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医用加速器的综合维修保障 医用加速器;维修保障

[摘 要] 医用加速器集水、电、气、微波及高能射线于一体,由此带来了综合维修保障的复杂性,本文从实际应用出发,探讨了医用加速器维修保障中的一些突出问题,对国内当前维修保障状况也进行了综合分析,提出了个别值得深入研究的课题。加速器应用于肿瘤治疗(放疗)已有50余年的历史,其基本原理是利用加速器产生的粒子束或射线的电离作用,最大限度地破坏肿瘤细胞而最少限度影响正常组织。调查表明:癌症患者80%要接受放疗,可见医用加速器在癌症治疗中的重要性[1]。 医用加速器集水、电、气、微波及高能射线于一体,其发展和生产工艺集中体现了当代科技的最新成果,为此,带来了医用加速器综合保障(主要是维修保障)的复杂性。

1 概述


在我国,加速器理论、研制及使用起步相对较晚,特别是对医用加速器的使用及维修保障,则更显基础薄弱,这种基础薄弱的表现是多方面的,如维修人员少、缺少重要部件的生产能力等。本文就是对我们多年来(自1994年始)安装维修医用加速器的经验和方法进行总结和探讨。

医用直线加速器可分为质子直线加速器(Proton Linear Accelerator)和电子直线加速器(Electron Linear Accelerator)两种。由于电子直线加速器产生电子线和X线两种射线,能量稳定,特别是制造成本的下降,所以电子直线加速器已成为主要的放射治疗设备,被广泛应用[2]。

我们从1994年开始在国内安装、维修医用直线加速器,多年来安装医用直线加速器6台,参与维修保障医用直线加速器7台,这7台医用加速器中6台均为国外进口的转手机,1台为新装机,加速器型号涉及西门子公司二十世纪八十年代初生产的Mevatron 74、Mevatron 77及二十世纪九十年代Varian公司生产的Clinac 600C。特别是我院现使用的两台医用加速器,一台为Varian Elinac 600C,能量为6MeVX线,1995年生产,1996年安装后使用至今;另一台为西门子公司1981年生产的Mevatron77,电子线六档:3、7、10、12、15、18MeV,X线:15MeV,1996年在我院安装使用,现已超龄使用,基本状况依然良好。

2 原理与结构[3]

医用电子直线加速器的基本原理可用一句话来概括:在加速管内建立微波电磁场,电子注入加速管后在微波电磁场作用下不断加速,最后以近于光速的速度出束。馈入加速管的微波,可按行波和驻波两种方式建立加速电场,因而医用电子直线加速器又分为行波加速器和驻波加速器两种类型。电子的质量很小,因此既使在能量不太高的时候,其速度已接近于光速c,如1MeV的电子,Ve=0.94c;10MeV的电子,Ve=0.999c;能量更高时,速度不变,主要表现为电子质量的增加,而使出束能量增加(相对论:E=mc2),因此加速管内前段设置不等间距的盘荷波导来使微波波速与电子速度谐振,加速管末段的盘片间距基本相等。这种波导式加速器使用的微波频率很高,一般在S波段,达几千兆赫兹以上,频率稳定度要求不大于±50kHz。

采用驻波加速管,不但加速管长度大大减小,而且如果加速能量小的话,还可以省去行波加速管所必须的聚焦、导向、真空、偏转和束流均整系统,如Varian的Clinac 600C采用这种结构。

Mevatron 77采用驻波加速管,微波功率达7MW,频率2998MHz。
除了以加速管为主的加速系统外,医用电子直线加速器不包括必不可少的电子注人系统、微波产生与传输系统、脉冲调制器及附属的真空系统、冷却恒温系统、束流引出系统、电源及控制系统。

医用电子直线加速器基本的结构框图,其工作过程如下:由控制台上的触发器将调制器触发,产生一系列负的脉冲高压(Mevatron 77为20kV左右),加到速调整管阴极;速调管将射频功率源(K7)产生的微波放大,送出频率为2998MHz,功率最高可达7MW的微波,经波导系统(图方转换波导、大功率隔离器、波导窗和输入耦合器)馈送到加速管中,并上加速管中产生所需的加速电场;与此同时,来自电子枪的电子,经短透镜聚焦和-X1、Y1对中线圈(前驾驶线圈)对中,以一定的初速(约0.4c-0.5c)注入到加速管的轴线上,在轴向微波电场的作用下得到加速。剩余的微波功率经输出耦合器、波导窗到达吸收负载转化成热能而消耗掉。被加速的电子(速度略小于光速)通过输出耦合,经X2、Y2对中线圈(后驾驶线圈)使束线以正确的角度注入到偏转磁铁中去。电子束线经2700偏转后,穿过0.1mm的钛窗打到3mm厚的金靶上,产生X射线。再经准直器、均整过滤器、电离室及铅门后,成为可供治疗用的X射线。将金靶移开并换成0.3mm,厚散射箔后,就能产生治疗用的电子线。

此外,医用电子直线器还必须有完备的联锁保护装置,主要监视剂量率稳定度、高剂量率、均整度、同步、能量选择及重要部件的电流、水流、真空及氟里昂压力等,其中任一保护不能通过,加速器都将中止出束。这一方面是保障病人及工作人员的安全,另一方面也是保证加速器安全稳定地工作。

3 安装调试

由于医用加速器结构的复杂性以及高能射线对人体的伤害性,其机房设计和机器安装高度与其它医疗设备相比要求更高。

3.1 安装前准备

首先要设计建设加速器的机房。设计必须请专业设计公司,设计时首先要考虑上下、左右、前后的射线保护,除此而外,还要考虑机器的进出通道、电缆沟的走向与射线防护、通风口及通风管道的铺设、地线的铺设、冷却水管的铺设等。冷却水管应与电缆分隔,冷水供应可采用冷却水机组、自来水和蓄水池三种方式。辅助机房要考虑病人和操作人员进出方便,一般应使操作人员与病人分离。施工时要与施工方时常沟通和监督,主要包括水泥钢筋的标号、防护墙的厚度、预留沟道的走向及防护,机座的位置与调试等。由于加速器的治疗床必须旋转,其安装要放置在一圆坑上,其半径、高度与机座的定位要根据机器的要求预置,可将旋转底座的钢圈预埋入水泥坑中。在顶面施工时,要根据机器安装要求预埋入机器的安装吊钩。要求承重10吨以上,必要时可相邻预置两只。

其次是准备安装工具。准备的工具包括:吊葫芦、千斤顶、足量的方木、拉绳及钢丝绳等,由于机器从机房外进入机房需要在地面滚动,所以要准备足够的钢管,此外还需平整进出通道路面。

3.2 机械安装

开箱前必须检查外包装是否破损,开箱后检查零部件是否完好,备附件是否齐全等。另外,加速管和速调管的高真空(10-7pa)只有在工厂才能建立,平时机器工作时用离子泵来维持,运输时采用蓄电池加高压逆变器的方式给离子泵供电,开箱时必须检查此供电方式是否正常工作,离子泵电流是否维持在低电流(<10uA)-高真空变差时离

子泵电流很大(可达几百毫安),同时离子泵本身发热。我们在安装时曾发现一转手加速器在运输中蓄电池未与离子泵连接上,由于运输时间长达两个月以上,安装后发现离子泵电源电流很大,真空变差,后来采用离子泵间隙式加电的方法花了三天时间才重新建立高真空,当然此法对真空丢失严重的情况不奏效。

安装时先固定机架,它是整个安装的基础。有几个关键的地方:一是把机架从运输箱中移动到机座的固定孔上,可用钢管垫底,多人拉动的方法;二是机头的向上旋转到位,因为运输过程中一般是撤下与机头相对应的配重,把机头旋转向下固定在运输机座上,因此在固定机架后,要用吊葫芦把机头慢慢向上旋转到位,此时由于机头没有配重,所以要特别注意安全。机头旋转到位后(1800位置),马上固定限制机头转动的插销,此后,用千斤顶把配重块顶起后固定在机架的下端,此时,整个机架才平衡。

机架安装到位后,根据其位置调整治疗床的机座位置(只能微调),安装并调整治疗床。治疗床的安装调试涉及等中心、旋转中心、源皮距等技术指标,必须逐项调试以满足要求。

辅助机柜的安装:速调管外置型的医用加速器要根据波导管的走向、距离以确定速调管机柜的位置,调制器机柜紧靠速调管机柜配置,速调管的恒温水管要注意与调制器高压隔离。我们在安装中曾发现水管颤动引起高压打火的故障。速调管安装时要检查其外观是否破损、歪斜,曾遇一台速调管的管嘴立柱歪斜,后经调试可用,但微波功率有限,机器不稳定;安装后通电时要检查离子泵真空电流是否符合要求。

稳压配电柜应以机器要求为准,一般要求在50kW以上,放置位置应在加速器主机房外、操作控制机房的相邻房间。

3.3 电缆连接与通电

机械安装到位后才能连接电缆,主要电缆在控制台与机架之间,因此要通过预留的电缆沟放置电缆。配电电缆应采用三相五线制方式,配电电缆应与控制电缆适当分离。
通电前先测量各部分负载电阻,并用高压摇表测试主机负载的绝缘度,通电时采用分部件分别通电的方式。通电时必须两人以上配合,一人在机房内观察情况,遇到短路现象马上发出断电信号;另一人在配电柜,随时准备切断电源。
通电后测试各部件的主要功能情况,如机架旋转、治疗床运动等,同时测试检查电子枪与速调管的真空电流以确定真空度。检查恒温水循环系统工作情况:是否漏水,压力、水温是否符合要求等。其后是根据各部分的功能分别调试电路,必要时修复损坏的电路,特别对于转手加速器,由于不知道其以前的工作状况,往往要通过维修电路板解决大量故障。

3.4 调试验收

安装工程的最后是大量的调试工作,这也是安装质量的关键。这一步必须与放射物理师紧密配合,调试机器的机械精度、射线质量,甚至包括放射防护,直至每一项参数达到临床使用的要求。最后配合使用单位完成相关单位的验收。

4 质量保证及调试方法

质量保证贯穿医用加速器安装、运行、日常维护、维修过程的始终,一般来说由放射物理师提出要求,维修工程师调试甚至改进以满足要求。但维修工程师必须清楚与维修调试有关的质量指标,主要有以下维修性指标[3][4]。

4.1机械稳定性

(1)机械等中心:医用电子直线加速器的机械等中心是旋转机架的旋转轴(大机头)、限束装置(小机头)的旋转轴、治疗床的旋转轴三轴的公共交点。等中心点是治疗时病灶的位置,也是调整激光定位灯的基本依据。对一般放射治疗的加速器,要求在旋转机架和限束装置3600旋转过程中,等中心点的偏差不超过土2mm,治疗床在900-00-2700转动过程中,等中心点的偏差不越过土2mm。

(2)机架旋转速度及稳定性:要求转速稳定,最大速度转动时,机架转动3600时所需时间应在60s左右,同时正反时针转动一周时所用的时间相差不超过10%。

(3)光野指示灯的度:这是为了保证光野与照射野的完全重合,即用光野指标灯的照射野与实际照射野的一致。确定光野指标灯精度一般用照片法,要求光野和实际照射野各边的偏差不超过土2mm。

(4)机架/准直器角度指示器:指示器指示值与实际测量值不超过10%。

(5)激光定位灯的精度:作等中心照射的摆位都依赖激光定位灯,它们分别安装在机房的屋顶、侧墙和床的纵轴方向的墙上,它们在等中心的交点应在r=lmm的球面内,而且水平垂直线方位应准确无误。

4.2 剂量(能量)的稳定性

(1)能量:一般都用标准三维水箱(30×30×30cm)进行测定。
对X射线束,一般要指明能谱中的最大能量(即打靶时入射的电子束能量)。但是在临床上一般用穿透性即水中的半峰值深度所对应的MeV数来表示X射线的标称能量。对选定的标称能量(如Mevatron 77的15MeVX射线),其穿透性的值与给定值之差必须在土3%以内。对电子射线,水箱表面实测电子束入射能量与标称能量之差AE应符合要求:

(2)吸收剂量:在正常治疗距离处,监测剂量仪预选值与吸收剂量测量值的相对偏差不得超过±2%。

(3)剂量率:剂量率稳定性在国外进口的机器上要求较高,因为它直接影响着放射治疗的质量,而国产机器的这方面要求不太严格。如西门子Mevatron系列电子直线加速器其剂量率一般能稳定在300MU/min(1MU=1cCy),误差最大不超过±20%,否则出现剂量率连锁(DOSERATE),因此,维修进口加速器需在稳定剂量率方面花费大量精力。

(4)重复性:吸收剂量值的重复性误差应不超过0.5%。

(5)稳定度:X射线束吸收剂量的短期稳定度、一天稳定度和一周稳定度均应优于土2%,而对电子束应分别优于±2%、±3%、±4%。

4.3 安全防护

(1)超剂量照射:医用加速器必须装备两道独立的剂量监测系统,次级监测系统必须在超过吸收剂量预选值不大于15%或不超过0.4CY时终止照射。在吸收剂量率超出规定最大值不大于二倍时必
须联锁终止辐照(即高剂量率连锁)。
(2)有用线束内杂散辐射限制:电子束治疗时,X射线份额不得超过10%(<15MeV)或5%(15-35MeV);X射线治疗时,在最大照射野下,中心轴表面吸收剂量不超过最大吸收量的50%(15-35MeV)。
(3)漏射线限制:在正常治疗距离上,垂直于用线束中心轴并以轴为圆心,半径为2m的圆平面上漏射线不得超过有用线束中心轴吸收剂量的0.2%(最大)和0.1%(平均);对中子泄漏,以上两个数值分别是0.05%(最大)和0.02%(平均)。
(4)所有急停开关、连锁保护应有效。
(5)射野楔形板、电子限光筒开关锁和门连锁、视听监视应有效。
此外,治疗室的选址和设计建造有特殊要求(GB4792),通风换气次数应达到每小时3~4次。

5 维修保障

医用加速器涉及物理、电子、供水、真空等多学科,其维修保障与其它医疗设备相比有其特殊性,也有其同共性。

5.1 脉冲调制器和速调管

脉冲调制器是将工作电源(感应交流电源)调制成频率、幅值、宽度、波形能达到要求的脉冲电压,以满足速调管放大微波功率的需要。脉冲调制器部分的特点是高功率、高电压、大电流。其基本参数有:脉冲宽度、脉冲功率、平均功率、重复频率、负载阻抗和脉冲幅度稳定度等。

这部分的主要问题在于闸流管的老化和高压绝缘问题。老化时体现为脉冲高压幅度不够或关断不彻底,造成微波功率不足,解决方法是购买闸流管更换,现在已可用廉价的国产闸流管代用。其次要经常检查这部分的水路,防止泄漏以免引起高压打火。

微波输送波导要经常检查气压(一般采用氟里昂或SP6气体)。气压不足时易引起微波打火。

5.2 加速管系统和水循环系统

加速管系统的作用是将电子枪发射的低速电子加速到接近光速,其关键性能决定于电子枪发射电子的能力、加速管恒温保持能力等。恒温是由恒温水循环系统来保持的(温度约1000F左右),由此常带来水泄漏问题,转手加速器更为严重一些。我院西门子Mevatron77加速管多次发生从加速管出束口漏水的问题,我们想了很多种办法堵漏,但一段时间后(约3-12个月)又会漏水,最后只好更换加速管。由于漏水引起的故障还很多,如靶漏水引起电离室损坏等,因此应经常检查循环水系统,更换老化水管以防止引起更多故障。

5.3 剂量控制系统

剂量控制系统是稳定剂量率、控制射线能量、对称度、平坦度等指标,在加速器中起到重要作用。首先应与放射物理师一起确定射线的各项指标满足要求,还应每周检查校准,这就需要工程师根据机器状况经常调节。由于机器的老化和参数变化等原因,也需经常调整一些参数,如西门子Mevatron77加速器经常调整的参数有:PFNE(脉冲高压)、PRF(脉冲重复频率)、INJE(电子枪高压)和INJI(电子枪电流)。

5.4其它辅助系统

治疗床主要在于保障其旋转精度,由于其经常运动,一些运动件中电机、传动链条等属易损件。外部冷却机组由于其处于24小时运行状态,也易发生故障,故障时可用自来水和水箱供水暂时代用,修复后应及时投入使用。联锁系统检测机器的各种部件良好状况,发现联锁时应检查修复相应部件的故障,不能随便短接联锁。数码显示系统一般故障率较低。

5.5能量的改进

我们曾遇到一台转手西门子Mevatron 77加速器,原设计使用的是20MeVX线,使用方要求改成10MeVX线以适应中国人体型的特点。我们请教了专家,在分析研究其结构特点的基础上,最终改进成功。方法如下:
(1)先从西门子公司选用于10MeV X线的均整块;
(2)计算修改偏转磁铁供电电流。因为加速管加速后的电子处于一个宽能量带上,由2700消色差偏转系统选择其中满足能量要求的电子打靶产生X线,因此,减少偏转磁铁电流可以获得更小能量的X线;
(3)更换均整块;
(4)修改联锁部分电路;
(5)测试能量,反复调整偏转磁铁电流以满足要求,之后测试调整对称度、均整度等技术指标。

6 国内加速器维修方面进展

现在国内使用的医用加速器不外三种类型:一是国内新装机,如北京医用加速器厂生产的BJ-6B系列,特点是价格便宜、性能可靠;二是国外机,如Varian、西门子和PHILIPS等公司生产的新式数码机,特点是机型缩小、计算机控制、机器稳定;三是国外已使用过的转手加速器,特点是价格便宜、性能稳定。
随着国内医用加速器的增多,也培养造就了一大批维修技术人员,国内同行从零开始,由浅人深,已逐步掌握了医用加速器的维修技术,大批技术论文常见诸于多种专业杂志。
这些文章表明国内医用加速器的维修保障已发展到了一定水平,一大批热爱事业的人才,具较高的技术水准,解决了一些重大的疑难故障。

7 总结与探讨

根据我们多年的综合维修保障经历及国内同行的经验,可以总结关于医用加速器综合维修保障的一些特点。

7.1 医用加速器是集水、电、气、真空、微波于一体的高科技治疗设备,结构复杂,这就要求维修保障必须是综合的、全方位的。加速器的综合维修保障能力也体现了一个医院维修团体的真实水平。

7.2 医用加速器具有高电压,高真空,高电流,微波辐射、射线照射的特点,这些特点要求维修人员具备严谨的专业素质、良好的敬业精神以及团结互助的团队精神。

7.3 医用加速器作为-种主要的治疗设备,质量保证十分重要,有关质量保证的技术参数必须认真对等,精心调试。不能随便短接一些重要联锁,特别是正在照射中的故障必须先移出病人再进行处理。
同时,我们也发现一些值得探讨的问题:

一是高真空的问题。我们曾为一失去真空的加速管连续工作近两个月,失败14次,想过种种办法,使用过多种设备,最后均无法重建高真空,只好更换此加速管。由此想到,若能与有条件的厂家合作,以低廉的价格重建高真空,则对医用加速器综合维修保障来说无疑是一大进步。

二是关键部件的替换问题。目前,国内对国外加速器的个别关键部件已有生产能力,但对如加速管、速调管等高科技部件则显得无能为力,国内厂家应加强这方面的研究。

三是国内维修人员本来很少,应加强联系,互相交流。相关院校可在人才培养和专业书籍编写方面发挥自己独到的作用。

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