瓦里安医用直线加速器多叶光栅故障分析和维修

2021-10-13余权达郑雪

中国医疗设备 2021年9期

余权达，郑雪

1. 齐齐哈尔市第一医院放疗科，黑龙江齐齐哈尔 161005；2. 齐齐哈尔大学，黑龙江齐齐哈尔 161000

引言

放射治疗与手术和化疗并列成为肿瘤治疗的三大核心手段。自伦琴发现X射线后，产生了放射肿瘤学，科学技术的高速发展，使得医用电子加速器成为放射肿瘤治疗的主要设备，从术中放疗到外照射，都有它们的身影。瓦里安医用直线加速器[1]配备120片多叶光栅，根据影像设备传输过来的患者肿瘤三维重建图像，利用直线加速器TPS治疗计划系统数据，通过多叶光栅适形控制系统（Multi-Leaf Collimator，MLC），形成与肿瘤大小一样的治疗适形射野，精确地给予控制肿瘤的剂量，尽可能地保护正常组织，提高肿瘤剂量，获得更高的肿瘤控制率。目前，主流的放射治疗是逆向调强放疗，原理都是通过控制MLC，调制射野范围内的射线强度实现所需要的非均匀剂量的分布，达到处方剂量和肿瘤剂量高度匹配，提高适型指数，降低放疗毒副反应。瓦里安加速器配置的计算机需要同时控制120个叶片运动，结构紧凑精度高，经常会遇到MLC故障。这就要求工程师做好MLC的维护和保养工作，保障加速器的治疗过程顺利，对确保病人得到及时、有效的治疗具有非常重要的意义，是科室正常运行的强有力保障。

1 MLC工作原理

瓦里安MLC包含硬件和软件两部分，用户操作界面使用Windows操作系统环境。主要分五大块：① 工作站：用于用户交互界面控制，调用临床计划，以太网连接到控制器，控制器接收临床计划，驱动MLC叶片形成各种肿瘤形状；② 控制器：通过CPU板发出指令和接口板通讯，控制MLC头部系统；③ MLC头部系统：包括两块头部转换板、两块马达驱动板、光学红外板、二次反馈板、软电位器板、电源分配板、维护板、直流电源和马达接口板；④ 调试工具：通过调试工具初级校准叶片精度；⑤ 马达驱动系统：驱动120个马达，控制carriage运动，监控马达电源状态。

60对合金叶片附加在准直器上，当工作站调用计划时，通过以太网发送指令到控制器，经过光纤通信接口板解码，马达在CPU板控制下，推动叶片形成所需的形状，射野可以最大到40 cm×40 cm。多叶光栅系统原理图如图1所示。

图1 多叶光栅系统原理图

2 故障案例一

2.1 故障现象

机器正常治疗过程中出现多叶光栅报警，显示“Leaf A08, B08, A35, B26 is sticking, Leaf A08, B08, A35, B26 should have moved (primer), Leaf A08，B08，A35， B26 should have moved (sec err)”。自检显示 A08，B08，A35，B26卡住，同时这些叶片初次和二次位置比较，有移动现象。

程序自检最后显示ML.CX_IL_INIT_FAILURE，自检失败。进机房查看机头的MLC，发现叶片不对齐，见图2。

图2 叶片自检时没对齐

2.2 故障分析

MLC走位不准或者MLC位置信号报错，引起治疗中断涉及的原因很多[2]。根据计算机报警提示信息，和该故障相关的因素主要包括四个部分：① 机械故障：瓦里安MLC叶片马达无论是厚叶片还是半宽叶片（薄叶片）都有一个同轴编码器，用来监测位置信息和运动方向[3]，如果编码器损坏会造成马达位置判断错误；② 叶片之间有污垢：叶片为减少漏射线，叶片之间是紧密相连的。如果叶片有灰尘、油污等，会在叶片伸缩走位时使阻力明显增加，电机不能推动叶片运动造成卡住的故障；③ 电源故障：MLC系统包含5 V、±15 V电源。电源电压值偏高或者偏低，会导致测量不准确和驱动问题；④ 接口系统[4]故障：马达连接板通过扁平电缆线连接到头部的接收板和马达驱动板，再转接到二次反馈板。线路比较复杂排线多，线路破损和接触不良都会造成叶片运动故障。

2.3 故障检修过程

根据故障提示MLC叶片sticking故障[5]，首先想到的是按照故障出现概率大小和可能性排查叶片是否被粘住。拆除准直器盖板4个螺丝，打开盖板。通过MLC维护面板（图3），选择标号为⑯的开关S9，拨到左边A面，通过旋转标号为⑭的旋钮，观察标号为⑮的数码管显示出A08，选出A08马达。拨动标号⑲的开关，将A08叶片伸出，把叶片表面上的污垢清洁干净，注意处理叶片上的沟槽，避免积累灰尘。手动控制A08叶片运动，没有发现叶片运动阻力异常增大导致运动叶片不到位的现象。拆下该叶片电机，接在维护板标号为⑥的J1插座上测量，标号为④的电机ENCODER OK LED灯亮绿灯，表明马达编码器工作正常，同时标号为⑤的LEAF CURRENT条状灯显示3～4个格，表明电机线圈绕组没有破损，不会产生过流现象或者断路现象。电流处于正常值范围，初步判断电机正常，基本可以排除电机故障，其他叶片也是同样操作。

图3 MLC维护面板图

电脑端的MLC终端程序开机自检，显示只有“Leaf B08 is sticking”，排除A08、A35、B26马达损坏，只需要更换B08马达。更换该电机后，自检不再报“Leaf B08 is sticking”故障。通过以上操作，可以发现真正有问题的电机，避免把好的电机更换掉。一个电机价格为4000余元，MLC多叶光栅系统[6]总共有120个电机，这样操作可以极大地节省维修成本。

3 故障案例二

3.1 故障现象

电脑显示“Leaf A36 Exceeded max pri-sec error. Leaf A36 Secondary read error(s) during calibrating”。MLC 软件诊断显示A面的第36个叶片在第二次校准时，第一次和第二次的相同位置比较误差大于默认值。此类故障无法从设备自检时通过叶片是否对齐来判断叶片故障，它是根据软件判断哪个叶片有问题，检查难度相对较大。

3.2 故障分析

二次反馈系统提供一个冗余备份位置信息，监测叶片和carriage叶片组系统。该系统为防止叶片的编码器在不能正确判断叶片位置时，及时阻止MLC在系统不正常的情况下工作。该装置由软直线变阻器（Soft Potentiometers，softpot）和wiper组成，softpot由平行排列的电阻条印刷在透明的薄膜板上，共120个softpot，对应120个叶片，结构原理就像是滑动变阻器。通过叶片上的wiper在滑动变阻器上滑动获取电压值，该值对应叶片移动的电阻值，代表移动的距离位置。二次反馈板同时接收这120个电压值，通过模拟转数字电路，使得计算机能够计算该值从而得到叶片的移动位置。如果该值和计划的叶片值比较误差过大，超过限值时停止MLC工作，避免治疗剂量不正确，保证患者放疗剂量的安全性，如果二次反馈系统出问题容易发生不到位故障。该故障说明程序在二次反馈检测时，发现叶片移动的距离误差值超过了初级检测值，MLC因此停止运行。二次反馈工作原理流程图如图4所示。

图4 MLC二次反馈工作原理

可能的原因有三个：① nut磨损导致公差过大引起的故障；② 电机的编码器损坏；③ softpot损坏。

3.3 故障检修过程

重新自检MLC，初始化程序，报初级和次级位置超过误差值，初步怀疑二次反馈系统工作不正常。本着从简单到复杂的维修过程，首先怀疑nut磨损导致公差过大引起的故障，nut是塑料材质，相当于螺母，马达驱动螺杆，nut在螺杆中移动，带动叶片运动，长时间运行，nut不可避免地磨损。打开MLC盖板，把A36叶片取出，更换叶片中的nut，自检MLC程序，还是显示相同故障，排除nut的因素。

其次怀疑是马达电机故障[7]，如果电机的编码器损坏，不能正确地读出移动的距离，在比较初级和次级位置时，会导致两者数据相差过大，也会导致同样的故障。更换新的电机再次自检，故障还是一样，排除电机故障。

使用万用表测量二次反馈板的SIG测试点和Lgnd点的直流电压值，通过维护面板选择A36马达，控制A36叶片运动。偶然发现SIG测试点的电压值偶尔会跳变，不能随着叶片的运动均匀变化，怀疑softpot划伤，因为该装置印刷在薄膜上比较薄，材质相对容易划伤。二次反馈系统拆卸比较麻烦，需要先拆卸加速器机架上的外壳，机架旋转180°，转到下面和地面平行，然后拆卸准直器下保护壳，最后拆卸准直器上保护壳。拆除准直器盖板，露出二次反馈系统[8]的softpot板，必须通过MLC维护面板把MLC的多叶光栅组向左右两侧外面开到最大，露出二次反馈softpot板的安装螺丝。该板分上下两部分，先拆卸下面的反馈板，小心移出下面的反馈板，不要把扁平电缆弯折，避免线路折断。拆解打开的softpot板如图5所示。

图5 softpot板实物图

检查发现二次反馈板[9]上的softpot有几个导电轨道刮出的很深的划痕，导致wiper在移动时不能很好地和导轨接触，因此报二次反馈超过允许的误差值。考虑到二次反馈softpot板价格超10万，为延长其使用寿命，清洁导电轨道、抛光导轨及减少划痕。换上新的接触刷并打磨光滑，新的接触刷弹性好，能更好地和导轨接触，把接触刷往旁边掰弯一些，错开划痕的位置。恢复安装位置，运行不再报“Secondary read error”错误，故障排除。

4 故障案例三

4.1 故障现象

程序自检，报“side A carriage collision”，显示A面的carriage碰撞到物体。

4.2 故障分析

该故障也是通过软件来判断，目视carriage是无法判断是否撞到物体的，只要软件检查异常就会报碰撞到物体。它是通过二次反馈板上的线性编码器[10]获得它的移动距离，从而判断自己的位置。carriage有两个，分别是A面和B面。每面60个叶片，叶片安装在carriage上，随着carriage一起运动，提供更大的照射野[11]范围。线性编码器是一种刻度条，1 mm对应5个刻度。当carriage移动时，其上安装的光学读码器读取刻度[12]，产生脉冲信号，信号被送到head transceiver，通过TX发送端光纤接口连接到MLC控制器[13]的Motcomm板解码计算[14]，基于真实测量值和计划预先算出来的位置值，Motcomm板分析这两个值产生必需的马达控制指令信息去驱动每一个叶片和carriage马达。MLC判断carriage collision故障是通过光学编码器读取编码器条形刻度线，获取位置信息，比较计算位移值是否正确[15]，判断是否发出报警信息。

4.3 故障检修过程

先检查A面和B面的二次反馈板的tp2和tp4的测试点电源[16]，如果电源不稳定，将影响板上的芯片正常工作[17]。使用万用表直流档测量这两个测试点值都是5 V，说明电压正常，排除电源的影响。

检查BRAKE信号为低电平，说明刹车电磁阀工作正常，排除刹车抱死马达的因素。检查EN使能信号为高电平，说明的确有碰撞信号发出，需要进一步检查故障发生的原因。carriage马达电路原理如图6所示。

图6 carriage马达电路原理

检查光学编码器条形刻度线是否有污垢、刻度线不清晰的问题，其将严重影响光学读码器正确分辨刻度线的间距，误导移动时产生的距离，导致判断错误。清洁干净刻度线后，重新自检，排除光学编码器的影响。

马达性能下降，扭矩不够，移动距离不到位，也有可能导致报警。更换一个carriage马达，运行自检程序，还是报相同的故障，排除马达的因素。瓦里安的加速器二次反馈板的A面和B面两块板规格尺寸一样，可以互换。拆的时候要注意扁平电缆的弯折方向，避免安装不到位卡坏电缆。把两块板互换后MLC初始化自检，报B面碰撞[18]故障，故障转移到B板上，因此确定A面二次反馈板损坏导致碰撞故障，更换该板故障解除。二次反馈板拆解位置如图7所示。

图7 二次反馈板拆解位置

需要注意的是在安装反馈板时，要调整好板上的光学编码器读取头安装的高度[19]。条形刻度条安装的时候一定要处于光学编码器读取头中间，不能直接接触，否则移动的时候刻度条刮到光学读取头会导致二次反馈板损坏。调用MLC文件和患者治疗文件[20]，MLC能够运动到正确的位置，故障解除。

5 讨论与总结

瓦里安加速器MLC多叶光栅有120个叶片，叶片多、机械结构和控制系统复杂，经常会遇到叶片运动故障。MLC故障通常的表现就是叶片不工作，但引起故障的原因是多方面的。常见的故障维修基本是换马达或者nut等配件。但盲目换马达是不可取的，因为当叶片有污垢运行阻力增大时，报叶片卡住故障，换新马达通常能解决问题。但换下来的马达不一定是坏的，只是新马达的扭矩可能比旧马达大，掩盖了叶片阻力大的事实。不久之后故障还是会发生，还容易导致马达过载，损坏马达电枢线圈。针对sticking连锁故障，有时简单地清洁叶片，就能让故障消除。推荐利用维护板测试马达，就能很好地判断马达是否合格，避免盲目更换。对于carriage碰撞故障，也不要盲目怀疑电机故障，需要通过二次反馈板和正确的安装拆解来判断和解决。针对初级和次级位置不一致故障，除了要考虑电机编码器、nut公差大等因素，更有效的手段是在测量时细微地观察SIG电压值是否异常，数值是否连续可靠来判断软电位器是否磨损过度，导致接触不良，做到有数据支撑来判断和分析故障，指导故障维修。

在缺乏配件应急维修时：① 遇到二次反馈故障，可以通过把接触刷掰弯避开软电位器板受伤位置处理故障，让治疗得以继续，避免患者等待时间过长；② 针对nut引起的故障，在没有配件可换的情况下，可以通过调换不同位置的nut来临时应急维修，因为磨损造成的公差不同，只要能保证自检通过，维持正常工作即可，可等待配件到位后再进行更换；③ MLC控制盒外置电源如果损坏，完全可以用相同规格的非原厂电源取代。

作为维修工程师，要熟悉MLC维修手册上的知识点，如红外线自检初始位置、光学系统判断carriage位置、叶片到位的二次位置判断、马达同轴编码器判断距离和方向故障，软电位器的位置判断故障和光纤通信解码故障等。因此不但要充分了解其工作原理和结构，理解各部分电路是如何配合工作的，还要掌握计算机通信原理。MLC是按照一定的顺序运行的，因此需要了解程序的运行步骤。熟练掌握程序运行的检查命令非常重要，在MLC产生异常现象时，能够快速判断和处理程序报错信息。还需全面了解驱动控制和机械结构，熟知拆解的正确顺序，便于顺利拆解各部分配件，防止拆卸时损坏扁平电缆和其他电线。

因此，熟悉MLC工作原理和内部结构，能够快速修复机器，减少患者等待时间。在维修时不会盲目地更换马达，通过技巧判断哪些马达需要更换，可以节约维修成本。日常维修和保养过程中及时清理灰尘，保持准直器清洁，可以有效地延长MLC的使用寿命，减少故障的发生概率。当患者数量较多时，MLC工作负荷重，因softpot板比较薄，长时间使用磨损不可避免，故最好在使用三年后采购备用。

加速器MLC配件年更换数量统计如图8所示。通过统计MLC故障及更换相关配件的数量，可以合理地提出配件采购计划，准备库存，避免盲目购买，节约资金。同时通过统计数据，可以合理地安排MLC预防性故障检修计划。每月定期清洁叶片，能够避免叶片运动阻力过大引起其他故障，延长马达寿命，降低故障发生率。通过自检程序检查nut公差是否合格，避免治疗时因光栅不到位导致治疗中断，使其流畅运行。