Varian加速器的机内故障监测机制与维修性改进

【作　者】唐志全，蒋泽，刘仁云

四川大学华西医院肿瘤中心-生物治疗国家重点实验室-放射物理技术中心，成都市，610041

0　引言

电子直线加速器的联锁系统，本质上是机内故障监测与报警装置[1]，是维修性[2]的一个重要方面。机内故障监测系统的完备性体现在联锁是否涵盖了所有可能的故障原因，因此，机内故障监测系统越完备则设备的维修性越好[3]。Varian加速器依照故障对设备影响的强弱程度将联锁分成三个层级，即主要联锁、次要联锁和剂量联锁。次要联锁又依照联锁类别细分成关键联锁、摆位联锁和辅助联锁三个小类。加速器控制系统的主程序采用三态机[4]模式，即备用、上电和出束三个状态，同时加速器也有与之对应的三个状态，状态转换由命令和联锁进行关联。三态机模式的前提是连锁必须完备，否则就会出现不能识别的情况，直接后果是程序崩溃导致电脑死机，本例故障即属于此类情况。

1　故障现象

2300CD机型，治疗过程中突然断束，控制台计算机死机。急停并放下病人，重启加速器，HVPS电闸搬下再合上，重启电脑，加速器重新上电，延时到达后机器恢复正常。故障均发生在6X能量，自第一次故障后每天发生2～3次。

2　故障解析与排查

2.1　控制系统组成

如图1为控制系统框图。STD总线卡座上有通讯处理器（CM）板等9块电路板，CM和CN统称控制器，为自带EPROM软件的微处理器板；信号处理接口卡座上有输入接口（II）1#板等6块电路板；Varian卡座上共18块电路板，其中剂量监测与控制[5]板5块，能量编程板9块。图中单向箭头表示信号单向传输，双向箭头表示信号双向传输。

2.2　三态机状态转换机制

三态机状态转换机制如图2。控制台计算机（电脑）的主程序采用三态机模式对加速器进行控制，三态分别对应加速器的备用（STANDBY）、上电（ON）和出束（BEAM ON）三种状态。加速器的待机状态即为备用状态，此状态的任务是维持速调管、电子枪和加速管的真空。

从图2中看出，三态机模式下各状态之间由联锁进行关联。本例故障在无主要联锁的情况下，加速器失控断束回到备用状态，而加速器与状态机本应在联锁的关联下回到上电状态，因此状态机无法进行状态转换，造成电脑死机。故障后查看SCI板和DSYNC板上的LED故障灯，均为全亮（FFh），证实在出束过程中控制器运行自检没有故障。重启电脑后，进入通讯模式查看故障日志，没有故障记录，证实故障突发前，没有触发任何联锁。因此，故障原因不包含在联锁清单之内，而是加速器出束机制中某个未设置成联锁的因素。

图1　控制系统框图Fig.1 The schematic diagram of control system

图2　三态机状态转换机制Fig.2 The mode conversion mechanism of three state machine

2.3　状态解析

加速器备用状态：120V_B使APD_K1、APD_K2吸合，送出控制电源120V_A、120V_B；+24V使APD_K3、APD_K4吸合。除非断开急停链，+24V将保持K3、K4，120V_B保持K1、K2。

状态机备用状态：启动电脑，控制器即CM和CN先后自检。如果自检失败，则屏幕显示诸如Data-13或Data-31[6]指示通讯失败，“8254 counter指示8254计数器/定时器[7]通道故障，“CTRL联锁等故障，均限定加速器只能处于备用状态而不能上电。控制器自检成功则向公用RAM加载电脑硬盘上的机器配置文件且发-12V开通命令，DIO 1# P4-3（DIO 1#板Port 4的Bit 3，以下余同）使OI板K1吸合，输出联锁-12V，从而进入备用状态，完成状态机与加速器主机的状态衔接。一旦状态机与加速器实现状态衔接，则状态机与加速器状态同步。

上电状态：控制台POWER钥匙从STANDBY右旋到ON，+5V PWR KEY→OI板→DIO 1# P7-4→+24V开通命令→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得电。速调管灯丝计时器开始计时，枪灯丝预热过程中电压逐渐升高，在低于5V时报GFIL联锁。预热完成后，加速器与状态机均进入上电状态。

出束状态：+2 4 V经专用键盘出束使能钥匙S7右旋接通→APD_FAIL SAFE电路。出束按钮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急停链EMOFF0→ EMOFFKHV→CB1 UVR线圈通电→CB1合全闸。120V_B门机联锁ACDOORILIN→PPD_K1吸合→高压计时器计时→K1_NO-14→PPD_K2吸合。+24VPWR→HVONKHV+→PPD_K2_NO-1→KHV+→TI板延时36mS→DLYD HVON。DLYD HVON∪KLYTRIG→触发主闸流管→PFN放电→KLY I到枪驱动，高压脉冲到速调管→输出高功率微波。DIO 1# P0-3 GHVON CONT→栅极枪系统K3吸合→进而吸合K2→枪高压上电。逻辑接口板CARDRACK GUN DELAY→AFC和枪脉冲控制板与KLY I生成GRID PULSE→电子枪栅极脉冲→电子被注入→电子被加速→电子辐射。DOS1计数到达设定值，KHV1、KHV2变低，APD_K7、APD_K6失电脱开，出束结束进入断束状态。退回摆位界面，循环退回上电状态。

2.4　故障排查

本例故障发生在出束过程中，出束状态可简化成如图3的束流产生要素机制，微波场与待加速的电子是电子辐射的必要和充分条件。综合故障现象和前述分析，再结合图3可将故障原因聚焦在微波源上。故障后查看立架上的螺线管、偏转磁铁电源和微波源均正常，控制台RF DR PWR（微波源输出）测试口示波器显示也正常。分析微波源电路图，怀疑是压控振荡器（VCO）发生过瞬间停振，但因没有可替换电路板实施替换法验证，只有采用笨方法，即在治疗每个患者时紧盯示波器上的RFDR波形，果然在故障时看到波形瞬间跳动了一下。由于微波源价格昂贵（40余万元），在周末将微波源拿到友好医院的机器上作了重复验证才订购微波源，换上后故障消除。

3　讨论与维修性改进建议

在临床模式下，上电和出束状态之间还有摆位（SET UP）、校准检查序列（CAL/CHK）、准备好（READY）和断束（BEAM OFF）四种过渡状态。断束状态受控于状态机，若非联锁则是DOS1、DOS2、TIME、BEAM OFF键或S7。而本例故障源自于加速管的固有机制因素，即微波场的瞬间缺失导致非受控断束。虽然状态机死机，但当TI板看门狗电路50 ms未收到来自DIO 1#板的命令更新时，WATCH DOG电路直接从硬件上使KHV1和KHV2变低来断开高压电源输入，因此不会带来超剂量投照（Delivery）风险。

图3　束流产生要素机制Fig.3 The essential factor mechanism for beam production

本例故障属于软故障”，如果微波源彻底无输出，则很容易判断出故障所在。但本例故障仍属于

显故障”，仍有别于某些部件的隐性故障，因为隐性故障也会与相关联锁关联起来，或可以对应起相关系统的相关参数[8-9]。

本例故障有两个显著特点：一是状态机发挥作用，二是联锁清单未涵盖故障原因，在三态机模式下两者互为因果，结果是电脑死机。状态机模式的优点是状态清晰，但死机的结果又显得机内故障监测机制存在薄弱环节，而且增加了故障诊断难度。出于维修性与系统稳定性考虑，更加完备的机内故障监测机制，应当将微波源输出纳入联锁清单之中。

查看DIO 0#板的地址分配表，Port 6有几个Bit为备用，如Bit 4和Bit 6。来自于微波源的输出信号RFDR在经过表头接口板（MeI，见图1）后，一方面送ADC 1#板供维修面板显示，另一方面再送DIO 0#P6-4，将主程序作相应修改，就可以将RFDR纳入联锁清单。改进的结果，一是三态机能够检测到微波源的瞬间无输出现象，直接将故障原因定位在微波源上，提高维修性；二是状态因RFDR联锁后就能从出束状态回到上电状态，提高整机稳定性。

[1]吕川. 维修性设计分析与验证[M]. 北京: 国防工业出版社, 2016.

[2]派切特(Michael.R). 产品可靠性, 维修性及保障性手册[M]. 王军锋, 陈云斌, 周宪, 等译. 第2版. 北京: 机械工业出版社, 2011.

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

[4]徐岩, 李洋洋. 基于分数阶域的语音活动性检测算法研究[J]. 兰州交通大学学报, 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] 赵斌杰. Varian直线加速器Data 13和Data 31故障分析[J]. 中华放射肿瘤学杂志, 1999, 8(2): 128.

[7] 范爱香. 用8254计数器/定时器接口芯片测量直流电机转数[J]. 科技情报开发与经济, 2011, 21(20): 220-222.

[8] 唐志全, 王明槐. Varian高能加速器的剂量监测与维护[J]. 中国医疗器械杂志, 2017, 41(4): 309-312.

[9] 唐志全, 曾勇, 苏善宁.瓦里安2300CD偏转电源隐性故障维修分析[J]. 中国医疗设备, 2017, 32(10): 93-96.