陳 鵬，馬蕾杰，劉 晗，雷宏昌

（鄭州大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院（河南省腫瘤醫(yī)院）放療科，鄭州 450008）

0 引言

Halcyon型醫(yī)用直線加速器為瓦里安公司生產(chǎn)的新型封閉環(huán)形機(jī)架加速器，該加速器在臨床應(yīng)用中只有一擋6 MV無均整器能量光子線，最高劑量率為800 MU/min，配備雙層錯(cuò)位114片多葉光柵（multileaf collimator，MLC），最大射野為28 cm×28 cm。該加速器1.0版本配備MV級(jí)影像系統(tǒng)，2.0版本配備kV級(jí)錐形束CT（cone beam CT，CBCT）影像系統(tǒng)用于圖像引導(dǎo)，強(qiáng)制執(zhí)行性能檢查和圖像引導(dǎo)以保證臨床精確放療。與傳統(tǒng)C型臂加速器相比，該加速器集成化程度更高，其將高壓調(diào)制系統(tǒng)集成到環(huán)形運(yùn)動(dòng)的機(jī)架上，同時(shí)將機(jī)架的旋轉(zhuǎn)速度提高到4 r/min（該速度是TrueBeam型加速器的4倍）[1-4]。Halcyon型醫(yī)用直線加速器作為新型加速器，其高壓調(diào)制器原理與傳統(tǒng)加速器基本一致，但因硬件結(jié)構(gòu)完全革新，穩(wěn)定性要求更高，出現(xiàn)故障處理的方式也有所不同。我院于2020年引進(jìn)該加速器并安裝投入使用，2 a以來該加速器每天平均治療患者180例次，曾多次出現(xiàn)高壓故障。本文現(xiàn)將該加速器高壓調(diào)制器原理以及高壓故障進(jìn)行總結(jié)，以供同行參考。

1 高壓調(diào)制器原理

Halcyon型醫(yī)用直線加速器采用的是固態(tài)磁控調(diào)制器（solid state magnetron modulator，SSMM），其集成化程度高、體積小，可以驅(qū)動(dòng)功率為1.0~3.1 MW的各種磁控管，峰值功率可達(dá)6.2 MW。該調(diào)制器采用拆分設(shè)計(jì)，分為脈沖單元（pulse unit，PU）和油箱單元（tank unit，TU）2個(gè)部分。PU內(nèi)部集成部件包括高壓脈沖電源（high voltage pulse power supply，HVPS）、固態(tài)開關(guān)組件、充電電容、控制接口（control interface，CI）以及冷卻系統(tǒng)等。TU內(nèi)部集成部件包括高壓脈沖變壓器、電容分壓器、磁控管電流轉(zhuǎn)換器、加速管電子槍電流轉(zhuǎn)換器、磁控管燈絲電源、槍燈絲電源、偏壓電源以及油泵冷卻系統(tǒng)等。Halcyon型醫(yī)用直線加速器調(diào)制器與傳統(tǒng)加速器調(diào)制器的工作原理[5]基本一致（如圖1所示），兩者的主要區(qū)別是該調(diào)制器用固態(tài)開關(guān)組件絕緣柵雙極晶體管（isolated-gate bipolar transistor，IGBT）替換氣態(tài)開關(guān)氫閘流管，以實(shí)現(xiàn)高壓脈沖的充放電。固態(tài)開關(guān)的工作頻率最大值可達(dá)到氣態(tài)開關(guān)工作頻率的幾個(gè)數(shù)量級(jí)，其穩(wěn)定性和可靠性較高，并且可采用多種方式控制其導(dǎo)通和關(guān)斷的狀態(tài)轉(zhuǎn)換[6]。PU輸入電壓為三相450 VAC，內(nèi)部HVPS產(chǎn)生直流高壓倍壓后對(duì)充電電容進(jìn)行充電，固態(tài)開關(guān)控制其充放電，然后經(jīng)TU的高壓脈沖變壓器變壓后輸送30~52 kV的高壓到磁控管和加速管電子槍，同時(shí)TU內(nèi)部的燈絲電源板和變壓器產(chǎn)生8.5 V磁控管燈絲電壓和7.5 V加速管燈絲電壓，磁控管產(chǎn)生高頻脈沖微波經(jīng)波導(dǎo)管輸送到加速管實(shí)現(xiàn)對(duì)電子加速。該調(diào)制器與傳統(tǒng)單光子加速器（Unique型）的調(diào)制器功能類似但硬件完全革新，單個(gè)PU替代原有的調(diào)制柜產(chǎn)生高壓脈沖，固態(tài)開關(guān)組件替換氫閘流管實(shí)現(xiàn)充放電。所有這些改變使得現(xiàn)有設(shè)備部件集成化程度更高，故障率更低，產(chǎn)生的能效更高且臨床效率更高。

圖1 Halcyon型醫(yī)用直線加速器調(diào)制器原理圖

2 故障分析

Halcyon型醫(yī)用直線加速器調(diào)制器發(fā)生故障時(shí)多表現(xiàn)為高壓打火現(xiàn)象，并伴隨“DOSE聯(lián)鎖”和“SSMM聯(lián)鎖”。通常是先報(bào)“DOSE低劑量聯(lián)鎖”（代碼210005），將該聯(lián)鎖軟屏蔽后會(huì)報(bào)“SSMM聯(lián)鎖”（代碼252303、252304、252305），該聯(lián)鎖提示SSMM內(nèi)發(fā)生多次打火現(xiàn)象。引起SSMM打火的主要原因有：（1）負(fù)載加速管或磁控管故障；（2）高壓脈沖電纜被擊穿；（3）調(diào)制器PU或TU故障；（4）環(huán)境溫濕度的影響。

2.1 負(fù)載故障

SSMM的負(fù)載主要包括加速管和磁控管，負(fù)載打火也會(huì)報(bào)“SSMM聯(lián)鎖”提示調(diào)制器高壓打火。在檢查調(diào)制器打火故障時(shí)首先要排除負(fù)載故障，通常負(fù)載故障概率較大。加速管和磁控管故障均多表現(xiàn)為內(nèi)部打火，不容易區(qū)分，需要針對(duì)性地逐一進(jìn)行排除，步驟如下：（1）加速管故障：可以先將加速管端的高壓電纜拔掉，加高壓出束，不再出現(xiàn)“SSMM聯(lián)鎖”則說明調(diào)制器打火是由加速管故障引起的，需要更換加速管，如果仍出現(xiàn)“SSMM聯(lián)鎖”則調(diào)制器打火與加速管無關(guān)。加速管故障通常還會(huì)伴隨VAC1（真空1）、VAC2（真空2）、YIELD（產(chǎn)出）等聯(lián)鎖現(xiàn)象。引起加速管故障的因素有真空故障、射線靶故障、電子槍故障、水冷系統(tǒng)故障等，可以采取相應(yīng)的保護(hù)預(yù)防措施延長(zhǎng)加速管的使用壽命[7]。（2）磁控管故障：排除磁控管故障時(shí)切記不能將磁控管的高壓脈沖電纜拔掉進(jìn)行出束，該操作會(huì)損壞加速管的電子槍。利用示波器查看磁控管的電流波形，出現(xiàn)打火時(shí)波形會(huì)發(fā)生明顯變化，磁控管電流波形對(duì)比圖如圖2所示。磁控管打火是由于磁控管狀態(tài)改變導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生氣體，可以嘗試對(duì)磁控管進(jìn)行訓(xùn)管。先將劑量伺服（dose servo）、自動(dòng)頻率控制（automatic frequency control，AFC）伺服、產(chǎn)出伺服（yiled servo）調(diào)至off，HVPS值降低至1.075，高壓出束可能不會(huì)出現(xiàn)打火或打火次數(shù)減少的現(xiàn)象，然后再逐漸增加HVPS值，每次增加0.030，同時(shí)調(diào)節(jié)AFC，直至加到原來的HVPS值。如果多次嘗試訓(xùn)管后仍舊出現(xiàn)頻繁打火現(xiàn)象則需更換磁控管。磁控管打火故障排除流程如圖3所示。

圖2 磁控管電流波形對(duì)比圖

圖3 磁控管打火故障排除流程圖

2.2 高壓脈沖電纜故障

高壓脈沖電纜有2段，分別為PU和TU之間的3根高壓脈沖電纜和TU與負(fù)載之間的高壓脈沖電纜。針對(duì)高壓脈沖電纜故障，可以用兆歐表判斷，將電纜芯與屏蔽層接到兆歐表的兩端測(cè)量電阻，電阻為歐姆級(jí)說明電纜被擊穿，電阻為兆歐級(jí)則說明電纜完好。TU和負(fù)載之間的高壓脈沖電纜故障還可以用排除法來判斷，拔掉TU端的高壓脈沖電纜接頭加高壓出束（磁控管不適用），如果“SSMM聯(lián)鎖”不再出現(xiàn)則可以判斷為該高壓脈沖電纜故障。此外，還可以通過檢查電纜接頭和表皮是否有打火痕跡或者明顯破損、接頭是否松動(dòng)等現(xiàn)象判斷高壓脈沖電纜是否故障。

2.3 PU或TU故障

Halcyon型醫(yī)用直線加速器的調(diào)制器主要由PU和TU 2個(gè)部分構(gòu)成，各部分的故障表現(xiàn)都不同，且不容易進(jìn)行區(qū)分，可以根據(jù)故障聯(lián)鎖代碼以及故障現(xiàn)象進(jìn)行判斷，步驟如下：

（1）PU故障常出現(xiàn)于固態(tài)開關(guān)組件和CI板。①固態(tài)開關(guān)組件故障報(bào)“SSMM聯(lián)鎖”同時(shí)報(bào)代碼252204：Modulator Capacitor Charging Power Supply Failed to Charge Up（調(diào)制器充電電容未能充電）。固態(tài)開關(guān)組件主要起到控制充放電的作用，所以該故障會(huì)導(dǎo)致HVPS電壓倍壓后不能輸出。固態(tài)開關(guān)組件故障往往是由于瞬時(shí)承受電壓過高導(dǎo)致開關(guān)被擊穿。②CI板故障報(bào)“SSMM錯(cuò)誤”（代碼252303、252304、252305）。磁控管打火信號(hào)是通過CI板檢測(cè)，如果硬件實(shí)際沒有發(fā)生打火但系統(tǒng)報(bào)“SSMM聯(lián)鎖”則說明檢測(cè)電路出現(xiàn)故障，可以判斷為CI板故障。由于加速器廠家不能單獨(dú)提供固態(tài)開關(guān)組件和CI板配件，出現(xiàn)此類故障時(shí)只能更換整個(gè)PU。

（2）TU經(jīng)常出現(xiàn)的故障包括TU本身溫度過高、機(jī)架角度相關(guān)的打火、偏壓電源故障等。①TU溫度過高，報(bào)代碼252103：Pulse Transformer Tank Temperature Greater than Limit（脈沖變壓器溫度高于極限值）。如果TU內(nèi)部溫度超過70℃，過溫開關(guān)會(huì)被激活觸發(fā)聯(lián)鎖。針對(duì)此故障，首先需要檢查油泵冷卻系統(tǒng)，查看油泵是否正常工作。如果油泵沒有工作且其輸入電壓正常則需要更換油泵，如果油泵正常工作但TU仍舊高溫則說明高壓脈沖變壓器工作異常，需要更換整個(gè)TU。觸發(fā)過溫聯(lián)鎖并非一定是實(shí)際溫度過高，可以通過觸摸TU箱體來感知溫度（小心燙傷）。TU噪聲也有可能觸發(fā)間歇假過溫聯(lián)鎖，需要在PU-J8和TU-J4之間21W20線纜上安裝過濾器，從而有效減少假過溫現(xiàn)象。②機(jī)架角度在290°~350°時(shí)會(huì)出現(xiàn)打火現(xiàn)象同時(shí)報(bào)“SSMM聯(lián)鎖”，在機(jī)房?jī)?nèi)能聽到油泵明顯的噪聲，當(dāng)機(jī)架轉(zhuǎn)出這個(gè)范圍時(shí)噪聲逐漸減小直至消失。出現(xiàn)這種情況通常是由于高壓脈沖變壓器絕緣油中的氣體在低溫低壓下被釋放到油箱中，氣體形成導(dǎo)電介質(zhì)導(dǎo)致油箱內(nèi)部打火，同時(shí)氣體的存在使得油泵不能被完全浸入油中，導(dǎo)致油泵產(chǎn)生較大噪聲，解決方式就是更換TU。③偏壓電源故障，報(bào)代碼252306：Modulator Bias Power Supply Unit Failed（調(diào)制器偏置電源加載失?。８邏好}沖變壓器的偏置電壓如果沒有加上，這時(shí)調(diào)制器會(huì)發(fā)出較強(qiáng)的“嗡嗡”噪聲，檢查PU和TU之間的RJ45線纜是否連接完好，如果線纜沒有問題則判斷為TU內(nèi)部的偏壓電源故障。

2.4 環(huán)境溫濕度影響

如果機(jī)房相對(duì)濕度＞60%、溫度＜28℃，磁控管的高壓插座上可能會(huì)附著冷凝水，導(dǎo)致高壓打火現(xiàn)象。定期保養(yǎng)時(shí)應(yīng)檢查高壓插座是否出現(xiàn)綠色腐蝕，如出現(xiàn)應(yīng)及時(shí)更換接頭。當(dāng)加速器夜間停機(jī)后，系統(tǒng)處于冷態(tài)，開機(jī)后如不能充分預(yù)熱磁控管燈絲也會(huì)造成磁控管打火。Halcyon型醫(yī)用直線加速器燈絲的預(yù)熱時(shí)間為3 min，這是E2V磁控管預(yù)熱的最短時(shí)間，瓦里安其他加速器的預(yù)熱時(shí)間為12 min，為了使磁控管燈絲得到充分預(yù)熱、縮短等待時(shí)間，可以將加速器設(shè)置自動(dòng)開機(jī)啟動(dòng)預(yù)熱（機(jī)房門應(yīng)為關(guān)閉狀態(tài)，否則設(shè)置的自動(dòng)啟動(dòng)不會(huì)執(zhí)行）。

3 小結(jié)

高壓調(diào)制器、磁控管和加速管是Halcyon型醫(yī)用直線加速器的核心部件，其中調(diào)制器集成化程度更高，一旦發(fā)生故障可能需要更換整體組件，維修成本更高。在實(shí)際維修中出現(xiàn)以上硬件故障的概率由高到低為磁控管、加速管、高壓脈沖電纜、PU、TU。硬件故障大多與設(shè)備工作負(fù)荷和環(huán)境有關(guān)，為減少硬件故障、降低維修成本，應(yīng)該注重日常保養(yǎng)[8]，需定期查看內(nèi)外循環(huán)水的水壓、水溫、六氟化硫氣壓、穩(wěn)壓器輸出電壓等基本參數(shù)，定期更換內(nèi)循環(huán)水和濾芯，同時(shí)保證機(jī)房?jī)?nèi)清潔和溫濕度在正常范圍內(nèi)。