立體定向放射治療設備可靠性評價中信息自動采集的研究*

夏 婷 夏慧琳* 高關心 劉浩川 李晶慧 包舒雅

立體定向放射治療設備是將高能射線聚焦于靶區(qū)，利用專用準直器和立體定向系統(tǒng)使靶區(qū)發(fā)生損毀的大型醫(yī)療設備。為了精準照射靶區(qū)，立體定向放射治療設備具有多線束和多放射野的特點，從而保護周圍正常組織不受到照射傷害，對于腫瘤等疾病有較好的療效[1-2]。按照世界衛(wèi)生組織(World Health Organization，WHO)的推薦，我國應該擁有醫(yī)用直線加速器達到2300～3900臺，然而目前我國的醫(yī)用直線加速器遠遠達不到該數(shù)量[3]。因此，未來醫(yī)用直線加速器還有巨大的發(fā)展空間，而臨床工程師面對立體定向放射治療設備巨大的市場，應對設備的安全性和可靠性開展相應的研究，減少立體定向放射治療設備可能產(chǎn)生的潛在危害。

通過采集立體定向放射治療設備在使用過程中的故障數(shù)據(jù)，利用可靠性分析建立可靠性系統(tǒng)評價體系，對立體定向放射治療設備故障率進行研究，發(fā)現(xiàn)立體定向放射治療設備的關鍵部件，從而制定維護保養(yǎng)方案，減少故障發(fā)生[4-5]。可靠性分析的第一步是故障數(shù)據(jù)的采集。然而，故障數(shù)據(jù)采集過程中遇到數(shù)據(jù)量少、數(shù)據(jù)不真實、數(shù)據(jù)記錄不準確和數(shù)據(jù)記錄不全面等問題，將直接影響可靠性分析的準確性和有效性。實現(xiàn)故障數(shù)據(jù)采集過程中數(shù)據(jù)的有效性和真實性，將為可靠性分析奠定數(shù)據(jù)基礎和參考依據(jù)。為此，本研究針對立體定向放射治療設備可靠性評價過程中故障數(shù)據(jù)采集問題，利用圖像采集器完成故障數(shù)據(jù)的記錄和分類，對故障數(shù)據(jù)采集過程中的難點、自動采集過程、自動采集數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)采集方法進行探討分析。

1 立體定向放射治療設備大數(shù)據(jù)采集難點

1.1 設備維修數(shù)據(jù)采集現(xiàn)狀

利用立體定向放射治療設備的維修記錄可以對設備進行可靠性分析，發(fā)現(xiàn)設備關鍵故障部件，尋找設備的不足和改進方案。因此，維修記錄中數(shù)據(jù)信息的真實準確性將決定可靠性的分析結(jié)果。目前，維修記錄在國內(nèi)醫(yī)院主要依靠人工記錄，以及保留廠商維修單的方法。單靠人工記錄和儲存可能會發(fā)生記錄缺失、記錄內(nèi)容不詳細、不規(guī)范的情況，進而影響可靠性分析的準確性。同時，可靠性分析對于數(shù)據(jù)類型具有嚴格的要求，且需要的數(shù)據(jù)類型較多。其中包括醫(yī)院名稱、序列號、地區(qū)、故障發(fā)生日、維修級別等。利用上述數(shù)據(jù)完成可靠性分析及計算，獲得平均首次故障時間、平均故障間隔時間、平均修復時間、可用度等結(jié)果，根據(jù)這些可靠性分析結(jié)果可以明確立體定向放射治療設備的關鍵部件。然而，對于研究立體定向放射治療設備的可靠性機制，僅依靠這些指標遠遠不夠，且不能明確導致設備差異性的本質(zhì)原因。

1.2 設備日常故障數(shù)據(jù)采集難點

除收集設備日常故障數(shù)據(jù)外，還需要詳細記錄當設備發(fā)生故障時的故障內(nèi)容、故障形式及故障參數(shù)，以及設備在用時具體的設置條件。設備故障參數(shù)等數(shù)據(jù)采集可通過聯(lián)系廠商開放設備日志和提供維修數(shù)據(jù)記錄的方法獲取目標數(shù)據(jù)，這樣即確保數(shù)據(jù)的真實有效性，又獲得類別豐富、數(shù)量巨大的信息。然而，在實際情況中由于設備端口不共享、涉及廠商經(jīng)濟利益和技術保密等因素，容易產(chǎn)生廠商數(shù)據(jù)外流和技術外泄的難題，因此通過廠商獲得所需數(shù)據(jù)難以實現(xiàn)。

2 立體定向放射治療設備大數(shù)據(jù)自動采集

大數(shù)據(jù)采集難點包括：①人工采集數(shù)據(jù)難以保證數(shù)據(jù)的真實有效性；②人工采集數(shù)據(jù)類型和數(shù)量的有限性。為了解決這些難題，利用某公司研制并提供的圖像采集器，可以自動提取立體定向放射治療設備工作站顯示器畫面，采集設備工作過程中畫面信息。通過這種畫面整體采集的方式，自動識別設備使用中的各項數(shù)據(jù)(包括正常工作數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù))，減少人為因素的影響，避免漏報小故障，真實地反映設備的日常工作情況和發(fā)生故障情況。此外，通過圖像采集器可以采集立體定向放射治療設備在日常運行中設備工作量數(shù)據(jù)，以及晨檢、預熱等質(zhì)量控制工作數(shù)據(jù)，為可靠性分析建立扎實的數(shù)據(jù)基礎。

2.1 信息的提取

圖像采集器利用視頻采集線，在設備運行過程中連續(xù)不斷地采集設備工作站的終端顯示器畫面。圖像采集器可以自動識別工作站的狀態(tài)，當工作站關機后會中斷采集過程。采集到的畫面以視頻的格式上傳到大數(shù)據(jù)平臺，等待進行圖像識別和大數(shù)據(jù)分析。每臺設備每日共產(chǎn)生約為7 GB的視頻文件，為了更精確和減少不必要的存儲空間浪費，會截取設備發(fā)生故障前后60 s的視頻，真實還原設備發(fā)生故障時各參數(shù)的數(shù)值、各部件的狀態(tài)和具體的操作界面信息，詳細記錄故障發(fā)生時的相關信息，極大的確保數(shù)據(jù)的真實性、有效性和實時性。

2.2 圖像識別和大數(shù)據(jù)分析

通過圖像識別技術，包括預處理、模板識別、光學字符識別(optical character recognition，OCR)等技術分析數(shù)據(jù)平臺上傳視頻文件。①完成數(shù)據(jù)清洗工作，減少無用數(shù)據(jù)的影響；②通過數(shù)據(jù)集成，建立數(shù)據(jù)倉庫；③通過數(shù)據(jù)變換和數(shù)據(jù)歸約完成整個數(shù)據(jù)預處理過程。圖像分析過程主要依托并聯(lián)合模板識別技術以及OCR技術，構(gòu)建數(shù)學模型完成關鍵信息的識別工作，在此過程中模板匹配技術非常重要，通過采集畫面數(shù)字化，并獲取相關點的像素值，利用數(shù)學模型和算法完成匹配，并顯示匹配后的圖像坐標[6-9]。利用識別技術將圖像信息轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C文字，獲取開始照射時間、結(jié)束照射時間、回復照射時間、照射劑量、射線類型等信息。

3 立體定向放射治療設備大數(shù)據(jù)采集應用

3.1 技術參數(shù)記錄

通過圖像識別技術對工作臺界面進行圖像信息抓取，獲取到的參數(shù)類型分為部分患者信息和設備參數(shù)，其中設備參數(shù)包含治療過程中的設定參數(shù)和實際值。信息類型包括：治療日期、設備編號、照射野編號、照射開始時間、照射結(jié)束時間、照射時長、暫停時長、機架角度、機架運動、準直器角度、準直器運動、射線類型、能量、照射技術、楔形板狀態(tài)、輸出跳數(shù)、備用輸出跳數(shù)、子野數(shù)量、治療床垂直距離、治療床左右距離、治療床進退距離、柱旋轉(zhuǎn)以及等中心旋轉(zhuǎn)等參數(shù)。通過這些參數(shù)的獲得，可以發(fā)現(xiàn)在實際治療過程中，實際值與設定值之間的差別，為可靠性分析增加參考內(nèi)容(如圖1所示)。

圖1 立體定向放射治療設備技術參數(shù)設置界面圖

3.2 設備故障參數(shù)記錄

當治療系統(tǒng)顯示器終端圖像跳出警報，或在左下角顯示的紅色條幅，表明設備處于非正常運行狀態(tài)。針對這樣的畫面，圖像采集器會自動進行識別，并自動保存和上傳故障發(fā)生前60 s和發(fā)生后60 s視頻。通過自動識別和自動記錄，可以準確的收集故障信息、故障發(fā)生細節(jié)和維修方案等信息，統(tǒng)計歷史故障和同一故障發(fā)生頻率，并且確保信息的真實性。記錄的故障數(shù)據(jù)包括：故障代碼、故障描述、故障處理方法、故障發(fā)生時間以及故障解決時間等。將這些設備故障數(shù)據(jù)整理后，利用可靠性相關公式計算首次故障平均時間(mean time to first failure，MTTFF)、平均故障間隔時間(mean time between failure，MTBF)及平均修復時間(mean time to repair，MTTR)等結(jié)果，明確故障率，確定設備關鍵部件[10-12](如圖2所示)。

圖2 立體定向放射治療設備故障界面圖

立體定向放射治療設備故障部分數(shù)據(jù)及代碼匯總?cè)缦隆?/p>

(1)設備故障數(shù)據(jù)一。時間：2017-08-07；設備編號：4302；故障代碼：Terminate Key；故障描述：26-The beam has been terminated by pressing the Terminate key(26-終止鍵操作暫停射線)；處理方法：Unlatch the Terminate key，use the reset key and press the Reset Motors button on the Hand Held Controller(打開終止鍵插栓，使用復位鍵，按下重置手持控制器上的電機按鈕)；設備顯示：發(fā)生時間16∶36∶26，解決時間16∶37∶38，故障時長72 s。

(2)設備故障數(shù)據(jù)二。時間，2017-08-10；設備編號，4302；故障代碼，Dose Rate Mon；設備顯示，發(fā)生時間9∶49∶11，解決時間9∶49∶24，故障時長13 s。

(3)設備故障數(shù)據(jù)三。時間，2017-08-10；設備編號，4302；故障代碼，2R ERR；設備顯示，發(fā)生時間9∶49∶41，解決時間9∶49∶50，故障時長9 s。

3.3 其他類型數(shù)據(jù)記錄

除了記錄上述設備治療參數(shù)，還可以獲取并統(tǒng)計有關質(zhì)量控制的參數(shù)，包括每日工作量、晨檢、預熱等。利用圖像采集器可以對醫(yī)院每日每臺設備的醫(yī)護人員和設備工作量進行記錄統(tǒng)計，數(shù)據(jù)類型包括治療日期、設備編號、患者編號、患者姓名、照射野數(shù)量、照射總時長、金額、技師姓名等。利用采集到的數(shù)據(jù)可以定期對每臺設備和醫(yī)護人員的工作量進行統(tǒng)計和計算，找出設備空閑時間，減少不必要的浪費，提高設備利用率，滿足患者治療需求(見表1)。

表1 立體定向放射治療設備部分單日工作量匯總

立體定向放射治療設備晨檢是指利用檢測儀檢測直線加速器的實際輸出劑量，反映直線加速器發(fā)出射線的真實狀況[13]。目前，醫(yī)院使用的晨檢儀是獨立于立體定向放射治療設備的，因此通過圖像采集器可以將需要的信息數(shù)據(jù)上傳，避免“信息孤島”的現(xiàn)象。信息主要包括日期、設備編號、晨檢儀編號、處理單元、協(xié)議、方式、能量、射野尺寸、源現(xiàn)距、機架角度、楔形板角度、跳數(shù)、中心軸輸出量、射野平坦度、槍-靶對稱性、左右對稱性、光束質(zhì)量因子、楔形板檢測角度、L10檢測量、溫度、氣壓以及晨檢結(jié)果等。對晨檢信息進行合理利用，為設備可靠性分析、質(zhì)量控制以及維護保養(yǎng)方案提供參考依據(jù)。

此外，為了保護閘流管和磁控管，增加設備的穩(wěn)定性，延長使用壽命，需要每日開機后對設備進行預熱，自動采集器可以記錄醫(yī)護工作人員是否按要求對設備進行了預熱，并且記錄預熱開始時間和結(jié)束時間。具體參數(shù)包括日期、設備編號、閘流管預熱及磁控管預熱等[14-15]。

4 結(jié)語

可靠性分析在立體定向放射治療設備中的應用已受到廣泛重視，為指導臨床在醫(yī)療設備的使用提供參考。面對設備數(shù)據(jù)難獲取、真實性差及有效性低等問題，可靠性分析在醫(yī)療設備中的應用仍有待探索。通過圖像采集器實現(xiàn)立體定向放射治療設備技術參數(shù)、故障數(shù)據(jù)、每日工作量、預熱、晨檢等大數(shù)據(jù)的采集，利用圖像識別技術完成數(shù)據(jù)的分類和記錄，確保數(shù)據(jù)的真實性、有效性和及時性，能夠為可靠性分析提供堅實的數(shù)據(jù)基礎，為醫(yī)療大數(shù)據(jù)分析和應用方向擴展提供有力的工具。