瓦里安Trilogy加速器Carrousel工作原理及故障分析

邵健

浙江省腫瘤醫院 設備科，浙江 杭州 310022

引言

美國瓦里安公司（VARIAN）生產的Trilogy型加速器，是一款高能醫用電子直線加速器，在放射治療中應用廣泛[1-3]。醫用電子直線加速器結構復雜，根據不同的聯鎖，分區域的進行詳細分析，能更加系統有效的了解機器的工作原理，并快速準確排除故障。

電子在加速器中經過加速后，打靶產生X射線或經過散射箔產生電子線。此時的射線劑量分布是不均勻的，需要經過均整器的濾過修正才能產生滿足常規放療所需的劑量分布[4-8]。Trilogy加速器擁有2檔X線和6檔電子線，各檔能量需要不同的均整器。機器依靠均整盤的旋轉來實現不同均整器的切換。其中包含了位置檢測、運動控制、安全聯鎖等部分。當發生故障時，通常會報CARR和FOIL兩個聯鎖。

1 均整盤工作原理分析

如圖1所示，Trilogy加速器一共有10個均整器，安裝在均整盤（Carrousel）上的10個port中。其中8個均整器分別對應8檔能量，另外2個為空置。每個port邊緣處，都有特定的凸起或者凹槽，組成一種特殊的編碼。S1、S2、S4、S8、S16是5個緊貼均整盤邊緣的位置開關（Position Switch），這5個開關有三種狀態：Neither、Divot、Cam。平時5個開關狀態為Neither，輸出為高電平High(H)；其中S1、S8、S16進入凹槽時狀態變為Divot，輸出變為低電平Low(L)；而S2、S4滾上凸起時狀態變為Cam，輸出變為低電平Low(L)。通過這5個開關的3種狀態和2種電平的輸出對10個port的位置進行精確編碼，稱之為BCD碼。控制計算器通過檢測BCD碼，控制均整盤轉動，實現所選能量與對應均整器的匹配。表1為選中X線6M、X線10M能量時，5個開關的狀態和輸出電平。

表1 開關的狀態和輸出電平

圖1均整盤結構簡圖

均整盤旁有一個定位銷（Pin），能將均整盤固定在各檔能量所需的位置[9-10]。Pin有兩個位置：Pin_in和Pin_out。均整盤到位時Pin處于Pin_in的鎖住位置，其壓桿壓住開關S9；當均整盤需要轉動時需要先將Pin抬起，此時S9開關彈片釋放，為Pin_out位置。Pin的運動，由電磁閥（Pin Solenoid）控制氣缸的開和關來驅動。S9是一個常閉開關，其一端接5 V電壓，另一端接地。均整盤驅動電機（Carrousel Motor）以S9的輸出電壓作為使能信號（CARR_MOT_EN），為低電平驅動，即5 V接地時驅動電機才能轉動。它們之間的關系如表2所示，平時Pin在Pin_in位置，S9開關彈片被壓下，開關開路，5 V電壓懸空，電機使能信號為Disable，轉盤不能旋轉；要旋轉時則相反。

表2 開關之間的關系

當選中一檔能量時，控制計算機形成一組編碼并將信號傳輸至Carrousel Mode & Bmag板，該板控制Pin和驅動電機運動，并采集5個位置開關形成的BCD碼與輸入值比較，直到均整盤準確切換到位，然后控制電機停止運動并將Pin落下鎖住。切換過程中，幾個開關和信號的狀態如果出現異常，則會出現報錯。CARR聯鎖是指Console控制計算機與Carrousel Controller板之間通訊檢測故障；FOIL聯鎖是指Carrousel沒有運動到指定位置或Pin位置不正確。大部分情況下兩個連鎖同時出現[6]。

2 故障案例

2.1 故障現象

在設定好治療參數，準備出束時，機器報錯，顯示的聯鎖為CARR和FOIL。

2.2 故障分析及排除

CARR和FOIL兩個聯鎖同時出現，首先查看Carrousel Mode & Bmag板LED燈的報錯代碼為93，該代碼的詳細說明為“carrousel didn't seem to move”[11]，提示均整盤沒有運動。切換能量進行測試，觀察到均整盤確實無動作。通過對均整盤驅動原理的分析，系統的將均整盤的運動分成定位和驅動兩部分，這兩部分的某一環節出現故障，均會造成均整盤不運動的故障。結合原理，對兩部分逐一排查。均整盤信號傳輸簡圖，見圖2。

圖2 均整盤信號傳輸簡圖

首先，分析均整盤定位部分，包括Pin、5個位置開關和電機后邊的電位器R1。均整盤運動前要先檢測Pin的位置，并將Pin抬起解鎖到位后再動作[12]。其中Pin運動異常或者Pin位置檢測開關S9輸出信號異常，均會導致均整盤不運動。檢查Pin的空氣驅動機構，轉換能量模式測試時，連接Pin的杠桿在氣缸驅動下運動正常，排除了Pin驅動機構電磁閥和氣缸的故障。同時觀察到S9開關開合也正常，并測量了S9開關的通斷，也正常。接著檢查S9信號的傳輸線路，各開關的信號傳輸如圖2所示。測量GPP的J2-1和XA7（Carrousel Mode & Bmag板）的J2-7C兩處的電壓。當Pin在Pin_in位置時，兩處的電壓均為5 V；當Pin在Pin_out位置時，兩處的電壓均為0 V。根據表2可知這兩處的信號均正常，排除S9信號傳輸線路故障。

然后排查驅動電機及其控制電路部分。切換能量時，Carrousel Mode & Bmag板接收到控制計算機指令，將電機使能信號（CARR_MOT_EN）和電位器R1讀數信息輸出到XA4（PWM板）。PWM板發出電機驅動信號，依次通過ABP-J40、GPP-J3、CRA-J83到達驅動電機，驅動均整盤轉動。加延長板測量使能信號的輸出端P1-27a,發現該信號在切換能量時一直為高電平，根據表2可知，正常情況下，當Pin在Pin_out位置時，電機使能信號應為低電平。因此可以判斷，是Carrousel Mode & Bmag板出現故障。更換該電路板后，機器工作正常。

2.3 故障回顧

出CARR和FOIL聯鎖時，由于Carrousel Mode &Bmag板上的LED燈能顯示錯誤代碼，并能查到詳細說明，可以快速地提示檢修的方向[13]。根據提示結合工作原理，可以逐一檢查并排除故障。本例維修，將故障原因分為兩部分，逐一排查，逐步縮小范圍，并順利找到故障。平時，常遇到的均整盤故障主要有開關故障、Pin不動作、傳輸線故障、控制電路板故障等。均整盤上的信號傳輸電纜由于有一部分隨機架轉動而經常受擰，會導致接觸不良[14]，因此傳輸線的故障較為常見，可以根據圖紙找準測量點，分段排除。

3 總結

本例維修先介紹了均整盤上port的編碼及檢測原理，詳細說明了5個位置開關3種狀態和2種電平輸出的邏輯關系，并提供了兩檔常用X線能量的5個位置開關的邏輯關系表格。同時分析了Pin位置與S9開關及其他一些信號的對應關系，并加入了電機使能信號的分析，最后整理成表格。全面詳細的熟知其結構和工作原理,可以根據不同的現象,快速的定位故障部件。然后結合圖紙找準測量點和測試方法，對照表格，逐步縮小故障范圍，最終排除故障。把一些常見信號的正常值和一些邏輯關系整理成表格，在維修中非常實用，方便而有效。

本例維修屬于比較典型的均整盤故障，比較全面的對涉及的部件一一測試排查，邏輯清晰，條理分明。同一個故障，有不同的原因，在維修中應逐個分析其原理，并做好歸納總結。可根據故障發生的原理，制定有效的保養維護計劃，減少故障發生的概率[15-16]。