瓦里安Trilogy加速器Carrousel工作原理及故障分析

邵健

浙江省腫瘤醫(yī)院 設(shè)備科，浙江 杭州 310022

引言

美國(guó)瓦里安公司（VARIAN）生產(chǎn)的Trilogy型加速器，是一款高能醫(yī)用電子直線加速器，在放射治療中應(yīng)用廣泛[1-3]。醫(yī)用電子直線加速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根據(jù)不同的聯(lián)鎖，分區(qū)域的進(jìn)行詳細(xì)分析，能更加系統(tǒng)有效的了解機(jī)器的工作原理，并快速準(zhǔn)確排除故障。

電子在加速器中經(jīng)過加速后，打靶產(chǎn)生X射線或經(jīng)過散射箔產(chǎn)生電子線。此時(shí)的射線劑量分布是不均勻的，需要經(jīng)過均整器的濾過修正才能產(chǎn)生滿足常規(guī)放療所需的劑量分布[4-8]。Trilogy加速器擁有2檔X線和6檔電子線，各檔能量需要不同的均整器。機(jī)器依靠均整盤的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)不同均整器的切換。其中包含了位置檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)控制、安全聯(lián)鎖等部分。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，通常會(huì)報(bào)CARR和FOIL兩個(gè)聯(lián)鎖。

1 均整盤工作原理分析

如圖1所示，Trilogy加速器一共有10個(gè)均整器，安裝在均整盤（Carrousel）上的10個(gè)port中。其中8個(gè)均整器分別對(duì)應(yīng)8檔能量，另外2個(gè)為空置。每個(gè)port邊緣處，都有特定的凸起或者凹槽，組成一種特殊的編碼。S1、S2、S4、S8、S16是5個(gè)緊貼均整盤邊緣的位置開關(guān)（Position Switch），這5個(gè)開關(guān)有三種狀態(tài)：Neither、Divot、Cam。平時(shí)5個(gè)開關(guān)狀態(tài)為Neither，輸出為高電平High(H)；其中S1、S8、S16進(jìn)入凹槽時(shí)狀態(tài)變?yōu)镈ivot，輸出變?yōu)榈碗娖絃ow(L)；而S2、S4滾上凸起時(shí)狀態(tài)變?yōu)镃am，輸出變?yōu)榈碗娖絃ow(L)。通過這5個(gè)開關(guān)的3種狀態(tài)和2種電平的輸出對(duì)10個(gè)port的位置進(jìn)行精確編碼，稱之為BCD碼?？刂朴?jì)算器通過檢測(cè)BCD碼，控制均整盤轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)所選能量與對(duì)應(yīng)均整器的匹配。表1為選中X線6M、X線10M能量時(shí)，5個(gè)開關(guān)的狀態(tài)和輸出電平。

表1 開關(guān)的狀態(tài)和輸出電平

圖1均整盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

均整盤旁有一個(gè)定位銷（Pin），能將均整盤固定在各檔能量所需的位置[9-10]。Pin有兩個(gè)位置：Pin_in和Pin_out。均整盤到位時(shí)Pin處于Pin_in的鎖住位置，其壓桿壓住開關(guān)S9；當(dāng)均整盤需要轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)需要先將Pin抬起，此時(shí)S9開關(guān)彈片釋放，為Pin_out位置。Pin的運(yùn)動(dòng)，由電磁閥（Pin Solenoid）控制氣缸的開和關(guān)來驅(qū)動(dòng)。S9是一個(gè)常閉開關(guān)，其一端接5 V電壓，另一端接地。均整盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)（Carrousel Motor）以S9的輸出電壓作為使能信號(hào)（CARR_MOT_EN），為低電平驅(qū)動(dòng)，即5 V接地時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)才能轉(zhuǎn)動(dòng)。它們之間的關(guān)系如表2所示，平時(shí)Pin在Pin_in位置，S9開關(guān)彈片被壓下，開關(guān)開路，5 V電壓懸空，電機(jī)使能信號(hào)為Disable，轉(zhuǎn)盤不能旋轉(zhuǎn)；要旋轉(zhuǎn)時(shí)則相反。

表2 開關(guān)之間的關(guān)系

當(dāng)選中一檔能量時(shí)，控制計(jì)算機(jī)形成一組編碼并將信號(hào)傳輸至Carrousel Mode & Bmag板，該板控制Pin和驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，并采集5個(gè)位置開關(guān)形成的BCD碼與輸入值比較，直到均整盤準(zhǔn)確切換到位，然后控制電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)并將Pin落下鎖住。切換過程中，幾個(gè)開關(guān)和信號(hào)的狀態(tài)如果出現(xiàn)異常，則會(huì)出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)。CARR聯(lián)鎖是指Console控制計(jì)算機(jī)與Carrousel Controller板之間通訊檢測(cè)故障；FOIL聯(lián)鎖是指Carrousel沒有運(yùn)動(dòng)到指定位置或Pin位置不正確。大部分情況下兩個(gè)連鎖同時(shí)出現(xiàn)[6]。

2 故障案例

2.1 故障現(xiàn)象

在設(shè)定好治療參數(shù)，準(zhǔn)備出束時(shí)，機(jī)器報(bào)錯(cuò)，顯示的聯(lián)鎖為CARR和FOIL。

2.2 故障分析及排除

CARR和FOIL兩個(gè)聯(lián)鎖同時(shí)出現(xiàn)，首先查看Carrousel Mode & Bmag板LED燈的報(bào)錯(cuò)代碼為93，該代碼的詳細(xì)說明為“carrousel didn't seem to move”[11]，提示均整盤沒有運(yùn)動(dòng)。切換能量進(jìn)行測(cè)試，觀察到均整盤確實(shí)無動(dòng)作。通過對(duì)均整盤驅(qū)動(dòng)原理的分析，系統(tǒng)的將均整盤的運(yùn)動(dòng)分成定位和驅(qū)動(dòng)兩部分，這兩部分的某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，均會(huì)造成均整盤不運(yùn)動(dòng)的故障。結(jié)合原理，對(duì)兩部分逐一排查。均整盤信號(hào)傳輸簡(jiǎn)圖，見圖2。

圖2 均整盤信號(hào)傳輸簡(jiǎn)圖

首先，分析均整盤定位部分，包括Pin、5個(gè)位置開關(guān)和電機(jī)后邊的電位器R1。均整盤運(yùn)動(dòng)前要先檢測(cè)Pin的位置，并將Pin抬起解鎖到位后再動(dòng)作[12]。其中Pin運(yùn)動(dòng)異?；蛘逷in位置檢測(cè)開關(guān)S9輸出信號(hào)異常，均會(huì)導(dǎo)致均整盤不運(yùn)動(dòng)。檢查Pin的空氣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)換能量模式測(cè)試時(shí)，連接Pin的杠桿在氣缸驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)正常，排除了Pin驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電磁閥和氣缸的故障。同時(shí)觀察到S9開關(guān)開合也正常，并測(cè)量了S9開關(guān)的通斷，也正常。接著檢查S9信號(hào)的傳輸線路，各開關(guān)的信號(hào)傳輸如圖2所示。測(cè)量GPP的J2-1和XA7（Carrousel Mode & Bmag板）的J2-7C兩處的電壓。當(dāng)Pin在Pin_in位置時(shí)，兩處的電壓均為5 V；當(dāng)Pin在Pin_out位置時(shí)，兩處的電壓均為0 V。根據(jù)表2可知這兩處的信號(hào)均正常，排除S9信號(hào)傳輸線路故障。

然后排查驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制電路部分。切換能量時(shí)，Carrousel Mode & Bmag板接收到控制計(jì)算機(jī)指令，將電機(jī)使能信號(hào)（CARR_MOT_EN）和電位器R1讀數(shù)信息輸出到XA4（PWM板）。PWM板發(fā)出電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，依次通過ABP-J40、GPP-J3、CRA-J83到達(dá)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)均整盤轉(zhuǎn)動(dòng)。加延長(zhǎng)板測(cè)量使能信號(hào)的輸出端P1-27a,發(fā)現(xiàn)該信號(hào)在切換能量時(shí)一直為高電平，根據(jù)表2可知，正常情況下，當(dāng)Pin在Pin_out位置時(shí)，電機(jī)使能信號(hào)應(yīng)為低電平。因此可以判斷，是Carrousel Mode & Bmag板出現(xiàn)故障。更換該電路板后，機(jī)器工作正常。

2.3 故障回顧

出CARR和FOIL聯(lián)鎖時(shí)，由于Carrousel Mode &Bmag板上的LED燈能顯示錯(cuò)誤代碼，并能查到詳細(xì)說明，可以快速地提示檢修的方向[13]。根據(jù)提示結(jié)合工作原理，可以逐一檢查并排除故障。本例維修，將故障原因分為兩部分，逐一排查，逐步縮小范圍，并順利找到故障。平時(shí)，常遇到的均整盤故障主要有開關(guān)故障、Pin不動(dòng)作、傳輸線故障、控制電路板故障等。均整盤上的信號(hào)傳輸電纜由于有一部分隨機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)而經(jīng)常受擰，會(huì)導(dǎo)致接觸不良[14]，因此傳輸線的故障較為常見，可以根據(jù)圖紙找準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)，分段排除。

3 總結(jié)

本例維修先介紹了均整盤上port的編碼及檢測(cè)原理，詳細(xì)說明了5個(gè)位置開關(guān)3種狀態(tài)和2種電平輸出的邏輯關(guān)系，并提供了兩檔常用X線能量的5個(gè)位置開關(guān)的邏輯關(guān)系表格。同時(shí)分析了Pin位置與S9開關(guān)及其他一些信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并加入了電機(jī)使能信號(hào)的分析，最后整理成表格。全面詳細(xì)的熟知其結(jié)構(gòu)和工作原理,可以根據(jù)不同的現(xiàn)象,快速的定位故障部件。然后結(jié)合圖紙找準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)和測(cè)試方法，對(duì)照表格，逐步縮小故障范圍，最終排除故障。把一些常見信號(hào)的正常值和一些邏輯關(guān)系整理成表格，在維修中非常實(shí)用，方便而有效。

本例維修屬于比較典型的均整盤故障，比較全面的對(duì)涉及的部件一一測(cè)試排查，邏輯清晰，條理分明。同一個(gè)故障，有不同的原因，在維修中應(yīng)逐個(gè)分析其原理，并做好歸納總結(jié)。可根據(jù)故障發(fā)生的原理，制定有效的保養(yǎng)維護(hù)計(jì)劃，減少故障發(fā)生的概率[15-16]。