瓦里安C系列直線加速器次要劑量連鎖的故障判斷與維修

嚴(yán)維江，周杰

連云港市第二人民醫(yī)院 放療科，江蘇 連云港 222023

引言

目前惡性腫瘤的治療手段主要包括手術(shù)、化療、放療、分子靶向等治療方法[1]，而放射治療的主要治療方式是利用醫(yī)用電子直線加速器實(shí)現(xiàn)腫瘤外照射的精確放療[2-3]。瓦里安C系列直線加速器機(jī)器不管在機(jī)械精度還是在劑量準(zhǔn)確性方面都有較好的表現(xiàn)，機(jī)器本身自帶故障報(bào)錯功能，這也為日常的保養(yǎng)和維修提供了便利[4]。但因直線加速器自身結(jié)構(gòu)和原理復(fù)雜，經(jīng)常發(fā)生的連鎖多達(dá)上百種，只要加速器存在任何一種連鎖，就不能正常開機(jī)治療[5]。如何利用有限的時(shí)間，快速找到故障原因并搶修成功，從而不耽誤腫瘤患者的正常治療，是維修工程師所面臨和急需解決的問題。

1 設(shè)備原理

醫(yī)用電子直線加速器基本原理是利用微波電磁場對電子進(jìn)行加速，電子束經(jīng)偏轉(zhuǎn)磁鐵偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生高能、高發(fā)射率的電子，再經(jīng)均整、擴(kuò)散和準(zhǔn)直達(dá)到治療部位。醫(yī)用電子直線加速器主要包括電子槍，微波系統(tǒng)，束流傳輸系統(tǒng)，穩(wěn)頻、溫控及充氣系統(tǒng)，真空系統(tǒng)，高壓脈沖調(diào)整，輻射系統(tǒng)，劑量監(jiān)測系統(tǒng)，機(jī)械系統(tǒng)，控制系統(tǒng)等幾大部分（圖1）。

圖1 醫(yī)用電子直線加速原理圖

醫(yī)用電子直線加速器的連鎖可分為主要連鎖、次要連鎖以及劑量連鎖三大類。常見的連鎖有HVOC、PUMP、HWFA、GFIL、UDRS、UDR1、UDR2等[6-8]，根據(jù)日常的使用和維修經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，UDR1、UDR2連鎖是瓦里安C系列直線加速器出現(xiàn)概率比較高并且故障原因多且電路復(fù)雜的連鎖[8-10]。該連鎖是劑量率不穩(wěn)定或無劑量情況下出現(xiàn)的故障連鎖，靶、調(diào)制器、電子槍、速調(diào)管、加速管、驅(qū)動等系統(tǒng)產(chǎn)生的故障都會導(dǎo)致此連鎖[11-12]。

2 瓦里安C系列直線加速器次要劑量連鎖故障案例

2.1 故障一

2.1.1 故障現(xiàn)象

加速器在患者治療過程中，選擇能量6 MV、劑量率300 MU/min等相對應(yīng)的參數(shù)。正常出束后，劑量率一直在100 MU/min左右，始終達(dá)不到300 MU/min，10 s后界面出現(xiàn)UDR1、UDR2提示，機(jī)器不能正常使用。

2.1.2 故障分析

根據(jù)隨機(jī)手冊安全連鎖說明顯示，當(dāng)治療劑量率低于閾值即設(shè)置值的80%時(shí)，UDR1、UDR2在10 s內(nèi)出現(xiàn)。仔細(xì)對維修圖紙進(jìn)行分析，此連鎖主要跟自動頻率控制（AFC）、脈沖調(diào)制（PFN）、微波驅(qū)動器三個(gè)因素相關(guān)[6-13]。進(jìn)入維修模式后，選擇6 MV能量，設(shè)置與出現(xiàn)連鎖時(shí)相同的劑量率、MU和時(shí)間，出束狀態(tài)時(shí)觀察界面中Display項(xiàng)目欄里機(jī)器PFN VOLT、GUN I、GUN V、RF DRIVE以及AFC DIFF五個(gè)數(shù)值并記錄，觀察發(fā)現(xiàn)五個(gè)數(shù)值中，GUN I、GUN V、RF DRIVE和AFC DIFF顯示正常，PFN VOLT的值在出束后直到連鎖出現(xiàn)最高顯示值35.52，低于正常參考值41.00左右。接下來調(diào)節(jié)控制柜中的6 MV能量板的PFN電位器，調(diào)節(jié)數(shù)次后PFN VOLT最高值也只達(dá)到36.42，未能達(dá)到正常值范圍。根據(jù)以上分析，脈沖調(diào)制器可能發(fā)生故障。

2.1.3 解決方案

結(jié)合脈沖電路圖（圖2）進(jìn)行原理分析發(fā)現(xiàn)，整個(gè)脈沖調(diào)制器主要由四個(gè)繼電器控制，即K1、K2、K3、K4繼電器，在維修模式下6 MV能量的參數(shù)除了PFN VOLT異常外，其他參數(shù)均正常，現(xiàn)將能量調(diào)到15 MV，輸入與6 MV相同的劑量率、MU和時(shí)間，出束時(shí)也出現(xiàn)了同6 MV一樣的問題。這時(shí)推斷單獨(dú)控制低能量的K3繼電器和單獨(dú)控制高能量的K4繼電器應(yīng)該是正常的，若K1損壞不會存在出束的情況，所以下一步排查K2是否有問題。再次進(jìn)入維修模式，將UDR1、UDR2連鎖旁路（如果出現(xiàn)UDRS連鎖也同時(shí)旁路），輸入數(shù)值后出束，此時(shí)安排一人在配電房里觀察K1、K2的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)在出束過程中繼電器K1正常閉合，而繼電器K2未發(fā)生閉合。接下來用萬用表測量K2的線圈電壓（AUXILARY POWER PCB中J2-1）顯示值為115 VAC，這說明問題就在K2繼電器上。將K2繼電器拆下，測量線圈電阻，顯示其斷路，接下來更換新的繼電器后，機(jī)器出束后未出現(xiàn)UDR1、UDR2連鎖，劑量率也恢復(fù)到300 MU/min左右，機(jī)器正常工作，此時(shí)說明故障完全解除。

圖2 脈沖電路圖

2.2 故障二

2.2.1 故障現(xiàn)象

加速器在治療過程中，會出現(xiàn)UDR1、UDR2連鎖，等一段時(shí)間后又自行恢復(fù)正常，但是機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間越長，機(jī)架轉(zhuǎn)動次數(shù)越多，該連鎖出現(xiàn)頻率越高，此故障為軟故障。

2.2.2 故障分析

再次出現(xiàn)UDR1、UDR2連鎖時(shí)，進(jìn)入維修模式，旁路UDR1、UDR2連鎖后出束，用示波器測量KLYI、BMI、LD PWR2、GUN I、FWD-PWR、HVPS的波形，由于此連鎖出現(xiàn)時(shí)間較短，進(jìn)入維修狀態(tài)后，出束時(shí)可能顯示正常值也可能出現(xiàn)連鎖，因此只能觀察幾十秒時(shí)間，每次也只能檢測出一個(gè)波形。經(jīng)過一段時(shí)間的觀察和檢測，得到了15 MV在正常狀態(tài)下和有連鎖狀態(tài)下的波形，并發(fā)現(xiàn)只有LD PWR2波形在故障出現(xiàn)時(shí)有異常，其他波形在有無故障時(shí)均保持波形不變（圖3），然后觀察發(fā)現(xiàn)RF中心頻率在待機(jī)和出束狀態(tài)下變化不大，但在維修模式下菜單目錄DISPLAY- Analogy-Machine-AFC DIFF中AFC DIFF值為10左右（正常值應(yīng)該-10左右，并隨出束時(shí)間加長，AFC DIFF的值慢慢變大），綜上所述，說明AFC系統(tǒng)可能出現(xiàn)問題。

圖3 正常狀態(tài)下與故障狀態(tài)下的波形圖

2.2.3 解決方案

AFC控制分手動和自動兩種模式（圖4），出現(xiàn)連鎖時(shí)，6 MV時(shí)將開關(guān)撥到手動（OFF狀態(tài)），出束正常。因15 MV受AFC影響較大，當(dāng)15 MV時(shí)將開關(guān)撥到手動（OFF狀態(tài)），出現(xiàn)連鎖，無法出束。然后緩緩旋動MAN，發(fā)現(xiàn)LD PWR2的波形可以調(diào)節(jié)，調(diào)至LD PWR2的波形正常，出束也正常，這說明AFC自動控制有問題。從圖4可以看出是由AFC & Gun Pulse和AVCR AFC兩塊電路板控制，其余為母版轉(zhuǎn)接和電纜連線。這兩塊電路板瓦里安加速器隨機(jī)帶有備板，換上新的電路板，故障仍然存在，說明不是這兩塊電路板出現(xiàn)故障。接下來通過示波器量AFCA、AFCB波形信號，發(fā)現(xiàn)AFCB波形信號異常，此時(shí)說明AFCB通路有故障。W15是機(jī)身和機(jī)頭之間的一根電纜，由于機(jī)器使用時(shí)間較長，機(jī)架使用頻繁，首先要檢查W15連接線。拔下W15連接線后測量第25根信號線，發(fā)現(xiàn)25號既通同時(shí)又不對外殼接地，W15電纜有37根線，其中有一些是空的，確保一根導(dǎo)通的情況下，與第25根交換，問題依然存在，說明不是W15連接線的問題。在故障排查過程中發(fā)現(xiàn)，在電子槍控制部分的冷端（即插AFC &GUN Pulse板一端）的外殼如果不蓋上，出現(xiàn)連鎖頻率大大降低，并且發(fā)現(xiàn)Gun Driver Backplane 電路板下半部分固定，上半部分沒有固定，同時(shí)還有點(diǎn)晃動，這種情況極易導(dǎo)致電路板有虛焊點(diǎn)或者連接損傷。當(dāng)再次出現(xiàn)UDR1、UDR2連鎖時(shí)，嘗試晃動此電路板，連鎖會消失。將電子槍控制部分從機(jī)架中拆出來（特別注意放電），肉眼沒有發(fā)現(xiàn)虛焊和連接線損傷痕跡（母版Gun Driver Backplane是多層板，連線在里面），用萬用表測量，導(dǎo)通無異常。因?yàn)樘摵更c(diǎn)本身就難以測量出異常，所以只能將J2-3與AFC &Gun Pulse的J6-13C，以及J9與AFC &Gun Pulse的J6-4C重新旁接兩根信號線，這樣就可以解決虛焊和連線損傷的問題。重新將電子槍控制部分安裝好，開機(jī)預(yù)熱，出束正常，此現(xiàn)象未再發(fā)生，此故障得以解決。

圖4 AFC控制流程圖

3 討論與總結(jié)

在日常的使用過程中，瓦里安C系列直線加速器出現(xiàn)UDR1、UDR2連鎖的原因很多，也有同行詳細(xì)介紹過，如徐升等[14]介紹瓦里安2300 C/D型直線加速器在治療過程中，劑量率突然為0，系統(tǒng)提示出現(xiàn)UDR1、UDR2連鎖，故障原因是RFDR微波源出現(xiàn)故障。尹述含等[15]分析瓦里安CL23EX型加速器在機(jī)架轉(zhuǎn)至80°～107°之間，機(jī)器不出束，出現(xiàn)UDR1、UDR2連鎖，故障排查顯示是電纜W13第31腳線斷開所致。盧聯(lián)中等[16]介紹瓦里安Clinac23EX直線加速器出現(xiàn)UDR1、UDR2連鎖的兩種原因，一是由于加速管漏真空導(dǎo)致，二是由于W15電纜斷開導(dǎo)致。趙永軍[17]介紹的瓦里安Clinac ix直線加速器出現(xiàn)UDR1、UDR2連鎖的原因是RFDR電位器故障。以上所述情況中出現(xiàn)UDR1、UDR2連鎖時(shí)，加速器表現(xiàn)為治療過程中劑量率突然為0，或者在某一角度范圍內(nèi)不出束，而故障原因大多是RFDR故障以及電纜接觸不良或斷開。

而本文中的故障一中出現(xiàn)UDR1、UDR2連鎖時(shí)劑量率表現(xiàn)為偏低而不是0，進(jìn)入維修模式也只是發(fā)現(xiàn)PFN VLOT值顯示為35.52，略低于正常參考值41.00（圖2），如果維修工程師對該參數(shù)的正常參考值不是很清楚的話，就難以判斷出PFN可能發(fā)生故障，繼而查找出繼電器K2出現(xiàn)損壞。故障二中是在治療過程中時(shí)不時(shí)出現(xiàn)UDR1、UDR2連鎖，但又能自行恢復(fù)正常，屬于維修中的軟故障，維修起來耗時(shí)長，但從機(jī)器使用時(shí)間越長，機(jī)架轉(zhuǎn)動越頻繁，出現(xiàn)連鎖次數(shù)增加可以初步判斷故障可能是由連接線接觸不良導(dǎo)致的，再進(jìn)一步分析比較各參數(shù)波形，從而最終查找出AFC系統(tǒng)中連接線接觸不良或者虛焊。

同一故障現(xiàn)象，可能是多種原因?qū)е?，只有熟悉機(jī)器各部原理和功能，仔細(xì)觀察故障現(xiàn)象，才能將故障縮小范圍，再結(jié)合隨機(jī)手冊，做到事半功倍地排除故障，本文介紹了次要連鎖UDR1、UDR2故障和維修思路分析，希望能給廣大醫(yī)學(xué)維修工程師提供參考借鑒。