瓦里安21EX 直線加速器多葉準直器系統(tǒng)的故障分析

袁虎

大理白族自治州人民醫(yī)院 （云南大理 671000）

多葉準直器（multi-leaf collimator，MLC）是直線加速器用于形成合適射野形狀的主要部件，可在放射治療區(qū)域形成對稱或不對稱的射野[1]。在調(diào)強和適形放射治療中均需用到MLC。治療中，MLC的適形過程是由MLC 系統(tǒng)的工作站電腦發(fā)出指令傳輸?shù)組LC 控制柜，再由控制柜通過光纖傳輸信號到控制機頭，控制機頭內(nèi)部的電路和機械部分執(zhí)行指令形成不同的射野形狀，最后機器出束以達到治療目的。本研究通過介紹MLC 系統(tǒng)的工作原理，總結(jié)分析本院瓦里安21EX 直線加速器MLC系統(tǒng)的故障維修案例，詳細闡述MLC 系統(tǒng)發(fā)生故障的類型和解決方法，以期為維修工程師深入了解MLC 系統(tǒng)提供幫助。

1 MLC 系統(tǒng)的工作原理

MLC 系統(tǒng)主要包括工作站電腦、MLC 控制柜和MLC 機頭裝備部分[2]。控制室工作站電腦發(fā)出指令傳輸?shù)組LC 控制柜，然后MLC 控制柜與治療室內(nèi)加速器的MLC 機頭裝備部分通過地溝穿線連接，從而進行精確控制。工作站電腦通過名為“MLC Hyper”的控制軟件發(fā)出開機、重啟、檢測、關(guān)機等指令，并調(diào)用瓦里安醫(yī)療系統(tǒng)服務(wù)器的治療計劃數(shù)據(jù)，這些指令和數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)組LC 控制柜。MLC 控制柜不僅與工作站電腦相連，還通過地溝內(nèi)的4 根光纖與機頭部分相連，4 根光纖分別傳輸機頭內(nèi)Carriage A 和Carriage B 的發(fā)送和返回信號。MLC 機頭裝備在加速器的治療機頭上是具體的執(zhí)行者，也是結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的部分，主要包括頭收發(fā)器板、電機驅(qū)動板、紅外發(fā)射和接收板、二級反饋板、軟電位器板、電機連接板、服務(wù)板、直流電源、電源分配板及散熱風(fēng)扇等部件。頭收發(fā)器板通過光纖與MLC 控制柜連接，進行收發(fā)通信，主要接收和發(fā)送葉片的位置、電機驅(qū)動和頭部狀態(tài)等信號。電機驅(qū)動板通過正交編碼信號驅(qū)動整組MLC 箱體，即Carriage 電機和每個MLC 獨立葉片的電機，編碼信號每個脈沖有4 個計數(shù)，每毫米有約500～700 個計數(shù)，因此可實現(xiàn)電機的精確運動和剎車功能；同時對Carriage 控制電機的電壓進行監(jiān)控，此監(jiān)控信號為MPSWOK，信號由a 端頭收發(fā)信號發(fā)送到控制器，通過信號狀態(tài)可判斷頭部單元是否異常。紅外發(fā)射板和接收板通過光電探測器獲取的正交編碼信號判斷MLC 的主反饋位置。線性的軟電位器通過柔性電纜與二次反饋主板連接并反映MLC 各葉片的二次反饋位置[2]。控制器通過對比上述的主反饋位置和二次反饋位置的偏差即可產(chǎn)生故障報警。二次反饋主板上有編碼器可探測Carriage A 和B 兩個箱體的位置，主板上還有限位開關(guān)防止整個MLC 超位而脫軌。兩個電阻元件和一個導(dǎo)電軌通過間隔材料隔開，小球在中間運動，小球運動與電壓的變化形成比例，最終形成線性的軟電位器板[4]。電機連接板主要連接MLC 葉片的各個電機，負責(zé)給各電機提供電壓，傳輸指令并回饋結(jié)果。同時連接板上的接口是二次反饋板通信的橋梁，通過此接口，二次反饋板最終與頭收發(fā)器板相連。服務(wù)面板運行模式有獨立模式和集成模式，可對MLC 葉片的單個電機進行控制，設(shè)有多個測量點對信號有無和精確的電流大小進行測量。獨立模式下可通過配備的電機電纜接口PCB 單獨連接單個MLC 葉片電機實施驅(qū)動控制，方便拆下葉片時進行單獨控制；集成模式下可直接控制葉片電機。直流電源供應(yīng)將115 V 的交流電轉(zhuǎn)換成+5 V、+15 V、-15 V 的直流電，為整個MLC 機頭部分的板件和機械供電，內(nèi)設(shè)有過大電流保護和電壓微調(diào)旋鈕。電源分配板可實現(xiàn)電壓的監(jiān)督、管理和調(diào)整。電源分配板將直流電源供應(yīng)的電再次進行分配，分配給各個組件。機頭部分有外殼包裹，所以散熱風(fēng)扇為整個機頭內(nèi)的板件和組件提供散熱保障。

2 MLC 系統(tǒng)9 年故障匯總

我院瓦里安直線加速器使用9 年的MLC 故障匯總?cè)绫? 所示。

表1 MLC 故障匯總表

從表1 可以看出，近兩年MLC 系統(tǒng)故障次數(shù)相對較多，且呈現(xiàn)多樣化。了解MLC 的工作原理并結(jié)合維修記錄可以系統(tǒng)地幫助我們更快捷地分析故障、處理故障[5]。

3 故障案例

3.1 故障一

3.1.1 故障現(xiàn)象

MLC 葉片報錯sticking。

3.1.2 故障分析及處理

葉片出現(xiàn)sticking 故障，說明控制系統(tǒng)反饋的位置不準確。首先，可直觀檢查葉片是否卡住，判斷紅外發(fā)射接收板是否故障；近9 年的維修記錄中每次出現(xiàn)sticking 報警葉片確實卡住，說明板件并未損壞。其次，分析葉片卡住原因，葉片電機由電機驅(qū)動板控制并連接在電機連接板上，第一步選擇更換新的電機，在10 次sticking 故障中有6 次通過更換電機后故障解決；第二步，檢查電機連線是否異常，其中有1 次故障因電機連線松動無法驅(qū)動電機導(dǎo)致，插緊后故障排除；第三步，如更換電機確保連線正常后故障仍未解決，可通過查找葉片與電機的連接件排除故障，拆下葉片后檢查葉片與電機的連接螺母nut 和驅(qū)動絲桿是否磨損，其中有2 次故障因nut 或絲桿磨損導(dǎo)致無法驅(qū)動而報警，更換nut 和絲桿后故障排除[6]；第四步，前三步都已排除后，如故障仍未解決，可考慮板件故障。在2021 年的1 次葉片sticking 故障中報警葉片A29 is sticking，先按前三步排除故障，無效；然后分別對調(diào)A、B 兩模塊的頭收發(fā)器Transceiver 板和電機驅(qū)動Moto 板，均無效；最后考慮電機連接板故障，因電機連接板A、B 兩面不同，只能訂購新的電機連接板進行更換，更換后報警A29 is sticking 故障解決。

3.2 故障二

3.2.1 故障現(xiàn)象

使用中報MLC 連鎖。

3.2.2 故障分析及處理

使用中報MLC 連鎖，在4 次故障中，連鎖均需等待幾秒后自動消除，或重新set up 后再次進入后連鎖消除，因MLC 連鎖可自動消除但會頻繁出現(xiàn)，所以考慮葉片太臟需清潔保養(yǎng)，其中3 次故障拆下MLC葉片，用紗布清潔表面污物，再將少量專用潤滑劑均勻涂抹于葉片表面，葉片復(fù)原后故障排除[7-8]。還有1 次故障時，葉片清潔后連鎖故障依舊，查看葉片運行狀態(tài)，主次反饋位置差別較大，二次反饋位置為紅色且反應(yīng)較慢；由于二次反饋位置主要反饋線性軟電位器傳回的位置，拆下軟電位器板，軟電位器板由軟性塑料片制成，考慮使用年限久，塑料老化，經(jīng)過反復(fù)清潔后MLC 故障還是頻繁出現(xiàn)，因此訂購新的軟電位器板，更換后故障不再反復(fù)，故障排除。

3.3 故障三

3.3.1 故障現(xiàn)象

MLC 初始化失敗。

3.3.2 故障分析及處理MLC 初始化失敗故障共發(fā)生過2 次。MLC 初始化由控制臺的工作站電腦發(fā)出指令，所以初始化失敗故障基本由工作站電腦故障引起。第一次拆開電腦，未發(fā)現(xiàn)明顯故障，分析SD 卡與電腦接口因使用時間過長造成接口氧化導(dǎo)致，清潔接口、拔插SD 卡后故障排除；第二次拔插SD 卡無效，認真檢查發(fā)現(xiàn)，機箱上的散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速異常，分析因散熱問題造成電腦工作異常導(dǎo)致MLC 初始化失敗，更換散熱風(fēng)扇后故障排除。

3.4 故障四

3.4.1 故障現(xiàn)象

葉片報警secondary read error 故障。

3.4.2 故障分析及處理

葉片secondary read error 即二次讀數(shù)錯誤，由表1可看出設(shè)備使用前期此故障出現(xiàn)次數(shù)較少，近幾年較為頻繁，也是MLC 故障中次數(shù)最多的故障。二次讀數(shù)錯誤和軟電位器板或二次反饋板相關(guān)，軟電位器板讀取的是隨小球位置變化而變化的電壓值，因小球主要由彈簧組成，彈簧易老化，因此解決此故障第一步就是更換小球，更換小球后故障基本能排除；但在2022 年的多次secondary read error 故障中，更換小球后故障依舊，我們首先懷疑小球質(zhì)量問題，重新訂購1 批小球更換后故障依舊，小球質(zhì)量問題排除，因此懷疑與二次讀數(shù)相關(guān)的軟電位器板出現(xiàn)故障，訂購軟電位器板，更換軟電位器板后故障排除。

3.5 故障五

3.5.1 故障現(xiàn)象

葉片位置超限。

3.5.2 故障分析及處理

位置超限故障只發(fā)生過1 次，位置超限即檢測到葉片的位置異常。葉片的驅(qū)動如圖1 所示。葉片由驅(qū)動電機帶動絲桿，絲桿轉(zhuǎn)動后與葉片上的固定螺母nut 發(fā)生運動即可驅(qū)動葉片前后移動[9]。葉片的位置是由電機控制的，根據(jù)電機驅(qū)動框圖（圖2）可知，Leaf Motors 由頭收發(fā)器Head transceiver 板、電機驅(qū)動Moto driver 板和電機連接Motor Interconnect 板控制，同sticking 故障拆開機頭后，分別對調(diào)A、B 模塊的頭收發(fā)器Head transceiver 板和電機驅(qū)動Motor driver 板，分別更換后故障依舊，因此懷疑電機連接Motor Interconnect 板故障，因A、B 模塊電機連接板不同，不可更換判斷是否故障，只能訂購板件，更換電機連接板后故障排除。

圖1 葉片運動機構(gòu)圖

圖2 電機驅(qū)動框圖

3.6 故障六

3.6.1 故障現(xiàn)象

系統(tǒng)報警Not have enough rage 故障。

3.6.2 故障分析及處理Not have enough rage 故障在近兩年才出現(xiàn)，描述為速度不足。首先，考慮葉片驅(qū)動電機Leaf Motor 老化，在4 次故障中有2 次更換電機后故障排除；如無法排除，可根據(jù)結(jié)構(gòu)進行分析，電機驅(qū)動葉片與電機連接接頭、nut 和絲桿有關(guān)，檢查連線是否穩(wěn)固，檢測絲桿和nut 磨損情況，異常情況如圖3 所示；穩(wěn)固接頭，更換磨損的nut 或絲桿后故障排除。

圖3 nut、絲桿，電機連線異常情況圖

3.7 故障七

3.7.1 故障現(xiàn)象

系統(tǒng)報警Exceeded max deviation error 故障。

3.7.2 故障分析及處理Exceeded max deviation error 故障，指的是葉片超過最大的偏差值，此故障均發(fā)生在2022 年。根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)可知，nut、絲桿等磨損均會導(dǎo)致葉片運動偏差[10]，在4 次報警中發(fā)現(xiàn)均是葉片內(nèi)的螺母nut 老化，磨損嚴重導(dǎo)致故障，因此，在4 次故障排查中均檢查各nut，120 個葉片的nut 均有磨損，訂購新的nut，逐步更換所有nut，故障不再出現(xiàn)，此類故障排除。

4 總結(jié)

MLC 系統(tǒng)的故障率會隨機器使用時間的延長逐漸增加。維修工程師在維修過程中需從原理入手，掌握MLC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運行原理，才能清晰規(guī)劃維修思路。而做好維修記錄，總結(jié)維修經(jīng)驗，可快速地幫助工程技術(shù)人員排除故障，從而保障醫(yī)院的醫(yī)療質(zhì)量。