張慶釗，葉裕豐，劉凌湘

廣州市番禺區(qū)中心醫(yī)院 腫瘤中心，廣東 廣州 511400

引言

瓦里安C 系列高能直線加速器在我國(guó)廣泛使用，由最早的21 系列，逐步升級(jí)換代成23 系列、trilogy，直至成為主流的基于iX 平臺(tái)的Clinac iX，其整合了包括動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)管理在內(nèi)的影像和治療應(yīng)用，具備同步成像、圖像引導(dǎo)、調(diào)強(qiáng)適形和立體定向等先進(jìn)放射治療技術(shù)，均采用三極（柵極控制）電子槍系統(tǒng)精準(zhǔn)控制放療劑量率。目前已發(fā)表故障案例多是通過(guò)槍系統(tǒng)和聯(lián)鎖的工作原理把具體設(shè)備故障視為個(gè)案孤立分析，缺乏系統(tǒng)探討總結(jié)故障的共性[1-3]。本文以全新高效 iX平臺(tái)的代表——Clinac iX 為典型進(jìn)行闡述，同時(shí)明確系統(tǒng)分析在新設(shè)備新技術(shù)更新?lián)Q代周期變短時(shí)的重要性。

1 槍控制系統(tǒng)工作原理分析

電子槍發(fā)射用于腫瘤放射治療的高能電子束，其是醫(yī)用直線加速器核心器件之一，基本性能要求主要有：電子發(fā)射數(shù)量及束流強(qiáng)度、發(fā)射時(shí)機(jī)和角度及電子射程等[4]，射線指標(biāo)直接受電子槍產(chǎn)生的電子注的質(zhì)量影響[5]。

三極（柵極控制）電子槍是在陰陽(yáng)極之間加一個(gè)柵極，達(dá)到在不改變陰陽(yáng)極電壓的情況下，較大范圍地由柵壓脈沖控制電子束流的大小和寬度[6]。槍控制系統(tǒng)主要由低壓的槍冷端和高壓的槍熱端兩部分組成[7]，見(jiàn)圖1。

圖1 三級(jí)（柵極控制）槍控制系統(tǒng)

冷端由電源板、自動(dòng)頻率控制電路和槍脈沖控制板、槍控制板、冷端控制背板和光電耦合接口板組成。熱端由槍高壓電源板、燈絲電源板、槍柵極脈沖板、低壓電源板以及熱端控制背板組成。冷端和熱端之間的電位差高達(dá)25 kV，為避免高壓電路對(duì)低壓控制電路的影響，設(shè)備采用變壓器和光纖實(shí)現(xiàn)安全隔離，即熱端高壓由冷端低壓通過(guò)隔離變壓器實(shí)現(xiàn)，冷端和熱端的控制信號(hào)通過(guò)冷端的光電耦合接口板上的7 根光纖連接。同時(shí)，操作熱端時(shí)須嚴(yán)格遵守先關(guān)閉高壓電源，后放電棒接觸釋放靜電的操作規(guī)程。

槍驅(qū)動(dòng)控制隨著設(shè)備使用年限以及工作量的增加，故障率會(huì)逐漸增高[8-9]。維修手冊(cè)提示GFIL 聯(lián)鎖主要原因是槍燈絲或者柵極偏置電壓太低[10]，常由控制板信號(hào)或者電源電壓不穩(wěn)定造成，重啟復(fù)位槍電源多能消除聯(lián)鎖。而槍燈絲電壓、電流和電源脈寬調(diào)制以及槍的控制參數(shù)如A/D 轉(zhuǎn)換、柵極偏壓高壓等異常都可能觸發(fā)GFIL 聯(lián)鎖[6]。當(dāng)影響劑量輸出時(shí)，通常會(huì)疊加甚至單獨(dú)觸發(fā)UDRS 等劑量聯(lián)鎖[11]。

2 案例分析

2.1 與槍高壓熱端燈絲電源相關(guān)的案例

2.1.1 故障現(xiàn)象

治療過(guò)程中在控制臺(tái)電腦上出現(xiàn)GFIL 聯(lián)鎖，字樣閃爍顯示，按“enter”鍵不能消除。

2.1.2 故障分析和排除

拆開(kāi)機(jī)架電子槍冷端部分，槍控制板顯示屏顯示故障代碼“HD A/D+”，維修手冊(cè)解釋為HD A/D+GDHD14: Hot Deck A/D Converter Over Selftest Failure，提示熱端部分模數(shù)轉(zhuǎn)換器過(guò)自檢故障，而GFIL聯(lián)鎖常見(jiàn)原因之一是燈絲電源板電壓5 V 不正常導(dǎo)致模數(shù)轉(zhuǎn)換器自檢故障[12-13]，但是測(cè)量后發(fā)現(xiàn)電壓正常且穩(wěn)定。嘗試重啟冷端POWER SUPPLY 電源，故障依舊。分析熱端燈絲電源供應(yīng)電路，見(jiàn)圖2。正常情況下，燈絲電源板控制初級(jí)電壓120 V AC 經(jīng)過(guò)高壓變壓器增壓后為燈絲供電。當(dāng)主微處理器根據(jù)監(jiān)測(cè)需要產(chǎn)生GFIL 聯(lián)鎖時(shí)，GFIL PWM 脈沖信號(hào)從主微處理器通過(guò)光纖到達(dá)光耦器J12，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后加到運(yùn)算放大器 U1（TLO74），再?gòu)? 腳出來(lái)分兩路：一路經(jīng)電阻進(jìn)入U(xiǎn)2（TLC15411）緩存；另一路進(jìn)入U(xiǎn)8（TL074）后加到晶管單片移相觸發(fā)集成芯片U7（TCA785）。同時(shí)120 V AC作為外接同步信號(hào)，經(jīng) R31、CR1 和CR2 后，經(jīng)5 腳輸入端進(jìn)入U(xiǎn)7，用于檢測(cè)交流電壓。

圖2 熱端燈絲電源供應(yīng)電路

最終U7 的Q1、Q2 端輸出幅度為+15 V 的脈沖，直接觸發(fā)可控硅脈動(dòng)導(dǎo)通，控制振蕩輸出AC FIL V MON 的監(jiān)測(cè)信號(hào)，經(jīng)U2 模數(shù)轉(zhuǎn)換后在16 腳輸出，通過(guò)光纖加到光耦器J13，最終在控制臺(tái)電腦上穩(wěn)定顯示GFIL 聯(lián)鎖。出現(xiàn)閃爍的“GFIL”，說(shuō)明電路工作不穩(wěn)定。

芯片U2 是以10 位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近A/D 轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)而構(gòu)造的CMOS A/D 轉(zhuǎn)換器。1 腳至9 腳輸入如AC FIL V MON 等的監(jiān)測(cè)模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后在16 腳輸出信號(hào)。該電路存在諸多光耦器件和數(shù)模信號(hào)轉(zhuǎn)換，因此檢查電子槍冷端與熱端之間的光纖和信號(hào)是判斷故障點(diǎn)在冷端還是熱端的重要手段[14]。檢查與U2的16 腳輸出端相連接的J13，發(fā)現(xiàn)發(fā)光端不穩(wěn)定。影響芯片工作穩(wěn)定性的主要因素是工作電壓和時(shí)鐘信號(hào)，在測(cè)量芯片工作電壓5 V 正常的情況下檢查時(shí)鐘輸入端19 腳，可見(jiàn)其與晶振Y1 之間有一條短路跳線為U2 提供時(shí)鐘輸入?？紤]到跳線處的插針彈簧片經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用，會(huì)存在彈性變差、接觸不良或者銹蝕的可能，阻值可能會(huì)隨工作的時(shí)間和溫度而改變，從而導(dǎo)致時(shí)鐘信號(hào)輸入不穩(wěn)定。嘗試重新多次插拔短路跳線，讓插針彈簧片重新恢復(fù)彈性和刮去銹蝕的表面后，故障排除。

2.2 與槍低壓冷端電源和槍驅(qū)動(dòng)相關(guān)的案例

2.2.1 故障現(xiàn)象

治療過(guò)程中在控制臺(tái)電腦上出現(xiàn)GFIL 聯(lián)鎖，按“enter”鍵無(wú)法消除。

2.2.2 故障分析和排除

在待機(jī)狀態(tài)下，冷端槍控制板會(huì)顯示電子槍工作狀態(tài)和參數(shù)，此時(shí)狀態(tài)顯示正常，但僅作參考，不代表真實(shí)狀態(tài)。原因是冷端槍驅(qū)動(dòng)底板上電源斷開(kāi)瞬間，有可能剛好切斷聯(lián)鎖的電源，使錯(cuò)誤狀態(tài)無(wú)法置位，即便在錯(cuò)誤的狀態(tài)下其狀態(tài)顯示依然正常[15]。分析冷端電源板電源供應(yīng)電路，見(jiàn)圖3。

圖3 冷端電源板電源供應(yīng)電路

電源板指示燈主電源（MASTER）DS1、熱端（HOT DECK）DS2 和高壓（HIGH VOLTAGE）DS3 均亮?？刂齐妷?25 V AC 通過(guò)主電源開(kāi)關(guān)S1 后分三路：一路經(jīng)保險(xiǎn)絲F2 和PS1 模塊產(chǎn)生+5 V（TP1）、+15 V（TP2）和-15 V（TP3）直流低壓電源；另一路經(jīng)繼電器K2 再分兩路，一路經(jīng)F4 和 S2 給熱端供電，另一路經(jīng)F3 和S3 到高壓電源發(fā)生器；最后一路經(jīng)F1 和S3 后，再經(jīng)一連串高壓聯(lián)鎖開(kāi)關(guān),給高壓放電消弧繼電器K1（CROBAR）和高壓指示燈泡供電。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，燈泡狀態(tài)常亮，但經(jīng)常燒壞，不亮不能說(shuō)明回路沒(méi)有高壓。

正常工作時(shí)熱端的接地點(diǎn)是負(fù)高壓，待機(jī)狀態(tài)時(shí)K1 閉合，把電阻R3、R4 和電容C1 回路接通，電容C1 放電，達(dá)到槍高壓電源與熱端放電消弧作用。同時(shí)CROWBAR COMMON 和HV ENABLE 信號(hào)接通，槍控制電路再發(fā)出HV ENABLE 信號(hào)到高壓發(fā)生電路時(shí)，HVPS 立刻輸出數(shù)十千伏的高壓到電子槍陰極，實(shí)現(xiàn)槍驅(qū)動(dòng)，見(jiàn)圖4。

圖4 槍驅(qū)動(dòng)圖

綜上分析，測(cè)量 TP1、TP2 和TP3 的電壓均正常，說(shuō)明該回路正常。指示燈 DS1、DS2 和DS3 均亮，說(shuō)明S1、S2、S3 以及 K2 和F2、F3 和F4 均正常，但F1不確定，關(guān)閉主電源、熱端和高壓的電源開(kāi)關(guān)后，拆下電路板測(cè)量F1 發(fā)現(xiàn)斷路，更換后故障排除。

加速器運(yùn)行一段時(shí)間后，GFIL 聯(lián)鎖又出現(xiàn)，故障表現(xiàn)依舊。更換F1 后再次斷路，說(shuō)明后端負(fù)載有短路。如圖3 所示，F(xiàn)1 后面的負(fù)載是一連串高壓聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)、CROBAR（K1）和高壓指示燈泡。檢查電路所有聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)發(fā)現(xiàn)均正常。更換新燈泡后故障依舊，推測(cè)K1 有問(wèn)題。更換K1 后加電，測(cè)量前級(jí)接觸點(diǎn)有125 V 電壓。接著測(cè)量發(fā)現(xiàn)K1 繼電器線圈的1 腳和2 腳之間的電阻值不到3 Ω，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常值，判斷繼電器線圈短路，更換K1 后故障修復(fù)。

2.3 與槍低壓冷端電源及其控制信號(hào)相關(guān)的案例

2.3.1 故障現(xiàn)象

加速器機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)到某一角度時(shí)出現(xiàn)GFIL 聯(lián)鎖，把機(jī)架往相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)聯(lián)鎖自動(dòng)消失，把機(jī)架轉(zhuǎn)回之前角度后聯(lián)鎖又再出現(xiàn)。

2.3.2 故障分析和排除

如圖3 所示，機(jī)器正常時(shí)，K2 能否工作，由槍控制電路輸出的HD/HV POWER、ENABLE 信號(hào)組合GUN FIL PHASE 信號(hào)、WATER VACFL 信號(hào)經(jīng)過(guò)或非門 U1（74HCO2）共同控制，最終實(shí)現(xiàn)熱端和槍高壓供電。Ul 為或非門芯片，只有2、3 腳兩路輸入均為低電平時(shí)，1 腳才能輸出高電位為K2 的線圈供電，使K2 吸合。

連接U1 的2 腳輸入信號(hào)是P1-26A 的HD/HV POWER ENABLE 信號(hào)，由GUN CONTROLER 板輸出，實(shí)測(cè)其測(cè)試點(diǎn)信號(hào)為+5 V，顯示正常。連接U1 的3 腳輸入信號(hào)是U2（HCPL2731）的6 腳和7 腳輸出，分別對(duì)應(yīng)著P1-4C 的GUN FIL PHASE1 和P1-20A 的WATER/VACFIL 信號(hào)，推測(cè)由U2 的6 腳或7 腳輸出到U1 的信號(hào)有異常，致使K2 不能吸合。

結(jié)合維修手冊(cè)查找上述信號(hào)的相關(guān)電纜，發(fā)現(xiàn)槍電源板P1-20A 端WATER/VAC 信號(hào)經(jīng)過(guò)電纜W32 最終連接到控制臺(tái)背板。由于聯(lián)鎖的出現(xiàn)和消失與機(jī)架旋轉(zhuǎn)有關(guān)，而在實(shí)踐中因線路運(yùn)動(dòng)牽拉引起的案例并不少見(jiàn)[16-17]。電纜W32 在STAND 與機(jī)架之間隨著機(jī)架旋轉(zhuǎn)而扭動(dòng)，存在接線腳容易損壞、松脫或者接觸不良的可能。拔下電纜W32 兩端插頭用萬(wàn)用表測(cè)量通斷，發(fā)現(xiàn)21 腳的接線松脫，可以飛線處理，但考慮到固定線路比較麻煩，最后把接線頭處理后將電纜兩端插緊并固定，故障消除。

3 討論與總結(jié)

三極（柵極控制）電子槍系統(tǒng)較為復(fù)雜，觸發(fā)GFIL聯(lián)鎖的因素很多，多數(shù)由信號(hào)中斷或者不穩(wěn)定引起。掌握系統(tǒng)工作原理，分析模塊內(nèi)部和模塊之間的信號(hào)處理的流程和方向，通常可以發(fā)現(xiàn)引起信號(hào)異常的元器件。

在日常工作中應(yīng)善于觀察和思考能引起信號(hào)異常的細(xì)微且容易被忽視的因素，除了本文提到的跳線插針彈簧片氧化彈性不足、接線端銅片因?yàn)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)松脫或者接觸不良，還有其他與時(shí)間相關(guān)的隱性故障[11]，本質(zhì)是溫度和電阻值隨工作時(shí)間變化，與阻容元器件老化、散熱不良有關(guān)。因此做好設(shè)備的日常質(zhì)控和維護(hù)保養(yǎng)工作非常重要[18]。

瓦里安C 系列加速器槍系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理相同，該系列任何一種型號(hào)加速器的相關(guān)問(wèn)題都可以采用同樣的分析處理方法。

任何設(shè)備都是由不同模塊組成的系統(tǒng)，傳統(tǒng)的研究方法大多數(shù)都是孤立地縱向深入研究設(shè)備本身，而忽視了系統(tǒng)的分析方法，即將設(shè)備的各個(gè)組成模塊，從工作原理和結(jié)構(gòu)等角度，與同類型設(shè)備進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋页龉残院蛥^(qū)別，再將共性的部分系統(tǒng)化總結(jié)應(yīng)用，有利于從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)新設(shè)備，高效地處理相關(guān)技術(shù)問(wèn)題。比如以VitalBeam 為代表的新一代高端技術(shù)平臺(tái)的加速器，盡管電路集成度和數(shù)字化程度很高，使用同樣的電子槍系統(tǒng)，該模塊的基本工作原理和分析方法也是相通的。因此，隨著新設(shè)備新技術(shù)的更新?lián)Q代周期越來(lái)越短，系統(tǒng)的分析方法顯得尤為重要。