醫用直線加速器的健康監測與智能運維

費 非，葛連剛，焦識博，劉劍華，李硯博，宋偉佳

（吉林市第二人民醫院，吉林吉林 132000）

0 引言

隨著放療技術與放療醫用加速器設備快速發展，國內對大型放射醫療設備的需求較為迫切，但是國外大型設備在國內的占有率較高，要實現大規模設備國產化仍須不斷努力。醫用直線加速器作為癌癥放射治療的大型醫療設備，利用產生的光子線和電子線對病人體內的腫瘤進行照射，運用放射線對正常細胞群和腫瘤細胞群的不同影響及損傷恢復能力的差別消除或減小腫瘤。放射治療無創傷、副作用小、術后恢復快，使其成為治療腫瘤的主要手段之一。

我國醫用加速器設備市場的70%被瓦里安、醫科達及安科銳等國外品牌占領。國外設備不但價格昂貴，后期的維修服務費用也非常高。同時，醫用直線加速器結構復雜、涉及多學科多場耦合，易出現故障導致治療效果降低，使設備成本增加。因此，對其開展智能運維，進行健康監測是提高其治療精準度與降低運行成本的重要措施，也是開展新醫科建設的重要組成部分。

1 醫用直線加速器故障診斷

醫用直線加速器是實現精準放射治療的關鍵大型設備，其主要由電子槍、加速管、真空系統、束流系統、治療頭、恒溫冷卻系統及劑量監測系統等組成。如果直線加速器在使用過程中發生故障，將嚴重影響治療的準確性及治療效果。醫用直線加速器常見的故障有多葉準直器故障、聯鎖故障、運動控制故障及機械系統故障等（圖1）。因此，充分了解加速的工作原理與服役過程中出現的故障，開展加速器故障監測，對提高治療效率具有重大意義。

圖1 醫用直線加速器常見故障分布

1.1 多葉準直器故障

醫用直線加速器動態多葉準直器是實現精準放射治療、實施適形，以提高治療效果的關鍵核心器件。多葉準直器（Multi-Leaf Collimator）用以規范射線束輪廓，使其輪廓形狀與患者腫瘤相接近，從而改善靶區與鄰近危及器官的劑量分布，到達最大程度殺死腫瘤細胞的同時對正常組織的影響最小化。因此，開發高性能多葉準直器是現實精準適形與治療的基礎，對提升放射性治療效果具有重要作用。內置式與外置式動態多葉準直器如圖2 所示[1]。

圖2 內置式和外置式動態多葉光柵

一般加速器開機時間長，在使用過程中多葉準直器故障較為常見。此類故障會導致治療過程中斷，嚴重影響患者治療的精準實施。因此，對多葉準直器故障進行分析并及時處理具有重要意義。

瓦里安多葉準直器的組成部件主要包括工作站、控制器、多葉準直器頭部系統、調試工具與驅動馬達，其中工作站主要用于對界面進行控制，使接收器驅動多葉準直器形成腫瘤形狀；控制器主要用于發出指令，控制頭部系統的馬達驅動板、電源分配板、維護板等；調試工具主要用于調試校準葉片精度；馬達系統主要控制多葉準直器的運動形成所需的腫瘤形狀[2]。多葉準直器系統原理如圖3 所示。

圖3 多葉光柵系統原理

陳龍云等[3]針對瓦里安23EX 醫用直線加速器多葉準直器的典型故障進行分析，發現多葉準直器故障主要集中在葉片驅動電極與電路板。方洵等[4]研究了多葉準直器頻繁出現聯鎖故障的情況，斷定其原因為扁平電纜故障，更換即可排除故障。陸奇鵬[5]對瓦里安Trilogy 醫用直線加速器多葉準直器在正常運行過程中加速器主機突然中斷出束，同步顯示安全聯鎖信息的故障進行分析，發現B 側編碼條磨損嚴重，替換后檢測正常。

通過以上分析可以看出，多葉準直器常見的故障形式主要有驅動電機故障、電路板短路、扁平電纜故障、絲桿磨損、編碼條磨損、初始化失敗及控制系統故障等。

除正常定期檢測外，還需對多葉準直器進行清洗，可以避免阻值過大導致的失效，降低故障率、延長使用壽命。

1.2 聯鎖故障

醫用加速器的聯鎖主要包括劑量聯鎖、主要聯鎖和次要聯鎖，任意聯鎖發生都將導致中止出束。劑量聯鎖影響劑量的輸出或測量狀態，重新激活后必須輸入密碼才可復位。主要聯鎖的檢測內容為存在可能的損壞設備，激活后會關閉發熱元件。次要聯鎖主要是提醒操作師可能存在影響機器工作的狀態。隨著放射性治療患者逐年增加，醫用直線加速器往往會出現不同程度的損耗，進而增加了設備的故障率。聯鎖故障作為醫用直線加速器常見的故障，其處理結果直接影響著系統的安全運行。

朱勁松等[6]分析了醫用加速器輸出劑量故障，對故障的排查等提供了精簡的排查流程，指明輸出故障的影響因素，為高效故障處理提供參考。屈小廣[7]對加速器出現DS12 聯鎖故障進行了分析，闡述了故障產生機理，通過將XA15 PCB 板與XA16 PCB 板間的直流電壓調到0 左右即可解決問題。王鑫等[8]對瓦里安加速器GFIL（GUN FILAMENT，電子槍燈絲）聯鎖的主要原因進行了詳細分析，給出可能導致其故障的各種影響因素。李洪明等[9]總結了Trilogy 醫用直線加速器聯鎖故障的維修經驗。

依據聯鎖故障的類型，將聯鎖故障歸納為表1。從表中可以看出很多故障均為次要聯鎖，因此設備操作人員需對故障機理有清晰的認識，才能快速排除、解決故障，進而提升服務質量。

表1 聯鎖故障

1.3 運動控制故障

醫用直線加速器常見的運動控制包括：機架旋轉、準直器自傳、治療床升降、橫向運動、公轉等，其運動控制系統必須具有良好的一致性、高精度及可靠性，運動控制系統如圖4 所示。若運動控制系統出現故障將導致治療無法正常進行，嚴重影響患者擺位及治療效果。

圖4 醫用直線加速器機械運行部件

醫用電子直線加速器在開機服役過程中需要多個運動部件協同配合才可以完成相應的控制動作，因此控制系統出現故障的概率較大。劉浩武[10]總結了常見的運動控制故障，主要有傳動故障、電機故障和控線故障。吳道成[11]針對醫用直線加速器在治療過程中的電機、電源及控制線路故障的識別與檢修進行了詳細的討論，給出電機和控制路線更換的基本準則。吳振明等[12]對醫用直線加速器驅動系統及控制系統故障進行了研究。

醫用直線加速器在服役過程中，運動控制系統的使用頻率最高，導致其故障率也較高。通過以上研究發現運動控制系統常見的故障主要有驅動故障和控制電路故障。驅動故障主要表現為控制電路信號正常，但是運動部分不能正常做動作。此種情況下需對繼電器、驅動系統電源及驅動電機等進行檢查，發現問題及時排除。控制線路故障主要表現為指令下達后不反應或反應動作異常。通常情況控制線路故障點較為單一，一般是單點故障，但是偶爾也會出現多個故障點耦合的情況。控制線路故障需對線路中繼電器進行仔細檢查，若有問題則進行更換。若故障點不是繼電器，則可能在電路控制板，需對其輸入與輸出項目進行檢測，結合實際情況排除故障。

1.4 機械系統故障

醫用直線加速器對機械系統及運動系統的精度有非常嚴格的要求。機械系統故障的主要形式有精度失準與磨損失效。精度失準主要包括治療床、輻射頭及旋轉機架、等中心等（圖5）。磨損失效主要包括治療床軌道、機械臂等旋轉運動接觸件。為保障設備的治療效果，需對機械系統故障進行監測，盡早排除設備故障導致的治療誤差，延長設備的使用壽命。

圖5 等中心示意

張波[13]指出機械故障主要有精確度故障和磨損故障。針對精確度故障一般進行定點部位的精度校準或相關零件的更換即可解決；磨損故障一般進行硬件更換、潤滑與清潔即可解決。余光偉[14]對醫用電子直線加速器物理性能和機械性能進行了測量，給出機架、準直器、治療床的等中心距離。直線加速器的等中心精確度是放射治療的關鍵因素，機械系統故障將導致中心精度降低。影響中心精度的部件主要有機架底座、機架旋轉軸、準直器旋轉軸、治療床底座、治療床公轉軸與機架旋轉軸等故障誤差。因此，需定期對加速器的機械精度質量控制進行檢測，及時排除故障。

醫用加速器各機械運動部件對治療精度的影響重大，精度超過允許的精度范圍時應及時排除相關故障，保證設備正常穩定的運行，進而更好地服務患者，增加治療的有效性與準確性。針對磨損問題，需觀察與監測磨損量和接觸面表面的磨損情況，定期、定量地對運動部件接觸部位加注潤滑油、清理灰塵和油泥等，保證運動件接觸表面的穩定性與工作的可持續性。

2 醫用直線加速器智能運維

醫用直線加速器作為大型精密醫用設備，也在向信息化、智能化的方向發展。為實現更好、更快、更準的診治，利用信息技術對設備進行監測，準確地識別加速器運行參數及性能變化，實現壽命預測與動態維護。

2.1 運行與維護

為保證設備的穩定服役，須對設備進行維護。目前，大多醫院對設備進行定期的計劃維護，包括日維護、月維護以及年維護等。通過對幾何失真、空間分辨率、控制系統、運動控制精度、聯鎖及設備清潔等方面的檢查維護，一定程度上降低了設備的故障率，但是針對加速器的維護仍有進一步提升的空間。

磁控管是醫用直線加速器的關鍵器部件，郭旭峰等[15]為保證設備的高效運轉，對磁控管的維護進行了研究，提出為避免磁控管兩級放電打火，需在開機前對其進行預熱。對磁控管的水質及循環溫度要定期檢查，按期自動頻率控制系統進行維護。陳榮耀等[16]闡述了治療前的環境檢查、開機后的基本檢查及加速器的定期維護保養。楊濤等[16]對醫用直線加速器移動控制系、恒溫水循環系統、患者支撐系統、劑量監測系統及輻射系統的維護進行研究，詳細說明了其維護項目與方法。高旭輝[18]提出控制加速器機房濕度可以保證加速的正常運行，降低閘流管及磁控管的故障率。嚴格控制加速器機械精準度，對照標準實施以保障治療計劃的精確性。徐海歡[19]對醫用直線加速器的檢測與校驗維護進行了研究，闡述了維護工作中需要關注的重點。

采用合理的維護手段可避免設備出現故障。加強劑量監測系統、輻射系統定期維護。對運動部件精度進行校準。對患者支撐系統、恒溫水循環系統定期的常規檢查，設備服役環境濕度與穩定的及時監測，確保穩定合理的運行環境可保障設備的安全運行，增加使用壽命與治療效果。

2.2 智能監測

醫用直線加速器的智能監測可以有效實施設備的預防性維護，對設備的預防性維護能夠大大降低計劃外的校正，節省資金、提升設備的利用率，確保設備能發揮其最大功效，同時降低故障次數。隨著大數據及傳感技術的日益成熟，智能監測已應用于各行各業。醫用加速器的監測包含安全性監測、運動系統精度監測、光學系統的監測、聯鎖的監測。曹粲[20]提出預防式保養、維護可以提高設備的運行安全性能，可通過觀察設備潤滑狀態、磨損、變形及松動等情況，提前對設備的運行狀態進行保養、維護。Able 等[21]開發了一種用于檢測加速器系統運行參數和性能精度偏差的流程方法，當偏差超過給定閾值時系統故障或功能障礙時提前報警，以實現在聯鎖啟動前對其進行維護。Kim 等[22]利用維護數據集對導致間斷放療的故障進行分析，利用其特征預測了停機時間。通過對停機時間的預測對設備進行預維護。

隨著傳感技術的快速發展，設備智能監測相關技術及軟件越發趨于成熟。考慮醫用加速器運動精度的對治療效果的影響，可利用先進傳感技術對運動精度進行監測，實現實時動態的精度調整。針對設備機械磨損等的監測，可利用潤滑油液、磨粒等信息判斷其磨損狀態。智能監測的成功應用可以方便運維人員了解設備的實時狀態，實現設備的精準治療與良好的穩定服役。

2.3 運維管理

醫用直線加速器在日常工作中需要主動進行運行管理，可以有效地降低系統故障，減少停機維修造成的不良影響。馮國英等[23]針對醫科達Infinity 醫用直線加速器的管理進行了說明，指出需建立健全工作制度和規范人員管理，通過制定相應的管理規范降低系統故障發生率。李列等[24]對設備運行維護措施及質量控制進行了研究，用以有效提高治療效果及控制精度。

為保障設備穩定運行，通過對醫用直線加速器日常故障、維護方式等的統計，分析設備主要系統和零部件運維管理計劃，制定設備運維日常管理方案，包括管理制度、人員操作執行準則及流程，最大程度掌握設備運行狀態及工作環境，避免設備非正常停機，使設備始終處于最佳運行狀態，延長使用壽命，提高治療功效。

3 存在的問題與挑戰

醫用直線加速器作為放射治療的主要醫用設備，在設備進行服役運行期間需對其各項性能指標進行嚴格的檢測，才能避免故障的發生。對設備進行計劃性維護能夠降低設備故障率，提高設備可靠性。目前，針對加速器的監測大多通過人工觀察的方法，造成一些較微小的變化不能及時發現，容易導致設備聯鎖故障。因此，需要利用先進的監測手段對加速器進行實時監測，及早發現異常并進行處理。

隨智能運維技術的發展，醫用加速器的智能運維也在不斷發展進步。目前，設備的維護大多通過日、月、年的計劃進行保養及維護，但沒有對設備運行環境進行維護。因此，需對機房環境進行實時監測，及時掌握環境變化，保證設備的良好運行環境。

醫用加速器故障診斷及設備智能運維的發展同樣面臨著巨大的挑戰。雖然監測技術不斷發展，但是醫用加速器系統的集成度、精密度較高，設備結構原理較為復雜，開發一套專用的狀態監測系統較為困難。同時針對人員培訓及設備維護等工作，由于專業技師的個體差異，對統一標準的操作規范及管理等執行程度差異較大，進而影響到設備的運行狀態。因此，需要制定嚴格的設備管理制度，做好人員操作規范培訓。正規的操作可以大大降低設備故障的風險，創造設備更大的價值。要保持設備可靠穩定的運行，需集成診斷、運維及管理于一體，不斷更新設備的運行狀態，進一步實現設備高效、穩定的服役。

4 結論

醫用直線加速器作為放射性治療的大型醫用設備，其結構精密、復雜，在設備服役過程中可能出現各種機械、控制、聯鎖等故障。針對設備的常見故障形式，總結設備智能維護的方法及管理要求，指出設備維護對預防故障發生的必要性和重要性。同時針對設備故障診斷與維護工作中存在的問題與挑戰進行討論，為提高設備服役可靠性、安全性提供參考。