Elekta加速器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)工作原理及故障維修

張朋，李堅(jiān)

中國(guó)人民解放軍聯(lián)勤保障部隊(duì)第九七〇醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，山東 煙臺(tái) 264000

引言

精確放療技術(shù)對(duì)直線加速器的機(jī)械性能尤其是運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的性能有著嚴(yán)格的要求。根據(jù)自動(dòng)控制系統(tǒng)的理論，相對(duì)于開環(huán)系統(tǒng)，帶有反饋網(wǎng)絡(luò)的閉環(huán)系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性。Elekta 加速器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要包括機(jī)架旋轉(zhuǎn)、準(zhǔn)直器移動(dòng)、治療頭旋轉(zhuǎn)、多葉光柵移動(dòng)以及治療床運(yùn)動(dòng)等。除了多葉光柵系統(tǒng)外[1-3]，其他運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)一般分為三部分：驅(qū)動(dòng)電機(jī)、編碼器、控制部分，如圖1 所示。

圖1 Elekta直線加速器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)原理圖

在整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，位置反饋是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，加速器通過主要級(jí)編碼器和次要級(jí)編碼器向控制系統(tǒng)反饋運(yùn)動(dòng)部分的位置信息[4]。其中，主要級(jí)編碼器包括coarse 和fine 兩個(gè)電位器，向控制系統(tǒng)提供精確的位置信息。coarse電位器只有一個(gè)電刷，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中大約旋轉(zhuǎn)10 圈，輸出范圍為0～10 V。加速器控制系統(tǒng)能夠根據(jù)其輸出值判定fine 電位器完成的周期數(shù)，并且判定使用fine 編碼器的哪一路輸出。fine 電位器能夠連續(xù)旋轉(zhuǎn)，具備兩個(gè)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(xù)旋轉(zhuǎn)，在coarse 電位器的線性輸出波形上加載一個(gè)鋸齒波，即通過與coarse 電位器的相對(duì)位置關(guān)系實(shí)現(xiàn)精確定位，如準(zhǔn)直器旋轉(zhuǎn)精度達(dá)到0.01°[5]。次要級(jí)編碼器包含一個(gè)check 編碼器，結(jié)構(gòu)上與coarse 電位器相同，用以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對(duì)主要級(jí)編碼器反饋信息的完整性進(jìn)行檢查。coarse 電位器和fine 電位器輸出范圍在0～10 V 之間。兩級(jí)編碼器一共向系統(tǒng)輸入四路電壓信號(hào)。

除了共同特點(diǎn)之外，各個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)也有其自身特點(diǎn)，如機(jī)架旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)裝備有剎車線圈，防止因運(yùn)動(dòng)慣性導(dǎo)致的位移[6]。工程技術(shù)人員既要熟悉運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的共性，又要了解各個(gè)子系統(tǒng)的不同。只有對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理有了系統(tǒng)深入的認(rèn)識(shí)，遇到設(shè)備故障時(shí)才可能系統(tǒng)全面的分析問題，既解決故障，又避免在維修過程中影響設(shè)備精度[7]。通過幾個(gè)比較典型的維修案例分析，加深對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的理解。

1 故障一

1.1 故障現(xiàn)象

用手控盒控制機(jī)架旋轉(zhuǎn)的過程中，機(jī)架突然停止，復(fù)位后，又能正常動(dòng)作，同樣故障反復(fù)多次出現(xiàn)。

1.2 分析與維修

機(jī)架運(yùn)動(dòng)部分主要分為運(yùn)動(dòng)電路和剎車電路，機(jī)架靜止時(shí)，運(yùn)動(dòng)電路及剎車電路不供電，在電機(jī)內(nèi)部的磁鐵作用下，電機(jī)處于剎車狀態(tài)，保證機(jī)架能夠穩(wěn)定靜止。當(dāng)控制電路發(fā)出機(jī)架運(yùn)動(dòng)的信號(hào)后，運(yùn)動(dòng)電路開始工作，同時(shí)，剎車線圈供電，產(chǎn)生電磁場(chǎng)抵消電機(jī)磁鐵磁場(chǎng)的剎車作用，保證機(jī)架的正常運(yùn)動(dòng)[8]。

運(yùn)動(dòng)電路由71 區(qū)的UMD 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路板提供脈沖電壓供電，拆卸下電機(jī)，測(cè)量電機(jī)的阻抗在正常范圍內(nèi)，撥動(dòng)手控盒的機(jī)架旋轉(zhuǎn)滾輪，測(cè)量電機(jī)供電電壓正常，判斷故障很可能是由剎車電路導(dǎo)致的，重要的是如果剎車電路出問題，沒有得到及時(shí)修復(fù)，很可能會(huì)損壞電機(jī)。

剎車線圈工作電壓為26 V，由71 區(qū)的UMD 板提供[9]，中間需要經(jīng)過72 區(qū)的ROC-A 板上的RLB1 繼電器和HME 板上的RLB 繼電器。其中，出現(xiàn)故障時(shí)，撥動(dòng)機(jī)架運(yùn)動(dòng)開關(guān)，該繼電器A9～A11 端口一直處于斷開狀態(tài)。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)由于它的一對(duì)觸點(diǎn)損壞，導(dǎo)致系統(tǒng)無法為電磁鐵供電，機(jī)架旋轉(zhuǎn)電機(jī)一直處于剎車鎖止?fàn)顟B(tài)。更換同型號(hào)的繼電器后，故障消失。

2 故障二

2.1 故障現(xiàn)象

治療過程中，工作中斷，設(shè)備報(bào)錯(cuò)item 149 D.Rot Ctrl。

2.2 故障分析與維修

報(bào)錯(cuò)信息提示治療頭旋轉(zhuǎn)故障，進(jìn)入維修模式，調(diào)出display 欄目下service page頁面，加載pots 菜單，在菜單中顯示了機(jī)頭旋轉(zhuǎn)的三個(gè)電位器數(shù)值，即coarse、fine、check 電位器的數(shù)值。反復(fù)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)治療頭，密切觀察三個(gè)電位器的數(shù)值，發(fā)現(xiàn)在某些特定位置，coarse 電位器的數(shù)值發(fā)生跳變，某瞬間與check 電位器的數(shù)值差異超出范圍，報(bào)故障。即coarse 電位器發(fā)生故障，更換該電位器。

經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)期使用之后，由于編碼器的電刷發(fā)生磨損，導(dǎo)致定位不準(zhǔn)而設(shè)備報(bào)錯(cuò)。電位器一般需要整體更換，更換后必須嚴(yán)格按照手冊(cè)通過學(xué)習(xí)和校準(zhǔn)來確定coarse 和fine 電位器的相對(duì)位置。學(xué)習(xí)和校準(zhǔn)操作完成后設(shè)備不再報(bào)錯(cuò)item 149，分別用10×10、20×20、30×30 坐標(biāo)紙檢查光野，并用膠片曝光檢查照射野精度，精度達(dá)標(biāo)后證明學(xué)習(xí)校準(zhǔn)成功。設(shè)備可以重新投入使用。

3 故障三

3.1 故障現(xiàn)象

治療過程中，工作中斷，設(shè)備報(bào)錯(cuò)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(shù)值正常，check 電位器數(shù)值為0，很可能是由于check 電位器參考電壓不正常，導(dǎo)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(qū)A側(cè)的AI12板，coarse電位器和fine電位器的10 V參考電壓來自12區(qū)B側(cè)的AI12板[10]。而測(cè)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(zhǎng)期使用后，該電源模塊損壞，為節(jié)約維修時(shí)間，整體更換該電路板，設(shè)備恢復(fù)正常。

4 總結(jié)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是直線加速器的重要組成部分，日常維護(hù)保養(yǎng)對(duì)于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要作用[11-12]。建議每年進(jìn)行一次清潔機(jī)架，清除鐵銹，加潤(rùn)滑油[13]。鎢門齒輪盤和治療床升降軸承需要使用防輻射潤(rùn)滑油[14]。用于位置反饋的編碼器由于連續(xù)工作，容易發(fā)生故障，建議每?jī)赡旮鼡Q一次[15]。此外，由于位置系統(tǒng)的調(diào)整涉及到機(jī)架角度、機(jī)頭角度、準(zhǔn)直器等部件精度，必須經(jīng)過物理師對(duì)物理特性進(jìn)行檢測(cè)[8]，合格后方能投入使用。