Elekta加速器運動系統(tǒng)工作原理及故障維修

張朋，李堅

中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊第九七〇醫(yī)院 醫(yī)學工程科，山東 煙臺 264000

引言

精確放療技術(shù)對直線加速器的機械性能尤其是運動系統(tǒng)的性能有著嚴格的要求。根據(jù)自動控制系統(tǒng)的理論，相對于開環(huán)系統(tǒng)，帶有反饋網(wǎng)絡(luò)的閉環(huán)系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性。Elekta 加速器運動系統(tǒng)主要包括機架旋轉(zhuǎn)、準直器移動、治療頭旋轉(zhuǎn)、多葉光柵移動以及治療床運動等。除了多葉光柵系統(tǒng)外[1-3]，其他運動系統(tǒng)一般分為三部分：驅(qū)動電機、編碼器、控制部分，如圖1 所示。

圖1 Elekta直線加速器運動系統(tǒng)原理圖

在整個運動系統(tǒng)中，位置反饋是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，加速器通過主要級編碼器和次要級編碼器向控制系統(tǒng)反饋運動部分的位置信息[4]。其中，主要級編碼器包括coarse 和fine 兩個電位器，向控制系統(tǒng)提供精確的位置信息。coarse電位器只有一個電刷，在整個運動過程中大約旋轉(zhuǎn)10 圈，輸出范圍為0～10 V。加速器控制系統(tǒng)能夠根據(jù)其輸出值判定fine 電位器完成的周期數(shù)，并且判定使用fine 編碼器的哪一路輸出。fine 電位器能夠連續(xù)旋轉(zhuǎn)，具備兩個位置相反的電刷，輸出值在0～10 V 之間，輸出差值大約為5 V。通過連續(xù)旋轉(zhuǎn)，在coarse 電位器的線性輸出波形上加載一個鋸齒波，即通過與coarse 電位器的相對位置關(guān)系實現(xiàn)精確定位，如準直器旋轉(zhuǎn)精度達到0.01°[5]。次要級編碼器包含一個check 編碼器，結(jié)構(gòu)上與coarse 電位器相同，用以實現(xiàn)控制系統(tǒng)對主要級編碼器反饋信息的完整性進行檢查。coarse 電位器和fine 電位器輸出范圍在0～10 V 之間。兩級編碼器一共向系統(tǒng)輸入四路電壓信號。

除了共同特點之外，各個運動系統(tǒng)也有其自身特點，如機架旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)裝備有剎車線圈，防止因運動慣性導致的位移[6]。工程技術(shù)人員既要熟悉運動系統(tǒng)的共性，又要了解各個子系統(tǒng)的不同。只有對運動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理有了系統(tǒng)深入的認識，遇到設(shè)備故障時才可能系統(tǒng)全面的分析問題，既解決故障，又避免在維修過程中影響設(shè)備精度[7]。通過幾個比較典型的維修案例分析，加深對運動系統(tǒng)的理解。

1 故障一

1.1 故障現(xiàn)象

用手控盒控制機架旋轉(zhuǎn)的過程中，機架突然停止，復位后，又能正常動作，同樣故障反復多次出現(xiàn)。

1.2 分析與維修

機架運動部分主要分為運動電路和剎車電路，機架靜止時，運動電路及剎車電路不供電，在電機內(nèi)部的磁鐵作用下，電機處于剎車狀態(tài)，保證機架能夠穩(wěn)定靜止。當控制電路發(fā)出機架運動的信號后，運動電路開始工作，同時，剎車線圈供電，產(chǎn)生電磁場抵消電機磁鐵磁場的剎車作用，保證機架的正常運動[8]。

運動電路由71 區(qū)的UMD 馬達驅(qū)動電路板提供脈沖電壓供電，拆卸下電機，測量電機的阻抗在正常范圍內(nèi)，撥動手控盒的機架旋轉(zhuǎn)滾輪，測量電機供電電壓正常，判斷故障很可能是由剎車電路導致的，重要的是如果剎車電路出問題，沒有得到及時修復，很可能會損壞電機。

剎車線圈工作電壓為26 V，由71 區(qū)的UMD 板提供[9]，中間需要經(jīng)過72 區(qū)的ROC-A 板上的RLB1 繼電器和HME 板上的RLB 繼電器。其中，出現(xiàn)故障時，撥動機架運動開關(guān)，該繼電器A9～A11 端口一直處于斷開狀態(tài)。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)由于它的一對觸點損壞，導致系統(tǒng)無法為電磁鐵供電，機架旋轉(zhuǎn)電機一直處于剎車鎖止狀態(tài)。更換同型號的繼電器后，故障消失。

2 故障二

2.1 故障現(xiàn)象

治療過程中，工作中斷，設(shè)備報錯item 149 D.Rot Ctrl。

2.2 故障分析與維修

報錯信息提示治療頭旋轉(zhuǎn)故障，進入維修模式，調(diào)出display 欄目下service page頁面，加載pots 菜單，在菜單中顯示了機頭旋轉(zhuǎn)的三個電位器數(shù)值，即coarse、fine、check 電位器的數(shù)值。反復手動旋轉(zhuǎn)治療頭，密切觀察三個電位器的數(shù)值，發(fā)現(xiàn)在某些特定位置，coarse 電位器的數(shù)值發(fā)生跳變，某瞬間與check 電位器的數(shù)值差異超出范圍，報故障。即coarse 電位器發(fā)生故障，更換該電位器。

經(jīng)過長時期使用之后，由于編碼器的電刷發(fā)生磨損，導致定位不準而設(shè)備報錯。電位器一般需要整體更換，更換后必須嚴格按照手冊通過學習和校準來確定coarse 和fine 電位器的相對位置。學習和校準操作完成后設(shè)備不再報錯item 149，分別用10×10、20×20、30×30 坐標紙檢查光野，并用膠片曝光檢查照射野精度，精度達標后證明學習校準成功。設(shè)備可以重新投入使用。

3 故障三

3.1 故障現(xiàn)象

治療過程中，工作中斷，設(shè)備報錯item 149 D.Rot Ctrl。

3.2 故障分析與維修

檢修步驟同故障二，coarse 電位器和fine 電位器數(shù)值正常，check 電位器數(shù)值為0，很可能是由于check 電位器參考電壓不正常，導致該電位器輸出異常值。

檢查線路圖得知check電位器的10 V參考電壓來自12區(qū)A側(cè)的AI12板，coarse電位器和fine電位器的10 V參考電壓來自12區(qū)B側(cè)的AI12板[10]。而測量到check電位器上無10 V參考電壓。10 V參考電壓來自于AI12板的ADI01AR電源模塊。長期使用后，該電源模塊損壞，為節(jié)約維修時間，整體更換該電路板，設(shè)備恢復正常。

4 總結(jié)

運動控制系統(tǒng)是直線加速器的重要組成部分，日常維護保養(yǎng)對于運動系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)具有重要作用[11-12]。建議每年進行一次清潔機架，清除鐵銹，加潤滑油[13]。鎢門齒輪盤和治療床升降軸承需要使用防輻射潤滑油[14]。用于位置反饋的編碼器由于連續(xù)工作，容易發(fā)生故障，建議每兩年更換一次[15]。此外，由于位置系統(tǒng)的調(diào)整涉及到機架角度、機頭角度、準直器等部件精度，必須經(jīng)過物理師對物理特性進行檢測[8]，合格后方能投入使用。