立体定向放射治疗设备可靠性评价中信息自动采集的研究*

夏 婷 夏慧琳* 高关心 刘浩川 李晶慧 包舒雅

立体定向放射治疗设备是将高能射线聚焦于靶区，利用专用准直器和立体定向系统使靶区发生损毁的大型医疗设备。为了精准照射靶区，立体定向放射治疗设备具有多线束和多放射野的特点，从而保护周围正常组织不受到照射伤害，对于肿瘤等疾病有较好的疗效[1-2]。按照世界卫生组织(World Health Organization，WHO)的推荐，我国应该拥有医用直线加速器达到2300～3900台，然而目前我国的医用直线加速器远远达不到该数量[3]。因此，未来医用直线加速器还有巨大的发展空间，而临床工程师面对立体定向放射治疗设备巨大的市场，应对设备的安全性和可靠性开展相应的研究，减少立体定向放射治疗设备可能产生的潜在危害。

通过采集立体定向放射治疗设备在使用过程中的故障数据，利用可靠性分析建立可靠性系统评价体系，对立体定向放射治疗设备故障率进行研究，发现立体定向放射治疗设备的关键部件，从而制定维护保养方案，减少故障发生[4-5]。可靠性分析的第一步是故障数据的采集。然而，故障数据采集过程中遇到数据量少、数据不真实、数据记录不准确和数据记录不全面等问题，将直接影响可靠性分析的准确性和有效性。实现故障数据采集过程中数据的有效性和真实性，将为可靠性分析奠定数据基础和参考依据。为此，本研究针对立体定向放射治疗设备可靠性评价过程中故障数据采集问题，利用图像采集器完成故障数据的记录和分类，对故障数据采集过程中的难点、自动采集过程、自动采集数据类型和数据采集方法进行探讨分析。

1 立体定向放射治疗设备大数据采集难点

1.1 设备维修数据采集现状

利用立体定向放射治疗设备的维修记录可以对设备进行可靠性分析，发现设备关键故障部件，寻找设备的不足和改进方案。因此，维修记录中数据信息的真实准确性将决定可靠性的分析结果。目前，维修记录在国内医院主要依靠人工记录，以及保留厂商维修单的方法。单靠人工记录和储存可能会发生记录缺失、记录内容不详细、不规范的情况，进而影响可靠性分析的准确性。同时，可靠性分析对于数据类型具有严格的要求，且需要的数据类型较多。其中包括医院名称、序列号、地区、故障发生日、维修级别等。利用上述数据完成可靠性分析及计算，获得平均首次故障时间、平均故障间隔时间、平均修复时间、可用度等结果，根据这些可靠性分析结果可以明确立体定向放射治疗设备的关键部件。然而，对于研究立体定向放射治疗设备的可靠性机制，仅依靠这些指标远远不够，且不能明确导致设备差异性的本质原因。

1.2 设备日常故障数据采集难点

除收集设备日常故障数据外，还需要详细记录当设备发生故障时的故障内容、故障形式及故障参数，以及设备在用时具体的设置条件。设备故障参数等数据采集可通过联系厂商开放设备日志和提供维修数据记录的方法获取目标数据，这样即确保数据的真实有效性，又获得类别丰富、数量巨大的信息。然而，在实际情况中由于设备端口不共享、涉及厂商经济利益和技术保密等因素，容易产生厂商数据外流和技术外泄的难题，因此通过厂商获得所需数据难以实现。

2 立体定向放射治疗设备大数据自动采集

大数据采集难点包括：①人工采集数据难以保证数据的真实有效性；②人工采集数据类型和数量的有限性。为了解决这些难题，利用某公司研制并提供的图像采集器，可以自动提取立体定向放射治疗设备工作站显示器画面，采集设备工作过程中画面信息。通过这种画面整体采集的方式，自动识别设备使用中的各项数据(包括正常工作数据和故障数据)，减少人为因素的影响，避免漏报小故障，真实地反映设备的日常工作情况和发生故障情况。此外，通过图像采集器可以采集立体定向放射治疗设备在日常运行中设备工作量数据，以及晨检、预热等质量控制工作数据，为可靠性分析建立扎实的数据基础。

2.1 信息的提取

图像采集器利用视频采集线，在设备运行过程中连续不断地采集设备工作站的终端显示器画面。图像采集器可以自动识别工作站的状态，当工作站关机后会中断采集过程。采集到的画面以视频的格式上传到大数据平台，等待进行图像识别和大数据分析。每台设备每日共产生约为7 GB的视频文件，为了更精确和减少不必要的存储空间浪费，会截取设备发生故障前后60 s的视频，真实还原设备发生故障时各参数的数值、各部件的状态和具体的操作界面信息，详细记录故障发生时的相关信息，极大的确保数据的真实性、有效性和实时性。

2.2 图像识别和大数据分析

通过图像识别技术，包括预处理、模板识别、光学字符识别(optical character recognition，OCR)等技术分析数据平台上传视频文件。①完成数据清洗工作，减少无用数据的影响；②通过数据集成，建立数据仓库；③通过数据变换和数据归约完成整个数据预处理过程。图像分析过程主要依托并联合模板识别技术以及OCR技术，构建数学模型完成关键信息的识别工作，在此过程中模板匹配技术非常重要，通过采集画面数字化，并获取相关点的像素值，利用数学模型和算法完成匹配，并显示匹配后的图像坐标[6-9]。利用识别技术将图像信息转变为计算机文字，获取开始照射时间、结束照射时间、回复照射时间、照射剂量、射线类型等信息。

3 立体定向放射治疗设备大数据采集应用

3.1 技术参数记录

通过图像识别技术对工作台界面进行图像信息抓取，获取到的参数类型分为部分患者信息和设备参数，其中设备参数包含治疗过程中的设定参数和实际值。信息类型包括：治疗日期、设备编号、照射野编号、照射开始时间、照射结束时间、照射时长、暂停时长、机架角度、机架运动、准直器角度、准直器运动、射线类型、能量、照射技术、楔形板状态、输出跳数、备用输出跳数、子野数量、治疗床垂直距离、治疗床左右距离、治疗床进退距离、柱旋转以及等中心旋转等参数。通过这些参数的获得，可以发现在实际治疗过程中，实际值与设定值之间的差别，为可靠性分析增加参考内容(如图1所示)。

图1 立体定向放射治疗设备技术参数设置界面图

3.2 设备故障参数记录

当治疗系统显示器终端图像跳出警报，或在左下角显示的红色条幅，表明设备处于非正常运行状态。针对这样的画面，图像采集器会自动进行识别，并自动保存和上传故障发生前60 s和发生后60 s视频。通过自动识别和自动记录，可以准确的收集故障信息、故障发生细节和维修方案等信息，统计历史故障和同一故障发生频率，并且确保信息的真实性。记录的故障数据包括：故障代码、故障描述、故障处理方法、故障发生时间以及故障解决时间等。将这些设备故障数据整理后，利用可靠性相关公式计算首次故障平均时间(mean time to first failure，MTTFF)、平均故障间隔时间(mean time between failure，MTBF)及平均修复时间(mean time to repair，MTTR)等结果，明确故障率，确定设备关键部件[10-12](如图2所示)。

图2 立体定向放射治疗设备故障界面图

立体定向放射治疗设备故障部分数据及代码汇总如下。

(1)设备故障数据一。时间：2017-08-07；设备编号：4302；故障代码：Terminate Key；故障描述：26-The beam has been terminated by pressing the Terminate key(26-终止键操作暂停射线)；处理方法：Unlatch the Terminate key，use the reset key and press the Reset Motors button on the Hand Held Controller(打开终止键插栓，使用复位键，按下重置手持控制器上的电机按钮)；设备显示：发生时间16∶36∶26，解决时间16∶37∶38，故障时长72 s。

(2)设备故障数据二。时间，2017-08-10；设备编号，4302；故障代码，Dose Rate Mon；设备显示，发生时间9∶49∶11，解决时间9∶49∶24，故障时长13 s。

(3)设备故障数据三。时间，2017-08-10；设备编号，4302；故障代码，2R ERR；设备显示，发生时间9∶49∶41，解决时间9∶49∶50，故障时长9 s。

3.3 其他类型数据记录

除了记录上述设备治疗参数，还可以获取并统计有关质量控制的参数，包括每日工作量、晨检、预热等。利用图像采集器可以对医院每日每台设备的医护人员和设备工作量进行记录统计，数据类型包括治疗日期、设备编号、患者编号、患者姓名、照射野数量、照射总时长、金额、技师姓名等。利用采集到的数据可以定期对每台设备和医护人员的工作量进行统计和计算，找出设备空闲时间，减少不必要的浪费，提高设备利用率，满足患者治疗需求(见表1)。

表1 立体定向放射治疗设备部分单日工作量汇总

立体定向放射治疗设备晨检是指利用检测仪检测直线加速器的实际输出剂量，反映直线加速器发出射线的真实状况[13]。目前，医院使用的晨检仪是独立于立体定向放射治疗设备的，因此通过图像采集器可以将需要的信息数据上传，避免“信息孤岛”的现象。信息主要包括日期、设备编号、晨检仪编号、处理单元、协议、方式、能量、射野尺寸、源现距、机架角度、楔形板角度、跳数、中心轴输出量、射野平坦度、枪-靶对称性、左右对称性、光束质量因子、楔形板检测角度、L10检测量、温度、气压以及晨检结果等。对晨检信息进行合理利用，为设备可靠性分析、质量控制以及维护保养方案提供参考依据。

此外，为了保护闸流管和磁控管，增加设备的稳定性，延长使用寿命，需要每日开机后对设备进行预热，自动采集器可以记录医护工作人员是否按要求对设备进行了预热，并且记录预热开始时间和结束时间。具体参数包括日期、设备编号、闸流管预热及磁控管预热等[14-15]。

4 结语

可靠性分析在立体定向放射治疗设备中的应用已受到广泛重视，为指导临床在医疗设备的使用提供参考。面对设备数据难获取、真实性差及有效性低等问题，可靠性分析在医疗设备中的应用仍有待探索。通过图像采集器实现立体定向放射治疗设备技术参数、故障数据、每日工作量、预热、晨检等大数据的采集，利用图像识别技术完成数据的分类和记录，确保数据的真实性、有效性和及时性，能够为可靠性分析提供坚实的数据基础，为医疗大数据分析和应用方向扩展提供有力的工具。