精确放疗精度提高的单片机控制方法研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 2.82MB 71 页 15积分

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摘要

癌症的发病原因比较复杂，预防比较难，因而在癌症发病后癌症的治疗以及

如何更加精确地进行癌症的治疗也成为人们研究的重点，特别是在胸腹部肿瘤的

治疗过程当中，临床数据显示由呼吸运动对放疗精度造成的影响比较大，国内外

已有的各种提高放疗精度的方法各有不足，使我们不得不关注这种情况下放疗精

度的控制，我们就是在这种情况下提出了研究的课题。

本课题主要是针对呼吸运动对精确放疗的影响问题，提出一种改进方法。胸

肺部或者上腹部的生理运动，特别是呼吸运动,造成精确放疗过程中靶区内的剂量

与预定剂量之间产生差别，这种差别造成肿瘤得不到有效的治疗，而且还将造成

周围正常组织受到射线的照射。本文提出一种以呼吸参数采集和单片机的控制为

关键技术的解决方法，来提高放疗精度，具体研究内容如下：

（1）呼吸参数的检测及表示方法，实现对个体的肺容积随呼吸（时间）而变

化的实时检测和描述。主要研究内容包括呼吸参数的采集方法、肺容积随时间变

化的数值算法及图形表示法、肺容积测定的标定方法以及检测、分析所基于的软

件开发等。由于呼吸参数采集的特殊性，我们采用非标准孔板式流量计进行呼吸

参数采集，且采用了一定的标定装置进行标定。

（2）运动曲线获取方法。通过螺旋 CT 扫描获得病人在正常呼吸状态下呼吸

运动器官位移随时间变化的曲线，由此而得到与呼吸参数相对应的器官及病变组

织在各个方向上的动度，通过对呼吸参数随时间变化的规律与图像中被测点相对

应的空间位置随时间而改变的规律这两者之间的关系的研究，可以建立起同一时

间坐标系下呼吸运动与器官位移变化关系的数学模型，分析并建立摆位床的运动

规律数学模型，使其能实时地、按器官运动规律逆向且同步地运动。

（3）选择适用的步进电机。在电机的选择与机械设计方面，尽量小型化、轻

便化。器官组织的运动轨迹是一三维运动方程，应分解成三个方向的运动并采用

三个步进电机分别控制，但考虑到研制成本等因素，在同样能达到研究目的的情

况下，拟采用两个步进电机，分别实现 X、Y轴方向的逆向运动控制，这样做虽

然忽略了 Z方向运动的影响，却不影响平面靶区的重合精度。

（4）单片机控制步进电机。单片机产生脉冲数控制旋转运动量和直线运动量，

用中断时间控制运动的频率，步进电机通过传动机构带动摆位床按照研究需要的

运动规律运动，从而实现克服器官位移对精确放疗的影响。

本研究通过将工程方法用于对放疗精度控制，具有广泛的应用价值。研究对

于精确放疗中放疗精度的进一步精确控制打下了基础。

关键词：放疗精度单片机步进电机

III

ABSTRACT

Complicated factors and difficult prevention of cancer make the treatment and how

to carry out more precise treatment become the focus of the study. Especially in the

treatment process of chest and abdomen cancer, it’s showed by clinical data that

respiratory movement has relatively large impact on the accuracy of the radiotherapy.

Various ways to improve the accuracy of radiotherapy at home and abroad all have

weakpoints, thus we pay more attention to radiotherapy precision control and we put

forward this issue.

The issue is mainly about an improved method against effects of respiratory

movement on the precise of radiotherapy. Upon all the chest or upper abdomen physical

movements, the breathing exercise results in differences between the dose of target area

and scheduled, and the differences may not only flaw effective treatments, but also the

radiation exposure of surrounding normal tissue. This paper presents one way with

respiratory parameters acquisition and single-chip technology as key solutions to

improve the accuracy of radiotherapy. The specific research includes:

(1) The method of detection and representation to respiratory parameters, realizing

real-time detection and description to individuals with respiratory lung volume (time)

and changes .The study includes the major collection methods of respiratory parameters,

changes in lung volume over time numerical algorithm and graphical representation of

law, lung volume measurement and calibration method detection, analysis based on the

software development. Because of the specificity of respiratory parameters acquisition,

we have adopted a non-standard hole plate flowmeter for respiratory parameters

collection, and calibration device.

(2) Method of movement curve. We can get organ displacement curves change

over time by spiral CT scan while normal breathing of patients. So the mobility in all

directions of organs and diseased tissue corresponding on respiratory parameters .We

can establish the mathematical model about the relationship between the respiratory

parameters and organ displacement and canbuild the law of positioning bed to control

its simultaneously reverse movement.

(3) Choice of the applicable stepper motor. It’s as small size and light-based as

possible in electric and mechanical design. A trajectory of organs is a three-dimensional

equation of motion, and should be broken down into three directions of movement with

three separate stepper motor control. Taking into account the development costs and

other factors, we propose using two stepper motor to achieve the same purpose of the

study, X and Y-axis motion control reverse direction. Although movement of Z axis is

ignored, the accuracy of coincidence plane target is not affected.

(4) Single-chip control to stepper motor. Pulses generated by singlechip control

rotary and linear exercise, and interrupted time control movement frequency. Stepper

motors drive positioning bed in accordance with the research through the transmission

anyway to overcome the impact to precise radiotherapy.

The research put engineering method into precision control. It has a broad

application value. Research lays the foundation for further precise control.

Keywords: radiotherapy accuracy, singlechip microcomputer, stepping motor

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ................................................................................................................... 1

§1.1 癌症.....................................................................................................................................1

§1.1.1 癌症的病发情况..................................................................................................... 1

§1.1.2 癌症病因探究.......................................................................................................... 1

§1.2 癌症的治疗方法..............................................................................................................2

§1.3 精确放疗........................................................................................................................... 5

§1.4 呼吸运动对胸腹部肿瘤靶区边界的影响............................................................... 6

§1.4.1 自主呼吸状态下肺部肿瘤的运动情况............................................................ 6

§1.4.2 腹部肿瘤受呼吸运动的影响.............................................................................. 6

§1.5 本章小结......................................................................................................................... 10

第二章呼吸参数采集 ................................................................................................... 12

§2.1 呼吸参数采集硬件装置..............................................................................................12

§2.1.1 原理及公式.............................................................................................................13

§2.1.2 确定结构及参数................................................................................................... 14

§2.1.3 实验装置及参数................................................................................................... 15

§2.1.4 实验方法及内容................................................................................................... 16

§2.1.5 孔板式流量计特性曲线......................................................................................18

§2.2 数据采集系统的软件.................................................................................................. 20

§2.3 主要检测内容及要求.................................................................................................. 21

§2.3.1 检测内容（一）................................................................................................... 21

§2.3.2 检测内容（二）................................................................................................... 22

§2.3.3 检测内容（三）................................................................................................... 22

§2.4 运动曲线获取方法.......................................................................................................23

§2.5 本章小结......................................................................................................................... 25

第三章精度控制系统 ................................................................................................... 26

§3.1 步进电机控制................................................................................................................ 26

§3.1.1 步进电机概述........................................................................................................ 26

§3.1.2 两相步进电机的工作原理.................................................................................28

§3.1.3 一般步进电机的参数.......................................................................................... 28

§3.1.4 步进电机的选择................................................................................................... 31

§3.1.5 振动和噪音.............................................................................................................34

§3.1.6 加速和减速运动的控制......................................................................................34

§3.1.7 步进电机升降速曲线控制方法........................................................................35

§3.1.8 步进电机驱动........................................................................................................ 39

§3.2 放疗精度控制系统电路..............................................................................................39

§3.2.1 主控电路设计........................................................................................................ 40

§3.2.2 电机驱动设计........................................................................................................ 43

§3.3 通信接口电路................................................................................................................ 51

第四章软件系统设计 ............................................................................................... 54

§4.1 主程序设计.....................................................................................................................54

§4.1.1 设计目的................................................................................................................. 54

§4.1.2 程序模块................................................................................................................. 55

§4.2 本章小结......................................................................................................................... 59

第五章结论与展望 ................................................................................................... 61

符号表.............................................................................................................................62

参考文献.........................................................................................................................63

在读期间公开发表的论文和承担科研项目取得的成果.............................................66

致谢.........................................................................................................................67

第一章绪论

每年，癌症在全球致死500万人，我国也有100万人因此失去生命。癌症的发

病原因比较复杂，影响癌症并发的原因很多，这就使得癌症的预防比较难以控制，

因而在癌症发病后癌症的治疗就显得尤为重要，癌症治疗的相关技术及效果就成

为人们治疗癌症方面的重心。如何更加精确地进行癌症的治疗也成为人们研究的

重点，癌症治疗的方法很多，各种治疗方法各有利弊，在放疗领域里如何提高放

疗的精度，达到更高更好的治疗效果，这也成为了重中之重，特别是在胸腹部肿

瘤的治疗过程当中，临床数据显示由于呼吸运动造成的影响比较大，使我们不得

不关注这种情况下放疗精度的控制，我们就是在这种情况下提出了研究的课题。

§1.1 癌症

§1.1.1 癌症的病发情况

据世界卫生组织统计数据及推算，当今世界每年新发癌症达600万人，死亡500

万人。我国的肿瘤发病率正逐渐增加，每年新发癌症达160万人，死亡130万人，

从20世纪80年代以来，我国癌症发病率上升了69%，死亡率增长了29.4%，癌症

的死亡在我国1949年占总死亡原因的第十位，近年在城市中上升到第一位，在农

村占二位，癌症已在十大主要死亡原因中占第三位。

§1.1.2 癌症病因探究

中国的医学典籍远在2000多年前，就记载了对肿瘤形成具有重要影响的因素，

并从宏观上进行推论，开创了探索肿瘤病因病机的先河。而现代医学研究从流行

病学调查及实验资料证实，归纳癌症的病因可分以下几个方面：

1．癌症发病的外部因素

（1）化学致癌因素（2）物理致癌因素（3）生物致癌因素

导致癌症的外部因素主要有以上化学、物理和生物三个方面，其中化学因

素是比较主要的外部致病因素。

2．癌症发病的内部因素

（1）免疫功能（2）内分泌紊乱（3）遗传因素（4）精神因素

3．饮食营养失调

4．不良生活习惯

据世界卫生组织宣布，预计到2015年，无论发达国家还是不发达国家，人们

的死亡原因都将趋于一致，生活方式疾病将是影响人类健康的最主要原因。这说

明除环境(生物、物理和化学)、职业及遗传等致病因素外，诸如饮食习惯、吸烟

酗酒、精神紧张及运动不足将成为重要的病因。

精确放疗精度提高的单片机控制方法研究

影响癌症并发的外部及内部因素很多，不良生活习惯的影响，这导致癌症的

预防工作很难，癌症的发病率很高，严重影响了人的寿命，所以在癌症还得不到

有效预防控制的情况下，其治疗工作就显得尤为重要。随着科学技术的发展，对

癌症的发病原因、发病机理的研究有了新的进展推动了对癌症的防治研究。许多

癌症得到了有效控制，延长了癌症患者的生存期，生存质量得到了很大提高。恶

性肿瘤细胞复转为正常细胞也是可能的，癌症也不是"不可逆"的。在癌症的治疗

中，目前癌症主要的治疗手段是手术治疗、化疗、放疗和其他手段治疗，具体治

疗中往往需要几种手段结合使用，针对患者具体情况进行个体化的综合治疗是目

前临床治疗的重要研究课题。

§1.2 癌症的治疗方法

1外科治疗

外科手术仍是根治肿瘤的主要手段。对较早期的癌症，外科切除后能达到长

期治愈的目的，而对于局部晚期的癌症患者，若能完整切除，也可以达到较好的

远期疗效，在术前化疗放疗的配合下，一些原先已不能手术切除的患者可以通过

手术治愈。对于已出现远处转移的病人，若转移为单发孤立的病灶，在进行全身

治疗的同时，可先后进行转移癌与原发癌的切除，同样有可喜的远期疗效。手术

治疗是许多早、中期实体肿瘤最主要的有效治疗方法，约６０％的实体瘤以手术

作为主要治疗手段，但对已有扩散的肿瘤，手术治疗往往只能作为姑息治疗手段。

2内科治疗

目前，由于受经济、文化及医疗水平的限制，癌症的早期诊断尚有困难，

70％

到80％的患者在确诊时已超越了手术根治性切除的范围。同时，相当多的患者因

为年迈、心肺功能不佳,不能够耐受手术治疗;手术及放疗后复发转移的患者也多

不宜再手术，再放疗。这些患者均需要化学药物治疗，以达到控制肿瘤、延长存

活期的目的。从肿瘤生物学行为来讲，癌肿也是一类全身性疾病，最终的解决也

应该不是手术、放疗等局部治疗所能达到的。所以，化疗是癌症治疗中最具开发

潜力的手段与研究方向之一。随着有效化疗药物的增多，治疗策略上的进展，化

疗在癌症综合治疗中的地位日益提高、比重日益加大。肿瘤化学治疗是应用一

种或数种化学药物，通过口服或注射达到治疗肿瘤的方法。不同肿瘤的化疗效果

差别很大，如儿童急性淋巴细胞白血病、何杰金氏淋巴瘤、睾丸精原细胞癌等，

治愈率可达 50％以上；而另一些肿瘤通过化疗治愈率低，但可延长生存，如小细

胞肺癌、急性粒细胞性白血病，非何杰金氏淋巴瘤等；还有一些只能起到姑息作

用，即减轻症状和痛苦，如前列腺癌、胃癌、食道癌等。手术前后的合理化疗，

有助于提高疗效。

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摘要：

I摘要癌症的发病原因比较复杂，预防比较难，因而在癌症发病后癌症的治疗以及如何更加精确地进行癌症的治疗也成为人们研究的重点，特别是在胸腹部肿瘤的治疗过程当中，临床数据显示由呼吸运动对放疗精度造成的影响比较大，国内外已有的各种提高放疗精度的方法各有不足，使我们不得不关注这种情况下放疗精度的控制，我们就是在这种情况下提出了研究的课题。本课题主要是针对呼吸运动对精确放疗的影响问题，提出一种改进方法。胸肺部或者上腹部的生理运动，特别是呼吸运动,造成精确放疗过程中靶区内的剂量与预定剂量之间产生差别，这种差别造成肿瘤得不到有效的治疗，而且还将造成周围正常组织受到射线的照射。本文提出一种以呼吸参数采集和单片机...

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