醫用直線加速器的故障分析及維護*

楊 濤 張 虹 高關心 夏慧琳 屠 波 夏 婷 李 庚

醫用直線加速器是腫瘤放射治療的大型醫療設備，結構復雜，科技含量高，涉及的學科和技術繁多。放射治療設備因其故障停機會對患者的治療造成較大影響，因此對其進行基于可靠性分析方法的預防性維護和保養逐步成為臨床工程師日常工作的一部分。有資料表明，國外預防性維護工作已達到本科室工作量的70%，且取得了較好的效果[1]。為確保直線加速器的正常運行，加強醫用直線加速器的預防性維護顯得尤為重要。

1 醫用直線加速器結構

醫用直線加速器種類較多，按照被加速粒子的種類，可分為電子直線加速器、質子直線加速器和重離子直線加速器。按照醫用電子直線加速器采用的加速波分類，可分為行波醫用直線加速器與駐波醫用直線加速器；按照直線加速器產生電子線的能量分類，可分為低能直線加速器、中能直線加速器和高能直線加速器。雖各種加速器的結構不同，但其基本組成大致相同[2-4]。醫用電子直線加速器主要結構包括加速管及束流系統、微波功率源及傳輸系統、電源及移動控制系統、溫度控制系統、真空系統、患者支撐系統、劑量監測系統和輻射系統等，如圖1所示[5]。

圖1 醫用直線加速器結構框圖

(1)加速管及束流系統。加速管及束流系統由電子槍、加速管、輸入或輸出耦合器及波導窗組件、真空泵組件、聚焦對中及偏轉線圈等組成。電子槍的陰極經加熱后，可提供熱發射電子，電子經加速管進行加速，加速管是整個直線加速器的核心部分[6]。

(2)微波功率源及傳輸系統。直線加速器通過微波功率源激勵加速管中的電子進行加速。微波功率源有磁控管和速調管2種。低能直線加速器使用磁控管作微波功率源，中高能直線加速器使用速調管作功率源。微波功率源輸出功率通過傳輸系統輸送至加速管，制造用于激勵電子的電磁場。微波傳輸系統主要包括隔離器、取樣波導、輸入輸出耦合器、三端或四端環流器、吸收負載及頻率自動穩頻系統等。

(3)電源及移動控制系統。電源及移動控制系統主要功能是控制設備旋轉等，由手控盒、功能鍵盤、電動馬達和剎車系統等組成。

(4)溫度控制系統。可調控加速器內部部件工作溫度，帶走微波功率源、加速管、偏轉磁鐵線圈、隔離器及吸收負載等在工作中產生的熱量。溫度控制系統主要分為恒溫水循環系統、制冷系統和電控系統3部分。恒溫水循環系統主要由儲水箱、水泵、過濾器、分流閥和換熱器等部件組成。該系統包括內循環系統和外循環系統，內循環系統是加速器內部的水循環系統；外循環系統是溫控機組排出的恒溫水通過連接管路進入到加速器內部換熱器中的系統。

(5)真空系統。在加速器中為了有效地加速電子，需建立強大的微波電場，必須避免加速管內放電，因此加速管內需維持真空狀態。真空系統的作用是隔絕空氣中的分子，避免與被加速的電子相碰撞而損失能量。

(6)患者支撐系統。主要功能是加速器工作中對患者進行支撐和擺位，由床面、床體、控制部件、指示燈和剎車部件等組成。對不同患者、不同位置進行治療，需通過患者支撐系統進行調節[7]。

(7)劑量監測系統。主要對加速器的輻射劑量進行監測，該系統的穩定與準確是實現治療效果的重要條件之一[8]。劑量監測系統主要包括電離室、直流高壓電源、信號檢測電路、劑量計數表及程控放大器等[9-10]。醫用直線加速器必須配備2個獨立的劑量通道和1個時間保護通道。

(8)輻射系統。是直線加速器的關鍵部件之一，其作用是按照治療需求對電子束進行X射線轉換和勻整輸出。輻射系統的主要結構包括靶、X射線輻射準直系統、均整器、電離室、遮光板和輻射野光學模擬系統等[11-12]。X射線輻射準直系統是用于產生一定形狀輪廓輻射野的部件，由初級準直器、次級準直器和附加準直器組成。

2 醫用直線加速器主要故障分析

2.1 可靠性和故障模式及影響

(1)可靠性分析?？煽啃?Reliability)常指設備或系統在要求的條件和時間下達到要求功能的本領，要求功能指設備或系統出廠時技術要求的所有功能，還包括故障或完成所要求功能的判斷標準；要求的時間是可靠性定義的核心，時間的多少跟設備和該設備使用目的有關；要求的條件是完成功能的制約條件，包括環境、使用人員和維修等條件[13]。

(2)故障模式及影響分析(failure mode and effect analysis，FMEA)。在生產和運轉過程中分析設備或過程中可能存在的故障，分析各種故障所引起的風險，對故障模式的影響進行風險程度分類，制定各種改進措施的方法[14]。根據醫用直線加速器結構特點，利用FMEA方法，對主要結構系統故障模式利用魚骨圖進行分析，如圖2所示。

圖2 醫用直線加速器可靠性分析魚骨圖

2.2 移動控制系統

移動控制系統的主要故障包括手控盒故障、功能鍵盤故障、馬達故障、剎車系統故障、位置電位器故障及限位裝置故障。①手控盒故障時，使用手控盒控制設備時不能對設備進行移動，使得整套系統無法正常工作；②功能鍵盤故障時，不能在控制室自動擺位，影響加速器操作，使患者治療時間延長；③馬達故障或剎車系統故障時，運動馬達通電后不工作或馬達正常工作但設備不運轉，無法移動設備；④位置電位器故障時，導致設備的移動位置信息不正確，需更換或調解電位器維修；⑤限位裝置故障時，限位裝置啟動，不能對設備進行移動，使得整套系統無法正常工作。

移動控制系統與設備的運行密切相關，移動控制系統出現故障，可使設備不能移動，加速器無法正常工作，延誤患者治療時間，加重醫院運行成本。

2.3 恒溫水循環系統

恒溫水循環系統的主要故障包括水壓調節氣囊故障、水溫流速調節器故障、內循環水損耗、水冷系統沒有電源供給、壓縮機壓力過高、散熱風扇故障及水自然蒸發消耗。①水壓調節氣囊故障使水壓忽高忽低，導致水循環工作不穩定，引起核心部件溫度不穩定；②水溫流速調節器故障使水溫控制不恒定，同樣導致水循環工作不穩定，引起核心部件溫度不穩定；③內循環水損耗故障導致水壓過低，設備各部件可能會停止工作，使加速器系統無法正常工作；④水冷系統沒有電源供給導致水冷系統不啟動，影響絕大部分控制電路無法工作；⑤壓縮機壓力過高導致壓縮機停止工作，使加速器內部溫度過高，加速器整體無法工作；⑥散熱風扇故障表現是散熱風扇不工作，設備熱量無法散出；⑦水自然蒸發消耗使制冷系統的循環水供應不足，導致制冷系統散熱效率低下，制冷不足，使加速器停止工作。

恒溫水循環系統是保證加速器正常運行的關鍵部件，故障出現的概率較高，對加速器整體產生的影響也十分惡劣，應加強對其維護[15]。

2.4 患者支撐系統

患者支撐系統故障主要包括升降部件故障、左右移動部件故障、前后移動部件故障、旋轉部件故障及剎車部件故障。升降部件故障會導致治療床不能升降，左右移動部件故障會導致治療床不能左右移動，前后移動部件故障會導致治療床不能前后移動，旋轉部件故障會導致治療床不能旋轉，這4種部件的故障最終均會對患者擺位有一定的影響。此外，患者支撐系統的剎車部件故障，則會使治療床的運動不能鎖死，導致治療床在治療時依然可移動，對患者治療造成嚴重的不良影響。

患者支撐系統在加速器整體中并非十分重要，但如若其中的剎車部件損壞，則后果嚴重，需加強維護保養。

2.5 劑量監測系統

劑量監測系統的主要故障是電離室故障及劑量控制故障。電離室故障產生的問題較多，如兩劑量通道之間輸出劑量不一致性、電離室漏電導致輸出劑量不正確或者-320 V電壓丟失則會對電離室產生影響，使得電離室無法工作等，最終導致整套系統無法工作。此外，電離室劑量控制產生故障，使得劑量控制系統無輸出，電離室及劑量監測系統不工作。

劑量監測系統對輸出劑量的平穩性、對稱性有一定作用，電離室是劑量監測系統的重要組成部分，其穩定性決定了劑量監測系統的穩定性[16]。

2.6 輻射系統

輻射系統的主要故障包括楔形板部件故障、燈光野部件故障、反光系統故障、攝像頭故障和光柵系統故障。①楔形板部件故障表現為楔形板不能移動，無法形成治療中要求的輻射野，導致加速器不能正常運行；②燈光野部件故障會導致無燈光野，影響X射線輻射準直系統的正常運行；③反光系統故障會使反光點亮度不符合要求，影響X射線輻射準直系統的正常運行；④攝像頭故障會使視頻信號輸入過低；⑤光柵系統故障則導致備份光柵運動不到位，對X射線輻射準直系統和加速器整體運行產生一定的影響。

3 醫用直線加速器維護改進措施

基于預防性維護理念結合醫用直線加速器維護保養和醫院可用資源對設備的故障模式提出相應的維護改進措施。

(1)移動控制系統。移動控制系統的改進除常規的定期檢查、設備維護之外，還需定期檢查剎車系統，加強臨床工程師的維修技能培訓，制定設備運行監測規范，定期校準位置信息等見表1。

(2)恒溫水循環系統。定期更換內外循環水，清洗過濾器過濾網；定期檢查壓縮機壓力，觀察水壓情況；定期觀察水流速情況，觀察水箱儲水情況；定期檢查系統各部位是否漏水、水泵是否正常工作，制定設備運行監測規范，加強維修技能培訓。

表1 移動控制系統改進措施

表2 劑量監測系統改進措施

(3)患者支撐系統。定期檢查剎車部件是否正常工作。

(4)劑量監測系統。需定期對電離室進行檢查，定期校準輸出劑量，加強劑量監測系統的質量保證和質量校準。電離室故障易受機房環境影響，因此還需保持機房干燥，通過空調、除濕機或者通風系統，維持機房溫濕度見表2。

(5)輻射系統。需定期清潔光學系統，校準位置信息，加強輻射系統的維護保養和臨床工程師的技能培訓，定期進行必要的檢測。

4 結語

醫用直線加速器是醫院重要的大型設備，其正常穩定運行對患者治療十分重要。醫用直線加速器采用合理有效的維護方式，加強維護保養是醫院各臨床操作人員和臨床工程師的工作重點。劑量監測系統、輻射系統等組件應制定運行監測規范，加強校準和檢查，必要時進行檢測；患者支撐系統、恒溫水循環系統等組件的正常運行對直線加速器的正常運行十分重要。加強設備的常規定期檢查，通過空調、除濕機或通風系統，保障設備及機房在合適的溫濕度環境中運行，預防性維護和臨床工程師的培訓可延長設備使用壽命，增加安全可靠性。