医科达Axesse型直线加速器剂量率连锁的分析和解决

毛永林，王玺先，郭再仁，房建南

中山大学孙逸仙纪念医院 肿瘤放疗专科，广东 广州 510120

引言

规范放射治疗质量控制，保证直线加速器设备符合质量保证要求，确保直线加速器设备正常运转，及时排除故障提高维修效率，减少停机率对临床有重要意义[1-2]。医用直线加速器的输出剂量率的稳定性关系到放射治疗的质量与安全，由于此故障较为典型且发生频率较高，对临床治疗质量与工作进度产生较大的影响，了解此故障排除方法可保证治疗质量同时降低其对临床工作进度的影响。医科达Axesse型直线加速器采用全数字化设计，大部分连锁故障可以通过优化和调整设备相关参数得以解决，本文详细分析医科达全数字化直线加速器AXesse的剂量率连锁故障可能的原因与排除方法，与同行交流数字化直线加速器相关故障的维修经验，旨在为同行提供可以参考的维修思路与方法。

1 设备原理

加速管的基本工作原理是利用特定频率的微波功率在圆波导内传输时激励产生的轴向振荡电场加速电子，不同结构尺寸的加速管都有其特定的工作频率，当微波源的振荡频率与其工作频率不同时将会影响加速管的运行，进而影响加速器的输出性能，甚至无法输出射线[3]。为确保微波输入源的微波频率能控制在加速管设定的固有工作频率之内，同时具有对微波频率进行自动控制与调节，磁控管与速调管微波源系统通过微波频率自动控制系统（Auto Frequency Control System，AFC）从而实现随时进行微波频率的自动控制与调节。微波频率自动控制系统的基本工作原理为：通过对输入微波进行频率和相位的取样后再进行鉴频处理，并与设定值进行比较，当比较结果在设定范围内时工作正常，当结果超出设定值较小时系统会自动跟踪调节，当超出设定值较大时则主动停止工作并显示报错信息[4]。微波频率自动控制系统的基本结构原理如图1所示。磁控管的老化会导致进入加速管的微波能量改变从而出现AFC连锁。通过调节AFC系统的部分参数，可以解决由磁控管老化引起的直线加速器剂量率连锁故障。另外，随着设备使用年限的增加，发射电子的电子枪灯丝的老化，控制电子发射时机与数量的高压脉冲调制器和传输系统的频率特性等都会影响注入加速管的微波频率最终影响加速管的工作状态[3]。

图1 微波频率自动控制系统基本原理示意图

2 医科达Axesse直线加速器剂量率连锁故障案例

2.1 故障现象

医科达Axesse直线加速器剂量率连锁故障现象为直线加速器处于出束状态时，突然中断出束，直线加速器出现“Dose Rate Mon”连锁代码，故障描述为“665-The accumulated Low Doserate (less than 75% or as set by Process param 3 of expected doserate) pulses have exceeded the limit set by part 19 (in milliMU)”。设备刚出现连锁时复位可以清除，但随后连锁出现的频率会越来越高，机器出束跳数越来越低，最后复位无法清除连锁，机器无法连续出束。

2.2 故障分析

通过对医科达Axesse直线加速器加速管的结构设计分析后可推断剂量率连锁故障与产生微波的磁控管、电子枪灯丝老化以及其他影响注入加速管微波频谱的因素相关，导致故障的因素可能是一个或者多个，因此需要按照简单到复杂的思路逐一排除。磁控管是微波系统的源头，其工作状态决定了加速管内是否有微波电场，首先排查故障发生时磁控管是否处于正常工作状态。此外，由于电子枪灯丝的老化可能会导致电子枪发生的电子数量、发射时机与电子射程、发射角度的改变，从而影响进入加速管内的电子数量，导致加速电子剂量率改变。最后，由于设备长时间使用，磁控管老化可能会造成其输出微波频率发生变化从而影响注入加速管的微波频谱，导致输入加速管的微波频率与出厂时AFC系统预设好的参数不一致从而导致AFC系统故障，因此需要通过AFC优化，调整磁控管的电流，提高输入微波的能量。可通过进入直线加速器维修模式查看AFC系统界面下的相关参数，并通过适当调整，最终达到消除故障的目的。总结以上分析，医科达Axesse直线加速器剂量率连锁故障与电子枪灯丝的老化以及磁控管的工作状态与老化情况相关。

2.3 解决方案

2.3.1 磁控管及微波传输故障解决方案

医科达Axesse加速器采用磁控管作为微波功率源。如果磁控管发生故障，此时波导管内的电子加速场能量失常，即发生剂量率连锁。因此需查明磁控管输出功率是否正确，以判断剂量率连锁是否是磁控管故障所引起。对于具备有不同能量挡位的设备，有一个简单方便的方法可以判断磁控管的输出功率是否正常，即当出现剂量率连锁时在微维修模式下将直线加速器所有的光子线或者电子线的能量档位进行一次出束测试，若所有的能量档都无输出，则需通知保修厂家由工程师采用示波器检测微波波形幅度和形态，判断是否为磁控管硬件故障。如果有一档或几档能量仍可正常出束，则可判断连锁并非由硬件故障引起，只对该能量档的伺服系统进行优化调试即可。

2.3.2 电子枪灯丝老化故障解决方案

电子注入系统在医用直线加速器中由电子源及其控制部分组成。它通常有以下2种设计方式：① 控制进入波导管电子的数量；② 控制电子进入波导管后电子运行的速度。通常由电子枪、低压部分、高压部分和控制部分实现。当加速器出现剂量率故障时，可用示波器查看注入部分的注入电流波形是否正确，如果有波形但幅值或形状不正确，可通过控制部分来调节。如果不可调节，应先排查低电压部分。如果根本没有波形，应检查电子枪及其电源部分，如它们也无故障再检查高压部分[5]。通过调整电子枪伺服Gun Servo电流，从而提高电子枪注入加速管的电子数量与电子运行速度。电子枪伺服Gun Servo调整方法如下：在进行Gun Servo调整之前必须确保AFC的值已经设定完成，之后方能对X线及电子线的Gun Servo进行调整（图2）。

图2 医科达Axesse电子枪伺服Gun Servo优化调整示意图

（1）进入维修模式后，点击Service Function图标，通过Deliver Quick Beam页面，Radition Type-XRAY、Energy-6MV、Wedge-OUT、Beam MU1-29980、Beam MU2-29980、Dose Rate-600然后点击Load、Confirm确认设置；

（2）在Service Function上点击override Machine Item图标，在弹出的页面Interlock Group的下拉菜单内选择8.Ctl T，然后关闭此页面；

（3）按下出束键出束至稳定，将181 Gun Auto?由Auto修改为Man（通过“shift”键+“＜键”或“＞”键修改），将327 Gun I ctrl的P4值记录下来，然后将这个值输进P1，通过“shift”键+“＜”键或“＞”键上下改变P1的值找出最大剂量率；

（4）将 381 Gun aim I的P1值通过“shift”键 +“＜”键或“＞”键修改比327 Gun I crtl的P1值大0～0.1，点击屏幕主界面右下角图标，在弹出的对话框中点击Save energy cal.Blocks；

（5）将181 Gun Auto?修改为Auto，通过“shift”键+“＜”键或“＞”键调整187 Dose level的值，找出最大剂量率（此时在剂量率最大时327 Gun I crtl的P1和P4值应该相等）；

（6）不中断出束，点击屏幕主界面右下角保存图标，在弹出的对话框中点击Save energy cal.Blocks，然后中断出束后在连锁界面恢复为0号All Interlock On，再出束观察剂量率上升及稳定情况，配合AFC参数进行优化调整。

2.3.3 AFC系统故障解决方案

当排除了磁控管硬件故障后，进一步检查磁控管老化情况。磁控管老化导致磁控管输出频率改变，可通过调节AFC系统适当提高磁控管的电流以达到提高磁控管输出微波频率的目的。AFC系统在医用直线加速器中起自动调整磁控管的工作频率的作用，对系统的能量剂量都有关键决定因素。直线加速器使用的微波功率源的振荡频率必须与加速管的工作频率一致，才能保证加速器稳定工作，否则就会因为频率的偏离，造成电子能量的降低和电子能谱的增宽，从而导致加速器输出剂量率的降低或不稳定，甚至导致停止出束。因此，AFC系统故障的维修和调整优化工作也很重要。当AFC系统出现不稳定时，可通过对其进行优化调整以解决故障（图3）。

图3 医科达Axesse AFC系统优化调整参数示意图

医科达Axesse AFC优化调整方法如下：

（1）X射线（6 MV）出束稳定后，将Gun Man/Auto与Phase Auto/ Man依次设定成手动模式；

（2）将Tuner ctrl.Part4值输至Part1，并将Tuner ctrl调整到输出最大；

（3）Lp phase ctrl为0，同时Lp phaseposn.则设为Lp phase ctrl.的值。

医科达Axesse AFC的调整值非常敏感，谐振点不容易确定。调整优化时必须有示波器辅助和在厂家工程师的协助下进行。

3 讨论与总结

Axesse直线加速器采用数字化控制系统设计，整台设备通过900多个子项目设计以实现实时控制与监测不同硬件的工作状态与参数[6]。数字化直线加速器与早期非数字化的直线加速器最大的区别在于可实时监测与改变设备参数进而改变设备的运行情况，这种设计可及时发现设备异常的部件，对于磁控管或电子枪灯丝老化导致加速器频率或者加速电子数量不稳定的情况将通过连锁终止设备出束[7]。对于这种中低程度老化未完全达到报废更换配件的故障，传统的通过更换相关部件配件的维修方式不是最优的维修方式，本文通过调节控制系统子项目相关参数的维修方式可作为排除该故障的方法，具有一定实用性与创新性。

电子枪灯丝老化导致注入加速管的电子数量低于预设值，最终表现为直线射线剂量率故障。灯丝的寿命与使用时间与加速管的真空度相关。电子枪灯丝的出厂标称伺服电流为8.0 A，随着设备的使命由于灯丝损耗导致灯丝电阻逐渐增大，灯丝电流逐渐变小，灯丝发射的电子数量也逐渐减少，当灯丝电流低于7.0 A时就需要更换电子枪灯丝。针对灯丝老化报废更换灯丝的维修方法，李博明等[8]与邓建国等[9]报道了医科达Precise与Synergy直线加速器的电子枪灯丝的更换以及其真空系统的处理。但对于灯丝伺服电流偏移引起的剂量率连锁故障解决方法鲜有报道。为了保证灯丝正常工作，灯丝的伺服电流会在一个正常的范围内波动，随着灯丝老化电阻增大，灯丝的伺服电流会逐渐变小，当伺服电流低于预设的范围值时，机器就会报剂量率连锁，针对这种情况，可通过调节伺服电流的范围，使得伺服电流在正常工作范围并解除连锁。需要特别注意的是每次调节灯丝伺服电流后为保证绝对剂量准确，需要进行剂量率校准。

磁控管老化造成进入加速管的微波频率低于设定的数值导致AFC系统故障是临床较为常见的连锁故障，尤其是随着设备使用年限的增加。魏绪国等[10]通过对医科达Precise型直线加速器11年的运行情况总结与研究发现，磁控管从第4年开始出现故障。黄云杰[11]报道了一种通过手动找回剂量率最高点的方法判断是否为AFC系统故障的方法，此种方法较为简单便捷，可作为初步判断。如果需要进一步精确诊断，可参考余海坤[12]报道的使用示波器和万用电表的方法对AFC系统进行精准测量与维修。通过研究对医科达数字化电子直线加速器控制软件IPV系统的研究，发现与剂量率故障相关的AFC系统子项目主要有item181、item182、item163和item230。这4个子项目分别控制电子枪灯丝、微波源脉冲以及微波反馈信号，通过调节相关子系统item的反馈信号等参数使得AFC预设数值与设备实际的数据相一致，最后部分排除因老化引起的故障问题。这是一种针对数字化直线加速器磁控管老化引起故障的解决方法，与硬件老化报废的维修方法有较大的差异[13-14]，为数字化直线加速器剂量率连锁的维修提供了一种思路。为降低磁控管老化速度，在日常使用中必须对磁控管与AFC系统进行有效维护保养，日常晨检出束应遵循射线能量由低档到高档的顺序等[15]。

本文针对医科达Axesse直线加速器剂量率连锁分析了导致故障发生的3种原因，并针对电子枪灯丝伺服Gun Servo电流调整与AFC系统优化的操作步骤。本文以医科达数字化直线加速器Axesse剂量率连锁的维修为例，探讨了数字化直线加速器的维修思路，可为同行提供相关维修参考。