瓦里安C系列加速器控制系統(tǒng)工作原理與故障維修研究

何赟 羅恒 孟鑫 許琨 西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院腫瘤放療科 （陜西 西安 710004）

內(nèi)容提要： 瓦里安加速器控制系統(tǒng)是加速器的核心系統(tǒng)，為加速器系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠保證。本文針對本科室在用的瓦里安21EX型和Trilogy型C系列高能加速器，介紹其控制系統(tǒng)工作原理，并針對日常使用過程中控制系統(tǒng)常見故障進(jìn)行分析、研究，提出一種可及時排查、維修瓦里安C系列加速器控制系統(tǒng)故障CTRL連鎖的思路與方法，減少因瓦里安C系列加速器控制系統(tǒng)故障CTRL連鎖引起的停機(jī)時間和維護(hù)費(fèi)用，提高加速器整機(jī)工作效率，保障加速器的穩(wěn)定運(yùn)行，提升醫(yī)務(wù)人員和患者的滿意度。

近年來，隨著醫(yī)療服務(wù)技術(shù)水平和腫瘤放射治療技術(shù)的不斷發(fā)展，放射治療越來越受到重視，據(jù)統(tǒng)計約70%的癌癥患者在治療期間會采用放射治療，并獲得較好的療效[1]。加速器[2]作為放射治療的利器，利用高能微波電場加速電子，產(chǎn)生高能電子，轟擊重金屬靶面，發(fā)生韌致輻射，產(chǎn)生高能X射線；然后再利用高能電子射線或高能X射線殺滅腫瘤細(xì)胞，對腫瘤進(jìn)行放射治療，廣泛應(yīng)用于放射治療當(dāng)中[3]。

瓦里安高能加速器主要由加速管、控制系統(tǒng)、脈沖調(diào)制系統(tǒng)、微波系統(tǒng)、電子槍系統(tǒng)、恒溫水冷系統(tǒng)、治療床等部分組成[4,5]。加速器控制系統(tǒng)是控制加速器射線能量、束流、系統(tǒng)運(yùn)動等，是加速器的一個重要組成部分。當(dāng)加速器控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，加速器將出現(xiàn)CTRL連鎖，系統(tǒng)將自動從On的工作狀態(tài)進(jìn)入Standby狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致加速器無法開機(jī)，此連鎖是加速器系統(tǒng)四個主連鎖之一。當(dāng)加速器出現(xiàn)此故障時，常常會耽誤腫瘤放療患者的放射治療，影響醫(yī)院臨床工作的正常進(jìn)行。

因此，我們通過學(xué)習(xí)本院瓦里安21EX型和Trilogy型高能加速器的控制系統(tǒng)，探討瓦里安C系列加速器控制系統(tǒng)的工作原理，研究排查加速器控制系統(tǒng)故障的思路與方法，從而使醫(yī)院工程師能夠自主維修加速器控制系統(tǒng)的常見故障，減少因加速器控制系統(tǒng)故障引起的停機(jī)時間和維護(hù)費(fèi)用，提高加速器的工作效率和運(yùn)行績效。

1.瓦里安C系列加速器控制系統(tǒng)工作原理

瓦里安C系列加速器控制系統(tǒng)是由控制臺計算機(jī)（Console Computer）、STD總線（Standard Data Bus）和信號轉(zhuǎn)換（Signal Conditioning Cardcage）三部分組成[6,7]，主要原理是采用STD總線協(xié)議來控制訪問加速器束流、運(yùn)動、輸入輸出及通訊等子系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1. 加速器控制系統(tǒng)圖

1.1 加速器控制臺計算機(jī)

加速器控制臺計算機(jī)由專用工控計算機(jī)、專用鍵盤和顯示器組成，負(fù)責(zé)運(yùn)行加速器系統(tǒng)主程序，為操作加速器系統(tǒng)提供人機(jī)對話界面[8]。加速器控制臺計算機(jī)實時運(yùn)行加速器控制程序，處理各項操作指令（如Standby、On、Ready、Beam On等），驗證指令的有效性，并將指令轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼發(fā)送到加速器控制系統(tǒng)STD總線，控制加速器系統(tǒng)運(yùn)行。同時，其顯示加速器各項數(shù)據(jù)，與外部設(shè)備通訊，并實時記錄保存設(shè)備運(yùn)行事件和日志文件。

1.2 加速器控制系統(tǒng)STD總線

加速器控制系統(tǒng)STD總線系統(tǒng)是加速器控制臺計算機(jī)與信號轉(zhuǎn)換的通信橋梁，其根據(jù)STD總線協(xié)議快速、準(zhǔn)確地訪問加速器其他子系統(tǒng)，控制整個加速器的運(yùn)行，主要由通訊計算機(jī)板（Comm Computer）、控制計算機(jī)板（Control Computer）、通用隨機(jī)存取存儲器（Common RAM）、輸入輸出接口（Digital I/O）、計時器（Timers）、模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）組成。通訊計算機(jī)板與加速器控制臺計算機(jī)連接，承擔(dān)STD總線與加速器控制臺計算機(jī)的通信功能；控制計算機(jī)板是加速器系統(tǒng)控制系統(tǒng)核心，控制加速器系統(tǒng)正常運(yùn)行；輸入輸出接口是STD總線的輸入輸出接口通道，輸入、輸出加速器控制信號和系統(tǒng)連鎖信號；計時器是加速器束流控制核心，其根據(jù)系統(tǒng)邏輯信號，實時控制加速器射線束流開關(guān)和劑量率；通用隨機(jī)存取存儲器是加速器控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲器，存儲STD總線內(nèi)所有單元需使用的加速器系統(tǒng)參數(shù)；模數(shù)轉(zhuǎn)換將加速器系統(tǒng)的各種模擬信號參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到STD總線；數(shù)模轉(zhuǎn)換將STD總線的數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，控制加速器系統(tǒng)。通訊計算機(jī)板和控制計算機(jī)板上各有8個狀態(tài)指示燈，實時顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)正常運(yùn)行時，狀態(tài)指示燈均全亮。

1.3 加速器控制系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)換

加速器控制系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)換部分顯示、測量與反饋加速器治療時的連鎖、束流、系統(tǒng)等參數(shù)信息，并控制加速器系統(tǒng)機(jī)械運(yùn)動、驅(qū)動馬達(dá)；其主要由連鎖控制（General Control& Interlocks）、射線控制（Beam Control）、參數(shù)讀數(shù)測量（PRO & Meters）和馬達(dá)驅(qū)動控制（Motor Drive）幾部分組成。連鎖控制根據(jù)加速器控制系統(tǒng)輸出的控制信號控制加速器系統(tǒng)，輸出連鎖，并將運(yùn)行控制結(jié)果反饋回加速器控制系統(tǒng)；射線控制根據(jù)加速器束流計數(shù)，實時控制射線束流開關(guān)和劑量率；參數(shù)讀數(shù)測量實時獲取系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和治療參數(shù)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，反饋回加速器控制系統(tǒng)；馬達(dá)驅(qū)動控制根據(jù)加速器控制系統(tǒng)控制信號，驅(qū)動馬達(dá)，控制加速器運(yùn)動系統(tǒng)。加速器控制系統(tǒng)電路板連線圖，如圖2所示。

圖2. 加速器控制系統(tǒng)電路板連線圖

1.4 狀態(tài)指示燈的識別

加速器控制系統(tǒng)通過系統(tǒng)上電自檢，并在系統(tǒng)運(yùn)行自檢正常時，STD總線通訊計算機(jī)板和控制計算機(jī)板狀態(tài)指示燈全亮；當(dāng)加速器控制系統(tǒng)故障，系統(tǒng)上電自檢或運(yùn)行自檢失敗，狀態(tài)指示燈將以二進(jìn)制代碼形式顯示，提示故障信息。

通訊計算機(jī)板和控制計算機(jī)板狀態(tài)指示燈均由8只發(fā)光二極管組成，每只發(fā)光二極管亮、滅分別代表二進(jìn)制數(shù)“1”“0”，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中“”代表亮，“”代表滅。識別時我們將高4位和低4位分別轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制數(shù)讀出，如圖3（1）和圖3（2）代碼指示分別為“FFh”和“03h”。

圖3. 狀態(tài)指示燈結(jié)構(gòu)圖

2.瓦里安C系列加速器控制系統(tǒng)CTRL故障排查研究

瓦里安加速器控制系統(tǒng)的故障代碼為CTRL連鎖。當(dāng)加速器系統(tǒng)出現(xiàn)CTRL連鎖時，應(yīng)先檢查加速器系統(tǒng)電源如圖4所示，在+5V、±12V、±15V電源均正常的情況下，觀察加速器STD總線通訊計算機(jī)板和控制計算機(jī)板狀態(tài)指示燈如圖5所示；然后根據(jù)狀態(tài)指示燈所提示的信息，參照加速器控制系統(tǒng)工作原理，結(jié)合故障現(xiàn)象，檢查和排除加速器控制系統(tǒng)故障。

圖4. 加速器系統(tǒng)電源測量點(diǎn)

圖5. 加速器控制系統(tǒng)狀態(tài)指示燈

2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器故障

加速器運(yùn)行期間偶爾出現(xiàn)CTRL連鎖，加速器自動進(jìn)入Standby狀態(tài)，無法消除。檢查加速器控制柜+5V、±12V和±15V電源，其分別為+5.09V、+12.24V、-12.19V、+15.3V、-15.26V，均正常；STD總線通訊計算機(jī)板狀態(tài)指示燈正常全亮，控制計算機(jī)板狀態(tài)指示燈代碼“16h”。根據(jù)控制計算機(jī)板狀態(tài)指示燈代碼提示信息“ADC1 runtime hardware error”[9]，即ADC1轉(zhuǎn)換器硬件運(yùn)行錯誤，可判斷此故障應(yīng)為ADC1轉(zhuǎn)換器錯誤引起。查閱加速器控制系統(tǒng)電路圖可知，ADC1轉(zhuǎn)換器在加速器STD總線CRADC板上，更換CRADC電路板后，加速器控制系統(tǒng)自檢正常，CTRL故障連鎖消失，設(shè)備恢復(fù)運(yùn)行。

2.2 通用隨機(jī)存取存儲器故障

早上開機(jī)時發(fā)現(xiàn)加速器出現(xiàn)CTRL連鎖，在Standby狀態(tài)無法開機(jī)。檢查加速器控制柜電源電壓均正常；STD總線通訊計算機(jī)板狀態(tài)指示燈正常全亮，控制計算機(jī)板狀態(tài)指示燈代碼“17h”。根據(jù)控制計算機(jī)板狀態(tài)指示燈代碼提示信息“CRAM Command Buffer Checksum Error”，即通用隨機(jī)存取存儲器命令緩沖區(qū)校驗錯誤，因此可判斷此故障應(yīng)為CRAM存儲器錯誤引起。根據(jù)加速器控制系統(tǒng)電路圖，CRAM存儲器位于加速器控制系統(tǒng)STD總線System Support板，更換System Support電路板后，加速器控制系統(tǒng)自檢正常，CTRL故障連鎖消失，設(shè)備恢復(fù)正常。

2.3 控制系統(tǒng)電源故障

加速器系統(tǒng)出現(xiàn)CTRL故障連鎖，加速器控制臺計算機(jī)無法進(jìn)入操作系統(tǒng)界面。檢查STD總線通訊計算機(jī)板和控制計算機(jī)板狀態(tài)指示燈，發(fā)現(xiàn)通訊計算機(jī)板狀態(tài)指示燈正常全亮，控制計算機(jī)板狀態(tài)指示燈代碼“12h”。根據(jù)控制計算機(jī)板狀態(tài)指示燈代碼提示信息“Power Supply out of tolerance”，即+5V、±12V、±15V電源電壓超出±5%允許誤差范圍。測量上述電源電壓，發(fā)現(xiàn)其分別為+5.09V、+12.26V、-12.18V、+15.32V、-15.26V，均在電源電壓允許誤差范圍之內(nèi)，與上述提示信息不符。根據(jù)加速器控制系統(tǒng)電路板連接示意圖分析，如圖6所示，各電源電壓首先通過Meter Interface P.C.B.進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理，然后傳輸?shù)紺RADC P.C.B.數(shù)字化處理后，最后再進(jìn)入加速器控制系統(tǒng)。因此，可判斷故障應(yīng)在電源電壓數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換和傳輸鏈路中。通過替換排查Meter Interface P.C.B.和CRADC P.C.B.后發(fā)現(xiàn)，連接此兩塊電路板之間的排線W33出現(xiàn)老化開裂，接觸不良，更換W33排線后，機(jī)器恢復(fù)正常。

圖6. 電路板連接示意圖

2.4 數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換檢測故障

加速器維護(hù)保養(yǎng)斷電重啟后出現(xiàn)CTRL故障連鎖，檢查STD總線通訊計算機(jī)板和控制計算機(jī)板狀態(tài)指示燈，發(fā)現(xiàn)通訊計算機(jī)板狀態(tài)指示燈正常全亮，控制計算機(jī)板狀態(tài)指示燈代碼“0Dh”。根據(jù)控制計算機(jī)板狀態(tài)指示燈代碼提示信息“Digital-Analog-Digital Loopback Test”，即數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器回路檢測超出±2%誤差范圍。根據(jù)加速器系統(tǒng)電路圖分析，檢測通道先由DAC輸出分別設(shè)置+7.5V、+2.5V、0.0V、-2.5V和-7.5V不同的5個電壓，然后再由ADC采集輸入，檢測電壓誤差。因此，此故障應(yīng)集中在數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出、模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入及其傳輸鏈路中。因本次維護(hù)保養(yǎng)前機(jī)器運(yùn)行正常，我們重點(diǎn)懷疑數(shù)據(jù)傳輸鏈路；根據(jù)加速器控制系統(tǒng)電路板連線示意圖，如圖7所示，檢查Motor Interface P.C.B.和CRADC P.C.B.的排線電纜W32時，發(fā)現(xiàn)其接頭老化，在拔插時開裂，更換W32排線后，設(shè)備運(yùn)行正常。

圖7. 電路板連接示意圖

3.結(jié)果與討論

加速器是醫(yī)院放射治療的重要醫(yī)療設(shè)備，加速器系統(tǒng)能否正常運(yùn)行關(guān)系到腫瘤患者放射治療的連續(xù)性[10,11]。加速器控制系統(tǒng)是加速器的“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”，其控制加速器放射治療的射線能量、束流和系統(tǒng)運(yùn)動等，是加速器系統(tǒng)的一個重要組成部分，其故障代碼為CTRL連鎖。當(dāng)加速器控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，首先檢查加速器系統(tǒng)電源，在保證+5V、±12V、±15V電源均正常的情況下，分別從STD總線通訊計算機(jī)板和控制計算機(jī)板讀取狀態(tài)指示燈，然后依照狀態(tài)指示燈信息，根據(jù)加速器控制系統(tǒng)工作原理和電路圖，結(jié)合故障實際情況，判斷加速器控制系統(tǒng)故障所在位置，逐步排除系統(tǒng)故障。

通過此項研究，我們根據(jù)瓦里安C系列加速器控制系統(tǒng)工作原理，對本院瓦里安21EX型和Trilogy型加速器的常見故障進(jìn)行分析研究，提出了一種排查瓦里安C系列加速器控制系統(tǒng)故障的思路和方法，使醫(yī)院工程師能夠自主維修加速器控制系統(tǒng)的常見故障，從而減少了加速器控制系統(tǒng)故障的停機(jī)時間和維護(hù)費(fèi)用，增加醫(yī)院的經(jīng)濟(jì)效益。