离子束呼吸门控治疗中的呼吸引导装置及方法
【专利摘要】本发明涉及利用同步加速器提供脉冲离子束进行适形调强放射治疗时，针对因患者呼吸而运动肿瘤靶区呼吸门控技术中的靶区运动补偿方法【技术领域】，尤其是涉及一种离子束呼吸门控治疗中的呼吸引导装置及方法。其利用脉冲式束流配送同步加速器实施呼吸门控治疗效率低的问题，通过将患者呼吸模式与加速器磁激励模式进行同步，使治疗效率得到大幅提高；患者在视听反馈系统的引导下重复呼吸屏气的生理动作，这样可以有效减小呼吸门控窗内肿瘤靶区的残余运动，提高了治疗的精度；呼吸引导模型是建立在患者自由呼吸状态下的平均呼吸幅度和呼吸周期的基础上，其对加速器的操作更简单，大大降低了操作的复杂度，同时减小了失误出现的概率。
【专利说明】离子束呼吸门控治疗中的呼吸引导装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及利用同步加速器提供脉冲离子束进行适形调强放射治疗时，针对因患者呼吸而运动肿瘤靶区呼吸门控技术中的靶区运动补偿方法【技术领域】，尤其是涉及一种离子束呼吸门控治疗中的呼吸引导装置及方法。
【背景技术】
[0002]相比传统光子线(X、Y射线)放射治疗，离子束放疗的主要优势在于可以将剂量精确的定位在Bragg峰区，这样在高效杀死肿瘤细胞的同时使正常组织得到保护。另外，重离子(例如碳离子)还具有高的相对生物学效应和横向散射小的特性。对于位置和形状相对固定肿瘤靶区的治疗，例如头颈部肿瘤，患者只需要在照射前进行良好的定位和固定就可以保证足够高的治疗精度。然而，胸腹部的肿瘤，包括肺癌、肝癌以及前列腺癌等，随患者呼吸运动而运动。在实际治疗当中，肿瘤靶区的运动和动态的束流配送相互作用会造成离子束辐射场内剂量分布严重畸变，导致局部剂量冷点和热点的出现，甚至对肿瘤靶区周围的健康组织造成严重损伤，很大程度上影响离子束治疗的疗效。为充分发挥离子束治疗的优势，进一步提高离子束治疗的疗效和减轻离子束对健康组织的辐射损伤，非常有必要在离子束治疗中开展针对运动肿瘤靶区的离子束适形调强治疗技术的研发，这也是国际上离子束治疗研究中重要的发展方向和趋势。
[0003]现有的呼吸门控技术和呼吸屏气技术已经广泛地应用于临床治疗中来减小或消除祀区运动带来的影响。最近，Park等人提出了一种新的呼吸运动补偿方法，将传统的呼吸门控技术、呼吸屏气技术以及个体化的视听反馈系统结合在一起(Y.K.Park, et al.Quas1-breath-hold technique using personalized aud1-visualb1feedback for respiratory mot1n management in rad1therapy.MedicalPhysics.2011, 38:3114-3124.)。在该技术中，患者在视听反馈系统的引导下重复呼吸屏气的生理动作，这样可以使患者的呼吸频率和幅度变得均匀，并且可以有效减小呼吸门控窗内靶区的残余运动。另外，相比单纯的呼吸屏气技术，该技术可以减小治疗过程中医患配合的复杂度。然而，该技术的应用对象是基于直线加速器提供的连续束流配送模式下的传统光子放射治疗。
[0004]目前，在离子束放射治疗中有两种加速器系统:回旋加速器和同步加速器。其中回旋加速器提供类似直线加速器的连续束流配送方式，因此在优化呼吸门控治疗参数方面相对比较简单，Park等人提出的视听反馈方法可以直接移植过来。对于基于同步加速器的离子束加速系统，它提供脉冲式的束流配送方法，并且磁激励周期接近于人的呼吸周期。同步加速器采用束流慢引出方式，只有在磁激励周期中的一部分时间段有束流引出。整个周期包括加速阶段、平顶阶段(束流引出)和减速阶段，门控治疗中只有在门控开启状态和平顶阶段重合的时间段才能有束流引出。因此，实施高效的呼吸门控治疗的前提是优化加速器激励周期与患者呼吸周期同步。这两者之间微小的差别就可能导致呼吸门控治疗效率的下降。
[0005]Tsunashima等人对基于脉冲式同步加速器的质子呼吸门控放射治疗的效率进行过石开究(Y.Tsunashima, et al.Efficiency of respiratory-gated deliveryof synchrotron-based pulsed proton irradiat1n.Physics in Medicine andB1logy.2008, 53:1947-1959.)。在他们的研究工作中，真实地模拟了不同加速器控制参数和患者呼吸参数之间的相互作用，试图找到最优的参数设置来提高呼吸门控治疗的效率。他们发现采用固定加速器激励周期的方法将导致治疗时间翻三倍，而采用变激励周期的方式可使治疗时间减小到两倍。在他们的另一项研究中也发现变激励周期方法可以同时提高治疗的精度(Y.Tsunashima, et al.The precis1n of respiratory-gateddelivery of synchrotron-based pulsed beam proton therapy.Physics in Medicineand B1logy.2010, 55:7633-7647.)。尽管该方法可以有效提高治疗的疗效，但是往往一个治疗计划的实施需要多个束流脉冲，而且每个激励周期都必须在上一个脉冲结束到下一个脉冲开始前设置好，从而要求对患者下一次呼吸的周期在下一个脉冲开始前进行预测，这样才能决定下一个磁激励周期的设置。虽然该方法相对于固定激励周期的模式提高了治疗效率，但是复杂的操作过程容易导致错误的出现，因此整个治疗时间仍旧翻倍。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于针对现有技术在基于同步加速器脉冲式束流配送治疗运动靶区时过程繁琐，效率低和系统误差较大的问题，提供一种离子束呼吸门控治疗中的呼吸引导装置及方法。该方法有效地将个体化视听反馈系统、呼吸屏气技术和基于同步加速器的呼吸门控技术结合起来，帮助患者将自己的呼吸周期与加速器磁激励周期同步。在该技术中，患者在视听反馈系统的协助下重复呼吸屏气或者深呼吸屏气，使自己的呼吸波形紧跟显示在显示器上的个体化标准曲线或者患者自己的代表性曲线。该方法使患者的呼吸周期与加速器磁激励周期同步，这样治疗效率会得到有效提高，另外结合屏气技术会使靶区在门控窗内的残余运动减小。
[0007]为实现上述目的，本发明采取的技术方案为:所述的离子束呼吸门控治疗中的呼吸引导装置，其特点是包括用于呼吸运动轨迹的实时记录的呼吸信号探测装置，呼吸信号探测装置连接电脑，通过电脑将视觉反馈信息显示在液晶显示器上，用于辅助视觉上的反馈而进行的听觉反馈的扬声器安装在治疗室内并与电脑相连，电脑内设置有控制系统，所述的控制系统通过呼吸信号探测装置获取患者体表标志物的实时位置信息；通过测量患者在自由呼吸和深呼吸情况下的呼吸运动轨迹曲线，计算平均呼吸周期和平均幅度；根据平均周期和平均幅度建立个体化呼吸引导曲线；将视觉反馈信息中的呼吸引导曲线和患者自己的实时呼吸运动曲线显示在液晶显示器上；根据患者平均呼吸幅度设置呼吸门控阈值；将门控信号和实时束流配送信号显示在液晶显示器上；待患者跟上呼吸引导曲线后实施照射，同时记录患者在照射过程中的呼吸运动轨迹。
[0008]所述的呼吸信号探测装置、液晶显示、扬声器、电脑和控制系统组成视听反馈系统，该系统中的呼吸信号探测装置用于探测位于患者腹部标记物的位置信息从而反映患者的呼吸运动轨迹，其呼吸信号采样频率范围为10Hz-50Hz ;液晶显示器设置在患者脸部正上方，用于显示患者自己的实时呼吸运动轨迹和个体化的呼吸引导曲线，保证患者看到自己实时的呼吸运动轨迹和呼吸引导曲线。
[0009]所述的离子束呼吸门控治疗中的呼吸引导方法，其特征是包括如下步骤:
[0010](I)加速器运行参数设置:为了将患者的呼吸周期与同步加速器磁激励周期同步，需要通过加速器控制系统对加速器磁激励周期和束流引出时间等参数进行设置，将整个磁激励周期分为加速时间、平顶时间和下降时间三个阶段，其中加速时间和下降时间是一个固定值，其范围为1.0-3.0s并不随束流能量的变化而变化，平顶时间为变化调节值，调节范围为0.0-10.0s，磁激励周期要在下一个脉冲开始之前设置好，一旦设置好在该脉冲结束前都不能改变；
[0011](2)建立个体化呼吸引导曲线:首先，测量并按时间序列记录患者在自由呼吸状态下的4-5个呼吸周期运动轨迹，根据平均呼吸幅度和呼吸周期可以建立一条基于cos、cos2、cos4或者cos6函数曲线的自由呼吸模型(FB);其次，建立呼吸模式和加速器磁激励模式的同步模型，对于HIMM装置来说，如果患者平均呼吸周期大于或等于3.2s，那么在两个连续的加速器周期平顶状态之间设置一个自由呼吸模型，否则设置两个连续的自由呼吸模型，因为两个平顶状态之间的时间间隔至少为3.2s(减速时间1.6s，加速时间1.6s)，而且普通人的呼吸周期一般都大于1.6s,因此这样的设置会使照射效率达到最高；另外，由于自由呼吸模型是建立在患者自由呼吸状态下的平均呼吸幅度和呼吸周期的基础上，因此这在某种程度上减小了患者的负担；最后，在自由呼吸模型曲线的末端加一个时间长度为1.0s的呼吸屏气信号并不断重复这个过程，这样就构成了一个完整的标准呼吸屏气模型(StBH)。与此同时加速器磁激励模式也得以确定，如果患者平均呼吸周期大于或等于3.2s，那么磁激励周期就是该呼吸周期时间加上1.0s的平台时间，否则两个呼吸周期的时间加上1.0s的平顶时间构成一个磁激励周期；应用同样的方法，建立标准深呼吸屏气模型(StDIBH)。
[0012](3)呼吸引导治疗:在治疗开始前一周患者需要接受一个训练过程，主要内容包括熟悉视听反馈系统软件界面，熟悉各种呼吸引导模式(stBH，reBH, stDIBH, reDIBH)，实际治疗开始前一个小时患者需要接受4种呼吸引导模式的测试，确定采用哪种模式可使治疗效率达到最高，同时呼吸门控窗内的靶区残余运动降到最小。
[0013]所述的第一步骤中的同步加速器采用慢引出的方式在平顶阶段将束流引出，慢引出时间为变化调节值，若慢引出时间小于平顶时间，所有的离子在平顶阶段正常结束前都已经引出，这时下降阶段开始，之后加速器处于一种非激励状态直到该激励周期结束，然后进入下一个磁激励周期。
[0014]所述的第二步骤中的自由呼吸模型并不一定能反映患者的真实呼吸模式，需要在患者实施标准呼吸屏气模式引导的过程中记录下患者1-2个周期的真实呼吸数据作为患者自己的代表性呼吸屏气引导曲线(reBH)，利用患者自己的代表性呼吸屏气引导曲线进行呼吸引导更容易使患者接受；应用同样的方法，建立患者自己的代表性深呼吸屏气模型(reDIBH)。
[0015]所述的第二步骤中对一些患者自由呼吸周期小于3.2s，而深呼吸周期大于3.2s的情况，采用深呼吸屏气模型进行呼吸引导会进一步提高治疗效率，需要根据患者治疗当天实际的呼吸状态来抉择选用哪一种呼吸引导模型。
[0016]所述的第三步骤中的呼吸引导治疗过程包括如下步骤:
[0017]第一步，分别测量患者自由呼吸情况下和深呼吸情况下的平均呼吸幅度和呼吸周期，在此基础上建立标准呼吸屏气模型和标准深呼吸屏气模型；
[0018]第二步，通过视听反馈系统分别用这两种模型对患者进行呼吸引导测试，并记录3-5min呼吸运动曲线；
[0019]第三步，在进行标准呼吸引导的过程中分别确定患者自己代表性的呼吸屏气引导曲线和代表性的深呼吸屏气引导曲线，同样记录3-5min这两种模式引导下的呼吸运动曲线.
[0020]第四步，分析四种呼吸引导模式下的治疗效率和门控窗内靶区的残余运动，综合这两个因素确定出最优的治疗模式，使治疗疗效最大化；
[0021]所述的第三步骤中的呼吸引导治疗过程中根据选择的最优的治疗模式开始实施离子束照射，若患者在治疗过程中出现任何不适的状况，立刻停止照射，待患者状态恢复正常后，重新建立呼吸引导模式，并继续实施未完成的照射计划。
[0022]本发明的有益效果是:所述的离子束呼吸门控治疗中的呼吸引导装置及方法，其优点及产生的效果有以下四点:(I)本发明克服了利用脉冲式束流配送同步加速器实施呼吸门控治疗效率低的问题，通过将患者呼吸模式与加速器磁激励模式进行同步，使治疗效率得到大幅提高；(2)本发明中，患者在视听反馈系统的引导下重复呼吸屏气的生理动作，这样可以有效减小呼吸门控窗内肿瘤靶区的残余运动，提高了治疗的精度；(3)由于呼吸引导模型是建立在患者自由呼吸状态下的平均呼吸幅度和呼吸周期的基础上，因此这在某种程度上减小了患者的负担，并且相比单纯的呼吸屏气技术，本发明可以减小治疗过程中医患配合的复杂度；(4)相比Tsunashima等人提出的变磁激励周期的方法来提高治疗效率，本发明需要对加速器的操作更简单，只需要在治疗前为同步加速器设定好一种磁激励模式，在接下来的治疗过程中不需要做改变，这大大降低了操作的复杂度，同时减小了失误出现的概率。
【专利附图】
【附图说明】
:
[0023]图1为本发明呼吸引导装置结构原理图；
[0024]图2为本发明软件控制流程图；
[0025]图3为本发明软件界面所显示的视觉反馈信息；
[0026]图4为本发明个体化呼吸引导曲线建立流程图；
[0027]图5为本发明呼吸引导治疗流程图；
[0028]图6为本发明实验时的有效照射剂量率分布图；
[0029]图7为本发明实验时的照射IGy处方剂量所需要的照射时间；
[0030]图8为本发明实验时的门控窗内的靶区残余运动分布图。
[0031]图中所示:1:呼吸信号探测装置，2:液晶显示器，3:扬声器，4:电脑，5:门控阈值，6:实时呼吸运动曲线，7:呼吸引导曲线，8:门控信号，9:实时束流配送信号。
【具体实施方式】
[0032]以下结合附图所示之最佳实例作进一步详述:
[0033]如图1所示，所述的离子束呼吸门控治疗中的呼吸引导装置，其特点是包括用于呼吸运动轨迹的实时记录的呼吸信号探测装置1，呼吸信号探测装置I连接电脑4，通过电脑4将视觉反馈信息显示在液晶显示器2上，用于辅助视觉上的反馈而进行的听觉反馈的扬声器3安装在治疗室内并与电脑4相连，电脑内设置有控制系统。
[0034]如流程图2所示，控制系统首先通过呼吸信号探测装置I获取患者体表标志物的实时位置信息；通过测量患者在自由呼吸和深呼吸情况下的呼吸运动轨迹曲线，计算平均呼吸周期和平均幅度；根据平均周期和平均幅度建立个体化呼吸引导曲线，建立方法如图4所示；将视觉反馈信息中呼吸引导曲线7和患者自己的实时呼吸运动曲线6显示在液晶显示器2上，如图3所示；根据患者平均呼吸幅度设置呼吸门控阈值5 ;将门控信号8和实时束流配送信号9显示在液晶显示器2上，如图3所示；待患者跟上呼吸引导曲线7后实施照射，同时记录患者在照射过程中的呼吸运动轨迹。
[0035]所述的呼吸信号探测装置、液晶显示、扬声器、电脑和控制系统组成视听反馈系统，该系统中的呼吸信号探测装置用于探测位于患者腹部标记物的位置信息从而反映患者的呼吸运动轨迹，其呼吸信号采样频率范围为10Hz-50Hz ;液晶显示器用于显示患者自己的实时呼吸运动轨迹和个体化的呼吸引导曲线，被设置在患者脸部正上方，保证患者可以看到自己实时的呼吸运动轨迹和呼吸引导曲线。
[0036]如图4所示，所述的离子束呼吸门控治疗中的呼吸引导方法，其特征是包括如下步骤:
[0037](I)加速器运行参数设置:为了将患者的呼吸周期与同步加速器磁激励周期同步，需要通过加速器控制系统对加速器磁激励周期和束流引出时间等参数进行设置，将整个磁激励周期分为加速时间、平顶时间和下降时间三个阶段，其中加速时间和下降时间是一个固定值其范围为1.0-3.0s，不随束流能量的变化而变化，平顶时间为变化调节值，调节范围为0.0-10.0s，磁激励周期要在下一个脉冲开始之前设置好，一旦设置好在该脉冲结束前都不能改变；
[0038]这里依照兰州医用重离子加速器治疗装置(HIMM)的运行参数进行说明。该装置用一台同步加速器作为主加速器，一台回旋加速器作为注入器。其中同步加速器的加速时间和减速时间固定为1.6s，平顶时间调节范围为0.0-10.0s，磁激励周期调节范围为3.2_13.2sο
[0039](2)建立个体化呼吸引导曲线:首先，测量并按时间序列记录患者在自由呼吸状态下的4-5个呼吸周期运动轨迹，根据平均呼吸幅度和呼吸周期可以建立一条基于cos、cos2、cos4或者cos6函数曲线的自由呼吸模型(FB);其次，建立呼吸模式和加速器磁激励模式的同步模型，对于HIMM装置来说，如果患者平均呼吸周期大于或等于3.2s，那么在两个连续的加速器周期平顶状态之间设置一个自由呼吸模型，否则设置两个连续的自由呼吸模型，因为两个平顶状态之间的时间间隔至少为3.2s (减速时间1.6s，加速时间1.6s)，而且普通人的呼吸周期一般都大于1.6s,因此这样的设置会使照射效率达到最高；另外，由于自由呼吸模型是建立在患者自由呼吸状态下的平均呼吸幅度和呼吸周期的基础上，因此这在某种程度上减小了患者的负担；最后，在自由呼吸模型曲线的末端加一个时间长度为1.0s的呼吸屏气信号并不断重复这个过程，这样就构成了一个完整的标准呼吸屏气模型(stBH);与此同时加速器磁激励模式也得以确定，如果患者平均呼吸周期大于或等于3.2s，那么磁激励周期就是该呼吸周期时间加上1.0s的平台时间，否则两个呼吸周期的时间加上1.0s的平顶时间构成一个磁激励周期；应用同样的方法，建立标准深呼吸屏气模型(stDIBH)。
[0040](3)呼吸引导治疗:如流程图5所示，在治疗开始前一周患者需要接受一个训练过程，主要内容包括熟悉视听反馈系统软件界面，熟悉各种呼吸引导模式(stBH, reBH, stDIBH, reDIBH)，实际治疗开始前一个小时患者需要接受4种呼吸引导模式的测试，确定采用哪种模式可使治疗效率达到最高，同时呼吸门控窗内的靶区残余运动降到最小。
[0041]所述的第一步骤中的同步加速器采用慢引出的方式在平顶阶段将束流引出，慢引出时间为变化调节值，若慢引出时间小于平顶时间，所有的离子在平顶阶段正常结束前都已经引出，这时下降阶段开始，之后加速器处于一种非激励状态直到该激励周期结束，然后进入下一个磁激励周期。加速器该特性使我们可以方便灵活地将加速器磁激励周期设置为患者的呼吸周期，并建立患者个体化的呼吸引导曲线，指导患者重复相同的呼吸模式，达到提闻治疗效率的目的。
[0042]所述的第二步骤中的自由呼吸模型并不一定能反映患者的真实呼吸模式，需要在患者实施标准呼吸屏气模式引导的过程中记录下患者1-2个周期的真实呼吸数据作为患者自己的代表性呼吸屏气引导曲线(reBH)，利用患者自己的代表性呼吸屏气引导曲线进行呼吸引导更容易使患者接受；应用同样的方法，建立患者自己的代表性深呼吸屏气模型(reDIBH)。
[0043]所述的第二步骤中对一些患者自由呼吸周期小于3.2s，而深呼吸周期大于3.2s的情况，采用深呼吸屏气模型进行呼吸引导会进一步提高治疗效率，需要根据患者治疗当天实际的呼吸状态来抉择选用哪一种呼吸引导模型。
[0044]所述的第三步骤中的呼吸引导治疗过程包括如下步骤:
[0045]第一步，分别测量患者自由呼吸情况下和深呼吸情况下的平均呼吸幅度和呼吸周期，在此基础上建立标准呼吸屏气模型和标准深呼吸屏气模型；
[0046]第二步，通过视听反馈系统分别用这两种模型对患者进行呼吸引导测试，并记录3-5min呼吸运动曲线；
[0047]第三步，在进行标准呼吸引导的过程中分别确定患者自己代表性的呼吸屏气引导曲线和代表性的深呼吸屏气引导曲线，同样记录3-5min这两种模式引导下的呼吸运动曲线.
[0048]第四步，分析四种呼吸引导模式下的治疗效率和门控窗内靶区的残余运动，综合这两个因素确定出最优的治疗模式，使治疗疗效最大化；
[0049]所述的第三步骤中的呼吸引导治疗过程中根据选择的最优的治疗模式开始实施离子束照射，若患者在治疗过程中出现任何不适的状况，立刻停止照射，待患者状态恢复正常后，重新建立呼吸引导模式，并继续实施未完成的照射计划。
[0050]所述的离子束呼吸门控治疗中的呼吸引导装置及方法，其具体实验过程如下:
[0051]利用中国科学院近代物理研究所自主开发的视听反馈系统，对15名志愿者进行了呼吸引导测试，实验设置如图1所示。这15名志愿者包括3名医学物理师、3名研究生和9名普通公众，年龄从23岁到43岁不等，体重范围为53公斤到95公斤。视听反馈系统控制软件由Matlab 7.10版本开发，束流脉冲信号模拟HIMM装置实际磁激励模式，呼吸运动信号探测装置是一台激光位移传感器(德国MICR0-EPSIL0N/ILD1700，有效探测范围200-950mm,测量精度0.5mm)，显示器为A0C-LM720液晶显示器。这15名志愿者在模拟实验开始前一周进行过一次呼吸引导训练，对整个流程和每种引导模式比较清楚。实际模拟测试分为以下五个步骤进行:第一步，志愿者在没有任何指导的情况下连续自由呼吸5min，记录下该时间段内呼吸运动轨迹用于分析传统自由呼吸模式下采用呼吸门控治疗的效率，并作为接下来呼吸引导实验的对照数据；第二步，分别测量志愿者自由呼吸情况下和深呼吸情况下的平均呼吸幅度和呼吸周期，在此基础上建立标准呼吸屏气模型和标准深呼吸屏气模型；第三步，通过视听反馈系统分别用这两种模型对志愿者进行呼吸引导测试，并记录5min呼吸运动曲线为后面分析有效照射剂量率和不同大小门控窗内靶区残余运动做准备；第四步，在进行标准呼吸引导的过程中分别确定志愿者自己代表性的呼吸屏气引导曲线和代表性的深呼吸屏气引导曲线，并在这两种引导模式下同样记录5min志愿者呼吸运动曲线，为后面对照分析用；第五步，完成这五种呼吸模式后，统计分析每种模式分别在10%?50%门控窗范围内的有效照射剂量率和靶区残余运动。在这些测试当中，志愿者没有出现不适现象。
[0052]如图6所示为在不加门控，自由呼吸情况下加门控以及四种呼吸引导模式(stBH, reBH, stDIBH, reDIBH)下的有效照射剂量率分布。图中误差棒代表最大值和最小值，长方形代表标准差，中间的横线代表中值。可以看出不加门控情况下剂量率可以达到0.432Gy/min,而对于自由呼吸模式，剂量率在50 % -10 %门控窗内分别下降了 2.13-5.56倍。相比不加门控模式，在四种呼吸引导情况下剂量率分别下降了
0.31-0.41，0.31-0.43，0.81-0.87和0.81-0.85倍。说明呼吸引导方法的应用提高了在脉冲式束流配送的同步加速器上采用呼吸门控治疗模式的治疗效率。
[0053]如图7所示为照射IGy处方剂量所需要的照射时间，同样可以看出采用呼吸引导方法明显减小了治疗时间。如图8所示为在不加门控，自由呼吸情况下加门控以及四种呼吸引导模式(stBH，reBH，stDIBH，reDIBH)下门控窗内靶区的残余运动。对于不加门控情况，平均绝对偏差达到了 2.40±1.01mm。在自由呼吸模式并加门控情况下，平均绝对偏差下降了 1.18?5.67倍，而对于呼吸引导情况，该指标下降了将近10倍，说明呼吸引导方法大幅提闻了治疗的精度。
[0054]与常规自由呼吸模式下呼吸门控治疗效果相比，呼吸引导不但提高了治疗效率而且降低了门控窗内靶区的残余运动，因此大幅提高了治疗的疗效。另外，由于自由呼吸模型是建立在患者自由呼吸状态下的平均呼吸幅度和呼吸周期的基础上，因此这在某种程度上减小了患者的负担。综上所述，证明本发明方法是可行的。
[0055]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种离子束呼吸门控治疗中的呼吸引导装置，其特征是包括用于呼吸运动轨迹的实时记录的呼吸信号探测装置，呼吸信号探测装置连接电脑，通过电脑将视觉反馈信息显示在液晶显示器上，用于辅助视觉上的反馈而进行的听觉反馈的扬声器安装在治疗室内并与电脑相连，电脑内设置有控制系统，所述的控制系统通过呼吸信号探测装置获取患者体表标志物的实时位置信息；通过测量患者在自由呼吸和深呼吸情况下的呼吸运动轨迹曲线，计算平均呼吸周期和平均幅度；根据平均周期和平均幅度建立个体化呼吸引导曲线；将视觉反馈信息中的呼吸引导曲线和患者自己的实时呼吸运动曲线显示在液晶显示器上；根据患者平均呼吸幅度设置呼吸门控阈值；将门控信号和实时束流配送信号显示在液晶显示器上；待患者跟上呼吸引导曲线后实施照射，同时记录患者在照射过程中的呼吸运动轨迹。
2.如权利要求1所述的离子束呼吸门控治疗中的呼吸引导装置，其特征在于所述的呼吸信号探测装置、液晶显示、扬声器、电脑和控制系统组成视听反馈系统，该系统中的呼吸信号探测装置用于探测位于患者腹部标记物的位置信息从而反映患者的呼吸运动轨迹，其呼吸信号采样频率范围为10Hz-50Hz ;液晶显示器设置在患者脸部正上方，用于显示患者自己的实时呼吸运动轨迹和个体化的呼吸引导曲线，保证患者看到自己实时的呼吸运动轨迹和呼吸引导曲线。
3.—种如权利要求1所述的离子束呼吸门控治疗中的呼吸引导方法，其特征是包括如下步骤: (1)加速器运行参数设置:为了将患者的呼吸周期与同步加速器磁激励周期同步，需要通过加速器控制系统对加速器磁激励周期和束流引出时间等参数进行设置，将整个磁激励周期分为加速时间、平顶时间和下降时间三个阶段，其中加速时间和下降时间是一个固定值，其范围为1.0-3.0s并不随束流能量的变化而变化，平顶时间为变化调节值，调节范围为0.0-10.0s，磁激励周期要在下一个脉冲开始之前设置好，一旦设置好在该脉冲结束前都不能改变； (2)建立个体化呼吸引导曲线:首先，测量并按时间序列记录患者在自由呼吸状态下的4-5个呼吸周期运动轨迹,根据平均呼吸幅度和呼吸周期可以建立一条基于cos、cos2、cos4或者cos6函数曲线的自由呼吸模型(FB);其次，建立呼吸模式和加速器磁激励模式的同步模型，对于HIMM装置来说，如果患者平均呼吸周期大于或等于3.2s，那么在两个连续的加速器周期平顶状态之间设置一个自由呼吸模型，否则设置两个连续的自由呼吸模型，因为两个平顶状态之间的时间间隔至少为3.2s (减速时间1.6s，加速时间1.6s)，而且普通人的呼吸周期一般都大于1.6s,因此这样的设置会使照射效率达到最高；另外，由于自由呼吸模型是建立在患者自由呼吸状态下的平均呼吸幅度和呼吸周期的基础上，因此这在某种程度上减小了患者的负担；最后，在自由呼吸模型曲线的末端加一个时间长度为1.0s的呼吸屏气信号并不断重复这个过程，这样就构成了一个完整的标准呼吸屏气模型(stBH)。与此同时加速器磁激励模式也得以确定，如果患者平均呼吸周期大于或等于3.2s，那么磁激励周期就是该呼吸周期时间加上1.0s的平台时间，否则两个呼吸周期的时间加上1.0s的平顶时间构成一个磁激励周期；应用同样的方法，建立标准深呼吸屏气模型(StDIBH)； (3)呼吸引导治疗:在治疗开始前一周患者需要接受一个训练过程，主要内容包括熟悉视听反馈系统软件界面，熟悉各种呼吸引导模式(stBH，reBH, stDIBH, reDIBH)，实际治疗开始前一个小时患者需要接受4种呼吸引导模式的测试，确定采用哪种模式可使治疗效率达到最高，同时呼吸门控窗内的靶区残余运动降到最小。
4.如权利要求3所述的离子束呼吸门控治疗中的呼吸引导方法，其特征在于:所述的第一步骤中的同步加速器采用慢引出的方式在平顶阶段将束流引出，慢引出时间为变化调节值，若慢引出时间小于平顶时间，所有的离子在平顶阶段正常结束前都已经引出，这时下降阶段开始，之后加速器处于一种非激励状态直到该激励周期结束，然后进入下一个磁激励周期。
5.如权利要求3所述的离子束呼吸门控治疗中的呼吸引导方法，其特征在于:所述的第二步骤中的自由呼吸模型并不一定能反映患者的真实呼吸模式，需要在患者实施标准呼吸屏气模式引导的过程中记录下患者1-2个周期的真实呼吸数据作为患者自己的代表性呼吸屏气引导曲线(reBH)，利用患者自己的代表性呼吸屏气引导曲线进行呼吸引导更容易使患者接受；应用同样的方法，建立患者自己的代表性深呼吸屏气模型(reDIBH)。
6.如权利要求3所述的离子束呼吸门控治疗中的呼吸引导方法，其特征在于:所述的第二步骤中对一些患者自由呼吸周期小于3.2s，而深呼吸周期大于3.2s的情况，采用深呼吸屏气模型进行呼吸引导会进一步提高治疗效率，需要根据患者治疗当天实际的呼吸状态来抉择选用哪一种呼吸引导模型。
7.如权利要求3所述的离子束呼吸门控治疗中的呼吸引导方法，其特征在于:所述的第三步骤中的呼吸引导治疗过程包括如下步骤: 第一步，分别测量患者自由呼吸情况下和深呼吸情况下的平均呼吸幅度和呼吸周期，在此基础上建立标准呼吸屏气模型和标准深呼吸屏气模型； 第二步，通过视听反馈系统分别用这两种模型对患者进行呼吸引导测试，并记录3-5min呼吸运动曲线； 第三步，在进行标准呼吸引导的过程中分别确定患者自己代表性的呼吸屏气引导曲线和代表性的深呼吸屏气引导曲线，同样记录3-5min这两种模式引导下的呼吸运动曲线； 第四步，分析四种呼吸引导模式下的治疗效率和门控窗内靶区的残余运动，综合这两个因素确定出最优的治疗模式，使治疗疗效最大化。
8.如权利要求3所述的离子束呼吸门控治疗中的呼吸引导方法，其特征在于:所述的第三步骤中的呼吸引导治疗过程中根据选择的最优的治疗模式开始实施离子束照射，若患者在治疗过程中出现任何不适的状况，立刻停止照射，待患者状态恢复正常后，重新建立呼吸引导模式，并继续实施未完成的照射计划。
【文档编号】A61N5/10GK104274914SQ201410498032
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年9月25日 优先权日:2014年9月25日
【发明者】贺鹏博, 李强, 戴中颖, 刘新国, 赵婷, 付廷岩, 申国盛, 马圆圆, 黄齐燕, 闫渊林 申请人:中国科学院近代物理研究所