远程放疗系统的设计与验证

于路新，刘湘乡，张薇莎，胡金友，邹炼,

1 四川省人民医院肿瘤中心，成都市，610072

2 中国科学院深圳先进技术研究院医疗机器人与微创手术器械研究中心，深圳市，518055

0 引言

癌症作为我国高发病率、高死亡率的疾病之一，严重影响着患者的生活质量。放射治疗是重要的癌症治疗手段，根据世界卫生组织（WHO）的统计，70%左右的肿瘤病人需要放射治疗，其中50%需要接受根治性放射治疗。但我国的肿瘤放射治疗水平区域间差异很大，城乡差异大，放射治疗的资源分布不均衡[1-2]，大量病人因设备和人员的限制未能得到应有的放射治疗。为解决这一现状，国家出台了很多政策来扶持基层医院，已经有越来越多的县级医院配置了低成本的国产化直线加速器，具备了开展成熟放疗技术的基础设施。然而，放射治疗是门槛较高、多学科协同的肿瘤治疗技术，是一项需要放疗医师、物理师、技师密切合作完成的多环节流程。放疗专业人才的培养十分严格[3]，人才培养的周期较长，合格的放疗专业人才整体比较稀缺。基层医院由于其所处地域、医疗技术水平等因素，很难招聘到或者较快培养出合适的放疗人才。为了解决基层医院技术人才的短板，互联网+放疗的远程医疗服务纳入了人们的视野，成为优势放疗人才服务基层的一个突破口[4]。

远程医疗服务，作为解决医疗服务分布不均的手段，越来越被重视，特别是发展中国家。早在1994年，ALLEN等[5]就发起了基层患者对于远程医疗的满意度调查，调查结果表明远程医疗极大改善了基层患者的就医体验。VASQUEZCEVALLOS等[6]为提高厄瓜多尔偏远地区的医疗服务设计了一套远程医疗系统。DATTA等[7-8]提出了构建一个远程放疗网络来满足撒哈拉以南的中低收入非洲国家癌症患者对放疗的需求，并且给出了构建远程放疗网络的实践路径和成本预算。BELARD等[9]利用Citrix 产品实现了质子计划系统的远程访问，使质子治疗覆盖更多的患者。COLONIAS等[10]基于Citrix的产品开发了一套电子病历系统，但没提供计划系统的远程访问功能。JAMES等[11]应用Citrix产品实现了Epworth Radiation Oncology为Visiting Medical Oきcers提供技术支持。

Citrix致力于云计算虚拟化、虚拟桌面和远程接入技术领域，是全球领先的提供完整虚拟化方案供应商。它的相关软件产品非常适合作为远程医疗IT手段的基础部分。董慧等[12]证明了通过Citrix相关产品实现异地软件共享以提高大型软件利用率的可行性。本文将基于Citrix相关产品进行二次开发，设计一套基于浏览器/服务器架构的远程放疗系统。系统可整合基层医院已有的放疗计划设计系统、电子病历信息系统、影像系统，实现跨地域的放射治疗事务处理。依托该系统，上级指导单位与基础医疗系统形成一个有效的放疗技术联盟，共同为偏远地区患者提供省城级高水平的放射治疗服务。下文将详细介绍放疗远程系统的设计和技术实现，并介绍我院与某基层医院依托该系统实现优质医疗资源服务民族地区的前期经验。

1 材料与方法

1.1 远程放疗系统的设计

该基层医院配置有Siemens大孔径CT模拟机、新华医用电子直线加速器、新华放射治疗信息系统、奇林科技放射治疗计划系统、影像和放疗相关质控设备等开展放疗技术的基本设施，还配有PACS、HIS等医疗软件。在当地放疗人才短缺的情况下，放射治疗信息系统、放疗计划系统、PACS和HIS等医疗软件又是单机版的桌面应用程序，位置相对固定，无法满足远程放疗需求，导致日常放疗工作不能正常开展。

为了实现远程放疗的目的，在Citrix的相关产品基础上进行二次开发，实现了基于浏览器/服务器架构的远程放疗系统。在服务器端，将放疗信息系统、放疗计划系统、PACS、HIS等应用程序统一部署在本地的系统服务器上，通过Citrix的基础功能将这些应用发布为应用服务，并将之集成在一个应用程序门户网页上。在客户端，通过浏览器输入服务器网址，访问应用程序门户网页，然后调用相应的应用程序完成相应的放疗业务处理。

在调用医学应用软件的过程中，应用程序依然运行在服务器端，所有的医疗数据也保存在服务器端，保证了数据的封闭与安全。此外，客户端和服务器端之间通过Citrix的ICA私有协议进行数据传输，该协议只以加密方式传递交互的鼠标、键盘、屏幕刷新等少量的非业务数据，在保证数据安全的同时，又因交互的数据量很少，使得远程访问与在本地运行应用程序用户体验一致。

图1和图2分别从元件部署和逻辑分层两方面介绍了此套放疗远程系统的设计结构。将放疗软件经XenAPP发布，StoreFront为外网访问提供接口，外网的用户只需要在终端上安装Citrix Receiver客户端，便可通过网络访问被推送的虚拟应用，整个过程中系统所有的应用和数据都集中于本地数据中心。图1中NetScaler Gateway是Citrix官方提供的外网访问方案。基于性价比考虑，该远程系统选择蒲公英路由器进行外网访问。在网络部署中该远程系统提供了两种VPN访问方式，一种是通过专门的VPN客户端软件，适用于随地办工的用户；一种是通过VPN硬件进行远程连接，适用于两个固定场所之间的连接。

图1 远程放疗系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the remote radiotherapy system

图2 远程放疗系统逻辑分层结构图Fig.2 Logical layered architecture of the remote radiotherapy system

1.2 网络以及信息安全方案

如今，医疗行业已经进入大数据时代，在此背景下患者信息安全问题备受关注。在发展健康医疗大数据时应首先警惕数据安全，只有保护好患者隐私，才能真正实现数据融合共享、开放应用。

本文设计的远程放疗系统所采用的网络是通用宽带网络，为确保整个系统的信息安全性采取了以下策略：① Citrix的核心是ICA协议，它连接了运行在服务器端的应用程序运行环境和客户端设备。通过ICA协议，使应用和数据都集中于数据中心，网络只以加密方式传输很少量的非业务数据；②采用SSL加密的VPN专用通道安全接入远程平台；③在服务端配置防火墙，对进出站数据流进行实时监测；④对Citrix服务器操作系统登录账号配置了组策略，用于控制访问发布资源的权限，防止非法操作；⑤创建一个特定的用户组，只有此用户组有权限访问远程计划系统，并为每个组内用户分配了特定的账户和密码，远程用户需要账户认证后才能登陆。通过这些措施可有效保证数据在互联网传输中的安全与完整性。

1.3 技术联盟模式放射治疗中心

以上述远程放疗系统为载体，省级三甲医院的医务人员与基层医务人员形成技术服务联盟，为基层提供优质的放射治疗服务。技术联盟的工作模式具体来说分为以下两个阶段：

放疗体系构建阶段：上级指导单位的资深医学物理师团队进驻基层单位。带领基层单位的相关人员完成所有放疗相关设备（包括CT模拟机、直线加速器、放疗计划系统等）的验收调试工作，确保所有设备处于满足临床开展要求的最佳状态。根据基层单位的实际情况，制定各类设备的质量控制规范，科学设计流程和划分岗位并制定各岗位的标准操作指南。这个阶段也是培养基层人员的阶段，确保基层人员能够按照标准操作指南提供良好的临床服务。

日常运营阶段：基层放疗人员参照前期确定的标准操作完成相应临床工作。部分对人员能力要求较高的工作（比如靶区的勾画或审核，治疗计划的设计等），由上级医院和基层医院的专业人员共同完成。上级医院专业人员通过远程放疗平台完成相应的临床事务处理，基层的专业人员再次学习吸收和确认，最终保证患者接受高质量的放疗服务。

基于远程放疗系统的技术联盟模式可有效地解决基层医院放疗技术人才短缺的难题，让基层患者在“家门口”就能享受到大医院的肿瘤放疗治疗方案，在节约医疗成本的基础上又提高了治疗效率。

1.4 远程放疗系统的验证方法

为了验证该套远程放疗系统是否能应用于临床，基于该基层医院的放疗计划系统对之进行验证。首先将Magical Phantom产生的虚拟CT[13]通过远程和本地两种操作分别导入到放疗系统中，测试远程系统的功能是否正常，对比两套参数是否一致；然后测试远程账户功能，证明通过远程可以正常使用放疗软件，可实现随时随地办工。最后对放疗软件群进行详尽的验收，具体方法是随机挑选两组病人，分别命名为A组和B组，每组病人由5个头颈部病例，3个胸部病例以及3个腹部病例组成。在远程放疗系统记录A组病例的操作结果，再通过本地系统查看操作的结果。在本地系统上访问放疗软件，记录B组病人的操作结果，再在远程系统查看操作的结果。将远程放疗系统和本地机软件的操作进行两两对比，如果结果一致，则证明远程放疗系统与本地机软件是等效的。

2 结果与讨论

2.1 临床应用前的测试

该套远程放疗系统应用于临床之前，用Magical Phantom产生的一套虚拟胸部CT对之进行了测试。这套虚拟CT的组织结构有肺、肿瘤、胸廓和脊柱，通过远程导入到基层医院计划系统中，成功完成正常组织和靶区的勾画以及计划的设计，期间系统操作流畅，所有软件功能无异常。在本地系统上重复这一过程，通过对比发现两套组织结构在体积上差别甚微，在计划参数一致的前提下，剂量分布也几乎一致。

2.2 远程放疗系统的验收

远程放疗系统的验收主要包括两方面，分别是远程账号的验收和放疗计划系统软件群的验收。

远程账号包含8个验收项目：①在各种终端设备上，包括普通电脑、平板电脑、4G手机，测试操作的流畅性；②在不同电脑上登陆同一远程账户；③多用户在同一台电脑上使用同一远程账号登录放疗软件；④同一用户在同一电脑上使用同一远程账号多窗口登录放疗软件；⑤同一用户在不同电脑上使用不同远程账号登录放疗软件；⑥未退出远程账号，云端电脑关机或停电后开机重新登录远程账号能继续办公；⑦网络中断后，Citrix可以自动续连，连接后能继续办公；⑧未注销软件账号直接退出远程账号，在其他机器登录远程账号能继续办公。以上测试均顺利通过，且测试期间操作流畅，图像显示清晰。其中，第⑥～⑧项中的继续办公指的是重新登录云端后弹出的放疗软件和退出前的操作界面保持一致，这表明云端放疗软件可以让客户随时随地办公。

放疗软件群的验收包括三个部分：信息系统客户端、医生工作站、物理师工作站。验证的具体方法如下：在远程放疗系统上新建A组病人，导入相应的CT，完成靶区勾画、计划设计、预约排程等各项操作。信息系统客户端的操作有3项：①新建/编辑病人；②预约排程；③治疗日报。医生工作站的操作有7项：①解剖结构操作工具；②二/三维图像显示及相关工具；③自动提取体表轮廓；④结构模板导入和导出；⑤相对剂量和绝对剂量比较；⑥剂量体积直方图；⑦图像配准功能。物理师工作站的操作有7项：①设置定位中心；②添加新计划；③设置计划中心；④编辑射野；⑤设置优化参数优化计划；⑥计算剂量；⑦打印计划报告。这些操作在远程系统上均能顺利完成。在本地系统上查看A组病人的操作信息，并与远程系统上的操作信息两两对比。信息系统客户端的数据对比验证有4项：①病人ID、病人姓名、性别、年龄；②主管医生；③计划类型；④家庭/工作/手机电话、邮件地址、家庭住址。医生工作站的数据对比验证有4项：①同一CT层面的坐标值；②CT方向的设置；③结构的命名、类型、颜色；④相同结构的剂量和体积统计。物理师工作站的对比数据量大，这部分的数据对比两套系统的计划参数报告。经过对比验证，远程和本地系统的数据全部一致。

在本地系统上新建B组病人，完成如上的一系列操作，结果显示远程和本地的数据也全部一致。

通过以上各项测试表明，远程放疗系统具有和本地放疗系统同样的功能，操作效果与本地系统完全等效，并且支持移动办公。证明远程放疗系统能够安全可靠地应用于临床工作中。

依托该套远程系统，从2017年9月起已有223名患者在该基层医院接受了放射治疗，其中148例IMRT，75例3D-CRT，为当地患者带去省级专家的治疗方案，提高了患者就医体验。而且该套系统允许客户在任意位置使用各种终端，来接入基层医院的医疗软件。这个特点允许医生和物理师利用闲散时间勾画靶区、设计计划和评估计划，比如上下班路上、酒店或者机场候机室，即便应用4G网络，也能在智能电话上流畅操作，真正实现移动办公，提高了工作效率。

2.3 讨论

本文设计的远程放疗系统，数据处理均在本地数据中心服务器上完成，平台上只将完整的界面展现给客户端设备，既保证了数据服务器的安全性，又因为交互的数据大大减少而提高了访问速度，使得用户获得与在本地运行放疗系统一样的体验感受。

虽然该套系统实现了远程勾画靶区和设计放疗计划等功能，但在远程获取加速器设备的运行状态数据、放疗过程中的操作流程数据、病人信息管理以及放疗流程的管理等方面存在缺失，这也是后续的努力方向。最终探索一套功能完善、信息安全的远程放疗协作平台，实现有效的流程管理和信息交流与追踪。

随着信息技术的发展，医院信息系统越来越多，如何管理维护和高效使用这些系统成为一大难题。此外医院还面临扩建后的数据共享、提高医务人员工作效率、与兄弟单位交流等问题，基于Citrix实现医疗软件的虚拟化可以提供一个解决方案。

3 结论

本文基于Citrix二次开发设计了一套远程放疗系统，通过这套系统可以实现异地访问放疗计划系统，并采取了一系列措施保证患者的信息安全。目前这套远程放疗系统已在某基层医院通过了实验和验证，证明该远程放疗系统是一个非常有效的远程放疗方案，可有效解决偏远地区放疗资源人才不足的需求，为基层患者的肿瘤放射治疗提供更好更专业的治疗方案。