光學體表成像設備Catalyst的故障維修案例及日常保養方法

彭旭東，張俞，何垠波，李光俊

四川大學華西醫院 腫瘤中心 放射物理技術中心，四川 成都 610041

引言

光學體表引導放射治療（Surface-Guided Radiation Therapy，SGRT）是一種新型腫瘤放療圖像引導技術[1-2]。其基本原理是利用可見結構光、立體視覺系統、飛行時間系統或激光掃描儀對患者表面進行高空間和時間分辨率的成像，具有無創、無輻射、實時監測等優點[3]，目前該技術已被廣泛應用于頭頸、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，目前已安裝了4 套瑞典C-RAD 公司的Catalyst HD 系統。目前國內外醫院僅有對光學體表成像設備的臨床研究報道[9-11]，而對該類型設備故障的研究較為缺乏。由于該設備投入臨床使用的時間較短，大部分醫院工程師對該設備的結構原理了解不深，因此在臨床實踐中遇到的許多故障問題均無法有效解決，嚴重影響了臨床的治療。為了彌補這一不足，本文總結了Catalyst HD 系統的工作原理，并詳細介紹了Catalyst HD系統運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保養措施，以供同行參考。

1 Catalyst HD基本原理

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

圖1 Catalyst HD系統工作原理示意圖

（1）硬件方面：Catalyst HD 系統由3 個獨立的攝像模塊組成，每個攝像模塊又稱為Catalyst，可以單獨工作，也可組成Catalyst HD 系統。每個Catalyst 內部由一個數字光處理（Digital Light Processing，DLP）投影器和一個校準到相同坐標系的電荷耦合器件圖像（Charge Coupled Device，CCD）攝像器組成（圖1b），根據加速器等中心的位置依次間隔120° 的方式安裝在機房頂端（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 的藍色測量光、528 nm 的綠色投影光和624 nm 的紅色投影光，藍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，紅色近）[13]。

（2）軟件方面：使用Catalyst HD 系統軟件可以實現調整LED 光源的增益和攝像頭的探測時間，以提高采集影像的質量。在臨床應用中，可分為三種不同臨床應用模式，患者擺位模式使用cPosition，治療過程中對患者的實時監測使用cMotion，呼吸門控放療模式則使用cRespiration[14]。與其他廠家的光學體表成像設備相比，Catalyst 采用了迭代最近點非剛性配準算法[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，從而實現輔助患者擺位和實時監控。此外，Catalyst 可接入直線加速器提供的第三方設備接口，實現加速器束流的控制并同步患者數據。

2 故障案例

根據日常使用Catalyst HD 系統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 故障現象

在進行Catalyst 晨檢時，治療時遇到檢測未通過的情況，并發現左側攝像頭出現“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 系統的C4D 軟件，通過軟件右下角的通訊自檢程序發現所有通訊連接正常（圖3），說明攝像模塊的電源和網絡通信正常。進一步在系統軟件中選取任意一個患者并進行參數設置，發現左側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問題，由于Catalyst 內部是由一個投影器和攝像頭組成。需要進一步判斷故障是由投影器故障還是攝像頭故障引起。進入機房后，仔細觀察左側攝像頭DLP投影器發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 投影器發生故障。關閉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CCD 攝像頭的感光情況，發現左側攝像頭都能夠實際顯示圖像（圖5），說明CCD 攝像頭工作正常，但左側的攝像頭顯示的圖像非常暗，多次切換攝像頭后發現左側攝像頭的投影器徹底不發光。因此基本可以判斷出故障原因是由投影器問題，需要聯系廠家重新訂購新的DLP 投影器進行更換。如果通過MultiZsn 軟件，發現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，新投影器的光學參數和機械位置與舊投影器存在一定差異，因此需要重新對Catalyst HD系統進行校準設置，以確保其能夠正常用于臨床治療。具體的操作步驟如下：① 準備Catalyst 專用校準板（圖6），打開Catalyst 自帶的SnapCal 軟件。將治療床調整到合適的高度，并將床面中間區域移動到加速器等中心區域位置。將校準板水平放置在治療床G方向的右側，并手動或自動調整相機的曝光設置。然后點擊“capture calibration image”，等待圖像出現在左側列表中。在進行捕捉過程中，需要確保校準板完全靜止，并且相機視圖中沒有物體移動。當第一張圖像被捕獲后，SnapCal 軟件會顯示一個紅色網格。按照從右到左的順序，依次重復上述步驟來捕獲校準板的圖像，直到主掃描區域的大部分紅色網格被移除。② 將校準板按照傾斜床面45°和垂直床面的方向，重復上述步驟進行圖像捕獲，總共獲得9 組圖像集合。③ 按照以上步驟將校準板放置在床面等中心區域和靠近T 端的區域，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格，并通過移動校準板來捕獲圖像以消除剩余的紅色網格。當全部紅色網格消除后，點擊SnapCal 菜單中的“Calibriate”按鍵來完成校準。完成校準后，退出SnapCal 軟件。④ 利用加速器的激光燈將校準板準確地放置在加速器等中心位置上，使得方向板左右對齊，中間標記對應的原點對齊到等中心位置。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”，再選擇“導入參考文件”，并選擇文件格式為“.obc”。在C4D 光盤驅動器、Drivers 和OBC Files 中，選擇與校準板背面名稱相同的文件。接下來，點擊菜單欄中的“Scanner”，選擇“Setting”。在設置中選擇“High Precision”和“High Precision”，然后關閉窗口。點擊“Auto Adjust exposure setting”按鈕，進入“工具Tools”菜單，選擇“Set EOR”。如果校準成功，則會顯示轉換成功完成。至此，校準完成。需要注意的是，設置EOR 程序的可接受標準偏差為0.4 mm。如果未達到可接受的結果，重復SnapCal 中的步驟以添加更多的校準圖像。

2.2 軟件故障

在臨床應用中，除硬件故障導致設備無法正常運行外，Catalyst 系統的故障多由軟件故障引起，并導致設備聯鎖。Catalyst HD 系統通過與加速器設備廠商提供的第三方接口進行連接，以實現輔助擺位、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，由于對不同設備之間的操作習慣不熟悉而導致軟件故障的發生。

2.2.1 故障現象

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

圖7 Authorization Pending聯鎖

2.2.2 故障分析

在軟件方面，Catalyst 通過接入瓦里安Truebeam 系統內的運動管理設備來實現束流的控制。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 上進行正確的設置，以確保治療順利實施。否則，會觸發加速器端的Authorization Pending 聯鎖。

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聯鎖，需依據加速器的型號制定Catalyst HD 系統的正確操作流程[11]。在治療過程中，需在加速器端和C4D 軟件端進行正確的參數設置。為此，本研究總結了一個針對瓦里安Truebeam 型號加速器觸發Authorization Pending 聯鎖的參數設置表（表1）。通過使用該表，可以快速分析聯鎖發生時是否有某個步驟沒有正確執行，并幫助放療技師快速解決故障。

表1 Authorization Pending聯鎖觸發的參數設置表及正確執行步驟

3 日常使用維護保養方法

Catalyst HD 系統主要由光學元器件構成，因此良好的保養維護能夠提高設備的使用壽命。基本的保養方法包括硬件和軟件兩方面。在硬件方面，由于Catalyst HD 系統可用于患者初始擺位，要求系統的等中心位置和加速器的等中心位置保持一致[17]，所以設備需要進行每日的晨檢。如果晨檢未通過，應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系統等中心位置是否出現偏差，通過軟件對Catalyst HD的等中心位置進行重新標定（圖9）。具體步驟為：登入C4D 軟件，進入Daily Check 模式中進行QA Check，展開右側功能菜單，點擊Save result as new isocenter adjustment，保存結果后再次進行Daily Check，晨檢通過。其次，為保證Catalyst 內部的光學元器件良好運行，需要對治療室的環境有嚴格要求。一般機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 內部進行除塵，防止灰塵堵住攝像模塊的散熱孔，導致溫度過高影響內部元器件使用壽命。在軟件方面，Catalyst HD 系統采用的是中心數據庫存儲方案，多個客戶端連接至科室里的同一數據庫，這樣可以便于在不同的設備上調取患者的信息。但由于數據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據，否則會影響軟件的日常運行速度和新患者數據導入。備份患者數據的方法是：將治療結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

本文總結了科室在使用Catalyst 過程中常見的硬件故障、軟件故障和日常保養的方法。就硬件方面而言，Catalyst HD 系統由3 個獨立的Catalyst 攝像模塊構成，每個攝像模塊內部又是由一個投影器和攝像頭組成，整體的硬件結構相對簡單，故障原因多由投影器或攝像頭磨損老化導致。做好日常的保養工作，不僅可以保證設備的良好運行，還能延長設備的使用壽命。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生[18]。

近年來，由于SGRT 具有無創、無輻射且可實時監測的優勢，越來越多的醫院開始采用該技術[19]。然而，目前國內還缺乏統一的光學體表規范化治療流程，臨床操作過程中光學體表成像設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致設備在臨床使用時無法高效平穩運行。通過總結Catalyst HD設備出現的故障問題，尤其是軟件故障，醫院工程師可以為科室制定一套正確的光學體表放射治療操作流程，從而提高設備的使用效率并改善臨床治療效果。