螺旋断层放疗系统故障分析与维修

王文保，张陵，刘娟，方兴平，闫婧，杨觅

1.南京大学医学院附属鼓楼医院 肿瘤中心放疗部，江苏 南京 210008；2.中核安科锐（天津）医疗科技有限责任公司，天津 300399

引言

螺旋断层放疗系统（Tomo Therapy，TOMO）是将6 MV加速器集成在CT机架中，并通过CT图像引导，主要进行扇形束流调强治疗，其可实施调强放疗、图像引导放疗、剂量引导放疗和自适应放疗技术，是目前最先进的设备之一。TOMO机器利用相关参数自动调节功能、磁控管的自动调节机制保证了稳定的剂量输出，使其具有良好的靶区剂量均匀性。TOMO采用二元气动多叶光栅（Multi-Leaf Collimator，MLC）系统调制照射野，叶片运动速度达250 cm/s，具有调制能力强、适形度高等优点[1]。大型医用机器因功能、结构等方面更具复杂性[2]，内部参数等软件故障和零部件损坏等都会影响TOMO的正常使用。本文针对磁控管故障导致的剂量率不稳定、MLC系统报错故障进行分析，并给出具体排除方法，以为同行在处理相关维修、保养机器时提供参考。

1 基本原理

1.1 TOMO磁控管结构及工作原理

磁控管是TOMO的核心部件之一，其主要结构包括阳极及振荡系统、阴极及加热灯丝、磁铁、冷却设施、调频机构等。磁控管实质上是一个置于恒定磁场中的二极管，可以通过采用稳频措施和改善微波传输系统控制磁控管频率的稳定程度。管内电子在相互垂直的恒定磁场和恒定电场控制下，与高频电磁场发生相互作用，将从恒定电场中获得的能量转变成微波能量。电子进入加速管形成射线，并经过剂量检测反馈给机载计算机（On Board Computer，OBC），传递控制信号给磁控管，从而实现对输出频率的实时调整，进而实现剂量率稳定[3-4]，见图1。

图1 螺旋断层治疗装置磁控管工作示意图

1.2 MLC组成及工作原理

MLC可以通过计算机控制MLC各个叶片的运动，形成临床所需的不规则形状射野进行照射。相对于铅挡块，MLC具有适形性好、可节约时间和经济成本的优点，同时避免了因更换铅挡块导致的相关问题[5]。TOMO的MLC系统是由2组64片互锁设计的气动二元叶片和MLC验证板组成。叶片运动的动力来自清洁高压空气，空气的增压、干燥、清洁与空气压缩机、干冷机及过滤器等TOMO附属设备密切相关。在治疗中，患者治疗计划参数经前处理计算机传输给MLC控制板，控制MLC运动。实际MLC叶片运动情况由MLC验证板校验及反馈控制板调控（图2），任一个叶片位置和指令存在偏差，则MLC停止运动并报错[6]。

图2 螺旋断层治疗装置MLC各部件侧面图

2 故障案例

2.1 故障一：磁控管故障导致的剂量率不稳定

2.1.1 故障现象

机器使用过程中出现“The Dose Control System has encountered an interrupt.The hardware may require service.”提示，详细的报错描述为“DCS：Number of consecutive dropped pulses 161 exceeds limit of 160”。该报错为机器曝光时，机器剂量控制系统（Dose Control System，DCS）中的射线实际测量值与机器内设置的相关参数偏差过大，即剂量率不稳定。复位后续接即可继续治疗，但报错频繁。

2.1.2 故障分析

TOMO出现此类报错，首先考虑与机器的DCS相关参数有关。机器内部有参数自动调节功能，如DCS参数与磁控管性能匹配出现误差，调节能力变弱或消失，即出现此报错频率升高，最终导致机器无法工作；其次是硬件方面，如磁控管“老化”。由于长时间处在高电压、强电流状态下，并且电场和磁场的场强不断变化，故磁控管部件容易“老化”[4]，从而导致对电子的加速不够，最终造成机器输出剂量不稳定。

2.1.3 故障排除及维修

首先校准机器的DCS相关参数。校准结束后，需要将机器计算机内的DCS参数更改成最新校准的结果，再观察机器运行情况。当DCS参数校准后，机器的输出值仍达不到标准时，就需排查磁控管。而磁控管故障典型的现象是报错频率升高，符合本次报错特点。此时需要工程师在SERVICE PC上使用校准软件尝试性输出射线，同时使用故障排查软件监控机器的状态。通过监控波形观察到参数曲线的异常变化，表明磁控管给电子的加速不足，确定控管部分出现问题。经拆机查看，磁控管确有打火现象，造成磁控管无法为电子提供足够的加速能力；同时更换磁控管后，机器恢复正常。

2.2 案例二：MLC故障

2.2.1 故障现象

机器治疗中出现“MLC leaf is in wrong position”提示，详细报错描述为“final leaf activational error puts the occurrences over the tolerance”或“final leaf positional fault”。该报错为特定的某个叶片位置错误，在得到指令之后未能及时运动到指定位置。该故障出现时，机器处于shutdown状态，治疗师经过重启机器，可继续使用，但报错频率逐渐升高。

2.2.2 故障分析

TOMO出现MLC报错的概率较高，这与MLC运动频繁，叶片运动速度快且急动急停有关。MLC叶片未到达指定位置，首先考虑并查看气体压力是否稳定、叶片有无损坏等；其次考虑MLC电路板老化或损坏而导致的故障。

2.2.3 故障排除及维修

初步排查上述可能存在故障的位置。① 查看供气气压及MLC叶片情况。机器的供气气压正常，机器内部没有漏气现象；拆开检查机器，各个叶片位置正常，齐整，由此判断MLC的叶片是处于正常状态。② MLC电路板的检查。采取交换MLC两侧的电路板的方法，重启之后，机器在治疗中仍出现该报错，由此判断与电路板无关。③ MLC其他组件的检查。MLC每个叶片运动都是气体推动的，叶片的运动故障，也可能是内部推动叶片运动的缓冲器故障。在排除了供气气压、电路板及MLC本身的故障（手动推时叶片运动流畅）后，可考虑更换缓冲器。

更换缓冲器时，切断机器与空压机之间的气体连接，发现开关处有大量水流出，往前一级（空压机及干冷机）查看时发现干冷机未工作。因此断定：气体压缩时未经干燥除湿，导致输送到机器的气体湿度较大。高湿度气体高速打入设备内部会加剧MLC电板的损坏，如果大量的水分进入MLC的控制端口会损坏MLC的相关控制部件[1]。此次MLC报错，通过排查干冷机故障及其修复，更换备件得以解决，MLC恢复正常状态。

3 讨论与总结

TOMO是在图像引导下以360°螺旋照射方式治疗，有照射范围大、剂量分布好的优点。但也存在故障率高的情况，多为剂量率、磁控管、MLC等[7]故障，从而造成治疗中断。医疗设备发生故障的原因较多，既与机器本身结构设计、部件制造工艺等因素有关，还与使用时间、使用频率、操作技术、保养维护水平及使用环境等因素有关[8]。

磁控管内部结构复杂、精细，是机器提供长时间及稳定剂量率出束的保证，在日常工作中必须保持其良好的工作状态[7]。磁控管故障维修需熟悉磁控管的组成及工作原理，出现故障可快速找到问题所在。同时，要做好磁控管的维护保养，如定期“交换”磁控管及对更换的磁控管进行训练，使其达到最佳状态[9-11]。

MLC是当前放射治疗机器中的精密性组件，结构复杂。MLC叶片及电路板长时间使用容易老化，高压空气的压力稳定性和干燥程度都可能导致故障的发生[12]。而MLC运动的高精准度及良好的工作状态决定了整个治疗方案的实施效果。日常中对MLC系统工作状态的观察、维护保养及附属设备的检查[13]，是降低MLC故障率的有效方法。

综上所述，在TOMO机器的使用过程中，工作人员必须按规范操作，对于机器的不正常表现要及时发现、记录、处理或报修；每天查看机房温度、湿度，打扫机房环境，保证机房良好通风，做好控制环境温湿度等工作[14]。维修工程师对机器的维护保养需做到科学、规范、全面，并做好配件提前准备和及时升级机器的硬软件等针对性的预防措施[15-17]。日常工作中维修人员需多总结维修经验、多参加培训交流活动、多查阅最新文献获取最前沿技术进展，培养能够及时处理故障的能力[18]。同时应将保养维护与迅速处理故障相结合，才能有效降低机器故障发生率，提高机器使用率，使设备更好地为患者服务。