Lunar iDXA 雙能X線骨密度儀的工作原理和維修兩例

張影，從中華

首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京佑安醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程中心，北京 100068

Lunar iDXA 雙能X線骨密度儀的工作原理和維修兩例

張影，從中華

首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京佑安醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程中心，北京 100068

本文介紹了GE Lunar iDXA 雙能X線骨密度儀的測試原理和系統(tǒng)構(gòu)成，通過對兩例掃描故障進(jìn)行分析、判讀與排除，保證了設(shè)備的正常使用，為同類設(shè)備或出現(xiàn)類似故障的設(shè)備維修提供參考。

骨密度儀；雙能X線；故障維修；編碼器；故障維修

0 前言

骨質(zhì)疏松癥是一種全身性代謝性骨病，目前骨質(zhì)疏松的治療大部分是通過藥物改善癥狀，尚未研究出療效確切的方法，因此對骨質(zhì)疏松的早期診斷及預(yù)防非常重要[1]。骨密度（Bone Mineral Density, BMD）指骨單位面積所含的骨礦物量，是反映人體骨骼代謝狀況的一項(xiàng)重要指標(biāo)，用于分析人體骨量變化情況，反映骨質(zhì)疏松程度，是預(yù)測骨折危險(xiǎn)性的重要依據(jù)。目前骨密度測定儀主要有光子吸收法、定量超聲法、X線吸收法（單能X線和雙能X線）和定量CT 測定法，不同類型的方法在原理和技術(shù)特點(diǎn)等方面也存在著較大的差異，其中雙能X線骨密度儀（Dual X-ray Absorbtiometry, DXA）是目前公認(rèn)的診斷骨質(zhì)疏松的金標(biāo)準(zhǔn)。

美國GE Lunar iDXA對X線球管提供恒定電壓100 kV，針對不同的掃描部位，預(yù)設(shè)了3種用戶不可調(diào)管電流，分別為0.188、0.625和2.5 mA。雙能X線（44 keV和72keV）由釤制K邊緣濾線柵產(chǎn)生。采用的是碲鋅鎘（CdZnTe/CdTe 或CZT）晶體探測器。X 線穿透人體骨組織，不同的骨礦物質(zhì)對X 線吸收量不同，所以X線衰減也不同，將穿透骨組織的X 線強(qiáng)度通過探測器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為骨礦物質(zhì)含量數(shù)值。由于測量中使用了兩種不同能量的X線，故可以獲得兩種線性衰減值，從而基本消除了脂肪與肌肉對測定的干擾?？梢詼y定腰椎、股骨近端、橈骨遠(yuǎn)端等多處的BMD。

1 Lunar iDXA 雙能X線骨密度儀的測試原理和系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 Lunar iDXA 雙能X線骨密度儀的測試原理

普通的X 射線是連續(xù)的泛能譜, 其在穿透人體身體時,骨骼和軟組織會分別對低能譜(多采用35～50 keV 能譜段)和高能譜(多采用80～120 keV 附近能譜段) 的X線產(chǎn)生不同的吸收作用（圖1）。

圖1 骨和軟組織的能量衰減圖

Lunar iDXA 雙能X線骨密度儀采用X球管產(chǎn)生X射線,并采用K邊緣濾過技術(shù)產(chǎn)生雙能X 線（有些雙能X線骨密度儀采用開關(guān)脈沖技術(shù)），測量它們通過骨骼（B）和軟組織（S）的吸收率，通過能量減影的方法消除軟組織對骨密度測量的影響[2-3]。在低能量時，骨骼的衰減比軟組織的衰減程度要大，因此，可區(qū)分兩種組織：骨骼（羥基磷灰石）和軟組織。在高能量時，骨骼衰減和軟組織的衰減程度是相當(dāng)?shù)?。將兩種不同能量的X射線對相同位置的人體進(jìn)行投影。穿過骨骼和軟組織后，根據(jù)比爾一朗伯定律列出X線強(qiáng)度的下列方程組：

式中，μ：人體物質(zhì)對X射線的等效質(zhì)量衰減系數(shù)；M：人體物質(zhì)的面密度（g/cm2）；Ii、Io：分別為 X 射線的入射和出射強(qiáng)度；H、L：高、低能量 X 射線的下標(biāo)；B、S：表示骨骼和軟組織的下標(biāo)。

對某一測點(diǎn)(X0，Y0)，測得經(jīng)該點(diǎn)衰減后的IHo、ILo即可聯(lián)立方程式求解，消去軟組織MS后，即求得該點(diǎn)的骨密度MB(X0，Y0)。從而迅速無損地測出所測部位骨骼的骨密度值。

1.2 Lunar iDXA 雙能X線骨密度儀的系統(tǒng)構(gòu)成

Lunar iDXA 雙能X線骨密度測量系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。硬件系統(tǒng)主要包括X 線球管及高壓發(fā)生器、準(zhǔn)直器、X 線探測器、掃描及驅(qū)動控制部分、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及檢查床（圖2）；軟件包括計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件控制、圖像處理及報(bào)告等部分。Lunar iDXA 產(chǎn)生的泛能譜X線經(jīng)過釤制K 緣濾過器將多能量的X 線光束分成高能量成分與低能量成分（44 keV和72 keV），CZT探測器分別記錄下這兩種不同X 線光子能量，DCB控制板對高能、低能 X 射線進(jìn)行甄別與計(jì)數(shù)，通過數(shù)據(jù)傳送器將數(shù)據(jù)送中央計(jì)算機(jī)處理。計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件主要負(fù)責(zé)由探頭部分采集到的數(shù)據(jù)經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)處理，包括完成掃描后成像、測量校準(zhǔn)，結(jié)果分析及信息維護(hù)等功能。

圖2 Lunar iDXA雙能 X 線骨密度儀硬件示意圖

2 Lunar iDXA 雙能X線骨密度儀的故障維修兩例

2.1 故障一

2.1.1 故障現(xiàn)象

掃描過程中，發(fā)生過一次“咔嗒”聲后，掃描臂經(jīng)常發(fā)生卡住情況，大約1周后掃描臂徹底卡死，不能移動。

2.1.2 故障分析及處理

從enCORE軟件主屏幕上選擇Option（F6），再選擇Error log查看，發(fā)現(xiàn)里面有多項(xiàng)“縱向運(yùn)動失敗，檢測不到運(yùn)動。詳細(xì)描述（XMS I/O Port Command）”的錯誤日志。在掃描臂控制面板上，按下向上、向下、向左和向右四個方向的運(yùn)動按鈕，測試縱向兩側(cè)和橫向兩側(cè)運(yùn)動，發(fā)現(xiàn)掃描臂無法完成縱向兩側(cè)運(yùn)動，而橫向兩側(cè)運(yùn)動正常。初步判斷縱向運(yùn)動機(jī)構(gòu)出現(xiàn)了問題。

掃描臂與X線球管裝置聯(lián)動機(jī)械運(yùn)動框圖，見圖3。掃描臂與X線球管裝置一起構(gòu)成聯(lián)動裝置，在XMS控制下，完成橫向（X方向）和縱向（Y方向）上相互垂直導(dǎo)軌上的運(yùn)動，橫向和縱向傳動機(jī)構(gòu)是分別獨(dú)立存在的，在這兩個方向上運(yùn)動的最大行程由限位開關(guān)控制，從而起到行程保護(hù)作用，以防止誤操作或其他原因致使運(yùn)動到極限位置。XMS輸出48 VDC供電給電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動皮帶輪轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動傳遞到機(jī)械結(jié)構(gòu)，帶動與電機(jī)同軸的編碼器一同旋轉(zhuǎn)。從而完成掃描臂與X線球管裝置聯(lián)動運(yùn)動。

根據(jù)這一故障現(xiàn)象，分析出現(xiàn)問題的地方可能是：①控制電路有元器件損壞，不能控制運(yùn)動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動；② 電機(jī)燒壞，不能轉(zhuǎn)動；③ 皮帶輪、皮帶及機(jī)械結(jié)構(gòu)有松動情況，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)動無法傳遞下去；④ 編碼器損壞，無法檢測電機(jī)運(yùn)動位移及計(jì)數(shù)，從而無法產(chǎn)生電機(jī)控制電路的反饋信號。按照由簡單到復(fù)雜的檢查程序，首先關(guān)閉電源，檢查傳送皮帶及皮帶輪轉(zhuǎn)動阻力是否正常，沒有發(fā)現(xiàn)異常阻力增大情況。通電，檢測電機(jī)電源是否加上，萬用表直流檔檢測，有48 VDC，初步認(rèn)為直流電機(jī)正常，應(yīng)重點(diǎn)排查編碼器。

許多電機(jī)都需要配備編碼器以完成機(jī)械運(yùn)動狀態(tài)的測量，二者聯(lián)合應(yīng)用在大型設(shè)備中比較常見，并且最易出現(xiàn)故障的結(jié)構(gòu)是編碼器。查閱相關(guān)資料，得知：本編碼器是光電編碼器，它是一種檢測機(jī)械運(yùn)動位移的傳感器，由光柵盤和光電檢測裝置組成等分的若干個長方形孔的光電碼盤，與電動機(jī)同軸。當(dāng)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機(jī)同步旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管、光敏管等電子元件組成的檢測裝置輸出兩組近似正弦的電信號，經(jīng)放大整形后變成兩組相位相差90°的方波，根據(jù)A，B之間的相位關(guān)系即通過鑒相可確定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。找到編碼器，發(fā)現(xiàn)其下方有些許細(xì)小黑色粉末。用示波器不能檢測到編碼器的兩項(xiàng)方波信號輸出。用內(nèi)六角扳手拆卸下該編碼器，底下出現(xiàn)了更多的黑色粉末，判斷編碼器內(nèi)部的光柵盤或類似結(jié)構(gòu)分解所致，更換同型號新編碼器，故障排除。

圖3 掃描臂與X線球管裝置聯(lián)動機(jī)械運(yùn)動系統(tǒng)框圖

2.2 故障二

2.2.1 故障現(xiàn)象

操作人員反映骨密度儀有時在掃描過程中突然中止，退出掃描程序。

2.2.2 故障分析及處理

類似情況發(fā)生過幾次，在掃描中止后，重新對患者進(jìn)行了掃描，當(dāng)時并沒有再次出現(xiàn)自動中止掃描退出程序的情況。經(jīng)過仔細(xì)詢問操作人員，得知在發(fā)生這種情況時安裝有enCORE軟件的計(jì)算機(jī)上收到過來自醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)的通知。后來操作人員發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行一次掃描時，他同時打開了Microsoft Office辦公軟件進(jìn)行文字處理，也發(fā)生了掃描停止自動退出掃描程序的情況。結(jié)合這幾次情況判斷：若要保證Lunar iDXA 雙能X線骨密度儀正常執(zhí)行掃描程序，則在計(jì)算機(jī)Windows XP操作系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，要盡量保證enCORE軟件唯一運(yùn)行。本臺計(jì)算機(jī)被我院網(wǎng)絡(luò)中心分配了一個172.16.13.2的IP地址，在網(wǎng)絡(luò)連接里進(jìn)行了Internet 屬性TCP/IP協(xié)議設(shè)置，并在本機(jī)上安裝了SetupCli(61800)客戶端應(yīng)用程序，從而可以自動接收來自院內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)通知。從本機(jī)上卸載了SetupCli(61800)客戶端應(yīng)用程序，使其不再接收院內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通知。并且告知操作人員在進(jìn)行患者掃描時要保證enCORE軟件唯一打開運(yùn)行。與GE廠家工程師交流此問題時，得到反饋：他們的工程師在進(jìn)行安裝過程中，通過enCORE軟件對掃描儀部分進(jìn)行Primary Calibration時，由于時間較長，結(jié)果屏幕保護(hù)程序啟動，造成校準(zhǔn)程序進(jìn)行到一半就自動退出，工程師進(jìn)行了多次Primary Calibration嘗試，都未能成功，從而導(dǎo)致安裝無法進(jìn)行下去。后來經(jīng)過技術(shù)支持人員提供支持，關(guān)閉屏幕保護(hù)程序，才繼續(xù)完成了安裝。目前廠家尚沒有針對這一情況的補(bǔ)丁程序。

3 小結(jié)

Lunar iDXA 雙能X線骨密度儀采用了最新的64位CZT晶體探測器技術(shù)，交叉錯位排列，它對探測到的光子直接轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電荷。該機(jī)全身骨密度精度＜0.6%，掃描速度約10 s；放射劑量低，可以對單側(cè)、雙側(cè)股骨、正位、側(cè)位脊柱、前臂、全身進(jìn)行成像，可以進(jìn)行脊柱、股骨髖骨等骨部位的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度分析，評價(jià)骨折風(fēng)險(xiǎn)以及骨量變化；可以測量和計(jì)算全身脂肪、肌肉組織和骨組織，進(jìn)行人體成分測量分析；進(jìn)行臀腹脂肪評估，可有效評估向心性肥胖，預(yù)測糖尿病及冠心病的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)，擴(kuò)展了臨床或科研應(yīng)用。

Lunar iDXA 雙能X線骨密度儀是一種精密、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型醫(yī)療設(shè)備，含有多個系統(tǒng)構(gòu)件。一定要熟悉機(jī)器的結(jié)構(gòu)、原理。充分利用機(jī)器的報(bào)錯信息[4-5]，出現(xiàn)故障時結(jié)合報(bào)錯提示，能較好地判斷故障原因、排除故障，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

[1] 高敏．骨密度儀的應(yīng)用進(jìn)展[J]．中國醫(yī)藥導(dǎo)刊,2011,(3):379-381．

[2] 肖建強(qiáng),王慧．雙能X線吸收法骨密度儀測試原理淺析[J]．上海生物醫(yī)學(xué)工程,2001,2(4):48-49．

[3] 王慧．NORLAND骨密度儀X射線源維修[J]．中國醫(yī)療設(shè)備, 2014,29(2):138-140．

[4] 蘇根元,王萍萍,于小晶． GE light speed 16排螺旋CT常見故障的維修和體會[J]．中國醫(yī)學(xué)裝備,2011,9(8):77-79．

[5] 楊瑞,孟慶樂,曹艷,等．SPECT/CT檢查床常見故障分析及維修[J]．生物醫(yī)學(xué)工程與臨床,2014,18(4):388-389．

Working Principle of Lunar iDXA Dual X-ray Absorbtiometry and Two Maintenance Cases

ZHANG Ying, CONG Zhong-hua
Medical Engineering Center, Beijing YouAn Hospital, Capital Medical University, Beijing 100068, China

TH774

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.02.048

1674-1633(2015)02-0151-03

2014-11-11

作者郵箱：pengzhangying@sina．com