美國(guó)瓦利安高能直線加速器低劑量率故障處理

何健浩，歐智杰

（1.梧州市紅十字會(huì)醫(yī)院放療科，廣西梧州 543002；2.梧州市紅十字會(huì)醫(yī)院醫(yī)學(xué)裝備部，廣西梧州 543002）

0 引言

在癌癥治療方面，美國(guó)瓦利安高能直線加速器得到了廣泛使用。按照設(shè)備操作管理要求，使用期間應(yīng)保證放療劑量得到準(zhǔn)確控制。出現(xiàn)劑量率不穩(wěn)等情況，需要加強(qiáng)設(shè)備維修。目前，設(shè)備常常出現(xiàn)低劑量率故障，因此應(yīng)加強(qiáng)故障檢修分析，保證設(shè)備使用效果。

1 美國(guó)瓦利安高能直線加速器概述

美國(guó)瓦利安高能直線加速器由瓦利安醫(yī)療系統(tǒng)公司研制，能夠?yàn)榘┌Y患者提供放射治療。作為全球綜合放射治療設(shè)備供應(yīng)商，瓦利安研制的直線加速器能夠以人工方式將各種帶電粒子加速到高能量電磁裝置中，發(fā)射出的X 射線能夠穿透復(fù)雜物體結(jié)構(gòu)，在醫(yī)療、公共安防等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。從加速方式來(lái)看，包含行波和駐波兩類。采用前一種方式，在網(wǎng)波導(dǎo)中周期性插入帶中孔的圓形膜片，使傳播電磁場(chǎng)相位傳播減速，從而對(duì)電子進(jìn)行同步加速。采用后一種方式需要在加速管兩端布置短路板，構(gòu)成電磁振蕩的駐波[1]。在加速管中，各腔體擁有相同諧振頻率，腔間電場(chǎng)方向相反。在醫(yī)療領(lǐng)域，按照加速器發(fā)射的X 射線能量，可以將其劃分為低能、中能和高能等3 種，通常能量分別為4 MV、6 MV 和8 MV。高能直線加速器通常為雙光子方式，能夠提供兩擋X 輻射。設(shè)備發(fā)出的電子輻射可以劃分為多擋，最高能夠達(dá)到20～25 MeV，使治療深度范圍得到擴(kuò)大。從加速器結(jié)構(gòu)來(lái)看，核心部件為自動(dòng)多葉光柵，能夠提供高能和低能X 射線，完成不同能量線發(fā)射。在工作過程中，需要利用電子槍進(jìn)行高能電子發(fā)射。在電子注入到加速管后，依靠微波能夠加速，促使靶向電流達(dá)到最大。依靠高速電子及其撞擊金屬靶提供的射線，能夠?qū)Π┘?xì)胞進(jìn)行殺滅。

2 美國(guó)瓦利安高能直線加速器低劑量率故障檢修

2.1 影響低劑量率的因素

在設(shè)備操作過程中，需要對(duì)劑量率進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足電子輻射發(fā)射擋位控制要求。所謂劑量率，就是設(shè)備單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的電子輻射劑量，能否準(zhǔn)確控制關(guān)系到患者人身安全。按照醫(yī)用規(guī)定要求，采用設(shè)備開展固定治療的劑量率不超過1%，旋轉(zhuǎn)治療在±1.5%范圍內(nèi)[2]。根據(jù)設(shè)備劑量率，需要加強(qiáng)治療時(shí)間控制。為保證設(shè)備使用安全性，在劑量率不穩(wěn)定時(shí)加速器將啟動(dòng)聯(lián)鎖停機(jī)。從原理來(lái)看，設(shè)備劑量率與注入電子數(shù)量和時(shí)間有關(guān)，同時(shí)也與微波頻率、施加時(shí)間有關(guān)，具體取決于柵極脈沖電壓幅度、電流穩(wěn)定性等參數(shù)。設(shè)備出現(xiàn)低劑量率故障，通常與自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)、注入系統(tǒng)等部分存在異常有關(guān)。

2.1.1 自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)異常

在高能直線加速器中，自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)用于探測(cè)微波功率源頻率偏移。針對(duì)放大部分，系統(tǒng)將進(jìn)行再次放大后，然后利用伺服構(gòu)成實(shí)施修正，保證加速器能夠獲得正常微波頻率，保證設(shè)備發(fā)射電子擁有足夠能量[3]。在系統(tǒng)發(fā)生故障情況下，將導(dǎo)致劑量率發(fā)生變化。例如，伺服裝置產(chǎn)生故障，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法找到頻率修正點(diǎn)，將無(wú)法解決微波頻率偏移問題。在實(shí)際工作中，伺服裝置即使能夠測(cè)量到修正點(diǎn)電壓，也可能出現(xiàn)難以區(qū)分虛實(shí)的問題，導(dǎo)致頻率超出正確范圍。

2.1.2 注入系統(tǒng)異常

注入系統(tǒng)核心在于加強(qiáng)電子源控制，具體需要完成波導(dǎo)管電子量和電子運(yùn)行速度的控制。在電子槍和電源發(fā)生故障情況下，導(dǎo)致注入電量或電子速度未能得到有效控制，引發(fā)劑量率變化。使用示波器查看注入的電流波，如果出現(xiàn)幅值、形狀等異常說明存在異常。無(wú)法采用注入系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)劑量率有效調(diào)節(jié)，需要觀察低電壓部分是否存在波形，做好高壓部分排查，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)異常。

2.1.3 功率源異常

在加速器中微波由對(duì)應(yīng)功率源提供，在控制上需要采用磁控管、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)速管。一旦有元器件發(fā)生故障，將導(dǎo)致劑量率聯(lián)鎖，波導(dǎo)管內(nèi)部能量異常。針對(duì)這一情況，需要加強(qiáng)元器件輸出功率、信號(hào)等相關(guān)信息排查，確定是否存在問題。

2.2 低劑量率的故障案例

在高能直線加速器低劑量率故障檢修方面，考慮到故障發(fā)生頻率較高，還要結(jié)合故障案例對(duì)故障分析和判斷方法進(jìn)行總結(jié)，為設(shè)備故障檢修提供思路。

2.2.1 案例1

1 臺(tái)瓦利安直線加速器投入運(yùn)行以來(lái)，時(shí)常出現(xiàn)UDR1、UDR2 低劑量聯(lián)鎖故障。一次在患者治療過程中，突然發(fā)生設(shè)備劑量率為0 的情況，設(shè)備提示聯(lián)鎖停機(jī)，導(dǎo)致治療中斷。結(jié)合故障檢修經(jīng)驗(yàn)，由于劑量率達(dá)到0，能夠排除電子槍控制故障，分析可能導(dǎo)致UDR1、UDR2 低劑量聯(lián)鎖故障的原因包含循環(huán)水溫不達(dá)標(biāo)、閘流管或DQ 管損壞、開關(guān)管控制故障。為進(jìn)一步判斷故障原因，需要檢測(cè)水溫，確定設(shè)備是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，設(shè)備水溫38.9 ℃，與設(shè)備溫度表顯示數(shù)值相同，能夠達(dá)到設(shè)備運(yùn)行要求。利用萬(wàn)用表對(duì)設(shè)備閘流管和DQ 管進(jìn)行檢測(cè)，電壓分別為20.38 V 和6.72 V，處于正常工作范圍。操作設(shè)備進(jìn)入維修模式，對(duì)設(shè)備劑量率進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)于劑量率相關(guān)的聯(lián)鎖進(jìn)行短路操作后，將DOSE SERVE 的狀態(tài)從“ON”改為“OFF”，將MOTER POT GUN 的狀態(tài)從“OFF”改為“ON”，用于加強(qiáng)電子槍保護(hù)控制。隨意選擇輸出能量，從設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)情況來(lái)看無(wú)異常。調(diào)節(jié)GUN1、RFDR 等電位器，可以發(fā)現(xiàn)能夠達(dá)到需要的劑量率。設(shè)備正常運(yùn)行30 min 后，故障重現(xiàn)。重新進(jìn)行劑量率調(diào)節(jié)，設(shè)備能夠恢復(fù)正常工作狀態(tài)，初步判定為微波源發(fā)生故障。

2.2.2 案例2

1 臺(tái)瓦利安直線加速器能夠正常完成開機(jī)、預(yù)熱、自檢等操作，但在出束時(shí)出現(xiàn)提示音，顯示時(shí)常正常，出束時(shí)間能夠維持5 s，然后出現(xiàn)UDR1、UDR2 劑量率低聯(lián)鎖故障。在故障發(fā)生過程中，設(shè)備劑量率保持在5 MU/min，屏蔽聯(lián)鎖劑量率依然保持不變。對(duì)不同出束能量進(jìn)行切換，故障依舊。將設(shè)備調(diào)整至維修模式，對(duì)次要聯(lián)鎖進(jìn)行屏蔽，可以觀察發(fā)現(xiàn)脈沖調(diào)制電壓為22.42 V。在出束切換過程中，電壓未發(fā)生改變。由于槍電壓正常，可以排除供電故障。調(diào)取設(shè)備檢測(cè)報(bào)告，發(fā)現(xiàn)幾小時(shí)前出現(xiàn)脈沖調(diào)制電壓低于40 V 的情況。對(duì)電壓預(yù)設(shè)值進(jìn)行核對(duì)后，需要測(cè)量高壓電流，發(fā)現(xiàn)預(yù)設(shè)值正常，波形存在失真問題。在設(shè)備使用過程中，高壓電容、二極管、晶閘管等屬于易損耗元器件，故障發(fā)生率較高。結(jié)合故障現(xiàn)象和設(shè)備檢修記錄，可以初步推斷是高壓元器件損壞或晶閘管及其電路故障。

2.2.3 案例3

1 臺(tái)瓦利安直線加速器設(shè)備投入使用多年，近期日常治療處于0°～180°機(jī)架時(shí)出現(xiàn)不出束情況，有時(shí)閃爍數(shù)秒“beam on”后出現(xiàn)低劑量率聯(lián)鎖情況，設(shè)備停止運(yùn)行。選擇communication 模式，查看故障記錄，發(fā)現(xiàn)GUN1 數(shù)值明顯改變，出現(xiàn)迅速升高異常。GUN1 為極速器束流負(fù)載參數(shù)，將給設(shè)備劑量率帶來(lái)直接影響。設(shè)備采用三級(jí)柵控電子槍，能夠?qū)ψ⑷腴_關(guān)和電流值進(jìn)行有效控制，使注入電子量發(fā)生改變。在電子槍存在異常情況下，將引發(fā)GIFI 聯(lián)鎖停機(jī)。從設(shè)備故障記錄來(lái)看，并未出現(xiàn)GIFI 聯(lián)鎖，并且故障出現(xiàn)范圍固定，因此初步懷疑與機(jī)架選擇引起的電纜磨損或電路板松動(dòng)等因素有關(guān)，導(dǎo)致電子槍控制效果受到影響。實(shí)際該類加速器采用支臂式機(jī)架，中間將穿過各種設(shè)備電纜和水氣管路。選裝運(yùn)行過程中，容易導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生擾動(dòng)。為避免線纜持續(xù)沿著一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)而發(fā)生損壞，配備有限位開關(guān)，使機(jī)架只能在±180°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間使用，可能出現(xiàn)電纜擠壓變形、磨損等問題，導(dǎo)致電子槍信號(hào)傳輸異常。

2.3 低劑量率故障檢修

2.3.1 故障檢修

結(jié)合故障原因初步判斷結(jié)果，需要采用有針對(duì)性措施提高故障檢修效率。針對(duì)由微波源問題引發(fā)的故障，可以調(diào)出設(shè)備近2 周晨檢報(bào)告，歸總劑量率相關(guān)參數(shù)，然后與維修模式下設(shè)備劑量率監(jiān)測(cè)數(shù)值進(jìn)行比對(duì)。通過比較能夠發(fā)現(xiàn)RFDR 數(shù)值不斷起伏，總體有所提高。將該數(shù)值調(diào)整至最小，設(shè)備劑量率能夠恢復(fù)正常，反之將導(dǎo)致設(shè)備劑量率進(jìn)一步降低。在劑量率達(dá)到0 后，用示波器對(duì)微波源波形進(jìn)行觀察，能夠發(fā)現(xiàn)出束前后波形幅度明顯增加，底部出現(xiàn)凹陷，不符合正常情況[4]。確定故障后使設(shè)備進(jìn)入電子線模式，利用程序板進(jìn)行微波源測(cè)量，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)值達(dá)到了1.90 V。利用圖紙查線路工具調(diào)節(jié)，可以發(fā)現(xiàn)電子柜J48接口位置出現(xiàn)角電壓不變問題，因此能夠判斷微波源損壞。完成裝置更換后，重新調(diào)整設(shè)備中心頻率，并完成各能量對(duì)應(yīng)劑量率調(diào)節(jié)，最終設(shè)備恢復(fù)正常。

不同于微波源等復(fù)雜部分，元器件或電纜等部件發(fā)生故障，與設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行相關(guān)，可以通過直接檢測(cè)排除故障。針對(duì)案例2中的故障，可以先對(duì)調(diào)制柜中高壓元器件進(jìn)行檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)各參數(shù)正常后，考慮到晶閘管無(wú)法直接檢測(cè)，可以先對(duì)其控制電路板進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)故障位于反饋電路上。將設(shè)備調(diào)至維修模式，可以發(fā)現(xiàn)未出束時(shí)PFN V 達(dá)到23.55 V，正常值應(yīng)為1。查看反饋電路，發(fā)現(xiàn)電壓來(lái)源于高壓分壓補(bǔ)償電路板。對(duì)電路板上放大器進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)電壓值異常，最終確認(rèn)為放大器損壞。更換元器件后對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終設(shè)備恢復(fù)正常。

排查案例3 故障時(shí)，可以直接將機(jī)架保護(hù)外殼拆開，查看與電子槍信號(hào)相關(guān)電纜。經(jīng)確認(rèn)發(fā)現(xiàn)，W15 電纜保護(hù)膜損壞，銅網(wǎng)護(hù)套出露，導(dǎo)致柵極偏壓，劑量率偏低。更換電纜后，設(shè)備恢復(fù)正常。

2.3.2 故障預(yù)防

結(jié)合故障檢修結(jié)果可知，故障發(fā)生與設(shè)備安裝不合理、保養(yǎng)不及時(shí)存在一定關(guān)系。想要加強(qiáng)故障預(yù)防，還要定期開展設(shè)備保養(yǎng)維護(hù)工作。從結(jié)構(gòu)來(lái)看，高能直線加速器精密性較強(qiáng)，對(duì)使用條件提出了一定要求。在日常養(yǎng)護(hù)過程中，還應(yīng)做到落實(shí)過濾器清理、干燥劑更換等工作。定期檢查設(shè)備水箱水溫、電壓等參數(shù)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常。針對(duì)氣路、電纜等設(shè)施，還應(yīng)加強(qiáng)狀態(tài)檢查，避免給設(shè)備穩(wěn)定工作帶來(lái)影響。實(shí)際在設(shè)備工作過程中，環(huán)境溫濕度等將影響電路性能，還應(yīng)加強(qiáng)檢查，保證設(shè)備內(nèi)部整潔，維持良好運(yùn)行狀態(tài)。針對(duì)設(shè)備內(nèi)部精密光學(xué)和機(jī)械部件，應(yīng)定期涂抹潤(rùn)滑油。在設(shè)備狀態(tài)檢修時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)電壓、電流等參數(shù)測(cè)量，對(duì)射束偏轉(zhuǎn)等系統(tǒng)功能進(jìn)行校驗(yàn)，完成詳細(xì)記錄。在發(fā)現(xiàn)狀態(tài)參數(shù)異常后，可以將設(shè)備調(diào)至維修模式，調(diào)取以往檢測(cè)記錄，通過數(shù)據(jù)比較加強(qiáng)分析，加強(qiáng)設(shè)備存在的安全隱患排查。及時(shí)消除各種隱患，能夠使設(shè)備保持穩(wěn)定運(yùn)行。此外，考慮到設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行容易出現(xiàn)磨損和老化問題，還應(yīng)結(jié)合檢修記錄、運(yùn)行情況等加強(qiáng)分析判斷，備份好易損耗部件，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理，通過減少設(shè)備停機(jī)運(yùn)行，提供較好醫(yī)療服務(wù)。

3 結(jié)語(yǔ)

檢修美國(guó)瓦利安高能直線加速器的低劑量率故障，需要結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)原理、檢修經(jīng)驗(yàn)、故障現(xiàn)象，推斷故障原因。進(jìn)入設(shè)備維修模式進(jìn)行簡(jiǎn)單驗(yàn)證，能夠完成設(shè)備故障初步判斷。根據(jù)分析得到的故障發(fā)生位置，可以進(jìn)一步檢修，結(jié)合故障原因提出有效預(yù)防措施，從而為設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。