Elekta加速器运动系统工作原理及故障维修

张朋，李坚

中国人民解放军联勤保障部队第九七〇医院 医学工程科，山东 烟台 264000

引言

精确放疗技术对直线加速器的机械性能尤其是运动系统的性能有着严格的要求。根据自动控制系统的理论，相对于开环系统，带有反馈网络的闭环系统具有更高的稳定性。Elekta 加速器运动系统主要包括机架旋转、准直器移动、治疗头旋转、多叶光栅移动以及治疗床运动等。除了多叶光栅系统外[1-3]，其他运动系统一般分为三部分：驱动电机、编码器、控制部分，如图1 所示。

图1 Elekta直线加速器运动系统原理图

在整个运动系统中，位置反馈是关键环节，加速器通过主要级编码器和次要级编码器向控制系统反馈运动部分的位置信息[4]。其中，主要级编码器包括coarse 和fine 两个电位器，向控制系统提供精确的位置信息。coarse电位器只有一个电刷，在整个运动过程中大约旋转10 圈，输出范围为0～10 V。加速器控制系统能够根据其输出值判定fine 电位器完成的周期数，并且判定使用fine 编码器的哪一路输出。fine 电位器能够连续旋转，具备两个位置相反的电刷，输出值在0～10 V 之间，输出差值大约为5 V。通过连续旋转，在coarse 电位器的线性输出波形上加载一个锯齿波，即通过与coarse 电位器的相对位置关系实现精确定位，如准直器旋转精度达到0.01°[5]。次要级编码器包含一个check 编码器，结构上与coarse 电位器相同，用以实现控制系统对主要级编码器反馈信息的完整性进行检查。coarse 电位器和fine 电位器输出范围在0～10 V 之间。两级编码器一共向系统输入四路电压信号。

除了共同特点之外，各个运动系统也有其自身特点，如机架旋转系统装备有刹车线圈，防止因运动惯性导致的位移[6]。工程技术人员既要熟悉运动系统的共性，又要了解各个子系统的不同。只有对运动系统的结构和原理有了系统深入的认识，遇到设备故障时才可能系统全面的分析问题，既解决故障，又避免在维修过程中影响设备精度[7]。通过几个比较典型的维修案例分析，加深对运动系统的理解。

1 故障一

1.1 故障现象

用手控盒控制机架旋转的过程中，机架突然停止，复位后，又能正常动作，同样故障反复多次出现。

1.2 分析与维修

机架运动部分主要分为运动电路和刹车电路，机架静止时，运动电路及刹车电路不供电，在电机内部的磁铁作用下，电机处于刹车状态，保证机架能够稳定静止。当控制电路发出机架运动的信号后，运动电路开始工作，同时，刹车线圈供电，产生电磁场抵消电机磁铁磁场的刹车作用，保证机架的正常运动[8]。

运动电路由71 区的UMD 马达驱动电路板提供脉冲电压供电，拆卸下电机，测量电机的阻抗在正常范围内，拨动手控盒的机架旋转滚轮，测量电机供电电压正常，判断故障很可能是由刹车电路导致的，重要的是如果刹车电路出问题，没有得到及时修复，很可能会损坏电机。

刹车线圈工作电压为26 V，由71 区的UMD 板提供[9]，中间需要经过72 区的ROC-A 板上的RLB1 继电器和HME 板上的RLB 继电器。其中，出现故障时，拨动机架运动开关，该继电器A9～A11 端口一直处于断开状态。经检查发现由于它的一对触点损坏，导致系统无法为电磁铁供电，机架旋转电机一直处于刹车锁止状态。更换同型号的继电器后，故障消失。

2 故障二

2.1 故障现象

治疗过程中，工作中断，设备报错item 149 D.Rot Ctrl。

2.2 故障分析与维修

报错信息提示治疗头旋转故障，进入维修模式，调出display 栏目下service page页面，加载pots 菜单，在菜单中显示了机头旋转的三个电位器数值，即coarse、fine、check 电位器的数值。反复手动旋转治疗头，密切观察三个电位器的数值，发现在某些特定位置，coarse 电位器的数值发生跳变，某瞬间与check 电位器的数值差异超出范围，报故障。即coarse 电位器发生故障，更换该电位器。

经过长时期使用之后，由于编码器的电刷发生磨损，导致定位不准而设备报错。电位器一般需要整体更换，更换后必须严格按照手册通过学习和校准来确定coarse 和fine 电位器的相对位置。学习和校准操作完成后设备不再报错item 149，分别用10×10、20×20、30×30 坐标纸检查光野，并用胶片曝光检查照射野精度，精度达标后证明学习校准成功。设备可以重新投入使用。

3 故障三

3.1 故障现象

治疗过程中，工作中断，设备报错item 149 D.Rot Ctrl。

3.2 故障分析与维修

检修步骤同故障二，coarse 电位器和fine 电位器数值正常，check 电位器数值为0，很可能是由于check 电位器参考电压不正常，导致该电位器输出异常值。

检查线路图得知check电位器的10 V参考电压来自12区A侧的AI12板，coarse电位器和fine电位器的10 V参考电压来自12区B侧的AI12板[10]。而测量到check电位器上无10 V参考电压。10 V参考电压来自于AI12板的ADI01AR电源模块。长期使用后，该电源模块损坏，为节约维修时间，整体更换该电路板，设备恢复正常。

4 总结

运动控制系统是直线加速器的重要组成部分，日常维护保养对于运动系统的正常运转具有重要作用[11-12]。建议每年进行一次清洁机架，清除铁锈，加润滑油[13]。钨门齿轮盘和治疗床升降轴承需要使用防辐射润滑油[14]。用于位置反馈的编码器由于连续工作，容易发生故障，建议每两年更换一次[15]。此外，由于位置系统的调整涉及到机架角度、机头角度、准直器等部件精度，必须经过物理师对物理特性进行检测[8]，合格后方能投入使用。