Elekta Synergy 系列加速器剂量系统原理与维修

2020-09-21张朋李坚

医疗装备 2020年15期

张朋，李坚

解放军联勤保障部队第九七〇医院医学工程科（山东烟台 264000）

放射治疗技术对射线对称性、平坦度、剂量率等物理特性有着严格的要求。直线加速器剂量系统实现了电子的发射、加速、聚焦、偏转、打靶及剂量的均整、测量、反馈、控制等功能。剂量测量的关键元件是电离室，其将测量到的射线信息反馈给加速器控制系统，控制系统根据反馈的信息，调整电子枪的发射功率、聚焦偏转电流以及微波相位等，实现射线的稳定和均整[1]。本研究介绍Elekta Synergy系列加速器剂量系统原理与维修方法，以供同行参考。

1 Elekta Synergy 加速器剂量系统原理

Elekta Synergy 加速器采用充气透射型电离室，射线与电离室中的气体相互作用产生离子对（正离子和电子），在正常的温度和压力下，高能电子在运动路径上的电离能力可达到60离子对/cm。电离程度的调整影响加速器的剂量率，而收集板上电流的大小反映了电离的程度。收集板主要通过外加-320 V 电场收集电离室产生的离子对，电子向正极板运动，正离子向负极板运动。电极板收集离子对的百分率取决于收集板的电压、极间距离、气体种类和密度[2]。

Elekta Synergy 加速器电离室由剂量板和伺服板组成，剂量板用于测量射线的剂量，伺服板用于测量射线的对称性等特性，具体结构为1个伺服板、2个剂量板和3个极化板，其中极化板供电电压为-320 V 的直流极化电压，剂量板由一对导电的被绝缘陶瓷基板隔开的碳覆盖聚酯薄膜片组成。

电离室伺服板分为6个部分，分别为2TA、2TB、2RG、2RT、INNER HUMP、OUTER HUMP，分别监测2R 方向、2T方向以及内外方向的剂量，从而判定射线的对称性等物理特征，见图1。电离室伺服板6个部分输出信号首先输入到伺服输入板（servo input board，SIB），再经过信号条件卡（signal condition card，SCC）B 板初始化处理，由模拟输入12（analog input 12，AI12）B 板完成数字化转换，经过最大传输单元（maximum transmission unit，MTU）B 板卡，最后到达控制系统[3]。

图1 电离室伺服板的结构

电离室伺服板输出信号为高阻抗电流信号，先经过SIB 跨阻抗放大器转化为低阻抗电压信号，再经过模数转换模块转换为12位的电压信号，进入现场可编程门阵列（field-programmable gate array，FPGA）模块完成信号的纠错和累计计算等功能。其中累计计算功能需要与可编程脉冲发生器（programmable pulse generator，PPG）板卡共同完成，PPG 板卡发射1个同步脉冲信号到SIB，触发SIB 上的FPGA 模块对照射时间进行统计。FPGA 输出信号经过IC11模块，转换为成比例的电流信号，再经过跨阻抗放大器转换为低阻电压信号，低阻信号经过一系列处理，最终进入控制系统[4]。

此外，SIB 能够对电离室的6路输入信号作出分析判断，输出用于控制电子枪灯丝电流以及聚焦线圈电流的信号，实现剂量的均匀和稳定。

电离室2个剂量板的输出信号分别到达DOSE A 板和DOSE B 板，再经过MTU 板送入控制系统。2个独立的剂量板和电路板实现了2套独立工作的剂量系统，一路出现问题不影响另一路的工作，从而保证了剂量测量的稳定可靠。

剂量系统配合连锁控制系统，有效保证了治疗的精确性和安全性，但这些功能需要复杂的结构作为基础，特别是部分元件工作在高电压、高辐射的环境下，故障率相对较高。出现故障后，一般会报错item127 2R ERROR，大部分情况下可以通过更换电离室的方法来解决[5]；此外，电源不稳定、偏转线圈电路故障、电路板工作不稳定等均可导致设备出现剂量系统故障[6]。因此，只有对整个系统的原理和结构有全面且深入的认识，才能做好剂量系统相关故障的维修工作。

2 故障及维修

2.1 故障一

2.1.1 故障现象

治疗过程中报错item127 2R ERROR。

2.1.2 故障分析与维修

进入维修程序，加载steering 页面，观察发现i194 2RG plate 为10.09，i195 2RT plate 为8.76，两者数值相差大；i127 2R ERR 为20，接近稳定；尝试调节i308 2R Bal 数值，将i127 2R ERR 调整为0，反复发生连锁故障；加载自动频率控制（auto frequency control，AFC）页面，发现在调整能量时i230 LP ph.posn 数值无变化，该项目为AFC 系统低能相位调节，输出相位调整发动机的控制信号用于保证微波频率和射线能量的准确可靠，该项数值无变化说明相位已经无法正常调整，导致微波频率和射线能量无法调整，最终出现2R 报错。

由于Elekta Synergy 加速器AFC 系统非常稳定可靠，所以可能是外围元件出现问题。调相发动机供电来自11区UMD（universal motor driver）板，检查发现该UMD 板无26 V直流输入电压，电压来自15区电源；检查15区电源，发现该电源风扇不工作，基本判定该直流电源已经损坏，更换电源后，故障修复。

2.2 故障二

2.2.1 故障现象

在治疗模式出束时，出现item127 2R ERROR。

2.2.2 故障分析与维修

进入维修模式，出束中报2R ERR，观察到2R ERR、2T ERR、HUMP ERR， Uniformity=-3 276.8，而2RG PLATE、2RT PLATE、2TA PLATE、2TB PLATE、INTER HUMP、OUTER HUMP 6个电离室监测信号均为0。首先，排除接触不良导致的故障，重新拔插12区AI12、SCC-RHA、SIB 等板卡，无效；更换AI12、SCC-RHA、SIB 无效，更换电离室故障依旧；测PL25J-25C-12F-SIB-SCC-AI12，线路正常；查ion chamber，-320 V 电压正常；重新导入原始装机数据，故障依旧。

测量和检修所有用于剂量测量的软硬件仍未能排除故障，考虑与测量系统相关的其他元件故障有关。由PPG 板卡发射1个同步脉冲信号到SIB，用于触发FPGA 的计时，从而开始剂量测量，发现电离室的输出信号全部异常，可能是由于PPG 未发射同步信号，导致SIB 未能计时，剂量测量结果异常，携带PPG 到外院测试，PPG 故障；更换PPG 后，故障修复。

2.3 故障三

2.3.1 故障现象

加速器治疗过程中，频繁报错item 665.dose rate mon。

2.3.2 故障分析与维修

该报错提示剂量率低，自动化程序已经无法将剂量率调节到必要的水平，需要通过软件系统手动优化剂量。进入维修程序setup，然后进入Gun Servo 页面。

设置X线：跨接ctrl T连锁，编程X线能量，RAD ON，热机；设置181 Gun Auto?为Manual（’shift’+ ’<’）；调节327 Gun I ctrl，使得dose rate最大化；设置381 Gun aim I，置为此时的538 Gun I set的值；设置181为Auto；检查327 Gun I ctrl，设置值与实际值有偏差则调节187 dose level，改变327的实际值，使得实际值与设置值一致（dose level的调节影响Auto下的剂量率）；Shift+<>为百分位；Shift+{}为十分位；进入Steering页面，学习item 44 D/rate 1。

设置电子线：跨接ctrl T 连锁，编程电子线能量，RAD ON，热机；设置381 Gun aim I，将数值减小0.3；设置327 Gun I ctrl，将数值减小0.3，保存save energy；设置181 Gun Auto?为Manual（shift+<）；设置327 Gun I ctrl，使得dose rate 为预定值；设置381 Gun aim I，置为此时的538 Gun I set 的值；设置181为Auto；检查327 Gun I ctrl，设置值与实际值有偏差则调节187 dose level，改变327的实际值，使得实际值与设置值一致。

在日常治疗中，加速器控制系统自动调节剂量率。在长期使用后，由于元器件性能的改变，导致剂量率的变化范围超过了控制系统的控制能力，需要通过手动调整，将剂量率调整到最优。