M6 型射波刀的基本原理與平板探測(cè)器故障維修一例

葉淑華，林偉（通信作者），石鑫，馬振然，宮娜

1 云南省腫瘤醫(yī)院·昆明醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院 （云南昆明 650118）；2 中核安科銳（天津）醫(yī)療科技有限公司 （天津 300399）；3 昆明醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院 （云南 昆明650101）

惡性腫瘤是一種危及人類生命安全的疾病，放射治療是其有效的治療方式。近年來，立體定向放射外科系統(tǒng)（射波刀，Accuray 公司）相關(guān)技術(shù)取得了重大進(jìn)步，其被應(yīng)用于多種惡性腫瘤疾病患者的臨床治療中[1-2]。目前，國內(nèi)已有超過30 臺(tái)射波刀處于臨床應(yīng)用狀態(tài)。射波刀機(jī)器人手臂可以在全空間范圍內(nèi)對(duì)惡性腫瘤進(jìn)行360°的精準(zhǔn)照射，不僅能提高療效，還可減輕對(duì)鄰近正常組織器官的損傷[3-4]。射波刀是美國斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)中心神經(jīng)外科Dr John Adler 教授發(fā)明的新一代4D 放射外科設(shè)備。M6 型射波刀是目前的最新型號(hào)，其故障維修案例報(bào)道較少。現(xiàn)對(duì)我院一例M6 型射波刀平板探測(cè)器故障維修情況進(jìn)行總結(jié)，以期為臨床維護(hù)提供參考和借鑒。

1 M6 型射波刀的基本原理

M6 型射波刀的基本結(jié)構(gòu)包含全數(shù)字化機(jī)器人治療照射系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)追蹤系統(tǒng)、Precision 治療計(jì)劃系統(tǒng)、iDMS 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)及質(zhì)控設(shè)備附件。其中，核心硬件部分為全數(shù)字化機(jī)器人治療照射系統(tǒng)，包括影像引導(dǎo)系統(tǒng)（診斷用kV 級(jí)X 光源、非晶硅X 光探測(cè)平板）、6 MeV 直線加速器、M6 機(jī)器人控制臂、限光筒套裝（固定尺寸限光筒套裝、可變孔徑限光筒、多葉光柵準(zhǔn)直器3 種治療模式）、標(biāo)準(zhǔn)治療床及治療床控制臺(tái)[5]。

M6 型射波刀整合了X 波段直線加速器和六維自動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)器人控制臂，將直線加速器小型化后安裝在機(jī)器人的控制手臂上，通過機(jī)器人手臂可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化、非共面和多中心的腫瘤照射，能夠提供超過1 200 個(gè)放射束入射角[6]，允許輻射射束從任意方位傳輸至靶區(qū)。影像引導(dǎo)技術(shù)能確保射線完全照射在腫瘤靶區(qū)，機(jī)械臂繞患者360°旋轉(zhuǎn)，可從上千個(gè)不同角度照射腫瘤，并進(jìn)行劑量大小調(diào)節(jié)，同時(shí)，實(shí)時(shí)定位追蹤系統(tǒng)利于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)放射治療，可局部大劑量殺滅腫瘤細(xì)胞，從而對(duì)全身腫瘤進(jìn)行立體定向放射治療。配合多種先進(jìn)準(zhǔn)直器獨(dú)有的腫瘤追蹤功能，可對(duì)運(yùn)動(dòng)腫瘤作實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的三維劑量雕刻治療，實(shí)現(xiàn)真正的精準(zhǔn)放射治療，同時(shí)可最大限度避免對(duì)周圍危及器官和正常組織造成損傷[7]。

M6 型射波刀的突出優(yōu)勢(shì)是配置了最新研發(fā)的InCiseTM 多葉準(zhǔn)直器CyberKnife 系統(tǒng)，這項(xiàng)新技術(shù)不僅擴(kuò)展了CyberKnife 治療患者的范圍，還可將治療時(shí)間從30～45 min 縮短至15～20 min。M6 型射波刀整合了連續(xù)影像引導(dǎo)、非等中心照射、非共面照射和多葉光柵準(zhǔn)直器的射野適形優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)能使機(jī)器人在進(jìn)行精確治療時(shí)，有效避開正常組織，端到端的精度可達(dá)亞毫米級(jí)別，甚至在呼吸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致靶區(qū)相應(yīng)運(yùn)動(dòng)的情況下亦可維持此精度[8-9]。M6 型射波刀具有超高精度，且可更好地保護(hù)正常組織，因此，其可高效地治療以往使用放射外科治療技術(shù)無法治愈的腫瘤，極大地?cái)U(kuò)展了治療范圍。

2 射波刀系統(tǒng)平板探測(cè)器故障維修一例

2.1 故障現(xiàn)象

M6型射波刀平板探測(cè)器在追蹤或匹配圖像時(shí)，操作技師發(fā)現(xiàn)橫向或豎向整片區(qū)域缺失。

2.2 故障分析

射波刀平板探測(cè)器（非晶硅X 光探測(cè)平板）的組件構(gòu)成見圖1。其工作原理為：由玻璃基材上蝕刻a-Si TFT 和光敏光電二極管作為可見光感光元件，碘化銫閃爍體將不可見X 線轉(zhuǎn)化為可見光發(fā)光體，配合診斷kV 級(jí)X 光源，接收經(jīng)過人體的X 線，全程實(shí)時(shí)定位病灶影像（見圖2）。數(shù)字平板探測(cè)器組件由極敏感傳感器系統(tǒng)構(gòu)成，不僅需經(jīng)受kV 級(jí)球管直接照射，還有6 MeV 高能射線直接或間接的射束及散射線穿透整個(gè)平板探測(cè)器，導(dǎo)致傳感器本身、信號(hào)模數(shù)（analog-to-digital，AD）轉(zhuǎn)換及數(shù)字傳輸控制芯片失效，無法生成完整的影像圖片。

圖1 平板探測(cè)器內(nèi)部組件構(gòu)成框圖

圖2 平板探測(cè)器系統(tǒng)工作原理框圖

根據(jù)以上分析，初步判斷故障原因可能涉及兩個(gè)方面：（1）平板探測(cè)器探頭部分損壞導(dǎo)致連接故障；（2）平板探測(cè)器內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片損壞或通信控制等電路發(fā)生故障。

2.2.1 故障排查

首先，觀察成像系統(tǒng)是否有圖像生成，如果無圖像生成，且系統(tǒng)未報(bào)通信錯(cuò)誤，則說明圖像成像處理及信號(hào)接收處理單元可正常通信，否則考慮模塊之間線纜連接松動(dòng)或平板供電部分異常，通過檢查各模塊的電源指示燈可以快速排除此類故障。如部分指示燈不亮，可斷開電源總閘后重新連接各級(jí)電源線，通過萬用表等電壓測(cè)量手段快速定位和排查故障。如果電源系統(tǒng)檢查無異常，但未收到任何圖像，則檢查信號(hào)接收處理機(jī)與X 線平板探測(cè)器之間的通信線纜，如果線纜及接線正常，則初步判斷為探測(cè)器數(shù)字信號(hào)編碼傳輸單元故障，導(dǎo)致整個(gè)AD 轉(zhuǎn)換后的信號(hào)無法對(duì)外進(jìn)行總線傳輸。該類失效會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常對(duì)患者進(jìn)行定位。

如果成像時(shí)能夠生成部分影像圖像，其余整塊區(qū)域圖像為全黑或全白顯示，則為平板探測(cè)器內(nèi)局部AD 轉(zhuǎn)換電路損壞，該損壞可能會(huì)對(duì)治療定位造成一定影響。

如果成像時(shí)有直線或豎線區(qū)域無法顯示，則可判斷為感光信號(hào)傳輸線損壞。該損壞不會(huì)影響設(shè)備正常使用。

覆蓋成像時(shí)有單個(gè)點(diǎn)或分散點(diǎn)狀圖像顯示為全黑（白），則可判斷為單個(gè)傳感點(diǎn)失效，該類失效不影響設(shè)備正常使用。

根據(jù)以上故障排查規(guī)則，故障分析如下。

由圖3 可知，以中線為界，探測(cè)器左右兩側(cè)出現(xiàn)了明顯的黑白分區(qū)，右側(cè)為正常成像狀態(tài)，左側(cè)區(qū)域?yàn)槿跔顟B(tài)，說明平板探測(cè)器系統(tǒng)左側(cè)區(qū)域電路部分工作異常。結(jié)合探測(cè)器的透視圖（見圖4）進(jìn)一步分析推測(cè)，該探測(cè)器主要分為左右兩個(gè)相互獨(dú)立的工作模塊，大面積圖像黑化可能是左側(cè)電路通信控制模塊失效，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)左側(cè)區(qū)域AD 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行有效對(duì)外發(fā)送，導(dǎo)致系統(tǒng)丟失探測(cè)器左半側(cè)區(qū)域數(shù)據(jù)。

圖3 平板探測(cè)器測(cè)試成像圖

圖4 平板探測(cè)器系統(tǒng)左區(qū)域電路透視圖

進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)該故障現(xiàn)象前后，平板探測(cè)器未受到任何人為觸碰或重力損傷，而是在設(shè)備正常操作過程中偶然發(fā)現(xiàn)圖像成像有缺失（見圖3）。按照一般故障處置原則，優(yōu)先采用斷電后重啟相關(guān)系統(tǒng)，以判斷是否為偶發(fā)性通信故障，系統(tǒng)重啟后多次手動(dòng)X 線曝光，發(fā)現(xiàn)故障仍未排除。故初步判定為探測(cè)器內(nèi)部通信芯片或多個(gè)AD 芯片出現(xiàn)不可逆損壞，由于設(shè)備處于質(zhì)保期，可返廠監(jiān)測(cè)并進(jìn)行更換。

2.2.2 故障修復(fù)及要點(diǎn)

更換平板探測(cè)器的具體步驟：待更換備件（X 平板探測(cè)器）送達(dá)場(chǎng)地后，首先檢查備件供電是否正常，初步安放至平板探測(cè)器安裝支架，接收一次X 線曝光，通過接收?qǐng)D像判斷平板探測(cè)器是否工作正常，同時(shí)驗(yàn)證原診斷結(jié)果無誤。

安裝平板探測(cè)器的相關(guān)注意事項(xiàng)及要點(diǎn)：（1）在更換平板探測(cè)器過程中，移動(dòng)或安裝調(diào)試時(shí)需注意輕拿輕放，切勿劇烈碰撞或踩踏探測(cè)器；（2）在相關(guān)平板探測(cè)器線纜安裝及接插過程中注意進(jìn)行防靜電接地處理，切勿帶電操作；（3）平板探測(cè)器必須按照規(guī)范要求水平放置并調(diào)試到位鎖定，水平誤差小于0.1°；（4）安裝防護(hù)擋板時(shí)調(diào)整安裝支架高度，確保鉛板與探測(cè)器之間至少保持一張A4 紙厚度的距離，避免鉛板壓壞探測(cè)器；（5）安裝完成后，對(duì)平板探測(cè)器執(zhí)行相關(guān)物理測(cè)試，以滿足要求。

更換完成后，執(zhí)行射波刀開機(jī)試運(yùn)行，可清晰采集X 線圖像，進(jìn)行圖像一致性匹配測(cè)試，成像結(jié)果完全在射波刀規(guī)定的偏差范圍內(nèi)，故障修復(fù)。

3 討論

本例故障由射波刀平板探測(cè)器異常引發(fā)，為延長(zhǎng)其使用壽命，可以采取以下措施：一是優(yōu)化患者治療計(jì)劃，選擇合適的治療角度，盡可能使機(jī)器人發(fā)出的高能MeV 級(jí)射線不直接照射平板探測(cè)器AD芯片區(qū)域，故需物理師和技師團(tuán)隊(duì)密切配合，在確保最佳治療效果的前提下，科學(xué)設(shè)計(jì)治療方案和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡方案，使高能射線直接作用于平板探測(cè)器上的治療野區(qū)最小；二是加強(qiáng)平板探測(cè)器的防護(hù)保護(hù)。圖3 平板探測(cè)器的透視圖顯示，白色部分即平板探測(cè)器主要芯片所在位置。由于設(shè)備使用頻率較高，盡管芯片上已覆蓋了屏蔽金屬層，該屏蔽層能滿足kV 級(jí)X 線照射的防護(hù)需求，但芯片在被高能MeV 射線直接長(zhǎng)時(shí)間照射后，其內(nèi)的晶體管可發(fā)生不可逆損壞，由于探測(cè)器平板高度集成，損壞后只能進(jìn)行整體更換，退回原廠才能維修，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常使用，間接增加了維修使用成本和時(shí)間成本。

為了延長(zhǎng)M6 型射波刀平板探測(cè)器的使用壽命，并節(jié)約維修和使用成本，確保其能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，可在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，在平板探測(cè)器上方芯片所在區(qū)域再加一層鉛防護(hù)裝置，目前射波刀平板探測(cè)器接收探頭區(qū)域外側(cè)所在的電路板區(qū)域已有20 mm 的鉛板，該厚度雖能阻擋95%以上的高能射線，但剩余的穿透能量依然較高，如果想進(jìn)一步改進(jìn)，可根據(jù)透視圖在主要芯片（AD 類芯片和通信及控制芯片）貼片區(qū)域再加15 mm 以上的鉛屏蔽板。鉛板的寬度和安裝位置可根據(jù)透視圖進(jìn)行精確計(jì)算。對(duì)于受射線影響較小的非芯片部分，可不用安裝鉛板，以減小承重支架壓力、節(jié)約鉛塊成本，同時(shí)減少拆裝工作量。