医用直线加速器的故障分析及维护*

杨 涛 张 虹 高关心 夏慧琳 屠 波 夏 婷 李 庚

医用直线加速器是肿瘤放射治疗的大型医疗设备，结构复杂，科技含量高，涉及的学科和技术繁多。放射治疗设备因其故障停机会对患者的治疗造成较大影响，因此对其进行基于可靠性分析方法的预防性维护和保养逐步成为临床工程师日常工作的一部分。有资料表明，国外预防性维护工作已达到本科室工作量的70%，且取得了较好的效果[1]。为确保直线加速器的正常运行，加强医用直线加速器的预防性维护显得尤为重要。

1 医用直线加速器结构

医用直线加速器种类较多，按照被加速粒子的种类，可分为电子直线加速器、质子直线加速器和重离子直线加速器。按照医用电子直线加速器采用的加速波分类，可分为行波医用直线加速器与驻波医用直线加速器；按照直线加速器产生电子线的能量分类，可分为低能直线加速器、中能直线加速器和高能直线加速器。虽各种加速器的结构不同，但其基本组成大致相同[2-4]。医用电子直线加速器主要结构包括加速管及束流系统、微波功率源及传输系统、电源及移动控制系统、温度控制系统、真空系统、患者支撑系统、剂量监测系统和辐射系统等，如图1所示[5]。

图1 医用直线加速器结构框图

(1)加速管及束流系统。加速管及束流系统由电子枪、加速管、输入或输出耦合器及波导窗组件、真空泵组件、聚焦对中及偏转线圈等组成。电子枪的阴极经加热后，可提供热发射电子，电子经加速管进行加速，加速管是整个直线加速器的核心部分[6]。

(2)微波功率源及传输系统。直线加速器通过微波功率源激励加速管中的电子进行加速。微波功率源有磁控管和速调管2种。低能直线加速器使用磁控管作微波功率源，中高能直线加速器使用速调管作功率源。微波功率源输出功率通过传输系统输送至加速管，制造用于激励电子的电磁场。微波传输系统主要包括隔离器、取样波导、输入输出耦合器、三端或四端环流器、吸收负载及频率自动稳频系统等。

(3)电源及移动控制系统。电源及移动控制系统主要功能是控制设备旋转等，由手控盒、功能键盘、电动马达和刹车系统等组成。

(4)温度控制系统。可调控加速器内部部件工作温度，带走微波功率源、加速管、偏转磁铁线圈、隔离器及吸收负载等在工作中产生的热量。温度控制系统主要分为恒温水循环系统、制冷系统和电控系统3部分。恒温水循环系统主要由储水箱、水泵、过滤器、分流阀和换热器等部件组成。该系统包括内循环系统和外循环系统，内循环系统是加速器内部的水循环系统；外循环系统是温控机组排出的恒温水通过连接管路进入到加速器内部换热器中的系统。

(5)真空系统。在加速器中为了有效地加速电子，需建立强大的微波电场，必须避免加速管内放电，因此加速管内需维持真空状态。真空系统的作用是隔绝空气中的分子，避免与被加速的电子相碰撞而损失能量。

(6)患者支撑系统。主要功能是加速器工作中对患者进行支撑和摆位，由床面、床体、控制部件、指示灯和刹车部件等组成。对不同患者、不同位置进行治疗，需通过患者支撑系统进行调节[7]。

(7)剂量监测系统。主要对加速器的辐射剂量进行监测，该系统的稳定与准确是实现治疗效果的重要条件之一[8]。剂量监测系统主要包括电离室、直流高压电源、信号检测电路、剂量计数表及程控放大器等[9-10]。医用直线加速器必须配备2个独立的剂量通道和1个时间保护通道。

(8)辐射系统。是直线加速器的关键部件之一，其作用是按照治疗需求对电子束进行X射线转换和匀整输出。辐射系统的主要结构包括靶、X射线辐射准直系统、均整器、电离室、遮光板和辐射野光学模拟系统等[11-12]。X射线辐射准直系统是用于产生一定形状轮廓辐射野的部件，由初级准直器、次级准直器和附加准直器组成。

2 医用直线加速器主要故障分析

2.1 可靠性和故障模式及影响

(1)可靠性分析。可靠性(Reliability)常指设备或系统在要求的条件和时间下达到要求功能的本领，要求功能指设备或系统出厂时技术要求的所有功能，还包括故障或完成所要求功能的判断标准；要求的时间是可靠性定义的核心，时间的多少跟设备和该设备使用目的有关；要求的条件是完成功能的制约条件，包括环境、使用人员和维修等条件[13]。

(2)故障模式及影响分析(failure mode and effect analysis，FMEA)。在生产和运转过程中分析设备或过程中可能存在的故障，分析各种故障所引起的风险，对故障模式的影响进行风险程度分类，制定各种改进措施的方法[14]。根据医用直线加速器结构特点，利用FMEA方法，对主要结构系统故障模式利用鱼骨图进行分析，如图2所示。

图2 医用直线加速器可靠性分析鱼骨图

2.2 移动控制系统

移动控制系统的主要故障包括手控盒故障、功能键盘故障、马达故障、刹车系统故障、位置电位器故障及限位装置故障。①手控盒故障时，使用手控盒控制设备时不能对设备进行移动，使得整套系统无法正常工作；②功能键盘故障时，不能在控制室自动摆位，影响加速器操作，使患者治疗时间延长；③马达故障或刹车系统故障时，运动马达通电后不工作或马达正常工作但设备不运转，无法移动设备；④位置电位器故障时，导致设备的移动位置信息不正确，需更换或调解电位器维修；⑤限位装置故障时，限位装置启动，不能对设备进行移动，使得整套系统无法正常工作。

移动控制系统与设备的运行密切相关，移动控制系统出现故障，可使设备不能移动，加速器无法正常工作，延误患者治疗时间，加重医院运行成本。

2.3 恒温水循环系统

恒温水循环系统的主要故障包括水压调节气囊故障、水温流速调节器故障、内循环水损耗、水冷系统没有电源供给、压缩机压力过高、散热风扇故障及水自然蒸发消耗。①水压调节气囊故障使水压忽高忽低，导致水循环工作不稳定，引起核心部件温度不稳定；②水温流速调节器故障使水温控制不恒定，同样导致水循环工作不稳定，引起核心部件温度不稳定；③内循环水损耗故障导致水压过低，设备各部件可能会停止工作，使加速器系统无法正常工作；④水冷系统没有电源供给导致水冷系统不启动，影响绝大部分控制电路无法工作；⑤压缩机压力过高导致压缩机停止工作，使加速器内部温度过高，加速器整体无法工作；⑥散热风扇故障表现是散热风扇不工作，设备热量无法散出；⑦水自然蒸发消耗使制冷系统的循环水供应不足，导致制冷系统散热效率低下，制冷不足，使加速器停止工作。

恒温水循环系统是保证加速器正常运行的关键部件，故障出现的概率较高，对加速器整体产生的影响也十分恶劣，应加强对其维护[15]。

2.4 患者支撑系统

患者支撑系统故障主要包括升降部件故障、左右移动部件故障、前后移动部件故障、旋转部件故障及刹车部件故障。升降部件故障会导致治疗床不能升降，左右移动部件故障会导致治疗床不能左右移动，前后移动部件故障会导致治疗床不能前后移动，旋转部件故障会导致治疗床不能旋转，这4种部件的故障最终均会对患者摆位有一定的影响。此外，患者支撑系统的刹车部件故障，则会使治疗床的运动不能锁死，导致治疗床在治疗时依然可移动，对患者治疗造成严重的不良影响。

患者支撑系统在加速器整体中并非十分重要，但如若其中的刹车部件损坏，则后果严重，需加强维护保养。

2.5 剂量监测系统

剂量监测系统的主要故障是电离室故障及剂量控制故障。电离室故障产生的问题较多，如两剂量通道之间输出剂量不一致性、电离室漏电导致输出剂量不正确或者-320 V电压丢失则会对电离室产生影响，使得电离室无法工作等，最终导致整套系统无法工作。此外，电离室剂量控制产生故障，使得剂量控制系统无输出，电离室及剂量监测系统不工作。

剂量监测系统对输出剂量的平稳性、对称性有一定作用，电离室是剂量监测系统的重要组成部分，其稳定性决定了剂量监测系统的稳定性[16]。

2.6 辐射系统

辐射系统的主要故障包括楔形板部件故障、灯光野部件故障、反光系统故障、摄像头故障和光栅系统故障。①楔形板部件故障表现为楔形板不能移动，无法形成治疗中要求的辐射野，导致加速器不能正常运行；②灯光野部件故障会导致无灯光野，影响X射线辐射准直系统的正常运行；③反光系统故障会使反光点亮度不符合要求，影响X射线辐射准直系统的正常运行；④摄像头故障会使视频信号输入过低；⑤光栅系统故障则导致备份光栅运动不到位，对X射线辐射准直系统和加速器整体运行产生一定的影响。

3 医用直线加速器维护改进措施

基于预防性维护理念结合医用直线加速器维护保养和医院可用资源对设备的故障模式提出相应的维护改进措施。

(1)移动控制系统。移动控制系统的改进除常规的定期检查、设备维护之外，还需定期检查刹车系统，加强临床工程师的维修技能培训，制定设备运行监测规范，定期校准位置信息等见表1。

(2)恒温水循环系统。定期更换内外循环水，清洗过滤器过滤网；定期检查压缩机压力，观察水压情况；定期观察水流速情况，观察水箱储水情况；定期检查系统各部位是否漏水、水泵是否正常工作，制定设备运行监测规范，加强维修技能培训。

表1 移动控制系统改进措施

表2 剂量监测系统改进措施

(3)患者支撑系统。定期检查刹车部件是否正常工作。

(4)剂量监测系统。需定期对电离室进行检查，定期校准输出剂量，加强剂量监测系统的质量保证和质量校准。电离室故障易受机房环境影响，因此还需保持机房干燥，通过空调、除湿机或者通风系统，维持机房温湿度见表2。

(5)辐射系统。需定期清洁光学系统，校准位置信息，加强辐射系统的维护保养和临床工程师的技能培训，定期进行必要的检测。

4 结语

医用直线加速器是医院重要的大型设备，其正常稳定运行对患者治疗十分重要。医用直线加速器采用合理有效的维护方式，加强维护保养是医院各临床操作人员和临床工程师的工作重点。剂量监测系统、辐射系统等组件应制定运行监测规范，加强校准和检查，必要时进行检测；患者支撑系统、恒温水循环系统等组件的正常运行对直线加速器的正常运行十分重要。加强设备的常规定期检查，通过空调、除湿机或通风系统，保障设备及机房在合适的温湿度环境中运行，预防性维护和临床工程师的培训可延长设备使用寿命，增加安全可靠性。