多叶光栅

多叶光栅（精选4篇）

多叶光栅 篇1

0 引言

多叶光栅是放射治疗设备实施射束投照的重要执行部件,也是放疗系统中机械结构较为复杂的部件之一。多叶光栅的主要功能是通过叶片运动形成复杂形状的射野,改变射野形状并调制射野范围内投照剂量的分布可满足治疗计划要求,同时尽可能减小正常组织所受剂量。

按照聚焦形式,可将多叶光栅分为单聚焦多叶光栅与双聚焦多叶光栅[1]。按照国际辐射学单位委员会的建议,患者在放射治疗中实际接收的总剂量与计划剂量误差必须在5%以内[2]。叶片端面形状优化设计是多叶光栅设计的重要内容,已产生了多种优化方法[3,4]。目前,研究报道主要集中在基于剂量学实验的端面半影特性研究和基于解析求解的端面优化研究两大方面。

基于剂量学实验的端面半影特性研究中,Huq等[5]对Elekta、Siemens和Varian等公司的6MV加速器多叶光栅进行了剂量学实验研究,结果表明,半影宽度与多叶光栅相对射线源安装位置相关,离射线源越近,半影宽度越大。Mohan等[6]研究了Varian Clinac 120多叶光栅在6MV和18MV光子束下的剂量学特性。对比多种射野限束方法(光阑、MLC、MLC+光阑)后发现,仅采用MLC射野限束方式的半影宽度比其余两种方式的半影宽度大。Wu等[7]研究了叶片端面半影造成的叶片投影位置、光野位置及射野位置之间的差异,并将中心叶片位置偏置的实验结果用于预测离轴叶片的半影特性,提出了离轴叶片位置偏置预测方法。多叶光栅半影受射线源能量分布、多叶光栅叶片端面形状、叶片位置等因素影响显著,因此如何通过端面形状最优设计获取理想半影特性,对实现精确放射治疗意义重大。然而,上述剂量学实验方法研究叶片端面形状对半影的影响时,仅从既定的加速器几何结构物理参数出发,无法对比分析不同叶片形状的半影特性,因此需要借助解析算法实现端面形状优化。

在基于解析求解的端面优化研究方面,Jor-dan等[8]采用最大圆弧相交半径法求解最优半径值。该方法将射线源视为理想点源,将叶片投影位置处于最大射野处,20%射线衰减线与圆弧端面底边交点重合时对应的半径为理想半径,但仿真分析发现,采用该准则设计的叶片端面半影并不是最优设计。Sun等[9]引入高斯分布射线源,提出了射线追踪算法,研究了直边端面、聚焦端面及圆弧端面对多叶光栅半影特性的影响。Topol-njak等[10]通过几何方法建立了最大相交圆弧半径法的解析求解公式,分离了多叶光栅几何半影及穿射半影,并通过经验公式对总半影宽度进行估算。目前尚未报道包含圆心偏置的端面优化方法,同时未有学者提出并验证端面总半影的解析求解方法。

针对上述研究不足,笔者提出一种通过切割线理论(tangent secant theory,TST)来进行半影解析建模的端面优化方法。首先通过参数辨识获取等效射线源大小及等效路径长度,在此基础上引入优化理论,构造包含圆心偏置的圆弧端面形状优化目标函数和约束条件,并采用基于梯度理论的优化算法进行问题的求解。本研究主要包括三大部分:①提出了基于切割线理论的半影建模方法,并通过Monte Carlo数值仿真验证模型的准确性;②将最大射野范围内的半影宽度均值作为目标函数,将圆心位置及半径作为自变量,基于梯度算法对多叶光栅端面进行形状优化;③建立中心叶片与离轴叶片的几何关系,将优化方法应用于离轴叶片的最优端面设计。

1 多叶光栅半影的建模及模型验证

1.1 多叶光栅工作原理

多叶光栅通过叶片运动形成射野的工作原理如图1所示。叶片可对射线形成屏蔽,投影平面内的射野形状随多叶光栅叶片位置变化而改变。因此,可根据肿瘤位置规划多叶光栅叶片运动轨迹,确定各个投照角度所需的剂量强度,对肿瘤靶区实现准确剂量投照。本研究将位于中心轴线两侧的叶片定义为中心叶片,将其余叶片定义为离轴叶片。

1.2 半影解析建模

受射线源能量角度分布、几何结构射线穿射、治疗头散射等因素的影响,射野边缘通常会形成半影。半影宽度一般定义为80%及20%等剂量线间的距离。为行文方便,后续章节中的半影均特指半影宽度。常用多叶光栅半影建模方法主要有Monte Carlo数值仿真、Ray-tracing射线追踪算法等[9,10]。如果半影求解函数较为复杂,则严重制约计算效率,影响优化迭代过程的顺利进行。文献[10]建立了几何半影和穿射半影的解析表达,并将总半影表达为几何半影和穿射半影的加权求和。几何半影的计算需要求取端面切线,穿射半影则需要通过求取割线获取。在上述求解方法的启发下,笔者通过综合几何半影和穿射半影的成因,采用TST求取端面总半影。TST的思想是,通过构建端面的切线和割线,获得半影解析表达模型,其中,切线和割线的位置取决于等效射线源大小以及等效路径长度,可通过参数辨识获取上述模型参数。

坐标系选取如图2 所示,定义h1为叶片高度,坐标系原点O位于叶片高度中轴线MN上,叶片端面圆弧圆心Oc相对坐标系原点O在X方向上的偏置为b,圆心Oc与叶片端面顶点T的距离等于圆弧半径R。 叶片端面圆弧曲线c =[R b]T。其中,(x -b)2+y2=R2。以叶片端面Y方向顶点为基准点,叶片行程范围内的起点为Lw,终点为Lp。Lw和Lp分别在探测平面形成投影点Tw和Tp。定义SCD为射线源与中轴线距离,SAD为射线源与探测平面距离,FS为最大射野范围。 以叶片处于Tw投影位置为例,采用TST求取半影宽度,算法过程如下。

设射线源S满足高斯分布N(μs,σs2),其累积分布函数为F(ys;μs,σs)。根据射线源能量分布函数,计算射线能量80% 分割点E,如图2所示,定义点E左侧射线能量之和为射线总能量强度的80%,通过求解F(ys;μs,σs)=0.8得到点E的Y坐标。通过射线源E点作叶片端面切线,切线与探测平面相交点即为点P80。过射线源C点叶片端面的割线,使得割线长度等于等效路径长度l,该割线与探测平面的交点为P20。其中,C与E的相对位置关系由等效射线源大小e(另一个需要辨识的参数)确定。上述切线及割线均可通过联立直线方程与圆弧方程求解。因此,Tw处半影的计算公式为

已知射线源且叶片端面形状确定时,投影位置Tw处的半影仅与参数e、l相关。其中,e、l与治疗设备几何参数及射线特性相关,在实际使用中可通过最小二乘拟合参数辨识获取,即求解:

式中,Wi、i分别为切割线法半影的值和数值仿真半影的值;Ti为叶片在探测平面内的位置;下标i表示叶片处于第i个位置。

1.3 模型验证

1.3.1 数值仿真模型

采用EGSnrc/Beamnrc Monte Carlo仿真软件,建立包含射线源、多叶光栅及探测平面在内的数值仿真模型。多叶光栅最大射野为40cm×40cm,叶片对数为40。本研究采用中间10对叶片形成的10cm×10cm射野。通过改变叶片位置,获得不同投影位置下的半影。记录粒子总数为109。本研究采用加速器参数如下:射线源为单一能量光子源,能量分布为高斯分布,半高全宽为1mm,射线平均能量为1.5MeV,钨合金叶片衰减系数为0.95cm-1,SAD=100cm,SCD=46cm,hl=8cm,FS=40cm[11]。

1.3.2 仿真结果半影计算

仿真得到射野范围内射线强度分布,以圆弧半径为10cm,射野范围0~10cm为例,给出仿真数据处理过程,得到叶片投影位置10cm处的射线强度分布,如图3所示。

通过对探测平面的数据进行处理得到半影,处理过程如下:首先对仿真获取的射线强度分布数据点进行曲线拟合,然后计算拟合后的曲线20%及80%射线强度的位置,两者之间的距离即为半影。对图3实验数据进行曲线拟合,得到的半影为1.358mm,拟合方程为

取n=3,则式(5)中的参数如表1所示。

1.3.3 参数辨识及模型验证

笔者通过改变非圆心偏置圆弧端面叶片的半径,计算不同半径下,随叶片投影位置变化的半影。在此基础上,以仿真数据为参考值,通过最小二乘曲线拟合进行参数辨识,获取切割线法半影模型中的参数e和l。

对于数值仿真模型,通过辨识得到的切割线法半影模型参数e=0.863mm,l=1.240cm。 从图4中可见,切割线法半影与仿真模型较为吻合。通过分析图形数据发现,两者最大误差为9.50%。

2 中心叶片端面优化

2.1 目标函数

多叶光栅端面半影宽度对靶区剂量精度影响显著,小半影可实现较大的剂量梯度,因此本研究以半影均值为目标函数进行优化设计。取最大射野范围内叶片不同的投影位置Ti(i=1,2,…,N)处端面半影为Wi,半影均值为

式(7)表示投影位置Ti的坐标取值,其中,X坐标与射线源至多叶光栅距离以及探测平面距离有关,Y坐标在射野范围内作N等分。通过对最大射野范围内叶片投影位置进行均匀分割取样,获取剂量分布数据。

2.2 约束条件

圆弧端面形状由圆心半径R及圆心偏置d确定。根据几何关系,可将约束条件分成两类。 一类是边界约束:

另一类是线性约束:

2.3 优化数学模型

为获取探测平面内较小的半影宽度,以半影均值为优化目标,端面优化函数如下:

式(11)表示对矩阵中的元素逐一比较。基于上述表达式建立TST半影模型。

2.4 优化结果

首先,对射线束中心轴线两侧的中心叶片进行优化分析。选取基于梯度算法的优化算法,将仿真模型及辨识得到的切割线法模型参数代入优化数学模型,通过MATLAB优化程序进行迭代计算。优化后的半影均值为1.261mm,中心叶片圆弧端面优化结果为Ropt=17.306cm,bopt=0.863cm。

计算发现,对于多组不同初值选取,优化结果均收敛于同一点,可见目标函数为凸函数,所得优化结果并没有陷入局部最小值点,因此,该点是全局最小值点。将优化后端面半影计算结果转化为仿真模型参数,如图5所示,可见切割线半影建模与仿真计算结果半影均值较一致。

将本研究采用的模型参数代入文献[10]的最大圆弧相交半径解析公式计算,得到的最优端面半径为16.183cm,圆心未偏置,相应的半影均值为1.281mm。对比发现,所提出优化方法计算得到的半影均值比最大圆弧相交半径法计算结果更优,半影均值减小了1.6%。

3 离轴叶片端面优化

3.1 离轴叶片几何模型

按照叶片排布分,多叶光栅可分为水平排布多叶光栅和圆弧排布多叶光栅两种。离轴叶片处于不同几何位置时,叶片高度、叶片与射线源的距离、叶片投影点与射线源的距离均会随叶片排布不同而有所变化。因此,中心叶片端面优化方法在应用于离轴叶片端面设计前,需要根据上述几何关系作修正。

如图6所示,对于水平排布多叶光栅,考察投影位置为PV处的叶片,对应叶片高度为lV,射线源与该叶片投影点距离为SPVAD,射线源与叶片高度中心距离为SPVCD。 对于所考察的叶片,相应的几何关系为

同理,对于叶片圆弧排布方式,考察投影位置为PE处的叶片,其相应几何关系为

3.2 离轴叶片优化结果

将不同排布下的几何模型参数代入优化数学模型,通过迭代计算,得到不同叶片投影位置处离轴叶片的最优半径及圆心偏置结果。叶片排布关于射线束中心轴线对称,离轴叶片的投影位置可按单边计算,计算结果如表2、表3所示。

cm

cm

由表2、表3可见,对于水平排布多叶光栅,叶片离轴越大,最优半径越大;最大圆心偏置的差值为0.27mm,且叶片离轴越远,圆心沿Y轴负方向偏置越大。对于圆弧排布多叶光栅,最优端面半径离轴叶片与中心叶片最大相差3.27mm,圆心偏置最大相差0.05mm。但与水平排布相反,随叶片离轴越远,圆心沿Y轴负方向偏置越小。

3.3 多叶光栅斑马线曲面分析

根据离轴优化结果,采用SolidWorks对优化后的叶片作斑马线曲面分析,如图7所示。斑马线曲面分析结果发现条带间隔较为均匀,端面圆弧过渡较为平稳。

4 结语

提出了基于半影建模的多叶光栅叶片端面形状优化设计方法,引入切割线法并建立了半影模型,并通过Monte Carlo仿真验证了模型的准确性。在此基础上,以射野范围内半影均值为目标函数,分别对中心叶片和离轴叶片端面形状展开了优化研究,获取了端面最优圆弧半径及圆心偏置。结果表明,采用该优化算法得到的后端面半影均值比最大圆弧相交半径法得到的计算结果小1.6%。因此,本研究提出的端面优化设计方法为多叶光栅设计提供了新的思路。

参考文献

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多叶光栅 篇2

1 Brain LAB小多叶光栅参数

德国Brain LAB小多叶光栅可外置于直线加速器(如美国varian公司生产的600C/D)机头上,进行三维适形调强等精确放疗。该光栅系统由计算机工作站m3和小多叶光栅组成。小多叶光栅由MLC接口板和26对叶片组件组成。每个叶片组件由1个马达、1个位置电位器和1个编码器组成。26对叶片分成X1、X2两组,分别代替了JAW X1和JAW X2方向,可精确完成适形及调强动作。Brain LAB小多叶光栅装载到加速器之后,启动m3工作站,开始自检。自检过程中若无异常,则多叶光栅通过自检,准备就绪,可正常工作。

2 故障及处理

2.1 PCB和COAX C接口接触不良

2.1.1 故障现象

自检过程中出现TAXIA=0和TAXIB=0,叶片A10的电源Inb(输入b)=0和Outb(输出b)=0,但自检可通过。

2.1.2 分析与处理

自检可通过,说明电源和叶片、马达均无问题。重启m3工作站,再次自检,发现Inb=0和Outb=0的叶片为B2。多次重启自检,总结得知出现问题的叶片号码随机分配,无规律。由此推测多叶光栅某个接口可能接触不良。研究分析问题可能为m MLC上连接加速器机头的PCB和COAX C接口接触不良,原因可能有:(1)PCB和COAX C接口上有灰尘;(2)该外置的小多叶光栅已使用两年半,经常拆卸,可能导致接口接触不良。

将BrainLAB小多叶光栅从加速器上卸下,使用专用清洁工具清洁该接口,装上多叶光栅进行自检,成功通过。不过在此建议备用PCB和COAX C接口,以防多叶光栅该接口因经常拆卸,很容易接触不好,一旦损坏,可尽快更换。

2.2 马达故障

2.2.1 故障现象

自检过程中某叶片走不动,自检失败。

2.2.2 分析与处理

每片叶片都有一个供电马达,叶片不走,基本上可确定是供电不足,初步推断为该叶片马达寿命到期,需更换。使用专用工具将m MLC外壳取下,再次自检,确定自检不通过的叶片编号。断电,将m MLC从加速器机头取下,根据m MLC叶片马达分布图将自检时出现故障的叶片马达取下,更换新的马达,装上m MLC之后再次自检。在此需注意的是,由于m MLC内叶片马达编号都是人工标上的,很可能出现某几个叶片马达的号码不对。因此若根据编号换上新马达之后,该叶片自检仍不通过,则根据叶片分布位置找到该叶片马达,更换新马达,重装自检。另外需注意,Brain LAB小多叶光栅共有26对叶片,一般马达寿命为2年左右,因此备有充分足够的马达,以便及时更换,可保证放疗工作的顺利进行。

2.3 供电压过低

2.3.1 故障现象

自检可通过,治疗普通适形调强计划无问题,对于复杂计划,如鼻咽癌,治疗某个野之后出现电源故障。重新初始化m MLC进行自检,自检通过,但继续治疗1个或几个野之后,出现同样问题。

2.3.2 分析与处理

由于该故障是在自检通过后出现的,暂时排除马达故障。另外该故障仅发生在复杂调强治疗计划中,且随机发生,初步推断为电源不稳。打开直线加速器机架外壳,使用万用表测量m MLC供应电压数值为4.6 V,而正常情况下电机电压应≥5.0 V[6],使用专用工具将电压调为5.05 V,略高于5 V。重新装载m MLC,然后自检,m MLC正常工作。由于m MLC供应电源属于耗材,应储备电源,一旦电源故障不能使用,则可立即更换。

2.4 电源损坏

2.4.1 故障现象

自检过程中出现TAXIA=0和TAXIB=0,Inb=0和Outb=0,自检不通过。

2.4.2 分析与处理

该故障发生时,自检不通过,基本可判断为mMLC供电电源故障。更换新的电源,重新自检,mMLC正常工作。

3 结论

BrainLAB mMLC故障基本可通过更换配件解除,因此备有足够充分的配件有利于BrainLAB mMLC的维修保养。德国BrainLAB mMLC在使用前都会自检,自检通过后方可使用多叶光栅。若因某个叶片位置不对、电源损坏等问题导致自检无法通过时,则无法使用多叶光栅,因此安全性较高。但是仍不可掉以轻心,在治疗过程中,要时刻关注小多叶光栅叶片走动动作,一旦发现异常,则需立即停止治疗,排除故障。

参考文献

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多叶光栅 篇3

目前,越来越多的加速器配备了电动多叶光栅系统,用于肿瘤的三维适形放疗和调强放疗,与铅挡块技术和手动MLC相比,电动MLC具有操作简单快捷而且精确性、重复性好的优点,这项技术使肿瘤放疗疗效得到很大提高。电动MLC属于精密设备,维修人员要更加重视设备的维修保养工作,以确保其安全可靠地运转。我院于2009年安装了山东新华医疗的XHA600D加速器,配备MLC56型28对叶片的内置电动多叶光栅系统,下面对这种内置的MLC的结构原理及两年来的故障维修作简要介绍,以供同行交流探讨。

1 结构及工作原理

MLC56电动多叶光栅系统主要由叶片箱部分(28对叶片、28对叶片电机组、1对箱体电机、电机驱动机构以及一对光栅尺、一对激光灯、控制电路板等)、传输线部分和控制台计算机部分组成,其中叶片箱部分永久固定于加速器上、下叶准直器下方,成为第三级准直器。MLC56电动多叶光栅工作原理是:(1)多叶光栅控制系统主要包括箱体驱动控制部分、叶片驱动控制部分、箱体及叶片校准系统和机械传动部分。多叶光栅运行时,控制台计算机实时监控A、B两个箱体以及28对叶片A1-A28和B1-B28的运动位置状态,并且通过多个安全联锁和故障信息提示操作者故障现象及可能的故障原因;(2)A、B两箱体由箱体电机驱动,光栅尺反馈位置,做位置与速度反馈信号。光栅尺的基准点确定箱体的绝对位置,通过软件设定转换为箱体相对于等中心的位置。箱体控制部分还有前、后两个限位开关,故障状态下,限位开关动作,系统提示箱体电机故障;(3)叶片由叶片电机驱动,编码器反馈叶片位置与速度信号。与箱体位置相对固定的激光线为所有叶片的基准线,叶片相对于等中心的位置间接通过箱体与等中心的位置关系获得,叶片限位只有后限位开关。根据我们两年的使用维修实践,将它的故障大致分为3类,控制故障、通讯故障和机械传动故障。

2 控制类故障

2.1 故障一

2.1.1 故障现象

MLC在运行时,系统报错“A8叶片电机故障”,系统停止运行。系统复位重新初始化,当初始化运行至“A8叶片”时,初始化停止,提示“初始化失败”、“A8叶片电机故障”,重复上述操作,故障依旧。

2.1.2 故障分析与排除

MLC56多叶光栅系统的叶片运动位置实时显示的是电气检测图形,不是光学实物图,因此检修时需要进入治疗室观察叶片的实际位置。进入治疗室观察MLC主机上A8叶片处于后退极限位置,初始化操作时该叶片不运动。把故障处理单元板接入A箱体的系统控制板,选择A8叶片编号的电机,用手控板走动电机时,叶片可以进退运动,但走动一段距离后会自动停止。MLC56的叶片电机在结构上分为3截,最前面那一截为减速器部分,主要是用于降低转速、传递动力、增大输出转矩;中间一截为马达;最后一截为编码器和输出线部分,编码器主要用来检测马达的转动。如果是电机的马达部分损坏,当用手控板走动电机时,叶片始终不会走动,因此排除马达故障。如果是叶片的连接件松动造成卡塞、运动不畅等机械故障时,只能造成叶片运动的偶尔不正常,因此机械故障得到排除。我们将A8叶片电机的接线插座与A7叶片对调,上述故障依旧,因此也排除了A8叶片电机外部接线排断路故障。将A8叶片电机拆下,用手控板空载走动电机时,发现其在转动中会自动停止,正常情况下应该始终转动,因此判断该叶片电机的编码器部分损坏。从叶片运动的控制原理分析,当叶片初始化时,系统会对每一个叶片按顺序进行校准,校准过程首先1号电机前进,当叶片端面碰到叶片基准线时,用于检测的激光器的输出电平产生跳变,此时叶片由前进变为回退,回退控制软件设置的固定距离。分析原因,当叶片回退时,由于驱动叶片的伺服电机的编码器不正常,无法实时检测到电机的运动信号,控制软件即认为叶片一直没有走到设定的位置,所以一直回退,以致碰到了后限位,控制软件报叶片电机故障。用故障处理单元板将A8叶片推出到最大行程处,然后将对应电机拆除,更换新的叶片电机,故障得到排除。

2.2 故障二

2.2.1 故障现象

MLC运行时,系统报错“B箱体电机故障”,系统停止运行。系统复位重新初始化,系统报错:“初始化失败”、“B箱体电机故障”,有时初始化过程可以通过,能进行治疗,但在治疗中时而又会出现报错“B箱体电机故障”。

2.2.2 故障分析与排除

进入治疗室观察,B箱体停在前限位开关位置。把故障处理单元板接入B箱体的系统控制板,选择B29编号电机即B箱体电机,用手控板走动电机时,B箱体进退运动正常,因此判断B箱体电机是正常的,问题出在箱体控制部分。正常箱体初始化过程时,首先箱体回退到后限位开关,然后箱体前进一定距离,找基准点,找到基准点后箱体回退,回退到光栅控制软件参数设置里对应的“箱体后限位”位置,即距离后限位开关2mm左右停止。但是故障箱体初始化过程中,首先箱体回退到箱体的后限位开关后前进,一直走到前限位后才停止。分析原因,箱体的位置由光栅尺反馈,当光栅尺信号不正常时,控制系统找不到基准点,不能正确解析箱体的位置,箱体不能按照上位机的指令运行到指定位置,一直运行到前限位开关才停止运行,系统报错。本故障是因为光栅尺损坏,其信号不稳定,造成B箱体的运动时好时坏,更换光栅尺,故障得到排除。

3 通讯故障

3.1 故障现象

MLC运行时或者上电联机时报错“通讯中断”。

3.2 故障分析与排除

通讯故障的原因大概分3种:(1)通讯电缆或MLC电源线不良;(2)上位机通讯接口、MLC电源或电源继电器不良;(3)控制板上相关接口处理电路不良。上述3种因素均有可能造成通讯故障,检修过程如下:(1)用万用表测量通讯电缆的两端或继电器触点,看对应引脚是否“通”;(2)更换通讯电缆与上位机的接口,重新联机,看是否正常,依次判断是否上位机通讯接口不良;(3)进入MLC控制软件调试模式,看两个箱体的叶片是否可控,不可控则是箱体控制板通讯部分有故障。MLC56的接地保护也很重要,接地一是保护设备在运行过程中的安全使用,不因漏电等其他原因造成设备损坏,二是防静电、漏电、减小波动的干扰。由于设备运行的操作室和治疗室中同时也运行其它各类设备,同时在加速器治疗过程中还有强辐射,可靠的接地能避免运行过程中的对设备的干扰而造成的通讯中断等。曾有一次故障,系统运行时经常报错“通讯中断”,反复查找原因发现MLC56主机接地线因为维修加速器时拆卸后没有固定好,重新紧固接地线,故障排除。

4 机械传动故障

4.1 故障现象

此类故障一般表现为叶片不能及时到位或不到位,两箱体相对叶片碰撞卡死等。

4.2 故障分析与排除

由于传动系统长期运行产生物理变形或者由于磨损产生间隙,造成叶片位置不准确,适形度下降,严重的可能造成两箱体对应叶片堵转碰撞,产生系统故障。用故障处理单元板将系统提示的故障叶片推出到最大行程处,然后将对应电机拆除,将传动丝杆取出,检查丝杆,螺母是否有问题,然后将不良部分更换即可。

5 小结

多叶光栅运行的好坏,直接关系到精确放疗的效果。因此,需要经常对它们的运行状况进行监视,发现问题就要及时调整,以保障精确放疗的准确。维修人员要定期对MLC的机械传动部分进行检修,要定期除尘,定期为丝杆添加少量的润滑油以减少丝杆磨损,当发现有磨损松动迹象时要及时加工处理,避免发生更严重的故障。我们在每次故障维修后都要验证一下适形射野的精度,验证的方法是:在TPS计划系统上设计出机架角度为0°、90°和270°的3个适形射野,按1:1的比例打印出图形,将射野图形传输到MLC56主机电脑中,在加速器床面上分别水平和垂直放置打印的图形,取源皮距100cm,要注意保证加速器床面的水平度,要保证打印图形头脚两侧的方向正确,打开光野灯观察多叶光栅的投影与打印图形的偏差,应保证其偏差≤1mm,当发现精度超出标准时,我们就通过调试软件对相应叶片进行校正,上述验证方法可以快捷直观地检验出多叶光栅的运行状况和精度,为临床精确放疗提供了质量保证。该设备使用两年来,我们觉得只要掌握了设备的结构原理,故障判断和检修并不是很困难。

参考文献

[1]李德志,陈正堂,周一兵.国产全自动多叶光栅临床验证研究[J].重庆医学,2007,36(19):1962.

[2]张旭,毛凯.铅适形挡块与手动多叶光栅在临床适形放疗中的比较[J].中华放射肿瘤学杂志,2006,15(4):311.

[3]黄日明,姚勤,沈庆贤.多叶光栅的校准[J].医疗设备信息,2005,20(11):60.

[4]常宗强,张东.医科达precise型直线加速器多叶光栅常见故障分析[J].医疗装备,2009,(11):70.

多叶光栅 篇4

关键词：医用直线加速器,多叶光栅,医疗设备维修

引言

多叶光栅(Multi-Leaf Collimator,MLC)是实现调强适形放疗(Intensity Modulated Radiation Therapy,IMRT)技术的重要设备之一,它能规范射线束轮廓,使其与患者肿瘤形状相接近,从而很大程度上使得靶区和邻近危及器官的剂量分布得到改善,达到最大限度杀死肿瘤细胞而最小程度影响正常组织的目的[1,2]。

我院于2002年引进瓦里安公司生产的CLINAC 23EX医用直线加速器,该机配备60对叶片多叶光栅,日均运行14 h以上,患者多为调强放疗,MLC运行压力大,故障率高,现总结近几年来在放射治疗过程中出现的MLC故障及排除方法。

1 故障一:丝杆、NUT、马达故障

1.1 故障现象

患者治疗过程中,频繁出现MLC联锁,如Leaf A22Not Enough Range Error;Leaf B21 Stalled Or Not At Planned Position等,查看故障原因发现为某一叶片运动速度明显慢于其他叶片,或者该叶片直接卡住不动,MLC自检过程中也会报出该叶片故障。

1.2 故障分析及排除方法

MLC叶片的移动是由该叶片所对应的马达驱动丝杆旋转,通过Nut牵引叶片运动。而MLC出现某一叶片移动速度慢或者不能移动,则应首先检查马达、丝杆或者Nut是否存在故障。

将Gantry转到180°位置,拆下加速器小机头机壳,取下故障叶片所对应的马达,首先手动旋转马达,看是否旋转顺畅,如果没有明显卡顿,可将马达插头插入Service Panel PCB上的J1接口,拨动S5开关驱动马达,观察DS3显示灯,该显示灯亮的越少越好,如果灯亮得多,说明电流偏大,需更换马达[3];如果马达正常则继续取出该叶片丝杆和Nut,首先看是否有污垢影响丝杆与Nut运行,然后看丝杆是否有磨损,丝杆与Nut之间是否存在明显故障,若存在故障,则及时清洁或更换。

2 故障二:Softpot及球形Wiper故障

2.1 故障现象

设备运行过程中出现MLC连锁,报错B25 Second Feedback I/L.

2.2 故障分析及排除方法

每个MLC叶片背面都插有一个球形Wiper,叶片运动的过程中带动Wiper在Softpot软电位器上滑动,软电位器记录Wiper滑动的位置,以此来确认叶片是否精确到位。出现问题的原因可能有Softpot软电位器故障、球形Wiper磨损严重或者弹簧弹性不足,不能很好地在软电位器上滑动,导致软电位器上不能读到该叶片准确的位置信息。这种情况下,首先,用无水酒精清洁软电位器和球形Wiper,如果故障仍然存在,则更换球形Wiper,若故障依然存在则怀疑是软电位器故障。

3 故障三:MLC Power Distribution PCB故障

3.1 故障现象

治疗过程中出现MLC联锁,4DTC观察MLC射野形状,发现B面有大量叶片没有到达计划射野要求的位置。

3.2 故障分析及排除方法

B面有大量叶片没有到位,排除单个马达故障,且故障叶片没有奇偶数规律,排除Softpot和Wiper故障,打开机头,检测MLC Power Distribution PCB,万用表测量TP5监测点+5 V电压为+5.25 V,测量B面Second Feedback PCB TP1电压为+4.5 V(该电压值要求≥+4.95 V),查找手册发现,MLC电源将输入110 V交流电转变为+5 V,10 A;+15 V,15 A;+15 V,3 A;-15 V,3 A输出,再通过MLC Power Distribution PCB J1接口给A面PCBs供电,J2接口给B面PCBs供电,J4接口给风扇、Service Panel PCB供电[4]。查看MLC Power Distribution PCB,发现J2插头没有插紧,将J2插头重新紧固后,测量TP1电压为+5.2 V左右,故障消除。

4 故障四Second Feedback PCB故障

4.1 故障现象

在治疗病人过程中,出现MLC连锁,打开Hyper Terminal Files超级终端文件,提示A42 Second Feedback I/L,将MLC重新自检能通过,但短暂使用后又会出现该故障。

4.2 故障分析及排除方法

将Gantry转到180°位置,首先对A42叶片马达、Nut以及丝杆进行清洁并确认是否存在故障,清洁排除后重新安装测试,故障依然存在;然后考虑MLC的控制电路,Motor Driver PCB通过光纤从MLC Controller接收信号,驱动各叶片马达,对步进马达移动位置进行监控并提供刹车信号[5],更换Motor Driver PCB后,故障依然存在,考虑Second Feedback PCB,将A/B两面的Second Feedback PCB对调,自检开机测试,发现Hyper Terminal Files超级终端文件提示B42 Second Feedback I/L,故障报错跟随Second Feedback PCB对调,因此确认原A面Second Feedback PCB故障,更换后故障消除。

5 故障五:Motor Interconnect PCB故障

5.1 故障现象

在治疗病号过程中,A58叶片不动,依次查看马达、丝杆、Nut均无故障,将MLC Service Panel PCB手动选择到A side位置,选择58号叶片,手动控制A58,仍然无运动。

5.2 故障分析及排除方法

A58叶片无动作,而马达、丝杆和Nut没有故障,怀疑Motor Interconnect PCB以及扁平电缆故障。马达通过6针插孔与Motor Interconnect PCB相连,故测试Motor Interconnect PCB上的A58的6针插头分别对地电压,其中1针为10.9 V,且不稳定,测试其他正常叶片的1针电压稳定在14.09 V左右,故怀疑Motor Interconnect PCB扁平电缆中的A58-1线连接故障,查看电路图(见图1),从A58-1飞线接Motor Driver PCB的J61-60,故障消除,A58正常运动。

6 结论

在MLC运行过程中,为了使叶片进出更顺畅,往往在丝杆和叶片的轨道上抹上润滑油,而该润滑油在长期的运动过程中会溢出到叶片内侧,吸附灰尘,使两叶片间的粘连摩擦力加大,加重马达、丝杆和Nut的负担,造成损坏。因此,在日常的MLC保养过程中,对于各运动部件,一定要加适量的润滑油,要注意到过多的润滑油对叶片运动的反作用;另外,如果出现某一叶片马达、丝杆或者Nut故障,则应将该叶片及相邻两叶片取出,用无水酒精清洁干净,避免再次损坏。

另外,MLC日常保养完成后,可以通过Hyper Terminal Files超级终端文件键入“diag Leaf PWMTest Mlc”测试命令,MLC会分别在叶片Park位置,距离中心3/4位置,距离中心1/2位置和距离中心1/4位置记录每个驱动马达的PWM值,正常情况下,该PWM值Full Leaves应≤14%,Half Leaves应≤22%,如果出现PWM值>临界值的叶片,应该将该叶片取出重新清洁或者更换Nut[6]。

最后,由于A、B两面很多电路板是可以对调互换的,所以在MLC故障的检测排除过程中,可以将电路板对调,查看故障是否跟随,以此判断故障原因。

参考文献

[1]顾本广.医用直线加速器[M].北京:科学出版社,2003.

[2]胡逸民.肿瘤放射物理学[M].北京:原子能出版社,1999.

[3]陈晓,刘旭红,李文辉.瓦里安Clinac i X直线加速器MLC叶片的保养和检修[J].医疗装备,2014,27(11):81-82.

[4]柯祺,黄少福,黄彬.瓦里安23EX直线加速器FLOW联锁故障分析与维修[J].中国医药指南,2013,(20):786-787.

[5]谭飞.医用直线加速器VARIAN 23EX FLOW联锁故障分析与处理[J].医疗装备,2013,(10):48-49.