美国瓦利安高能直线加速器低剂量率故障处理

何健浩，欧智杰

（1.梧州市红十字会医院放疗科，广西梧州 543002；2.梧州市红十字会医院医学装备部，广西梧州 543002）

0 引言

在癌症治疗方面，美国瓦利安高能直线加速器得到了广泛使用。按照设备操作管理要求，使用期间应保证放疗剂量得到准确控制。出现剂量率不稳等情况，需要加强设备维修。目前，设备常常出现低剂量率故障，因此应加强故障检修分析，保证设备使用效果。

1 美国瓦利安高能直线加速器概述

美国瓦利安高能直线加速器由瓦利安医疗系统公司研制，能够为癌症患者提供放射治疗。作为全球综合放射治疗设备供应商，瓦利安研制的直线加速器能够以人工方式将各种带电粒子加速到高能量电磁装置中，发射出的X 射线能够穿透复杂物体结构，在医疗、公共安防等领域得到了广泛应用。从加速方式来看，包含行波和驻波两类。采用前一种方式，在网波导中周期性插入带中孔的圆形膜片，使传播电磁场相位传播减速，从而对电子进行同步加速。采用后一种方式需要在加速管两端布置短路板，构成电磁振荡的驻波[1]。在加速管中，各腔体拥有相同谐振频率，腔间电场方向相反。在医疗领域，按照加速器发射的X 射线能量，可以将其划分为低能、中能和高能等3 种，通常能量分别为4 MV、6 MV 和8 MV。高能直线加速器通常为双光子方式，能够提供两挡X 辐射。设备发出的电子辐射可以划分为多挡，最高能够达到20～25 MeV，使治疗深度范围得到扩大。从加速器结构来看，核心部件为自动多叶光栅，能够提供高能和低能X 射线，完成不同能量线发射。在工作过程中，需要利用电子枪进行高能电子发射。在电子注入到加速管后，依靠微波能够加速，促使靶向电流达到最大。依靠高速电子及其撞击金属靶提供的射线，能够对癌细胞进行杀灭。

2 美国瓦利安高能直线加速器低剂量率故障检修

2.1 影响低剂量率的因素

在设备操作过程中，需要对剂量率进行调节，以满足电子辐射发射挡位控制要求。所谓剂量率，就是设备单位时间内发出的电子辐射剂量，能否准确控制关系到患者人身安全。按照医用规定要求，采用设备开展固定治疗的剂量率不超过1%，旋转治疗在±1.5%范围内[2]。根据设备剂量率，需要加强治疗时间控制。为保证设备使用安全性，在剂量率不稳定时加速器将启动联锁停机。从原理来看，设备剂量率与注入电子数量和时间有关，同时也与微波频率、施加时间有关，具体取决于栅极脉冲电压幅度、电流稳定性等参数。设备出现低剂量率故障，通常与自动频率控制系统、注入系统等部分存在异常有关。

2.1.1 自动频率控制系统异常

在高能直线加速器中，自动频率控制系统用于探测微波功率源频率偏移。针对放大部分，系统将进行再次放大后，然后利用伺服构成实施修正，保证加速器能够获得正常微波频率，保证设备发射电子拥有足够能量[3]。在系统发生故障情况下，将导致剂量率发生变化。例如，伺服装置产生故障，导致系统无法找到频率修正点，将无法解决微波频率偏移问题。在实际工作中，伺服装置即使能够测量到修正点电压，也可能出现难以区分虚实的问题，导致频率超出正确范围。

2.1.2 注入系统异常

注入系统核心在于加强电子源控制，具体需要完成波导管电子量和电子运行速度的控制。在电子枪和电源发生故障情况下，导致注入电量或电子速度未能得到有效控制，引发剂量率变化。使用示波器查看注入的电流波，如果出现幅值、形状等异常说明存在异常。无法采用注入系统实现剂量率有效调节，需要观察低电压部分是否存在波形，做好高压部分排查，以便及时发现系统异常。

2.1.3 功率源异常

在加速器中微波由对应功率源提供，在控制上需要采用磁控管、驱动器和调速管。一旦有元器件发生故障，将导致剂量率联锁，波导管内部能量异常。针对这一情况，需要加强元器件输出功率、信号等相关信息排查，确定是否存在问题。

2.2 低剂量率的故障案例

在高能直线加速器低剂量率故障检修方面，考虑到故障发生频率较高，还要结合故障案例对故障分析和判断方法进行总结，为设备故障检修提供思路。

2.2.1 案例1

1 台瓦利安直线加速器投入运行以来，时常出现UDR1、UDR2 低剂量联锁故障。一次在患者治疗过程中，突然发生设备剂量率为0 的情况，设备提示联锁停机，导致治疗中断。结合故障检修经验，由于剂量率达到0，能够排除电子枪控制故障，分析可能导致UDR1、UDR2 低剂量联锁故障的原因包含循环水温不达标、闸流管或DQ 管损坏、开关管控制故障。为进一步判断故障原因，需要检测水温，确定设备是否处于正常运行状态。现场检查发现，设备水温38.9 ℃，与设备温度表显示数值相同，能够达到设备运行要求。利用万用表对设备闸流管和DQ 管进行检测，电压分别为20.38 V 和6.72 V，处于正常工作范围。操作设备进入维修模式，对设备剂量率进行调节。对于剂量率相关的联锁进行短路操作后，将DOSE SERVE 的状态从“ON”改为“OFF”，将MOTER POT GUN 的状态从“OFF”改为“ON”，用于加强电子枪保护控制。随意选择输出能量，从设备状态监测情况来看无异常。调节GUN1、RFDR 等电位器，可以发现能够达到需要的剂量率。设备正常运行30 min 后，故障重现。重新进行剂量率调节，设备能够恢复正常工作状态，初步判定为微波源发生故障。

2.2.2 案例2

1 台瓦利安直线加速器能够正常完成开机、预热、自检等操作，但在出束时出现提示音，显示时常正常，出束时间能够维持5 s，然后出现UDR1、UDR2 剂量率低联锁故障。在故障发生过程中，设备剂量率保持在5 MU/min，屏蔽联锁剂量率依然保持不变。对不同出束能量进行切换，故障依旧。将设备调整至维修模式，对次要联锁进行屏蔽，可以观察发现脉冲调制电压为22.42 V。在出束切换过程中，电压未发生改变。由于枪电压正常，可以排除供电故障。调取设备检测报告，发现几小时前出现脉冲调制电压低于40 V 的情况。对电压预设值进行核对后，需要测量高压电流，发现预设值正常，波形存在失真问题。在设备使用过程中，高压电容、二极管、晶闸管等属于易损耗元器件，故障发生率较高。结合故障现象和设备检修记录，可以初步推断是高压元器件损坏或晶闸管及其电路故障。

2.2.3 案例3

1 台瓦利安直线加速器设备投入使用多年，近期日常治疗处于0°～180°机架时出现不出束情况，有时闪烁数秒“beam on”后出现低剂量率联锁情况，设备停止运行。选择communication 模式，查看故障记录，发现GUN1 数值明显改变，出现迅速升高异常。GUN1 为极速器束流负载参数，将给设备剂量率带来直接影响。设备采用三级栅控电子枪，能够对注入开关和电流值进行有效控制，使注入电子量发生改变。在电子枪存在异常情况下，将引发GIFI 联锁停机。从设备故障记录来看，并未出现GIFI 联锁，并且故障出现范围固定，因此初步怀疑与机架选择引起的电缆磨损或电路板松动等因素有关，导致电子枪控制效果受到影响。实际该类加速器采用支臂式机架，中间将穿过各种设备电缆和水气管路。选装运行过程中，容易导致设备发生扰动。为避免线缆持续沿着一个方向旋转而发生损坏，配备有限位开关，使机架只能在±180°范围内旋转。经过长时间使用，可能出现电缆挤压变形、磨损等问题，导致电子枪信号传输异常。

2.3 低剂量率故障检修

2.3.1 故障检修

结合故障原因初步判断结果，需要采用有针对性措施提高故障检修效率。针对由微波源问题引发的故障，可以调出设备近2 周晨检报告，归总剂量率相关参数，然后与维修模式下设备剂量率监测数值进行比对。通过比较能够发现RFDR 数值不断起伏，总体有所提高。将该数值调整至最小，设备剂量率能够恢复正常，反之将导致设备剂量率进一步降低。在剂量率达到0 后，用示波器对微波源波形进行观察，能够发现出束前后波形幅度明显增加，底部出现凹陷，不符合正常情况[4]。确定故障后使设备进入电子线模式，利用程序板进行微波源测量，可以发现数值达到了1.90 V。利用图纸查线路工具调节，可以发现电子柜J48接口位置出现角电压不变问题，因此能够判断微波源损坏。完成装置更换后，重新调整设备中心频率，并完成各能量对应剂量率调节，最终设备恢复正常。

不同于微波源等复杂部分，元器件或电缆等部件发生故障，与设备长期运行相关，可以通过直接检测排除故障。针对案例2中的故障，可以先对调制柜中高压元器件进行检测。发现各参数正常后，考虑到晶闸管无法直接检测，可以先对其控制电路板进行检测，发现故障位于反馈电路上。将设备调至维修模式，可以发现未出束时PFN V 达到23.55 V，正常值应为1。查看反馈电路，发现电压来源于高压分压补偿电路板。对电路板上放大器进行测量，发现电压值异常，最终确认为放大器损坏。更换元器件后对设备进行调节，最终设备恢复正常。

排查案例3 故障时，可以直接将机架保护外壳拆开，查看与电子枪信号相关电缆。经确认发现，W15 电缆保护膜损坏，铜网护套出露，导致栅极偏压，剂量率偏低。更换电缆后，设备恢复正常。

2.3.2 故障预防

结合故障检修结果可知，故障发生与设备安装不合理、保养不及时存在一定关系。想要加强故障预防，还要定期开展设备保养维护工作。从结构来看，高能直线加速器精密性较强，对使用条件提出了一定要求。在日常养护过程中，还应做到落实过滤器清理、干燥剂更换等工作。定期检查设备水箱水温、电压等参数，能够及时发现设备异常。针对气路、电缆等设施，还应加强状态检查，避免给设备稳定工作带来影响。实际在设备工作过程中，环境温湿度等将影响电路性能，还应加强检查，保证设备内部整洁，维持良好运行状态。针对设备内部精密光学和机械部件，应定期涂抹润滑油。在设备状态检修时，应加强电压、电流等参数测量，对射束偏转等系统功能进行校验，完成详细记录。在发现状态参数异常后，可以将设备调至维修模式，调取以往检测记录，通过数据比较加强分析，加强设备存在的安全隐患排查。及时消除各种隐患，能够使设备保持稳定运行。此外，考虑到设备长期运行容易出现磨损和老化问题，还应结合检修记录、运行情况等加强分析判断，备份好易损耗部件，发现异常及时处理，通过减少设备停机运行，提供较好医疗服务。

3 结语

检修美国瓦利安高能直线加速器的低剂量率故障，需要结合设备结构原理、检修经验、故障现象，推断故障原因。进入设备维修模式进行简单验证，能够完成设备故障初步判断。根据分析得到的故障发生位置，可以进一步检修，结合故障原因提出有效预防措施，从而为设备稳定运行提供保障。