瓦里安醫用直線加速器多葉光柵故障分析和維修

余權達，鄭雪

1. 齊齊哈爾市第一醫院 放療科，黑龍江 齊齊哈爾 161005；2. 齊齊哈爾大學，黑龍江 齊齊哈爾 161000

引言

放射治療與手術和化療并列成為腫瘤治療的三大核心手段。自倫琴發現X射線后，產生了放射腫瘤學，科學技術的高速發展，使得醫用電子加速器成為放射腫瘤治療的主要設備，從術中放療到外照射，都有它們的身影。瓦里安醫用直線加速器[1]配備120片多葉光柵，根據影像設備傳輸過來的患者腫瘤三維重建圖像，利用直線加速器TPS治療計劃系統數據，通過多葉光柵適形控制系統（Multi-Leaf Collimator，MLC），形成與腫瘤大小一樣的治療適形射野，精確地給予控制腫瘤的劑量，盡可能地保護正常組織，提高腫瘤劑量，獲得更高的腫瘤控制率。目前，主流的放射治療是逆向調強放療，原理都是通過控制MLC，調制射野范圍內的射線強度實現所需要的非均勻劑量的分布，達到處方劑量和腫瘤劑量高度匹配，提高適型指數，降低放療毒副反應。瓦里安加速器配置的計算機需要同時控制120個葉片運動，結構緊湊精度高，經常會遇到MLC故障。這就要求工程師做好MLC的維護和保養工作，保障加速器的治療過程順利，對確保病人得到及時、有效的治療具有非常重要的意義，是科室正常運行的強有力保障。

1 MLC工作原理

瓦里安MLC包含硬件和軟件兩部分，用戶操作界面使用Windows操作系統環境。主要分五大塊：① 工作站：用于用戶交互界面控制，調用臨床計劃，以太網連接到控制器，控制器接收臨床計劃，驅動MLC葉片形成各種腫瘤形狀；② 控制器：通過CPU板發出指令和接口板通訊，控制MLC頭部系統；③ MLC頭部系統：包括兩塊頭部轉換板、兩塊馬達驅動板、光學紅外板、二次反饋板、軟電位器板、電源分配板、維護板、直流電源和馬達接口板；④ 調試工具：通過調試工具初級校準葉片精度；⑤ 馬達驅動系統：驅動120個馬達，控制carriage運動，監控馬達電源狀態。

60對合金葉片附加在準直器上，當工作站調用計劃時，通過以太網發送指令到控制器，經過光纖通信接口板解碼，馬達在CPU板控制下，推動葉片形成所需的形狀，射野可以最大到40 cm×40 cm。多葉光柵系統原理圖如圖1所示。

圖1 多葉光柵系統原理圖

2 故障案例一

2.1 故障現象

機器正常治療過程中出現多葉光柵報警，顯示“Leaf A08, B08, A35, B26 is sticking, Leaf A08, B08, A35, B26 should have moved (primer), Leaf A08，B08，A35， B26 should have moved (sec err)”。自檢顯示 A08，B08，A35，B26卡住，同時這些葉片初次和二次位置比較，有移動現象。

程序自檢最后顯示ML.CX_IL_INIT_FAILURE，自檢失敗。進機房查看機頭的MLC，發現葉片不對齊，見圖2。

圖2 葉片自檢時沒對齊

2.2 故障分析

MLC走位不準或者MLC位置信號報錯，引起治療中斷涉及的原因很多[2]。根據計算機報警提示信息，和該故障相關的因素主要包括四個部分：① 機械故障：瓦里安MLC葉片馬達無論是厚葉片還是半寬葉片（薄葉片）都有一個同軸編碼器，用來監測位置信息和運動方向[3]，如果編碼器損壞會造成馬達位置判斷錯誤；② 葉片之間有污垢：葉片為減少漏射線，葉片之間是緊密相連的。如果葉片有灰塵、油污等，會在葉片伸縮走位時使阻力明顯增加，電機不能推動葉片運動造成卡住的故障；③ 電源故障：MLC系統包含5 V、±15 V電源。電源電壓值偏高或者偏低，會導致測量不準確和驅動問題；④ 接口系統[4]故障：馬達連接板通過扁平電纜線連接到頭部的接收板和馬達驅動板，再轉接到二次反饋板。線路比較復雜排線多，線路破損和接觸不良都會造成葉片運動故障。

2.3 故障檢修過程

根據故障提示MLC葉片sticking故障[5]，首先想到的是按照故障出現概率大小和可能性排查葉片是否被粘住。拆除準直器蓋板4個螺絲，打開蓋板。通過MLC維護面板（圖3），選擇標號為?的開關S9，撥到左邊A面，通過旋轉標號為?的旋鈕，觀察標號為?的數碼管顯示出A08，選出A08馬達。撥動標號?的開關，將A08葉片伸出，把葉片表面上的污垢清潔干凈，注意處理葉片上的溝槽，避免積累灰塵。手動控制A08葉片運動，沒有發現葉片運動阻力異常增大導致運動葉片不到位的現象。拆下該葉片電機，接在維護板標號為⑥的J1插座上測量，標號為④的電機ENCODER OK LED燈亮綠燈，表明馬達編碼器工作正常，同時標號為⑤的LEAF CURRENT條狀燈顯示3～4個格，表明電機線圈繞組沒有破損，不會產生過流現象或者斷路現象。電流處于正常值范圍，初步判斷電機正常，基本可以排除電機故障，其他葉片也是同樣操作。

圖3 MLC維護面板圖

電腦端的MLC終端程序開機自檢，顯示只有“Leaf B08 is sticking”，排除A08、A35、B26馬達損壞，只需要更換B08馬達。更換該電機后，自檢不再報“Leaf B08 is sticking”故障。通過以上操作，可以發現真正有問題的電機，避免把好的電機更換掉。一個電機價格為4000余元，MLC多葉光柵系統[6]總共有120個電機，這樣操作可以極大地節省維修成本。

3 故障案例二

3.1 故障現象

電腦顯示“Leaf A36 Exceeded max pri-sec error. Leaf A36 Secondary read error(s) during calibrating”。MLC 軟 件診斷顯示A面的第36個葉片在第二次校準時，第一次和第二次的相同位置比較誤差大于默認值。此類故障無法從設備自檢時通過葉片是否對齊來判斷葉片故障，它是根據軟件判斷哪個葉片有問題，檢查難度相對較大。

3.2 故障分析

二次反饋系統提供一個冗余備份位置信息，監測葉片和carriage葉片組系統。該系統為防止葉片的編碼器在不能正確判斷葉片位置時，及時阻止MLC在系統不正常的情況下工作。該裝置由軟直線變阻器（Soft Potentiometers，softpot）和wiper組成，softpot由平行排列的電阻條印刷在透明的薄膜板上，共120個softpot，對應120個葉片，結構原理就像是滑動變阻器。通過葉片上的wiper在滑動變阻器上滑動獲取電壓值，該值對應葉片移動的電阻值，代表移動的距離位置。二次反饋板同時接收這120個電壓值，通過模擬轉數字電路，使得計算機能夠計算該值從而得到葉片的移動位置。如果該值和計劃的葉片值比較誤差過大，超過限值時停止MLC工作，避免治療劑量不正確，保證患者放療劑量的安全性，如果二次反饋系統出問題容易發生不到位故障。該故障說明程序在二次反饋檢測時，發現葉片移動的距離誤差值超過了初級檢測值，MLC因此停止運行。二次反饋工作原理流程圖如圖4所示。

圖4 MLC二次反饋工作原理

可能的原因有三個：① nut磨損導致公差過大引起的故障；② 電機的編碼器損壞；③ softpot損壞。

3.3 故障檢修過程

重新自檢MLC，初始化程序，報初級和次級位置超過誤差值，初步懷疑二次反饋系統工作不正常。本著從簡單到復雜的維修過程，首先懷疑nut磨損導致公差過大引起的故障，nut是塑料材質，相當于螺母，馬達驅動螺桿，nut在螺桿中移動，帶動葉片運動，長時間運行，nut不可避免地磨損。打開MLC蓋板，把A36葉片取出，更換葉片中的nut，自檢MLC程序，還是顯示相同故障，排除nut的因素。

其次懷疑是馬達電機故障[7]，如果電機的編碼器損壞，不能正確地讀出移動的距離，在比較初級和次級位置時，會導致兩者數據相差過大，也會導致同樣的故障。更換新的電機再次自檢，故障還是一樣，排除電機故障。

使用萬用表測量二次反饋板的SIG測試點和Lgnd點的直流電壓值，通過維護面板選擇A36馬達，控制A36葉片運動。偶然發現SIG測試點的電壓值偶爾會跳變，不能隨著葉片的運動均勻變化，懷疑softpot劃傷，因為該裝置印刷在薄膜上比較薄，材質相對容易劃傷。二次反饋系統拆卸比較麻煩，需要先拆卸加速器機架上的外殼，機架旋轉180°，轉到下面和地面平行，然后拆卸準直器下保護殼，最后拆卸準直器上保護殼。拆除準直器蓋板，露出二次反饋系統[8]的softpot板，必須通過MLC維護面板把MLC的多葉光柵組向左右兩側外面開到最大，露出二次反饋softpot板的安裝螺絲。該板分上下兩部分，先拆卸下面的反饋板，小心移出下面的反饋板，不要把扁平電纜彎折，避免線路折斷。拆解打開的softpot板如圖5所示。

圖5 softpot板實物圖

檢查發現二次反饋板[9]上的softpot有幾個導電軌道刮出的很深的劃痕，導致wiper在移動時不能很好地和導軌接觸，因此報二次反饋超過允許的誤差值。考慮到二次反饋softpot板價格超10萬，為延長其使用壽命，清潔導電軌道、拋光導軌及減少劃痕。換上新的接觸刷并打磨光滑，新的接觸刷彈性好，能更好地和導軌接觸，把接觸刷往旁邊掰彎一些，錯開劃痕的位置。恢復安裝位置，運行不再報“Secondary read error”錯誤，故障排除。

4 故障案例三

4.1 故障現象

程序自檢，報“side A carriage collision”，顯示A面的carriage碰撞到物體。

4.2 故障分析

該故障也是通過軟件來判斷，目視carriage是無法判斷是否撞到物體的，只要軟件檢查異常就會報碰撞到物體。它是通過二次反饋板上的線性編碼器[10]獲得它的移動距離，從而判斷自己的位置。carriage有兩個，分別是A面和B面。每面60個葉片，葉片安裝在carriage上，隨著carriage一起運動，提供更大的照射野[11]范圍。線性編碼器是一種刻度條，1 mm對應5個刻度。當carriage移動時，其上安裝的光學讀碼器讀取刻度[12]，產生脈沖信號，信號被送到head transceiver，通過TX發送端光纖接口連接到MLC控制器[13]的Motcomm板解碼計算[14]，基于真實測量值和計劃預先算出來的位置值，Motcomm板分析這兩個值產生必需的馬達控制指令信息去驅動每一個葉片和carriage馬達。MLC判斷carriage collision故障是通過光學編碼器讀取編碼器條形刻度線，獲取位置信息，比較計算位移值是否正確[15]，判斷是否發出報警信息。

4.3 故障檢修過程

先檢查A面和B面的二次反饋板的tp2和tp4的測試點電源[16]，如果電源不穩定，將影響板上的芯片正常工作[17]。使用萬用表直流檔測量這兩個測試點值都是5 V，說明電壓正常，排除電源的影響。

檢查BRAKE信號為低電平，說明剎車電磁閥工作正常，排除剎車抱死馬達的因素。檢查EN使能信號為高電平，說明的確有碰撞信號發出，需要進一步檢查故障發生的原因。carriage馬達電路原理如圖6所示。

圖6 carriage馬達電路原理

檢查光學編碼器條形刻度線是否有污垢、刻度線不清晰的問題，其將嚴重影響光學讀碼器正確分辨刻度線的間距，誤導移動時產生的距離，導致判斷錯誤。清潔干凈刻度線后，重新自檢，排除光學編碼器的影響。

馬達性能下降，扭矩不夠，移動距離不到位，也有可能導致報警。更換一個carriage馬達，運行自檢程序，還是報相同的故障，排除馬達的因素。瓦里安的加速器二次反饋板的A面和B面兩塊板規格尺寸一樣，可以互換。拆的時候要注意扁平電纜的彎折方向，避免安裝不到位卡壞電纜。把兩塊板互換后MLC初始化自檢，報B面碰撞[18]故障，故障轉移到B板上，因此確定A面二次反饋板損壞導致碰撞故障，更換該板故障解除。二次反饋板拆解位置如圖7所示。

圖7 二次反饋板拆解位置

需要注意的是在安裝反饋板時，要調整好板上的光學編碼器讀取頭安裝的高度[19]。條形刻度條安裝的時候一定要處于光學編碼器讀取頭中間，不能直接接觸，否則移動的時候刻度條刮到光學讀取頭會導致二次反饋板損壞。調用MLC文件和患者治療文件[20]，MLC能夠運動到正確的位置，故障解除。

5 討論與總結

瓦里安加速器MLC多葉光柵有120個葉片，葉片多、機械結構和控制系統復雜，經常會遇到葉片運動故障。MLC故障通常的表現就是葉片不工作，但引起故障的原因是多方面的。常見的故障維修基本是換馬達或者nut等配件。但盲目換馬達是不可取的，因為當葉片有污垢運行阻力增大時，報葉片卡住故障，換新馬達通常能解決問題。但換下來的馬達不一定是壞的，只是新馬達的扭矩可能比舊馬達大，掩蓋了葉片阻力大的事實。不久之后故障還是會發生，還容易導致馬達過載，損壞馬達電樞線圈。針對sticking連鎖故障，有時簡單地清潔葉片，就能讓故障消除。推薦利用維護板測試馬達，就能很好地判斷馬達是否合格，避免盲目更換。對于carriage碰撞故障，也不要盲目懷疑電機故障，需要通過二次反饋板和正確的安裝拆解來判斷和解決。針對初級和次級位置不一致故障，除了要考慮電機編碼器、nut公差大等因素，更有效的手段是在測量時細微地觀察SIG電壓值是否異常，數值是否連續可靠來判斷軟電位器是否磨損過度，導致接觸不良，做到有數據支撐來判斷和分析故障，指導故障維修。

在缺乏配件應急維修時：① 遇到二次反饋故障，可以通過把接觸刷掰彎避開軟電位器板受傷位置處理故障，讓治療得以繼續，避免患者等待時間過長；② 針對nut引起的故障，在沒有配件可換的情況下，可以通過調換不同位置的nut來臨時應急維修，因為磨損造成的公差不同，只要能保證自檢通過，維持正常工作即可，可等待配件到位后再進行更換；③ MLC控制盒外置電源如果損壞，完全可以用相同規格的非原廠電源取代。

作為維修工程師，要熟悉MLC維修手冊上的知識點，如紅外線自檢初始位置、光學系統判斷carriage位置、葉片到位的二次位置判斷、馬達同軸編碼器判斷距離和方向故障，軟電位器的位置判斷故障和光纖通信解碼故障等。因此不但要充分了解其工作原理和結構，理解各部分電路是如何配合工作的，還要掌握計算機通信原理。MLC是按照一定的順序運行的，因此需要了解程序的運行步驟。熟練掌握程序運行的檢查命令非常重要，在MLC產生異常現象時，能夠快速判斷和處理程序報錯信息。還需全面了解驅動控制和機械結構，熟知拆解的正確順序，便于順利拆解各部分配件，防止拆卸時損壞扁平電纜和其他電線。

因此，熟悉MLC工作原理和內部結構，能夠快速修復機器，減少患者等待時間。在維修時不會盲目地更換馬達，通過技巧判斷哪些馬達需要更換，可以節約維修成本。日常維修和保養過程中及時清理灰塵，保持準直器清潔，可以有效地延長MLC的使用壽命，減少故障的發生概率。當患者數量較多時，MLC工作負荷重，因softpot板比較薄，長時間使用磨損不可避免，故最好在使用三年后采購備用。

加速器MLC配件年更換數量統計如圖8所示。通過統計MLC故障及更換相關配件的數量，可以合理地提出配件采購計劃，準備庫存，避免盲目購買，節約資金。同時通過統計數據，可以合理地安排MLC預防性故障檢修計劃。每月定期清潔葉片，能夠避免葉片運動阻力過大引起其他故障，延長馬達壽命，降低故障發生率。通過自檢程序檢查nut公差是否合格，避免治療時因光柵不到位導致治療中斷，使其流暢運行。

圖8 MLC配件年更換數量（平均）

本文介紹的三個維修案例，涵蓋了MLC運行的大部分經典故障，涵蓋MLC機械系統、光學讀碼系統、紅外系統、電路和通信系統等諸多方面，較為全面，可為同行維修此類故障時提供參考借鑒。