瓦里安23EX醫(yī)用直線加速器劑量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理與維修

張炳昌 毛東月 趙文杰 王燕妮 青島市市立醫(yī)院 （山東 青島 266011）

內(nèi)容提要： 本文介紹了Varian 23EX直線加速器的劑量檢測(cè)系統(tǒng)工作原理，列舉了三例故障檢修實(shí)例并分析了故障產(chǎn)生的原因，介紹了該系統(tǒng)出現(xiàn)故障聯(lián)鎖時(shí)的維修思路及處理方法。

隨著高科技在醫(yī)療技術(shù)中的普遍應(yīng)用和快速發(fā)展，人體各部位腫瘤得到及時(shí)診斷，治療腫瘤的方式方法也更為先進(jìn)和科學(xué)，同時(shí)其治療的標(biāo)準(zhǔn)和要求也越來(lái)越高，醫(yī)用直線加速器作為用來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離精確放射治療腫瘤的必備大型醫(yī)用設(shè)備在國(guó)內(nèi)醫(yī)療機(jī)構(gòu)中得到了普遍配置和應(yīng)用，而Varian23EX醫(yī)用直線加速器又是近年來(lái)國(guó)內(nèi)醫(yī)療機(jī)構(gòu)中最常用的主流機(jī)型，如何充分做到其使用過(guò)程中的及時(shí)維護(hù)和有效保障，是醫(yī)療設(shè)備維護(hù)工程技術(shù)人員面臨的一個(gè)非常重要的問(wèn)題[1]。該機(jī)技術(shù)資料和常規(guī)備用部件齊全，維護(hù)工程技術(shù)人員很有必要也有能力掌握其維修方法，本文介紹了該機(jī)型劑量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理和三例典型故障分析與處理方法，供同道們參考。

1.劑量監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)工作原理

如圖1所示，Varian 23EX直線加速器劑量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有兩套獨(dú)立的劑量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)射線劑量信息，以提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和安全性。每套劑量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)又分為徑向和橫向劑量監(jiān)測(cè)通道，分別主要由電離室及配套電路、差分放大電路、積分電路、采樣保持電路、電源和顯示電路等組成。劑量監(jiān)測(cè)的原始信號(hào)來(lái)自電離室，電離室內(nèi)層的D形板和外層的弧形板，上收集板和下收集板的信號(hào)分別與徑向與橫向偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相關(guān)，電離室的半圓電極A、B和半圓電極C、D分別提供徑向和橫向信號(hào)，兩路500V電源為分別給獨(dú)立的兩套收集板提供陽(yáng)極電源電壓。當(dāng)射線穿過(guò)電離室時(shí)，電離室的電極間會(huì)產(chǎn)生電離電流，電離室電極的電流信號(hào)首先經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，然后經(jīng)放大器A1、A2和A5、A6進(jìn)行放大，再由加法器A3和A7對(duì)其求和，提供給控制臺(tái)計(jì)算機(jī)作為對(duì)兩個(gè)通道的劑量率和積分劑量進(jìn)行限制、控制和數(shù)據(jù)顯示，這是兩個(gè)完全獨(dú)立的劑量率和積分劑量通道，每個(gè)通道都可控制中止預(yù)設(shè)的出線，或當(dāng)兩個(gè)通道差10%個(gè)以上機(jī)器單位時(shí)中止出線。

圖1. 劑量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電路框圖

射線劑量分布對(duì)稱性和均勻性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是由電離室的E、F外圍電極板輸出的信號(hào)是徑向位置偏轉(zhuǎn)信號(hào)，控制射線相對(duì)于均整器中心位置的徑向位移，該信號(hào)由放大器A 9、A 10放大，經(jīng)差模信號(hào)處理器A13處理送到后面的采樣保持電路進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣檢測(cè)。電離室的A、B半圓電極來(lái)的信號(hào)是徑向角度偏轉(zhuǎn)線圈的信號(hào)，該徑向角度信號(hào)控制電子線相對(duì)均整器中心和X線靶的徑向發(fā)散角度，由放大器A 1、A2放大，經(jīng)差模信號(hào)處理器A4差分處理送到后面的采樣保持電路進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣檢測(cè)。以上兩路徑向角度和位置偏轉(zhuǎn)的信號(hào)傳遞給控制臺(tái)計(jì)算機(jī)限制、控制和顯示徑向射線的對(duì)稱性均勻性信息數(shù)據(jù)，當(dāng)兩路中任何一路徑向?qū)ΨQ性均勻性信息數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定的數(shù)據(jù)范圍時(shí)就中止出線。另外一套電離室的G、H外圍電極板輸出的角度和位置非對(duì)稱信號(hào)，經(jīng)A 8、A 14差分放大器及其采樣保持電路輸出，用于限制、控制和顯示橫向平面的對(duì)稱性均勻性數(shù)據(jù)信息，電離室的電極板E、F和G、H信號(hào)都是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)射線對(duì)稱性均勻性數(shù)據(jù)信息的。

2.故障實(shí)例

2.1 故障現(xiàn)象一

剛開始出故障晨檢冷機(jī)時(shí)頻報(bào)UDRS劑量率低故障聯(lián)鎖，檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，還偶爾出VAC2故障聯(lián)鎖，后該VAC2故障聯(lián)鎖越來(lái)越頻。從維修模式觀察各真空泵電流數(shù)據(jù)，電子槍真空電流基本橫定為0.5微安，加速管真空泵電流在600～800多微安之間變化，比正常電流數(shù)值高且非常不穩(wěn)定[2]。

2.2 故障分析與檢修

機(jī)器頻報(bào)UDRS劑量率低故障聯(lián)鎖，引起該故障聯(lián)鎖的原因很多，且指向性不明確，根據(jù)發(fā)現(xiàn)的故障現(xiàn)象，開始偶爾報(bào)VAC2故障聯(lián)鎖，后該VAC2故障聯(lián)鎖越來(lái)越頻，故懷疑因真空度不夠引起，瓦里安23EX型直線加速器可通過(guò)維修模式觀察加速管和電子槍真空泵的放電電流來(lái)檢測(cè)加速管內(nèi)的真空度。當(dāng)加速管真空泵電流達(dá)到數(shù)百微安甚至毫安級(jí)時(shí)說(shuō)明真空度不夠，根據(jù)該機(jī)型設(shè)計(jì)，當(dāng)電子槍真空泵電流超過(guò)50微安或加速管真空泵電流超過(guò)700微安時(shí)控制臺(tái)計(jì)算機(jī)會(huì)報(bào)VAC2故障聯(lián)鎖，停止出線。

根據(jù)觀察到的各真空泵電流數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)加速管真空泵明顯比電子槍真空泵電流高，表明機(jī)器檢測(cè)到加速管部分比電子槍的真空度差，因此首先判斷加速管真空泵效率低或有污染，用小電流10kV高壓加到加速管真空泵上進(jìn)行多次瞬間沖擊試驗(yàn)，加速管真空泵電流可降到100微安左右，使用2～3d后又上升到600多微安，控制臺(tái)計(jì)算機(jī)又報(bào)VAC2故障聯(lián)鎖。更換真空泵電源板和控制電路板，故障依然。最后更換新的加速管真空泵，觀察其真空電流在熱機(jī)時(shí)達(dá)320微安左右，再觀察晨檢時(shí)在80微安左右，該數(shù)據(jù)表示加速管真空度不夠，可能其某處有微漏，用丙酮涂抹進(jìn)行測(cè)漏，當(dāng)檢查到BMAG出線輸出窗口時(shí)，加速管真空泵電流從320微安快速下降到90微安，表明真空度明顯提高，且還有持續(xù)改善的趨勢(shì)，由此判斷此處極有可能有漏，用進(jìn)口專用真空密封膠封堵，加速管真空泵真空電流下降到10個(gè)微安，電子槍真空泵電流也下降到0.2微安，故障徹底排除。

因機(jī)器剛開始出故障時(shí)頻報(bào)UDRS劑量率低故障聯(lián)鎖，在前期的檢修過(guò)程中也走了一些彎路，發(fā)現(xiàn)出VAC2故障聯(lián)鎖后才找到了故障根源。

2.3 故障現(xiàn)象二

機(jī)器在正常治療過(guò)程中突然停電，控制臺(tái)計(jì)算機(jī)報(bào)ION2電離室故障聯(lián)鎖，關(guān)機(jī)重開后該故障聯(lián)鎖有時(shí)能消失有時(shí)不能消失，嚴(yán)重影響治療質(zhì)量和效率，無(wú)法正常工作。

2.4 故障分析與檢修

瓦里安23EX型直線加速器設(shè)計(jì)有ION1和或ION2兩個(gè)電離室故障聯(lián)鎖，根據(jù)其VACION POWER SUPLLY部分電路圖，分析ION1和或ION2產(chǎn)生的原因，可能因電離室高壓電源引起，當(dāng)該高壓電源電壓不正常時(shí)，控制臺(tái)計(jì)算機(jī)會(huì)報(bào)電離室（ION1和或ION2）故障聯(lián)鎖。Varian 23EX機(jī)型加速器配有兩套獨(dú)立的橫向和徑向電離室，根據(jù)停電后才發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)ION2故障聯(lián)鎖這一現(xiàn)象，判斷故障在真空泵電源部分。查閱該部分電路原理圖，首先由±12V兩路低壓直流電源分別經(jīng)過(guò)電阻R4、R5和RT6、RT7后，分別輸入到DC-DC變換器PS4和PS5的1、3腳，再經(jīng)PS4和PS5的2、4腳輸出500V高壓，給電離室提供陽(yáng)極電壓。每一路500V陽(yáng)極高壓電源有分別有兩路負(fù)載，一路是R27、R28，另一路經(jīng)濾波后加載到電離室陽(yáng)極，該陽(yáng)極電壓經(jīng)電阻R24、R25和R23、R26分壓后輸出5V采樣電壓，分別送至VACION CONTROL低壓電路板比較器U4（LM 337）的5和7腳，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。若檢測(cè)到的該采樣電壓低于4V，則比較器U4的1腳或2腳輸出高電平，工作狀態(tài)指示燈DS11或DS12不亮，由光電耦合器U1（ILQ-2）的10或11腳輸出ION1或ION2故障聯(lián)鎖信號(hào)，送到控制臺(tái)計(jì)算機(jī)。懷疑DC-DC變換器不良，分別測(cè)量變換器PS4和PS5的輸入端和輸出端電壓，發(fā)現(xiàn)輸入端都是23.8V，PS4輸出為502V，PS5輸出端為16V，正常應(yīng)為500V，將DC-DC變換器PS4和PS5進(jìn)行交換，并同時(shí)測(cè)量該變換器的輸入輸出端電壓，開機(jī)后控制臺(tái)計(jì)算機(jī)報(bào)ION1故障聯(lián)鎖，斷定PS5損壞，換上新的DC-DC變換器PS5，故障徹底解決[3]。

2.5 故障現(xiàn)象三

機(jī)器前期工作一直正常，晨檢時(shí)發(fā)現(xiàn)，自檢通過(guò)后，按Beam ON出線鍵，報(bào)EXQ2故障聯(lián)鎖，不出線。

2.6 故障分析與檢修

根據(jù)瓦里安23EX型直線加速器設(shè)計(jì)，出線時(shí)機(jī)器出現(xiàn)EXQ2故障聯(lián)鎖，說(shuō)明機(jī)器檢測(cè)到射線的橫向?qū)ΨQ性超過(guò)±2%的允許范圍偏差。分析EXQ2聯(lián)鎖產(chǎn)生流程，橫向?qū)ΨQ性原始電流信號(hào)來(lái)自電離室的G、H外圍電極板，分別送到電路板B20（Transverse Beam Position Serve PCB）的電流電壓轉(zhuǎn)換器U1、U2（AD547），轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，分別從U1、U2的3腳輸出，送到差分放大器U3（AD547）的2、3腳，經(jīng)U3的6腳、U4（TL074）的1腳、U7（DG441）的3腳、U4的7腳到該電路板P1接口的16腳輸出，送到電路板B18（Symmetry & Excess Q/Pulse PCB）P1接口的11腳，又陸續(xù)經(jīng)放大器A5、A6、A7（uA741）和三極管Q10、Q9、Q11電壓放大整形后，由電路板B18P1接口的7腳輸出到電路板B1（Input I/F#1 PCB），正常時(shí)該信號(hào)為-12V時(shí)，當(dāng)報(bào)EXQ2故障聯(lián)鎖時(shí)，該信號(hào)為0V。為確認(rèn)故障點(diǎn)出在劑量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還是射線束流控制系統(tǒng)，進(jìn)入機(jī)器維修模式，將EXQ2故障聯(lián)鎖關(guān)掉后，觀察射線的對(duì)稱性偏差，發(fā)現(xiàn)射線的對(duì)稱性偏差并未達(dá)到設(shè)計(jì)的2%以上，屬錯(cuò)誤報(bào)警信息，故障位置應(yīng)在劑量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)本身。測(cè)電路板B18P1接口的7腳電壓為0V，觀察該電路板上的C22狀態(tài)指示燈亮，說(shuō)明故障點(diǎn)在放大器A7之前，測(cè)放大器A5的3腳輸入電壓為1.3V，正常應(yīng)為0V，懷疑該級(jí)信號(hào)的前端電路板B20（Transverse Beam Position Serve PCB）有問(wèn)題，因?yàn)橛性撾娐钒宓膫溆冒澹苯痈鼡Q該電路板，故障消除[4]。等治療完患者后，再查B20電路板上的故障，測(cè)放大器U1、U2、U3、U4的輸入輸出腳電壓，未發(fā)現(xiàn)明顯錯(cuò)誤，當(dāng)檢測(cè)U7時(shí)發(fā)現(xiàn)其輸入輸出的2、3腳電壓明顯不同，該集成電路是多路復(fù)用選擇模擬開關(guān)，更換同型號(hào)的U7（DG441）后，B20電路板修復(fù)。

引起EXQ1和EXQ2故障聯(lián)鎖的主要原因出在劑量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和射線束流控制系統(tǒng)這兩個(gè)部位上，射線束流控制系統(tǒng)故障也引發(fā)EXQ1和EXQ2故障聯(lián)鎖，特別是射線束流控制系統(tǒng)中核心控制部件PWM電路板故障率也比較高，出現(xiàn)故障聯(lián)鎖后迅速辨別這兩個(gè)系統(tǒng)的故障部位是關(guān)鍵[5]。

3.總結(jié)

瓦里安23EX型直線加速器劑量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障的原因很多，在維修前對(duì)其工作原理和設(shè)計(jì)做到充分了解和系統(tǒng)分析尤為重要，另外工作人員平時(shí)應(yīng)及時(shí)地發(fā)現(xiàn)加速器劑量監(jiān)測(cè)方面的故障聯(lián)鎖，應(yīng)及時(shí)解決。