CN115006801B - 一种放疗患者呼吸运动管理自主训练系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及呼吸训练设备技术领域，公开了一种放疗患者呼吸运动管理自主训练系统及其控制方法，可自动分析练习者的呼吸规律，针对不同练习者的自身呼吸特性给出适合练习者的个性化训练标准曲线，也避免人为吸气量设定的局限性；练习者在家可自主通过该训练系统中的主动引导模式或跟随模式进行呼吸训练，可完成自由呼吸和屏气的自由切换训练，尤其是在胸腹部肿瘤精准放射治疗前进行呼吸及屏气训练，提高放疗过程中患者的依从性；采用将呼吸训练数据功能性集成于手机客户端或者VR眼镜中进行显示，练习者观察手机内或者VR眼镜内呼吸曲线走势以及与训练标准曲线之间重合效果，完成练习者呼吸训练及呼吸效果的评价，指导练习者自主进行呼吸运动管理。

Description

一种放疗患者呼吸运动管理自主训练系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及呼吸训练设备技术领域，具体涉及一种放疗患者呼吸运动管理自主训练系统及其控制方法。

背景技术

由于呼吸本身的特点（非自主，在无意识状态下，呼吸没有固定节律；但呼吸的频率和强度可以控制），无论是自由呼吸还是屏气管理都离不开患者的规范呼吸训练，因此呼吸运动管理已成为胸腹部肿瘤精准放射治疗不可回避的问题。

目前，各个单位的患者呼吸训练给予患者的时间很有限，且缺乏规范性和指导，致使患者模拟定位和治疗实施之间呼吸的状态差异性较大，治疗的效果和时间管理差强人意。

而且，现有的呼吸训练装置不仅结构和操作流程复杂（如：ABC），还存在如下方面的问题：

1）患者自主性的呼吸训练装置市面上还很匮乏，患者无法提前训练，加之治疗实施和模拟定位环节时间长，给患者和工作人员带去更多负担；

2）呼吸训练装置在图像采集和治疗过程中，患者的呼吸可能在幅度、周期和规律三个方面发生变化，呼吸基线也会发生系统变化，不同患者的呼吸运动也有明显区别，呼吸管理方法因人而异，没有针对不同患者的个性化的训练装置和方法；

3）自由呼吸更注重呼吸的规律性以及呼吸深浅，在胸腹部肿瘤精准放射治疗过程中，呼吸间隙的屏气能力也是重要的影像因素，主要考虑每次吸气量的一致并能稳定和重复，同时需要关注肺内空气排空。

发明内容

基于以上问题，本发明提供一种放疗患者呼吸运动管理自主训练系统及其控制方法，针对不同练习者的自身呼吸特性给出适合练习者的个性化训练标准曲线，也避免人为吸气量设定的局限性；练习者在家可自主进行呼吸训练，可完成自由呼吸和屏气的自由切换训练，尤其是在胸腹部肿瘤精准放射治疗前进行呼吸及屏气训练，提高放疗过程中患者的依从性。

为实现上述技术效果，本发明所采用的技术方案是：

一种放疗患者呼吸运动管理自主训练系统包括：

呼吸流量采集模块：包括呼吸罩和导管，以及设置于呼吸罩或导管内的呼吸计量传感器，用于采集呼吸时的吸气流量和呼气流量，并将采集的数据传递至数据分析模块；

处理器：与呼吸流量采集模块通讯连接，处理器包括数据分析模块和数据对比模块；用于接收、处理各模块或装置传递的信号，并根据相关信号产生相应的控制信号发送给对应的模块或装置；

数据分析模块：用于根据接收到的吸气流量和呼气流量数据，转化成呼吸时吸气流量、呼气流量随时间变化曲线，即呼吸曲线；并根据呼吸曲线生成适应练习者舒适区间的训练标准曲线，以及呼吸曲线与训练标准曲线之间的允许偏差阈值曲线；

数据对比模块：用于读取练习者的训练标准曲线以及呼吸训练过程中的呼吸曲线，计算练习者呼吸曲线与训练标准曲线之间的差值；

辅助气流生成装置：其与处理器通讯连接，并与导管连通，用于根据生成的训练标准曲线和允许偏差阈值曲线产生相应的气流；在吸气时通过导管和呼吸面罩向练习者输送气流，呼气时通过导管和呼吸面罩抽出气流；

视觉模块：与处理器通讯连接，用于读取数据分析模块中的数据，显示为训练标准曲线，以及训练时练习者的呼吸曲线走势；

还包括可使导管与外界大气连通的通断阀。

进一步地，还包括与处理器通讯连接的报警模块，用于在练习者的呼吸时差值超过对应允许偏差阈值曲线时，向练习者发出报警提示。

进一步地，辅助气流生成装置包括可压缩气囊，可压缩气囊通过可控伸缩机构的抽拉或者按压实现输送或者抽出气流；可控伸缩机构的控制端与处理器通讯连接，处理器根据训练标准曲线和允许偏差阈值曲线生成用于控制可控伸缩机构抽拉或者按压可压缩气囊的控制信号。

进一步地，包括用于安装可压缩气囊的底座，底座为中空结构，底座与可压缩气囊接触处开设有连通可压缩气囊内腔和底座中空结构内腔的连通孔；可控伸缩机构包括固定于底座的伺服电机，伺服电机的输出端同轴安装有齿轮，可压缩气囊内壁固定有可与齿轮啮合的齿条，齿条用于抽拉可伸缩气囊，底座上设置有可供齿条沿轴向移动的限位导槽。

进一步地，还包括预先设置于处理器内的宣教模块，用于通过视觉模块输出视频或文字，指导患者呼吸训练的注意事项和系统的使用方法。

为实现上述技术效果，本发明还提供了一种放疗患者呼吸运动管理自主训练系统的控制方法，包括如下步骤：

采集练习者一次或多次完整呼吸动作中的气流量，生成练习者吸气流量、呼气流量随时间变化曲线，即呼吸曲线；

分析练习者的呼吸曲线，生成适应练习者舒适区间的训练标准曲线，以及呼吸曲线与训练标准曲线之间的允许偏差阈值曲线；

选择训练模式，并基于选择的训练模式进行训练控制，训练模式包括：

主动引导模式：使辅助气流生成装置与导管连通，练习者吸气时辅助气流生成装置通过导管和呼吸面罩向练习者输送气流，呼气时通过导管和呼吸面罩抽出气流，且通过数据分析模块产生的呼吸曲线与训练标准曲线之间的差值在允许偏差阈值曲线内；

跟随模式：关闭辅助气流生成装置，控制通断阀使导管与外界大气导通；采集练习者自主呼吸时的吸气流量和呼气流量，生成吸气流量、呼气流量随时间变化的呼吸曲线；

在选定模式进行呼吸训练时，通过视觉模块对生成训练标准曲线，以及训练时练习者的呼吸曲线走势进行以视图信息形式进行显示。

进一步地，生成的训练标准曲线包括吸气段、屏气段和呼气段。

进一步地，生成训练标准曲线前，吸气流量采集的是练习者吸气时能够达到的最大吸气量，生成的训练标准曲线的吸气段的吸气量值是最大吸气量的60-80%。

进一步地，在采用主动引导模式或跟随模式进行呼吸训练时，练习者呼吸曲线与训练标准曲线之间的差值超过对应允许偏差阈值曲线时，向练习者发出报警提示。

进一步地，训练时训练标准曲线，以及训练时练习者的呼吸曲线走势在VR眼镜中形成视图进行显示。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明通过可自动分析练习者的呼吸规律，针对不同练习者的自身呼吸特性给出适合练习者的个性化训练标准曲线，也避免人为吸气量设定的局限性；练习者在家可自主通过该训练系统中的主动引导模式或跟随模式进行呼吸训练，可完成自由呼吸和屏气的自由切换训练，尤其是在胸腹部肿瘤精准放射治疗前进行呼吸及屏气训练，提高放疗过程中患者的依从性。

2.采用将呼吸训练数据功能性集成于手机客户端或者VR眼镜中进行显示，练习者观察手机内或者VR眼镜内呼吸曲线走势以及与训练标准曲线之间重合效果，完成练习者呼吸训练及呼吸效果的评价，指导练习者自主进行呼吸运动管理。

附图说明

图1为实施例中放疗患者呼吸运动管理自主训练系统的结构框图；

图2为实施例中训练时一个呼吸流程的呼吸曲线、训练标准曲线以及允许偏差阈值曲线图；

图3为实施例中呼吸流量采集模块与辅助气流生成装置的连接示意图；

图4为实施例中可控伸缩机构与底座的位置关系示意图；

其中，1、呼吸流量采集模块；2、呼吸罩；3、导管；4、呼吸计量传感器；5、数据分析模块；6、辅助气流生成装置；7、数据对比模块；8、视觉模块；9、处理器；10、通断阀；11、报警模块；12、可伸缩气囊；13、底座；14、连通孔；15、伺服电机；16、齿轮；17、齿条；18、限位导槽；19、宣教模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

参见图1-4，一种放疗患者呼吸运动管理自主训练系统，包括：

呼吸流量采集模块1：包括呼吸罩2和导管3，以及设置于呼吸罩2或导管3内的呼吸计量传感器4，用于采集呼吸时的吸气流量和呼气流量，并将采集的数据传递至数据分析模块5；

处理器9：与呼吸流量采集模块1通讯连接，处理器9包括数据分析模块5和数据对比模块7；用于接收、处理各模块或装置传递的信号，并根据相关信号产生相应的控制信号发送给对应的模块或装置；

数据分析模块5：用于根据接收到的吸气流量和呼气流量数据，转化成呼吸时吸气流量、呼气流量随时间变化曲线，即呼吸曲线；并根据呼吸曲线生成适应练习者舒适区间的训练标准曲线，以及呼吸曲线与训练标准曲线之间的允许偏差阈值曲线；

本实施例中的数据分析模块5可以实现以下功能：训练标准曲线可以依据多次采集的完整呼吸曲线进行自动生成和更新，比如每五次采集就会结合这五次的呼吸曲线对比后，自动更新生成一个更适应患者的呼吸规律的训练标准曲线，用于指导患者的训练及后续治疗。由此获得的训练标准曲线能够根据练习者的训练能力的提升实现再调整和更新。

数据对比模块7：用于读取练习者的训练标准曲线以及呼吸训练过程中的呼吸曲线，计算练习者呼吸曲线与训练标准曲线之间的差值；

辅助气流生成装置6：其与处理器9通讯连接，并与导管3连通，用于根据生成的训练标准曲线和允许偏差阈值曲线产生相应的气流；在吸气时通过导管3和呼吸面罩向练习者输送气流，呼气时通过导管3和呼吸面罩抽出气流；

本实施例的辅助气流生成装置6是直接产生与训练标准曲线相一致的，且相对于练习者是反向的气流，练习者吸气时装置相患者输送气流，患者呼气时抽出气流；如果练习者的气流与装置产生的气流节奏不一致，则会感到辅助气流生成装置6的气流带来的阻力，便于练习者调节呼吸，使节奏与辅助气流生成装置6产生的气流节奏一致。

视觉模块8：与处理器9通讯连接，用于读取数据分析模块5中的数据，显示为训练标准曲线，以及训练时练习者的呼吸曲线走势；

还包括可使导管3与外界大气连通的通断阀10。

本实施例中的放疗患者呼吸运动管理自主训练系统的控制方法包括如下步骤：

采集练习者一次或多次完整呼吸动作中的气流量，生成练习者吸气流量、呼气流量随时间变化曲线，即呼吸曲线；

分析练习者的呼吸曲线，生成适应练习者舒适区间的训练标准曲线，以及呼吸曲线与训练标准曲线之间的允许偏差阈值曲线；

本实施例生成训练标准曲线前，吸气流量采集的是练习者吸气时能够达到的最大吸气量，能够获得练习者的相关肺活量数据，有利于生成适应练习者的个性化训练标准曲线；而且，生成的训练标准曲线的吸气段的吸气量值是最大吸气量的60-80%，即练习者进行呼吸训练时的吸气量时最大吸气量的60-80%，能够规避了吸气量过大造成练习者脑部不适的问题，也能规避训练时吸气量过少而达不到训练效果的问题。

如图2所示，为显示的一个呼吸动作的呼吸曲线、训练标准曲线以及允许偏差阈值曲线；本实施例中生成的训练标准曲线包括吸气段、屏气段和呼气段，对应的中允许偏差阈值曲线为三条与横轴平行的直线（仅代表本实施例，不同的练习者对应的允许偏差阈值曲线形式可以不相同），表示吸气、屏气、吸气段内要求的允许偏差阈值不一样，其中屏气阶段要求较高；不仅可以进行吸气、呼气训练，还可以对练习者的屏气能力（时长）进行训练。适用于胸腹部肿瘤精准放射治疗前进行呼吸及屏气训练。

选择训练模式，并基于选择的训练模式进行训练控制，训练模式包括：

主动引导模式：使辅助气流生成装置6与导管3连通，练习者吸气时辅助气流生成装置6通过导管3和呼吸面罩向练习者输送气流，呼气时通过导管3和呼吸面罩抽出气流，且通过数据分析模块5产生的呼吸曲线与训练标准曲线之间的差值在允许偏差阈值曲线内；

在主动引导模式下，辅助气流生成装置6可以单独鼓入或者吸出气流，对练习者的呼吸训练过程进行主动引导，能够让练习者感受到呼吸时与训练标准曲线相适应的气流量大小，也能够让练习者感受与标准曲线相符合的胸肺状态扩张收缩状态，便于下次训练时控制呼吸，能够很好的配合辅助气流生成装置6鼓入或者抽吸的节奏，有利于练习者找到呼吸训练要达到的状态和感觉，提升训练效率。

跟随模式：关闭辅助气流生成装置6，控制通断阀10使导管3与外界大气导通；采集练习者自主呼吸时的吸气流量和呼气流量，生成吸气流量、呼气流量随时间变化的呼吸曲线；

在选定模式进行呼吸训练时，通过视觉模块8对生成训练标准曲线，以及训练时练习者的呼吸曲线走势进行以视图信息形式进行显示。无论是采用主动引导模式还是跟随模式进行呼吸训练，练习者都可以直观观察训练时呼吸曲线变化、呼吸量是否与训练标准曲线一致。

对于训练过程中的曲线数据，视觉模块8可以是手机客户端，也可以是VR眼镜，采用将呼吸训练数据功能性集成于手机客户端或者VR眼镜中进行显示，练习者观察手机内或者VR眼镜内呼吸曲线走势以及与训练标准曲线之间重合效果，完成练习者呼吸训练及呼吸效果的评价，指导练习者自主进行呼吸运动管理。本实施例采用将呼吸训练数据功能性集成于VR眼镜，练习者戴上VR眼镜观察呼吸曲线走势以及与训练标准曲线之间重合效果，完成练习者呼吸训练及呼吸效果的评价，指导练习者自主进行呼吸运动管理。练习者观察到呼吸曲线值与训练标准曲线值之间的差值超过允许偏差阈值曲线对应的值时，可以及时调整呼吸再训练。

根据本实施例中的放疗患者呼吸运动管理自主训练系统及其控制方法，可自动分析练习者的呼吸规律，针对不同练习者的自身呼吸特性给出适合练习者的个性化训练标准曲线，也避免人为吸气量设定的局限性；练习者在家可自主通过该训练系统中的主动引导模式或跟随模式进行呼吸训练，可完成自由呼吸和屏气的自由切换训练，尤其是在胸腹部肿瘤精准放射治疗前进行呼吸及屏气训练，提高放疗过程中患者的依从性。

本实施例的系统和方法应用于胸腹部肿瘤精准放射治疗时，生成的训练标准曲线应与放疗时要求的幅度、周期和规律相适应。

辅助气流生成装置6包括可压缩气囊，可压缩气囊通过可控伸缩机构的抽拉或者按压实现输送或者抽出气流；可控伸缩机构的控制端与处理器9通讯连接，处理器9根据训练标准曲线和允许偏差阈值曲线生成用于控制可控伸缩机构抽拉或者按压可压缩气囊的控制信号，控制可控伸缩机构通过抽拉或者按压可压缩气囊主动抽气或送气，使练习者训练时的呼吸曲线与训练标准曲线保持一致。

本实施例中的包括用于安装可压缩气囊的底座13，底座13为中空结构，底座13与可压缩气囊接触处开设有连通可压缩气囊内腔和底座13中空结构内腔的连通孔14；可控伸缩机构包括固定于底座13的伺服电机15，伺服电机15的输出端同轴安装有齿轮16，可压缩气囊内壁固定有可与齿轮16啮合的齿条17，齿条17用于抽拉可伸缩气囊12，底座13上设置有可供齿条17沿轴向移动的限位导槽18。本实施例中，在主动引导模式下，数据分析模块5中的训练标准曲线转化控制伺服电机15的转速信号，通过伺服电机15转动，齿轮16驱动齿条17来回伸缩，从而带动可压缩气囊的体积变大或者变小；齿条17伸缩的速率和频率都是可控的。在齿条17的拉伸作用下，可伸缩气囊12体积变小对应的是通过导管3向练习者输气，体积变大对应的是通过导管3从练习者口鼻抽气，屏气过程则停顿。实现对练习者的辅助引导练习。

通断阀10可以安装在导管3的支管上，打开通断阀10导管3可通过支管与外界连通。本实施例中的通断阀10设置于底座13上，并与底座13的内腔连通；关闭通断阀10，即可进行主动引导模式训练；打开通断阀10，导管3与外界导通，练习者可以进行自主呼吸，通过自主控制气流量使呼吸曲线走势与训练标准曲线相适应。此时可伸缩气囊12的伸缩不会对自主呼吸气流量产生太大的影响，但是关闭可控伸缩机构可以保证不会产生影响。本实施例中的通断阀10可以手动控制，当通断阀10为电磁阀或其它电控阀门时，也可以与处理器9通讯连接，当练习者选定训练模式后，处理器9向通断阀10发出相应的控制信号进行自动控制。

本实施例中的报警模块11主要是在跟随模式下对练习者的呼吸曲线进行监控，在练习者呼吸曲线与训练标准曲线之间的差值超过对应允许偏差阈值曲线时，提示练习者其呼吸曲线与训练标准曲线之间差值偏差较大。需要说明的是，该放疗患者呼吸运动管理自主训练系统同样适用于胸腹部肿瘤精准放射治疗过程中的呼吸监控，而且报警模块11在主动引导模式和治疗过程中与训练标准曲线不一致时也能得到监控和提示。本实施例中的报警模块11的提示信息可以是在视觉模块8中用图像或文字提示；优选的也可以是语音提示，通过视觉和听觉反馈可提高呼吸曲线与标准曲线一致性，确保训练或治疗效率。

本实施例中还包括预先设置于处理器内的宣教模块19，用于通过视觉模块输出视频或文字，指导患者呼吸训练的注意事项和系统的使用方法。可以在进行呼吸训练前或训练的间隙，练习者通过视觉模块内的视频或文字，熟悉训练方法和实用方法，便于更好地进行呼吸训练。

如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种放疗患者呼吸运动管理自主训练系统，其特征在于，包括：

呼吸流量采集模块：包括呼吸罩和导管，以及设置于呼吸罩或导管内的呼吸计量传感器，用于采集呼吸时的吸气流量和呼气流量，并将采集的数据传递至数据分析模块；

处理器：与呼吸流量采集模块通讯连接，处理器包括数据分析模块和数据对比模块；用于接收、处理各模块或装置传递的信号，并根据相关信号产生相应的控制信号发送给对应的模块或装置；

数据分析模块：用于根据接收到的吸气流量和呼气流量数据，转化成呼吸时吸气流量、呼气流量随时间变化曲线，即呼吸曲线；并根据呼吸曲线生成适应练习者舒适区间的训练标准曲线，以及呼吸曲线与训练标准曲线之间的允许偏差阈值曲线；

数据对比模块：用于读取练习者的训练标准曲线以及呼吸训练过程中的呼吸曲线，计算练习者呼吸曲线与训练标准曲线之间的差值；

辅助气流生成装置：其与处理器通讯连接，并与导管连通，用于根据生成的训练标准曲线和允许偏差阈值曲线产生相应的气流；在吸气时通过导管和呼吸面罩向练习者输送气流，呼气时通过导管和呼吸面罩抽出气流；

视觉模块：与处理器通讯连接，用于读取数据分析模块中的数据，显示为训练标准曲线，以及训练时练习者的呼吸曲线走势；

还包括可使导管与外界大气连通的通断阀。

2.根据权利要求1所述的放疗患者呼吸运动管理自主训练系统，其特征在于，还包括与处理器通讯连接的报警模块，用于在练习者的呼吸时差值超过对应允许偏差阈值曲线时，向练习者发出报警提示。

3.根据权利要求1所述的放疗患者呼吸运动管理自主训练系统，其特征在于：辅助气流生成装置包括可压缩气囊，所述可压缩气囊通过可控伸缩机构的抽拉或者按压实现输送或者抽出气流；所述可控伸缩机构的控制端与处理器通讯连接，处理器根据训练标准曲线和允许偏差阈值曲线生成用于控制可控伸缩机构抽拉或者按压可压缩气囊的控制信号。

4.根据权利要求3所述的放疗患者呼吸运动管理自主训练系统，其特征在于：包括用于安装可压缩气囊的底座，所述底座为中空结构，所述底座与可压缩气囊接触处开设有连通可压缩气囊内腔和底座中空结构内腔的连通孔；所述可控伸缩机构包括固定于底座的伺服电机，所述伺服电机的输出端同轴安装有齿轮，所述可压缩气囊内壁固定有可与齿轮啮合的齿条，所述齿条用于抽拉可伸缩气囊，所述底座上设置有可供齿条沿轴向移动的限位导槽。

5.根据权利要求1所述的放疗患者呼吸运动管理自主训练系统，其特征在于：还包括预先设置于处理器内的宣教模块，用于通过视觉模块输出视频或文字，指导患者呼吸训练的注意事项和系统的使用方法。

6.一种放疗患者呼吸运动管理自主训练系统的控制方法，该方法基于权利要求1中的放疗患者呼吸运动管理自主训练系统，其特征在于，包括如下步骤：

采集练习者一次或多次完整呼吸动作中的气流量，生成练习者吸气流量、呼气流量随时间变化曲线，即呼吸曲线；

分析练习者的呼吸曲线，生成适应练习者舒适区间的训练标准曲线，以及呼吸曲线与训练标准曲线之间的允许偏差阈值曲线；

选择训练模式，并基于选择的训练模式进行训练控制，训练模式包括：

主动引导模式：使辅助气流生成装置与导管连通，练习者吸气时辅助气流生成装置通过导管和呼吸面罩向练习者输送气流，呼气时通过导管和呼吸面罩抽出气流，且通过数据分析模块产生的呼吸曲线与训练标准曲线之间的差值在允许偏差阈值曲线内；

跟随模式：关闭辅助气流生成装置，控制通断阀使导管与外界大气导通；采集练习者自主呼吸时的吸气流量和呼气流量，生成吸气流量、呼气流量随时间变化的呼吸曲线；

在选定模式进行呼吸训练时，通过视觉模块对生成训练标准曲线，以及训练时练习者的呼吸曲线走势进行以视图信息形式进行显示。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：生成的训练标准曲线包括吸气段、屏气段和呼气段。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：生成训练标准曲线前，吸气流量采集的是练习者吸气时能够达到的最大吸气量，生成的训练标准曲线的吸气段的吸气量值是最大吸气量的60-80%。

9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：在采用主动引导模式或跟随模式进行呼吸训练时，练习者呼吸曲线与训练标准曲线之间的差值超过对应允许偏差阈值曲线时，向练习者发出报警提示。

10.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：训练时训练标准曲线，以及训练时练习者的呼吸曲线走势在VR眼镜中形成视图进行显示。