立體定向放射治療設(shè)備可靠性評(píng)價(jià)中信息自動(dòng)采集的研究*

夏 婷 夏慧琳* 高關(guān)心 劉浩川 李晶慧 包舒雅

立體定向放射治療設(shè)備是將高能射線聚焦于靶區(qū)，利用專用準(zhǔn)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(shè)備。為了精準(zhǔn)照射靶區(qū)，立體定向放射治療設(shè)備具有多線束和多放射野的特點(diǎn)，從而保護(hù)周圍正常組織不受到照射傷害，對(duì)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(guó)應(yīng)該擁有醫(yī)用直線加速器達(dá)到2300～3900臺(tái)，然而目前我國(guó)的醫(yī)用直線加速器遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到該數(shù)量[3]。因此，未來(lái)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(duì)立體定向放射治療設(shè)備巨大的市場(chǎng)，應(yīng)對(duì)設(shè)備的安全性和可靠性開(kāi)展相應(yīng)的研究，減少立體定向放射治療設(shè)備可能產(chǎn)生的潛在危害。

通過(guò)采集立體定向放射治療設(shè)備在使用過(guò)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(píng)價(jià)體系，對(duì)立體定向放射治療設(shè)備故障率進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)立體定向放射治療設(shè)備的關(guān)鍵部件，從而制定維護(hù)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(guò)程中遇到數(shù)據(jù)量少、數(shù)據(jù)不真實(shí)、數(shù)據(jù)記錄不準(zhǔn)確和數(shù)據(jù)記錄不全面等問(wèn)題，將直接影響可靠性分析的準(zhǔn)確性和有效性。實(shí)現(xiàn)故障數(shù)據(jù)采集過(guò)程中數(shù)據(jù)的有效性和真實(shí)性，將為可靠性分析奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和參考依據(jù)。為此，本研究針對(duì)立體定向放射治療設(shè)備可靠性評(píng)價(jià)過(guò)程中故障數(shù)據(jù)采集問(wèn)題，利用圖像采集器完成故障數(shù)據(jù)的記錄和分類，對(duì)故障數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的難點(diǎn)、自動(dòng)采集過(guò)程、自動(dòng)采集數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)采集方法進(jìn)行探討分析。

1 立體定向放射治療設(shè)備大數(shù)據(jù)采集難點(diǎn)

1.1 設(shè)備維修數(shù)據(jù)采集現(xiàn)狀

利用立體定向放射治療設(shè)備的維修記錄可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行可靠性分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)備關(guān)鍵故障部件，尋找設(shè)備的不足和改進(jìn)方案。因此，維修記錄中數(shù)據(jù)信息的真實(shí)準(zhǔn)確性將決定可靠性的分析結(jié)果。目前，維修記錄在國(guó)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(chǔ)存可能會(huì)發(fā)生記錄缺失、記錄內(nèi)容不詳細(xì)、不規(guī)范的情況，進(jìn)而影響可靠性分析的準(zhǔn)確性。同時(shí)，可靠性分析對(duì)于數(shù)據(jù)類型具有嚴(yán)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(hào)、地區(qū)、故障發(fā)生日、維修級(jí)別等。利用上述數(shù)據(jù)完成可靠性分析及計(jì)算，獲得平均首次故障時(shí)間、平均故障間隔時(shí)間、平均修復(fù)時(shí)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(shè)備的關(guān)鍵部件。然而，對(duì)于研究立體定向放射治療設(shè)備的可靠性機(jī)制，僅依靠這些指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，且不能明確導(dǎo)致設(shè)備差異性的本質(zhì)原因。

1.2 設(shè)備日常故障數(shù)據(jù)采集難點(diǎn)

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

2 立體定向放射治療設(shè)備大數(shù)據(jù)自動(dòng)采集

大數(shù)據(jù)采集難點(diǎn)包括：①人工采集數(shù)據(jù)難以保證數(shù)據(jù)的真實(shí)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(dòng)提取立體定向放射治療設(shè)備工作站顯示器畫(huà)面，采集設(shè)備工作過(guò)程中畫(huà)面信息。通過(guò)這種畫(huà)面整體采集的方式，自動(dòng)識(shí)別設(shè)備使用中的各項(xiàng)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(bào)小故障，真實(shí)地反映設(shè)備的日常工作情況和發(fā)生故障情況。此外，通過(guò)圖像采集器可以采集立體定向放射治療設(shè)備在日常運(yùn)行中設(shè)備工作量數(shù)據(jù)，以及晨檢、預(yù)熱等質(zhì)量控制工作數(shù)據(jù)，為可靠性分析建立扎實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.1 信息的提取

圖像采集器利用視頻采集線，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中連續(xù)不斷地采集設(shè)備工作站的終端顯示器畫(huà)面。圖像采集器可以自動(dòng)識(shí)別工作站的狀態(tài)，當(dāng)工作站關(guān)機(jī)后會(huì)中斷采集過(guò)程。采集到的畫(huà)面以視頻的格式上傳到大數(shù)據(jù)平臺(tái)，等待進(jìn)行圖像識(shí)別和大數(shù)據(jù)分析。每臺(tái)設(shè)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(chǔ)空間浪費(fèi)，會(huì)截取設(shè)備發(fā)生故障前后60 s的視頻，真實(shí)還原設(shè)備發(fā)生故障時(shí)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(xì)記錄故障發(fā)生時(shí)的相關(guān)信息，極大的確保數(shù)據(jù)的真實(shí)性、有效性和實(shí)時(shí)性。

2.2 圖像識(shí)別和大數(shù)據(jù)分析

通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)，包括預(yù)處理、模板識(shí)別、光學(xué)字符識(shí)別(optical character recognition，OCR)等技術(shù)分析數(shù)據(jù)平臺(tái)上傳視頻文件。①完成數(shù)據(jù)清洗工作，減少無(wú)用數(shù)據(jù)的影響；②通過(guò)數(shù)據(jù)集成，建立數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)；③通過(guò)數(shù)據(jù)變換和數(shù)據(jù)歸約完成整個(gè)數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程。圖像分析過(guò)程主要依托并聯(lián)合模板識(shí)別技術(shù)以及OCR技術(shù)，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型完成關(guān)鍵信息的識(shí)別工作，在此過(guò)程中模板匹配技術(shù)非常重要，通過(guò)采集畫(huà)面數(shù)字化，并獲取相關(guān)點(diǎn)的像素值，利用數(shù)學(xué)模型和算法完成匹配，并顯示匹配后的圖像坐標(biāo)[6-9]。利用識(shí)別技術(shù)將圖像信息轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)文字，獲取開(kāi)始照射時(shí)間、結(jié)束照射時(shí)間、回復(fù)照射時(shí)間、照射劑量、射線類型等信息。

3 立體定向放射治療設(shè)備大數(shù)據(jù)采集應(yīng)用

3.1 技術(shù)參數(shù)記錄

通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)工作臺(tái)界面進(jìn)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(shè)備參數(shù)，其中設(shè)備參數(shù)包含治療過(guò)程中的設(shè)定參數(shù)和實(shí)際值。信息類型包括：治療日期、設(shè)備編號(hào)、照射野編號(hào)、照射開(kāi)始時(shí)間、照射結(jié)束時(shí)間、照射時(shí)長(zhǎng)、暫停時(shí)長(zhǎng)、機(jī)架角度、機(jī)架運(yùn)動(dòng)、準(zhǔn)直器角度、準(zhǔn)直器運(yùn)動(dòng)、射線類型、能量、照射技術(shù)、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(jìn)退距離、柱旋轉(zhuǎn)以及等中心旋轉(zhuǎn)等參數(shù)。通過(guò)這些參數(shù)的獲得，可以發(fā)現(xiàn)在實(shí)際治療過(guò)程中，實(shí)際值與設(shè)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(shè)備技術(shù)參數(shù)設(shè)置界面圖

3.2 設(shè)備故障參數(shù)記錄

當(dāng)治療系統(tǒng)顯示器終端圖像跳出警報(bào)，或在左下角顯示的紅色條幅，表明設(shè)備處于非正常運(yùn)行狀態(tài)。針對(duì)這樣的畫(huà)面，圖像采集器會(huì)自動(dòng)進(jìn)行識(shí)別，并自動(dòng)保存和上傳故障發(fā)生前60 s和發(fā)生后60 s視頻。通過(guò)自動(dòng)識(shí)別和自動(dòng)記錄，可以準(zhǔn)確的收集故障信息、故障發(fā)生細(xì)節(jié)和維修方案等信息，統(tǒng)計(jì)歷史故障和同一故障發(fā)生頻率，并且確保信息的真實(shí)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(shí)間以及故障解決時(shí)間等。將這些設(shè)備故障數(shù)據(jù)整理后，利用可靠性相關(guān)公式計(jì)算首次故障平均時(shí)間(mean time to first failure，MTTFF)、平均故障間隔時(shí)間(mean time between failure，MTBF)及平均修復(fù)時(shí)間(mean time to repair，MTTR)等結(jié)果，明確故障率，確定設(shè)備關(guān)鍵部件[10-12](如圖2所示)。

圖2 立體定向放射治療設(shè)備故障界面圖

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

(1)設(shè)備故障數(shù)據(jù)一。時(shí)間：2017-08-07；設(shè)備編號(hào)：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(kāi)終止鍵插栓，使用復(fù)位鍵，按下重置手持控制器上的電機(jī)按鈕)；設(shè)備顯示：發(fā)生時(shí)間16∶36∶26，解決時(shí)間16∶37∶38，故障時(shí)長(zhǎng)72 s。

(2)設(shè)備故障數(shù)據(jù)二。時(shí)間，2017-08-10；設(shè)備編號(hào)，4302；故障代碼，Dose Rate Mon；設(shè)備顯示，發(fā)生時(shí)間9∶49∶11，解決時(shí)間9∶49∶24，故障時(shí)長(zhǎng)13 s。

(3)設(shè)備故障數(shù)據(jù)三。時(shí)間，2017-08-10；設(shè)備編號(hào)，4302；故障代碼，2R ERR；設(shè)備顯示，發(fā)生時(shí)間9∶49∶41，解決時(shí)間9∶49∶50，故障時(shí)長(zhǎng)9 s。

3.3 其他類型數(shù)據(jù)記錄

除了記錄上述設(shè)備治療參數(shù)，還可以獲取并統(tǒng)計(jì)有關(guān)質(zhì)量控制的參數(shù)，包括每日工作量、晨檢、預(yù)熱等。利用圖像采集器可以對(duì)醫(yī)院每日每臺(tái)設(shè)備的醫(yī)護(hù)人員和設(shè)備工作量進(jìn)行記錄統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)類型包括治療日期、設(shè)備編號(hào)、患者編號(hào)、患者姓名、照射野數(shù)量、照射總時(shí)長(zhǎng)、金額、技師姓名等。利用采集到的數(shù)據(jù)可以定期對(duì)每臺(tái)設(shè)備和醫(yī)護(hù)人員的工作量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，找出設(shè)備空閑時(shí)間，減少不必要的浪費(fèi)，提高設(shè)備利用率，滿足患者治療需求(見(jiàn)表1)。

表1 立體定向放射治療設(shè)備部分單日工作量匯總

立體定向放射治療設(shè)備晨檢是指利用檢測(cè)儀檢測(cè)直線加速器的實(shí)際輸出劑量，反映直線加速器發(fā)出射線的真實(shí)狀況[13]。目前，醫(yī)院使用的晨檢儀是獨(dú)立于立體定向放射治療設(shè)備的，因此通過(guò)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(shè)備編號(hào)、晨檢儀編號(hào)、處理單元、協(xié)議、方式、能量、射野尺寸、源現(xiàn)距、機(jī)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(duì)稱性、左右對(duì)稱性、光束質(zhì)量因子、楔形板檢測(cè)角度、L10檢測(cè)量、溫度、氣壓以及晨檢結(jié)果等。對(duì)晨檢信息進(jìn)行合理利用，為設(shè)備可靠性分析、質(zhì)量控制以及維護(hù)保養(yǎng)方案提供參考依據(jù)。

此外，為了保護(hù)閘流管和磁控管，增加設(shè)備的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)使用壽命，需要每日開(kāi)機(jī)后對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)熱，自動(dòng)采集器可以記錄醫(yī)護(hù)工作人員是否按要求對(duì)設(shè)備進(jìn)行了預(yù)熱，并且記錄預(yù)熱開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。具體參數(shù)包括日期、設(shè)備編號(hào)、閘流管預(yù)熱及磁控管預(yù)熱等[14-15]。

4 結(jié)語(yǔ)

可靠性分析在立體定向放射治療設(shè)備中的應(yīng)用已受到廣泛重視，為指導(dǎo)臨床在醫(yī)療設(shè)備的使用提供參考。面對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)難獲取、真實(shí)性差及有效性低等問(wèn)題，可靠性分析在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用仍有待探索。通過(guò)圖像采集器實(shí)現(xiàn)立體定向放射治療設(shè)備技術(shù)參數(shù)、故障數(shù)據(jù)、每日工作量、預(yù)熱、晨檢等大數(shù)據(jù)的采集，利用圖像識(shí)別技術(shù)完成數(shù)據(jù)的分類和記錄，確保數(shù)據(jù)的真實(shí)性、有效性和及時(shí)性，能夠?yàn)榭煽啃苑治鎏峁﹫?jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為醫(yī)療大數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用方向擴(kuò)展提供有力的工具。