瓦里安醫(yī)用直線加速器多葉光柵故障分析和維修

余權(quán)達(dá)，鄭雪

1. 齊齊哈爾市第一醫(yī)院 放療科，黑龍江 齊齊哈爾 161005；2. 齊齊哈爾大學(xué)，黑龍江 齊齊哈爾 161000

引言

放射治療與手術(shù)和化療并列成為腫瘤治療的三大核心手段。自倫琴發(fā)現(xiàn)X射線后，產(chǎn)生了放射腫瘤學(xué)，科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，使得醫(yī)用電子加速器成為放射腫瘤治療的主要設(shè)備，從術(shù)中放療到外照射，都有它們的身影。瓦里安醫(yī)用直線加速器[1]配備120片多葉光柵，根據(jù)影像設(shè)備傳輸過來的患者腫瘤三維重建圖像，利用直線加速器TPS治療計劃系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過多葉光柵適形控制系統(tǒng)（Multi-Leaf Collimator，MLC），形成與腫瘤大小一樣的治療適形射野，精確地給予控制腫瘤的劑量，盡可能地保護(hù)正常組織，提高腫瘤劑量，獲得更高的腫瘤控制率。目前，主流的放射治療是逆向調(diào)強(qiáng)放療，原理都是通過控制MLC，調(diào)制射野范圍內(nèi)的射線強(qiáng)度實現(xiàn)所需要的非均勻劑量的分布，達(dá)到處方劑量和腫瘤劑量高度匹配，提高適型指數(shù)，降低放療毒副反應(yīng)。瓦里安加速器配置的計算機(jī)需要同時控制120個葉片運(yùn)動，結(jié)構(gòu)緊湊精度高，經(jīng)常會遇到MLC故障。這就要求工程師做好MLC的維護(hù)和保養(yǎng)工作，保障加速器的治療過程順利，對確保病人得到及時、有效的治療具有非常重要的意義，是科室正常運(yùn)行的強(qiáng)有力保障。

1 MLC工作原理

瓦里安MLC包含硬件和軟件兩部分，用戶操作界面使用Windows操作系統(tǒng)環(huán)境。主要分五大塊：① 工作站：用于用戶交互界面控制，調(diào)用臨床計劃，以太網(wǎng)連接到控制器，控制器接收臨床計劃，驅(qū)動MLC葉片形成各種腫瘤形狀；② 控制器：通過CPU板發(fā)出指令和接口板通訊，控制MLC頭部系統(tǒng)；③ MLC頭部系統(tǒng)：包括兩塊頭部轉(zhuǎn)換板、兩塊馬達(dá)驅(qū)動板、光學(xué)紅外板、二次反饋板、軟電位器板、電源分配板、維護(hù)板、直流電源和馬達(dá)接口板；④ 調(diào)試工具：通過調(diào)試工具初級校準(zhǔn)葉片精度；⑤ 馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)：驅(qū)動120個馬達(dá)，控制carriage運(yùn)動，監(jiān)控馬達(dá)電源狀態(tài)。

60對合金葉片附加在準(zhǔn)直器上，當(dāng)工作站調(diào)用計劃時，通過以太網(wǎng)發(fā)送指令到控制器，經(jīng)過光纖通信接口板解碼，馬達(dá)在CPU板控制下，推動葉片形成所需的形狀，射野可以最大到40 cm×40 cm。多葉光柵系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 多葉光柵系統(tǒng)原理圖

2 故障案例一

2.1 故障現(xiàn)象

機(jī)器正常治療過程中出現(xiàn)多葉光柵報警，顯示“Leaf A08, B08, A35, B26 is sticking, Leaf A08, B08, A35, B26 should have moved (primer), Leaf A08，B08，A35， B26 should have moved (sec err)”。自檢顯示 A08，B08，A35，B26卡住，同時這些葉片初次和二次位置比較，有移動現(xiàn)象。

程序自檢最后顯示ML.CX_IL_INIT_FAILURE，自檢失敗。進(jìn)機(jī)房查看機(jī)頭的MLC，發(fā)現(xiàn)葉片不對齊，見圖2。

圖2 葉片自檢時沒對齊

2.2 故障分析

MLC走位不準(zhǔn)或者M(jìn)LC位置信號報錯，引起治療中斷涉及的原因很多[2]。根據(jù)計算機(jī)報警提示信息，和該故障相關(guān)的因素主要包括四個部分：① 機(jī)械故障：瓦里安MLC葉片馬達(dá)無論是厚葉片還是半寬葉片（薄葉片）都有一個同軸編碼器，用來監(jiān)測位置信息和運(yùn)動方向[3]，如果編碼器損壞會造成馬達(dá)位置判斷錯誤；② 葉片之間有污垢：葉片為減少漏射線，葉片之間是緊密相連的。如果葉片有灰塵、油污等，會在葉片伸縮走位時使阻力明顯增加，電機(jī)不能推動葉片運(yùn)動造成卡住的故障；③ 電源故障：MLC系統(tǒng)包含5 V、±15 V電源。電源電壓值偏高或者偏低，會導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確和驅(qū)動問題；④ 接口系統(tǒng)[4]故障：馬達(dá)連接板通過扁平電纜線連接到頭部的接收板和馬達(dá)驅(qū)動板，再轉(zhuǎn)接到二次反饋板。線路比較復(fù)雜排線多，線路破損和接觸不良都會造成葉片運(yùn)動故障。

2.3 故障檢修過程

根據(jù)故障提示MLC葉片sticking故障[5]，首先想到的是按照故障出現(xiàn)概率大小和可能性排查葉片是否被粘住。拆除準(zhǔn)直器蓋板4個螺絲，打開蓋板。通過MLC維護(hù)面板（圖3），選擇標(biāo)號為?的開關(guān)S9，撥到左邊A面，通過旋轉(zhuǎn)標(biāo)號為?的旋鈕，觀察標(biāo)號為?的數(shù)碼管顯示出A08，選出A08馬達(dá)。撥動標(biāo)號?的開關(guān)，將A08葉片伸出，把葉片表面上的污垢清潔干凈，注意處理葉片上的溝槽，避免積累灰塵。手動控制A08葉片運(yùn)動，沒有發(fā)現(xiàn)葉片運(yùn)動阻力異常增大導(dǎo)致運(yùn)動葉片不到位的現(xiàn)象。拆下該葉片電機(jī)，接在維護(hù)板標(biāo)號為⑥的J1插座上測量，標(biāo)號為④的電機(jī)ENCODER OK LED燈亮綠燈，表明馬達(dá)編碼器工作正常，同時標(biāo)號為⑤的LEAF CURRENT條狀燈顯示3～4個格，表明電機(jī)線圈繞組沒有破損，不會產(chǎn)生過流現(xiàn)象或者斷路現(xiàn)象。電流處于正常值范圍，初步判斷電機(jī)正常，基本可以排除電機(jī)故障，其他葉片也是同樣操作。

圖3 MLC維護(hù)面板圖

電腦端的MLC終端程序開機(jī)自檢，顯示只有“Leaf B08 is sticking”，排除A08、A35、B26馬達(dá)損壞，只需要更換B08馬達(dá)。更換該電機(jī)后，自檢不再報“Leaf B08 is sticking”故障。通過以上操作，可以發(fā)現(xiàn)真正有問題的電機(jī)，避免把好的電機(jī)更換掉。一個電機(jī)價格為4000余元，MLC多葉光柵系統(tǒng)[6]總共有120個電機(jī)，這樣操作可以極大地節(jié)省維修成本。

3 故障案例二

3.1 故障現(xiàn)象

電腦顯示“Leaf A36 Exceeded max pri-sec error. Leaf A36 Secondary read error(s) during calibrating”。MLC 軟 件診斷顯示A面的第36個葉片在第二次校準(zhǔn)時，第一次和第二次的相同位置比較誤差大于默認(rèn)值。此類故障無法從設(shè)備自檢時通過葉片是否對齊來判斷葉片故障，它是根據(jù)軟件判斷哪個葉片有問題，檢查難度相對較大。

3.2 故障分析

二次反饋系統(tǒng)提供一個冗余備份位置信息，監(jiān)測葉片和carriage葉片組系統(tǒng)。該系統(tǒng)為防止葉片的編碼器在不能正確判斷葉片位置時，及時阻止MLC在系統(tǒng)不正常的情況下工作。該裝置由軟直線變阻器（Soft Potentiometers，softpot）和wiper組成，softpot由平行排列的電阻條印刷在透明的薄膜板上，共120個softpot，對應(yīng)120個葉片，結(jié)構(gòu)原理就像是滑動變阻器。通過葉片上的wiper在滑動變阻器上滑動獲取電壓值，該值對應(yīng)葉片移動的電阻值，代表移動的距離位置。二次反饋板同時接收這120個電壓值，通過模擬轉(zhuǎn)數(shù)字電路，使得計算機(jī)能夠計算該值從而得到葉片的移動位置。如果該值和計劃的葉片值比較誤差過大，超過限值時停止MLC工作，避免治療劑量不正確，保證患者放療劑量的安全性，如果二次反饋系統(tǒng)出問題容易發(fā)生不到位故障。該故障說明程序在二次反饋檢測時，發(fā)現(xiàn)葉片移動的距離誤差值超過了初級檢測值，MLC因此停止運(yùn)行。二次反饋工作原理流程圖如圖4所示。

圖4 MLC二次反饋工作原理

可能的原因有三個：① nut磨損導(dǎo)致公差過大引起的故障；② 電機(jī)的編碼器損壞；③ softpot損壞。

3.3 故障檢修過程

重新自檢MLC，初始化程序，報初級和次級位置超過誤差值，初步懷疑二次反饋系統(tǒng)工作不正常。本著從簡單到復(fù)雜的維修過程，首先懷疑nut磨損導(dǎo)致公差過大引起的故障，nut是塑料材質(zhì)，相當(dāng)于螺母，馬達(dá)驅(qū)動螺桿，nut在螺桿中移動，帶動葉片運(yùn)動，長時間運(yùn)行，nut不可避免地磨損。打開MLC蓋板，把A36葉片取出，更換葉片中的nut，自檢MLC程序，還是顯示相同故障，排除nut的因素。

其次懷疑是馬達(dá)電機(jī)故障[7]，如果電機(jī)的編碼器損壞，不能正確地讀出移動的距離，在比較初級和次級位置時，會導(dǎo)致兩者數(shù)據(jù)相差過大，也會導(dǎo)致同樣的故障。更換新的電機(jī)再次自檢，故障還是一樣，排除電機(jī)故障。

使用萬用表測量二次反饋板的SIG測試點和Lgnd點的直流電壓值，通過維護(hù)面板選擇A36馬達(dá)，控制A36葉片運(yùn)動。偶然發(fā)現(xiàn)SIG測試點的電壓值偶爾會跳變，不能隨著葉片的運(yùn)動均勻變化，懷疑softpot劃傷，因為該裝置印刷在薄膜上比較薄，材質(zhì)相對容易劃傷。二次反饋系統(tǒng)拆卸比較麻煩，需要先拆卸加速器機(jī)架上的外殼，機(jī)架旋轉(zhuǎn)180°，轉(zhuǎn)到下面和地面平行，然后拆卸準(zhǔn)直器下保護(hù)殼，最后拆卸準(zhǔn)直器上保護(hù)殼。拆除準(zhǔn)直器蓋板，露出二次反饋系統(tǒng)[8]的softpot板，必須通過MLC維護(hù)面板把MLC的多葉光柵組向左右兩側(cè)外面開到最大，露出二次反饋softpot板的安裝螺絲。該板分上下兩部分，先拆卸下面的反饋板，小心移出下面的反饋板，不要把扁平電纜彎折，避免線路折斷。拆解打開的softpot板如圖5所示。

圖5 softpot板實物圖

檢查發(fā)現(xiàn)二次反饋板[9]上的softpot有幾個導(dǎo)電軌道刮出的很深的劃痕，導(dǎo)致wiper在移動時不能很好地和導(dǎo)軌接觸，因此報二次反饋超過允許的誤差值?？紤]到二次反饋softpot板價格超10萬，為延長其使用壽命，清潔導(dǎo)電軌道、拋光導(dǎo)軌及減少劃痕。換上新的接觸刷并打磨光滑，新的接觸刷彈性好，能更好地和導(dǎo)軌接觸，把接觸刷往旁邊掰彎一些，錯開劃痕的位置?；謴?fù)安裝位置，運(yùn)行不再報“Secondary read error”錯誤，故障排除。

4 故障案例三

4.1 故障現(xiàn)象

程序自檢，報“side A carriage collision”，顯示A面的carriage碰撞到物體。

4.2 故障分析

該故障也是通過軟件來判斷，目視carriage是無法判斷是否撞到物體的，只要軟件檢查異常就會報碰撞到物體。它是通過二次反饋板上的線性編碼器[10]獲得它的移動距離，從而判斷自己的位置。carriage有兩個，分別是A面和B面。每面60個葉片，葉片安裝在carriage上，隨著carriage一起運(yùn)動，提供更大的照射野[11]范圍。線性編碼器是一種刻度條，1 mm對應(yīng)5個刻度。當(dāng)carriage移動時，其上安裝的光學(xué)讀碼器讀取刻度[12]，產(chǎn)生脈沖信號，信號被送到head transceiver，通過TX發(fā)送端光纖接口連接到MLC控制器[13]的Motcomm板解碼計算[14]，基于真實測量值和計劃預(yù)先算出來的位置值，Motcomm板分析這兩個值產(chǎn)生必需的馬達(dá)控制指令信息去驅(qū)動每一個葉片和carriage馬達(dá)。MLC判斷carriage collision故障是通過光學(xué)編碼器讀取編碼器條形刻度線，獲取位置信息，比較計算位移值是否正確[15]，判斷是否發(fā)出報警信息。

4.3 故障檢修過程

先檢查A面和B面的二次反饋板的tp2和tp4的測試點電源[16]，如果電源不穩(wěn)定，將影響板上的芯片正常工作[17]。使用萬用表直流檔測量這兩個測試點值都是5 V，說明電壓正常，排除電源的影響。

檢查BRAKE信號為低電平，說明剎車電磁閥工作正常，排除剎車抱死馬達(dá)的因素。檢查EN使能信號為高電平，說明的確有碰撞信號發(fā)出，需要進(jìn)一步檢查故障發(fā)生的原因。carriage馬達(dá)電路原理如圖6所示。

圖6 carriage馬達(dá)電路原理

檢查光學(xué)編碼器條形刻度線是否有污垢、刻度線不清晰的問題，其將嚴(yán)重影響光學(xué)讀碼器正確分辨刻度線的間距，誤導(dǎo)移動時產(chǎn)生的距離，導(dǎo)致判斷錯誤。清潔干凈刻度線后，重新自檢，排除光學(xué)編碼器的影響。

馬達(dá)性能下降，扭矩不夠，移動距離不到位，也有可能導(dǎo)致報警。更換一個carriage馬達(dá)，運(yùn)行自檢程序，還是報相同的故障，排除馬達(dá)的因素。瓦里安的加速器二次反饋板的A面和B面兩塊板規(guī)格尺寸一樣，可以互換。拆的時候要注意扁平電纜的彎折方向，避免安裝不到位卡壞電纜。把兩塊板互換后MLC初始化自檢，報B面碰撞[18]故障，故障轉(zhuǎn)移到B板上，因此確定A面二次反饋板損壞導(dǎo)致碰撞故障，更換該板故障解除。二次反饋板拆解位置如圖7所示。

圖7 二次反饋板拆解位置

需要注意的是在安裝反饋板時，要調(diào)整好板上的光學(xué)編碼器讀取頭安裝的高度[19]。條形刻度條安裝的時候一定要處于光學(xué)編碼器讀取頭中間，不能直接接觸，否則移動的時候刻度條刮到光學(xué)讀取頭會導(dǎo)致二次反饋板損壞。調(diào)用MLC文件和患者治療文件[20]，MLC能夠運(yùn)動到正確的位置，故障解除。

5 討論與總結(jié)

瓦里安加速器MLC多葉光柵有120個葉片，葉片多、機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)復(fù)雜，經(jīng)常會遇到葉片運(yùn)動故障。MLC故障通常的表現(xiàn)就是葉片不工作，但引起故障的原因是多方面的。常見的故障維修基本是換馬達(dá)或者nut等配件。但盲目換馬達(dá)是不可取的，因為當(dāng)葉片有污垢運(yùn)行阻力增大時，報葉片卡住故障，換新馬達(dá)通常能解決問題。但換下來的馬達(dá)不一定是壞的，只是新馬達(dá)的扭矩可能比舊馬達(dá)大，掩蓋了葉片阻力大的事實。不久之后故障還是會發(fā)生，還容易導(dǎo)致馬達(dá)過載，損壞馬達(dá)電樞線圈。針對sticking連鎖故障，有時簡單地清潔葉片，就能讓故障消除。推薦利用維護(hù)板測試馬達(dá)，就能很好地判斷馬達(dá)是否合格，避免盲目更換。對于carriage碰撞故障，也不要盲目懷疑電機(jī)故障，需要通過二次反饋板和正確的安裝拆解來判斷和解決。針對初級和次級位置不一致故障，除了要考慮電機(jī)編碼器、nut公差大等因素，更有效的手段是在測量時細(xì)微地觀察SIG電壓值是否異常，數(shù)值是否連續(xù)可靠來判斷軟電位器是否磨損過度，導(dǎo)致接觸不良，做到有數(shù)據(jù)支撐來判斷和分析故障，指導(dǎo)故障維修。

在缺乏配件應(yīng)急維修時：① 遇到二次反饋故障，可以通過把接觸刷掰彎避開軟電位器板受傷位置處理故障，讓治療得以繼續(xù)，避免患者等待時間過長；② 針對nut引起的故障，在沒有配件可換的情況下，可以通過調(diào)換不同位置的nut來臨時應(yīng)急維修，因為磨損造成的公差不同，只要能保證自檢通過，維持正常工作即可，可等待配件到位后再進(jìn)行更換；③ MLC控制盒外置電源如果損壞，完全可以用相同規(guī)格的非原廠電源取代。

作為維修工程師，要熟悉MLC維修手冊上的知識點，如紅外線自檢初始位置、光學(xué)系統(tǒng)判斷carriage位置、葉片到位的二次位置判斷、馬達(dá)同軸編碼器判斷距離和方向故障，軟電位器的位置判斷故障和光纖通信解碼故障等。因此不但要充分了解其工作原理和結(jié)構(gòu)，理解各部分電路是如何配合工作的，還要掌握計算機(jī)通信原理。MLC是按照一定的順序運(yùn)行的，因此需要了解程序的運(yùn)行步驟。熟練掌握程序運(yùn)行的檢查命令非常重要，在MLC產(chǎn)生異?，F(xiàn)象時，能夠快速判斷和處理程序報錯信息。還需全面了解驅(qū)動控制和機(jī)械結(jié)構(gòu)，熟知拆解的正確順序，便于順利拆解各部分配件，防止拆卸時損壞扁平電纜和其他電線。

因此，熟悉MLC工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，能夠快速修復(fù)機(jī)器，減少患者等待時間。在維修時不會盲目地更換馬達(dá)，通過技巧判斷哪些馬達(dá)需要更換，可以節(jié)約維修成本。日常維修和保養(yǎng)過程中及時清理灰塵，保持準(zhǔn)直器清潔，可以有效地延長MLC的使用壽命，減少故障的發(fā)生概率。當(dāng)患者數(shù)量較多時，MLC工作負(fù)荷重，因softpot板比較薄，長時間使用磨損不可避免，故最好在使用三年后采購備用。

加速器MLC配件年更換數(shù)量統(tǒng)計如圖8所示。通過統(tǒng)計MLC故障及更換相關(guān)配件的數(shù)量，可以合理地提出配件采購計劃，準(zhǔn)備庫存，避免盲目購買，節(jié)約資金。同時通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以合理地安排MLC預(yù)防性故障檢修計劃。每月定期清潔葉片，能夠避免葉片運(yùn)動阻力過大引起其他故障，延長馬達(dá)壽命，降低故障發(fā)生率。通過自檢程序檢查nut公差是否合格，避免治療時因光柵不到位導(dǎo)致治療中斷，使其流暢運(yùn)行。

圖8 MLC配件年更換數(shù)量（平均）

本文介紹的三個維修案例，涵蓋了MLC運(yùn)行的大部分經(jīng)典故障，涵蓋MLC機(jī)械系統(tǒng)、光學(xué)讀碼系統(tǒng)、紅外系統(tǒng)、電路和通信系統(tǒng)等諸多方面，較為全面，可為同行維修此類故障時提供參考借鑒。