醫(yī)用直線加速器的故障分析及維護(hù)*

楊 濤 張 虹 高關(guān)心 夏慧琳 屠 波 夏 婷 李 庚

醫(yī)用直線加速器是腫瘤放射治療的大型醫(yī)療設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，科技含量高，涉及的學(xué)科和技術(shù)繁多。放射治療設(shè)備因其故障停機(jī)會對患者的治療造成較大影響，因此對其進(jìn)行基于可靠性分析方法的預(yù)防性維護(hù)和保養(yǎng)逐步成為臨床工程師日常工作的一部分。有資料表明，國外預(yù)防性維護(hù)工作已達(dá)到本科室工作量的70%，且取得了較好的效果[1]。為確保直線加速器的正常運(yùn)行，加強(qiáng)醫(yī)用直線加速器的預(yù)防性維護(hù)顯得尤為重要。

1 醫(yī)用直線加速器結(jié)構(gòu)

醫(yī)用直線加速器種類較多，按照被加速粒子的種類，可分為電子直線加速器、質(zhì)子直線加速器和重離子直線加速器。按照醫(yī)用電子直線加速器采用的加速波分類，可分為行波醫(yī)用直線加速器與駐波醫(yī)用直線加速器；按照直線加速器產(chǎn)生電子線的能量分類，可分為低能直線加速器、中能直線加速器和高能直線加速器。雖各種加速器的結(jié)構(gòu)不同，但其基本組成大致相同[2-4]。醫(yī)用電子直線加速器主要結(jié)構(gòu)包括加速管及束流系統(tǒng)、微波功率源及傳輸系統(tǒng)、電源及移動控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、患者支撐系統(tǒng)、劑量監(jiān)測系統(tǒng)和輻射系統(tǒng)等，如圖1所示[5]。

圖1 醫(yī)用直線加速器結(jié)構(gòu)框圖

(1)加速管及束流系統(tǒng)。加速管及束流系統(tǒng)由電子槍、加速管、輸入或輸出耦合器及波導(dǎo)窗組件、真空泵組件、聚焦對中及偏轉(zhuǎn)線圈等組成。電子槍的陰極經(jīng)加熱后，可提供熱發(fā)射電子，電子經(jīng)加速管進(jìn)行加速，加速管是整個直線加速器的核心部分[6]。

(2)微波功率源及傳輸系統(tǒng)。直線加速器通過微波功率源激勵加速管中的電子進(jìn)行加速。微波功率源有磁控管和速調(diào)管2種。低能直線加速器使用磁控管作微波功率源，中高能直線加速器使用速調(diào)管作功率源。微波功率源輸出功率通過傳輸系統(tǒng)輸送至加速管，制造用于激勵電子的電磁場。微波傳輸系統(tǒng)主要包括隔離器、取樣波導(dǎo)、輸入輸出耦合器、三端或四端環(huán)流器、吸收負(fù)載及頻率自動穩(wěn)頻系統(tǒng)等。

(3)電源及移動控制系統(tǒng)。電源及移動控制系統(tǒng)主要功能是控制設(shè)備旋轉(zhuǎn)等，由手控盒、功能鍵盤、電動馬達(dá)和剎車系統(tǒng)等組成。

(4)溫度控制系統(tǒng)?？烧{(diào)控加速器內(nèi)部部件工作溫度，帶走微波功率源、加速管、偏轉(zhuǎn)磁鐵線圈、隔離器及吸收負(fù)載等在工作中產(chǎn)生的熱量。溫度控制系統(tǒng)主要分為恒溫水循環(huán)系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和電控系統(tǒng)3部分。恒溫水循環(huán)系統(tǒng)主要由儲水箱、水泵、過濾器、分流閥和換熱器等部件組成。該系統(tǒng)包括內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)和外循環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)是加速器內(nèi)部的水循環(huán)系統(tǒng)；外循環(huán)系統(tǒng)是溫控機(jī)組排出的恒溫水通過連接管路進(jìn)入到加速器內(nèi)部換熱器中的系統(tǒng)。

(5)真空系統(tǒng)。在加速器中為了有效地加速電子，需建立強(qiáng)大的微波電場，必須避免加速管內(nèi)放電，因此加速管內(nèi)需維持真空狀態(tài)。真空系統(tǒng)的作用是隔絕空氣中的分子，避免與被加速的電子相碰撞而損失能量。

(6)患者支撐系統(tǒng)。主要功能是加速器工作中對患者進(jìn)行支撐和擺位，由床面、床體、控制部件、指示燈和剎車部件等組成。對不同患者、不同位置進(jìn)行治療，需通過患者支撐系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)[7]。

(7)劑量監(jiān)測系統(tǒng)。主要對加速器的輻射劑量進(jìn)行監(jiān)測，該系統(tǒng)的穩(wěn)定與準(zhǔn)確是實(shí)現(xiàn)治療效果的重要條件之一[8]。劑量監(jiān)測系統(tǒng)主要包括電離室、直流高壓電源、信號檢測電路、劑量計(jì)數(shù)表及程控放大器等[9-10]。醫(yī)用直線加速器必須配備2個獨(dú)立的劑量通道和1個時間保護(hù)通道。

(8)輻射系統(tǒng)。是直線加速器的關(guān)鍵部件之一，其作用是按照治療需求對電子束進(jìn)行X射線轉(zhuǎn)換和勻整輸出。輻射系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)包括靶、X射線輻射準(zhǔn)直系統(tǒng)、均整器、電離室、遮光板和輻射野光學(xué)模擬系統(tǒng)等[11-12]。X射線輻射準(zhǔn)直系統(tǒng)是用于產(chǎn)生一定形狀輪廓輻射野的部件，由初級準(zhǔn)直器、次級準(zhǔn)直器和附加準(zhǔn)直器組成。

2 醫(yī)用直線加速器主要故障分析

2.1 可靠性和故障模式及影響

(1)可靠性分析。可靠性(Reliability)常指設(shè)備或系統(tǒng)在要求的條件和時間下達(dá)到要求功能的本領(lǐng)，要求功能指設(shè)備或系統(tǒng)出廠時技術(shù)要求的所有功能，還包括故障或完成所要求功能的判斷標(biāo)準(zhǔn)；要求的時間是可靠性定義的核心，時間的多少跟設(shè)備和該設(shè)備使用目的有關(guān)；要求的條件是完成功能的制約條件，包括環(huán)境、使用人員和維修等條件[13]。

(2)故障模式及影響分析(failure mode and effect analysis，F(xiàn)MEA)。在生產(chǎn)和運(yùn)轉(zhuǎn)過程中分析設(shè)備或過程中可能存在的故障，分析各種故障所引起的風(fēng)險(xiǎn)，對故障模式的影響進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)程度分類，制定各種改進(jìn)措施的方法[14]。根據(jù)醫(yī)用直線加速器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用FMEA方法，對主要結(jié)構(gòu)系統(tǒng)故障模式利用魚骨圖進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖2 醫(yī)用直線加速器可靠性分析魚骨圖

2.2 移動控制系統(tǒng)

移動控制系統(tǒng)的主要故障包括手控盒故障、功能鍵盤故障、馬達(dá)故障、剎車系統(tǒng)故障、位置電位器故障及限位裝置故障。①手控盒故障時，使用手控盒控制設(shè)備時不能對設(shè)備進(jìn)行移動，使得整套系統(tǒng)無法正常工作；②功能鍵盤故障時，不能在控制室自動擺位，影響加速器操作，使患者治療時間延長；③馬達(dá)故障或剎車系統(tǒng)故障時，運(yùn)動馬達(dá)通電后不工作或馬達(dá)正常工作但設(shè)備不運(yùn)轉(zhuǎn)，無法移動設(shè)備；④位置電位器故障時，導(dǎo)致設(shè)備的移動位置信息不正確，需更換或調(diào)解電位器維修；⑤限位裝置故障時，限位裝置啟動，不能對設(shè)備進(jìn)行移動，使得整套系統(tǒng)無法正常工作。

移動控制系統(tǒng)與設(shè)備的運(yùn)行密切相關(guān)，移動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可使設(shè)備不能移動，加速器無法正常工作，延誤患者治療時間，加重醫(yī)院運(yùn)行成本。

2.3 恒溫水循環(huán)系統(tǒng)

恒溫水循環(huán)系統(tǒng)的主要故障包括水壓調(diào)節(jié)氣囊故障、水溫流速調(diào)節(jié)器故障、內(nèi)循環(huán)水損耗、水冷系統(tǒng)沒有電源供給、壓縮機(jī)壓力過高、散熱風(fēng)扇故障及水自然蒸發(fā)消耗。①水壓調(diào)節(jié)氣囊故障使水壓忽高忽低，導(dǎo)致水循環(huán)工作不穩(wěn)定，引起核心部件溫度不穩(wěn)定；②水溫流速調(diào)節(jié)器故障使水溫控制不恒定，同樣導(dǎo)致水循環(huán)工作不穩(wěn)定，引起核心部件溫度不穩(wěn)定；③內(nèi)循環(huán)水損耗故障導(dǎo)致水壓過低，設(shè)備各部件可能會停止工作，使加速器系統(tǒng)無法正常工作；④水冷系統(tǒng)沒有電源供給導(dǎo)致水冷系統(tǒng)不啟動，影響絕大部分控制電路無法工作；⑤壓縮機(jī)壓力過高導(dǎo)致壓縮機(jī)停止工作，使加速器內(nèi)部溫度過高，加速器整體無法工作；⑥散熱風(fēng)扇故障表現(xiàn)是散熱風(fēng)扇不工作，設(shè)備熱量無法散出；⑦水自然蒸發(fā)消耗使制冷系統(tǒng)的循環(huán)水供應(yīng)不足，導(dǎo)致制冷系統(tǒng)散熱效率低下，制冷不足，使加速器停止工作。

恒溫水循環(huán)系統(tǒng)是保證加速器正常運(yùn)行的關(guān)鍵部件，故障出現(xiàn)的概率較高，對加速器整體產(chǎn)生的影響也十分惡劣，應(yīng)加強(qiáng)對其維護(hù)[15]。

2.4 患者支撐系統(tǒng)

患者支撐系統(tǒng)故障主要包括升降部件故障、左右移動部件故障、前后移動部件故障、旋轉(zhuǎn)部件故障及剎車部件故障。升降部件故障會導(dǎo)致治療床不能升降，左右移動部件故障會導(dǎo)致治療床不能左右移動，前后移動部件故障會導(dǎo)致治療床不能前后移動，旋轉(zhuǎn)部件故障會導(dǎo)致治療床不能旋轉(zhuǎn)，這4種部件的故障最終均會對患者擺位有一定的影響。此外，患者支撐系統(tǒng)的剎車部件故障，則會使治療床的運(yùn)動不能鎖死，導(dǎo)致治療床在治療時依然可移動，對患者治療造成嚴(yán)重的不良影響。

患者支撐系統(tǒng)在加速器整體中并非十分重要，但如若其中的剎車部件損壞，則后果嚴(yán)重，需加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)。

2.5 劑量監(jiān)測系統(tǒng)

劑量監(jiān)測系統(tǒng)的主要故障是電離室故障及劑量控制故障。電離室故障產(chǎn)生的問題較多，如兩劑量通道之間輸出劑量不一致性、電離室漏電導(dǎo)致輸出劑量不正確或者-320 V電壓丟失則會對電離室產(chǎn)生影響，使得電離室無法工作等，最終導(dǎo)致整套系統(tǒng)無法工作。此外，電離室劑量控制產(chǎn)生故障，使得劑量控制系統(tǒng)無輸出，電離室及劑量監(jiān)測系統(tǒng)不工作。

劑量監(jiān)測系統(tǒng)對輸出劑量的平穩(wěn)性、對稱性有一定作用，電離室是劑量監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，其穩(wěn)定性決定了劑量監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性[16]。

2.6 輻射系統(tǒng)

輻射系統(tǒng)的主要故障包括楔形板部件故障、燈光野部件故障、反光系統(tǒng)故障、攝像頭故障和光柵系統(tǒng)故障。①楔形板部件故障表現(xiàn)為楔形板不能移動，無法形成治療中要求的輻射野，導(dǎo)致加速器不能正常運(yùn)行；②燈光野部件故障會導(dǎo)致無燈光野，影響X射線輻射準(zhǔn)直系統(tǒng)的正常運(yùn)行；③反光系統(tǒng)故障會使反光點(diǎn)亮度不符合要求，影響X射線輻射準(zhǔn)直系統(tǒng)的正常運(yùn)行；④攝像頭故障會使視頻信號輸入過低；⑤光柵系統(tǒng)故障則導(dǎo)致備份光柵運(yùn)動不到位，對X射線輻射準(zhǔn)直系統(tǒng)和加速器整體運(yùn)行產(chǎn)生一定的影響。

3 醫(yī)用直線加速器維護(hù)改進(jìn)措施

基于預(yù)防性維護(hù)理念結(jié)合醫(yī)用直線加速器維護(hù)保養(yǎng)和醫(yī)院可用資源對設(shè)備的故障模式提出相應(yīng)的維護(hù)改進(jìn)措施。

(1)移動控制系統(tǒng)。移動控制系統(tǒng)的改進(jìn)除常規(guī)的定期檢查、設(shè)備維護(hù)之外，還需定期檢查剎車系統(tǒng)，加強(qiáng)臨床工程師的維修技能培訓(xùn)，制定設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測規(guī)范，定期校準(zhǔn)位置信息等見表1。

(2)恒溫水循環(huán)系統(tǒng)。定期更換內(nèi)外循環(huán)水，清洗過濾器過濾網(wǎng)；定期檢查壓縮機(jī)壓力，觀察水壓情況；定期觀察水流速情況，觀察水箱儲水情況；定期檢查系統(tǒng)各部位是否漏水、水泵是否正常工作，制定設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測規(guī)范，加強(qiáng)維修技能培訓(xùn)。

表1 移動控制系統(tǒng)改進(jìn)措施

表2 劑量監(jiān)測系統(tǒng)改進(jìn)措施

(3)患者支撐系統(tǒng)。定期檢查剎車部件是否正常工作。

(4)劑量監(jiān)測系統(tǒng)。需定期對電離室進(jìn)行檢查，定期校準(zhǔn)輸出劑量，加強(qiáng)劑量監(jiān)測系統(tǒng)的質(zhì)量保證和質(zhì)量校準(zhǔn)。電離室故障易受機(jī)房環(huán)境影響，因此還需保持機(jī)房干燥，通過空調(diào)、除濕機(jī)或者通風(fēng)系統(tǒng)，維持機(jī)房溫濕度見表2。

(5)輻射系統(tǒng)。需定期清潔光學(xué)系統(tǒng)，校準(zhǔn)位置信息，加強(qiáng)輻射系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)和臨床工程師的技能培訓(xùn)，定期進(jìn)行必要的檢測。

4 結(jié)語

醫(yī)用直線加速器是醫(yī)院重要的大型設(shè)備，其正常穩(wěn)定運(yùn)行對患者治療十分重要。醫(yī)用直線加速器采用合理有效的維護(hù)方式，加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)是醫(yī)院各臨床操作人員和臨床工程師的工作重點(diǎn)。劑量監(jiān)測系統(tǒng)、輻射系統(tǒng)等組件應(yīng)制定運(yùn)行監(jiān)測規(guī)范，加強(qiáng)校準(zhǔn)和檢查，必要時進(jìn)行檢測；患者支撐系統(tǒng)、恒溫水循環(huán)系統(tǒng)等組件的正常運(yùn)行對直線加速器的正常運(yùn)行十分重要。加強(qiáng)設(shè)備的常規(guī)定期檢查，通過空調(diào)、除濕機(jī)或通風(fēng)系統(tǒng)，保障設(shè)備及機(jī)房在合適的溫濕度環(huán)境中運(yùn)行，預(yù)防性維護(hù)和臨床工程師的培訓(xùn)可延長設(shè)備使用壽命，增加安全可靠性。