西門子Trio A TIM 3T MRI射頻系統(tǒng)故障維修2例

張 暉，汪 纓，孫小磊，肖吳進(jìn)

（南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院臨床醫(yī)學(xué)工程處，南京 210029）

0 引言

20世紀(jì)70年代，MRI技術(shù)的出現(xiàn)為生物醫(yī)學(xué)成像開辟了一個(gè)極富生命力的領(lǐng)域[1]。MRI成像原理有別于其他影像檢查設(shè)備，其不是利用探測射線或機(jī)械波成像，而是通過外加射頻能量激勵(lì)受檢體自身的核磁矩，再通過接收核磁矩進(jìn)動和弛豫產(chǎn)生的射頻信號進(jìn)行成像[2]。MRI是臨床常用的影像學(xué)檢查方法之一，具有軟組織分辨力高、顯影清晰等優(yōu)點(diǎn)[3]，所以作為一種重要的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備被廣泛用于臨床。全景成像矩陣（total imaging matrix，TIM）技術(shù)是西門子公司創(chuàng)造的先進(jìn)射頻技術(shù)[4]。2005年5月西門子推出了Trio A TIM 3T Magnetom系統(tǒng)，這是第一款具有3 T場強(qiáng)并使用TIM技術(shù)的MRI設(shè)備，在這款設(shè)備的基礎(chǔ)上又發(fā)展出了Verio型MRI，之后西門子的Prisma、Skyra等多款MRI產(chǎn)品也或多或少有Trio A TIM的身影，所以Trio A TIM的組成結(jié)構(gòu)和故障現(xiàn)象非常具有代表性。本文系統(tǒng)地闡述Trio A TIM這款MRI設(shè)備2種典型的射頻系統(tǒng)故障排除過程，對工程技術(shù)人員排除該款MRI設(shè)備的射頻系統(tǒng)故障有一定的幫助。

1 Trio A TIM MRI射頻系統(tǒng)組成及作業(yè)流程

Trio A TIM MRI設(shè)備由主磁體、梯度系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和其他輔助設(shè)備5個(gè)部分組成[5]。

1.1 射頻系統(tǒng)組成

西門子的Trio A TIM型MRI射頻系統(tǒng)由射頻發(fā)射系統(tǒng)、射頻接收系統(tǒng)、射頻線圈3個(gè)部分組成。

教師對學(xué)生上課使用手機(jī)的態(tài)度和行為 統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表7。五成以上的教師對學(xué)生上課使用手機(jī)持反對意見，也有四成以上的教師無所謂。在對上課使用手機(jī)的行為上，五成以上的教師會提出警告，四成以上的教師放任不管。

1.2 射頻系統(tǒng)作業(yè)流程

射頻小信號單元產(chǎn)生射頻激勵(lì)小信號，經(jīng)射頻功率放大產(chǎn)生大功率的射頻激勵(lì)信號，射頻激勵(lì)信號通過發(fā)射線圈選擇單元后，其中一路經(jīng)體線圈控制單元轉(zhuǎn)換成正交圓極化信號加載到體線圈上發(fā)射，另一路由表面線圈發(fā)射。受檢體受激后，核磁矩發(fā)出的微弱MRI信號被表面線圈接收，并進(jìn)行初級放大，信號經(jīng)表面線圈選擇控制系統(tǒng)的接收矩陣到達(dá)射頻接收通道板，其將模擬信號解調(diào)成數(shù)字信號送至重建計(jì)算機(jī)重建圖像。該系統(tǒng)的作業(yè)流程圖如圖1所示。

圖1 西門子Trio A TIM型MRI射頻系統(tǒng)作業(yè)流程圖

2 故障一

2.1 故障現(xiàn)象

牡丹皮以重慶墊江產(chǎn)（習(xí)稱“川丹”）、安徽銅陵和鳳陽產(chǎn)（習(xí)稱“鳳丹”）的質(zhì)量較優(yōu)[4]，但因其基源植物牡丹集觀賞性和藥用于一體，在近年大力發(fā)展觀光農(nóng)業(yè)、大面積種植觀賞牡丹的情況下，市售牡丹皮藥材的產(chǎn)地及來源極其復(fù)雜、質(zhì)量良莠不齊，其藥用效果和臨床用藥安全也受到極大影響。2015年版《中國藥典》（一部）牡丹皮的質(zhì)量控制指標(biāo)項(xiàng)下也僅有丹皮酚含量測定，顯然難以全面反映該藥材真實(shí)的內(nèi)在質(zhì)量。

針對此故障，應(yīng)重新布設(shè)一根光纖，但該款MRI設(shè)備的射頻接收系統(tǒng)中光纖接口板和射頻接收控制單元之間預(yù)設(shè)了2根備用光纖，用其中1根代替損壞的光纖即可排除此故障。

圖2 掃描停止提示對話框

2.2 故障分析與排除

由于該款MRI設(shè)備有18個(gè)接收通道，每塊射頻接收通道板包含8個(gè)接收通道，共有3塊硬件完全相同的射頻接收通道板。將其中2塊互換后，用乳腺線圈測試，未發(fā)生故障（相當(dāng)于將乳腺線圈運(yùn)用在其他懷疑的接收通道板上）。排除了射頻接收通道板故障，問題集中在射頻接收控制單元上。該射頻接收控制單元配有4塊失諧/諧振電源，將其中兩兩互換，再用乳腺線圈測試，故障未發(fā)生。經(jīng)過上述測試應(yīng)能排除射頻接收系統(tǒng)中硬件模塊的故障。

MRI射頻接收系統(tǒng)各個(gè)模塊之間傳輸有數(shù)據(jù)信號流和控制信號流，一般故障分析順序是從數(shù)據(jù)信號回路到控制信號回路。由于數(shù)據(jù)信號回路的測試工具較多，可以方便進(jìn)行分段獨(dú)立測試，而控制回路大部分無法分段測試，所以更多的是依靠對控制信號輸入、輸出流的分析。本例故障就是立足于對控制信號的控制功能分析的基礎(chǔ)上排除的。

圖3 MRI床面

頭線圈一般插在X3和X6接口，用腹部柔軟線圈插在X6接口上，發(fā)現(xiàn)測試結(jié)果和頭線圈一樣，有時(shí)通過、有時(shí)不能通過。再次詢問臨床技師，交流后發(fā)現(xiàn)該類故障其實(shí)并不只發(fā)生在頭線圈，用其他線圈掃描也會出現(xiàn)，只是頭線圈發(fā)生的概率更高。只有乳腺線圈插在X6接口上從未發(fā)生過該類故障。將腹部柔軟線圈插在床面的其他可識別接口上進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)測試結(jié)果也是時(shí)好時(shí)壞。將測試結(jié)果和臨床反映結(jié)合，發(fā)現(xiàn)在這款機(jī)型上乳腺線圈和其他線圈的區(qū)別在于，使用乳腺線圈必須拔出床面上的其他所有線圈。結(jié)合射頻接收系統(tǒng)功能圖懷疑故障發(fā)生在表面線圈選擇控制系統(tǒng)、射頻接收控制單元、射頻接收通道板3個(gè)部分。表面線圈選擇控制系統(tǒng)可以用測試軟件單獨(dú)測試，通過接收矩陣測試，初步排除表面線圈選擇控制系統(tǒng)的接收矩陣故障。

故障經(jīng)常發(fā)生在頭線圈掃描，初步懷疑頭線圈自身問題。單獨(dú)做頭線圈信噪比測試，多次測試發(fā)現(xiàn)有時(shí)通過、有時(shí)不能通過，無法排除頭線圈自身問題。為判斷線圈是否正常，將該頭線圈移至本院另一臺西門子的Verio型MRI上做同樣的頭線圈信噪比測試，多次測試的結(jié)果均正常，初步排除頭線圈自身的問題。接著懷疑頭線圈在檢查床上的接口是否存在接觸不良而造成故障。該型MRI床面如圖3所示，有10個(gè)線圈插座（其中X5插座為空插座）。

掃描開始后頻發(fā)掃描脈沖序列很快停止掃描，彈出提示對話框（如圖2所示），重啟設(shè)備或重新拔插頭線圈后有時(shí)可以正常檢查。

設(shè)備自帶的射頻測試工具一般都是測試接收數(shù)據(jù)信號通路，無法測試控制信號流。由圖4可知采集控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的信號傳輸至射頻接收控制單元，其輸出2路信號，一路信號控制表面線圈選擇控制系統(tǒng)接收矩陣的選擇，另一路信號控制多通道線圈接收單元的開關(guān)。圖4中W1421是采集控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號光纖組，包含6根光纖。W5401是射頻接收控制單元控制表面線圈選擇控制系統(tǒng)的光纖組，包含2根光纖。對這8根光纖分別進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)W1421光纖組中有1根光纖透光率降低，其他光纖透光均正常。射頻接收控制單元的U7～U10接口4路光纖接收采集控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號，組成16種線圈接收信號選擇的組合模式，其中透光率低的是U8接口的光纖，其一端連接采集控制計(jì)算機(jī)光纖接口板的U17接口，另一端連接射頻接收控制單元的U8接口。由于該光纖狀態(tài)不穩(wěn)定，接收線圈控制信號紊亂，導(dǎo)致線圈中的接收單元狀態(tài)異常。而乳腺線圈由于是西門子應(yīng)用的第三方線圈，只能采用固定的邏輯關(guān)系，所以乳腺線圈掃描一直正常，其他線圈要根據(jù)床面上使用線圈的邏輯關(guān)系選擇工作模式，所以有的模式可用，有的模式不能正常工作。重新拔插線圈或重啟設(shè)備都是使系統(tǒng)重新選擇接收模式，所以在不同接收線圈和不同檢查部位上會偶發(fā)故障，且日志文件無報(bào)錯(cuò)記錄。

圖4 射頻系統(tǒng)控制框圖

以《2010年中國2型糖尿病健康教育指南》[12]《世界衛(wèi)生組織關(guān)于身體活動有益健康的全球建議》[13]及《亞洲骨質(zhì)疏松診斷、預(yù)防和治療指南》[14]為健康教育內(nèi)容主要來源,對病人進(jìn)行為期4周的健康知識講座每周1次，每次60 min；為病人設(shè)定短期目標(biāo)，要求病人遵循循序漸進(jìn)原則實(shí)施康復(fù)行為，幫助病人感受康復(fù)效果，從而增強(qiáng)病人健康行為依從性；鼓勵(lì)病人分組討論，加強(qiáng)病友間經(jīng)驗(yàn)分享及信息交流；在健康知識講解過程中注意舉例和示范，增加病人健康知識接受度；給予病人心理疏導(dǎo)和情感支持，提高病人自我效能。講座結(jié)束后進(jìn)行為期6個(gè)月，每2周1次的電話隨訪，解答病人生活中遇到的健康疑惑，不斷強(qiáng)化病人健康知識。

2.3 小結(jié)

三組被試的自尊水平差異不顯著，是本研究采用的整群隨機(jī)分組方式造成的。 本研究的被試同為醫(yī)學(xué)影像專業(yè)，在入學(xué)時(shí)他們被隨機(jī)分到10個(gè)班級中，在確定被試接受何種實(shí)驗(yàn)處理時(shí)，研究者以班級為單位，隨機(jī)將這10個(gè)班級分配到三個(gè)實(shí)驗(yàn)處理小組，這種整群隨機(jī)分組的方式確保了被試相關(guān)特性在三個(gè)小組中的均勻分布。

3 故障二

3.1 故障現(xiàn)象

問題發(fā)生在頸線圈且故障偶發(fā)，與臨床技師交流后，發(fā)現(xiàn)重新定位檢查區(qū)域或?qū)⑹軝z者的掃描視野擴(kuò)大，往往就不再出現(xiàn)干擾。通過分析故障現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)做頸椎掃描時(shí)小掃描視野一般系統(tǒng)只使用頸線圈，由于該款MRI設(shè)備的頭線圈和頸線圈有部分物理重疊，擴(kuò)大視野后掃描區(qū)域達(dá)到了頭線圈的位置，系統(tǒng)會自動打開部分頭線圈用于掃描，這可能是噪聲偶發(fā)的原因。由于故障集中在頸線圈上，首先用設(shè)備自帶的adjustment工具分析頸線圈的各個(gè)接收通道的信號幅度（adjustment是臨床檢查過程中手工調(diào)節(jié)參數(shù)的工具，該工具無需密碼即可運(yùn)行），發(fā)現(xiàn)頸線圈的NE2～CH1接收通道的信號幅度只有111，且無法確定射頻中心頻率[如圖6（a）所示]。而正常的接收通道信號幅度如圖6（b）所示，應(yīng)達(dá)到10萬左右。初步判斷頸線圈的1個(gè)接收通道存在故障。為確定故障部位，可用設(shè)備維護(hù)工具對頸線圈進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖7所示。

圖5 頸線圈信噪比異常/正常圖像

3.2 故障分析與排除

頸線圈掃描中會偶發(fā)圖像信噪比變差的現(xiàn)象，系統(tǒng)無報(bào)錯(cuò)，有時(shí)重新定位又可以消除噪聲（如圖5所示）。

圖6 頸線圈接收通道信號測量結(jié)果比較

圖7 頸線圈通道測試結(jié)果

結(jié)合測試圖像推測頸線圈的第2通道存在故障，每個(gè)通道包括直流和射頻2個(gè)回路。D1管是主動失諧二極管，直流失諧電源由P1接口提供，P2接口用以接收線圈射頻信號，P3是交直流復(fù)合回路，其既有MRI射頻信號輸出，又提供初級放大器的直流電源（如圖8所示）。

圖8 線圈初級放大器模塊

用射頻矢量分析儀、50 Ω假負(fù)載和萬用表分別對故障通道的直流通路和射頻信號通路進(jìn)行測試，結(jié)果顯示通道的直流回路都正常，射頻信號通道在中心頻率的阻抗匹配也正常，由此判斷噪聲可能發(fā)生在初級放大器模塊。由于阻抗匹配測試正常，所以故障應(yīng)發(fā)生在有源部件。初級放大器模塊的有源部件包括1個(gè)低噪聲砷化鎵放大管Q1、1個(gè)限幅二極管D2。按發(fā)生故障的概率首先更換了低噪聲砷化鎵放大管Q1，故障并未排除。接著更換限幅二極管D2，更換后圖像不再出現(xiàn)噪聲，故障排除。

3.3 小結(jié)

本例故障是一起典型的MRI接收線圈硬件故障，對接收線圈硬件維修應(yīng)熟練掌握高頻電路的相關(guān)知識，能合理運(yùn)用各種高頻測試儀器。本例故障維修過程中所用的高頻器件全部是低噪聲器件，其和常規(guī)的場效應(yīng)放大管、二極管在性能上特別是高頻噪聲水平上有很大的差異。在本次維修中采用代用放大管BFQ74，其噪聲系數(shù)在2 GHz時(shí)可在0.5 dB左右，限幅二極管MMBD7000也是低噪聲、超快速開關(guān)管。

興趣是最好的老師。在數(shù)學(xué)課堂教學(xué)中，數(shù)學(xué)因其本身的特殊性，讓不少學(xué)生覺得它抽象難懂。要使學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)動力，僅僅講大道理是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，關(guān)鍵是要想方設(shè)法使學(xué)生對數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)產(chǎn)生興趣。大多數(shù)學(xué)生的數(shù)學(xué)成績不好，是由于對數(shù)學(xué)缺乏興趣所致。教師在教學(xué)中可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，通過運(yùn)用一些生動形象、直觀有趣的教學(xué)手段，為學(xué)生創(chuàng)造運(yùn)用數(shù)學(xué)的環(huán)境；引導(dǎo)學(xué)生動手參與，鼓勵(lì)學(xué)生積極探討。讓課堂學(xué)習(xí)的每個(gè)環(huán)節(jié)都能感受到層層推進(jìn)的踏實(shí)，體會漸入佳境的喜悅，樹立學(xué)習(xí)的信心。

4 結(jié)語

MRI設(shè)備的射頻系統(tǒng)是整個(gè)設(shè)備中最復(fù)雜的系統(tǒng)，而射頻故障如噪聲、干擾等由于缺乏直觀的測試手段且故障的發(fā)生可能牽涉的模塊較多，所以很難直接根據(jù)報(bào)錯(cuò)日志準(zhǔn)確判斷故障原因。射頻部分都是高頻電路，其在直流和高頻時(shí)的工作狀態(tài)（如阻抗、中心頻率、噪聲特性等）有很大的不同，萬用表等常用的檢測工具往往不能進(jìn)行測量。所以在維修過程中應(yīng)加強(qiáng)與臨床人員的溝通，盡可能全面地了解故障現(xiàn)象。此外，MRI設(shè)備的日常質(zhì)控與巡檢也很重要，大型影像設(shè)備應(yīng)盡可能以“預(yù)防性維護(hù)”替代“宕機(jī)維修”[6]。如第二例故障，如果定期進(jìn)行線圈質(zhì)控，早期就可以發(fā)現(xiàn)頸線圈故障。在日常工作中，工程技術(shù)人員應(yīng)能熟練掌握MRI設(shè)備的結(jié)構(gòu)，特別是射頻系統(tǒng)，由于其信號在不同的工作狀態(tài)會處于不同的通路中，所以掌握MRI組成結(jié)構(gòu)和功能流程對排除故障有很大的幫助。