Varian加速器的機(jī)內(nèi)故障監(jiān)測機(jī)制與維修性改進(jìn)

【作　者】唐志全，蔣澤，劉仁云

四川大學(xué)華西醫(yī)院腫瘤中心-生物治療國家重點(diǎn)實(shí)驗室-放射物理技術(shù)中心，成都市，610041

0　引言

電子直線加速器的聯(lián)鎖系統(tǒng)，本質(zhì)上是機(jī)內(nèi)故障監(jiān)測與報警裝置[1]，是維修性[2]的一個重要方面。機(jī)內(nèi)故障監(jiān)測系統(tǒng)的完備性體現(xiàn)在聯(lián)鎖是否涵蓋了所有可能的故障原因，因此，機(jī)內(nèi)故障監(jiān)測系統(tǒng)越完備則設(shè)備的維修性越好[3]。Varian加速器依照故障對設(shè)備影響的強(qiáng)弱程度將聯(lián)鎖分成三個層級，即主要聯(lián)鎖、次要聯(lián)鎖和劑量聯(lián)鎖。次要聯(lián)鎖又依照聯(lián)鎖類別細(xì)分成關(guān)鍵聯(lián)鎖、擺位聯(lián)鎖和輔助聯(lián)鎖三個小類。加速器控制系統(tǒng)的主程序采用三態(tài)機(jī)[4]模式，即備用、上電和出束三個狀態(tài)，同時加速器也有與之對應(yīng)的三個狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換由命令和聯(lián)鎖進(jìn)行關(guān)聯(lián)。三態(tài)機(jī)模式的前提是連鎖必須完備，否則就會出現(xiàn)不能識別的情況，直接后果是程序崩潰導(dǎo)致電腦死機(jī)，本例故障即屬于此類情況。

1　故障現(xiàn)象

2300CD機(jī)型，治療過程中突然斷束，控制臺計算機(jī)死機(jī)。急停并放下病人，重啟加速器，HVPS電閘搬下再合上，重啟電腦，加速器重新上電，延時到達(dá)后機(jī)器恢復(fù)正常。故障均發(fā)生在6X能量，自第一次故障后每天發(fā)生2～3次。

2　故障解析與排查

2.1　控制系統(tǒng)組成

如圖1為控制系統(tǒng)框圖。STD總線卡座上有通訊處理器（CM）板等9塊電路板，CM和CN統(tǒng)稱控制器，為自帶EPROM軟件的微處理器板；信號處理接口卡座上有輸入接口（II）1#板等6塊電路板；Varian卡座上共18塊電路板，其中劑量監(jiān)測與控制[5]板5塊，能量編程板9塊。圖中單向箭頭表示信號單向傳輸，雙向箭頭表示信號雙向傳輸。

2.2　三態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制

三態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制如圖2?？刂婆_計算機(jī)（電腦）的主程序采用三態(tài)機(jī)模式對加速器進(jìn)行控制，三態(tài)分別對應(yīng)加速器的備用（STANDBY）、上電（ON）和出束（BEAM ON）三種狀態(tài)。加速器的待機(jī)狀態(tài)即為備用狀態(tài)，此狀態(tài)的任務(wù)是維持速調(diào)管、電子槍和加速管的真空。

從圖2中看出，三態(tài)機(jī)模式下各狀態(tài)之間由聯(lián)鎖進(jìn)行關(guān)聯(lián)。本例故障在無主要聯(lián)鎖的情況下，加速器失控斷束回到備用狀態(tài)，而加速器與狀態(tài)機(jī)本應(yīng)在聯(lián)鎖的關(guān)聯(lián)下回到上電狀態(tài)，因此狀態(tài)機(jī)無法進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，造成電腦死機(jī)。故障后查看SCI板和DSYNC板上的LED故障燈，均為全亮（FFh），證實(shí)在出束過程中控制器運(yùn)行自檢沒有故障。重啟電腦后，進(jìn)入通訊模式查看故障日志，沒有故障記錄，證實(shí)故障突發(fā)前，沒有觸發(fā)任何聯(lián)鎖。因此，故障原因不包含在聯(lián)鎖清單之內(nèi)，而是加速器出束機(jī)制中某個未設(shè)置成聯(lián)鎖的因素。

圖1　控制系統(tǒng)框圖Fig.1 The schematic diagram of control system

圖2　三態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制Fig.2 The mode conversion mechanism of three state machine

2.3　狀態(tài)解析

加速器備用狀態(tài)：120V_B使APD_K1、APD_K2吸合，送出控制電源120V_A、120V_B；+24V使APD_K3、APD_K4吸合。除非斷開急停鏈，+24V將保持K3、K4，120V_B保持K1、K2。

狀態(tài)機(jī)備用狀態(tài)：啟動電腦，控制器即CM和CN先后自檢。如果自檢失敗，則屏幕顯示諸如Data-13或Data-31[6]指示通訊失敗，“8254 counter指示8254計數(shù)器/定時器[7]通道故障，“CTRL聯(lián)鎖等故障，均限定加速器只能處于備用狀態(tài)而不能上電?？刂破髯詸z成功則向公用RAM加載電腦硬盤上的機(jī)器配置文件且發(fā)-12V開通命令，DIO 1# P4-3（DIO 1#板Port 4的Bit 3，以下余同）使OI板K1吸合，輸出聯(lián)鎖-12V，從而進(jìn)入備用狀態(tài)，完成狀態(tài)機(jī)與加速器主機(jī)的狀態(tài)銜接。一旦狀態(tài)機(jī)與加速器實(shí)現(xiàn)狀態(tài)銜接，則狀態(tài)機(jī)與加速器狀態(tài)同步。

上電狀態(tài)：控制臺POWER鑰匙從STANDBY右旋到ON，+5V PWR KEY→OI板→DIO 1# P7-4→+24V開通命令→DIO 1# P4-4→OI板K2吸合→+24V接通。DIO 1# P4-0→APD_K10吸合→PPD_K5和APD_K14吸合→立架和PPD_T3、PPD_T4得電。速調(diào)管燈絲計時器開始計時，槍燈絲預(yù)熱過程中電壓逐漸升高，在低于5V時報GFIL聯(lián)鎖。預(yù)熱完成后，加速器與狀態(tài)機(jī)均進(jìn)入上電狀態(tài)。

出束狀態(tài)：+2 4 V經(jīng)專用鍵盤出束使能鑰匙S7右旋接通→APD_FAIL SAFE電路。出束按鈕BEAM ON按一下接地→DIO 1# P2-0 BEAM ON 1，DIO 1# P2-1 BEAM ON 2→TI板KHV1，KHV2→APD_K7，APD_K6吸合。+24V急停鏈EMOFF0→ EMOFFKHV→CB1 UVR線圈通電→CB1合全閘。120V_B門機(jī)聯(lián)鎖ACDOORILIN→PPD_K1吸合→高壓計時器計時→K1_NO-14→PPD_K2吸合。+24VPWR→HVONKHV+→PPD_K2_NO-1→KHV+→TI板延時36mS→DLYD HVON。DLYD HVON∪KLYTRIG→觸發(fā)主閘流管→PFN放電→KLY I到槍驅(qū)動，高壓脈沖到速調(diào)管→輸出高功率微波。DIO 1# P0-3 GHVON CONT→柵極槍系統(tǒng)K3吸合→進(jìn)而吸合K2→槍高壓上電。邏輯接口板CARDRACK GUN DELAY→AFC和槍脈沖控制板與KLY I生成GRID PULSE→電子槍柵極脈沖→電子被注入→電子被加速→電子輻射。DOS1計數(shù)到達(dá)設(shè)定值，KHV1、KHV2變低，APD_K7、APD_K6失電脫開，出束結(jié)束進(jìn)入斷束狀態(tài)。退回擺位界面，循環(huán)退回上電狀態(tài)。

2.4　故障排查

本例故障發(fā)生在出束過程中，出束狀態(tài)可簡化成如圖3的束流產(chǎn)生要素機(jī)制，微波場與待加速的電子是電子輻射的必要和充分條件。綜合故障現(xiàn)象和前述分析，再結(jié)合圖3可將故障原因聚焦在微波源上。故障后查看立架上的螺線管、偏轉(zhuǎn)磁鐵電源和微波源均正常，控制臺RF DR PWR（微波源輸出）測試口示波器顯示也正常。分析微波源電路圖，懷疑是壓控振蕩器（VCO）發(fā)生過瞬間停振，但因沒有可替換電路板實(shí)施替換法驗證，只有采用笨方法，即在治療每個患者時緊盯示波器上的RFDR波形，果然在故障時看到波形瞬間跳動了一下。由于微波源價格昂貴（40余萬元），在周末將微波源拿到友好醫(yī)院的機(jī)器上作了重復(fù)驗證才訂購微波源，換上后故障消除。

3　討論與維修性改進(jìn)建議

在臨床模式下，上電和出束狀態(tài)之間還有擺位（SET UP）、校準(zhǔn)檢查序列（CAL/CHK）、準(zhǔn)備好（READY）和斷束（BEAM OFF）四種過渡狀態(tài)。斷束狀態(tài)受控于狀態(tài)機(jī)，若非聯(lián)鎖則是DOS1、DOS2、TIME、BEAM OFF鍵或S7。而本例故障源自于加速管的固有機(jī)制因素，即微波場的瞬間缺失導(dǎo)致非受控斷束。雖然狀態(tài)機(jī)死機(jī)，但當(dāng)TI板看門狗電路50 ms未收到來自DIO 1#板的命令更新時，WATCH DOG電路直接從硬件上使KHV1和KHV2變低來斷開高壓電源輸入，因此不會帶來超劑量投照（Delivery）風(fēng)險。

圖3　束流產(chǎn)生要素機(jī)制Fig.3 The essential factor mechanism for beam production

本例故障屬于軟故障”，如果微波源徹底無輸出，則很容易判斷出故障所在。但本例故障仍屬于

顯故障”，仍有別于某些部件的隱性故障，因為隱性故障也會與相關(guān)聯(lián)鎖關(guān)聯(lián)起來，或可以對應(yīng)起相關(guān)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)[8-9]。

本例故障有兩個顯著特點(diǎn)：一是狀態(tài)機(jī)發(fā)揮作用，二是聯(lián)鎖清單未涵蓋故障原因，在三態(tài)機(jī)模式下兩者互為因果，結(jié)果是電腦死機(jī)。狀態(tài)機(jī)模式的優(yōu)點(diǎn)是狀態(tài)清晰，但死機(jī)的結(jié)果又顯得機(jī)內(nèi)故障監(jiān)測機(jī)制存在薄弱環(huán)節(jié)，而且增加了故障診斷難度。出于維修性與系統(tǒng)穩(wěn)定性考慮，更加完備的機(jī)內(nèi)故障監(jiān)測機(jī)制，應(yīng)當(dāng)將微波源輸出納入聯(lián)鎖清單之中。

查看DIO 0#板的地址分配表，Port 6有幾個Bit為備用，如Bit 4和Bit 6。來自于微波源的輸出信號RFDR在經(jīng)過表頭接口板（MeI，見圖1）后，一方面送ADC 1#板供維修面板顯示，另一方面再送DIO 0#P6-4，將主程序作相應(yīng)修改，就可以將RFDR納入聯(lián)鎖清單。改進(jìn)的結(jié)果，一是三態(tài)機(jī)能夠檢測到微波源的瞬間無輸出現(xiàn)象，直接將故障原因定位在微波源上，提高維修性；二是狀態(tài)因RFDR聯(lián)鎖后就能從出束狀態(tài)回到上電狀態(tài)，提高整機(jī)穩(wěn)定性。

[1]呂川. 維修性設(shè)計分析與驗證[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2016.

[2]派切特(Michael.R). 產(chǎn)品可靠性, 維修性及保障性手冊[M]. 王軍鋒, 陳云斌, 周憲, 等譯. 第2版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2011.

[3] Varcoe L A. Integrated maintainability analysis: a practical case study[C]. IEEE 1994 Proc Ann Reliab Maintainnab Symp, 1994:5-12

[4]徐巖, 李洋洋. 基于分?jǐn)?shù)階域的語音活動性檢測算法研究[J]. 蘭州交通大學(xué)學(xué)報, 2012, 31(6): 83-86.

[5]Greene D, Williams P C. Linear accelerators for radiation therapy[M]. 2nd Edition. New York: Taylor & Francis Group, 1997.

[6] 趙斌杰. Varian直線加速器Data 13和Data 31故障分析[J]. 中華放射腫瘤學(xué)雜志, 1999, 8(2): 128.

[7] 范愛香. 用8254計數(shù)器/定時器接口芯片測量直流電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)[J]. 科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì), 2011, 21(20): 220-222.

[8] 唐志全, 王明槐. Varian高能加速器的劑量監(jiān)測與維護(hù)[J]. 中國醫(yī)療器械雜志, 2017, 41(4): 309-312.

[9] 唐志全, 曾勇, 蘇善寧.瓦里安2300CD偏轉(zhuǎn)電源隱性故障維修分析[J]. 中國醫(yī)療設(shè)備, 2017, 32(10): 93-96.