医用直线加速器的健康监测与智能运维

费 非，葛连刚，焦识博，刘剑华，李砚博，宋伟佳

（吉林市第二人民医院，吉林吉林 132000）

0 引言

随着放疗技术与放疗医用加速器设备快速发展，国内对大型放射医疗设备的需求较为迫切，但是国外大型设备在国内的占有率较高，要实现大规模设备国产化仍须不断努力。医用直线加速器作为癌症放射治疗的大型医疗设备，利用产生的光子线和电子线对病人体内的肿瘤进行照射，运用放射线对正常细胞群和肿瘤细胞群的不同影响及损伤恢复能力的差别消除或减小肿瘤。放射治疗无创伤、副作用小、术后恢复快，使其成为治疗肿瘤的主要手段之一。

我国医用加速器设备市场的70%被瓦里安、医科达及安科锐等国外品牌占领。国外设备不但价格昂贵，后期的维修服务费用也非常高。同时，医用直线加速器结构复杂、涉及多学科多场耦合，易出现故障导致治疗效果降低，使设备成本增加。因此，对其开展智能运维，进行健康监测是提高其治疗精准度与降低运行成本的重要措施，也是开展新医科建设的重要组成部分。

1 医用直线加速器故障诊断

医用直线加速器是实现精准放射治疗的关键大型设备，其主要由电子枪、加速管、真空系统、束流系统、治疗头、恒温冷却系统及剂量监测系统等组成。如果直线加速器在使用过程中发生故障，将严重影响治疗的准确性及治疗效果。医用直线加速器常见的故障有多叶准直器故障、联锁故障、运动控制故障及机械系统故障等（图1）。因此，充分了解加速的工作原理与服役过程中出现的故障，开展加速器故障监测，对提高治疗效率具有重大意义。

图1 医用直线加速器常见故障分布

1.1 多叶准直器故障

医用直线加速器动态多叶准直器是实现精准放射治疗、实施适形，以提高治疗效果的关键核心器件。多叶准直器（Multi-Leaf Collimator）用以规范射线束轮廓，使其轮廓形状与患者肿瘤相接近，从而改善靶区与邻近危及器官的剂量分布，到达最大程度杀死肿瘤细胞的同时对正常组织的影响最小化。因此，开发高性能多叶准直器是现实精准适形与治疗的基础，对提升放射性治疗效果具有重要作用。内置式与外置式动态多叶准直器如图2 所示[1]。

图2 内置式和外置式动态多叶光栅

一般加速器开机时间长，在使用过程中多叶准直器故障较为常见。此类故障会导致治疗过程中断，严重影响患者治疗的精准实施。因此，对多叶准直器故障进行分析并及时处理具有重要意义。

瓦里安多叶准直器的组成部件主要包括工作站、控制器、多叶准直器头部系统、调试工具与驱动马达，其中工作站主要用于对界面进行控制，使接收器驱动多叶准直器形成肿瘤形状；控制器主要用于发出指令，控制头部系统的马达驱动板、电源分配板、维护板等；调试工具主要用于调试校准叶片精度；马达系统主要控制多叶准直器的运动形成所需的肿瘤形状[2]。多叶准直器系统原理如图3 所示。

图3 多叶光栅系统原理

陈龙云等[3]针对瓦里安23EX 医用直线加速器多叶准直器的典型故障进行分析，发现多叶准直器故障主要集中在叶片驱动电极与电路板。方洵等[4]研究了多叶准直器频繁出现联锁故障的情况，断定其原因为扁平电缆故障，更换即可排除故障。陆奇鹏[5]对瓦里安Trilogy 医用直线加速器多叶准直器在正常运行过程中加速器主机突然中断出束，同步显示安全联锁信息的故障进行分析，发现B 侧编码条磨损严重，替换后检测正常。

通过以上分析可以看出，多叶准直器常见的故障形式主要有驱动电机故障、电路板短路、扁平电缆故障、丝杆磨损、编码条磨损、初始化失败及控制系统故障等。

除正常定期检测外，还需对多叶准直器进行清洗，可以避免阻值过大导致的失效，降低故障率、延长使用寿命。

1.2 联锁故障

医用加速器的联锁主要包括剂量联锁、主要联锁和次要联锁，任意联锁发生都将导致中止出束。剂量联锁影响剂量的输出或测量状态，重新激活后必须输入密码才可复位。主要联锁的检测内容为存在可能的损坏设备，激活后会关闭发热元件。次要联锁主要是提醒操作师可能存在影响机器工作的状态。随着放射性治疗患者逐年增加，医用直线加速器往往会出现不同程度的损耗，进而增加了设备的故障率。联锁故障作为医用直线加速器常见的故障，其处理结果直接影响着系统的安全运行。

朱劲松等[6]分析了医用加速器输出剂量故障，对故障的排查等提供了精简的排查流程，指明输出故障的影响因素，为高效故障处理提供参考。屈小广[7]对加速器出现DS12 联锁故障进行了分析，阐述了故障产生机理，通过将XA15 PCB 板与XA16 PCB 板间的直流电压调到0 左右即可解决问题。王鑫等[8]对瓦里安加速器GFIL（GUN FILAMENT，电子枪灯丝）联锁的主要原因进行了详细分析，给出可能导致其故障的各种影响因素。李洪明等[9]总结了Trilogy 医用直线加速器联锁故障的维修经验。

依据联锁故障的类型，将联锁故障归纳为表1。从表中可以看出很多故障均为次要联锁，因此设备操作人员需对故障机理有清晰的认识，才能快速排除、解决故障，进而提升服务质量。

表1 联锁故障

1.3 运动控制故障

医用直线加速器常见的运动控制包括：机架旋转、准直器自传、治疗床升降、横向运动、公转等，其运动控制系统必须具有良好的一致性、高精度及可靠性，运动控制系统如图4 所示。若运动控制系统出现故障将导致治疗无法正常进行，严重影响患者摆位及治疗效果。

图4 医用直线加速器机械运行部件

医用电子直线加速器在开机服役过程中需要多个运动部件协同配合才可以完成相应的控制动作，因此控制系统出现故障的概率较大。刘浩武[10]总结了常见的运动控制故障，主要有传动故障、电机故障和控线故障。吴道成[11]针对医用直线加速器在治疗过程中的电机、电源及控制线路故障的识别与检修进行了详细的讨论，给出电机和控制路线更换的基本准则。吴振明等[12]对医用直线加速器驱动系统及控制系统故障进行了研究。

医用直线加速器在服役过程中，运动控制系统的使用频率最高，导致其故障率也较高。通过以上研究发现运动控制系统常见的故障主要有驱动故障和控制电路故障。驱动故障主要表现为控制电路信号正常，但是运动部分不能正常做动作。此种情况下需对继电器、驱动系统电源及驱动电机等进行检查，发现问题及时排除。控制线路故障主要表现为指令下达后不反应或反应动作异常。通常情况控制线路故障点较为单一，一般是单点故障，但是偶尔也会出现多个故障点耦合的情况。控制线路故障需对线路中继电器进行仔细检查，若有问题则进行更换。若故障点不是继电器，则可能在电路控制板，需对其输入与输出项目进行检测，结合实际情况排除故障。

1.4 机械系统故障

医用直线加速器对机械系统及运动系统的精度有非常严格的要求。机械系统故障的主要形式有精度失准与磨损失效。精度失准主要包括治疗床、辐射头及旋转机架、等中心等（图5）。磨损失效主要包括治疗床轨道、机械臂等旋转运动接触件。为保障设备的治疗效果，需对机械系统故障进行监测，尽早排除设备故障导致的治疗误差，延长设备的使用寿命。

图5 等中心示意

张波[13]指出机械故障主要有精确度故障和磨损故障。针对精确度故障一般进行定点部位的精度校准或相关零件的更换即可解决；磨损故障一般进行硬件更换、润滑与清洁即可解决。余光伟[14]对医用电子直线加速器物理性能和机械性能进行了测量，给出机架、准直器、治疗床的等中心距离。直线加速器的等中心精确度是放射治疗的关键因素，机械系统故障将导致中心精度降低。影响中心精度的部件主要有机架底座、机架旋转轴、准直器旋转轴、治疗床底座、治疗床公转轴与机架旋转轴等故障误差。因此，需定期对加速器的机械精度质量控制进行检测，及时排除故障。

医用加速器各机械运动部件对治疗精度的影响重大，精度超过允许的精度范围时应及时排除相关故障，保证设备正常稳定的运行，进而更好地服务患者，增加治疗的有效性与准确性。针对磨损问题，需观察与监测磨损量和接触面表面的磨损情况，定期、定量地对运动部件接触部位加注润滑油、清理灰尘和油泥等，保证运动件接触表面的稳定性与工作的可持续性。

2 医用直线加速器智能运维

医用直线加速器作为大型精密医用设备，也在向信息化、智能化的方向发展。为实现更好、更快、更准的诊治，利用信息技术对设备进行监测，准确地识别加速器运行参数及性能变化，实现寿命预测与动态维护。

2.1 运行与维护

为保证设备的稳定服役，须对设备进行维护。目前，大多医院对设备进行定期的计划维护，包括日维护、月维护以及年维护等。通过对几何失真、空间分辨率、控制系统、运动控制精度、联锁及设备清洁等方面的检查维护，一定程度上降低了设备的故障率，但是针对加速器的维护仍有进一步提升的空间。

磁控管是医用直线加速器的关键器部件，郭旭峰等[15]为保证设备的高效运转，对磁控管的维护进行了研究，提出为避免磁控管两级放电打火，需在开机前对其进行预热。对磁控管的水质及循环温度要定期检查，按期自动频率控制系统进行维护。陈荣耀等[16]阐述了治疗前的环境检查、开机后的基本检查及加速器的定期维护保养。杨涛等[16]对医用直线加速器移动控制系、恒温水循环系统、患者支撑系统、剂量监测系统及辐射系统的维护进行研究，详细说明了其维护项目与方法。高旭辉[18]提出控制加速器机房湿度可以保证加速的正常运行，降低闸流管及磁控管的故障率。严格控制加速器机械精准度，对照标准实施以保障治疗计划的精确性。徐海欢[19]对医用直线加速器的检测与校验维护进行了研究，阐述了维护工作中需要关注的重点。

采用合理的维护手段可避免设备出现故障。加强剂量监测系统、辐射系统定期维护。对运动部件精度进行校准。对患者支撑系统、恒温水循环系统定期的常规检查，设备服役环境湿度与稳定的及时监测，确保稳定合理的运行环境可保障设备的安全运行，增加使用寿命与治疗效果。

2.2 智能监测

医用直线加速器的智能监测可以有效实施设备的预防性维护，对设备的预防性维护能够大大降低计划外的校正，节省资金、提升设备的利用率，确保设备能发挥其最大功效，同时降低故障次数。随着大数据及传感技术的日益成熟，智能监测已应用于各行各业。医用加速器的监测包含安全性监测、运动系统精度监测、光学系统的监测、联锁的监测。曹粲[20]提出预防式保养、维护可以提高设备的运行安全性能，可通过观察设备润滑状态、磨损、变形及松动等情况，提前对设备的运行状态进行保养、维护。Able 等[21]开发了一种用于检测加速器系统运行参数和性能精度偏差的流程方法，当偏差超过给定阈值时系统故障或功能障碍时提前报警，以实现在联锁启动前对其进行维护。Kim 等[22]利用维护数据集对导致间断放疗的故障进行分析，利用其特征预测了停机时间。通过对停机时间的预测对设备进行预维护。

随着传感技术的快速发展，设备智能监测相关技术及软件越发趋于成熟。考虑医用加速器运动精度的对治疗效果的影响，可利用先进传感技术对运动精度进行监测，实现实时动态的精度调整。针对设备机械磨损等的监测，可利用润滑油液、磨粒等信息判断其磨损状态。智能监测的成功应用可以方便运维人员了解设备的实时状态，实现设备的精准治疗与良好的稳定服役。

2.3 运维管理

医用直线加速器在日常工作中需要主动进行运行管理，可以有效地降低系统故障，减少停机维修造成的不良影响。冯国英等[23]针对医科达Infinity 医用直线加速器的管理进行了说明，指出需建立健全工作制度和规范人员管理，通过制定相应的管理规范降低系统故障发生率。李列等[24]对设备运行维护措施及质量控制进行了研究，用以有效提高治疗效果及控制精度。

为保障设备稳定运行，通过对医用直线加速器日常故障、维护方式等的统计，分析设备主要系统和零部件运维管理计划，制定设备运维日常管理方案，包括管理制度、人员操作执行准则及流程，最大程度掌握设备运行状态及工作环境，避免设备非正常停机，使设备始终处于最佳运行状态，延长使用寿命，提高治疗功效。

3 存在的问题与挑战

医用直线加速器作为放射治疗的主要医用设备，在设备进行服役运行期间需对其各项性能指标进行严格的检测，才能避免故障的发生。对设备进行计划性维护能够降低设备故障率，提高设备可靠性。目前，针对加速器的监测大多通过人工观察的方法，造成一些较微小的变化不能及时发现，容易导致设备联锁故障。因此，需要利用先进的监测手段对加速器进行实时监测，及早发现异常并进行处理。

随智能运维技术的发展，医用加速器的智能运维也在不断发展进步。目前，设备的维护大多通过日、月、年的计划进行保养及维护，但没有对设备运行环境进行维护。因此，需对机房环境进行实时监测，及时掌握环境变化，保证设备的良好运行环境。

医用加速器故障诊断及设备智能运维的发展同样面临着巨大的挑战。虽然监测技术不断发展，但是医用加速器系统的集成度、精密度较高，设备结构原理较为复杂，开发一套专用的状态监测系统较为困难。同时针对人员培训及设备维护等工作，由于专业技师的个体差异，对统一标准的操作规范及管理等执行程度差异较大，进而影响到设备的运行状态。因此，需要制定严格的设备管理制度，做好人员操作规范培训。正规的操作可以大大降低设备故障的风险，创造设备更大的价值。要保持设备可靠稳定的运行，需集成诊断、运维及管理于一体，不断更新设备的运行状态，进一步实现设备高效、稳定的服役。

4 结论

医用直线加速器作为放射性治疗的大型医用设备，其结构精密、复杂，在设备服役过程中可能出现各种机械、控制、联锁等故障。针对设备的常见故障形式，总结设备智能维护的方法及管理要求，指出设备维护对预防故障发生的必要性和重要性。同时针对设备故障诊断与维护工作中存在的问题与挑战进行讨论，为提高设备服役可靠性、安全性提供参考。