基于Web放療設備質量控制管理系統設計與開發

胡金炎，張麗媛，裴運通，王海洋，郭躍信

1. 鄭州大學第一附屬醫院 放射治療部，河南 鄭州 450052；2. 鄭州市中心醫院 放射治療科，河南 鄭州 450052

引言

放療設備質量控制和質量保障是患者得到準確劑量投照的關鍵因素之一[1]。放療涉及眾多復雜醫療設備，其質控內容及頻率各不相同，許多醫療機構還設有分院區。雖然一些國家和國際協作組定義標準來規范質控內容、方法和容差[2]，但目前質控數據多采用紙質或本地電腦記錄分析，信息化程度不高，不能及時反饋質控結果，查詢不便，這給質控規范化實施、適時掌握機器運行狀態、不同院區共享資源帶來障礙[3-5]。開發一個軟件系統實現在線存儲、分析、審核和檢索質控結果具有現實意義。Web架構是一種基于瀏覽器/服務器（Browser/Server，B/S）的網絡服務模式，這種模式將系統核心功能集中在服務器上，用戶通過瀏覽器訪問數據、交互顯示，對于放療科這種需要不同地點、不同人員、不同設備之間多方協作科室有一定優勢[6-8]。本課題研究基于Web架構實現放療設備質量控制管理系統并評估其臨床應用價值。

1 材料和方法

1.1 環境配置

系統硬件為一臺接入醫院局域網計算機服務器，操作系統為Windows Service 2012，數據庫為SQL Server 2014。系統軟件基于B/S架構，在開源Web框架Django 2.1基礎上，整合開源軟件工具包QATrack[9]、Pydicom[10]和Pylinac[11]等開發而成。系統后端編程語言Python 3.6，前端頁面開發語言HTML、CSS及JavaScript，利用Windows互聯網信息服務提供反向代理和靜態文件服務。

1.2 軟件架構

系統架構采用標準B/S三層架構（圖1）。最上層為應用層，實現不同角色應用對應模塊；中間層為業務邏輯層，負責各個應用模塊與系統數據庫通訊連接，實現交互式響應；底層為數據持久層，負責記錄和存儲質控過程中產生的數據。

圖1 系統架構和功能模塊

1.3 功能模塊

根據國家腫瘤規范化診治質控中心指南（NCC/T-RT），AAPM TG-142及TG-148等報告要求，依角色不同將系統劃分為11個模塊（圖1）：① 技術員負責的晨檢模塊；② 物理師負責的周檢、月檢和年檢模塊；③ 一些非常規檢查項目，如加速器MLC葉片Picket Fence測試，VMAT測試及日志文件分析等；④ 部門主管負責的質控審核、批準模塊；⑤ 系統管理員負責的用戶管理、設備管理、權限管理和測試項目管理等。

1.4 系統評估

為了評估系統對自主編程實現質控檢測功能準確性，本系統使用RIT公司RIT 142軟件和GafChromic公司Film QA 2016軟件進行對比分析，高年資物理師通過對結果采取審查監督等多種方式確保系統分析方法邏輯準確性和實際的臨床應用效果。

1.5 統計分析

本文統計基于SPSS 22.0軟件，對人工、RIT142軟件及本系統對Catphan模體不同材料CT值分析的結果是否具有顯著性差異采用多變量方差分析，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 系統實現

本系統以加速器為中心設計,實現覆蓋放療設備質控全流程大量實用功能。質控功能包括：加速器晨檢、周檢、月檢，影像學月檢、年檢，模擬機定位機和后裝治療機月檢和非常規項目檢查；非質控功能包括：趨勢分析、報告打印、容差設定、機器配置、賬號管理等。系統自運行以來共進行質控逾1000項，測試項目逾20000條。

2.1.1 系統主界面

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

圖2 系統主要用戶界面

2.1.2 周檢

周檢分為劑量、機械和安全性檢查（圖3a）。常用參數如電離室校正因子可通過設計在表格中下拉框調??；質控文檔或參考資料通過超鏈接方式引用。單擊檢測項目會提供詳細測量設備條件和測量方法，重要部分以加粗或者對比強烈字體顯示；檢測項目還給出測量參考值及容差范圍。質控過程中碰到的特殊情況，比如機器宕機等，質控人員需在備注欄里詳細說明情況，該項測量則暫時可略過。當前測量值在警告容差范圍內則顯示綠色、在警告容差外則報黃，超過行動容差則報紅；系統還顯示同一檢測項目最近5次的歷史記錄，方便與當前測量值對比，給物理師決策是否采取相應處置措施提供參考。

2.1.3 月檢、年檢和非常規檢查

月檢、年檢和非常規檢查檢測記錄項與周檢類似，部分檢測項目基于科室發表同行評審論文算法代碼，如機載影像系統影像質控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，選擇Catphan類型，系統自動完成所有檢測項目分析，根據需要分析功能可擴展。其他類似的自動分析功能包括：基于電子射野影像系統（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. 質控實施界面

2.1.4 趨勢及運行圖分析

系統實現對質控檢測項目趨勢及運行圖分析[17]，以圖表形式顯示檢測項目結果隨時間變化趨勢、均值和標準差，檢測結果也可以通過Excel格式導出方便后續分析。圖4a顯示前8個月Tomo加速器靜態輸出劑量均在允許容差范圍內，但是呈現下降趨勢，說明該項檢測在單一測量時間點沒有問題，放在較長時間維度上才顯現其變化趨勢。采用人工干預校準絕對量后，Tomo靜態輸出劑量回歸正常。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及波動范圍各不相同，其中4臺設備（Axesse，TrueBeam，EDGE和VersaHD）中位數偏高，3臺設備（Synergy，Trilogy和Tomo）中位數偏低。

圖4 趨勢分析和統計分析

2.2 應用效果

表1為EDGE加速器機載影像系統Catphan 604模體掃描圖像CT值線性檢測在兩年時間內（共20次），由RIT 142軟件、高年資物理師在計劃系統（Eclipse 13.5）人工分析及本系統分析結果，顯示RIT 142軟件、人工分析和本系統的分析結果非常接近，所有材料無統計學差異（P＞0.05），Poly材料和Acrylic材料RIT 142軟件分析結果較人工分析與本系統偏小。Catphan 604模體50% Bone和20% Bone兩種材料，RIT 142軟件沒有這個功能而無法分析，且RIT 142軟件需要人工導入相應模塊單張DICOM圖像，操作不便，本系統只需將掃描圖像壓縮上傳，系統通過算法自動找到對應模塊實現全自動分析。其他質控功能模塊在投入臨床使用前均進行類似的對比分析，確保分析結果可靠性和穩定性。

表1 人工分析，RIT142及本系統分析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 P值Air(-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 討論與結論

基于Web質量控制管理系統適合放療設備產生復雜多模態成像和劑量數據。本系統主要實現了質控結果自動上傳、在線審核和統計分析等功能。基于Web系統將之前分散的質控結果，多樣化參考值、容差及檢測方法以統一標準和格式存放于數據庫中，方便調取、查閱和比較。機房安裝無線網絡后，質控人員在手持終端上邊做質控邊查看操作步驟和參考資料，適合技術人員規范化培訓，降低學習曲線，契合當前醫院信息化、無紙化要求。

該系統提供部分質控檢測項目自動量化分析，節約了時間和勞力，減少質控人員主觀因素的影響，保證質控在一個統一框架內實施，質控一致性得到提高?；赪eb系統方便數據調取，可視化界面為不熟悉編程技術人員提供便利，其可作為科研中轉站、可視化多模態的數據，如DICOM文件、日志文件等轉化成易于讀取分析的Excel或txt格式。

雖然NCC/T-RT標準和AAPM報告提供了質控檢測基準值和容差，但這些數據往往具有普適性，針對本單位設備具體情況，該系統方便實施運行圖分析建立個體化設備質控基準值和容差?；赪eb系統鼓勵主動的質量控制，許多在單一時間點看不出問題的檢測結果，通過趨勢分析，放到時間維度上提供系統整體波動情況，為質控人員決策提供幫助。

當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展開發，特別是滿足用戶需要的高階統計方面。這些軟件價格昂貴且基本上英文操作，給許多基層醫院購買和使用帶來挑戰。利用本質控系統，省級放療中心建立詳細步驟和流程，基層醫院通過網絡共享資源，有助于放療設備規范化質控。系統持續的迭代，測量方法的改善，設備模體的更新，基于Web系統有利于知識的擴散，提升科室整體質控水平。

計算能力、數據庫存儲方法及多個中心共享數據能力進步使得創建大數據集、應用放射治療“大數據”成為可能。設備基本信息、運行狀態、異常值檢測、影像學等信息的確定，基于Web系統提供資源方便利用大數據分析和人工智能方法清晰描述這些信息，其潛在應用包括設備自動質控、故障預測等。數據批量存儲、分類和解釋也會驅動問題研究，對臨床研究、治療方法改善產生積極影響。

本項目開發了一個基于Web放療設備質量控制管理系統，用戶可在線分析、管理和可視化多模態質控數據，提高了質控效率、一致性和整體水平。