医科达Synergy直线加速器多叶准直器工作原理和故障分析
引言
近年来，恶性肿瘤的发病率一直处于上升趋势，治疗肿瘤最有效的手段依旧是手术、放射治疗和化学药物治疗。由于放射治疗拥有适应症宽、疗效较好的优势，放疗在治疗肿瘤方面有着举足轻重的地位。随着科学技术日新月异的发展，医用电子直线加速器已经成为放射治疗方面的主力治疗设备[1]。目前主流的放射治疗技术是调强治疗，而调强治疗所依托直线加速器的关键部件就是多叶准直器（Multi-Leaf Collimator，MLC）。由于患者病例数多，且在治疗过程中，多叶准直器一直在高能射线辐照下做高精度的机械运动，因此多叶准直器的故障发生率高。所以，做好多叶准直器的保养和维护工作，保障直线加速器的正常治疗，对于确保病人能够得到及时、有效、准确的治疗和维护医院临床科室的正常运作具有不可或缺的作用[2]。
1 基本原理
医科达MLCi2型多叶准直器结构上用40对钨合金叶片替代了原来的上端准直器，并在MLC叶片和下端准直器间增加了一对薄片准直器，薄片准直器会跟随MLC叶片一起运动，进一步减少MLC叶片间的漏射线剂量。这种结构因为叶片靠近放射源，得到相同射野大小时，叶片的运动范围较小，叶片长度也可以缩短许多，且多叶准直器整体结构紧凑，MLC结构示意图如图1所示。
图1 MLC结构示意图
注：1. 叶片组件；2. Y方向钨门；3. X方向钨门。
医科达MLCi2型多叶准直器的控制系统中采用光学系统结构代替了传统的线性编码器和高精度的线性电位器的机械控制结构。光学系统的应用省去了编码器、电位器以及它们之间的接线，节省了大量空间，使得MLC维修能够更加方便快捷。光学系统由光源、遮光板、反光镜、分光镜、聚脂薄膜反光镜、摄像头、摄像头反光镜和粘有反光点的多叶光栅组成[3-5]，光学系统原理图如图2所示。
图2 光学系统原理图
注：1. 光学灯泡组件；2. 遮光板；3. 反光镜；4. 分光镜；5. 聚脂薄膜反光镜；6. 粘有反光点的多叶光栅；7. CCD摄像机；8. 摄像头反光镜。
光学系统的光源由13.8 V、50 W的卤素灯泡提供，通过反光镜将100%的光反射到分光镜上，接着通过分光镜，将75%的光反射到聚脂薄膜反光镜（聚脂薄膜反光镜因其特殊的材料能够做到不影响X线和电子线的通过）再继续反射到多叶光栅的反光点和4个参考反光点上。此时反光点将光线通过聚脂薄膜反光镜反射，通过分光镜再最后通过摄像头反光镜反射进CCD摄像头，以上是整个光路运作过程[6]。MLC的工作原理是当直线加速器主机从放射治疗计划服务器接收到治疗计划指令后，经过治疗控制系统处理后传输给叶片马达驱动板，马达驱动板驱动电机运动从而带动叶片运动。同时CCD摄像机捕捉叶片上的反光点后经过图像采集卡传输给图像处理器，将视频信号后转化为数字信号，送入MLC控制器中处理，从而监测和控制MLC叶片的运动。
2 故障案例一
2.1 故障现象
治疗过程中，出束中断，报“MLC not ready”联锁，点开报错栏，显示X1、X2、Y1、Y2四个钨门均不到位，由于MLC叶片和钨门有任何一个出现问题，都会导致整个MLC停止运动且无明确的钨门和叶片的报错提示，因此只能逐一排查。
2.2 故障分析与处理
复位后联锁消除，在Service模式下运行测试病例，故障依旧。在MLC界面点击“Optics Optimization”按钮查看多叶光栅反光点宽度，大部分数值为12或者13，最边上的叶片宽度的值为11，且反光点有轻微泛黄[7-9]。将反光点灯泡亮度从9档调高到10档后进行光学优化，优化完成后可见所有的叶片宽度都能达到12或者13。对MLC进行循环测试，MLC报错停止。根据以上现象分析，光学优化可以通过，基本排除光学系统及MLC叶片马达驱动板故障。
怀疑驱动叶片的丝杆因长期使用可能有损坏，继续测量叶片马达电流。将机架转到90°、小机头转到0，在MLC界面上点击“Display Shape Codes”图标，选择Offset+12.5（40×40）的治疗野，待所有的叶片都走到位后，依次点击“Service Functions”图标，选择“Service Graphing＞Edit Machine Item Part”， 将 Item 2009 Leaf Control中 part 208 的值改成1，打开测试叶片电流功能，开始测试叶片马达电流[10-12]。根据图3中显示结果，叶片马达驱动电流均在90以内，处于正常范围，排除了丝杆和驱动电机故障。
图3 叶片驱动电流测试结果图
在排除叶片部分故障可能性后，分析故障点可能出现在钨门上，单独驱动任一钨门，均能够运动，尝试对4个钨门的电位器分别进行绘图测试分析。根据维修手册，钨门运动依靠Coarse、Fine和Check三个电位器确定位置，其中精准计算运动位置的是主电位器Coarse和Find，用次电位器Check来检查主电位器运动位置数据的完整性，从而保证数据的一致性。其中Fine电位器中间具有两个输出头，是双刷电位器，通过连续旋转形成双路输出；Coarse在整个运动范围内大约旋转10圈，用来记录Fine电位器旋转的圈数；Check电位器在整个运动范围内大约也旋转10圈和Coarse电位器保持一致，通过检查和Coarse的一致性（如不一致则不能工作）来间接达到检测Fine电位器的可靠性，通过这三者电位器的函数关系来保证钨门运动的精准性，图4为Coarse、Fine和Check三个电位器正常的函数关系图，其中Fine电位器因为有两个输出头，所以图中分为Fine A和Fine B两条线。
在绘制4个钨门的电位器函数图后和正常函数图对比，发现Y1钨门的Fine电位器运行轨迹在某一小范围有明显波动，判断Y1钨门的Fine电位器故障。测量好电位器抽头电压并做好记录，按下手持控制器（HHC）的STOP按钮，断开接口柜的ICCA开关，做好电位器组件及电位器齿轮的位置标记后进行Fine电位器更换。更换完成后需要校准电位器之间的关系，按动小机头控制单元上的功能选择键选择size Y1，拨动控制钨门运动的波轮，驱动钨门来回行走，在新的数据存储好校准完成后，故障消除。
图4 Coarse、Fine、Check电位器函数关系图
2.3 验收
MLC钨门运动对精度的要求非常高，因为其关系到病人是否能够得到应有的精确治疗。维修完成后需要用方格坐标纸在光野下观察钨门运动是否准确到位，如果有偏差还需要重新调整钨门的位置，保证其工作的精准性[13-14]。
3 故障案例二
3.1 故障现象
MLC 报错 ：“Missing leaf reflector error”。
3.2 故障分析与处理
从辐射口处观察到野灯灯泡点亮，打开辐射头防护罩壳，测量发现野灯灯泡电压在11.2 V，低于灯泡所要求的13 V，调节野灯电源选择旋钮，从原本的10档调到12档后进行光学优化，叶片运动一段距离后报“7040 Lost Reflector Rate”，重复多次后均不能完成优化。怀疑野灯老化，更换新的野灯灯泡后再次进行光学优化，故障依旧。怀疑反光点本身反光强度因长时间暴露在射线下性能下降。将光学系统模块拆除，用纱布蘸取酒精对反光点进行擦拭，依旧报反光点丢失。根据上述情况，仔细观察后发现，在调节灯泡亮度和擦拭清洁反光点后，显示屏上反光点宽度均没有明显变化。调节CCD摄像机光圈，增大摄像机的进光量，观察发现反光点宽度依然没有明显改观，怀疑CCD摄像机老化，导致其对光的捕捉不敏感。测量摄像头母板及其延长板上TP35和TP1A之间的Noncooled sensor电压为3.8 V，根据图5所示：3.8 V的电压说明摄像头已经达到了使用寿命的95%，需要更换。更换摄像机后，调整野灯电源到13 V，重新进行光学优化，故障消除。
图5 摄像机寿命参考图
4 故障案例三
4.1 故障现象
治疗过程中，机器停止出束，报“MLC not ready”，复位后可以治疗，在报错栏经常闪现“MLC PRF”，治疗一段时间后又停止出束，报“MLC not ready”。
4.2 故障分析与处理
进入Service模式，检查MLC反光点亮度正常，对钨门电位器进行绘图测试也正常。继续整体拖动40对叶片进行运动测试，发现Y2的25叶片行走缓慢，给Y2的25叶片换上新的驱动马达和丝杆后测试，MLC故障依旧。继续观察，发现在拉动某一叶片时，周边相邻的叶片会跟着一起运动，查看MLC图纸，驱动信号是从马达驱动板到马达，从而最后驱动丝杆带动叶片进行运动。发现一起运动的叶片同时都经过马达驱动板的D5芯片，判断马达驱动板有故障，更换新的驱动板后，故障排除。
5 讨论
因MLCi2型多叶准直器的结构比较复杂，涉及光学，电路及驱动等很多方面。因此不但要充分了解其光学模组的结构和工作原理，也要了解电路的控制和驱动及反馈原理才能更好地着手维修。MLC的问题主要在光学系统、MLC叶片驱动系统及钨门运动这三部分。光学系统主要影响MLC叶片的反光性能，反光性能不好将导致系统不能确定MLC叶片的位置。光学系统应按顺序检查灯泡及其电压，反光镜，叶片反光点和摄像头。MLC叶片驱动系统主要包括马达，丝杆和马达驱动板。马达驱动板可以通过控制系统手动驱动叶片的方法判断其好坏，马达和丝杆可以通过测试马达驱动电流的方法来判断好坏。钨门运动主要包括钨门驱动系统及电位器采样系统。钨门驱动系统同样也可以用控制系统手动驱动钨门的方法判断其好坏，电位器采样系统可通过控制软件绘图分析的方法来查找故障。通过以上三个方面，基本能够判断和解决MLC运动系统的问题[15]。
多叶准直器是调强放疗中不可或缺的重要部件之一，其运动精度高且结构复杂，大工作量会导致故障率升高。为保证病人得到及时的治疗和保障医院的正常工作秩序，工程师需要熟悉其工作原理，从而能够快速准确地解决机器故障[16]。因此，在维修设备时，需要结合电路原理图和维修手册，认真分析，仔细观察和测量，理清思路，这样才能及时解决故障。同时要注意经验的总结，做好故障维修后原因的查找分析工作，根据故障成因，拟好对策，通过PDCA来保障直线加速器的正常运转。
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Operation Principle and Fault Analysis of Multi-leaf Collimator in Elekta Synergy Linear Accelerator