西門子加速器多葉光柵電機壽命預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

湘潭市中心醫(yī)院 放療科，湖南 湘潭 421001

引言

加速器多葉光柵（Multi-Leaf Collimator，MLC）是實現(xiàn)適形調(diào)強放射治療的核心部件，它可以在計算機控制下跟隨靶區(qū)形狀變化，適時調(diào)節(jié)射野形狀，達(dá)到治療腫瘤、保護正常組織的目的[1-2]。傳統(tǒng)的多葉準(zhǔn)直器有58～120葉不等，隨著精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展，現(xiàn)在的新型加速器葉片達(dá)到了160葉。每葉光柵由一個單獨的電刷電機驅(qū)動其往復(fù)運動。光柵的行程和電機電刷的磨損程度成正相關(guān)[3]。當(dāng)電刷磨損到一定程度，電機壽命殆盡，需要設(shè)備維修工程師對其進行更換。由于每葉光柵的行程不一樣，電機壽命也不一樣，更換電機流程十分繁瑣。對一百多個電機陸續(xù)進行更換，不僅對工程師來說工作量巨大，更是會影響開機率，影響病人的療效。

傳統(tǒng)的加速器故障都是待故障發(fā)生后再去處理[4-6]，而對故障進行預(yù)測研究的文獻非常少。許安杰等[7]分析了5年內(nèi)醫(yī)用電子加速器的故障特點和規(guī)律，但是沒有根據(jù)故障特點和規(guī)律對未來故障進行預(yù)測。尚金華[8]分析了醫(yī)用加速器的可靠性增長模式及失效模式，然后計算出故障率函數(shù)，建議在MTBF時間點必須加強預(yù)防性維護，但該方法采用的模型計算方法非常復(fù)雜，在實際工作中可行性不大[9]。鄧永錦等[10]基于R語言BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)測模型描述了MLC系統(tǒng)故障因素與故障頻次之間的映射關(guān)系，但是無法預(yù)測故障因素與各葉片故障頻次之間的關(guān)系。因此，根據(jù)各個光柵的行程來預(yù)測電機的壽命，在電機壽命接近預(yù)警值時，對電機進行成批更換具有重要的意義。

1 電機電刷和使用壽命

電機電刷是電機旋轉(zhuǎn)機械的固定部分和轉(zhuǎn)動部分之間傳遞能量或信號的裝置。電刷種類繁多，其材料的選擇主要有碳質(zhì)和金屬質(zhì)兩種，其中碳質(zhì)電刷中主要以天然石墨、人造石墨和焦炭等碳素材料為主，金屬質(zhì)電刷屬于金屬復(fù)合材料，成分以石墨和金屬為主。本院西門子Primus-M型加速器上驅(qū)動MLC的電機是日本馳卡沙電工有限公司生產(chǎn)的TG-47-FU系列的碳刷電機。電機在旋轉(zhuǎn)的過程中，碳刷和集電環(huán)表面接觸并相對滑動時，會引起碳刷表面物質(zhì)磨損。電刷的磨損有3個階段（圖1），即磨合階段、穩(wěn)定磨損階段、劇烈磨損階段[11-13]。當(dāng)進入劇烈磨損階段時，電機壽命即將殆盡，進入預(yù)警值，需要對其進行更換。

圖1 磨損階段示意圖

從圖1可以得出，電刷磨損量和摩擦的行程成正相關(guān)。某個電機從更換那天到壽命殆盡那天相對應(yīng)的光柵的行程為這個電機的使用壽命。為了更準(zhǔn)確地評估電機壽命，可以取n個電機的平均值。

同廠家、同型號、不同批次的電機的壽命存在差異。電機在出廠前，廠家會根據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過大量的試驗和數(shù)據(jù)統(tǒng)計對電機的可靠性壽命進行評估，評估達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)才可銷售[14-16]。本文對出廠電機平均預(yù)期壽命差異進行忽略，假設(shè)出廠預(yù)期使用壽命是一致的。

2 MLC行程統(tǒng)計和電機壽命評估

2.1 單個計劃MLC行程統(tǒng)計

本院實施靜態(tài)調(diào)強放療技術(shù)，加速器有41對（82葉）光柵，計劃系統(tǒng)使用pinnacle計劃系統(tǒng)，病人治療計劃有50～80個子野不等，西門子加速器沒有記錄MLC信息的日志文件，因此MLC數(shù)據(jù)需要從計劃系統(tǒng)里面導(dǎo)出，數(shù)據(jù)為text格式。可以用文本編輯器打開，見圖2。圖2a為子野1的x1_(1-41)、x2_(1-41)部分?jǐn)?shù)據(jù)，圖2b為相對應(yīng)的子野2的x1_(1-41)、x2_(1-41)部分?jǐn)?shù)據(jù)。由子野2的x1_(1-41)分別減去子野1的x1_(1-41)的數(shù)值，則可得到由子野1走到下一個子野2的每葉光柵走過的位移。x2亦然。依此類推，可以算出實施完某個病人的計劃后82葉光柵各自走過的位移和。由于計劃子野數(shù)目眾多，位移計算由C++編程實現(xiàn)。

圖2 導(dǎo)出的MLC數(shù)據(jù)格式

2.2 單個工作日MLC行程統(tǒng)計

本中心使用的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)為Prowess Puma系統(tǒng)，病人治療完后都會生成一個日志文件對當(dāng)天的治療進行記錄。同樣根據(jù)C++語言編程，每天晚上24時對當(dāng)天的日志文件進行查詢。當(dāng)天的MLC總行程等于各個病人的計劃行程之和。

2.3 電機的平均壽命

各個葉片的行程自電機更換那一天開始從0開始累加，直到下次更換時再清零。電機的首次壽命推算取10個電機的壽命平均值。為了更準(zhǔn)確評估電機的壽命，在以后的電機更換中，若電機還未到90%的閾值則出現(xiàn)了故障或者因為某些原因未及時更換而超過了平均壽命后出現(xiàn)故障再更換，將其對應(yīng)的行程加權(quán)再平均。

3 電機壽命預(yù)警系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 設(shè)計工具

軟件采用支持面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的VC++程序[17-18]。

3.2 設(shè)計思路

每天將新病人的計劃文件導(dǎo)入到預(yù)警系統(tǒng)軟件，然后讀取各個計劃的MLC數(shù)據(jù)文件，計算出各個計劃MLC的行程，并以住院號為名稱保存在各自的文本文檔。設(shè)置一個定時器信號，軟件每天晚上24時對各葉片的當(dāng)天行程進行統(tǒng)計并累加，將數(shù)據(jù)保存。記錄n（n=10）個電機自更換直至故障時的各自總行程，并計算平均值，取此值為電機的平均壽命初值。待下一個電機更換，更換頻次+1，并記錄更換日期，保存，這樣更方便查詢更換記錄。累加行程與平均壽命的比值為壽命進度，進度條顯示實時壽命進度。每天晚上24時對壽命進度進行更新，當(dāng)進度條達(dá)到90%時，壽命進度百分比變?yōu)榧t色，提示此電機壽命達(dá)到閾值，需要更換。若電機在報警區(qū)間90%～100%內(nèi)及時更換，則重復(fù)電機更換流程。若電機還未到90%的閾值則出現(xiàn)了故障或者因為某些原因未及時更換而超過了平均壽命后出現(xiàn)故障再更換，將此電機實時累計行程Sing加權(quán)到平均壽命Savg，對平均壽命進行更新，更新值為Savg-new=(Sing+n×Savg)/(n+1)。這樣更能精確統(tǒng)計電機壽命的平均值。程序流程圖如圖3所示。

3.3 軟件界面

本研究設(shè)計的西門子加速器MLC電機壽命預(yù)警系統(tǒng)的軟件界面圖如圖4所示。

4 結(jié)果與討論

軟件自開發(fā)應(yīng)用以來，統(tǒng)計最初更換的10個電機的平均壽命為29345 m，至今一共更換了36個電機，未到90%的閾值則出現(xiàn)了故障的電機2例，未及時更換而超過了平均壽命后出現(xiàn)故障再更換的電機5例，其余都在報警區(qū)間每次3～5個在周末成批更換。

由于軟件自應(yīng)用至今的時間有限，出現(xiàn)故障的電機數(shù)量有限，最初取10個電機作為壽命平均值，難免出現(xiàn)較大誤差，因此本系統(tǒng)添加了“更新電機平均壽命”模塊，即在以后電機出現(xiàn)故障后將其壽命值加權(quán)到最新平均值，比如未到90%的閾值出現(xiàn)故障的2個電機、未及時更換而超過了平均壽命后出現(xiàn)故障的5個電機，那么最新的電機壽命平均值為17個電機的平均壽命值。隨著統(tǒng)計數(shù)目增大，誤差越來越小，這樣更能反映電機壽命的真實值。

圖3 預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計流程圖

圖4 軟件界面圖

本中心自2011年開展調(diào)強放療技術(shù)，平均每天治療患者50～60例，加速器MLC電機負(fù)荷量巨大。2014年，電機開始出現(xiàn)故障，且越來越頻繁，最多的一天更換了3個電機。更換電機手續(xù)繁瑣，時間長，工程師十分辛苦，更重要的是耽誤病人的治療時間，影響病人的治療效果。為解決此問題，應(yīng)用VC++程序設(shè)計了加速器MLC電機壽命預(yù)警系統(tǒng)，預(yù)警系統(tǒng)可實時顯示各個葉片的壽命進度，當(dāng)壽命進度進入90%～100%區(qū)間時，工程師可以在周末對壽命進度進入這些區(qū)間的電機進行成批更換，大大提高了工程師的工作效率，同時為病人的治療效果提供了保障。故本軟件系統(tǒng)在臨床工作中具有十分重要的實用價值。