醫(yī)用直線加速器信號電纜故障的檢修方法

林治學(xué)，王忠文，王 克，趙永軍

（1.遼寧省腫瘤醫(yī)院，中國醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)院放療科技師組，沈陽110042；2.昆明醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院，云南省腫瘤醫(yī)院放療中心，昆明650118）

0 引言

醫(yī)用直線加速器作為腫瘤放射治療的主要設(shè)備之一近年來得到蓬勃發(fā)展，國際上兩大醫(yī)用直線加速器生產(chǎn)商瓦里安和醫(yī)科達(dá)分別推出了基于全數(shù)字化平臺的新機(jī)型[1-2]。而在此之前廠家供應(yīng)給醫(yī)院臨床使用的醫(yī)用直線加速器數(shù)字化程度并不高，也就是說目前在我國投入臨床治療使用的醫(yī)用直線加速器大多數(shù)仍為非全數(shù)字化機(jī)型。此類機(jī)型隨著服役時間的增加，將面臨著一個共同的問題，即傳輸模擬信號的電纜老化、磨損所引發(fā)的各類故障。

醫(yī)用直線加速器正常運(yùn)轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生并檢測幾十個甚至上百個模擬信號（電壓或者電流信號），這些信號一部分由各部件產(chǎn)生經(jīng)電纜傳送到控制系統(tǒng)，另一部分由控制系統(tǒng)產(chǎn)生經(jīng)電纜傳送到各個響應(yīng)器。電纜主要包括信號電纜（多芯電纜）、同軸電纜和電源電纜。一旦某一信號丟失或者錯誤，控制臺就會發(fā)出聯(lián)鎖信號，中止治療，而這些信號很有可能因信號電纜損壞而誤報聯(lián)鎖。因此，信號電纜損壞引發(fā)的故障現(xiàn)象各式各樣，所有與模擬信號有關(guān)的部分都可能被誤報聯(lián)鎖。本文以瓦里安醫(yī)用直線加速器為例，按電纜分類分析各部分傳輸?shù)哪M信號，并結(jié)合故障檢修實(shí)例詳細(xì)介紹由信號電纜磨損引發(fā)故障的檢修方法。

1 信號電纜基本情況及常見故障判斷步驟

以瓦里安2300 C/D、23EX 型醫(yī)用直線加速器[3-4]為例，借助瓦里安公司提供的加速器系統(tǒng)圖紙，詳細(xì)分析通過電纜傳輸?shù)哪M信號及其異常后引發(fā)的聯(lián)鎖。由于不同機(jī)型的差異，這里只列信號電纜標(biāo)號，各信號所經(jīng)過的電纜對于不同機(jī)型基本一致，具體還要以實(shí)際加速器的系統(tǒng)圖紙為準(zhǔn)，此處提供的標(biāo)號僅供參考。

1.1 信號電纜基本信息

瓦里安醫(yī)用直線加速器系統(tǒng)圖紙中的名稱見表1，下文中均以圖紙中對應(yīng)的英文名稱表示，以便于查閱圖紙時對應(yīng)查找。

CONSOLE、AUX ELEC、GANTRY P/P、ION CHAMBER、COLL P/P 等之間存在聯(lián)通的電纜。其中AUX ELEC 到GANTRY P/P 和AUX ELEC 到COLL P/P這兩部分以及一些單獨(dú)走行的信號電纜經(jīng)過機(jī)架旋轉(zhuǎn)中心，當(dāng)機(jī)架在治療過程中頻繁轉(zhuǎn)動時，這幾條電纜會受到磨損。瓦里安醫(yī)用直線加速器的穿行結(jié)構(gòu)設(shè)計為：所有穿過機(jī)架旋轉(zhuǎn)中心的電纜用一塊絕緣布包裹起來，靠近旋轉(zhuǎn)機(jī)架一端用一個內(nèi)附橡膠的圓環(huán)套住并懸于半空，使其在隨機(jī)架轉(zhuǎn)動時不會碰到鋼架部分，靠近固定機(jī)架一端用一個圓弧形塑料托架托起所有電纜，使其不接觸鋼架部分。其他電纜均處于相對固定的空間（如固定機(jī)架內(nèi)部空間、旋轉(zhuǎn)機(jī)架內(nèi)部空間或者機(jī)房地溝之中），在加速器使用過程中一般不會受到磨損，只會隨時間推移漸漸老化。從醫(yī)用直線加速器結(jié)構(gòu)上看，所有旋轉(zhuǎn)機(jī)架上的電源電纜、信號電纜、冷卻水管路、絕緣氣體（SF6）管路都需要經(jīng)過旋轉(zhuǎn)中心，因此所有與旋轉(zhuǎn)機(jī)架上的部件有關(guān)系的聯(lián)鎖都有可能是信號電纜磨損造成的，但水管和波導(dǎo)管有旋轉(zhuǎn)接頭，很少因為機(jī)架轉(zhuǎn)動而損傷管路，即使有相關(guān)聯(lián)鎖，一般也不考慮是由管路磨損造成的。與機(jī)架上部件有關(guān)的聯(lián)鎖[3-5]有很多，如GFIL 聯(lián)鎖、EXQ1 和EXQ2 聯(lián)鎖、HWFA 聯(lián)鎖、VAC1和VAC2 聯(lián)鎖及ION1 和ION2 聯(lián)鎖等。

表1 醫(yī)用直線加速器系統(tǒng)圖紙中的中英文對照

穿過旋轉(zhuǎn)中心的電纜主要有GANTRY P/P 到AUX ELEC 的信號電纜W13、W15、W32 和W57，COLL P/P 到AUX ELEC 的信號電纜W14a 和W14b，GANTRY P/P 到MOTHERBOARD 的信號電纜W59，偏轉(zhuǎn)磁鐵的電源電纜W49，加速管聚束線圈電源電纜W51，槍電流信號同軸電纜W88，靶電流信號同軸電纜W89，以及電離室信號電纜W23 和W109。

在GANTRY P/P 到AUX ELEC 這一段連接中，分析各電纜上信號及可能引發(fā)的聯(lián)鎖可知：W15 與UDR1、UDR2、UDRS、GFIL、ENSW、TARG 聯(lián)鎖有關(guān)，W13 與HWFA、COLL、VAC1、VAC2、ION1、ION2、BMAG、CARR、FOIL、UDR1、UDR2、UDRS 聯(lián)鎖有關(guān)，W32與CARR、FOIL、UDR1、UDR2、UDRS、GFIL、CLFA、CKFA、FLOW、GFIL 聯(lián)鎖有關(guān)，W57 與TARG、EXQ1、EXQ2、UDR1、UDR2、UDRS、CARR、FOIL、COLL、IPSN 有關(guān)。

在COLL P/P 到AUX ELEC 這一段連接中，分析各電纜上信號及可能引發(fā)的聯(lián)鎖可知：W14a 與ACC、HWFA 聯(lián)鎖以及附件接口板上LED 綠燈不亮、運(yùn)動鎖定無法復(fù)位、復(fù)位鍵紅燈不亮有關(guān)；W14b 與光距尺和射野燈不亮、X 和Y 準(zhǔn)直器不能運(yùn)動、MLC 聯(lián)鎖、X 和Y 準(zhǔn)直器不能鎖止以及附件接口板上LED指示燈不亮有關(guān)。

ION CHAMBER 信號通過一捆（8 根）同軸電纜傳輸，從控制臺到電離室分為2 段，標(biāo)號分別為W23和W109。這2 段同軸電纜如有損壞，會出現(xiàn)劑量學(xué)聯(lián)鎖，如EXQ1、EXQ2、DS12 等聯(lián)鎖。

偏轉(zhuǎn)磁鐵電源電纜由固定機(jī)架上BMAG 電源盒（或者三合一電源盒）連接到偏轉(zhuǎn)磁鐵線圈上，標(biāo)號為W49，該組電源電纜如有損壞，會出現(xiàn)BMAG聯(lián)鎖或EXQ1 等劑量學(xué)聯(lián)鎖。

加速管聚焦線圈電源電纜由固定機(jī)架上Accelerator Solenoid 電源盒（或者三合一電源盒）連接到Solenoid Panel 上，此段標(biāo)號為W51，若該電纜損壞，會導(dǎo)致劑量率不足，出現(xiàn)UDRS 等聯(lián)鎖，從SERVICE面板上可觀察到SOL I 的數(shù)值變化。

1.2 信號電纜故障的判斷步驟

信號電纜故障多數(shù)是使用過程中逐漸磨損導(dǎo)致線芯虛連或者與地短路，所以故障現(xiàn)象常常不穩(wěn)定，或在轉(zhuǎn)動機(jī)架時出現(xiàn)。出現(xiàn)故障時與轉(zhuǎn)動機(jī)架有直接關(guān)系，也就是說可以通過轉(zhuǎn)動機(jī)架復(fù)現(xiàn)故障現(xiàn)象。檢修時將機(jī)架停到出現(xiàn)故障的角度，扯動旋轉(zhuǎn)中心的電纜（當(dāng)不確定哪一根出故障時，就扯動所有穿過的電纜），尤其注意疑似與故障有關(guān)的電纜，觀察故障現(xiàn)象是否變化（如某一瞬間故障消失）。在故障出現(xiàn)時盡量不動機(jī)架角度，拆開與故障相關(guān)的電纜兩頭的接頭，用萬用表測量其對應(yīng)線芯的通斷以及是否存在短路。確定線芯存在故障后，再進(jìn)行下一步維修。檢修流程如圖1 所示。一般信號電纜兩邊的接頭（根據(jù)針數(shù)有所不同）和換芯所用的退針器如圖2、3 所示。

圖1 不穩(wěn)定故障檢修流程

圖2 常見信號電纜接頭

圖3 2種常用退針器

2 故障維修實(shí)例

2.1 故障一

2.1.1 故障現(xiàn)象

機(jī)架處于30～180°時，10 MV 能量無法出束（瓦里安2300C/D 型醫(yī)用直線加速器）。

2.1.2 分析與檢修

故障時，查看SERVICE 面板中加速器模擬參數(shù)，發(fā)現(xiàn)“GUN V”數(shù)值過低，正常10 MV 能量對應(yīng)電子槍高壓應(yīng)為12 kV 左右，但實(shí)際只有5 kV。檢查電子槍冷端控制板，顯示“RUN OK 3”，表示電子槍運(yùn)行6 MeV 能量，而10 MV 能量應(yīng)顯示為“RUN OK 1”。通過切換能量測試，在故障時能量編碼產(chǎn)生相應(yīng)變化，根據(jù)4 位二進(jìn)制編碼規(guī)則，二進(jìn)制0000～1000 對應(yīng)十進(jìn)制0～8，分別指示加速器0 至8 擋能量。正常和故障時二進(jìn)制編碼詳見表2、3。

由表2 可見，故障時，第3 位二進(jìn)制碼始終為1，推斷為信號電纜故障。一般傳輸二進(jìn)制碼時，高電平為1，低電平為0，上拉電源的存在導(dǎo)致斷路懸空時信號為1。此故障應(yīng)為第3 位二進(jìn)制碼信號電纜斷路所致。查看圖紙發(fā)現(xiàn)，該信號從GANTRY P/P 上J2接頭的15 號芯經(jīng)由標(biāo)號W32 的電纜連接至AUX ELEC 背板上J42 接頭的15 號芯，用萬用表測試驗證其確實(shí)為斷路。采用換芯的方法進(jìn)行維修，查看圖紙得知該電纜中13 號芯為空閑芯，用一字螺絲刀拆開電纜兩頭接頭，再用退針器分別將2 個接頭的13號芯和15 號芯對換（在電纜接頭上做好標(biāo)記），恢復(fù)安裝后故障排除。

表2 正常時二進(jìn)制編碼表

表3 故障時二進(jìn)制編碼表

2.2 故障二

2.2.1 故障現(xiàn)象

轉(zhuǎn)動機(jī)架時，出現(xiàn)VAC1 聯(lián)鎖（瓦里安2300C/D加速器型醫(yī)用直線加速器）。

2.2.2 分析與檢修

觀察機(jī)架上指針真空表，發(fā)現(xiàn)指示的數(shù)值良好，故障應(yīng)為信號通信故障。查看圖紙，發(fā)現(xiàn)ILVAC1 信號是從GANTRY P/P 上的J1 接頭的5 號芯經(jīng)由標(biāo)號W13 信號電纜連接到AUX ELEC 背板上J45 接頭的5 號芯。用萬用表測試驗證這一段信號電纜中5 號芯確實(shí)不通。采用換芯的方法進(jìn)行維修，利用20號空閑芯與5 號芯對換（維修后做好標(biāo)記），恢復(fù)安裝后故障排除。

2.3 故障三

2.3.1 故障現(xiàn)象

機(jī)架在270°附近出現(xiàn)BMAG 聯(lián)鎖（瓦里安2300C/D 型醫(yī)用直線加速器）。

2.3.2 分析與檢修

由于此故障與機(jī)架角度有關(guān)，首先懷疑聯(lián)鎖信號電纜故障。進(jìn)入維修模式，屏蔽BMAG 聯(lián)鎖，嘗試出束，有射線但劑量率低，考慮偏轉(zhuǎn)磁鐵工作異常。觀察模擬參數(shù)面板發(fā)現(xiàn)，BMAG I 數(shù)值減小。進(jìn)入治療室內(nèi)，觀察固定機(jī)架上BMAG 電源盒上數(shù)字表顯示，正常時讀數(shù)為1.9，此時為0.89，說明偏轉(zhuǎn)磁鐵線圈上電壓被拉低。仔細(xì)檢查機(jī)架轉(zhuǎn)動軸附近偏轉(zhuǎn)磁鐵線圈的電源線，發(fā)現(xiàn)線皮磨損，在機(jī)架處于270°附近時，電源線與地短路，導(dǎo)致故障。維修時用橡膠包裹破損的地方，再用絕緣膠布加以固定，恢復(fù)安裝后故障排除。

2.4 故障四

2.4.1 故障現(xiàn)象

機(jī)架在270°附近出現(xiàn)HWFA 聯(lián)鎖（瓦里安23EX型醫(yī)用直線加速器）。

2.4.2 分析與檢修

故障時，在維修模式可以觀察到X1 光柵數(shù)值會跳到9.5，觸發(fā)HWFA 聯(lián)鎖。將機(jī)架停在270°，拆開外殼，用萬用表測量電位器抽頭電壓，電壓為0 V，對應(yīng)X1 光柵位置讀數(shù)為9.5，懷疑該電位器抽頭的信號線對地短路。經(jīng)測量，該信號線確實(shí)存在短路。為排除其他信號干擾測量，將加速器急停，再次測量仍為短路。檢查AUX ELEC 到COLL P/P 之間的信號電纜W14a，發(fā)現(xiàn)其在機(jī)架轉(zhuǎn)動軸的位置磨損破皮，導(dǎo)致線芯對地短路。維修時，確保該線芯通路，并且不對其他線芯或屏蔽層短路后，將其磨損處做好絕緣并加以固定，并將該條電纜用扎帶束縛于其他懸空電纜上，避免再次磨損，恢復(fù)安裝后故障排除。

2.5 故障五

2.5.1 故障現(xiàn)象

機(jī)架轉(zhuǎn)動時，出現(xiàn)GFIL 聯(lián)鎖（瓦里安2300C/D型醫(yī)用直線加速器）。

2.5.2 分析與檢修

治療期間，轉(zhuǎn)動機(jī)架后出現(xiàn)GFIL 聯(lián)鎖，此時電子槍冷端槍控制板上DS2 和DS3 指示燈不亮。來回轉(zhuǎn)動機(jī)架，發(fā)現(xiàn)指示燈時亮?xí)r不亮，說明此故障與信號電纜有關(guān)。故障時，查看電子槍控制板上errors 選項，顯示熱端所有電壓均不正常。將機(jī)架停于故障角度，用手扯動轉(zhuǎn)動軸位置的電纜線，可以觀察到電子槍控制板上DS2 和DS3 指示燈偶爾能亮，進(jìn)一步說明這是信號異常造成的故障。

查看圖紙，經(jīng)過機(jī)架旋轉(zhuǎn)軸的電纜中的一個名為VAC/WTR 的信號影響電子槍熱端電源，該信號從CONSOLE 發(fā)出，經(jīng)過AUX ELEC 到GANTRY P/P，再到電子槍冷端。經(jīng)過分段測試，該信號通路中從AUX ELEC（J42 接頭的21 號芯）到GANTRY P/P（J2接頭的21 號芯）這一段信號電纜中21 號芯存在斷路，導(dǎo)致不穩(wěn)定故障。維修時，采用空閑芯替換的方法，恢復(fù)安裝后故障排除。

2.6 故障六

2.6.1 故障現(xiàn)象

6 MeV 能量電子線劑量率低，出現(xiàn)UDRS 聯(lián)鎖（瓦里安23EX 型醫(yī)用直線加速器）。

2.6.2 分析與檢修

進(jìn)入維修模式，關(guān)閉劑量伺服，打開電子槍電動機(jī)，嘗試通過調(diào)整槍電流、RF Driver 功率和AFC 來提高劑量率，但不能提高到額定數(shù)值（設(shè)定劑量率為500 MU/min，最多調(diào)整到40 MU/min 左右）。由于此故障在治療中突然出現(xiàn)，并且是在轉(zhuǎn)動機(jī)架后出現(xiàn)，懷疑由電纜故障引起。屏蔽MOTN 和KEY 聯(lián)鎖，出束的同時轉(zhuǎn)動機(jī)架，發(fā)現(xiàn)機(jī)架角度在90～180°時劑量率恢復(fù)正常，其他角度均存在故障。將機(jī)架停在故障角度，抖動轉(zhuǎn)動軸附近電纜嘗試出束，故障并未消失。對比故障狀態(tài)和正常狀態(tài)機(jī)器模擬參數(shù)發(fā)現(xiàn)，BUN R 數(shù)值在故障時有明顯變化，而BUN 導(dǎo)航線圈沒有伺服控制不應(yīng)有變化，ANG R 數(shù)值也存在變化。關(guān)掉ANG 和POS 伺服，再出束時，束流對稱性變得很差，出現(xiàn)EXQ1 聯(lián)鎖。此時懷疑BUN 導(dǎo)航線圈工作異常，導(dǎo)致束流偏離中心軸，而ANG 線圈由伺服器控制，自動將其向中心糾正，但偏離程度超過其調(diào)節(jié)范圍，故導(dǎo)致劑量率降低。

先檢查BUN 導(dǎo)航線圈，斷開線圈電源，測量其阻值正常，接通電源測試，發(fā)現(xiàn)BUN R 線圈上電壓異常。查看圖紙，找到BUN R+和BUN R-信號分別由W57號信號電纜中7 號芯和8 號芯傳輸，該信號電纜連接GANTRY P/P 的J3 和AUX ELEC 的J40，穿過機(jī)架旋轉(zhuǎn)中心。檢查發(fā)現(xiàn)這2 個線芯均對電纜屏蔽網(wǎng)短路，導(dǎo)致BUNCH R 導(dǎo)航線圈上電壓異常，引起故障。維修時采用空閑芯替換的方法，恢復(fù)安裝后故障排除。

此次故障中，BUN R+和BUN R-信號失效時，應(yīng)對所有能量造成影響，但除了6 MeV 能量之外，其他能量的BUN R 數(shù)值本來就很接近0 V，所以即使短路也沒有造成太大影響，加上ANGLE 導(dǎo)航線圈的輔助，并未表現(xiàn)出故障，而6 MeV 能量的BUN R 數(shù)值大，受到的影響大，因此表現(xiàn)為單一能量故障。錯誤表現(xiàn)出的單一能量故障可能會對檢修思路產(chǎn)生誤導(dǎo)，但故障中存在與機(jī)架角度有關(guān)這一事實(shí)，抓住這一點(diǎn)仍然可以迅速鎖定故障原因，快速排除故障。

3 小結(jié)

信號電纜虛連屬于軟故障，時好時壞，有時停機(jī)維修卻難以復(fù)現(xiàn)故障，而正常治療時時而出一次故障，影響患者治療。對于這種情況，要注意多觀察故障現(xiàn)象，收集信息，必要時做診斷性維修，將懷疑存在故障的信號電纜線芯替換后再觀察。如果故障不再出現(xiàn)，則證明判斷準(zhǔn)確；如果故障仍會出現(xiàn)，還要再觀察、分析，進(jìn)一步檢查，直至找到故障所在。

通過了解信號電纜所承載的信號以及該信號缺失或異常后會出現(xiàn)的故障現(xiàn)象，能夠在出現(xiàn)不穩(wěn)定故障時快速鎖定故障原因，節(jié)約檢修時間，從而保證患者正常治療。