医科达Precise加速器运动系统原理及故障4例
引言
放射治疗是目前肿瘤治疗的主要手段之一，随着科学技术的发展，医用直线电子加速器已成为现代放射治疗领域的主流设备[1]。医科达Precise医用直线加速器是国际上先进的全数字化医用加速器。它的特点是系统界面操作简洁方便，控制软件能实时监测并显示各项参数；能量选择灵活可调，具有高中低三档X线能量和九档电子线能量供选择；同时配备了40对叶片的多叶光栅和iViewGT影像验证系统。该设备应用于全身各部位的肿瘤放射治疗[2-4]。直线加速器的运动系统包括旋转机架，辐射头、多叶光栅、光束调制器等的相关运动部件[5]。本文主要介绍医科达直线加速器的各个运动系统，阐述控制运动的驱动和伺服系统的工作原理以及一些常见的运动联锁故障。
1 医科达Precise加速器的运动系统原理简述
医科达Precise医用电子直线加速器主要由旋转机架、机架支撑底座、治疗床、控制柜和操作控制台等组成，其中高压系统、微波系统、冷却系统、束流控制系统、辐射治疗头等均位于旋转机架上[6-7]。医科达加速器采用的是滚筒式机架，机架拥有独立的运动系统以控制机架旋转，其运动控制系统位于72区。辐射头同样拥有独立的运动系统以控制其转动，其运动控制系统位于12区。辐射头的主要作用是提供满足一定均匀性和对称性要求的辐射速流，并将辐射束流限制在一定的区域内，得到临床需要的不同尺寸的辐射野[8]。机架运动和辐射头运动原理，见图1。使用人员通过手动控制器发出运动请求（运动请求包含运动触发，运动的速度以及运动方向三路信号），通过直线加速器控制系统（Linac Control System，LCS）主机控制处理将相关运动的软件控制代码转变成晶体管-晶体管逻辑电平（Transistor Transistor Logic，TTL）信号。这些信号传输至各自运动控制电路和马达驱动电路加工处理后，生成驱动信号提供给马达驱动板。编码器监测运动组件的实际位置然后形成一个伺服回路将这些信息以软件代码的形式返回LCS主机。因此，LCS软件可以启动和停止相关运动，还能实时动态调整运动的速度和方向。每个代码可以接受许多种输入指令，这些输入指令可能是来自ASU运算单元、辐射头、指轮开关的运动请求等。直线加速器需要使用人员手动控制各种运动的装置包括手持控制器、FKP压力传感器、BLD控制开关、床边手控盒等[9]。
图1 医科达Precise加速器运动系统原理框图
2 医科达Precise加速器常见运动联锁案例与分析
2.1 某特定角度报i70 Gantry联锁错误故障排除实例
2.1.1 故障现象
机架旋转至某个角度时突然停止，出现Gantry联锁，机器掉至“Close”状态。此时必须手动松开刹车强行将机架转离此角度后联锁自动消除，机器可升至“Preparatory”状态。
2.1.2 故障分析
每个运动系统的伺服回路都包含一组电位器为LCS提供主要和次要的位置参数。提供主要参数的电位器包含Coarse和Fine两个电位器，而只有一个Check电位器提供次要参数。LCS通过主电位器提供的信息精确计算运动位置，通过次电位器提供的信息监测主电位器参数的准确性。Coarse和Check电位器是一种线绕多圈电位器，有一个滑片连接在10圈绕组上，因此只能转动10圈。抽头电压变化范围为0～10 V，Fine电位器的滑片有两组抽头电压A、B，而且Fine电位器可以循环持续转动，为了获取稳定的反馈电压，A和B一般选择2.5～7.5 V的范围内。另外，Coarse电位器精确度较Fine电位器偏低（机架角度Coarse电位器精度为36°/V，而Fine电位器的精度为1.8°/V）[10]。Coarse与Check电位器的取样电压差＞200 mV时机器状态会掉至“Close”状态[11]。因此，联锁错误故障多因机架电位器Fine或Coarse长期使用，导致滑片到某一点线性度突变所引起。
2.1.3 故障检修过程
由于Fine（RV1）电位器精度高，故障频率较高。首先更换RV1电位器，再旁路运动联锁，做Gantry 角度校准，校准完成后仍然报i70 Gantry联锁。再更换Coarse（RV2）电位器，机架位置转至0，然后使RV2电位器中心抽头电压和Check（RV4）电位器中心抽头电压都是5 V，继续按照手册做Gantry角度校准，校准完成后联锁消除。注意在更换电位器之前确认10 V基准电压是否正常，误差不超过±0.2 V（如果10 V电压不正常则更换电位器不能解决问题）。
2.2 反方向运动伴抖动现象报i70 Gantry联锁错误故障排除实例
2.2.1 故障现象
要求机架逆时针方向旋转时却向顺时针方向运动且伴有抖动现象，随即运动停止，出现i70 Gantry联锁报错。
2.2.2 故障分析
机架能旋转说明使能信号正常，因此可能导致故障的原因有两个方面：速度方向信号异常或者是马达驱动板故障。根据图纸分析，手动控制器提供速度，方向模拟信号给计算机处理后以TTL信号至模拟输出板板A08-A（图2）。A08电路板功能是将计算机输出的数字信号转换成模拟信号，提供给马达驱动板进行功率放大以满足马达工作所需要的大功率电压。
图2 机架运动电路图
2.2.3 故障检修过程
首先我们可以通过软件查看确认计算机使能、输出信号是否正常，然后通过分析电路图及实际测量排查故障[12]。第二步排除手动控制器，因为加速器任何一个手动控制器旋转机架都会报错，因此可以排除因为控制器故障导致此现象。最后旋转机架的同时测量A08 C17脚的输出电压（正常状态下顺时针旋转时0～2.2 V，逆时针旋转0～2.2 V）异常，由此判断A08板故障，更换后使用正常。
2.3 机架不能旋转无联锁报错
2.3.1 故障现象
任何一个手动控制器发出机架运动指令时机架不工作，无任何联锁报错。
2.3.2 故障分析
初步检查刹车电路工作正常，而马达无电压。刹车是否工作可以通过刹车吸合的声音判断[13]。根据运动三要素：使能、速度、方向，查找故障原因先从使能信号入手。使能信号经过ROC板、HME板的PL2 A21脚至马达驱动板（图3）。加延长板测得HME板的PL2 A21脚使能信号正常（在工作状态下低电平有效），然后在AO8板C17脚测得速度和方向信号也正常（正常状态下顺时针旋转时0～2.2 V，逆时针旋转0～2.2 V），显示使能、速度、方向信号都能正常送至马达驱动板，因此断定马达驱动板没有工作。
2.3.3 故障排除过程
医科达加速器有5块同样的马达驱动板可以互相调换（2块机架马达驱动板，3块床马达驱动板），但是调换了驱动板仍无法排除故障。重新分析图纸发现马达驱动板正常工作条件除了需要驱动信号，还需要±26 V电源电压[14]。±26 V电压是由75区电源提供，信号流程见图3，测得75区电源输出电压TS75A16脚+26 V电压为0，17脚-26 V电压正常，经仔细检查发现16脚接线氧化，处理后恢复正常。
2.4 6 MV能量模式报i517 Sctr Limit联锁错误故障排除实例
2.4.1 故障现象
6 MV能量模式下，出现i517 Sctr Limit联锁报错。
图3 马达驱动电源电路图
2.4.2 故障分析
Scatter Carrier是初级散射箔，位于小机头的最上端。有六个位置窗口，其中五个是厚度不一的窗口有不同能量的电子线穿过，第六个是开放的窗口被X线穿过。其驱动装置见图4，包括马达M1、两个微动开关SW16和SW17、电位器RV4及RV2。此联锁提示Scatter运动没有到达指定位置。
图4 SCATTER结构图
注：a. 驱动马达；b. 电位器；c. 限位开关SW16及SW17。
2.4.3 故障排除过程
首先在6 MV能量模式下，检查Scatter运动是否正常。经确认Scatter已经到达相应位置，此时限位开关SW16闭合，SW17断开。然后测得SW16两引脚电压为6.7 V，SW17两引脚电压为12 V。由于SW16闭合状态下触点常闭，引脚电压应为0，所以怀疑此限位开关触点接触不好。经更换SW16（型号参数为6 A，250 V）后，联锁消除。
3 讨论与总结
医科达加速器出于安全因素设计有很多联锁，这些联锁都有ITEM代码（图纸上标有598个ITEM），根据代码可以准确地从图纸中找到相应电路[15]。当出现这些联锁故障时，仔细分析电路工作流程及逻辑关系，通过观察、测量、排除等手段找出故障原因，大部分故障都能快速有效地解决。此外加速器机械运动十分频繁，故障出现的比例也较高，需要定期检查各紧固件，定期清洁、润滑机架滚轮、治疗床导轨、丝杆等运动部件[16]。因此，维修人员实行及时检修并进行日常预防性维护，制定周全的保养计划，才可能有效地降低故障发生率，保证设备开机率及良好的运行状态。
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Principle and 4 Cases of Troubleshooting in Elekta Precise Linear Accelerator Motion System