医科达ComPact电子直线加速器小机头外挂多叶光栅——引发机架故障分析和改进

邹平市人民医院 (山东 邹平 256200)

内容提要：医用电子直线加速器是肿瘤放射治疗的一种主要设备。直线加速器产生的高能X射线通过束流系统、均整器和准直器形成具有一定大小、规则的照射野，照射肿瘤靶区，在临床肿瘤放射治疗中，肿瘤的大小形状是不规则的，为了满足肿瘤治疗区域很高的治愈剂量且周围正常组织接受很少的损伤剂量目的，在治疗时用铅档对形状规则的射野进行遮挡，形成肿瘤大小、形状一致的照射野，从而达到治疗肿瘤保护正常组织的目的。遮挡技术经历了挡铅、外置多叶光栅、内置多叶光栅的发展历程。由于外置光栅大多并非厂家设计，外挂光栅会引起设备的结构变化，导致意想不到的故障，特别是与机头连接的机架运动方面受影响而引发故障。

现代，恶性肿瘤的三大治疗手段：手术、化疗和放疗，其中70%的肿瘤患者需要放射治疗，医用电子直线加速器是肿瘤放射治疗的一种主要设备。电子直线加速器是利用微波电磁场和加速电子轰击钨靶，产生具有直线运动轨迹的高能X射线的装置；电子直线加速器主要有两种：行波加速方式和驻波加速方式，不论是驻波加速器还是行波加速器，主要核心部件大致相同：加速管（驻波或行波）、微波功率源（磁控管或速调管）、高压脉冲调制器、微波传输系统、电子枪、束流系统、真空系统、恒温水箱系统、治疗床和各种控制系统[1]。直线加速器产生的高能X射线通过束流系统、均整器和准直器形成具有一定大小、规则的照射野，通过电离辐射作用于人体，电离辐射的生物效应主要是对DNA的损伤，DNA是关键靶。X射线使DNA单链或双链发生断裂，引起受照射细胞受到抑制、破坏甚至死亡，从而达到高能X射线治疗肿瘤的目的[2]。在临床肿瘤放射治疗中，肿瘤的大小形状是不规则的，为了满足肿瘤治疗区域很高的治愈剂量且周围正常组织接受很少的损伤剂量目的，在治疗时用铅档对形状规则的射野进行遮挡，形成肿瘤大小、形状一致的照射野，从而达到治疗肿瘤保护正常组织的目的。早先通常用低熔点铅（熔点70°C左右），在模室内通过计算机处理影像检查图像，形成肿瘤大小、形状的模具，然后用低熔点铅浇铸成照射野的形状，然后用托盘挂在加速器照射机头上，实现照射肿瘤保护正常组织和器官的功能。但是由于低熔点铅合金长期使用具有微毒性，而且使用铅档想要达到遮挡高能X线的作用，需要五个半价层的档铅厚度，非常重不方便，因此后来用钨合金制成了由多片叶片组成的光栅，通过计算机设计驱动每一片叶片运动从而形成肿瘤大小、形状的照射野，来实现临床治疗的适形放疗（3D-CRT）技术[3]。如今多叶光栅的发展已从外置光栅发展到内置。医科达Compact电子直线加速器是医科达北研，于2008在BJ-6B基础上开发的，早期产品的治疗机头没有内置光栅系统，在医院临床治疗中都采用外挂第三方的外置多叶光栅来实现临床适形放疗技术。本院于2010年购置医科达Compact电子直线加速器，外挂北京大恒外置光栅，由于外置光栅并非厂家设计，外挂光栅会引起设备的结构变化，导致意想不到的故障，特别是与机头连接的机架运动方面受影响而引发故障。

图1.机架运动原理图

表1.变频器故障代码

1.医科达Compact电子直线加速器的机架组成和运动原理

医科达Compact直线加速器机架设计为旋转的支臂围绕固定支架轴做等中心旋转。组成部件：旋转支臂、固定机座、小机头、配重、齿轮箱、机架电机、电机变频器、机架旋转控制系统。首先在手控盒（HHC）用运动控制（FONCTION）功能键，选择机“架旋转功能”，转动机架转轮（向左或向右）键，控制信号电压经过TRCP（治疗床电器柜转接面板）进入MOTORBVS（电机驱动电路总线板），进入PSP（位置取样信号板）通过电缆进入MCC（控制室主机柜），通过AI（模拟量输入板）进入下位机板IPC5373D和IPC5455D生成变频器驱动信号，通过电缆进入TRCP（治疗床电器柜转接面板），控制变频器（变频器型号为MICROMASTER 420），经过变频器变频的电源驱动机架电机转动，机架旋转电机与齿轮箱连接，齿轮箱通过链条与机架旋转轴连接，从而带动机架支臂等中心旋转[4]。原理图见图1。

2.故障分析判断与维修

2.1 故障现象

在治疗摆位时用手控盒旋转机架，机架突然毫无反应，上位机没有任何故障提示。

2.2 故障分析与排除

首先，故障是在机架正常运动时突然出现，而且上位机没有任何故障提示，考虑运动功能电源故障。用手控盒运动功能键分别切换到小机头和光阑运动状态，转动拨轮，各个运动正常，从而确定运动功能公共供电部分是正常的。只是机架旋转运动功能存在故障。从机架旋转信号到电机驱动部分逐个检查测试：驱动信号正常、变频器供电正常，但检查变频时，没有电压输出，同时观察到变频器面板处显示故障状态：F0003。（变频器故障代码见表1）。

根据F0003故障原因：首先测试变频器供电电源输出，正常。对变频器重新复位，故障代码消除。拨动手控盒机架拨轮，测试变频器有输出，机架正常旋转。在治疗室用手控盒在0°～360°范围内正反旋转机架，机架突然又毫无反应，变频器再次报“F003”，故障同上。再次复位变频器，故障代码消除，机架旋转又恢复正常。由于控制信号正常，变频器供电正常，虽考虑“冲击负载超过了规定的限定值”，变频器性能下降，于是更换变频器，设定参数，重新反复测试机架旋转，故障依旧没有完全排除。

重新仔细观察机架正常旋转与毫无反应时机架状态，故障基本出现在顺时针从90°～180°或者逆时针270°～180°时，此时旋转机架小机头端向下运动，在正常摆位时为能精确运动到摆位角度，操作过程如下：譬如机架此时在90°摆位角度为120°，顺时针拨动转轮，机架运动，当机架将要到110°时，减少转轮加度，降低旋转速度，到117°时松开手控盒使能开关，电机刹车动作，但由于惯性，机架一般刚好停到120°，而现在机架惯性角度比平时要大（大约5°左右），超过120°的摆位角度，为了重新达到需要摆位角度，需要逆时针旋转拨轮，使机架反转，此时故障出现。观察此时机架状态，机头重心向下，惯性大，外加的多叶光栅外罩改变了中心位置，于是拆下机头的外置多叶光栅后，重新测试机架旋转功能，没有再次出现故障，从而考虑是外加的多叶光栅引起的故障。但问题是，本科室自2010年安装外挂多叶光栅，机器已安全运行了五年，从未出现类似故障，从而考虑机架机械旋转部件在长时间工作中性能下降。通过分析把目光聚集在齿轮箱上，由于外加多叶光栅后破坏力加速器的机械平衡，使机架的重心不在旋转中轴上，从而使齿轮器长时间超负荷工作，性能下降，从而引发故障。由于拆除光栅机架还能正常旋转无故障，而更换齿轮箱比较昂贵，更换不合适，最好办法是使加速器的机架的重心重新回到旋转轴上。咨询光栅生产厂家，查找光栅的资料，需在机架配重侧增加10kg配重。打开机架配重处蒙皮，在适当位置安装10kg铅板（体积小），在机头上重新外挂多叶光栅，测试机架旋转功能，故障未出现，故障排除。

小结：直线加速器机械设计中机架旋转中心、小机头旋转中心、治疗床旋转中心“三心”交于一点，精度≤1mm，在临床工作中任何改动，都需慎重，要全面考虑，避免不必要的损失，保证设备正常运行，更好的治疗患者。