醫科達Synergy直線加速器多葉準直器工作原理和故障分析

吳皓楠，胡彧

1. 南京航空航天大學 電子信息工程學院， 江蘇 南京 211106 ； 2. 南通市腫瘤醫院 醫療設備科，江蘇 南通 226361

引言

近年來，惡性腫瘤的發病率一直處于上升趨勢，治療腫瘤最有效的手段依舊是手術、放射治療和化學藥物治療。由于放射治療擁有適應癥寬、療效較好的優勢，放療在治療腫瘤方面有著舉足輕重的地位。隨著科學技術日新月異的發展，醫用電子直線加速器已經成為放射治療方面的主力治療設備[1]。目前主流的放射治療技術是調強治療，而調強治療所依托直線加速器的關鍵部件就是多葉準直器（Multi-Leaf Collimator，MLC）。由于患者病例數多，且在治療過程中，多葉準直器一直在高能射線輻照下做高精度的機械運動，因此多葉準直器的故障發生率高。所以，做好多葉準直器的保養和維護工作，保障直線加速器的正常治療，對于確保病人能夠得到及時、有效、準確的治療和維護醫院臨床科室的正常運作具有不可或缺的作用[2]。

1 基本原理

醫科達MLCi2型多葉準直器結構上用40對鎢合金葉片替代了原來的上端準直器，并在MLC葉片和下端準直器間增加了一對薄片準直器，薄片準直器會跟隨MLC葉片一起運動，進一步減少MLC葉片間的漏射線劑量。這種結構因為葉片靠近放射源，得到相同射野大小時，葉片的運動范圍較小，葉片長度也可以縮短許多，且多葉準直器整體結構緊湊，MLC結構示意圖如圖1所示。

圖1 MLC結構示意圖注：1. 葉片組件；2. Y方向鎢門；3. X方向鎢門。

醫科達MLCi2型多葉準直器的控制系統中采用光學系統結構代替了傳統的線性編碼器和高精度的線性電位器的機械控制結構。光學系統的應用省去了編碼器、電位器以及它們之間的接線，節省了大量空間，使得MLC維修能夠更加方便快捷。光學系統由光源、遮光板、反光鏡、分光鏡、聚脂薄膜反光鏡、攝像頭、攝像頭反光鏡和粘有反光點的多葉光柵組成[3-5]，光學系統原理圖如圖2所示。

圖2 光學系統原理圖

光學系統的光源由13.8 V、50 W的鹵素燈泡提供，通過反光鏡將100%的光反射到分光鏡上，接著通過分光鏡，將75%的光反射到聚脂薄膜反光鏡（聚脂薄膜反光鏡因其特殊的材料能夠做到不影響X線和電子線的通過）再繼續反射到多葉光柵的反光點和4個參考反光點上。此時反光點將光線通過聚脂薄膜反光鏡反射，通過分光鏡再最后通過攝像頭反光鏡反射進CCD攝像頭，以上是整個光路運作過程[6]。MLC的工作原理是當直線加速器主機從放射治療計劃服務器接收到治療計劃指令后，經過治療控制系統處理后傳輸給葉片馬達驅動板，馬達驅動板驅動電機運動從而帶動葉片運動。同時CCD攝像機捕捉葉片上的反光點后經過圖像采集卡傳輸給圖像處理器，將視頻信號后轉化為數字信號，送入MLC控制器中處理，從而監測和控制MLC葉片的運動。

2 故障案例一

2.1 故障現象

治療過程中，出束中斷，報“MLC not ready”聯鎖，點開報錯欄，顯示X1、X2、Y1、Y2四個鎢門均不到位，由于MLC葉片和鎢門有任何一個出現問題，都會導致整個MLC停止運動且無明確的鎢門和葉片的報錯提示，因此只能逐一排查。

2.2 故障分析與處理

復位后聯鎖消除，在Service模式下運行測試病例，故障依舊。在MLC界面點擊“Optics Optimization”按鈕查看多葉光柵反光點寬度，大部分數值為12或者13，最邊上的葉片寬度的值為11，且反光點有輕微泛黃[7-9]。將反光點燈泡亮度從9檔調高到10檔后進行光學優化，優化完成后可見所有的葉片寬度都能達到12或者13。對MLC進行循環測試，MLC報錯停止。根據以上現象分析，光學優化可以通過，基本排除光學系統及MLC葉片馬達驅動板故障。

懷疑驅動葉片的絲桿因長期使用可能有損壞，繼續測量葉片馬達電流。將機架轉到90°、小機頭轉到0，在MLC界面上點擊“Display Shape Codes”圖標，選擇Offset+12.5（40×40）的治療野，待所有的葉片都走到位后，依次點擊“Service Functions”圖標，選擇“Service Graphing＞Edit Machine Item Part”， 將 Item 2009 Leaf Control中 part 208 的值改成1，打開測試葉片電流功能，開始測試葉片馬達電流[10-12]。根據圖3中顯示結果，葉片馬達驅動電流均在90以內，處于正常范圍，排除了絲桿和驅動電機故障。

圖3 葉片驅動電流測試結果圖

在排除葉片部分故障可能性后，分析故障點可能出現在鎢門上，單獨驅動任一鎢門，均能夠運動，嘗試對4個鎢門的電位器分別進行繪圖測試分析。根據維修手冊，鎢門運動依靠Coarse、Fine和Check三個電位器確定位置，其中精準計算運動位置的是主電位器Coarse和Find，用次電位器Check來檢查主電位器運動位置數據的完整性，從而保證數據的一致性。其中Fine電位器中間具有兩個輸出頭，是雙刷電位器，通過連續旋轉形成雙路輸出；Coarse在整個運動范圍內大約旋轉10圈，用來記錄Fine電位器旋轉的圈數；Check電位器在整個運動范圍內大約也旋轉10圈和Coarse電位器保持一致，通過檢查和Coarse的一致性（如不一致則不能工作）來間接達到檢測Fine電位器的可靠性，通過這三者電位器的函數關系來保證鎢門運動的精準性，圖4為Coarse、Fine和Check三個電位器正常的函數關系圖，其中Fine電位器因為有兩個輸出頭，所以圖中分為Fine A和Fine B兩條線。

在繪制4個鎢門的電位器函數圖后和正常函數圖對比，發現Y1鎢門的Fine電位器運行軌跡在某一小范圍有明顯波動，判斷Y1鎢門的Fine電位器故障。測量好電位器抽頭電壓并做好記錄，按下手持控制器（HHC）的STOP按鈕，斷開接口柜的ICCA開關，做好電位器組件及電位器齒輪的位置標記后進行Fine電位器更換。更換完成后需要校準電位器之間的關系，按動小機頭控制單元上的功能選擇鍵選擇size Y1，撥動控制鎢門運動的波輪，驅動鎢門來回行走，在新的數據存儲好校準完成后，故障消除。

圖4 Coarse、Fine、Check電位器函數關系圖

2.3 驗收

MLC鎢門運動對精度的要求非常高，因為其關系到病人是否能夠得到應有的精確治療。維修完成后需要用方格坐標紙在光野下觀察鎢門運動是否準確到位，如果有偏差還需要重新調整鎢門的位置，保證其工作的精準性[13-14]。

3 故障案例二

3.1 故障現象

MLC 報錯 ：“Missing leaf reflector error”。

3.2 故障分析與處理

從輻射口處觀察到野燈燈泡點亮，打開輻射頭防護罩殼，測量發現野燈燈泡電壓在11.2 V，低于燈泡所要求的13 V，調節野燈電源選擇旋鈕，從原本的10檔調到12檔后進行光學優化，葉片運動一段距離后報“7040 Lost Reflector Rate”，重復多次后均不能完成優化。懷疑野燈老化，更換新的野燈燈泡后再次進行光學優化，故障依舊。懷疑反光點本身反光強度因長時間暴露在射線下性能下降。將光學系統模塊拆除，用紗布蘸取酒精對反光點進行擦拭，依舊報反光點丟失。根據上述情況，仔細觀察后發現，在調節燈泡亮度和擦拭清潔反光點后，顯示屏上反光點寬度均沒有明顯變化。調節CCD攝像機光圈，增大攝像機的進光量，觀察發現反光點寬度依然沒有明顯改觀，懷疑CCD攝像機老化，導致其對光的捕捉不敏感。測量攝像頭母板及其延長板上TP35和TP1A之間的Noncooled sensor電壓為3.8 V，根據圖5所示：3.8 V的電壓說明攝像頭已經達到了使用壽命的95%，需要更換。更換攝像機后，調整野燈電源到13 V，重新進行光學優化，故障消除。

圖5 攝像機壽命參考圖

4 故障案例三

4.1 故障現象

治療過程中，機器停止出束，報“MLC not ready”，復位后可以治療，在報錯欄經常閃現“MLC PRF”，治療一段時間后又停止出束，報“MLC not ready”。

4.2 故障分析與處理

進入Service模式，檢查MLC反光點亮度正常，對鎢門電位器進行繪圖測試也正常。繼續整體拖動40對葉片進行運動測試，發現Y2的25葉片行走緩慢，給Y2的25葉片換上新的驅動馬達和絲桿后測試，MLC故障依舊。繼續觀察，發現在拉動某一葉片時，周邊相鄰的葉片會跟著一起運動，查看MLC圖紙，驅動信號是從馬達驅動板到馬達，從而最后驅動絲桿帶動葉片進行運動。發現一起運動的葉片同時都經過馬達驅動板的D5芯片，判斷馬達驅動板有故障，更換新的驅動板后，故障排除。

5 討論

因MLCi2型多葉準直器的結構比較復雜，涉及光學，電路及驅動等很多方面。因此不但要充分了解其光學模組的結構和工作原理，也要了解電路的控制和驅動及反饋原理才能更好地著手維修。MLC的問題主要在光學系統、MLC葉片驅動系統及鎢門運動這三部分。光學系統主要影響MLC葉片的反光性能，反光性能不好將導致系統不能確定MLC葉片的位置。光學系統應按順序檢查燈泡及其電壓，反光鏡，葉片反光點和攝像頭。MLC葉片驅動系統主要包括馬達，絲桿和馬達驅動板。馬達驅動板可以通過控制系統手動驅動葉片的方法判斷其好壞，馬達和絲桿可以通過測試馬達驅動電流的方法來判斷好壞。鎢門運動主要包括鎢門驅動系統及電位器采樣系統。鎢門驅動系統同樣也可以用控制系統手動驅動鎢門的方法判斷其好壞，電位器采樣系統可通過控制軟件繪圖分析的方法來查找故障。通過以上三個方面，基本能夠判斷和解決MLC運動系統的問題[15]。

多葉準直器是調強放療中不可或缺的重要部件之一，其運動精度高且結構復雜，大工作量會導致故障率升高。為保證病人得到及時的治療和保障醫院的正常工作秩序，工程師需要熟悉其工作原理，從而能夠快速準確地解決機器故障[16]。因此，在維修設備時，需要結合電路原理圖和維修手冊，認真分析，仔細觀察和測量，理清思路，這樣才能及時解決故障。同時要注意經驗的總結，做好故障維修后原因的查找分析工作，根據故障成因，擬好對策，通過PDCA來保障直線加速器的正常運轉。