Elekta加速器運動系統工作原理及故障維修

張朋，李堅

中國人民解放軍聯勤保障部隊第九七〇醫院 醫學工程科，山東 煙臺 264000

引言

精確放療技術對直線加速器的機械性能尤其是運動系統的性能有著嚴格的要求。根據自動控制系統的理論，相對于開環系統，帶有反饋網絡的閉環系統具有更高的穩定性。Elekta 加速器運動系統主要包括機架旋轉、準直器移動、治療頭旋轉、多葉光柵移動以及治療床運動等。除了多葉光柵系統外[1-3]，其他運動系統一般分為三部分：驅動電機、編碼器、控制部分，如圖1 所示。

圖1 Elekta直線加速器運動系統原理圖

在整個運動系統中，位置反饋是關鍵環節，加速器通過主要級編碼器和次要級編碼器向控制系統反饋運動部分的位置信息[4]。其中，主要級編碼器包括coarse 和fine 兩個電位器，向控制系統提供精確的位置信息。coarse電位器只有一個電刷，在整個運動過程中大約旋轉10 圈，輸出范圍為0～10 V。加速器控制系統能夠根據其輸出值判定fine 電位器完成的周期數，并且判定使用fine 編碼器的哪一路輸出。fine 電位器能夠連續旋轉，具備兩個位置相反的電刷，輸出值在0～10 V 之間，輸出差值大約為5 V。通過連續旋轉，在coarse 電位器的線性輸出波形上加載一個鋸齒波，即通過與coarse 電位器的相對位置關系實現精確定位，如準直器旋轉精度達到0.01°[5]。次要級編碼器包含一個check 編碼器，結構上與coarse 電位器相同，用以實現控制系統對主要級編碼器反饋信息的完整性進行檢查。coarse 電位器和fine 電位器輸出范圍在0～10 V 之間。兩級編碼器一共向系統輸入四路電壓信號。

除了共同特點之外，各個運動系統也有其自身特點，如機架旋轉系統裝備有剎車線圈，防止因運動慣性導致的位移[6]。工程技術人員既要熟悉運動系統的共性，又要了解各個子系統的不同。只有對運動系統的結構和原理有了系統深入的認識，遇到設備故障時才可能系統全面的分析問題，既解決故障，又避免在維修過程中影響設備精度[7]。通過幾個比較典型的維修案例分析，加深對運動系統的理解。

1 故障一

1.1 故障現象

用手控盒控制機架旋轉的過程中，機架突然停止，復位后，又能正常動作，同樣故障反復多次出現。

1.2 分析與維修

機架運動部分主要分為運動電路和剎車電路，機架靜止時，運動電路及剎車電路不供電，在電機內部的磁鐵作用下，電機處于剎車狀態，保證機架能夠穩定靜止。當控制電路發出機架運動的信號后，運動電路開始工作，同時，剎車線圈供電，產生電磁場抵消電機磁鐵磁場的剎車作用，保證機架的正常運動[8]。

運動電路由71 區的UMD 馬達驅動電路板提供脈沖電壓供電，拆卸下電機，測量電機的阻抗在正常范圍內，撥動手控盒的機架旋轉滾輪，測量電機供電電壓正常，判斷故障很可能是由剎車電路導致的，重要的是如果剎車電路出問題，沒有得到及時修復，很可能會損壞電機。

剎車線圈工作電壓為26 V，由71 區的UMD 板提供[9]，中間需要經過72 區的ROC-A 板上的RLB1 繼電器和HME 板上的RLB 繼電器。其中，出現故障時，撥動機架運動開關，該繼電器A9～A11 端口一直處于斷開狀態。經檢查發現由于它的一對觸點損壞，導致系統無法為電磁鐵供電，機架旋轉電機一直處于剎車鎖止狀態。更換同型號的繼電器后，故障消失。

2 故障二

2.1 故障現象

治療過程中，工作中斷，設備報錯item 149 D.Rot Ctrl。

2.2 故障分析與維修

報錯信息提示治療頭旋轉故障，進入維修模式，調出display 欄目下service page頁面，加載pots 菜單，在菜單中顯示了機頭旋轉的三個電位器數值，即coarse、fine、check 電位器的數值。反復手動旋轉治療頭，密切觀察三個電位器的數值，發現在某些特定位置，coarse 電位器的數值發生跳變，某瞬間與check 電位器的數值差異超出范圍，報故障。即coarse 電位器發生故障，更換該電位器。

經過長時期使用之后，由于編碼器的電刷發生磨損，導致定位不準而設備報錯。電位器一般需要整體更換，更換后必須嚴格按照手冊通過學習和校準來確定coarse 和fine 電位器的相對位置。學習和校準操作完成后設備不再報錯item 149，分別用10×10、20×20、30×30 坐標紙檢查光野，并用膠片曝光檢查照射野精度，精度達標后證明學習校準成功。設備可以重新投入使用。

3 故障三

3.1 故障現象

治療過程中，工作中斷，設備報錯item 149 D.Rot Ctrl。

3.2 故障分析與維修

檢修步驟同故障二，coarse 電位器和fine 電位器數值正常，check 電位器數值為0，很可能是由于check 電位器參考電壓不正常，導致該電位器輸出異常值。

檢查線路圖得知check電位器的10 V參考電壓來自12區A側的AI12板，coarse電位器和fine電位器的10 V參考電壓來自12區B側的AI12板[10]。而測量到check電位器上無10 V參考電壓。10 V參考電壓來自于AI12板的ADI01AR電源模塊。長期使用后，該電源模塊損壞，為節約維修時間，整體更換該電路板，設備恢復正常。

4 總結

運動控制系統是直線加速器的重要組成部分，日常維護保養對于運動系統的正常運轉具有重要作用[11-12]。建議每年進行一次清潔機架，清除鐵銹，加潤滑油[13]。鎢門齒輪盤和治療床升降軸承需要使用防輻射潤滑油[14]。用于位置反饋的編碼器由于連續工作，容易發生故障，建議每兩年更換一次[15]。此外，由于位置系統的調整涉及到機架角度、機頭角度、準直器等部件精度，必須經過物理師對物理特性進行檢測[8]，合格后方能投入使用。