彭旭東，張俞，何垠波，李光俊

四川大學(xué)華西醫(yī)院 腫瘤中心 放射物理技術(shù)中心，四川 成都 610041

引言

光學(xué)體表引導(dǎo)放射治療（Surface-Guided Radiation Therapy，SGRT）是一種新型腫瘤放療圖像引導(dǎo)技術(shù)[1-2]。其基本原理是利用可見結(jié)構(gòu)光、立體視覺系統(tǒng)、飛行時間系統(tǒng)或激光掃描儀對患者表面進(jìn)行高空間和時間分辨率的成像，具有無創(chuàng)、無輻射、實時監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)[3]，目前該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于頭頸、胸腹部、乳腺、四肢及兒童腫瘤的放射治療[4-8]。自2015 年我院開始開展SGRT 技術(shù)，目前已安裝了4 套瑞典C-RAD 公司的Catalyst HD 系統(tǒng)。目前國內(nèi)外醫(yī)院僅有對光學(xué)體表成像設(shè)備的臨床研究報道[9-11]，而對該類型設(shè)備故障的研究較為缺乏。由于該設(shè)備投入臨床使用的時間較短，大部分醫(yī)院工程師對該設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理了解不深，因此在臨床實踐中遇到的許多故障問題均無法有效解決，嚴(yán)重影響了臨床的治療。為了彌補(bǔ)這一不足，本文總結(jié)了Catalyst HD 系統(tǒng)的工作原理，并詳細(xì)介紹了Catalyst HD系統(tǒng)運(yùn)行過程中常見的硬件故障判斷方法、軟件故障處理方法以及日常的維護(hù)保養(yǎng)措施，以供同行參考。

1 Catalyst HD基本原理

Catalyst HD 系統(tǒng)通過結(jié)構(gòu)光原理來實現(xiàn)體表立體成像（圖1a），利用結(jié)構(gòu)光源和攝像機(jī)視角差計算獲取物體三維外輪廓圖像，并與放療計劃系統(tǒng)內(nèi)生成的患者外輪廓圖像進(jìn)行比對，分析空間位置誤差[12]。該系統(tǒng)主要包含了軟件和硬件兩部分。

圖1 Catalyst HD系統(tǒng)工作原理示意圖

（1）硬件方面：Catalyst HD 系統(tǒng)由3 個獨(dú)立的攝像模塊組成，每個攝像模塊又稱為Catalyst，可以單獨(dú)工作，也可組成Catalyst HD 系統(tǒng)。每個Catalyst 內(nèi)部由一個數(shù)字光處理（Digital Light Processing，DLP）投影器和一個校準(zhǔn)到相同坐標(biāo)系的電荷耦合器件圖像（Charge Coupled Device，CCD）攝像器組成（圖1b），根據(jù)加速器等中心的位置依次間隔120° 的方式安裝在機(jī)房頂端（圖1c），其中正對治療床上方位置的攝像模塊為主攝像頭，兩側(cè)均為副攝像頭，三個攝像頭相較于單個攝像頭擁有更大的視野角度，可以采集更加完整的患者體表輪廓。Catalyst 采用的DLP 光源包含405 nm 的藍(lán)色測量光、528 nm 的綠色投影光和624 nm 的紅色投影光，藍(lán)色光用于掃描物體并由攝像器所探測（探測頻率為202 幀/s），綠色光和紅色光用于提示掃描物體的位置偏差（綠色遠(yuǎn)，紅色近）[13]。

（2）軟件方面：使用Catalyst HD 系統(tǒng)軟件可以實現(xiàn)調(diào)整LED 光源的增益和攝像頭的探測時間，以提高采集影像的質(zhì)量。在臨床應(yīng)用中，可分為三種不同臨床應(yīng)用模式，患者擺位模式使用cPosition，治療過程中對患者的實時監(jiān)測使用cMotion，呼吸門控放療模式則使用cRespiration[14]。與其他廠家的光學(xué)體表成像設(shè)備相比，Catalyst 采用了迭代最近點(diǎn)非剛性配準(zhǔn)算法[15]，可實時比較采集的患者輪廓和參考輪廓，并實時提供6 自由度的位置誤差，從而實現(xiàn)輔助患者擺位和實時監(jiān)控。此外，Catalyst 可接入直線加速器提供的第三方設(shè)備接口，實現(xiàn)加速器束流的控制并同步患者數(shù)據(jù)。

2 故障案例

根據(jù)日常使用Catalyst HD 系統(tǒng)中所遇到的故障情況，將常見的故障分為兩類：硬件故障和軟件故障。

2.1 硬件故障

2.1.1 故障現(xiàn)象

在進(jìn)行Catalyst 晨檢時，治療時遇到檢測未通過的情況，并發(fā)現(xiàn)左側(cè)攝像頭出現(xiàn)“Object not recognized”的錯誤提示（圖2）。

圖2 攝像頭故障提示圖

2.1.2 故障分析

首先打開Catalyst HD 系統(tǒng)的C4D 軟件，通過軟件右下角的通訊自檢程序發(fā)現(xiàn)所有通訊連接正常（圖3），說明攝像模塊的電源和網(wǎng)絡(luò)通信正常。進(jìn)一步在系統(tǒng)軟件中選取任意一個患者并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，發(fā)現(xiàn)左側(cè)攝像頭無法顯示出具體的患者輪廓圖像（圖4）。說明該攝像模塊出現(xiàn)問題，由于Catalyst 內(nèi)部是由一個投影器和攝像頭組成。需要進(jìn)一步判斷故障是由投影器故障還是攝像頭故障引起。進(jìn)入機(jī)房后，仔細(xì)觀察左側(cè)攝像頭DLP投影器發(fā)出的光線亮度低于其他攝像頭投影器的光線亮度，故懷疑DLP 投影器發(fā)生故障。關(guān)閉C4D 軟件，打開電腦中C-RAD 文件下的MultiZsn 軟件，并選擇Auto Adjust Exposure Settings。觀察左側(cè)CCD 攝像頭的感光情況，發(fā)現(xiàn)左側(cè)攝像頭都能夠?qū)嶋H顯示圖像（圖5），說明CCD 攝像頭工作正常，但左側(cè)的攝像頭顯示的圖像非常暗，多次切換攝像頭后發(fā)現(xiàn)左側(cè)攝像頭的投影器徹底不發(fā)光。因此基本可以判斷出故障原因是由投影器問題，需要聯(lián)系廠家重新訂購新的DLP 投影器進(jìn)行更換。如果通過MultiZsn 軟件，發(fā)現(xiàn)攝像頭無法顯示圖像，說明攝像頭也存在問題。

圖3 軟件通信連接正常圖

圖4 故障投影器右下方無圖像（a）和正常投影器右側(cè)有圖像（b）

圖5 通過MultiZsn軟件檢測攝像頭工作正常

2.1.3 故障維修

更換投影器后，新投影器的光學(xué)參數(shù)和機(jī)械位置與舊投影器存在一定差異，因此需要重新對Catalyst HD系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)設(shè)置，以確保其能夠正常用于臨床治療。具體的操作步驟如下：① 準(zhǔn)備Catalyst 專用校準(zhǔn)板（圖6），打開Catalyst 自帶的SnapCal 軟件。將治療床調(diào)整到合適的高度，并將床面中間區(qū)域移動到加速器等中心區(qū)域位置。將校準(zhǔn)板水平放置在治療床G方向的右側(cè)，并手動或自動調(diào)整相機(jī)的曝光設(shè)置。然后點(diǎn)擊“capture calibration image”，等待圖像出現(xiàn)在左側(cè)列表中。在進(jìn)行捕捉過程中，需要確保校準(zhǔn)板完全靜止，并且相機(jī)視圖中沒有物體移動。當(dāng)?shù)谝粡垐D像被捕獲后，SnapCal 軟件會顯示一個紅色網(wǎng)格。按照從右到左的順序，依次重復(fù)上述步驟來捕獲校準(zhǔn)板的圖像，直到主掃描區(qū)域的大部分紅色網(wǎng)格被移除。② 將校準(zhǔn)板按照傾斜床面45°和垂直床面的方向，重復(fù)上述步驟進(jìn)行圖像捕獲，總共獲得9 組圖像集合。③ 按照以上步驟將校準(zhǔn)板放置在床面等中心區(qū)域和靠近T 端的區(qū)域，各自再獲取另外18 組圖像集合。此時需要檢查視圖中是否還殘存有紅色網(wǎng)格，并通過移動校準(zhǔn)板來捕獲圖像以消除剩余的紅色網(wǎng)格。當(dāng)全部紅色網(wǎng)格消除后，點(diǎn)擊SnapCal 菜單中的“Calibriate”按鍵來完成校準(zhǔn)。完成校準(zhǔn)后，退出SnapCal 軟件。④ 利用加速器的激光燈將校準(zhǔn)板準(zhǔn)確地放置在加速器等中心位置上，使得方向板左右對齊，中間標(biāo)記對應(yīng)的原點(diǎn)對齊到等中心位置。⑤ 啟動Catalyst 自帶的MultiZsn 軟件。在菜單中選擇“文件”，然后選擇“加載參考坐標(biāo)”，再選擇“導(dǎo)入?yún)⒖嘉募保⑦x擇文件格式為“.obc”。在C4D 光盤驅(qū)動器、Drivers 和OBC Files 中，選擇與校準(zhǔn)板背面名稱相同的文件。接下來，點(diǎn)擊菜單欄中的“Scanner”，選擇“Setting”。在設(shè)置中選擇“High Precision”和“High Precision”，然后關(guān)閉窗口。點(diǎn)擊“Auto Adjust exposure setting”按鈕，進(jìn)入“工具Tools”菜單，選擇“Set EOR”。如果校準(zhǔn)成功，則會顯示轉(zhuǎn)換成功完成。至此，校準(zhǔn)完成。需要注意的是，設(shè)置EOR 程序的可接受標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.4 mm。如果未達(dá)到可接受的結(jié)果，重復(fù)SnapCal 中的步驟以添加更多的校準(zhǔn)圖像。

2.2 軟件故障

在臨床應(yīng)用中，除硬件故障導(dǎo)致設(shè)備無法正常運(yùn)行外，Catalyst 系統(tǒng)的故障多由軟件故障引起，并導(dǎo)致設(shè)備聯(lián)鎖。Catalyst HD 系統(tǒng)通過與加速器設(shè)備廠商提供的第三方接口進(jìn)行連接，以實現(xiàn)輔助擺位、呼吸門控等功能[16]。然而，不同廠家所提供的接口方式和操作流程存在差異，這使得放療技師在操作時，由于對不同設(shè)備之間的操作習(xí)慣不熟悉而導(dǎo)致軟件故障的發(fā)生。

2.2.1 故障現(xiàn)象

在臨床治療時，加速器端報Authorization Pending聯(lián)鎖（圖7）。

圖7 Authorization Pending聯(lián)鎖

2.2.2 故障分析

在軟件方面，Catalyst 通過接入瓦里安Truebeam 系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)動管理設(shè)備來實現(xiàn)束流的控制。同時，硬件上Catalyst 還配置了一個門控盒（圖8），通過使用開關(guān)鑰匙來啟動束流控制。在臨床治療過程中，操作人員需要在加速器端和Catalyst HD 軟件端C4D 上進(jìn)行正確的設(shè)置，以確保治療順利實施。否則，會觸發(fā)加速器端的Authorization Pending 聯(lián)鎖。

圖8 門控盒

2.3.3 故障維修

為避免在臨床操作中加速器端觸發(fā)聯(lián)鎖，需依據(jù)加速器的型號制定Catalyst HD 系統(tǒng)的正確操作流程[11]。在治療過程中，需在加速器端和C4D 軟件端進(jìn)行正確的參數(shù)設(shè)置。為此，本研究總結(jié)了一個針對瓦里安Truebeam 型號加速器觸發(fā)Authorization Pending 聯(lián)鎖的參數(shù)設(shè)置表（表1）。通過使用該表，可以快速分析聯(lián)鎖發(fā)生時是否有某個步驟沒有正確執(zhí)行，并幫助放療技師快速解決故障。

表1 Authorization Pending聯(lián)鎖觸發(fā)的參數(shù)設(shè)置表及正確執(zhí)行步驟

3 日常使用維護(hù)保養(yǎng)方法

Catalyst HD 系統(tǒng)主要由光學(xué)元器件構(gòu)成，因此良好的保養(yǎng)維護(hù)能夠提高設(shè)備的使用壽命?；镜谋ｐB(yǎng)方法包括硬件和軟件兩方面。在硬件方面，由于Catalyst HD 系統(tǒng)可用于患者初始擺位，要求系統(tǒng)的等中心位置和加速器的等中心位置保持一致[17]，所以設(shè)備需要進(jìn)行每日的晨檢。如果晨檢未通過，應(yīng)首先排除模體擺放位置、加速器激光燈誤差等因素，然后檢測Catalyst HD系統(tǒng)等中心位置是否出現(xiàn)偏差，通過軟件對Catalyst HD的等中心位置進(jìn)行重新標(biāo)定（圖9）。具體步驟為：登入C4D 軟件，進(jìn)入Daily Check 模式中進(jìn)行QA Check，展開右側(cè)功能菜單，點(diǎn)擊Save result as new isocenter adjustment，保存結(jié)果后再次進(jìn)行Daily Check，晨檢通過。其次，為保證Catalyst 內(nèi)部的光學(xué)元器件良好運(yùn)行，需要對治療室的環(huán)境有嚴(yán)格要求。一般機(jī)房的溫度要求控制在19～24 ℃，濕度為30%～70%。廠家建議每隔半年對各臺Catalyst 內(nèi)部進(jìn)行除塵，防止灰塵堵住攝像模塊的散熱孔，導(dǎo)致溫度過高影響內(nèi)部元器件使用壽命。在軟件方面，Catalyst HD 系統(tǒng)采用的是中心數(shù)據(jù)庫存儲方案，多個客戶端連接至科室里的同一數(shù)據(jù)庫，這樣可以便于在不同的設(shè)備上調(diào)取患者的信息。但由于數(shù)據(jù)庫自身存儲容量有限，隨著使用量的增加，需要定期備份治療完成的患者數(shù)據(jù)，否則會影響軟件的日常運(yùn)行速度和新患者數(shù)據(jù)導(dǎo)入。備份患者數(shù)據(jù)的方法是：將治療結(jié)束的患者在功能菜單下的Edit 中選擇Inactivate，并用管理員賬號登錄軟件，在功能菜單下的 File 中選擇Archive，將治療完成的患者全部備份存檔。

圖9 門控盒

4 討論與總結(jié)

本文總結(jié)了科室在使用Catalyst 過程中常見的硬件故障、軟件故障和日常保養(yǎng)的方法。就硬件方面而言，Catalyst HD 系統(tǒng)由3 個獨(dú)立的Catalyst 攝像模塊構(gòu)成，每個攝像模塊內(nèi)部又是由一個投影器和攝像頭組成，整體的硬件結(jié)構(gòu)相對簡單，故障原因多由投影器或攝像頭磨損老化導(dǎo)致。做好日常的保養(yǎng)工作，不僅可以保證設(shè)備的良好運(yùn)行，還能延長設(shè)備的使用壽命。對于軟件故障而言，不同型號的加速器與Catalyst 連接方式存在差異，因此臨床使用時需要科室制定適用于不同類型的操作流程，以降低軟件故障的發(fā)生[18]。

近年來，由于SGRT 具有無創(chuàng)、無輻射且可實時監(jiān)測的優(yōu)勢，越來越多的醫(yī)院開始采用該技術(shù)[19]。然而，目前國內(nèi)還缺乏統(tǒng)一的光學(xué)體表規(guī)范化治療流程，臨床操作過程中光學(xué)體表成像設(shè)備與加速器之間的操作流程也存在差異，常因操作人員不正確的操作方式導(dǎo)致設(shè)備在臨床使用時無法高效平穩(wěn)運(yùn)行。通過總結(jié)Catalyst HD設(shè)備出現(xiàn)的故障問題，尤其是軟件故障，醫(yī)院工程師可以為科室制定一套正確的光學(xué)體表放射治療操作流程，從而提高設(shè)備的使用效率并改善臨床治療效果。