GE Signa HDxt 1.5T 核磁共振梯度系统故障排除引言核磁共振中的梯度系统用于进行空间定位,由X、Y、Z三个梯度线圈分别产生三个轴向的梯度磁场叠加在主磁场上,由此使成像区域内各处的磁场强度各不相同,决定层面位置,实现磁场的空间位置编码,并且在扫描过程中可以快速改变磁场的方向与强度,迅速完成三维编码[1]。梯度线圈的线性是衡量梯度场平稳性的指标。线性越好,表明梯度场越精确,图像的质量就越好,如果梯度场的线性不佳,图像的边沿上可能产生空间和强度的畸变[2]。 梯度放大器负责给梯度线圈供电,使得梯度线圈在成像空间产生一个线性变化的梯度磁场,故梯度放大器单元是核磁共振设备的核心部件之一[3]。为获得高质量的图像,要求梯度放大器能对电感负载(梯度线圈)提供精度高、变化快的电流脉冲,其典型输出波形为梯形[4]。梯度放大器的控制系统通过调节开关器件(IGBT-Insulated Gate Bipolar Transistor)的占空比,来改变输出电压[5]。 1 GE Signa HDxt 1.5T MR梯度系统的工作原理如图1所示,GE公司的Signa HDxt核磁共振的梯度系统主要包含:梯度数据的产生和数据的传输部分(SRF/TRF板和STIF板);梯度系统处理器(GIP/GAP/GP);X、Y和Z轴三个梯度放大器(Amp)和一个梯度电源(Power Supply);滤波器(Filter);梯度线圈(Gradient coils)[6]。 图1 GE Signa HDxt 1.5T MR梯度系统的工作原理 1.1 梯度系统正常的状态灯GE signa HDxt 1.5T MR的梯度系统,在梯度电源控制板和梯度放大器控制板上提供了很多状态指示灯,可以非常明确地指示梯度电源和梯度放大器的故障状态,根据厂家提供的维修手册,可以很明确地知道每个状态灯所指示的含义。正常状态下,梯度电源控制板会亮“FREQ”“GD”“LEFT FF”“RIGHT FF”和“ENABLE”五个灯,梯度放大器控制板只有“GATDR”一个灯亮,如出现其他状态灯点亮的情况,则表明可能有故障发生[7]。 1.2 状态灯指示的含义1.2.1 梯度放大器状态灯 梯度放大器常见的故障,一般会导致三个指示灯点亮(桔黄色)[8]。 (1)“UV”表示梯度放大器供电电压过低,也就是梯度放大器输出电压低于正常值或者没有输出; (2)“OV”表示梯度放大器供电电压过高,也就是梯度放大器输出电压高于正常值; (3)“CUV”表示梯度放大器的门控驱动板控制电压低。 1.2.2 梯度电源状态灯(X,Y,Z分别代表三个梯度轴向的输出)[9]。 梯度电源常见的故障,一般会导致相应的指示灯点亮,如表1所示。 表1 梯度电源故障灯 故障灯(桔黄色) 故障灯解释“ISECX”“ISECY”“ISECZ”梯度放大器拉低了梯度电源的输出电流“IPXOC”“IPYOC”“IPZOC” 梯度电源变压器前级短路“IPXOC”“ISYOC”“ISZOC” 梯度电源变压器次级短路“OVX”“OVY”“OVZ” 梯度电源变压器次级短路“UVX”“UVY”“UVZ” 梯度电源输出欠压“PSWF” 梯度电源控制板控制电压低 2 梯度系统常见故障两例2.1 故障一2.1.1 故障现象 系统无法扫描,提示梯度系统没有准备好,错误日志中提示“The GP report SGA Power Supply Internal Wiring Faults or Control Under voltages”,意为:梯度处理器报告梯度电源内部线路故障或者控制电压低[10]。 2.1.2 故障分析 根据错误日志提示的内容,观察梯度电源控制板和梯度放大器控制板的状态指示灯,发现Z轴放大器控制板上“CUV”灯亮,对应手册中的解释,表明梯度放大器门控驱动板的控制电压低,同时X轴,Y轴和Z轴梯度放大器控制板上“UV”灯都亮,表明梯度电源的供电电压低于正常值或没有供电输出。 梯度电源控制板上“ISECZ”灯亮,对应手册中的解释“They will light up when the Gradient Amplifier for that axis pulls current from the power supply”,表明梯度电源检测到Z轴梯度放大器拉低了电源的输出电压,可能Z轴梯度放大器存在过流的情况。 2.1.3 故障解决 查Z轴梯度放大器门控驱动板,发现一个贴片钽电容(型号35V 22UF)和一个贴片二极管(型号ED 2C)击穿,更换同型号元件,开机测试,“CUV”故障灯灭,故障消除。 查Z轴梯度放大器内部线路,拆除上面的电容板,使用万用表二极管档检测,如图2所示,②脚对①脚和①脚对③脚有短路的情况,更换同型号IGBT,“UV”故障灯灭,故障消除。 图2 FF300R12KS4型IGBT内部电路 2.2 故障二2.2.1 故障现象 系统扫描功能正常,系统扫描无报错,但扫描时三平面图像和DWI ( Diffusion Weighted image ) 图像有重影[11],如图3,其他T1,T2等序列图像正常。 图3 重影故障图像 2.2.2 故障分析 首先分别测试体模式,头模式和多通道线圈扫描,该重影都存在,说明故障不是由线圈自身引起。 考虑该伪影出现在三平面和弥散序列,而这两个序列都属于梯度序列,梯度系统可能存在异常[12]。做系统梯度测试,测试结果报错“Gradient Driver Test-Static Test Failed on the Z Axis”,意为Z轴梯度静态测试失败,说明Z轴梯度放大器可能存在问题[13]。 交换Z和Y轴梯度放大器上的控制板,再做测试,系统报错变为Y轴,说明问题出现在Z轴梯度放大器的控制板上[14]。取下控制板,仔细观察发现该电路板上的一个35 V 1000 uf的电解电容顶部微鼓,用万用表电容档测量后确认其损坏。 2.2.3 故障解决 更换同型号的电容后,做梯度测试正常,扫描图像三平面和DWI图像重影消失。 3 总结分析根据日常工作经验,总结得出以下维修方法。 3.1 三个轴梯度放大器只亮“GATDR”灯和“UV”灯该现象表示X,Y和Z轴梯度放大器同时检测到梯度电源无电压供给,梯度电源停止了对X,Y,Z三个梯度放大器的电压输出,通常三个梯度放大器控制板会同时亮“UV”灯。这时,需要同时观察梯度电源的控制板是否有“ISEC”或者“ISOC”灯点亮[15]。 如没有“ISEC”或者“ISOC”灯点亮,说明梯度放大器没有过流的情况发生,故障点在梯度电源,通常是梯度电源的整流桥堆短路。梯度电源分别有X,Y和Z三路一模一样的电源输出,每一路电源输出有四个桥堆,型号是IXYS DSEI 2X61-12B[16]。 如有“ISEC”或者“ISOC”灯点亮,说明对应的X,Y或者Z轴的梯度放大器肯定有短路,通常是IGBT短路(已在本文2.1中叙述)或者母线排上的方形电容短路,梯度放大器作为梯度电源的负载,如果出现短路故障,很可能会烧毁梯度电源,所以存在梯度放大器和梯度电源同时故障的情况,要同时检测梯度放大器的IGBT或电容和梯度电源的整流桥堆是否有短路[17]。 3.2 梯度放大器只亮“GATDR”灯和“OV”该现象表示梯度放大器检测到梯度电源输出电压过高,因为母线排下方的375 V,3900 UF的电解电容泄露电解液,导致输入端分压电路的电阻值发生改变,从而分压比发生改变,导致OV[18]。 3.3 梯度放大器只亮“GATDR”灯和“CUV”“CUV”表示梯度放大器门控驱动板的控制电压低,原因有两个:① 门控驱动板的控制回路短路(钽电容或二极管短路,已在本文2.1节中叙述);② IGBT的控制端短路,导致控制电压低(IGBT控制端正常是开路状态,阻抗无限大)。门控驱动板原装钽电容型号是CN22-35L,可以使用226V 125K2代替[19],二极管型号是ED 2C,可以使用4148代替[20]。 [1]俎栋林,高家红.核磁共振成像的物理原理和方法[M].北京:北京大学出版社,2014. [2]汤黎明,戚仕涛.超导磁共振成像关键技术发展与设备选型对比分析[J].医疗卫生装备,2010,31(9):3-5. [3](英)凯瑟琳·韦斯特布鲁克,(英)卡罗琳.实用磁共振成像技术第四版[M].天津:天津科技翻译出版有限公司,2018. [4]杨正汉,王霄英.磁共振成像技术指南[M].北京:人民军医出版社,2010. [5]张训.磁共振梯度电源系统设计[J].贵阳学院学报(自然科学版),2014,(1):54-56. [6]GE医疗系统集团磁共振产品部.HDxt 1.5T MR极限成像技术[J].中国医疗设备,2008,23(7):162-163. [7]魏本正,周建峰,郭淑宁.GE Signa Excite 1.5T核磁共振梯度放大器故障维修一例[J].医用放射技术杂志,2007,(1):11. [8]沙琳,赵一平.磁共振伪影与假象[M].北京:科学出版社,2019. [9]张毅,苏根元,贾卫伟.GE 1.5T Signa HD磁共振梯度故障实例分析[J].中国医学装备,2012,(9):88-90. [10]美国GE公司Signa HDxt 1.5T MR维修手册[Z]. [11]张中伟.磁共振中的伪影(五)硬件相关伪影—梯度磁场相关伪影[J].影像诊断与介入放射学,2018,27(6):489-491. [12]施洪亮.许劲.崔彬.磁共振成像系统中梯度放大器前级电源的非线性控制[J].清华大学学报(自然科学版),2016,56(3):306-311. [13]吴漾.核磁共振成像系统中的梯度放大器研究[D].成都:西南交通大学,2016. [14]刘克成.磁共振梯度系统及发展趋势[J].世界医疗器械,2007,(10):10-11. [15]韩鸿宾.磁共振成像设备技术学[M].北京:北京大学医学出版社有限公司,2016. [16]王秋良.磁共振成像系统的电磁理论与构造方法[M].北京:科学出版社,2018. [17]万军平.杨建辉.洪伟.核磁共振梯度功放故障检修1例[J].医疗卫生装备,2011,32(1):129. [18]姜春燕,王学莲.关于典型的核磁共振系统的故障维修及体会[J].健康大视野,2019,(13):196. [19]刘炳然.核磁共振系统典型故障维修及体会[J].中国医疗设备,2014,(4):146-147. [20]蒋秉梁,王晓堂.磁共振成像设备自主维修案例[J].中国医学装备,2016,13(4):141-142. Troubleshooting of GE Signa HDxt 1.5T NMR Gradient System |