医用直线加速器结构原理及故障维修案例分析

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收稿日期：2022-11-01
①山东省肿瘤防治研究院(山东省肿瘤医院)医学装备部 山东 济南 250117
作者简介：齐亮，男，(1983- )，硕士，工程师，从事医院医疗器械维修与管理研究工作。

[文章编号] 1672-8270(2023)10-0220-04 [中图分类号] R812 [文献标识码] B
Structural principle and maintenance case analysis of medical linear accelerator/QI Liang, DENG Wei, LI Yu-hui//China Medical Equipment,2023,20(10):220-223.
[Abstract] Medical linear accelerators are structurally divided into microwave systems, pulse modulators, accelerating tubes, radiation and control systems, etc., and can be divided into traveling wave accelerators and standing wave accelerators according to different acceleration modes. In the process of fault treatment, the correlation between structural functions and fault symptoms is conducive to the investigation and analysis of the cause of the fault. Faults in multi-leaf collimator (MLC), beam output and temperature control are common in medical linear accelerators. By analyzing the structural principles of medical linear accelerators, the maintenance strategy of the common fault was discussed. The fault sources were determined from the perspectives of structural hardware faults and software system problems. Troubleshooting methods were formulated to solve the faults. Medical engineering technical support personnel should be familiar with the principle of equipment structure and carry out preventive maintenance management. Equipment operators should strengthen daily maintenance to improve the clinical operation quality of medical linear accelerators.
[Key words] Accelerator; Microwave system; Accelerating tube; Multi-leaf collimator (MLC); Fault analysis
[First-author's address] Department of Medical Equipment, Shandong Cancer Hospital and Institute, Jinan 250117, China.
[摘要] 医用直线加速器从结构上分为微波系统、脉冲调制器、加速管、辐射及控制系统等，并按加速方式不同分为行波加速器和驻波加速器。

医用直线加速器在故障处理过程中，通过结构功能和故障现象间的关联性，有利于故障原因的排查和分析。

多叶准直器(MLC)、射线输出和温度控制是医用直线加速器的常见故障内容，通过分析医用直线加速器的结构原理，探讨其常见故障的维修策略，分别从结构硬件故障、软件系统问题等角度确定故障源，制定故障排查方法，使故障得以解决。

医学工程技术保障人员应熟悉设备结构原理，做好预防维修管理，设备使用操作人员也应加强日常维护，以提升医用直线加速器的临床运行质量。

[关键词] 加速器；微波系统；加速管；多叶准直器(MLC)；故障分析DOI: 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2023.10.044
引用本文：齐亮,邓伟,李俞慧.医用直线加速器结构原理及故障维修案例分析[J].中国医学装备,2023,20(10):220-223.齐 亮① 邓 伟① 李俞慧①
医用直线加速器结构原理及故障维修案例分析
中国医学装备2023年10月第20卷第10期 China Medical Equipment 2023 October V ol.20 No.10
医用加速器是临床上用于肿瘤放射治疗的粒子加速器装置，按照粒子类型不同分为电子加速器、质子加速器、重离子加速器和中子加速器。

目前临床上使用的绝大多数为医用电子直线加速器，即采
用微波电场对电子进行加速产生高能射线的远距离外照射装备[1]。

医用直线加速器已成为放射治疗的主要组成部分，具有功能强大和结构复杂等特点，随着精准医疗理念的广泛认同，加速器的部件完好性和
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运动准确性成为患者治疗效果的关键要素[2]。

山东第
一医科大学附属肿瘤医院在用医用直线加速器以瓦里安(Varian)品牌为主，该品牌医用加速器主要包括23EX、21EX、CX、VitalBeam、Halcyon和Trilogy 等机型，由于医用直线加速器设备造价昂贵、风险性高，如出现故障问题不能及时解决，可能延误患者治疗效果，严重时会造成不可逆的重大损伤。

因此，作为医学工程技术保障人员应掌握装备结构原理，积极应对常见故障，确保医用直线加速器的临床应用质量。

1 医用直线加速器结构原理
医用直线加速器从结构上分为行波加速器和驻波加速器，其工作原理在高压脉冲调制系统的控制下，向加速管内注入微波功率，建立起动态加速电场，同时电子枪向加速管内适时发射电子，当注入电子与动态加速电场的相位和前进速度一致时形成行波加速(绿色标识)，当其和交变速度一致时形成驻波加速(红色标识)[3]。

被加速后的电子直接从辐射系统的窗口射出，形成高能电子射线，如通过靶室后射出，则形成高能X射线[4]。

医用直线加速器系统结构见图1。

中国医学装备2023年10月第20卷第10期 医用直线加速器结构原理及故障维修案例分析-齐 亮 等
图1
医用直线加速器系统结构图
(1)微波系统。

微波系统主要由微波源、隔离器、波导窗、溅射离子泵及相关的取样波导、耦合器、环流器、终端吸收负载和频率自动稳频等组成。

其中，磁控管和调速管是两个主要的微波功率源，磁控管是微波自激振荡器，体积小且电压低，多用于行波和低能电子直线加速器，调速管是微波功率放大器，体积大且电压高，多用于中能和高能的驻波加速器，主要功能为传输微波和将其功率和频率控制在预设范围内[5]。

(2)脉冲调制器。

高加速电场是保证瞬时微波功率的重要条件，因此需要采用脉冲工作方式，达到兆瓦级的功率范围。

脉冲调制器是实现向微波源提供脉冲
功率电源的装置，采用储能器件放电的原理形成高压脉冲，再经过变压器处理后将脉冲电压放大，输出供微波功率源使用，同时脉冲调制器可以有效控制电子的时机，以保证电子与加速电场的相位和前进速度一致性。

(3)加速管。

医用直线加速器最重要的部件，按结构不同可分为盘荷波导加速管和边耦合加速管。

盘荷波导加速管的内部结构呈圆形波导状，通过圆形膜片给波导增加负载，实现行波加速，边耦合加速管的内部结构是由相互耦合的腔体组成，通过区分加速腔体和不加速腔体于轴线和两侧，实现驻波加速。

此外，电子发射系统用于电子发射数量、角度、速度和时相的控制，真空系统用于保持加速管内的电子运动区域处于高度真空状态，束流系统包括导向线圈和聚焦线圈，主要作用是电子束的方向控制和品质提升，温度控制系统的作用是让加速管、微波源、线圈等部件处于恒温状态，确保系统工作的稳定性[6]。

(4)辐射系统。

辐射系统的作用是输出符合放射治疗需求的特定辐射，并对输出X射线或电子线进行实时监测和线束照射，具体要求包括方向、面积以及能量均整度等，结构组成包括偏转靶室、多叶准直器(multi-leave collimators，MLC)以及电离室等。

偏转靶室细分为偏转磁铁、偏转室以及波纹管等，主要功能是接收加速电子打靶后产生X射线。

MLC包括初准直器、上准直器和下准直器，是辐射系统重要的组成部分，主要功能是进行射线辐射野的范围控制。

电
离室是实施辐射强度监测的重要部件，通过将射线转换成电信号后，表征吸收剂量，其内部极片用于监测相互垂直方向的均整度。

(5)控制系统。

控制系统主要包括电源、连锁保护、自动控制和程序管理等方面，连锁保护主要应对温度、压力和功率源打火时的紧急应对保护，自动控制主要实现脉冲频率及辐射剂量自动控制、均整度调整、过滤改善等目的，程序管理则是进行人机交互，完成放射治疗流程的软件控制系统。

此外，冷却系统也是温度控制的一方面，主要是带走主要零部件工作中产生的热量，气体系统是将加速管抽真空后加入绝缘气体，防止电场击穿现象发生，确保装备的正常运
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转和射线的有效输出。

2 医用直线加速器常见故障案例分析2.1 故障案例一
(1)故障现象。

医用直线加速器开机晨检，MLC 自检未通过，电动机初始化失败，系统报警提示“Error: Leaf should have moved”，关机重启故障未消除。

(2)故障分析。

MLC是医用直线加速器的重要组成部分，可代替手工制作的不规则铅挡块，在肿瘤治疗过程中由计算机控制MLC叶片运动，形成放射治疗所需的不规则形状照射野，叶片制作材料多采用钨合金制成，比铅制挡板叶产生的危害更低[7]。

MLC故障通常为控制系统故障和机械系统故障，根据系统报警提示，首先考虑MLC机械故障。

MLC机械故障主要分为叶片故障和托架故障，叶片故障是由叶片运动异常所致，包括电机内部变速装置问题，而当托架限位异常时，可造成限位开关、驱动电机和叶片编码等多个部分故障，排查时应逐一排查和处理。

接通总开关电源后，按下启动开关Q1，线圈K1得电，连锁开关K1主触点闭合，常开辅助触点闭合，常闭辅助开关断开，电机正向通电后正向运动，启动开关Q2失效，当运动部件运动到限定位置时S1断开，点击停止运动，按下Q2后电机反向通电后反向运动，直至限位开关S2断开，实现限位控制目的。

限位控制电路见图2。

中国医学装备2023年10月第20卷第10期 医用直线加速器结构原理及故障维修案例分析-齐 亮 等
图2
限位控制线路原理示图
后，从维护角度再使用酒精擦拭，清洁丝杆表面残留物，润滑性得到明显改善。

针对“sec err”故障，查阅设备使用手册后查找对应的T型螺母，外观明显出现损坏松动，更换后进一步检查MLC相关部件和电路的情况，均未见异常，组装部件后开机自检通过，故障现象消除，故障排除。

2.2 故障案例二
(1)故障现象。

在医用直线加速器治疗过程中，显示剂量仪(MU1、MU2)无剂量输出，计时器未见异常，无其他报错。

(2)故障分析。

电子枪和加速管是医用直线加速器加速器装备的重要部件，是影响射线质量的关键所在，因此分析无剂量输出的重点是射线产生流程中涉及的相关组件。

同时，辐射系统的监测控制出现问题，也可能导致剂量仪的结果异常。

根据故障现象，分析故障原因主要有两个方面：①实际有剂量输出，但未检测到剂量输出，导致的显示问题，但该故障显示两通道均存在异常，因此该项故障源出现概率较小；②实际无剂量输出，微波系统、加速管及高压系统等均可导致该故障的出现，如电子枪灯丝连锁故障，导致灯丝电压异常，继电器激活失效，无电子注入加速管，也可能是高压调制异常，加速管内电子无法实现加速，造成靶面接收到的电子速度过低，从而不能正常输入符合治疗要求的射线，MLC也是影响射线输出的因素，但概率较小。

通过协调控制晶闸管V1～V4的通断，改变负载输出的极性，其变化频率由高压脉冲调制部分进行控制，限幅管用于保护晶闸管，即电压异常时进行短路处理。

高压脉冲调制新路原理见图3。

图3
高压脉冲调制线路原理示图
(3)故障处理。

根据故障现象判断“pri err”为MLC叶片的驱动电机故障，观察部件外观正常，但存在异常声响，采用替换法进行驱动电机更换，观察熔断器连通性良好，使用万用表测试常开、常闭连锁开关的通断情况，限位开关的限位性能，对存在明显接触性故障的K1继电器进行更换，再次检查焊接无误
(3)故障处理。

在维修模式中进入“DISPLAY-Analog-Machine”程序，观察模拟参数值的变化情
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况，直流供电电压正常，表明电子枪灯丝供电无异常，但加速管靶电流异常(＜1 A)，脉冲功率电源电压值异常(＜10 V)，初步考虑为晶闸管工作状态故障。

拆开机架旁外壳，测试晶闸管两侧交流电压和偏压端直流电压，测试发现限幅管损坏，处于常闭合导通状态，导致脉冲调制异常，更换后测试恢复正常，进一步清理管脚，对存在外观焊接异常的地方进行重焊处理，重新检测加速管靶电流约13 A，脉冲功率电源电压值约20 V，恢复正常，重新组装设备，开机重启后装备恢复正常，故障排除。

2.3 故障案例三
(1)故障现象。

设备在进行放射治疗过程中，反复出现“FLOW”报错，出现连锁现象，未见其他异常。

(2)故障分析。

医用直线加速器的部件要保持在精确的温度控制范围，才能正常工作，医用直线加速器各系统中的温度控制由冷却系统实现，主要包括水箱、水泵、热交换器、温度监控器和控制器、水压表和水温表等组成，主要通过装在内循环水(蒸馏水或去离子水)回路中的温度监控器控制外循环水(水冷机组)的流量，内外循环水通过热交换器使内循环水的温度自动控制。

装备反复出现“FLOW”报错，主要考虑冷却循环水流量、偏转磁铁温度和水压表等是否正常3个方面因素，分别排除冷却故障、温度故障和检测故障。

(3)故障处理。

检查设备内部循环水压力表，压强显示值＞65 psi，同时对应水位显示均在正常范围，无需添加去离子水。

再次检查循环水泵的工作状态，测试水泵(PUMP)供电电压较低，表明供电异常，闸箱跳闸，按顺序清理内循环水接口和外循环水路，对电路元器件除以排查，异常管脚重新焊接，装备组装后开机检测未见异常，运行一周故障未出现，故障排除。

3 结论
医用直线加速器为精密仪器，其零部件较多，故障风险性大，但为保护患者安全和保障设备运行质量，内置多级安全连锁装置，以实现问题出现时及时关停相关功能。

安全连锁的安全控制范围有限，需
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参考文献 要设备使用操作人员和技术保障工程师技师开展日常保养，规范操作设备并处理故障，确保医用直线加速器在放射治疗中的效果。

瓦里安医用直线加速器是医院放射治疗科室配置的主流品牌机型，但故障的原因是多种多样的，即受到品牌机型的影响，也与设备使用情况关系密切，多数原因均是设备长期使用造成的老化、磨损及性能不稳定造成，因此日常维护既要做好常规保养，也要在熟悉装备结构原理的基础上开展关键零部件的定期检修和预防性维护，尽量减低安全风险发生率。

此外，科室人员作为管理主体，应严格执行定期维护制度，熟悉常见故障现象的紧急处理方式，设备科应储备必要的易损零件，有效缩短故障处理时间，提升设备工作效率。