基于Web放療設(shè)備質(zhì)量控制管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

胡金炎，張麗媛，裴運(yùn)通，王海洋，郭躍信

1. 鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院 放射治療部，河南 鄭州 450052；2. 鄭州市中心醫(yī)院 放射治療科，河南 鄭州 450052

引言

放療設(shè)備質(zhì)量控制和質(zhì)量保障是患者得到準(zhǔn)確劑量投照的關(guān)鍵因素之一[1]。放療涉及眾多復(fù)雜醫(yī)療設(shè)備，其質(zhì)控內(nèi)容及頻率各不相同，許多醫(yī)療機(jī)構(gòu)還設(shè)有分院區(qū)。雖然一些國家和國際協(xié)作組定義標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范質(zhì)控內(nèi)容、方法和容差[2]，但目前質(zhì)控?cái)?shù)據(jù)多采用紙質(zhì)或本地電腦記錄分析，信息化程度不高，不能及時(shí)反饋質(zhì)控結(jié)果，查詢不便，這給質(zhì)控規(guī)范化實(shí)施、適時(shí)掌握機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)、不同院區(qū)共享資源帶來障礙[3-5]。開發(fā)一個(gè)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在線存儲、分析、審核和檢索質(zhì)控結(jié)果具有現(xiàn)實(shí)意義。Web架構(gòu)是一種基于瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模式，這種模式將系統(tǒng)核心功能集中在服務(wù)器上，用戶通過瀏覽器訪問數(shù)據(jù)、交互顯示，對于放療科這種需要不同地點(diǎn)、不同人員、不同設(shè)備之間多方協(xié)作科室有一定優(yōu)勢[6-8]。本課題研究基于Web架構(gòu)實(shí)現(xiàn)放療設(shè)備質(zhì)量控制管理系統(tǒng)并評估其臨床應(yīng)用價(jià)值。

1 材料和方法

1.1 環(huán)境配置

系統(tǒng)硬件為一臺接入醫(yī)院局域網(wǎng)計(jì)算機(jī)服務(wù)器，操作系統(tǒng)為Windows Service 2012，數(shù)據(jù)庫為SQL Server 2014。系統(tǒng)軟件基于B/S架構(gòu)，在開源Web框架Django 2.1基礎(chǔ)上，整合開源軟件工具包QATrack[9]、Pydicom[10]和Pylinac[11]等開發(fā)而成。系統(tǒng)后端編程語言Python 3.6，前端頁面開發(fā)語言HTML、CSS及JavaScript，利用Windows互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)提供反向代理和靜態(tài)文件服務(wù)。

1.2 軟件架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)B/S三層架構(gòu)（圖1）。最上層為應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)不同角色應(yīng)用對應(yīng)模塊；中間層為業(yè)務(wù)邏輯層，負(fù)責(zé)各個(gè)應(yīng)用模塊與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫通訊連接，實(shí)現(xiàn)交互式響應(yīng)；底層為數(shù)據(jù)持久層，負(fù)責(zé)記錄和存儲質(zhì)控過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)和功能模塊

1.3 功能模塊

根據(jù)國家腫瘤規(guī)范化診治質(zhì)控中心指南（NCC/T-RT），AAPM TG-142及TG-148等報(bào)告要求，依角色不同將系統(tǒng)劃分為11個(gè)模塊（圖1）：① 技術(shù)員負(fù)責(zé)的晨檢模塊；② 物理師負(fù)責(zé)的周檢、月檢和年檢模塊；③ 一些非常規(guī)檢查項(xiàng)目，如加速器MLC葉片Picket Fence測試，VMAT測試及日志文件分析等；④ 部門主管負(fù)責(zé)的質(zhì)控審核、批準(zhǔn)模塊；⑤ 系統(tǒng)管理員負(fù)責(zé)的用戶管理、設(shè)備管理、權(quán)限管理和測試項(xiàng)目管理等。

1.4 系統(tǒng)評估

為了評估系統(tǒng)對自主編程實(shí)現(xiàn)質(zhì)控檢測功能準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)使用RIT公司RIT 142軟件和GafChromic公司Film QA 2016軟件進(jìn)行對比分析，高年資物理師通過對結(jié)果采取審查監(jiān)督等多種方式確保系統(tǒng)分析方法邏輯準(zhǔn)確性和實(shí)際的臨床應(yīng)用效果。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

本文統(tǒng)計(jì)基于SPSS 22.0軟件，對人工、RIT142軟件及本系統(tǒng)對Catphan模體不同材料CT值分析的結(jié)果是否具有顯著性差異采用多變量方差分析，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)以加速器為中心設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)覆蓋放療設(shè)備質(zhì)控全流程大量實(shí)用功能。質(zhì)控功能包括：加速器晨檢、周檢、月檢，影像學(xué)月檢、年檢，模擬機(jī)定位機(jī)和后裝治療機(jī)月檢和非常規(guī)項(xiàng)目檢查；非質(zhì)控功能包括：趨勢分析、報(bào)告打印、容差設(shè)定、機(jī)器配置、賬號管理等。系統(tǒng)自運(yùn)行以來共進(jìn)行質(zhì)控逾1000項(xiàng)，測試項(xiàng)目逾20000條。

2.1.1 系統(tǒng)主界面

圖2a為系統(tǒng)主界面，系統(tǒng)功能分為質(zhì)控實(shí)施、質(zhì)控審核和配置管理。質(zhì)控實(shí)施界面按院區(qū)、類型對放療設(shè)備分類（圖2b），每臺設(shè)備設(shè)置相應(yīng)的質(zhì)控頻率，如加速器晨檢、周檢、月檢、年檢及非常規(guī)檢測，而模擬機(jī)和后裝治療機(jī)只安排月檢和非常規(guī)檢測。質(zhì)控審核界面顯示有無逾期的質(zhì)控檢測項(xiàng)目（圖2c）、下一次檢測日期及質(zhì)控結(jié)果。質(zhì)控檢測結(jié)果中綠色為通過，黃色在警告（Warning）容差范圍內(nèi)，紅色為超過行動(dòng)（Action）容差而需采取處置措施。配置管理界面為系統(tǒng)管理員配置設(shè)備模態(tài)，設(shè)置質(zhì)控檢測項(xiàng)目、參考值及容差范圍，人員權(quán)限管理等提供便利（圖2d）。

圖2 系統(tǒng)主要用戶界面

2.1.2 周檢

周檢分為劑量、機(jī)械和安全性檢查（圖3a）。常用參數(shù)如電離室校正因子可通過設(shè)計(jì)在表格中下拉框調(diào)??；質(zhì)控文檔或參考資料通過超鏈接方式引用。單擊檢測項(xiàng)目會(huì)提供詳細(xì)測量設(shè)備條件和測量方法，重要部分以加粗或者對比強(qiáng)烈字體顯示；檢測項(xiàng)目還給出測量參考值及容差范圍。質(zhì)控過程中碰到的特殊情況，比如機(jī)器宕機(jī)等，質(zhì)控人員需在備注欄里詳細(xì)說明情況，該項(xiàng)測量則暫時(shí)可略過。當(dāng)前測量值在警告容差范圍內(nèi)則顯示綠色、在警告容差外則報(bào)黃，超過行動(dòng)容差則報(bào)紅；系統(tǒng)還顯示同一檢測項(xiàng)目最近5次的歷史記錄，方便與當(dāng)前測量值對比，給物理師決策是否采取相應(yīng)處置措施提供參考。

2.1.3 月檢、年檢和非常規(guī)檢查

月檢、年檢和非常規(guī)檢查檢測記錄項(xiàng)與周檢類似，部分檢測項(xiàng)目基于科室發(fā)表同行評審論文算法代碼，如機(jī)載影像系統(tǒng)影像質(zhì)控Catphan模體量化分析（圖3b）[12]，只需要將掃描DICOM格式圖像壓縮后上傳至系統(tǒng)，選擇Catphan類型，系統(tǒng)自動(dòng)完成所有檢測項(xiàng)目分析，根據(jù)需要分析功能可擴(kuò)展。其他類似的自動(dòng)分析功能包括：基于電子射野影像系統(tǒng)（Electronic Portal Imaging Devices，EPID）平坦度對稱性檢測[13]、基于EPID VMAT測試[14]、加速器旋轉(zhuǎn)等中心（Star Shot）檢測[15]、MLC軌跡日志分析及輻射等中心Winston-Lutz分析[16]等。

圖3. 質(zhì)控實(shí)施界面

2.1.4 趨勢及運(yùn)行圖分析

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對質(zhì)控檢測項(xiàng)目趨勢及運(yùn)行圖分析[17]，以圖表形式顯示檢測項(xiàng)目結(jié)果隨時(shí)間變化趨勢、均值和標(biāo)準(zhǔn)差，檢測結(jié)果也可以通過Excel格式導(dǎo)出方便后續(xù)分析。圖4a顯示前8個(gè)月Tomo加速器靜態(tài)輸出劑量均在允許容差范圍內(nèi)，但是呈現(xiàn)下降趨勢，說明該項(xiàng)檢測在單一測量時(shí)間點(diǎn)沒有問題，放在較長時(shí)間維度上才顯現(xiàn)其變化趨勢。采用人工干預(yù)校準(zhǔn)絕對量后，Tomo靜態(tài)輸出劑量回歸正常。圖4b為本單位加速器絕對劑量相對偏差箱圖，各加速器相對偏差中位數(shù)及波動(dòng)范圍各不相同，其中4臺設(shè)備（Axesse，TrueBeam，EDGE和VersaHD）中位數(shù)偏高，3臺設(shè)備（Synergy，Trilogy和Tomo）中位數(shù)偏低。

圖4 趨勢分析和統(tǒng)計(jì)分析

2.2 應(yīng)用效果

表1為EDGE加速器機(jī)載影像系統(tǒng)Catphan 604模體掃描圖像CT值線性檢測在兩年時(shí)間內(nèi)（共20次），由RIT 142軟件、高年資物理師在計(jì)劃系統(tǒng)（Eclipse 13.5）人工分析及本系統(tǒng)分析結(jié)果，顯示RIT 142軟件、人工分析和本系統(tǒng)的分析結(jié)果非常接近，所有材料無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05），Poly材料和Acrylic材料RIT 142軟件分析結(jié)果較人工分析與本系統(tǒng)偏小。Catphan 604模體50% Bone和20% Bone兩種材料，RIT 142軟件沒有這個(gè)功能而無法分析，且RIT 142軟件需要人工導(dǎo)入相應(yīng)模塊單張DICOM圖像，操作不便，本系統(tǒng)只需將掃描圖像壓縮上傳，系統(tǒng)通過算法自動(dòng)找到對應(yīng)模塊實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)分析。其他質(zhì)控功能模塊在投入臨床使用前均進(jìn)行類似的對比分析，確保分析結(jié)果可靠性和穩(wěn)定性。

表1 人工分析，RIT142及本系統(tǒng)分析Catphan 604模體不同材料插入件CT值（±s）

表1 人工分析，RIT142及本系統(tǒng)分析Catphan 604模體不同材料插入件CT值（±s）

材料(參考值) 人工分析 RIT 142 本系統(tǒng) P值A(chǔ)ir(-1046:-986)-996.31±4.09-997.61±4.38-998.39±3.09 0.26 PMP(-220:-172) -197.82±3.59-198.25±3.55-198.54±3.11 0.81 50Bone(-667:783) 700.91±18.75 — 700.83±18.97 0.98 LDPE(-121:-87) -107.57±6.91-108.12±6.56-107.78±6.10 0.41 Poly(-65:-29) -53.82±7.66 -49.63±5.47 -54.07±8.15 0.11 Acrylic(-92:137) 100.85±7.79 96.59±9.24 100.51±8.23 0.23 20Bone(-211:263) 228.87±7.04 — 230.52±7.87 0.50 Delrin(-344:387) 338.11±7.13 339.06±6.93 338.85±7.55 0.91 Te flon(-941:1060) 932.72±8.78 933.63±8.95 933.99±8.91 0.90

3 討論與結(jié)論

基于Web質(zhì)量控制管理系統(tǒng)適合放療設(shè)備產(chǎn)生復(fù)雜多模態(tài)成像和劑量數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了質(zhì)控結(jié)果自動(dòng)上傳、在線審核和統(tǒng)計(jì)分析等功能。基于Web系統(tǒng)將之前分散的質(zhì)控結(jié)果，多樣化參考值、容差及檢測方法以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和格式存放于數(shù)據(jù)庫中，方便調(diào)取、查閱和比較。機(jī)房安裝無線網(wǎng)絡(luò)后，質(zhì)控人員在手持終端上邊做質(zhì)控邊查看操作步驟和參考資料，適合技術(shù)人員規(guī)范化培訓(xùn)，降低學(xué)習(xí)曲線，契合當(dāng)前醫(yī)院信息化、無紙化要求。

該系統(tǒng)提供部分質(zhì)控檢測項(xiàng)目自動(dòng)量化分析，節(jié)約了時(shí)間和勞力，減少質(zhì)控人員主觀因素的影響，保證質(zhì)控在一個(gè)統(tǒng)一框架內(nèi)實(shí)施，質(zhì)控一致性得到提高?；赪eb系統(tǒng)方便數(shù)據(jù)調(diào)取，可視化界面為不熟悉編程技術(shù)人員提供便利，其可作為科研中轉(zhuǎn)站、可視化多模態(tài)的數(shù)據(jù)，如DICOM文件、日志文件等轉(zhuǎn)化成易于讀取分析的Excel或txt格式。

雖然NCC/T-RT標(biāo)準(zhǔn)和AAPM報(bào)告提供了質(zhì)控檢測基準(zhǔn)值和容差，但這些數(shù)據(jù)往往具有普適性，針對本單位設(shè)備具體情況，該系統(tǒng)方便實(shí)施運(yùn)行圖分析建立個(gè)體化設(shè)備質(zhì)控基準(zhǔn)值和容差。基于Web系統(tǒng)鼓勵(lì)主動(dòng)的質(zhì)量控制，許多在單一時(shí)間點(diǎn)看不出問題的檢測結(jié)果，通過趨勢分析，放到時(shí)間維度上提供系統(tǒng)整體波動(dòng)情況，為質(zhì)控人員決策提供幫助。

當(dāng)前有一些類似商用解決方案，如Mobius 3D，QA Pilot和Track-it等，但是它們通常在定制分析方面能力受到限制不易做擴(kuò)展開發(fā)，特別是滿足用戶需要的高階統(tǒng)計(jì)方面。這些軟件價(jià)格昂貴且基本上英文操作，給許多基層醫(yī)院購買和使用帶來挑戰(zhàn)。利用本質(zhì)控系統(tǒng)，省級放療中心建立詳細(xì)步驟和流程，基層醫(yī)院通過網(wǎng)絡(luò)共享資源，有助于放療設(shè)備規(guī)范化質(zhì)控。系統(tǒng)持續(xù)的迭代，測量方法的改善，設(shè)備模體的更新，基于Web系統(tǒng)有利于知識的擴(kuò)散，提升科室整體質(zhì)控水平。

計(jì)算能力、數(shù)據(jù)庫存儲方法及多個(gè)中心共享數(shù)據(jù)能力進(jìn)步使得創(chuàng)建大數(shù)據(jù)集、應(yīng)用放射治療“大數(shù)據(jù)”成為可能。設(shè)備基本信息、運(yùn)行狀態(tài)、異常值檢測、影像學(xué)等信息的確定，基于Web系統(tǒng)提供資源方便利用大數(shù)據(jù)分析和人工智能方法清晰描述這些信息，其潛在應(yīng)用包括設(shè)備自動(dòng)質(zhì)控、故障預(yù)測等。數(shù)據(jù)批量存儲、分類和解釋也會(huì)驅(qū)動(dòng)問題研究，對臨床研究、治療方法改善產(chǎn)生積極影響。

本項(xiàng)目開發(fā)了一個(gè)基于Web放療設(shè)備質(zhì)量控制管理系統(tǒng)，用戶可在線分析、管理和可視化多模態(tài)質(zhì)控?cái)?shù)據(jù)，提高了質(zhì)控效率、一致性和整體水平。