瓦里安C系列加速器控制系统工作原理与故障维修研究

何赟 罗恒 孟鑫 许琨 西安交通大学第二附属医院肿瘤放疗科 （陕西 西安 710004）

内容提要： 瓦里安加速器控制系统是加速器的核心系统，为加速器系统的稳定运行提供了可靠保证。本文针对本科室在用的瓦里安21EX型和Trilogy型C系列高能加速器，介绍其控制系统工作原理，并针对日常使用过程中控制系统常见故障进行分析、研究，提出一种可及时排查、维修瓦里安C系列加速器控制系统故障CTRL连锁的思路与方法，减少因瓦里安C系列加速器控制系统故障CTRL连锁引起的停机时间和维护费用，提高加速器整机工作效率，保障加速器的稳定运行，提升医务人员和患者的满意度。

近年来，随着医疗服务技术水平和肿瘤放射治疗技术的不断发展，放射治疗越来越受到重视，据统计约70%的癌症患者在治疗期间会采用放射治疗，并获得较好的疗效[1]。加速器[2]作为放射治疗的利器，利用高能微波电场加速电子，产生高能电子，轰击重金属靶面，发生韧致辐射，产生高能X射线；然后再利用高能电子射线或高能X射线杀灭肿瘤细胞，对肿瘤进行放射治疗，广泛应用于放射治疗当中[3]。

瓦里安高能加速器主要由加速管、控制系统、脉冲调制系统、微波系统、电子枪系统、恒温水冷系统、治疗床等部分组成[4,5]。加速器控制系统是控制加速器射线能量、束流、系统运动等，是加速器的一个重要组成部分。当加速器控制系统出现故障，加速器将出现CTRL连锁，系统将自动从On的工作状态进入Standby状态，进而导致加速器无法开机，此连锁是加速器系统四个主连锁之一。当加速器出现此故障时，常常会耽误肿瘤放疗患者的放射治疗，影响医院临床工作的正常进行。

因此，我们通过学习本院瓦里安21EX型和Trilogy型高能加速器的控制系统，探讨瓦里安C系列加速器控制系统的工作原理，研究排查加速器控制系统故障的思路与方法，从而使医院工程师能够自主维修加速器控制系统的常见故障，减少因加速器控制系统故障引起的停机时间和维护费用，提高加速器的工作效率和运行绩效。

1.瓦里安C系列加速器控制系统工作原理

瓦里安C系列加速器控制系统是由控制台计算机（Console Computer）、STD总线（Standard Data Bus）和信号转换（Signal Conditioning Cardcage）三部分组成[6,7]，主要原理是采用STD总线协议来控制访问加速器束流、运动、输入输出及通讯等子系统，如图1所示。

图1. 加速器控制系统图

1.1 加速器控制台计算机

加速器控制台计算机由专用工控计算机、专用键盘和显示器组成，负责运行加速器系统主程序，为操作加速器系统提供人机对话界面[8]。加速器控制台计算机实时运行加速器控制程序，处理各项操作指令（如Standby、On、Ready、Beam On等），验证指令的有效性，并将指令转换为机器码发送到加速器控制系统STD总线，控制加速器系统运行。同时，其显示加速器各项数据，与外部设备通讯，并实时记录保存设备运行事件和日志文件。

1.2 加速器控制系统STD总线

加速器控制系统STD总线系统是加速器控制台计算机与信号转换的通信桥梁，其根据STD总线协议快速、准确地访问加速器其他子系统，控制整个加速器的运行，主要由通讯计算机板（Comm Computer）、控制计算机板（Control Computer）、通用随机存取存储器（Common RAM）、输入输出接口（Digital I/O）、计时器（Timers）、模数转换（ADC）和数模转换（DAC）组成。通讯计算机板与加速器控制台计算机连接，承担STD总线与加速器控制台计算机的通信功能；控制计算机板是加速器系统控制系统核心，控制加速器系统正常运行；输入输出接口是STD总线的输入输出接口通道，输入、输出加速器控制信号和系统连锁信号；计时器是加速器束流控制核心，其根据系统逻辑信号，实时控制加速器射线束流开关和剂量率；通用随机存取存储器是加速器控制系统的数据存储器，存储STD总线内所有单元需使用的加速器系统参数；模数转换将加速器系统的各种模拟信号参数转换为数字信号输入到STD总线；数模转换将STD总线的数字控制信号转换为模拟信号，控制加速器系统。通讯计算机板和控制计算机板上各有8个状态指示灯，实时显示系统运行状态，系统正常运行时，状态指示灯均全亮。

1.3 加速器控制系统信号转换

加速器控制系统信号转换部分显示、测量与反馈加速器治疗时的连锁、束流、系统等参数信息，并控制加速器系统机械运动、驱动马达；其主要由连锁控制（General Control& Interlocks）、射线控制（Beam Control）、参数读数测量（PRO & Meters）和马达驱动控制（Motor Drive）几部分组成。连锁控制根据加速器控制系统输出的控制信号控制加速器系统，输出连锁，并将运行控制结果反馈回加速器控制系统；射线控制根据加速器束流计数，实时控制射线束流开关和剂量率；参数读数测量实时获取系统运行参数和治疗参数，通过模数转换，反馈回加速器控制系统；马达驱动控制根据加速器控制系统控制信号，驱动马达，控制加速器运动系统。加速器控制系统电路板连线图，如图2所示。

图2. 加速器控制系统电路板连线图

1.4 状态指示灯的识别

加速器控制系统通过系统上电自检，并在系统运行自检正常时，STD总线通讯计算机板和控制计算机板状态指示灯全亮；当加速器控制系统故障，系统上电自检或运行自检失败，状态指示灯将以二进制代码形式显示，提示故障信息。

通讯计算机板和控制计算机板状态指示灯均由8只发光二极管组成，每只发光二极管亮、灭分别代表二进制数“1”“0”，其结构如图3所示，其中“”代表亮，“”代表灭。识别时我们将高4位和低4位分别转换为16进制数读出，如图3（1）和图3（2）代码指示分别为“FFh”和“03h”。

图3. 状态指示灯结构图

2.瓦里安C系列加速器控制系统CTRL故障排查研究

瓦里安加速器控制系统的故障代码为CTRL连锁。当加速器系统出现CTRL连锁时，应先检查加速器系统电源如图4所示，在+5V、±12V、±15V电源均正常的情况下，观察加速器STD总线通讯计算机板和控制计算机板状态指示灯如图5所示；然后根据状态指示灯所提示的信息，参照加速器控制系统工作原理，结合故障现象，检查和排除加速器控制系统故障。

图4. 加速器系统电源测量点

图5. 加速器控制系统状态指示灯

2.1 模数转换器故障

加速器运行期间偶尔出现CTRL连锁，加速器自动进入Standby状态，无法消除。检查加速器控制柜+5V、±12V和±15V电源，其分别为+5.09V、+12.24V、-12.19V、+15.3V、-15.26V，均正常；STD总线通讯计算机板状态指示灯正常全亮，控制计算机板状态指示灯代码“16h”。根据控制计算机板状态指示灯代码提示信息“ADC1 runtime hardware error”[9]，即ADC1转换器硬件运行错误，可判断此故障应为ADC1转换器错误引起。查阅加速器控制系统电路图可知，ADC1转换器在加速器STD总线CRADC板上，更换CRADC电路板后，加速器控制系统自检正常，CTRL故障连锁消失，设备恢复运行。

2.2 通用随机存取存储器故障

早上开机时发现加速器出现CTRL连锁，在Standby状态无法开机。检查加速器控制柜电源电压均正常；STD总线通讯计算机板状态指示灯正常全亮，控制计算机板状态指示灯代码“17h”。根据控制计算机板状态指示灯代码提示信息“CRAM Command Buffer Checksum Error”，即通用随机存取存储器命令缓冲区校验错误，因此可判断此故障应为CRAM存储器错误引起。根据加速器控制系统电路图，CRAM存储器位于加速器控制系统STD总线System Support板，更换System Support电路板后，加速器控制系统自检正常，CTRL故障连锁消失，设备恢复正常。

2.3 控制系统电源故障

加速器系统出现CTRL故障连锁，加速器控制台计算机无法进入操作系统界面。检查STD总线通讯计算机板和控制计算机板状态指示灯，发现通讯计算机板状态指示灯正常全亮，控制计算机板状态指示灯代码“12h”。根据控制计算机板状态指示灯代码提示信息“Power Supply out of tolerance”，即+5V、±12V、±15V电源电压超出±5%允许误差范围。测量上述电源电压，发现其分别为+5.09V、+12.26V、-12.18V、+15.32V、-15.26V，均在电源电压允许误差范围之内，与上述提示信息不符。根据加速器控制系统电路板连接示意图分析，如图6所示，各电源电压首先通过Meter Interface P.C.B.进行数据采集和预处理，然后传输到CRADC P.C.B.数字化处理后，最后再进入加速器控制系统。因此，可判断故障应在电源电压数据采集、预处理、模数转换和传输链路中。通过替换排查Meter Interface P.C.B.和CRADC P.C.B.后发现，连接此两块电路板之间的排线W33出现老化开裂，接触不良，更换W33排线后，机器恢复正常。

图6. 电路板连接示意图

2.4 数模、模数转换检测故障

加速器维护保养断电重启后出现CTRL故障连锁，检查STD总线通讯计算机板和控制计算机板状态指示灯，发现通讯计算机板状态指示灯正常全亮，控制计算机板状态指示灯代码“0Dh”。根据控制计算机板状态指示灯代码提示信息“Digital-Analog-Digital Loopback Test”，即数模转换器和模数转换器回路检测超出±2%误差范围。根据加速器系统电路图分析，检测通道先由DAC输出分别设置+7.5V、+2.5V、0.0V、-2.5V和-7.5V不同的5个电压，然后再由ADC采集输入，检测电压误差。因此，此故障应集中在数模转换输出、模数转换输入及其传输链路中。因本次维护保养前机器运行正常，我们重点怀疑数据传输链路；根据加速器控制系统电路板连线示意图，如图7所示，检查Motor Interface P.C.B.和CRADC P.C.B.的排线电缆W32时，发现其接头老化，在拔插时开裂，更换W32排线后，设备运行正常。

图7. 电路板连接示意图

3.结果与讨论

加速器是医院放射治疗的重要医疗设备，加速器系统能否正常运行关系到肿瘤患者放射治疗的连续性[10,11]。加速器控制系统是加速器的“中枢神经系统”，其控制加速器放射治疗的射线能量、束流和系统运动等，是加速器系统的一个重要组成部分，其故障代码为CTRL连锁。当加速器控制系统出现故障时，首先检查加速器系统电源，在保证+5V、±12V、±15V电源均正常的情况下，分别从STD总线通讯计算机板和控制计算机板读取状态指示灯，然后依照状态指示灯信息，根据加速器控制系统工作原理和电路图，结合故障实际情况，判断加速器控制系统故障所在位置，逐步排除系统故障。

通过此项研究，我们根据瓦里安C系列加速器控制系统工作原理，对本院瓦里安21EX型和Trilogy型加速器的常见故障进行分析研究，提出了一种排查瓦里安C系列加速器控制系统故障的思路和方法，使医院工程师能够自主维修加速器控制系统的常见故障，从而减少了加速器控制系统故障的停机时间和维护费用，增加医院的经济效益。