瓦里安Trilogy 直線加速器多葉準直器故障維修二例

張沛之，王亞東（通信作者）

四川大學華西第二醫院 （四川 成都 610041）

瓦里安Trilogy 系統是第一款支持同步成像的直線加速器。目前其On-Board Imager? （OBI）kV 成像系統提供了廣泛的成像模式，包括kV、MV、CBCT和透視。臨床醫師可通過其獲得軟組織、骨骼解剖或其他標記的高質量圖像，以實現最佳患者定位。同時，Trilogy 治療系統的治療時間更短，對健康組織的損傷更小，并能提供廣泛的癌癥護理。Trilogy 系統用途廣泛而可靠，已成為高級放射治療的金標準[1-4]。其中，Trilogy 加速器多葉準直器（multileaf collimator，MLC）葉片位置精度對于準確的動態放射治療非常重要，且MLC系統機械結構異常精密，電控設計復雜[5]。如果患者量較大，機器使用率較高，可能導致設備故障率偏高，因此醫院設備工程師掌握MLC 系統組成及維修方法對于保障設備穩定運行非常重要。

1 MLC 的系統組成及初始化

MLC 系統組成主要包括工作站計算機（workstation computer）、控制器組件（controller）、MLC頭組件（MLC head assembly）和馬達驅動組件（motor drive assembly）。具體包括頭部收發組件部分（head transceiver）、馬達互聯部分（motor interconnect）、馬達驅動部分（motor drive）、光學發射器和接收器部分（optical emmitter and receiver）、葉片盒部分（carriage box）、二次反饋部件（secondary feedback）等，如圖1 所示。MLC 控制器通過hyper terminal 與工作站計算機進行射野信息的交互，再由MLC 控制器通過光纖傳遞到左右兩側頭部收發電路板，再由頭部收發電路板將信息轉換為葉片位置信號，傳遞至葉片馬達及葉片盒電機。頭部收發電路板作為MLC 頭部組件的通信板，每一個葉片盒都需要一個頭部收發組件。MLC 的零位通過光學對準系統確定位置，如圖2 所示。頭部收發組件包含的電路可同步通過紅外發射器電路板的LED 電流，并感測光接收電路板在leaf-at-cal 與leaf-in-field output 時的狀態。當光接收器檢測到前檢測器處的光是尾檢測器處光的50%時，光接收器認為是leaf-at-cal 輸出狀態，它會向電機驅動器電路板發送信號，以動態制動電機。當葉片被驅動超出光束時，它可能阻止光被尾檢測器接收，如果尾檢測器未接收到來自紅外發射器的光，則光接收器認為是leaf-in-field 輸出狀態。當系統初始化期間被控制器置于光學對準模式時，頭部收發器向電機驅動電路板發送信號，以便在每個葉片到達對準位置時對每個葉片施加動態制動。

圖2 MLC 系統初始化示意圖

在MLC 初始化過程中，葉片首先被驅動到soft-pot（二次反饋）位置，或者完全縮回到葉片盒中，這是因為它們不斷變化的電機計數與任何物理量無關；其次，第一對葉片緩慢地驅向光束，光接收器監視其兩個光電探測器接收到的光，然后等待葉片尖阻擋光進入前光電探測器，但不阻擋光進入尾光電探測器的點；最后生成leaf-at-cal 信號，葉片會縮回，且系統通過相同的過程再次將葉片驅動到光束中，以重新檢查同一葉片。如果在電機計數容差范圍內觸發leaf-at-cal 輸出，則葉片縮回5 mm。每個葉片都以這種方式順序進行葉片初始化[6]。

2 MLC 聯鎖工作原理

在MLC 未做好治療準備時，MLC 接口電路板會向治療控制器發送聯鎖信號。當-12 V DC 電源信號從加速器主機柜連接到MLC 連鎖輸入端時，通過關閉兩個固態繼電器釋放接口電路板上的聯鎖。此外，通過串聯這兩個固態繼電器（K1 和K2）實現冗余電路，也就是在一個繼電器發生故障或短路的情況下，另一個繼電器仍可以啟用聯鎖功能，如圖3 所示。同時，兩個固態繼電器輸出的狀態可由CPU讀取，從而允許檢測出現故障的繼電器。在MLC 初始化期間測試聯鎖電路，任何測試失敗都會導致聯鎖輸出傳遞到PCB。另外，在接口電路板上有一個看門狗計時器（watchdog timer），可在控制器發生故障時自動激活MLC 聯鎖。因此控制器軟件必須在超時周期（約70 ms）內向watchdog timer 寫入數據，以保持watchdog timer 保持激活狀態，不然就會自動激活聯鎖[7]。

圖3 MLC 聯鎖電路圖

3 MLC 故障分析與維修

3.1 故障一

3.1.1 故障現象

Trilogy 在正常運行治療患者過程中，加速器機架停止轉動，并同步中斷治療計劃。MLC 報錯并顯示如下錯誤信息：Leaf B37 pos error=0.512 cm＜ISO＞ Tol=0.500cm＜ISO＞ Run diagPerformanceTest at 278.0 degrees to check leaf performance ASSERT MLCX_IL_LEAF_POSITION ASSERT MLCX_IL_REMOTE System not in treat Gantry=262.5 DoseFraction=0.74652（葉片B37 位置錯誤：需要在278 度位置執行diagPerformanceTest 性能測試）。在HyperTerminal 命令窗口輸入wr，重新初始化后可繼續治療，但運行一段時間后MLC 又重新聯鎖，并顯示如下錯誤信息：B37 SEC_IL:Tolerance error Counts：raw=49：sec=-4.865 pri=11.973，diff=-16.838 ASSERT MLCX_IL_SECONDARY_FEEDBACK（葉片B37 聯鎖：誤差錯誤：初始數值：11.973，二次反饋數值：-4.865，誤差：-16.838）。多次初始化MLC 后，聯鎖報錯的頻率逐步提升，并在HyperTerminal 命令窗口顯示如下信息：B37 SEC_SEC_IL: no actuator contact Counts: raw=18:pri=5.279（葉片B37 聯鎖：無驅動器接觸）。

3.1.2 故障分析與處理

根據第一個報錯信息可判斷故障區域為MLC組件，在MLC 中葉片盒B 的第37 個葉片位置誤差值為0.512 cm，超過了閾值0.5 cm 導致的聯鎖故障（ISO 指的是isoplane units）；第二個報錯信息顯示的是葉片primary 和secondary 兩路信號的誤差超過了系統容忍范圍，因而報故障聯鎖；第三個報錯顯示的是驅動器無連接報錯。

系統建議使用者在終端輸入“diag Performance Test”，以檢測葉片在等平面內（isoplane）以2.5 cm/s 的額定速度移動的能力。此測試是以2.5 cm/s的速度沿相反方向移動間隔相鄰的MLC 葉片，從而測試葉片產生最大摩擦的情況，并記錄移動葉片所需的電機功率百分比（Percent motor power，PWM）[8]。如果PWM 超過95%，就可以判斷故障的來源應該是馬達、絲桿或葉片間阻力。MLC 葉片內部傳動部件構造如圖4 所示。

圖4 MLC 葉片內部傳動部件構造圖

由圖4 可知，葉片的驅動主要是由馬達連接絲桿轉動，再通過葉片中的T 型螺母促使葉片前后發生位移，從而遮擋射線。此故障多由MLC 葉片馬達傳動部件損耗造成，如果出現故障后不能將葉片退回到葉片盒的話，誘因可能是馬達性能下降，絲桿阻力變大，T 型螺母損壞。如果葉片可以退回到葉片盒并能重新走野的話，則可能為小球或軟電位器故障。根據此次故障的現象初步判定故障原因為馬達或絲桿[9]。為了驗證故障問題，將機架旋轉到278°后，在終端輸入“diagPerformanceTest”以測試葉片，如圖5 所示。通過測試可知，雖然葉片B37 的PWM 未超95%，但驅動最大值及平均值均超過其他葉片，因此判定故障確實存在。

圖5 “diagPerformanceTest”命令測試示意圖

同時，也可以在HyperTerminal 命令窗口輸入“diagLeafVelocityRecord”，測試葉片的運動速度。輸入代碼后緊接著輸入葉片盒和PWM 的數值后，系統會直接計算葉片運動的平均值、方差、平均絕對離差等參數，并列出平均值最低的葉片編碼，因此可以通過這種方式進一步確定故障是否存在于葉片內部傳動部件。此外，為了進一步確定是否為馬達性能故障，可以在終端命令窗口輸入“diagMotorPWMTest”后再輸入具體的葉片編號，觀察葉片馬達伸縮時的具體參數，從而確認故障源是否為馬達部件，如圖6 所示。

圖6 “diagMotorPWMTest”命令測試示意圖

通過手控將機架轉動至180°，拆下MLC 外機殼并關閉鎢門，防止維修工具掉落；然后用1/4 英寸內六角扳手拆掉MLC 周圍的4 顆螺釘，并將MLC 外殼抬起放于旁邊；接著在維修控制板上將Carriage Select 開關撥動到右邊（B-side），再用葉片旋鈕將數字調到37，通過手動轉動報錯葉片觀察葉片的運行情況。需要取下葉片絲桿時，撥動開關將B37 葉片向前推行一段距離，再取下對應的馬達和彈簧，接著用手輕輕將B37 葉片退回到葉片盒中并取下絲桿。觀察并轉動絲桿，排除了絲桿阻力過大問題，因此確認故障應為馬達性能變差導致。斷電更換馬達后在終端程序中輸入快捷指令wr，重新初始化MLC部件并輸入“diagMotorPWMTest”命令，再次驗證馬達性能，如圖7 所示。測試完后對比未更換時的馬達伸縮性能，發現平均值和PWM 的方差值更小。觀察一段時間，該問題未再出現，確認故障排除。

圖7 “diagMotorPWMTest”命令驗證圖

3.2 故障二

3.2.1 故障現象

Trilogy 機架正常轉動治療患者時，突然終端出束并發生聯鎖故障報錯MLC，同時終端命令提示窗口顯示如下錯誤信息：Leaf A44 is Sticking.Leaf A44 Should have moved,pri err（葉子A44 被卡住，一級信號錯誤）。

3.2.2 故障分析與處理

MLC 每個葉片都有Primary 和Secondary 兩路信號，Primary 信號由馬達自帶encoder 發出，Secondary 信號用于軟件檢測并同時監測每個葉片的位置。Primary 和Secondary 信號在自檢的同時進行對比，從而監控信號是否正常。因此首先檢測馬達絲桿等配件的磨損情況，通過手控將機架轉動至180°，拆下MLC 外機殼并關閉鎢門，防止維修工具掉落；接著用1/4 英寸內六角扳手拆掉MLC 周圍的4 個螺釘，再將MLC 外殼抬起放于旁邊；然后在維修控制板上將Carriage Select 開關撥動到左邊（A-side），再通過葉片旋鈕將數字調到44；手動撥動報錯葉片時，馬達可正常運行，但伴有“嗤嗤”聲。按照之前的方式拆下馬達和絲桿檢查，并未發現異常，因此將A44 的馬達絲桿與旁邊A46 的馬達絲桿交換，發現MLC 仍然無法初始化，命令窗口仍然顯示Primary 和Secondary 報錯信息。因此判斷故障點可能是為小球、T 型螺母或軟電位器等部件。當拆下葉片盒A 的軟電位器后發現小球有斷裂，且斷裂后刮傷了軟電位器，導致系統無法識別，如圖8 所示。在備件倉庫找到新的軟電位器和小球，重新安裝后系統初始化成功。設備運行一段時間后，確認故障排除。

4 小結

醫用直線加速器是一種技術含量較高的治療設備，由于設備系統結構復雜，產生故障的頻率也較高，隨著設備的長期使用或使用時間的延長，故障的頻次也會相應提升。因此對于醫院設備維修人員來說，必須了解設備各系統工作原理，熟悉設備結構等知識，才能在遇到加速器故障時快速分析故障原因。同時，每次維修后對故障進行歸納總結，有助于對類似故障的排除及維修，從而降低因故障停機對患者治療帶來的影響。