基于Web放疗设备质量控制管理系统设计与开发

胡金炎，张丽媛，裴运通，王海洋，郭跃信

1. 郑州大学第一附属医院 放射治疗部，河南 郑州 450052；2. 郑州市中心医院 放射治疗科，河南 郑州 450052

引言

放疗设备质量控制和质量保障是患者得到准确剂量投照的关键因素之一[1]。放疗涉及众多复杂医疗设备，其质控内容及频率各不相同，许多医疗机构还设有分院区。虽然一些国家和国际协作组定义标准来规范质控内容、方法和容差[2]，但目前质控数据多采用纸质或本地电脑记录分析，信息化程度不高，不能及时反馈质控结果，查询不便，这给质控规范化实施、适时掌握机器运行状态、不同院区共享资源带来障碍[3-5]。开发一个软件系统实现在线存储、分析、审核和检索质控结果具有现实意义。Web架构是一种基于浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）的网络服务模式，这种模式将系统核心功能集中在服务器上，用户通过浏览器访问数据、交互显示，对于放疗科这种需要不同地点、不同人员、不同设备之间多方协作科室有一定优势[6-8]。本课题研究基于Web架构实现放疗设备质量控制管理系统并评估其临床应用价值。

1 材料和方法

1.1 环境配置

系统硬件为一台接入医院局域网计算机服务器，操作系统为Windows Service 2012，数据库为SQL Server 2014。系统软件基于B/S架构，在开源Web框架Django 2.1基础上，整合开源软件工具包QATrack[9]、Pydicom[10]和Pylinac[11]等开发而成。系统后端编程语言Python 3.6，前端页面开发语言HTML、CSS及JavaScript，利用Windows互联网信息服务提供反向代理和静态文件服务。

1.2 软件架构

系统架构采用标准B/S三层架构（图1）。最上层为应用层，实现不同角色应用对应模块；中间层为业务逻辑层，负责各个应用模块与系统数据库通讯连接，实现交互式响应；底层为数据持久层，负责记录和存储质控过程中产生的数据。

图1 系统架构和功能模块

1.3 功能模块

根据国家肿瘤规范化诊治质控中心指南（NCC/T-RT），AAPM TG-142及TG-148等报告要求，依角色不同将系统划分为11个模块（图1）：① 技术员负责的晨检模块；② 物理师负责的周检、月检和年检模块；③ 一些非常规检查项目，如加速器MLC叶片Picket Fence测试，VMAT测试及日志文件分析等；④ 部门主管负责的质控审核、批准模块；⑤ 系统管理员负责的用户管理、设备管理、权限管理和测试项目管理等。

1.4 系统评估

为了评估系统对自主编程实现质控检测功能准确性，本系统使用RIT公司RIT 142软件和GafChromic公司Film QA 2016软件进行对比分析，高年资物理师通过对结果采取审查监督等多种方式确保系统分析方法逻辑准确性和实际的临床应用效果。

1.5 统计分析

本文统计基于SPSS 22.0软件，对人工、RIT142软件及本系统对Catphan模体不同材料CT值分析的结果是否具有显著性差异采用多变量方差分析，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 系统实现

本系统以加速器为中心设计,实现覆盖放疗设备质控全流程大量实用功能。质控功能包括：加速器晨检、周检、月检，影像学月检、年检，模拟机定位机和后装治疗机月检和非常规项目检查；非质控功能包括：趋势分析、报告打印、容差设定、机器配置、账号管理等。系统自运行以来共进行质控逾1000项，测试项目逾20000条。

2.1.1 系统主界面

图2a为系统主界面，系统功能分为质控实施、质控审核和配置管理。质控实施界面按院区、类型对放疗设备分类（图2b），每台设备设置相应的质控频率，如加速器晨检、周检、月检、年检及非常规检测，而模拟机和后装治疗机只安排月检和非常规检测。质控审核界面显示有无逾期的质控检测项目（图2c）、下一次检测日期及质控结果。质控检测结果中绿色为通过，黄色在警告（Warning）容差范围内，红色为超过行动（Action）容差而需采取处置措施。配置管理界面为系统管理员配置设备模态，设置质控检测项目、参考值及容差范围，人员权限管理等提供便利（图2d）。

图2 系统主要用户界面

2.1.2 周检

周检分为剂量、机械和安全性检查（图3a）。常用参数如电离室校正因子可通过设计在表格中下拉框调取；质控文档或参考资料通过超链接方式引用。单击检测项目会提供详细测量设备条件和测量方法，重要部分以加粗或者对比强烈字体显示；检测项目还给出测量参考值及容差范围。质控过程中碰到的特殊情况，比如机器宕机等，质控人员需在备注栏里详细说明情况，该项测量则暂时可略过。当前测量值在警告容差范围内则显示绿色、在警告容差外则报黄，超过行动容差则报红；系统还显示同一检测项目最近5次的历史记录，方便与当前测量值对比，给物理师决策是否采取相应处置措施提供参考。

2.1.3 月检、年检和非常规检查

月检、年检和非常规检查检测记录项与周检类似，部分检测项目基于科室发表同行评审论文算法代码，如机载影像系统影像质控Catphan模体量化分析（图3b）[12]，只需要将扫描DICOM格式图像压缩后上传至系统，选择Catphan类型，系统自动完成所有检测项目分析，根据需要分析功能可扩展。其他类似的自动分析功能包括：基于电子射野影像系统（Electronic Portal Imaging Devices，EPID）平坦度对称性检测[13]、基于EPID VMAT测试[14]、加速器旋转等中心（Star Shot）检测[15]、MLC轨迹日志分析及辐射等中心Winston-Lutz分析[16]等。

图3. 质控实施界面

2.1.4 趋势及运行图分析

系统实现对质控检测项目趋势及运行图分析[17]，以图表形式显示检测项目结果随时间变化趋势、均值和标准差，检测结果也可以通过Excel格式导出方便后续分析。图4a显示前8个月Tomo加速器静态输出剂量均在允许容差范围内，但是呈现下降趋势，说明该项检测在单一测量时间点没有问题，放在较长时间维度上才显现其变化趋势。采用人工干预校准绝对量后，Tomo静态输出剂量回归正常。图4b为本单位加速器绝对剂量相对偏差箱图，各加速器相对偏差中位数及波动范围各不相同，其中4台设备（Axesse，TrueBeam，EDGE和VersaHD）中位数偏高，3台设备（Synergy，Trilogy和Tomo）中位数偏低。

图4 趋势分析和统计分析

2.2 应用效果

表1为EDGE加速器机载影像系统Catphan 604模体扫描图像CT值线性检测在两年时间内（共20次），由RIT 142软件、高年资物理师在计划系统（Eclipse 13.5）人工分析及本系统分析结果，显示RIT 142软件、人工分析和本系统的分析结果非常接近，所有材料无统计学差异（P＞0.05），Poly材料和Acrylic材料RIT 142软件分析结果较人工分析与本系统偏小。Catphan 604模体50% Bone和20% Bone两种材料，RIT 142软件没有这个功能而无法分析，且RIT 142软件需要人工导入相应模块单张DICOM图像，操作不便，本系统只需将扫描图像压缩上传，系统通过算法自动找到对应模块实现全自动分析。其他质控功能模块在投入临床使用前均进行类似的对比分析，确保分析结果可靠性和稳定性。

表1 人工分析，RIT142及本系统分析Catphan 604模体不同材料插入件CT值（±s）

表1 人工分析，RIT142及本系统分析Catphan 604模体不同材料插入件CT值（±s）

材料(参考值) 人工分析 RIT 142 本系统 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 讨论与结论

基于Web质量控制管理系统适合放疗设备产生复杂多模态成像和剂量数据。本系统主要实现了质控结果自动上传、在线审核和统计分析等功能。基于Web系统将之前分散的质控结果，多样化参考值、容差及检测方法以统一标准和格式存放于数据库中，方便调取、查阅和比较。机房安装无线网络后，质控人员在手持终端上边做质控边查看操作步骤和参考资料，适合技术人员规范化培训，降低学习曲线，契合当前医院信息化、无纸化要求。

该系统提供部分质控检测项目自动量化分析，节约了时间和劳力，减少质控人员主观因素的影响，保证质控在一个统一框架内实施，质控一致性得到提高。基于Web系统方便数据调取，可视化界面为不熟悉编程技术人员提供便利，其可作为科研中转站、可视化多模态的数据，如DICOM文件、日志文件等转化成易于读取分析的Excel或txt格式。

虽然NCC/T-RT标准和AAPM报告提供了质控检测基准值和容差，但这些数据往往具有普适性，针对本单位设备具体情况，该系统方便实施运行图分析建立个体化设备质控基准值和容差。基于Web系统鼓励主动的质量控制，许多在单一时间点看不出问题的检测结果，通过趋势分析，放到时间维度上提供系统整体波动情况，为质控人员决策提供帮助。

当前有一些类似商用解决方案，如Mobius 3D，QA Pilot和Track-it等，但是它们通常在定制分析方面能力受到限制不易做扩展开发，特别是满足用户需要的高阶统计方面。这些软件价格昂贵且基本上英文操作，给许多基层医院购买和使用带来挑战。利用本质控系统，省级放疗中心建立详细步骤和流程，基层医院通过网络共享资源，有助于放疗设备规范化质控。系统持续的迭代，测量方法的改善，设备模体的更新，基于Web系统有利于知识的扩散，提升科室整体质控水平。

计算能力、数据库存储方法及多个中心共享数据能力进步使得创建大数据集、应用放射治疗“大数据”成为可能。设备基本信息、运行状态、异常值检测、影像学等信息的确定，基于Web系统提供资源方便利用大数据分析和人工智能方法清晰描述这些信息，其潜在应用包括设备自动质控、故障预测等。数据批量存储、分类和解释也会驱动问题研究，对临床研究、治疗方法改善产生积极影响。

本项目开发了一个基于Web放疗设备质量控制管理系统，用户可在线分析、管理和可视化多模态质控数据，提高了质控效率、一致性和整体水平。