跳间隔，可以将心脏收缩期的心跳信号，确定为高电平的心跳门控信号，将心脏舒张期的心跳信号，确定为高电平的心跳门控信号。
优先地，所述信号处理采集模块20，具体可以用于利用预设滤波算法从所述压力信号中分解出呼吸信号和心跳信号，或者利用两个不同的带通滤波器从所述压力信号中分解出呼吸信号和心跳信号。所述预设滤波算法可以为维纳滤波或卡尔曼滤波等，在实际应用中，分解出呼吸信号的带通滤波器可以为0.2-1Hz的带通滤波器；分解出心跳信号的带通滤波器可以为2-20Hz的带通滤波器；即分别用于0.2-1Hz的带通滤波器和2-20Hz的带通滤波器提取出呼吸信号和心跳信号。
进一步地，如图3所示，所述信号处理采集模块20包括：差分电荷灵敏放大器201，用于将所述压力信号转换为模拟电压信号进行初级放大,并抑制传输线上产生的噪声。高通滤波器202与所述差分电荷灵敏放大器201电连接，用于对初级放大后的模拟电压信号进行呼吸信号和心跳信号的主要频率范围外的噪声过滤处理。所述主要频率范围可以为02-20Hz。所述信号频率可以为低通滤波器203与所述高通滤波器202电连接，用于对噪声过滤后的模拟电压信号进行基线漂移过滤处理。工频干扰陷波器204与所述低通滤波器203电连接，用于对基线漂移过滤后的模拟电压信号进行电源工频噪声抑制处理。主放大器205与所述低通滤波器203电连接，用于对电源工频噪声抑制后的模拟电压信号进行再次放大。模拟数字转换器206与所述主放大器205电连接，用于将再次放大的模拟电压信号转换为数字电压信号。即可以将模拟呼吸电压信号和模拟心跳电压信号转换为呼吸数字电压信号和数字心跳电压信号。
优选地，所述门控信号计算模块30包括：第一控制器301，用于接收所述模拟数字转换器发送的数字电压信号。所述第一控制器301可以为ARM系列主控制器。所述数字电压信号可以包括数字呼吸电压信号和数字心跳电压信号。传输模块302与所述第一控制器303电连接，可以用于将所述数字电压信号输出信号处理计算模块303；所述传输模块302可以为USB数据传输模块，可以将所述数字电压信号按照一定的传输协议传输到所述信号处理计算模块303。
所述信号处理计算模块303与传输模块电连接302，可以用于根据所述数字电压信号中数字呼吸电压信号计算呼吸门控信号，并根据数字心跳电压信号计算心跳门控信号。所述信号处理计算模块303可以安装有信号处理软件的电脑，在计算呼吸门控信号和心跳门控信号的同时，还可以显示并保存接收的呼吸信号和呼吸信号。
优先地，所述门控信号输出模块40包括：第二控制器401，可以用于接收所述呼吸门控信号和所述心跳门控信号。所述第二控制器可以为ARM为控制器，将所述呼吸门控信号和所述心跳门控信号输入到逻辑电平电路402。逻辑电平电路402与所述放疗设备电连接，用于将所述呼吸门控信号和所述心跳门控信号进行转换和隔离处理，并发送给所述放疗设备控制射线束的开关。具体地，逻辑电平电路可以将高电平的呼吸门控信号、高电平的心跳门控信号转换为1的电压信号，将低电平的呼吸门控信号、低电平的心跳门控信号转换为0的电压信号，其中，1代表高电平、0代表低电平。所述放疗设备在接收到11的电压信号后，可以控制射线束的开关信号为打开信号，所述放疗设备在接收到10、01、00的电压信号后，可以控制射线束的开关信号为关闭信号。
优选地，所述门控设备还包括：放疗设备射线束开关信号模块50。所述放疗设备射线束开关信号模块50与所述放疗设备电连接，用于采集并隔离所述放疗设备生成的射线束的开关信号。通过对所述开关信号进行隔离处理，能够避免放疗设备和门控设备之间互相干扰。
具体地，所述放疗设备射线束开关信号模块可以由光耦隔离器501、缓冲器502、逻辑电平采集器503组成。所述光耦隔离器501与所述缓冲器502电连接、所述缓冲器502与所述逻辑电平503电连接，通过所述光耦隔离器501将射线束的开关信号隔离开，避免放疗设备和门控设备之间的干扰。由于放疗设备和门控设备对电平的定义不同，例如，放疗设备可能认为5V为高电平，门控设备可能认为3V为高电平，通过所述缓冲器502能够的电平缓冲，实现放疗设备和门控设备之间电压电平互相兼容，从而提升控制放疗设备射线束开关效果。所述逻辑电平采集器503可以将高低电平的呼吸门控信号和心跳门控信号转换为0/1形式的数据。此时，所述第一控制器301还可以与所述逻辑电平采集器503电连接，并接收转换的0/1形式的数据，并与接收的数字电压信号一起打包发送到信号处理计算模块303进行处理。
所述门控信号计算模块30，还用于根据所述放疗设备射线束开关信号模块40发送的开关信号，检测所述放疗设备是否按照所述呼吸门控信号和所述心跳门控信号控制射线束开关。例如，若门控信号计算模块30发送的呼吸门控信号为高电平，心跳门控信号为高电平，接收到开关信号为打开信号，则说明所述放疗设备按照所述呼吸门控信号和所述心跳门控信号控制射线束开关；若门控信号计算模块3发送的呼吸门控信号和心跳门控信号中存在一个低电平信号，接收到开关信号为打开信号，则说明所述放疗设备没有按照所述呼吸门控信号和所述心跳门控信号控制射线束开关。在本发明中当输出的呼吸门控信号为高电平，心跳门控信号为高电平时，说明预测到肿瘤的位置，通过控制射线装置打开射线，能够照射肿瘤，而在其他位置输出低电平，能够避免照射正常组织。
优选地，所述放疗设备射线束开关信号模块50具体可以为电子计算机断层扫描(Computed Tomography，CT)射线开关信号模块，在进行4D-CT扫描时，CT设备射线束开关信号可以通过CT射线束开关信号模块传输到门控信号计算模块30，用于4D-CT影像重建。具体地，可以将呼吸信号输入到CT影像重建软件中进行重建，在进行CT影像重建扫描时，可以将一个完整的呼吸周期划分为10个相位，一个完成的心跳周期划分为10个相位，这样可以从CT影像上清楚看到每个呼吸相位，每个心跳相位时肿瘤的位置。
优选的，本发明实施例中呼吸数据保存格式可以与RPM呼吸门控系统兼容，从而能够实现迅速将所述呼吸数据部署在已有的RPM呼吸门控系统中。
如图4所示，本发明实施例提供了一种用于肿瘤放射治疗的心肺运动门控系统，包括：用于肿瘤放射治疗的心肺运动门控设备1和与所述门控设备1电连接的放疗设备2。
所述门控设备1，可以用于采集患者呼吸和心跳引起的压力信号；从所述压力信号中分解出呼吸信号和心跳信号；根据所述呼吸压力信号计算呼吸门控信号，根据所述心跳信号计算心跳门控信号；并将所述呼吸门控信号和所述心跳门控信号发送给所述放疗设备2；
所述放疗设备2，可以用于根据接收的呼吸门控信号和心跳门控信号，生成控制射线束的开关信号，所述开关信号用于控制射线束的开关。
具体地，所述放疗设备2，具体可以用于若接收的呼吸门控信号和心跳门控信号均为高电平，则生成控制射线束的打开信号；若接收的呼吸门控信号和心跳门控信号中存在一个低电平，则生成控制射线束的关闭信号。
此外，所述放疗设备也可以称为放射治疗设备，如图4和图5，本发明实施例提供了肿瘤放射治疗的心肺运动门控系统的完整原理组成框图和结构框图。
在患者背部躺在所述门控设备1的压力传感器10上时，压力传感器10可以采集患者呼吸和心跳引起的压力信号；信号采集处理模块20可以从所述压力信号中分解出呼吸信号和心跳信号；门控信号计算模块30可以根据所述呼吸压力信号计算呼吸门控信号，根据所述心跳信号计算心跳门控信号；门控信号输出模块40将从门控信号计算模块30接收的所述呼吸门控信号和所述心跳门控信号发送给所述放疗设备2。所述放疗设备2在接收到所述呼吸门控信号和所述心跳门控信号后，生成控制射线装置开关射线束的开关信号，使得射线束照射肿瘤位置。所述放疗设备射线束开关信号模块50能够采集所述放疗设备2生成的开关信号并发送给门控信号计算模块30，使得门控信号计算模块30能够验证所述放疗设备2是否按照其计算的呼吸门控信号和心跳门控信号控制射线束开关。
通过本发明的技术方案，能够通过压力传感器采集患者呼吸和心跳引起的压力信号，根据所述呼吸压力信号计算呼吸门控信号，并能够使得放疗设备根据所述呼吸门控信号和所述心跳门控信号控制射线束的开关，并对患者的肿瘤进行放射治疗，从而能够实现将呼吸门控和心脏门控集成一体，使用一种信号采集方式同时完成呼吸门控和心脏门控。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于肿瘤放射治疗的心肺运动门控设备，其特征在于，包括：
压力传感器，用于对应患者背部，并采集患者呼吸和心跳引起的压力信号；所述压力传感器为压电薄膜传感器；
信号处理采集模块与所述压力传感器电连接，用于从所述压力信号中分解出呼吸信号和心跳信号；
门控信号计算模块与所述信号处理采集模块电连接，用于根据所述呼吸压力信号计算呼吸门控信号，并根据所述心跳信号计算心跳门控信号；所述门控信号计算模块，用于将所述呼吸信号中处于呼吸末期且对应波形位于波谷位置处的呼吸信号，确定为高电平的呼吸门控信号；将其他呼吸信号，确定为低电平的呼吸门控信号；将所述心跳信号中心跳时间间隔小于预设心跳间隔的心跳信号，确定为高电平的心跳门控信号；将其他心跳信号，确定为低电平的心跳门控信号；所述门控信号计算模块用于根据放疗设备射线束开关信号模块发送的开关信号，检测所述放疗设备是否按照所述呼吸门控信号和所述心跳门控信号控制射线束开关；
另外，所述放疗设备的射线束开关信号模块为电子计算机断层扫描射线束开关信号模块，在进行4D-CT扫描时，CT设备射线束开关信号通过电子计算机断层扫描射线束开关信号模块传输到门控信号计算模块，进行4D-CT影像重建，具体地，将呼吸信号输入到CT影像重建软件中进行重建，在进行CT影像重建扫描时，将一个完整的呼吸周期划分为10个相位，一个完成的心跳周期划分为10个相位，通过CT影像清楚看到每个呼吸相位，每个心跳相位时肿瘤的位置；
另外，呼吸数据能够部署在现有RPM呼吸门控系统中；其中，所述呼吸数据保存格式与RPM呼吸门控系统兼容。
2.根据权利要求1所述的一种用于肿瘤放射治疗的心肺运动门控设备，其特征在于，
所述信号处理采集模块，具体用于利用预设滤波算法从所述压力信号中分解出呼吸信号和心跳信号，或者利用两个不同的带通滤波器从所述压力信号中分解出呼吸信号和心跳信号。
3.根据权利要求1所述的一种用于肿瘤放射治疗的心肺运动门控设备，其特征在于，所述信号处理采集模块包括：
差分电荷灵敏放大器，用于将所述压力信号转换为模拟电压信号进行初级放大,并抑制传输线上产生的噪声；
高通滤波器与所述差分电荷灵敏放大器电连接，用于对初级放大后的模拟电压信号进行呼吸信号和心跳信号的主要频率范围外的噪声过滤处理；
低通滤波器与所述高通滤波器电连接，用于对噪声过滤后的模拟电压信号进行基线漂移过滤处理；
工频干扰陷波器与所述低通滤波器电连接，用于对基线漂移过滤后的模拟电压信号进行电源工频噪声抑制处理；
主放大器与所述低通滤波器电连接，用于对电源工频噪声抑制后的模拟电压信号进行再次放大；
模拟数字转换器与所述主放大器电连接，用于将再次放大的模拟电压信号转换为数字电压信号。
4.根据权利要求3所述的一种用于肿瘤放射治疗的心肺运动门控设备，其特征在于，所述门控信号计算模块包括：
第一控制器，用于接收所述模拟数字转换器发送的数字电压信号；
传输模块与所述第一控制器电连接，用于将所述数字电压信号输出信号处理计算模块；
所述信号处理计算模块与传输模块电连接，用于根据所述数字电压信号中数字呼吸电压信号计算呼吸门控信号，并根据数字心跳电压信号计算心跳门控信号。
5.根据权利要求4所述的一种用于肿瘤放射治疗的心肺运动门控设备，其特征在于，所述门控信号输出模块包括：
第二控制器，用于接收所述呼吸门控信号和所述心跳门控信号；
逻辑电平电路与所述放疗设备电连接，用于将所述呼吸门控信号和所述心跳门控信号进行转换和隔离处理，并发送给所述放疗设备控制射线束的开关。
6.根据权利要求1所述的一种用于肿瘤放射治疗的心肺运动门控设备，其特征在于，
所述放疗设备射线束开关信号模块与所述放疗设备电连接，用于采集并隔离所述放疗设备生成的射线束的开关信号。
7.根据权利要求1所述的一种用于肿瘤放射治疗的心肺运动门控设备，其特征在于，所述压电薄膜传感器用于粘贴在放疗使用的真空垫或者定位板表面上。
8.一种用于肿瘤放射治疗的心肺运动门控系统，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的一种用于肿瘤放射治疗的心肺运动门控设备和放疗设备，
所述放疗设备，用于根据接收的呼吸门控信号和心跳门控信号，生成控制射线束的开关信号，所述开关信号用于控制射线束的开关。
9.根据权利要求8所述的一种用于肿瘤放射治疗的心肺运动门控系统，其特征在于，
所述放疗设备，具体用于若接收的呼吸门控信号和心跳门控信号均为高电平，则生成控制射线束的打开信号；若接收的呼吸门控信号和心跳门控信号中存在一个低电平，则生成控制射线束的关闭信号。
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