CN112957621B - 硼中子俘获治疗定位及呼吸监测***和应用其的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提出了一种硼中子俘获治疗定位及呼吸监测***，包括：信号发射器，用于发射光；传感光纤，所述发射光通过所述传感光纤，反射瑞利散射信号；干涉装置，耦合所述发射光和所述瑞利散射信号并转化为相应电信号；信号处理***，接收并处理所述电信号；治疗床或治疗服，用于铺设传感光纤，所述发射光依次通过所述、所述治疗床或所述病服上的传感光纤，到达所述信号处理***，根据所述电信号获得病人在所述治疗床上的定位信息，或病人呼气、吸气时的起伏位置信息；当监测病人在所述治疗床上的定位信息处于预定值时，所述信号处理***控制中子束流出射口发射中子进行硼中子俘获治疗。该***可用来保护正常组织，提高肿瘤治疗精度。

Description

硼中子俘获治疗定位及呼吸监测***和应用其的方法
技术领域
本发明属于肿瘤放射治疗领域，具体地，涉及一种硼中子俘获治疗定位及呼吸监测***及应用其对病人进行定位和呼吸特征进行识别的方法。
背景技术
硼中子俘获治疗(Boron Neutron Capture Therapy,BNCT)技术，利用外照射中子束与富集于肿瘤区的含硼靶向药物作用，通过10B(n,α)7Li反应产生的高传能线密度重离子α、7Li在细胞尺度内选择性杀死癌细胞，对大范围弥散性恶性肿瘤治疗具有特殊治疗优势，是新兴快速发展的先进放射治疗技术之一。
用于BNCT的核反应堆或加速器的中子束端口通常难以360度旋转，将患者调整到合适的位置进行照射需要精确的患者定位和摆位设计。目前BNCT治疗方案中的患者定位，通常使用靠垫或安全带固定；或使用热塑性塑料网将患者的头部固定以进行治疗，如图1所示。在此过程中，患者需要保持较长时间的固定，会产生较强的不适感，患者的镇静程度与定位效果紧密相关，同时患者的呼吸运动等也会影响到定位装置的准确性，影响治疗效果。
发明内容
针对现有技术的不足，本申请提出了一种硼中子俘获治疗定位及呼吸监测***，和利用此***进行病人定位和呼吸特征识别的方法。
具体地，该硼中子俘获治疗定位及呼吸监测***包括：信号发射器，用于发射光；干涉装置，所述发射光通过所述干涉装置，反射瑞利散射信号，并被转化为相应电信号；信号处理***，接收并处理所述电信号；传感光纤，连接所述干涉装置和所述信号处理***；治疗床或治疗服，用于铺设传感光纤，所述发射光依次通过所述干涉装置、所述治疗床或所述病服上的传感光纤，到达所述信号处理***，根据所述电信号获得病人在病床上的定位信息，或病人呼气、吸气时的起伏位置信息；当监测病人在所述治疗床上的定位值处于预定值时，所述信号处理***控制中子束流出射口发射中子进行硼中子俘获治疗。
可选地，当监测病人在所述治疗床上的定位值和病人呼气/吸气时的起伏位置信息均处于预定值时，所述信号处理***控制中子束流出射口发射中子进行硼中子俘获治疗。
进一步地，其中，所述传感光纤包括主光纤和辅助光纤，所述主光纤感应应力和温度变化，所述辅助光纤感应温度变化，所述信号发射器发射相同的两束光，分别进入所述主光纤和所述辅助光纤，反射不同的瑞利散射信号，并分别被转化为不同的干涉电信号，利用所述不同的干涉电信号通过互相关运算解调出的光谱频移量，以获得应力变化和温度变化与所述光谱频移量的关系。
进一步地，其中，所述干涉装置包括：主干涉组件，包括第二耦合器、第三耦合器和环形器，所述第一耦合器将所述入射光分路为信号光和参考光，所述信号光经过所述主光纤或所述辅助光纤，发生瑞利散射信号返回所述环形器，所述环形器将所述瑞利散射信号、所述信号光、所述参考光按照由静偏磁场确定的方向顺序传入第三耦合器，耦合为反射带有瑞利散射信号的干涉光；
光电探测器，接收所述环形器传入的所述带有瑞利散射信号的干涉光，并将所述瑞利散射信号的干涉光转换为干涉电信号。
进一步地，其中，所述干涉装置还包括：第一耦合器，将所述入射光分路为主光和辅光，所述主光进入所述主干涉装置；辅助干涉组件，所述辅光进入所述辅干涉装置，并反射瑞利散射信号，被所述光电探测器转化为对拍频信号，以作为外部采样时钟。
进一步地，其中，所述治疗床包括：床基，用于承载载荷；多层支撑物，固定于所述床基之上，且每层所述支撑物之间均均匀密布地铺设所述主光纤和所述辅助光纤，以传送病人的定位信息和载荷信息；惯性传感器，探测所述治疗床的角度信息；治疗床控制器，接收所述病人定位信息以及治疗床角度信息，并发出命令控制治疗床运动。
进一步地，其中，所述传感光纤为抗辐射光纤，包括：掺铒光纤、铒镱共掺光纤、掺氟光纤、抗辐射单模光纤、抗辐射多模光纤中的一种或多种。
本申请还涉及一种利用如上所述的硼中子俘获治疗定位及监测***进行病人定位的方法，包括：输出与平面形成多种预定角度时，平躺在所述治疗床上的病人对所述治疗床施加的各部位负荷分布应力值；利用所述负荷分布应力值，得到病人位置信息，减小病人的摆位不确定性。
本申请还涉及一种利用如上所述的硼中子俘获治疗定位及监测***进行病人呼吸特征识别的方法：1)实验计算得到温度变化△T应变变化△ε在同时变化时与信号处理***接收到的电信号对应的光谱频移值△f的关系公式；2)记录穿有治疗服的病人屏息时，胸腔和腹部多个采样点的第一光谱频移值△f1；3)记录穿有治疗服的病人正常呼吸时，胸腔和腹部所述多个采样点的第二光谱频移值△f2；4)分别计算同一部位的多个所述第一光谱频移值和第二光谱频移值的差值，根据上述关系公式，得到对应的温度变化△T和应变变化△ε，进而预测病人之后的呼吸周期；5)判断预测的呼吸周期是否与实际相符，若符合，利用拍频信号作为的外时钟的门控技术，在病人吸气/呼气时打开门控，进行辐射治疗，直至累计达到辐射预定值。
进一步地，其中，利用拍频信号作为的外时钟的门控技术的方法包括，当拍频信号满足预设触发条件时，对所述干涉电信号进行采集，记录所述干涉电信号，并对多个所述干涉电信号进行互相关运算，直至获取整条所述主光纤和所述辅助光纤瑞利散射光谱所对应的干涉电信号。
本申请中涉及的硼中子俘获治疗定位及呼吸监测***，通过光频域反射技术(OFDR)结合阈值对比定位算法以及基于人工智能的呼气运动特征识别方法，来实现硼中子俘获治疗过程中在线定位及监测，达到对病人定位和病人呼吸特征识别的目的。对现有呼吸门控技术做出较大改善。该方法极大减轻患者的不适感，降低呼吸运动等对定位结果的不利影响而且可以实现实时的病人身体特征、呼吸特征、相对位置等参数的监控。在更低的使用成本情况下提高了定位精度同时大幅降低计算时间所导致的信号延迟。从而保护正常组织，提高治疗精度。
背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施例，本申请的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。
图1示出背景技术中常见的固定病人的定制模具示意图。
图2示出了本申请中的硼中子俘获治疗定位及呼吸监测***示意图。
图3示出了申请中的主光纤信号传输方案的示意图。
图4示出了申请中的主光纤和辅助光纤信号传输方案的示意图。
图5示出了本申请中的治疗床示意图。
图6示出了本申请中的光纤在治疗床上的铺设方案示意图。
图7示出了本申请中的光纤在治疗服上的铺设方案示意图。
图8示出了利用本申请中的硼中子俘获治疗定位及呼吸监测***对病人进行治疗的方法流程图。
图9示出了利用本申请中的硼中子俘获治疗定位及呼吸监测***对病人进行治疗时，采用拍频信号作为外时钟，进行治疗的过程。
图10示出了获取整条光纤瑞利散射光谱的过程。
图11示出了拍频信号即门控信号和呼吸周期对应关系图。
具体实施方式
以下结合实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
本发明提供了一种硼中子俘获定位及监测治疗***，和利用硼中子俘获治疗定位及呼吸监测***进行病人定位和对病人呼吸特征识别的方法。图2示出了本申请中的硼中子俘获治疗定位及呼吸监测***示意图。图3示出了申请中的主光纤信号传输方案的示意图。图4示出了申请中的主光纤和辅助光纤信号传输方案的示意图。图5示出了本申请中的治疗床示意图。图6示出了本申请中的光纤在治疗服上的铺设方案示意图。图7示出了本申请中的光纤在治疗床上的铺设方案示意图。图8示出了利用本申请中的硼中子俘获治疗定位及呼吸监测***对病人进行治疗的方法流程图。图9示出了利用本申请中的硼中子俘获治疗定位及呼吸监测***对病人进行治疗时，采用拍频信号作为外时钟，进行治疗的过程。图10示出了获取整条光纤瑞利散射光谱的过程。
由图2所示，本申请提供的硼中子俘获治疗定位及呼吸监测***，包括信号发射器1、干涉装置2、传感光纤3、信号处理***4、和中子发射器和治疗床6或治疗服5。
由图3所示，本申请的硼中子俘获治疗定位及呼吸监测***中的信号发射器1发射连续光，发射出的光进入干涉装置2、经过治疗床或病服上的光纤3传递最终到达信号处理***4。光在光纤和干涉装置中反射瑞利散射信号，该瑞利散射信号被信号处理***4识别并通过综合计算，得到治疗床或病服上病人的定位信息和病人呼吸时的起伏位置信息。中子束流出口装置处接收信号处理***4输出的门控信号，当检测到病人在病床上的定位信息处于预定值时，发射硼中子进行靶向治疗。此时适用于靶细胞定位与呼吸无关地情况，如脑部治疗。当与呼吸相关地定位时，如胸部腹部中地靶细胞，则需要监测病人在所述治疗床上的定位值和病人呼气/吸气时的起伏位置信息均处于预定值时，所述信号处理***控制中子束流出射口发射中子进行硼中子俘获治疗。呼吸时的起伏位置信息预定值可以定义为当病人呼吸平稳后，呼气或吸气时的位置信息。即可以选择在呼气或吸气某统一状态下进行治疗。信号处理***4中具有可视化功能，方便实时观察定位等信息。
如图3所示，干涉装置2中包括第一耦合器21，两个相同型号的光纤型马赫增德尔干涉仪分别作为主干涉组件22、辅助干涉组件23；还包括光电探测器(未示出)。
信号发射器1发射的连续相干光进入第一耦合器21中，第一耦合器21将该入射光分成主光和辅光两路，再分别进入主干涉组件22和辅助干涉组件23。其中图3中实线对应的是主光光路，虚线对应的是辅光光路。本实施例中的主光和辅光的分光比为95：5，其可根据实际情况进行设置，对比不做限定。
主干涉组件22经过治疗床或治疗服上的传感光纤3，辅助干涉组件未经过传感光纤。经过主干涉组件22的光经过瑞利散射，被光电探测器(未示出)转化为电信号供之后分析解调。
辅助干涉组件别识别产生的电信号作为拍频信号，用来作为外部时钟的门控***，控制主干涉组件的开闭。以此消除非线性调谐对***的影响。即主干涉和辅助干涉组件具有相同的频率输出，通过观察控制辅助干涉组件即可控制主干涉组件的开闭。
图3中还示出了主干涉组件22的内部结构，包括两个第二耦合器221，环形器222，第三耦合器223。因此上述的主干涉组件22的工作过程还可以详细表述为经过第一耦合器21分出的主光，进入第二耦合器221，被分光为信号光和参考光。信号光通过环形器222途经治疗床或治疗服上的传感光纤，信号光在传感光纤中发生瑞利散射后，返回进入环形器222，进而进入第三耦合器223。参考光直接进入第三耦合器223，并与信号光发生干涉，干涉光被光电探测器探测到并转化为干涉电信号，供后续的信号处理***分析解调。辅光直接途经两个第四耦合器231和延迟光纤被光电探测器探测转化为拍频电信号。环形器采用静偏磁场确定的方向顺序传入第三耦合器。
如图4所示，图4中含有两组图3所示的干涉装置2，区别在于连接两组干涉装置的传感光纤不同。本申请中的硼中子俘获治疗定位及呼吸监测***，传感光纤包括两种，分别为主光纤和辅助光纤(图4中上方为主光纤，下方为辅助光纤)，主光纤感应应力和温度变化，辅助光纤仅感应温度变化。信号发射器发射相同的两束光，通过两组相同的所述干涉装置后，分别进入治疗床或治疗服上的主光纤和辅助光纤，反射不同的瑞利散射信号，并分别被转化为不同的干涉电信号。将上述的不同干涉电信号进行互相关运算，得到温度和应变与电信号解调出的瑞利散射信号光谱频移的关系。
本申请中的主光纤通过两端拉紧来达到感受应力和温度变化的作用，辅助光纤两端留有长度余量，处于松弛状态，来达到仅感受温度变化的作用。温度光纤可消除温度不均匀的影响,设置温度光纤还可获取更准确的应力信息。
本申请中还对铺设传感光纤的治疗床进行了详细描述，如图5所示，图5示出了本申请中的治疗床6示意图。治疗床包括床基体61，多层支撑物62，惯性传感器63，治疗床控制器(未示出)。惯性传感器63安装在光纤铺设面上。将多层支撑物62固定于床基61上，支撑物62之间可通过枢轴固定在一起。每一层支撑物62之间均匀密布地铺设有主光纤和辅助光纤。用于获取并传递病人在治疗床上地定位信息和载荷信息。惯性传感器63用于探测治疗床的角度信息，治疗床控制器用于接收角度信息，并发出命令控制治疗床的运动。
该治疗床的运动方式如下，例如平躺时通过光纤传递至信号处理***的病人定位信息计算得到病灶的定位，其并不符合中子发射器的中子入射角度，通过治疗床控制器控制治疗床发生偏转或旋转等，并通过惯性传感器不断测量并反射角度信息至治疗床控制器，直至病灶定位信息符合中子入射角度为止。
现有技术下治疗床的控制方法具有多种，本申请仅示出了其中一种，只要能达到角度偏转，方便粒子照射即可，在此不多做描述。
本申请中还示出了传感光纤在治疗床和治疗服上的铺设方案的示意图，如图6和图7所述。其铺设宗旨为尽量均匀密布的铺设，且主光纤和辅助光纤尽量同位置同形状的铺设。
本申请中涉及的传感光纤因为要受到粒子辐射，因此为抗辐射光纤，例如，掺铒光纤、铒镱共掺光纤、掺氟光纤、抗辐射单模光纤、抗辐射多模光纤，可选择其中的一种或多种。
利用上述的硼中子俘获治疗定位及呼吸监测***，可以对病人进行定位，尤其是病灶进行定位和调整，以适合硼中子的发射口角度。
具体方法如下：
1)将病人平躺在治疗床上，输出病人身体对治疗床上的光纤铺设面施加的负荷。
2)结合病人的身体参数，初步计算出病人病灶位置的参数。
3)根据中子发射器的粒子出射方向和出射口的坐标，计算旋转治疗床的角度；
4)旋转治疗床的角度，使得粒子出射辐射病灶位置。
利用上述的硼中子俘获治疗定位及呼吸监测***，可以对病人的呼吸特征进行识别，即，判断病人的呼吸周期，在病人吸气(或呼气)的特定时期进行粒子辐射，避免呼吸带来的病灶位置靶细胞的运动不稳定性。具体方法如下：
1)实验计算得到温度变化△T，应变变化△ε在同时变化时与信号处理***接收到的电信号对应的光谱频移值△f的关系公式。
2)记录穿有治疗服的病人屏息时，胸腔和腹部多个采样点的第一光谱频移值△f1。
3)记录穿有治疗服的病人正常呼吸时，胸腔和腹部所述多个采样点的第二光谱频移值△f2。
4)分别计算同一部位的多个所述第一光谱频移值和第二光谱频移值的差值，根据上述关系公式，得到对应的温度变化△T和应变变化△ε，进而预测病人之后的呼吸周期。
5)判断预测的呼吸周期是否与实际相符，若符合，利用拍频信号作为的外时钟的门控技术，在病人吸气(或呼气)时打开门控，进行辐射治疗，直至累计达到辐射预定值。
上述的公式的获取过程如下：
1)分别在不同温度和应变下对主光纤和辅助光纤进行标定，从而获得不同温度和不同应变与光谱频移的标定曲线。
2)利用光谱频移在不同温度的标定曲线，得到主光纤和辅助光纤的温度传感系数KT1，KT2，利用光谱频移在不同应变的标定曲线得到应变传感系数KS1,KS2。
3)利用如下公式，在已知光谱频移△f1和△f2的情况时，可以得知温度变化△T、应变变化△ε的具体值。
Figure BDA0002926341770000091
结合上述的对病人进行定位和呼吸特征识别的方法，两方法可以配合使用如图8所示。预备工作后采用定位方法获取患者的定位信息，利用治疗服胸口的光纤的呼吸特征识别方法，再利用门控信号，在病人吸气或者呼气时进行粒子辐射。
其中呼吸特征识别方法包括：最近邻分类器、决策树、贝叶斯分类器、Boosting、随机森林、K临近算法、贝叶斯信念网络、支持向量机、人工神经网络中的一种或多种。
如图9所示，当拍频信号满足预设触发条件时，对所述干涉电信号进行采集，记录所述干涉电信号。实验时仅需从周期性脉冲上沿开始时进行记录，直到达到辐射剂量。
如图10所示，对多个所述干涉电信号解调出的光频偏移进行互相关运算，直至获取整条所述主光纤和所述辅助光纤瑞利散射光谱的偏移量。
如图11示出了拍频信号即门控信号和呼吸周期对应关系图。由图可知，门控***和呼吸周期频率相同，可以通过控制门控信号进而控制呼吸时辐射粒子射出。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种硼中子俘获治疗定位及呼吸监测***，包括：
信号发射器，用于发射光；
传感光纤，所述发射光通过所述传感光纤，反射瑞利散射信号；
干涉装置，耦合所述发射光和所述瑞利散射信号并转化为相应电信号；
信号处理***，接收并处理所述电信号；
治疗床或治疗服，用于铺设传感光纤，且所述传感光纤连接所述干涉装置和所述信号处理***，所述发射光依次通过所述干涉装置、所述治疗床或所述治疗服上的传感光纤，到达所述信号处理***，根据所述电信号获得病人在所述治疗床上的定位信息，或病人呼气、吸气时的起伏位置信息；
当监测病人在所述治疗床上的定位信息或病人呼气、吸气时的起伏位置信息处于预定值时，所述信号处理***控制中子束流出射口发射中子进行硼中子俘获治疗；
所述传感光纤包括主光纤和辅助光纤，所述主光纤感应应力和温度变化，所述辅助光纤感应温度变化，所述信号发射器发射相同的两束光，分别进入所述主光纤和所述辅助光纤，反射不同的瑞利散射信号，并分别经所述干涉装置被转化为不同的干涉电信号，利用所述不同的干涉电信号通过互相关运算解调出的光谱频移量，以获得应力变化和温度变化与所述光谱频移量的关系，进而预测病人在所述治疗床上的定位信息或病人的呼气、吸气时的起伏位置信息。
2.如权利要求1所述的硼中子俘获治疗定位及呼吸监测***，其中，当监测病人在所述治疗床上的定位值和病人呼气、吸气时的起伏位置信息均处于预定值时，所述信号处理***控制中子束流出射口发射中子进行硼中子俘获治疗。
3.如权利要求2所述的硼中子俘获治疗定位及呼吸监测***，其中，所述干涉装置包括：
主干涉组件，包括第二耦合器、第三耦合器和环形器，第二 耦合器将入射光分路为信号光和参考光，所述信号光经过所述主光纤或所述辅助光纤，发生瑞利散射信号返回所述环形器，所述环形器将所述瑞利散射信号、所述信号光、所述参考光按照由静偏磁场确定的方向顺序传入第三耦合器，耦合为反射带有瑞利散射信号的干涉光；
光电探测器，接收所述环形器传入的所述带有瑞利散射信号的干涉光，并将所述瑞利散射信号的干涉光转换为干涉电信号。
4.如权利要求3所述的硼中子俘获治疗定位及呼吸监测***，其中，所述干涉装置还包括：
第一耦合器，将所述入射光分路为主光和辅光，所述主光进入所述主干涉组件；
辅助干涉组件，包括第四耦合器和延迟光纤，所述辅光经所述延迟光纤反射瑞利散射信号，所述第四耦合器将所述带有瑞利散射信号的辅光耦合，并被所述光电探测器转化为对拍频信号，以作为外部采样时钟。
5.如权利要求4所述的硼中子俘获治疗定位及呼吸监测***，其中，所述治疗床包括：
床基，用于承载载荷；
多层支撑物，固定于所述床基之上，且每层所述支撑物之间均均匀密布地铺设所述主光纤和所述辅助光纤，以传送病人的定位信息和载荷信息；
惯性传感器，探测所述治疗床的角度信息；
治疗床控制器，接收所述病人定位信息以及治疗床角度信息，并发出命令控制治疗床运动。
6.如权利要求5所述的硼中子俘获治疗定位及呼吸监测***，其中，所述传感光纤为抗辐射光纤，包括：掺铒光纤、铒镱共掺光纤、掺氟光纤、抗辐射单模光纤、抗辐射多模光纤中的一种或多种。
7.一种利用如权利要求1-6任一所述的硼中子俘获治疗定位及呼吸监测***进行病人定位的方法，包括：
输出与平面形成多种预定角度时，平躺在所述治疗床上的病人对所述治疗床施加的各部位负荷分布应力值；
利用所述负荷分布应力值获得病人位置信息。
8.一种利用如权利要求1-6任一所述的硼中子俘获治疗定位及呼吸监测***进行病人呼吸特征识别的方法：
1）实验计算得到温度变化△T应变变化△ε在同时变化时与信号处理***接收到的电信号对应的光谱频移值△f的关系公式；
2）记录穿有治疗服的病人屏息时，胸腔和腹部多个采样点的第一光谱频移值△f1；
3）记录穿有治疗服的病人正常呼吸时，胸腔和腹部所述多个采样点的第二光谱频移值△f2；
4）分别计算同一部位的多个所述第一光谱频移值和第二光谱频移值的差值，根据上述关系公式，得到对应的温度变化△T和应变变化△ε，进而预测病人之后的呼吸周期；
5）判断预测的呼吸周期是否与实际相符，若符合，利用拍频信号作为的外时钟的门控技术，在病人吸气、呼气时打开门控，进行辐射治疗，直至累计达到辐射预定值。
9.如权利要求8所述的进行 病人呼吸特征识别的方法，其中，利用拍频信号作为外时钟门控技术的方法包括：当拍频信号满足预设触发条件时，对所述干涉电信号进行采集，记录所述干涉电信号，并对多个所述干涉电信号进行互相关运算，直至获取整条所述主光纤和所述辅助光纤瑞利散射光谱所对应的干涉电信号。
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