醫(yī)科達(dá)Axesse型直線加速器劑量率連鎖的分析和解決

毛永林，王璽先，郭再仁，房建南

中山大學(xué)孫逸仙紀(jì)念醫(yī)院 腫瘤放療專(zhuān)科，廣東 廣州 510120

引言

規(guī)范放射治療質(zhì)量控制，保證直線加速器設(shè)備符合質(zhì)量保證要求，確保直線加速器設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，及時(shí)排除故障提高維修效率，減少停機(jī)率對(duì)臨床有重要意義[1-2]。醫(yī)用直線加速器的輸出劑量率的穩(wěn)定性關(guān)系到放射治療的質(zhì)量與安全，由于此故障較為典型且發(fā)生頻率較高，對(duì)臨床治療質(zhì)量與工作進(jìn)度產(chǎn)生較大的影響，了解此故障排除方法可保證治療質(zhì)量同時(shí)降低其對(duì)臨床工作進(jìn)度的影響。醫(yī)科達(dá)Axesse型直線加速器采用全數(shù)字化設(shè)計(jì)，大部分連鎖故障可以通過(guò)優(yōu)化和調(diào)整設(shè)備相關(guān)參數(shù)得以解決，本文詳細(xì)分析醫(yī)科達(dá)全數(shù)字化直線加速器AXesse的劑量率連鎖故障可能的原因與排除方法，與同行交流數(shù)字化直線加速器相關(guān)故障的維修經(jīng)驗(yàn)，旨在為同行提供可以參考的維修思路與方法。

1 設(shè)備原理

加速管的基本工作原理是利用特定頻率的微波功率在圓波導(dǎo)內(nèi)傳輸時(shí)激勵(lì)產(chǎn)生的軸向振蕩電場(chǎng)加速電子，不同結(jié)構(gòu)尺寸的加速管都有其特定的工作頻率，當(dāng)微波源的振蕩頻率與其工作頻率不同時(shí)將會(huì)影響加速管的運(yùn)行，進(jìn)而影響加速器的輸出性能，甚至無(wú)法輸出射線[3]。為確保微波輸入源的微波頻率能控制在加速管設(shè)定的固有工作頻率之內(nèi)，同時(shí)具有對(duì)微波頻率進(jìn)行自動(dòng)控制與調(diào)節(jié)，磁控管與速調(diào)管微波源系統(tǒng)通過(guò)微波頻率自動(dòng)控制系統(tǒng)（Auto Frequency Control System，AFC）從而實(shí)現(xiàn)隨時(shí)進(jìn)行微波頻率的自動(dòng)控制與調(diào)節(jié)。微波頻率自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本工作原理為：通過(guò)對(duì)輸入微波進(jìn)行頻率和相位的取樣后再進(jìn)行鑒頻處理，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)比較結(jié)果在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)工作正常，當(dāng)結(jié)果超出設(shè)定值較小時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)，當(dāng)超出設(shè)定值較大時(shí)則主動(dòng)停止工作并顯示報(bào)錯(cuò)信息[4]。微波頻率自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。磁控管的老化會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入加速管的微波能量改變從而出現(xiàn)AFC連鎖。通過(guò)調(diào)節(jié)AFC系統(tǒng)的部分參數(shù)，可以解決由磁控管老化引起的直線加速器劑量率連鎖故障。另外，隨著設(shè)備使用年限的增加，發(fā)射電子的電子槍燈絲的老化，控制電子發(fā)射時(shí)機(jī)與數(shù)量的高壓脈沖調(diào)制器和傳輸系統(tǒng)的頻率特性等都會(huì)影響注入加速管的微波頻率最終影響加速管的工作狀態(tài)[3]。

圖1 微波頻率自動(dòng)控制系統(tǒng)基本原理示意圖

2 醫(yī)科達(dá)Axesse直線加速器劑量率連鎖故障案例

2.1 故障現(xiàn)象

醫(yī)科達(dá)Axesse直線加速器劑量率連鎖故障現(xiàn)象為直線加速器處于出束狀態(tài)時(shí)，突然中斷出束，直線加速器出現(xiàn)“Dose Rate Mon”連鎖代碼，故障描述為“665-The accumulated Low Doserate (less than 75% or as set by Process param 3 of expected doserate) pulses have exceeded the limit set by part 19 (in milliMU)”。設(shè)備剛出現(xiàn)連鎖時(shí)復(fù)位可以清除，但隨后連鎖出現(xiàn)的頻率會(huì)越來(lái)越高，機(jī)器出束跳數(shù)越來(lái)越低，最后復(fù)位無(wú)法清除連鎖，機(jī)器無(wú)法連續(xù)出束。

2.2 故障分析

通過(guò)對(duì)醫(yī)科達(dá)Axesse直線加速器加速管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析后可推斷劑量率連鎖故障與產(chǎn)生微波的磁控管、電子槍燈絲老化以及其他影響注入加速管微波頻譜的因素相關(guān)，導(dǎo)致故障的因素可能是一個(gè)或者多個(gè)，因此需要按照簡(jiǎn)單到復(fù)雜的思路逐一排除。磁控管是微波系統(tǒng)的源頭，其工作狀態(tài)決定了加速管內(nèi)是否有微波電場(chǎng)，首先排查故障發(fā)生時(shí)磁控管是否處于正常工作狀態(tài)。此外，由于電子槍燈絲的老化可能會(huì)導(dǎo)致電子槍發(fā)生的電子數(shù)量、發(fā)射時(shí)機(jī)與電子射程、發(fā)射角度的改變，從而影響進(jìn)入加速管內(nèi)的電子數(shù)量，導(dǎo)致加速電子劑量率改變。最后，由于設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間使用，磁控管老化可能會(huì)造成其輸出微波頻率發(fā)生變化從而影響注入加速管的微波頻譜，導(dǎo)致輸入加速管的微波頻率與出廠時(shí)AFC系統(tǒng)預(yù)設(shè)好的參數(shù)不一致從而導(dǎo)致AFC系統(tǒng)故障，因此需要通過(guò)AFC優(yōu)化，調(diào)整磁控管的電流，提高輸入微波的能量?？赏ㄟ^(guò)進(jìn)入直線加速器維修模式查看AFC系統(tǒng)界面下的相關(guān)參數(shù)，并通過(guò)適當(dāng)調(diào)整，最終達(dá)到消除故障的目的。總結(jié)以上分析，醫(yī)科達(dá)Axesse直線加速器劑量率連鎖故障與電子槍燈絲的老化以及磁控管的工作狀態(tài)與老化情況相關(guān)。

2.3 解決方案

2.3.1 磁控管及微波傳輸故障解決方案

醫(yī)科達(dá)Axesse加速器采用磁控管作為微波功率源。如果磁控管發(fā)生故障，此時(shí)波導(dǎo)管內(nèi)的電子加速場(chǎng)能量失常，即發(fā)生劑量率連鎖。因此需查明磁控管輸出功率是否正確，以判斷劑量率連鎖是否是磁控管故障所引起。對(duì)于具備有不同能量擋位的設(shè)備，有一個(gè)簡(jiǎn)單方便的方法可以判斷磁控管的輸出功率是否正常，即當(dāng)出現(xiàn)劑量率連鎖時(shí)在微維修模式下將直線加速器所有的光子線或者電子線的能量檔位進(jìn)行一次出束測(cè)試，若所有的能量檔都無(wú)輸出，則需通知保修廠家由工程師采用示波器檢測(cè)微波波形幅度和形態(tài)，判斷是否為磁控管硬件故障。如果有一檔或幾檔能量仍可正常出束，則可判斷連鎖并非由硬件故障引起，只對(duì)該能量檔的伺服系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)試即可。

2.3.2 電子槍燈絲老化故障解決方案

電子注入系統(tǒng)在醫(yī)用直線加速器中由電子源及其控制部分組成。它通常有以下2種設(shè)計(jì)方式：① 控制進(jìn)入波導(dǎo)管電子的數(shù)量；② 控制電子進(jìn)入波導(dǎo)管后電子運(yùn)行的速度。通常由電子槍、低壓部分、高壓部分和控制部分實(shí)現(xiàn)。當(dāng)加速器出現(xiàn)劑量率故障時(shí)，可用示波器查看注入部分的注入電流波形是否正確，如果有波形但幅值或形狀不正確，可通過(guò)控制部分來(lái)調(diào)節(jié)。如果不可調(diào)節(jié)，應(yīng)先排查低電壓部分。如果根本沒(méi)有波形，應(yīng)檢查電子槍及其電源部分，如它們也無(wú)故障再檢查高壓部分[5]。通過(guò)調(diào)整電子槍伺服Gun Servo電流，從而提高電子槍注入加速管的電子數(shù)量與電子運(yùn)行速度。電子槍伺服Gun Servo調(diào)整方法如下：在進(jìn)行Gun Servo調(diào)整之前必須確保AFC的值已經(jīng)設(shè)定完成，之后方能對(duì)X線及電子線的Gun Servo進(jìn)行調(diào)整（圖2）。

圖2 醫(yī)科達(dá)Axesse電子槍伺服Gun Servo優(yōu)化調(diào)整示意圖

（1）進(jìn)入維修模式后，點(diǎn)擊Service Function圖標(biāo)，通過(guò)Deliver Quick Beam頁(yè)面，Radition Type-XRAY、Energy-6MV、Wedge-OUT、Beam MU1-29980、Beam MU2-29980、Dose Rate-600然后點(diǎn)擊Load、Confirm確認(rèn)設(shè)置；

（2）在Service Function上點(diǎn)擊override Machine Item圖標(biāo)，在彈出的頁(yè)面Interlock Group的下拉菜單內(nèi)選擇8.Ctl T，然后關(guān)閉此頁(yè)面；

（3）按下出束鍵出束至穩(wěn)定，將181 Gun Auto?由Auto修改為Man（通過(guò)“shift”鍵+“＜鍵”或“＞”鍵修改），將327 Gun I ctrl的P4值記錄下來(lái)，然后將這個(gè)值輸進(jìn)P1，通過(guò)“shift”鍵+“＜”鍵或“＞”鍵上下改變P1的值找出最大劑量率；

（4）將 381 Gun aim I的P1值通過(guò)“shift”鍵 +“＜”鍵或“＞”鍵修改比327 Gun I crtl的P1值大0～0.1，點(diǎn)擊屏幕主界面右下角圖標(biāo)，在彈出的對(duì)話框中點(diǎn)擊Save energy cal.Blocks；

（5）將181 Gun Auto?修改為Auto，通過(guò)“shift”鍵+“＜”鍵或“＞”鍵調(diào)整187 Dose level的值，找出最大劑量率（此時(shí)在劑量率最大時(shí)327 Gun I crtl的P1和P4值應(yīng)該相等）；

（6）不中斷出束，點(diǎn)擊屏幕主界面右下角保存圖標(biāo)，在彈出的對(duì)話框中點(diǎn)擊Save energy cal.Blocks，然后中斷出束后在連鎖界面恢復(fù)為0號(hào)All Interlock On，再出束觀察劑量率上升及穩(wěn)定情況，配合AFC參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

2.3.3 AFC系統(tǒng)故障解決方案

當(dāng)排除了磁控管硬件故障后，進(jìn)一步檢查磁控管老化情況。磁控管老化導(dǎo)致磁控管輸出頻率改變，可通過(guò)調(diào)節(jié)AFC系統(tǒng)適當(dāng)提高磁控管的電流以達(dá)到提高磁控管輸出微波頻率的目的。AFC系統(tǒng)在醫(yī)用直線加速器中起自動(dòng)調(diào)整磁控管的工作頻率的作用，對(duì)系統(tǒng)的能量劑量都有關(guān)鍵決定因素。直線加速器使用的微波功率源的振蕩頻率必須與加速管的工作頻率一致，才能保證加速器穩(wěn)定工作，否則就會(huì)因?yàn)轭l率的偏離，造成電子能量的降低和電子能譜的增寬，從而導(dǎo)致加速器輸出劑量率的降低或不穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致停止出束。因此，AFC系統(tǒng)故障的維修和調(diào)整優(yōu)化工作也很重要。當(dāng)AFC系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定時(shí)，可通過(guò)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整以解決故障（圖3）。

圖3 醫(yī)科達(dá)Axesse AFC系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整參數(shù)示意圖

醫(yī)科達(dá)Axesse AFC優(yōu)化調(diào)整方法如下：

（1）X射線（6 MV）出束穩(wěn)定后，將Gun Man/Auto與Phase Auto/ Man依次設(shè)定成手動(dòng)模式；

（2）將Tuner ctrl.Part4值輸至Part1，并將Tuner ctrl調(diào)整到輸出最大；

（3）Lp phase ctrl為0，同時(shí)Lp phaseposn.則設(shè)為L(zhǎng)p phase ctrl.的值。

醫(yī)科達(dá)Axesse AFC的調(diào)整值非常敏感，諧振點(diǎn)不容易確定。調(diào)整優(yōu)化時(shí)必須有示波器輔助和在廠家工程師的協(xié)助下進(jìn)行。

3 討論與總結(jié)

Axesse直線加速器采用數(shù)字化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，整臺(tái)設(shè)備通過(guò)900多個(gè)子項(xiàng)目設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制與監(jiān)測(cè)不同硬件的工作狀態(tài)與參數(shù)[6]。數(shù)字化直線加速器與早期非數(shù)字化的直線加速器最大的區(qū)別在于可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與改變?cè)O(shè)備參數(shù)進(jìn)而改變?cè)O(shè)備的運(yùn)行情況，這種設(shè)計(jì)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常的部件，對(duì)于磁控管或電子槍燈絲老化導(dǎo)致加速器頻率或者加速電子數(shù)量不穩(wěn)定的情況將通過(guò)連鎖終止設(shè)備出束[7]。對(duì)于這種中低程度老化未完全達(dá)到報(bào)廢更換配件的故障，傳統(tǒng)的通過(guò)更換相關(guān)部件配件的維修方式不是最優(yōu)的維修方式，本文通過(guò)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)子項(xiàng)目相關(guān)參數(shù)的維修方式可作為排除該故障的方法，具有一定實(shí)用性與創(chuàng)新性。

電子槍燈絲老化導(dǎo)致注入加速管的電子數(shù)量低于預(yù)設(shè)值，最終表現(xiàn)為直線射線劑量率故障。燈絲的壽命與使用時(shí)間與加速管的真空度相關(guān)。電子槍燈絲的出廠標(biāo)稱(chēng)伺服電流為8.0 A，隨著設(shè)備的使命由于燈絲損耗導(dǎo)致燈絲電阻逐漸增大，燈絲電流逐漸變小，燈絲發(fā)射的電子數(shù)量也逐漸減少，當(dāng)燈絲電流低于7.0 A時(shí)就需要更換電子槍燈絲。針對(duì)燈絲老化報(bào)廢更換燈絲的維修方法，李博明等[8]與鄧建國(guó)等[9]報(bào)道了醫(yī)科達(dá)Precise與Synergy直線加速器的電子槍燈絲的更換以及其真空系統(tǒng)的處理。但對(duì)于燈絲伺服電流偏移引起的劑量率連鎖故障解決方法鮮有報(bào)道。為了保證燈絲正常工作，燈絲的伺服電流會(huì)在一個(gè)正常的范圍內(nèi)波動(dòng)，隨著燈絲老化電阻增大，燈絲的伺服電流會(huì)逐漸變小，當(dāng)伺服電流低于預(yù)設(shè)的范圍值時(shí)，機(jī)器就會(huì)報(bào)劑量率連鎖，針對(duì)這種情況，可通過(guò)調(diào)節(jié)伺服電流的范圍，使得伺服電流在正常工作范圍并解除連鎖。需要特別注意的是每次調(diào)節(jié)燈絲伺服電流后為保證絕對(duì)劑量準(zhǔn)確，需要進(jìn)行劑量率校準(zhǔn)。

磁控管老化造成進(jìn)入加速管的微波頻率低于設(shè)定的數(shù)值導(dǎo)致AFC系統(tǒng)故障是臨床較為常見(jiàn)的連鎖故障，尤其是隨著設(shè)備使用年限的增加。魏緒國(guó)等[10]通過(guò)對(duì)醫(yī)科達(dá)Precise型直線加速器11年的運(yùn)行情況總結(jié)與研究發(fā)現(xiàn)，磁控管從第4年開(kāi)始出現(xiàn)故障。黃云杰[11]報(bào)道了一種通過(guò)手動(dòng)找回劑量率最高點(diǎn)的方法判斷是否為AFC系統(tǒng)故障的方法，此種方法較為簡(jiǎn)單便捷，可作為初步判斷。如果需要進(jìn)一步精確診斷，可參考余海坤[12]報(bào)道的使用示波器和萬(wàn)用電表的方法對(duì)AFC系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量與維修。通過(guò)研究對(duì)醫(yī)科達(dá)數(shù)字化電子直線加速器控制軟件IPV系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)與劑量率故障相關(guān)的AFC系統(tǒng)子項(xiàng)目主要有item181、item182、item163和item230。這4個(gè)子項(xiàng)目分別控制電子槍燈絲、微波源脈沖以及微波反饋信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)相關(guān)子系統(tǒng)item的反饋信號(hào)等參數(shù)使得AFC預(yù)設(shè)數(shù)值與設(shè)備實(shí)際的數(shù)據(jù)相一致，最后部分排除因老化引起的故障問(wèn)題。這是一種針對(duì)數(shù)字化直線加速器磁控管老化引起故障的解決方法，與硬件老化報(bào)廢的維修方法有較大的差異[13-14]，為數(shù)字化直線加速器劑量率連鎖的維修提供了一種思路。為降低磁控管老化速度，在日常使用中必須對(duì)磁控管與AFC系統(tǒng)進(jìn)行有效維護(hù)保養(yǎng)，日常晨檢出束應(yīng)遵循射線能量由低檔到高檔的順序等[15]。

本文針對(duì)醫(yī)科達(dá)Axesse直線加速器劑量率連鎖分析了導(dǎo)致故障發(fā)生的3種原因，并針對(duì)電子槍燈絲伺服Gun Servo電流調(diào)整與AFC系統(tǒng)優(yōu)化的操作步驟。本文以醫(yī)科達(dá)數(shù)字化直線加速器Axesse劑量率連鎖的維修為例，探討了數(shù)字化直線加速器的維修思路，可為同行提供相關(guān)維修參考。