瓦里安Clinac IX直線加速器故障維修實例

蔡威，郭良棟，劉偉

宿遷市第一人民醫(yī)院 設(shè)備管理處，江蘇 宿遷 223800

引言

放射治療目前已經(jīng)成為腫瘤患者主要的治療方式，主要依靠醫(yī)用電子直線加速器實施治療[1-2]。醫(yī)用電子直線加速器通過產(chǎn)生具有一定能量的電子線或高能射線（如γ射線、X射線），經(jīng)過動態(tài)多葉準直器適形后準確照射到腫瘤組織上，從而達到抑制腫瘤細胞生長，穩(wěn)定患者病情的目的[3-4]，它適用于全身多部位的腫瘤放射治療，也可用于術(shù)前治療或術(shù)后殘留組織的放射治療，還可與化療聯(lián)合進行治療[5-6]。

瓦里安Clinac IX直線加速器作為一種放射治療設(shè)備，其性能穩(wěn)定、可靠性高，配置有6、15 MV兩檔X射線，4、6、9、12、16、20 MeV六檔電子線，不僅能滿足常規(guī)放射治療需要，還可進行容積調(diào)強治療、圖像引導(dǎo)下放療和三維適形放射治療[7-8]。我院自2016年啟用瓦里安Clinac IX直線加速器，隨著使用時間增長，其故障發(fā)生率也越來越高，本文就該設(shè)備在使用過程中出現(xiàn)的3次故障維修進行分析總結(jié)，認供同行交流參考。

1 基本原理

瓦里安Clinac IX直線加速器主要是由加速管、速調(diào)管、電子槍、真空系統(tǒng)、束流輸出系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、治療床系統(tǒng)與自動控制系統(tǒng)等組成[9-10]。其基本工作原理為三相市電經(jīng)升壓、整流、濾波，產(chǎn)生12 kV直流高壓輸出到脈沖調(diào)制變壓器，脈沖調(diào)制變壓器將得到的直流高壓轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠊β手绷鞲邏汗┙o速調(diào)管，使其產(chǎn)生2856 MHZ微波能量，經(jīng)波導(dǎo)管傳輸?shù)郊铀俟軆?nèi)，在駐波加速管內(nèi)建立起加速電場，同時另一路高壓直流變壓器產(chǎn)生的直流高壓供給電子槍發(fā)射電子，在加速管內(nèi)被加速電場加速，經(jīng)聚焦、偏轉(zhuǎn)形成高能電子束流，撞擊金屬靶產(chǎn)生高能X射線[11-13]。

由于從加速管輸出的射束（X線和電子線）比較窄，其能量對稱性和平坦度均不能滿足臨床治療要求，需要用均整器或散射箔將射束均勻展開后形成劑量分布均勻的射束，再通過治療頭其他附件形成射野大小、形狀合適的射束，才可用于患者治療[14]。旋轉(zhuǎn)均整盤（Carrousel）可實現(xiàn)將較窄射束均整形成劑量分布均勻射束的目的。

如圖1所示，該型號加速器的Carrousel共安裝10個不同的均整器，端口（PORT）1～10分別對應(yīng)不同的能量。為了實現(xiàn)精準定位，Carrousel上安裝有1個定位銷和微動開關(guān)S9、5個位置檢測開關(guān)（S1、S2、S4、S8、S16）和電位器R1[15-16]。定位銷由壓縮空氣驅(qū)動，當(dāng)Carrousel運動到設(shè)定位置時，定位銷處于IN狀態(tài)將Carrousel鎖定并通過壓合開關(guān)S9反饋定位銷位置信號，保證Carrousel位置精確。同時S9的開閉狀態(tài)也是Carrousel運動的始能信號，在Carrousel運動前先判讀S9電平狀態(tài)[17]。Carrousel邊緣有 3個位置狀態(tài)：凸起（Cam）、凹槽（Divot）和平（Neither），其中處于Cam和Divot位置時位置開關(guān)輸出低電平，處于Neither位置時位置開關(guān)輸出為高電平。在Carrousel邊緣安裝有5個位置檢測開關(guān)，通過這5個位置檢測開關(guān)的開閉狀態(tài)形成高低電平，以此對Carrousel的10個位置進行精確編碼。電位器R1的作用是在進行Carrousel位置校準時提供基準位置參考。Carrousel的運動主要由Stand機架右側(cè)輔助電子柜內(nèi)的Carrousel MODE & BMAG電路板控制，當(dāng)選擇某一檔能量時，其會在電機驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)位置。當(dāng)Carrousel反饋給系統(tǒng)的位置與設(shè)置的位置不相符時，控制臺計算機就會顯示CARR和（或）FOIL聯(lián)鎖，同時BMAG電路板上顯示對應(yīng)的錯誤代碼。CARR聯(lián)鎖代表Carrousel的位置與所選能量模式不匹配，控制臺計算機和Carrousel控制器之間通信失敗；FOIL聯(lián)鎖代表Carrousel未到達指定位置或者定位銷位置不正確，通常情況下兩個聯(lián)鎖同時出現(xiàn)，但也可能單獨出現(xiàn)[18-19]。

圖1 Carrousel結(jié)構(gòu)簡圖

2 故障一

2.1 故障現(xiàn)象

直線加速器在開機進行系統(tǒng)晨檢時，選擇能量后出現(xiàn)CARR和FOIL聯(lián)鎖提示，重新切換其他能量模式時機器工作正常，但在正常使用一段時間后仍偶爾出現(xiàn)上述聯(lián)鎖，并且頻次逐漸增加，最終停機檢修。

2.2 故障分析與維修

通過對Carrousel結(jié)構(gòu)的分析，當(dāng)出現(xiàn)CARR、FOIL聯(lián)鎖時，其可能發(fā)生的原因有：① Carrousel電機驅(qū)動故障；② 定位銷位置故障；③ 位置檢測開關(guān)故障；④ BMAG控制板故障；⑤ 穿過旋轉(zhuǎn)機架的電纜線故障等。

出現(xiàn)聯(lián)鎖后查看BMAG電路板LED顯示故障代碼為91，通過查看維修手冊，該代碼解釋為：pin didn’t seat，表示Carrousel運動到設(shè)置位置后，定位銷未能鎖定，初步判斷為定位銷開關(guān)故障。拆下旋轉(zhuǎn)機架上蓋板，并將機架旋轉(zhuǎn)至270°，同時需插入機架鎖定銷，否則當(dāng)拆下鉛塊后會導(dǎo)致機架配重不平衡，將引起機架自轉(zhuǎn)。拆下Carrousel上方鉛塊后可看到定位銷和位置檢測開關(guān)，此時切換能量，觀察Carrousel運動正常，定位銷運動正常并且S9開關(guān)閉合正常，此時測量開關(guān)為斷開狀態(tài)，表明開關(guān)故障需要更換S9開關(guān)，為了方便更換S9開關(guān)，建議將連接S9開關(guān)的信號線進行延長并使用熱縮管進行絕緣處理。更換S9開關(guān)后將BMAG控制板S3旋至“F”位置執(zhí)行Carrousel校準程序，發(fā)現(xiàn)校準失敗，BMAG控制板上LED顯示故障代碼64，此代碼解釋為：bad CARR POSN 4，表示位置檢測開關(guān)S4信號異常。查看Carrousel位置狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)Carrousel沒有運動到位，定位銷處于OUT位置，檢查并調(diào)整S4凸輪開關(guān)，手動轉(zhuǎn)動Carrousel觀察位置檢測開關(guān)可以正常開閉，分別檢測S4開關(guān)在處于Cam和Divot位置時輸出為0 V，處于Neither位置時輸出為5 V，說明開關(guān)正常，切換能量并執(zhí)行Carrousel校準，校準失敗，BMAG控制板上LED仍然顯示故障代碼64。

通過查閱圖紙，Carrousel位置檢測開關(guān)的信號走向如圖2所示，找到位置檢測開關(guān)信號電纜接頭P82與J82（在加速管中部位置），將接頭斷開，測量P82-4（S4信號輸入端）電壓為0 V，正常應(yīng)為5 V，其余P82-1（S8）、P82-2（S1）、P82-3（S2）、P82-5（S16）電壓均為 5 V。根據(jù)圖紙分析，位置檢測開關(guān)信號來源為Gantry Patch Panel上的J18，測量 J18-2（S4）電壓為 0 V，J18-1（S1）、J18-3（S16）、J18-20（S2）、J18-21（S8）電壓均為5 V，根據(jù)信號來源走向繼續(xù)測量Gantry Patch Panel上的J2-4（S4）電壓為0 V，J2-2（S1）、J2-3（S2）、J2-5（S8）、J2-6（S16）電壓均為 5 V，最后測量Stand Aux Electronics Backplane上的J42-2（S1）、J42-3（S2）、J42-4（S4）、J42-5（S8）、J42-6（S16） 電 壓均為5 V，說明連接Stand Aux Electronics Backplane（J42）和Gantry Patch Panel（J2）的線纜W32異常。經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)線纜內(nèi)的4號信號線斷路，該線纜穿過機架，因長期隨機架轉(zhuǎn)動而扭曲導(dǎo)致信號線斷路。查閱圖紙確認W32線纜有未使用信號線，因此對4號信號線做調(diào)線處理，將各線纜接頭恢復(fù)正常后重新執(zhí)行Carrousel校準程序，聯(lián)鎖消除，設(shè)備正常使用。

圖2 Carrousel信號傳輸簡圖

3 故障二

3.1 故障現(xiàn)象

放療技師在對OBI系統(tǒng)進行晨檢過程中發(fā)現(xiàn)，OBI機械臂無法伸出，系統(tǒng)提示故障KV Source shoulder（elbow、wrist） axis is not calibrated，即KVS機械臂各關(guān)節(jié)位置未校正。

3.2 故障分析與維修

KVS機械臂位置校準數(shù)據(jù)不明原因丟失，導(dǎo)致電腦無法判斷當(dāng)前機械臂所在位置和控制機械臂運動。此時需要對KVS機械臂重新進行位置校準，打開Stand機架的左側(cè)門，將BMC手控盒的線纜接在OBI Control Module Interconnect Panel上的X101接口，打開BMC手控盒開關(guān)，首先需使用BMC手控盒將KVS機械臂伸出，并將Shoulder軸調(diào)至 180°，Elbow 軸調(diào)至 90°，Wrist軸調(diào)至90°。在調(diào)節(jié)過程中發(fā)現(xiàn)KVS機械臂無法伸出，各軸只能做向機架內(nèi)收縮的單一方向運動，為防止KVS機械臂過度收縮導(dǎo)致外殼無法拆卸而影響下一步維修工作，此時應(yīng)立即停止調(diào)節(jié)機械臂，關(guān)閉BMC手控盒，由于各軸馬達運動正常，初步判斷故障應(yīng)發(fā)生在運動控制部分。

OBI系統(tǒng)運動控制部分集中于運動控制架（Motion Control Node Rack，MCNR）內(nèi)，KVS機械臂、KVD機械臂、MVD機械臂的運動各由一塊馬達驅(qū)動板（Motor Driving Board，MDB）和一塊I/O板控制，MDB板的X14接口和I/O板的X4接口之間通過W107排線實現(xiàn)信號的交互，兩塊板共同插入MCNR Backplane對應(yīng)插槽內(nèi)。由于KVS機械臂、KVD機械臂、MVD機械臂運動結(jié)構(gòu)相同，3個機械臂MDB板和I/O板均相同，可以使用交換法判斷故障發(fā)生部位，注意交換前先關(guān)閉OBI系統(tǒng)電源。分別交換KVS和KVD的MDB板和I/O板后測試KVS和KVD運動狀態(tài)，兩次交換測試KVS機械臂后故障仍存在，但KVD機械臂運動正常，說明KVS機械臂的MDB板和I/O板均正常，根據(jù)維修經(jīng)驗判斷，應(yīng)是控制KVS機械臂運動方向的信號出現(xiàn)異常。仔細查閱MDB板和I/O板圖紙資料，KVS機械臂I/O板X3接口的B28引腳為KVS Direction信號輸入端，該信號具體走向如圖3所示：BMC→OBI Control Module Interconnect Panel（X1015）→ OBI Control Module Interconnect Panel（X1005）→W112線纜→MCNR Backplane（Common-X1125） → MCNR Backplane（KVSX108B28）→KVS I/O PCB（X3B28）。BMC手控盒通過連接 OBI Control Module Interconnect Panel上 X101、X102、X103不同的接口，可以分別控制KVS、KVD、MVD機械臂的運動，在排除MDB板和I/O板故障測試中使用BMC手控盒控制KVD機械臂運動正常，可以排除BMC手控盒故障。因此，將故障鎖定在W112線纜，通過測量發(fā)現(xiàn)該線纜5號信號線斷路，應(yīng)是由于機架旋轉(zhuǎn)運動導(dǎo)致的信號線扭曲折斷。通過查閱圖紙確認W112線纜有備用信號線，對5號信號線進行調(diào)線處理后KVS機械臂可正常運動，重新執(zhí)行KVS機械臂校準程序后，系統(tǒng)提示校準成功，故障排除。

圖3 KVS Direction信號傳輸簡圖

4 故障三

4.1 故障現(xiàn)象

治療過程中偶爾提示HWFA聯(lián)鎖，進入維修模式后可屏蔽HWFA聯(lián)鎖，通過轉(zhuǎn)動機架可消除聯(lián)鎖。

4.2 故障分析與維修

進入Event Logs，查看具體故障代碼解釋信息為：Primary/2nd cha misatch X1，即X1鉛門位置讀數(shù)驗證比較錯誤。進入維修模式，手動控制X1鉛門運動，發(fā)現(xiàn)PRO和SPRO讀數(shù)正常且未發(fā)生跳變，兩個電位器電壓未發(fā)生明顯的偏差，說明電位器阻值正常。通過旋轉(zhuǎn)機架可消除連鎖且當(dāng)機架在90°和270°時HWFA聯(lián)鎖出現(xiàn)頻次較高，因此懷疑為穿過機架的電纜線因長期旋轉(zhuǎn)扭曲導(dǎo)致信號線接觸不良。通過查看圖紙確認，X1鉛門電位器（R5、R8）輸出信號走向如圖4所示：Collimator Distribution Panel（J1612、7）→ Collimator Distribution Panel（J123、4）→ Collimator Patch Panel（J1416、17）→ W14a線纜→ Stand Aux Electronics Backplane（J3416、17）→ Stand Aux Electronics Backplane（J3217、23）→ W11線纜→Console Backplane（J2217、23）→Motor Interface PCB（P113、55）→Motor Interface PCB（J117、20）→CRADC PCB，其中W14a線纜即為穿過Gantry和Stand的線纜。通過旋轉(zhuǎn)機架，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)HWFA聯(lián)鎖時將該線纜兩端斷開，使用萬用表分別測量W14a線纜的16和17引腳，發(fā)現(xiàn)兩條信號線均正常，再將線纜兩端插接好后發(fā)現(xiàn)故障消失，但仍無法排除線纜故障。查看圖紙，發(fā)現(xiàn)該線纜預(yù)留有未使用的信號線，選取兩條做調(diào)線處理，分別代替16號和17號信號線，將線纜安裝好后繼續(xù)觀察設(shè)備使用情況。

圖4 故障三信號傳輸簡圖

正常使用1 d后，加速器出現(xiàn)同樣故障現(xiàn)象，說明W14a線纜正常，需繼續(xù)排查其他故障。將機架和機頭分別旋轉(zhuǎn)至180°和0°，拆下機頭外殼，此時發(fā)現(xiàn)機頭隨著外殼的旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)晃動，同時提示HWFA聯(lián)鎖故障，懷疑故障應(yīng)與機頭晃動有關(guān)。再一次仔細查看圖紙，發(fā)現(xiàn)X1鉛門電位器R5的參考電壓CPRO-（-10 V）通過S1和S2開關(guān)后與R5連接，S1和S2開關(guān)位于機頭旋轉(zhuǎn)鏈條末端，用于檢測鏈條張力，當(dāng)機頭鏈條松動，張力缺失，S1和S2開關(guān)斷開，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)HWFA聯(lián)鎖。拆下機頭左側(cè)鉛塊，找到調(diào)節(jié)鏈條張力的螺母，調(diào)節(jié)鏈條張力使機頭不再晃動，此時電腦顯示HWFA聯(lián)鎖消除，確定故障與鏈條松動有關(guān)。設(shè)備運行過程中偶發(fā)的故障應(yīng)是機頭鏈條松動導(dǎo)致S1和S2開關(guān)接觸不良，將鉛塊安裝好后旋轉(zhuǎn)機頭和機架數(shù)圈未見故障，故障排除。

5 討論與總結(jié)

醫(yī)用電子直線加速器是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)含量高的大型醫(yī)療設(shè)備。設(shè)備系統(tǒng)越復(fù)雜，產(chǎn)生故障的頻率也越高，隨著設(shè)備使用時間的延長，出現(xiàn)故障的頻率也會相應(yīng)升高。我院瓦里安Clinac IX直線加速器之前出現(xiàn)過OBI系統(tǒng)故障，經(jīng)過排查是由Supervisor故障造成的[20]。本文故障二是由于機架旋轉(zhuǎn)運動導(dǎo)致W112線纜5號信號線斷路造成的，故障現(xiàn)象相同但故障部件各異，故障的排除方式也要根據(jù)設(shè)備原理及物理結(jié)構(gòu)進行具體分析，以快速確定故障點完成維修。此外醫(yī)院設(shè)備維修人員需要了解設(shè)備各系統(tǒng)工作原理、熟悉設(shè)備結(jié)構(gòu)，遇到設(shè)備故障時才能系統(tǒng)全面的分析問題，既要解決故障，又要避免在維修過程中影響設(shè)備精度[21]。故障三在調(diào)節(jié)鏈條張力螺母故障排除后，需要對機頭旋轉(zhuǎn)角度進行驗證，必要時需重新校準以符合臨床治療要求。運動控制系統(tǒng)是直線加速器的重要組成部分[22]，運動部件也更容易引發(fā)故障，本文故障一和故障二均是由于設(shè)備運動部位的長期旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致線纜內(nèi)部扭曲折斷而引起的設(shè)備故障報錯[23]。針對這類故障，通過查閱圖紙資料可確定同一條線纜是否有懸空未使用的信號線，若有可通過調(diào)線的方法解決，既能節(jié)省維修時間，又能節(jié)約維修成本。同時運動系統(tǒng)也與治療精度密切相關(guān)，日常維護保養(yǎng)、定期驗證校準對于運動系統(tǒng)的正常運行具有重要作用[24-25]。

作為醫(yī)院設(shè)備維修人員需要掌握一定維修技巧，充分利用廠家提供的圖紙資料，在維修過程中及時歸納總結(jié)。由于圖紙資料較復(fù)雜，必要時可將發(fā)生故障部位原理做成簡化框圖，便于維修人員在遇到類似故障時分析故障發(fā)生原因，易于盡快完成維修；同時詳細了解故障發(fā)生前后設(shè)備的工作狀態(tài)，利于判斷故障情況。針對故障高發(fā)部位做好日常維護保養(yǎng)，備足易損配件，這樣才能快速排除故障，為患者提供更好的服務(wù)。