組合球管式醫(yī)用X線機維修兩例

于乃群，王明剛，錢東燕，劉榮俊

1.杭州市蕭山區(qū)中醫(yī)院 設(shè)備科，浙江 杭州 311201；2.凱里市中醫(yī)醫(yī)院 設(shè)備科，貴州 凱里 556000

引言

組合球管式X線機具有體積小、移動靈活（如移動DR、C型臂X線機）、占用場地面積少、易于安裝、使用便捷（如口腔全景機、口腔DR等）、成像質(zhì)量好等優(yōu)點，在醫(yī)院的手術(shù)室、病房、口腔科等科室獲得了廣泛使用。組合球管就是把X光球管、高壓變壓器、高壓硅堆以及kV、mA取樣反饋電路等部件集中安裝在球管管套內(nèi)，由于其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，有效地減小了整機的體積。目前的組合球管式X線機絕大多數(shù)屬高頻X線機，組合球管與逆變器之間實行閉環(huán)反饋控制，維修時故障點的判斷難度較高；且組合球管內(nèi)安裝的零部件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、絕緣要求高，與非組合式球管相比，其發(fā)生故障的概率較高，維修難度和維修工藝要求較高。

1 案例一：C型臂X線機高壓整流二極管損壞

1.1 設(shè)備工作原理簡介

C型臂X線機是手術(shù)室常用的透視成像設(shè)備，特別是在骨科手術(shù)過程中廣泛使用。凱里市中醫(yī)醫(yī)院的上?？颠_醫(yī)療器械公司KD-C500型C型臂X線機，使用的是意大利IMD公司的逆變器和組合球管，其工作原理是：機器曝光時，逆變器產(chǎn)生的高頻電壓傳送到高壓變壓器初級，兩個參數(shù)完全相同的次級線圈產(chǎn)生的高壓經(jīng)倍壓整流后，得到直流正、負高壓，分別加到球管的陽極和陰極（燈絲），球管產(chǎn)生X線。X線透過病人的被投照部位—影像增強器成像—攝像機—圖像處理系統(tǒng)—圖像顯示器輸出病人的透視圖像[1-2]，此機器主要用于該院骨科的手術(shù)病人透視。

1.2 故障現(xiàn)象

在曝光過程中，機器的曝光狀態(tài)小顯示屏報“INVERTER FAULT”，圖像顯示器無圖像顯示，機器所有的按鍵處于失效狀態(tài)。關(guān)掉電源，重啟機器，選擇手動曝光模式后，把kV和mA值調(diào)到最低進行曝光，故障依舊。

1.3 故障檢查與分析

根據(jù)報錯信息“逆變器故障”，重點應(yīng)該檢查機器的逆變器，當(dāng)然，如果逆變器的負載部分，即高壓發(fā)生器和X光球管工作不正常，也可能造成逆變器異?；驌p壞，故逆變器的負載部分是否正常也在重點考慮范圍之內(nèi)。由于該C型臂X線機使用的是組合式X光球管，其故障檢查和維修工藝較復(fù)雜，本著先易后難的維修原則，首先檢查機器的逆變器部分是否真正存在故障[3-4]。

逆變器是用于驅(qū)動和控制組合式X光球管組件的裝置，由于該機未提供逆變器電路圖，只能根據(jù)逆變器電路板上的元器件型號、功能和布局，推導(dǎo)出逆變器的工作流程，進而判斷逆變器是否損壞。本機的逆變器共有兩塊驅(qū)動板，編號為S18和S19，計算機把曝光參數(shù)和曝光控制信號傳遞給它們，逆變器板產(chǎn)生固定的40 kHz的脈沖寬度調(diào)制信號，控制四個絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）模塊分兩組工作在開關(guān)狀態(tài)，即IGBT模塊Q1、Q4和Q2、Q3輪流導(dǎo)通，根據(jù)每次曝光設(shè)置的球管所需的kV值，輸出與之相對應(yīng)占空比的脈沖電壓，加到組合管頭組件里的高壓變壓器的初級，在次級的陽極線圈和陰極線圈上產(chǎn)生的交流高壓，通過倍壓整流，直流正、負高壓分別加到X光球管的陽極和陰極，作為球管產(chǎn)生X線的工作電壓。取樣電阻對高壓和管電流取樣，反饋給逆變器板，調(diào)整IGBT的輸出脈寬，形成一個閉環(huán)控制[5-8]。

根據(jù)印刷電路板上走線，以IGBT為核心，對IGBT驅(qū)動板（S18）做個大致的判斷：首先用電阻法和電壓法測量S18板上的給IGBT提供觸發(fā)信號的電源，變壓器T1、T2和T3及其整流濾波部分正常，驅(qū)動信號的4個隔離光耦OC1～4和震蕩電路LM7555未發(fā)現(xiàn)異常，用電阻法測量4個IGBT場效應(yīng)管也正常[9-11]。在踩下曝光腳開關(guān)的一瞬間，用數(shù)字萬用表在場效應(yīng)管的柵極可以測量到一個0.6 V左右的電壓信號，同時在高壓變壓器的初級，也就是IGBT的輸出端（引線標(biāo)號為X和Y）可以測量到一個16 V左右的電壓信號（數(shù)字萬用表的顯示值），詳見圖1，說明逆變器在曝光開始的一瞬間有驅(qū)動電壓輸出。由于現(xiàn)場無示波器，只能靠數(shù)字萬用表上十幾伏的電壓顯示，來判斷IGBT是否能導(dǎo)通和截止，大致判斷逆變器的好壞。

圖1 逆變器的IGBT工作原理圖

通過以上判斷，基本排除逆變器損壞，故障應(yīng)該出在組合球管部分，最大的可能是由于組合式球管里的某個零件故障引發(fā)逆變器保護。拆下管頭的保護罩，發(fā)現(xiàn)該組合球管是IMD公司生產(chǎn)的，在廠家開發(fā)文檔上查到的故障指示燈提示信息證明上述判斷是正確的。該開發(fā)文檔提示：機器在曝光狀態(tài)下，當(dāng)代表kV+和kV-反饋信號不平衡的kV信號高于預(yù)定值時，所有操作將被終止，同時LED Ld2將被點亮，見圖2。

圖2 故障燈LEDLd2點亮

1.4 故障維修

拆開組合球管，把變壓器油倒進干凈容器內(nèi)備用，取出高壓組件，測量高壓變壓器的初、次級線圈的電阻、正負高壓取樣電阻以及球管未發(fā)現(xiàn)異常。當(dāng)測量四組高壓硅堆（每組由9個高壓整流二極管串聯(lián)構(gòu)成，每個高壓二極管為符合耐壓要求，由多個二極管串聯(lián)組成“小”硅堆）時（圖3），發(fā)現(xiàn)其中有6個高壓二極管反向電阻異常，阻值只有八百多兆歐不等，正常的高壓二極管反向電阻阻值應(yīng)該為無窮大。為驗證高壓二極管的整流能力，用一個24 V的變壓器與單個高壓二極管組成半波整流電路，測量其輸出端電壓，好的二極管半波整流輸出電壓為17 V左右，壞的二極管半波整流輸出電壓在14～15 V不等。也就是說，壞的高壓二極管整流后的輸出電壓，明顯低于好的高壓二極管輸出的直流電壓2 V多。

圖3 高壓整流硅堆

購買新的高壓二極管，更換后組裝好該組件，然后進行干燥和真空注油等處理。組合式球管的真空注油過程比較復(fù)雜，在工廠是在專門的真空注油設(shè)備內(nèi)進行：把組裝好的球管置入密閉的真空注油設(shè)備內(nèi)，加熱到65～75 ℃，保持1～2 h，然后開啟真空泵，壓力達到-0.1 MPa的情況下保持1 h，開啟注油閥門，將變壓器油注入到球管內(nèi)，待油注滿后，保持真空狀態(tài)20 min后，排氣并封裝球管[12-14]。

在醫(yī)院內(nèi)部修理組合式球管，由于無真空注油設(shè)備，工程師經(jīng)過如下步驟處理，達到滿意的維修效果：將清潔后的球管組件和管套同時置入干燥箱內(nèi)，加熱至75 ℃左右保持2 h，待組件冷卻后把組件安裝到管套內(nèi)，擰緊組件和管套之間的固定螺絲，使之處于密封狀態(tài)，只保留球管的出線窗口作為真空注油通道，然后重新將球管整體置入干燥箱內(nèi)加熱1 h，取出球管并在球管的出線窗口覆蓋一塊PVC軟質(zhì)水晶板（俗稱軟玻璃），軟玻璃上插兩個50 mL注射器針頭，針頭的外端均連接PVC透明軟管，用止血鉗控制管路的通斷。在注油管截止的情況下開啟真空泵，在壓力達到-0.1 MPa的情況下保持抽真空30 min，在繼續(xù)抽真空的情況下，松開注油管上的止血鉗，讓變壓器油注入到球管內(nèi)，透過透明軟玻璃，觀察到變壓器油基本注滿后，停止抽真空注油，按壓球管的縮脹器皮囊，排氣后安裝球管出線窗口組件。把修好的組合球管裝機，試機正常，機器修復(fù)。

1.5 維修小結(jié)

高壓發(fā)生器原理如圖4所示，T1是高壓變壓器，T3和T2分別是大、小焦點燈絲變壓器，T1的次級（正邊）交流電壓，經(jīng)硅堆D1、D2、C1、C2倍壓整流后加到球管的陽極，負邊的交流電壓，經(jīng)硅堆D3、D4、C3、C4倍壓整流后，加到球管的陰極，即大、小焦點燈絲之間的公共點引線，故燈絲工作在低交流電壓（燈絲加熱電壓）高直流負電位狀態(tài)。陽極和陰極高壓分別經(jīng)R1和R2（均200 MΩ）引出，送到分壓取樣電路，當(dāng)檢測電路檢測到分壓取樣電路反饋的kV信號不平衡值高于預(yù)定值時，終止所有操作并報出錯誤信息。造成本次故障是的硅堆D1、D2內(nèi)的六只高壓二極管性能不良，整流能力下降，造成輸出到陽極的電壓變低，即正、負高壓失衡。

圖4 組合式球管原理圖

2 案例二：口腔全景機X光球管損壞

2.1 設(shè)備工作原理簡介

口腔全景機是醫(yī)院口腔科開展手術(shù)、正畸等項目的常用醫(yī)學(xué)X線成像設(shè)備。日本森田公司生產(chǎn)的X-550口腔全景X線機的工作原理為：在計算機的控制下，組合式球管在逆變器提供的電壓驅(qū)動下產(chǎn)生X射線，經(jīng)過準(zhǔn)直器后的X射線透過病人的投照部位（頭顱）后，由于頭顱各部位的密度不同（牙齒、肌肉、骨骼等），X線被CCD平板探測器差異性地接收，投照的過程中，球管和CCD平板探測器相向運動，圍繞著病人頭顱進行口腔連續(xù)曝光掃描，在CCD不同的MOS單元中產(chǎn)生不同數(shù)量級的信號電荷，信號電荷通過存儲、耦合、檢出、圖像處理等過程后，在計算機中產(chǎn)生出一副完整的口腔全景圖像。在普通掃描的模式下，經(jīng)13.3 s的連續(xù)掃描，曝光結(jié)束，球管和平板探測器返回初始位[15-16]。

2.2 故障現(xiàn)象

機器突然停止運行，所有的操作按鍵都處于鎖定狀態(tài)，機器狀態(tài)小顯示屏上的錯誤信息如圖5所示，報錯誤信息為“電流保護”。

圖5 口腔全景DR的報錯信息

2.3 故障檢查與分析

該機報錯一般都是英文信息，這次突然報日文錯誤信息“過電流保護啟動”，請教廠家工程師，廠方的判斷是高壓逆變器和組合式球管壞，需要整套更換，價格是人民幣10萬元。

仔細觀察機器，剛按下曝光按鈕，機器能進行旋轉(zhuǎn)掃描，經(jīng)0.2 s延時后開始曝光，前面3～4 s可以曝光，且有圖像，圖像面積只有正常曝光圖像面積的十分之一大小，詳見圖6。然后停止曝光，報圖5所顯示的錯誤信息。嘗試把機器曝光電壓降低到55 kV再次投照，故障依舊。

圖6 機器在空白曝光狀態(tài)下的DR圖像

本機有關(guān)閉機器kV、mA的狀態(tài)下進行曝光，測試組合球管是否正常的功能。方法如下：按機器的操作面板上的kV“－”號按鍵，使設(shè)定的kV值不斷減少，直至顯示kV值的小窗口關(guān)閉。在該狀態(tài)下，曝光時逆變器加到高壓變壓器初級的電壓為0，也就是曝光時球管兩端所加電壓為0；用同樣方法關(guān)閉mA。開始模擬曝光，球管可以圍繞著頭顱旋轉(zhuǎn)“曝光”，當(dāng)在此模式下“曝光”結(jié)束后，機器無上述的錯誤信息提示。

根據(jù)上述現(xiàn)象判斷，該機的逆變器部分正常，故障最大的可能性是在組合球管。球管一開始能夠正常曝光，但隨著曝光的進行，計算機檢測到管頭內(nèi)反饋的組合球管電流異常的信號后，機器中斷曝光并報錯，據(jù)此判斷組合球管內(nèi)有零部件處于臨界損壞狀態(tài)。根據(jù)經(jīng)驗，如下部件損壞或質(zhì)量不佳都可能造成“過流”故障現(xiàn)象：① 高壓變壓器擊穿；② 高壓整流硅堆有軟擊穿或性能不佳；③ X光球管真空度不良；④ 變壓器油絕緣度下降，有高壓放電現(xiàn)象；⑤ 高壓取樣反饋電路異常（可能性較低）等[17-18]。

2.4 故障維修

拆開組合球管組件，檢測高壓變壓器、硅堆等高壓元器件正常，當(dāng)檢查到球管的時候，目測發(fā)現(xiàn)球管的玻璃管壁有明顯龜裂的現(xiàn)象，見圖7。該球管是東芝的產(chǎn)品，型號是D-051，購買一個新的球管，經(jīng)組裝、干燥、真空注油、封裝后，上機安裝好修復(fù)的組合式球管，試機正常。

圖7 D-051球管玻璃壁上的裂紋

2.5 維修小結(jié)

該故障是由于球管的玻璃壁出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致管內(nèi)真空度不良。機器剛開始可以曝光，當(dāng)連續(xù)曝光時，使球管內(nèi)部空氣電離越來越嚴重，管電流越來越大且極度不穩(wěn)定，大大超出預(yù)先設(shè)定值，計算機檢測到異常的管電流，停止機器曝光，進入保護狀態(tài)，且報該故障信息。

3 討論

在計算機控制下工作的數(shù)字化X線機，一般都有軟件故障診斷、保護和報錯信息為依據(jù)判定故障點，需要綜合機器報錯信息、故障現(xiàn)象以及實際測量的數(shù)據(jù)來逐步縮小故障范圍，最終鎖定故障的具體位置，使維修工作達到事半功倍的效果。組合式球管在維修上比非組合式球管復(fù)雜得多，因此，對其是否存在故障的判斷更要力求準(zhǔn)確，以免使故障擴大化。

雖然組合式球管的維修工藝要求較高，但是理解它的結(jié)構(gòu)和絕緣要求后，不必更換昂貴的組合球管套件，完全可以自主維修；有時機器報的錯誤信息比較籠統(tǒng)，在維修此類機器的時候，不要機械地依靠機器報的錯誤信息。由于組合式球管特殊構(gòu)造，在維修過程中要注意如下幾點：① 管套內(nèi)的變壓器油要倒入干凈且干燥的容器內(nèi)封存，未污染的變壓器油可以復(fù)用，如果使用新的變壓器油，要滿足耐壓強度在標(biāo)準(zhǔn)電極下大于30 kV/2.5 mm有效值；② 將維修后的全部組件用變壓器油刷洗清潔，裝入管套后，要進行干燥處理，干燥溫度以75 ℃為宜；③ 安裝球管的時候，陽極靶面焦點一定要對準(zhǔn)管套射線出口的窗口中心，以免投照時產(chǎn)生偽影；④ 在抽真空狀態(tài)下，才可以往管套內(nèi)注入變壓器油，以免高壓變壓器繞組間有殘留的空氣，日后引起氣泡產(chǎn)生偽影和高壓放電[19-20]，造成機器二次故障。

4 總結(jié)

在維修這兩個故障案例過程中，機器的報錯信息非常寬泛，在某種程度上可能會誤導(dǎo)維修工作，且生產(chǎn)廠家不給醫(yī)院提供技術(shù)圖紙，這也相應(yīng)地增加了機器故障的判斷難度，在維修過程中多走了不少彎路。因此對機器通用工作原理的理解，和平常工作中對相關(guān)資料的收集以及維修經(jīng)驗的積累顯得尤為重要，不但能提高故障判斷的準(zhǔn)確率，還能把換組件級維修轉(zhuǎn)為換元件級維修，節(jié)約大量設(shè)備的維修成本。