GE Brivo MR355 1.5 T磁共振梯度系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)故障分析與處理方法

【作 者】 張?bào)K，杜桂民，王萌萌

齊河縣人民醫(yī)院 醫(yī)學(xué)裝備科，德州市，251100

0 引言

磁共振成像設(shè)備通過(guò)人體內(nèi)含氫質(zhì)子在靜磁場(chǎng)內(nèi)因受到多種頻率射頻激勵(lì)而發(fā)生磁共振現(xiàn)象，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接受磁共振信號(hào)后通過(guò)空間編碼技術(shù)（梯度場(chǎng)）生成核磁圖像，是一種用于人體內(nèi)部多種疾病診斷的現(xiàn)代化影像設(shè)備[1]。磁共振設(shè)備由主磁體系統(tǒng)、梯度系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及相關(guān)輔助設(shè)施（如精密空調(diào)、照明系統(tǒng)）等組成[2-3]。

我院現(xiàn)有的1臺(tái)GE公司的1.5 T Brivo MR355型磁共振設(shè)備，該設(shè)備購(gòu)置于2012年8月，MR年均掃描患者部位達(dá)三萬(wàn)余次，設(shè)備經(jīng)常處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)，軟硬件出現(xiàn)故障也越來(lái)越多，尤其是近1年來(lái)因梯度系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)發(fā)生故障導(dǎo)致停機(jī)運(yùn)行，對(duì)我院醫(yī)療服務(wù)造成一定影響。近5年來(lái)寧夏醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)院的王愛軍[4]和濰坊醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院的熊剛等[5]對(duì)梯度系統(tǒng)的故障維修做過(guò)詳細(xì)介紹，蘭州市第一人民醫(yī)院的田弘洲[6]對(duì)冷卻系統(tǒng)的故障維修做過(guò)了詳細(xì)的分析總結(jié)，但對(duì)于GE公司生產(chǎn)的1.5 T Brivo系列磁共振 MR355和MR360兩種型號(hào)的梯度系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的故障維修分析和探討還沒有相關(guān)研究文獻(xiàn)。下面分析總結(jié)近一年來(lái)我院磁共振設(shè)備發(fā)生的梯度系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)兩例故障的具體處理步驟和方法，與大家分享大型設(shè)備維修方面的方法和經(jīng)驗(yàn)。

1 梯度系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)工作原理

1.1 梯度系統(tǒng)工作原理

磁共振梯度系統(tǒng)作為設(shè)備的核心部件，其主要功能是給梯度線圈供電，使得X、Y、Z三個(gè)方向的梯度線圈在成像空間中產(chǎn)生線性變化的正交磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的空間位置編碼和成像體素的選層，用于空間定位[4]。三個(gè)正交的梯度直流線圈的供電分別有一個(gè)獨(dú)立的梯度放大器供電，使得梯度線圈輸出線性穩(wěn)定、轉(zhuǎn)換速度快、開關(guān)時(shí)間短、脈沖電流精準(zhǔn)[7-8]。GE Brivo MR355梯度系統(tǒng)工作原理，如圖1所示，主要組成為：梯度數(shù)據(jù)產(chǎn)生部分（SRF/TRF板）、梯度數(shù)據(jù)傳輸部分（STIF板）、梯度處理器（GIP/GAP/GP）、三個(gè)梯度放大器（Amp）、梯度電源（Power Supply）、濾波器（Pen Panel Filter）和梯度線圈（Gradient Coils）。

圖1 GE Brivo MR355梯度系統(tǒng)工作原理Fig.1 Schematic diagram of GE Brivo MR355 Gradient system

1.2 冷卻系統(tǒng)工作原理

GE Brivo MR355磁共振磁體線圈的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理，如圖2所示，其結(jié)構(gòu)由水循環(huán)、氦壓機(jī)、冷頭等三級(jí)聯(lián)冷部分組成[9]。其中水循環(huán)制冷系統(tǒng)由初級(jí)水冷和次級(jí)水冷兩部分組成，初級(jí)水冷由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、自來(lái)水管路等組成，各部件均位于室外；次級(jí)水冷主要功能是與氦壓機(jī)進(jìn)行熱交換，導(dǎo)出氦壓機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的熱量；氦壓機(jī)制冷系統(tǒng)主要功能是由GWS-70氦壓機(jī)通過(guò)連接管路與磁體上的冷頭進(jìn)行熱交換，導(dǎo)出冷頭循環(huán)工作產(chǎn)生的熱量；冷頭為日本住友4 K級(jí)別的RDK408A3型，主要功能是在4.2 K溫度下輸出1 W的冷量，將磁體內(nèi)液氦因吸收磁體線圈內(nèi)的熱量蒸發(fā)產(chǎn)生的氣體氦氣全部液化，達(dá)到給磁體線圈降溫的目的，實(shí)現(xiàn)磁體液氦的零消耗。

圖2 GE Brivo MR355磁共振磁體線圈冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理Fig.2 GE Brivo MR355 Magnetic resonance magnet coil cooling system schematic

2 梯度系統(tǒng)故障

2.1 故障現(xiàn)象

設(shè)備正常使用中，系統(tǒng)在掃描患者最后一個(gè)彌散序列時(shí)突然無(wú)法掃描，提示梯度系統(tǒng)沒有準(zhǔn)備好，查看錯(cuò)誤日志中的報(bào)錯(cuò)信息可以看到：The GP is reporting a SGA Power Supply Over Current Fault（梯度處理器報(bào)告梯度放大器電源低壓錯(cuò)誤），報(bào)錯(cuò)代碼為2244860。按系統(tǒng)提示，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行TPS Reset重置，結(jié)果系統(tǒng)仍然無(wú)法掃描。

2.2 故障分析

首先調(diào)取全部的錯(cuò)誤日志信息，如圖3所示?？梢钥吹教荻忍幚砥魇紫葯z測(cè)到梯度放大器電源電壓過(guò)載（圖3a），緊接著梯度處理器檢測(cè)梯度放大器電源輸出電壓低（圖3b），4 s后梯度處理器檢測(cè)到多個(gè)X軸梯度放大器內(nèi)部錯(cuò)誤或控制電壓低（圖3c）。

圖3 磁共振梯度系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)信息截圖Fig.3 Screenshot of error message reported by Mr Gradient system

根據(jù)圖1中的梯度系統(tǒng)工作原理，X、Y、Z軸的三個(gè)梯度放大器使用共同的一個(gè)梯度電源，且最后一個(gè)梯度系統(tǒng)的報(bào)錯(cuò)指向了X軸梯度放大器，因此故障原因可能來(lái)自X軸梯度放大器內(nèi)部。

進(jìn)入設(shè)備間查看梯度放大器后發(fā)現(xiàn)X、Y、Z軸三個(gè)梯度放大器指示燈中僅X軸的“UV”橘黃色指示燈亮起，而其余指示燈指示均一樣，根據(jù)磁共振理論可知X、Y、Z軸三個(gè)梯度放大器結(jié)構(gòu)完全一樣[10]，故交換X軸和Y軸兩個(gè)梯度放大器電源線和控制線，用同樣序列及參數(shù)進(jìn)行掃描，系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)信息變?yōu)椋篢he GP reported multiple Gradient Amplifier Y Axis Internal Wiring Fault or Control Undervoltages（梯度處理器檢測(cè)到多個(gè)Y軸梯度放大器內(nèi)部線路問題或控制部分低壓），此時(shí)設(shè)備依然無(wú)法進(jìn)行掃描，經(jīng)分析確定故障原因來(lái)自X軸梯度放大器故障。梯度放大器包括供電電源和放大器控制板，為縮小故障范圍恢復(fù)原來(lái)接線，拆下X、Y軸的梯度放大器后把X和Y軸兩個(gè)梯度放大器控制板對(duì)調(diào)，再進(jìn)行系統(tǒng)TPS Reset，設(shè)備再次報(bào)同樣的Y軸故障。進(jìn)一步判斷出故障原因來(lái)自X軸梯度放大器內(nèi)的控制板。

2.3 故障處理與小結(jié)

設(shè)備關(guān)機(jī)后將X、Y軸梯度放大器取出，卸下兩個(gè)放大器的控制板，經(jīng)仔細(xì)觀察對(duì)比兩個(gè)電路板后，發(fā)現(xiàn)X軸的梯度放大器控制板上有一個(gè)電容外殼有形狀不規(guī)則鼓起的現(xiàn)象，且外殼顏色為深灰色，外皮似乎因過(guò)熱而變色和僵硬，而Y軸梯度放大器控制板上同樣位置的電容的顏色為淡黃色、外皮光滑，因此判斷X軸梯度放大器控制板上的貼片電容可能損壞。拆下該電容，經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)該電容已被擊穿，更換同樣型號(hào)的16 V，2 200 μF，85 ℃貼片鉭電容后重新開機(jī)，X軸梯度放大器上“UV”不再常亮，進(jìn)入設(shè)備校準(zhǔn)界面，對(duì)X軸梯度放大器輸出電壓進(jìn)行直流校準(zhǔn)（DC Offset Calibration）后，進(jìn)行水膜掃描測(cè)試，設(shè)備工作正常，故障消失。

磁共振設(shè)備屬大型精密設(shè)備，尤其是梯度放大器需要對(duì)電感負(fù)載提供切換速度快、電流大小精準(zhǔn)的脈沖電流[11]，線圈在進(jìn)行普通序列的掃描時(shí)，梯度放大器輸出電壓穩(wěn)定在200 V；而進(jìn)行梯度切換最快的彌散序列掃描時(shí)，輸出電壓會(huì)在195 V和205 V之間跳動(dòng)。梯度放大器上的貼片鉭電容的過(guò)壓和高溫，特別是長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)壓和高溫，會(huì)嚴(yán)重縮短鉭電容內(nèi)部單體電容的壽命。因此對(duì)于醫(yī)院的臨床工程師來(lái)說(shuō)，只有熟練掌握設(shè)備各部件的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，在維修過(guò)程中認(rèn)真推理、仔細(xì)觀察，每步的操作都有理有據(jù)、有的放矢，才能真正做好保障設(shè)備安全運(yùn)行。

3 冷卻系統(tǒng)故障

3.1 故障現(xiàn)象

設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)到設(shè)備近14 d內(nèi)磁體氦壓從4.035 psi（注：1 psi=6.89 kPa）持續(xù)上升至4.956 psi（正常值為0.9～1.1 psi），期間壓力值曲線一直呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，經(jīng)醫(yī)學(xué)裝備科現(xiàn)場(chǎng)查看，壓力有超過(guò)臨界值（5.25 psi）趨勢(shì)，遂與廠家工程師聯(lián)系，為設(shè)備安全運(yùn)行，經(jīng)溝通后決定暫停使用磁共振設(shè)備。

3.2 故障分析

根據(jù)圖2中的磁共振冷卻系統(tǒng)工作原理，磁體液氦壓力升高原因出現(xiàn)在水循環(huán)、氦壓機(jī)、冷頭等三方面，需逐個(gè)排查。首先進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)查看Magnet Monitor顯示屏顯示的水冷系統(tǒng)數(shù)據(jù)，其中水循環(huán)制冷系統(tǒng)溫度（Water_Temp: 18.1 ℃）和流量（Water_Flow: 8.49 LPM）均在維修手冊(cè)中正常范圍內(nèi)。繼續(xù)查看氦壓機(jī)，氦壓機(jī)工作狀態(tài)下進(jìn)氣管路的動(dòng)態(tài)壓力在2.1～2.3 psi之間跳動(dòng)，回氣管路動(dòng)態(tài)壓力在0.65～0.75 psi之間跳動(dòng)，工作界面制冷指示燈綠燈常亮，根據(jù)氦壓機(jī)維修手冊(cè)得知壓力正常；為排除氦壓機(jī)故障的可能，在氦壓機(jī)工作過(guò)程中為氦壓機(jī)添加純氦氣至進(jìn)氣動(dòng)態(tài)壓穩(wěn)定在2.3～2.5 psi之間，磁體線圈在未進(jìn)行掃描狀態(tài)下繼續(xù)觀察設(shè)備運(yùn)行4 h以上，磁體液氦壓力上升至5.10 psi且依然呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。由此排除水冷機(jī)和氦壓機(jī)故障的可能。根據(jù)磁共振工作原理，最后的可能指向磁體冷頭[12]。

查看Magnet Monitor顯示屏顯示的冷頭傳感器數(shù)據(jù)：Coldhead_Ru0：5.24 K（冷頭溫度）；Shield_Si410：53.36 K（屏蔽層溫度）；Recon_Si410：3.94 K（一級(jí)冷頭溫度）；Recon_Ru0：4.46 K（冷凝器溫度）。結(jié)合維修手冊(cè)得知冷頭傳感器數(shù)值略高，但因我院該設(shè)備已使用10年，上次冷頭更換為5年前，而住友冷頭的常規(guī)壽命在3～6年，繼續(xù)查看Magnet Monitor顯示屏中Heater Duty Cycle數(shù)據(jù)僅為6%（數(shù)值越高說(shuō)明冷頭的工作效率越高），由此推斷磁體液氦壓力持續(xù)升高的主要原因?yàn)槔漕^使用壽命已接近極限，導(dǎo)致冷頭和磁體線圈之間熱交換效率變差。

3.3 故障處理與小結(jié)

首先用管路連接真空泵與冷頭腔體，用真空泵把腔體內(nèi)抽真空，使腔體內(nèi)達(dá)到真空狀態(tài)，保持腔體與磁體內(nèi)外氣壓平衡，然后利用專用工具拆卸已損壞的冷頭。拆出冷頭后待腔體溫度自然上升，在設(shè)備軟件中監(jiān)控腔體溫度Recon Si410達(dá)到270 K左右時(shí)方可安裝新冷頭。在新裝日本住友4 K級(jí)別的RDK408A3型冷頭軸端與腔體的接觸面上均勻粘貼銦絲，利用銦的可塑性強(qiáng)和延展性等特點(diǎn)來(lái)保證接觸面的密封性。最后在冷頭軸端用鋁膠帶固定干燥劑，以吸收空氣中的水蒸氣，保持干燥。新冷頭處理完后對(duì)各接觸面進(jìn)行檢查，無(wú)問題后將新冷頭裝進(jìn)冷頭腔內(nèi)。新冷頭安裝完畢之后，用真空泵抽真空后，開啟氦壓機(jī)進(jìn)行工作。進(jìn)入設(shè)備軟件繼續(xù)觀察冷頭內(nèi)各溫度傳感器檢測(cè)的溫度變化和磁體線圈內(nèi)液氦壓力的變化。重新開機(jī)，進(jìn)入設(shè)備校準(zhǔn)界面，對(duì)冷頭參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)后，繼續(xù)觀察液氦壓力4 h后得到壓力值降至4.1 psi，第二天早上液氦壓力下降至0.985 psi（正常值為0.9～1.1 psi），設(shè)備恢復(fù)正常。

冷卻系統(tǒng)作為磁共振設(shè)備主要組成部分之一，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)線圈長(zhǎng)期浸泡在溫度為4 K左右的液氦中，其各部件工作狀態(tài)尤為重要。設(shè)備運(yùn)行中可能會(huì)受到各種因素的影響而出現(xiàn)故障，在設(shè)備運(yùn)行中需密切關(guān)注各組件的運(yùn)行參數(shù)，并做好日常記錄，出現(xiàn)故障時(shí)應(yīng)及時(shí)維修，否則導(dǎo)致磁體線圈溫度、液氦壓力上升，達(dá)到極限后液氦會(huì)出現(xiàn)泄漏，造成圖像偽影甚至無(wú)法掃描，最嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致磁體失超，給醫(yī)院帶來(lái)巨大損失和不良影響[13-14]。

4 討論與總結(jié)

GE 1.5 T磁共振 Brivo MR355作為現(xiàn)代化的大型影像設(shè)備，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和成像原理復(fù)雜，軟硬件的各種原因都會(huì)引起設(shè)備故障[15-16]，且維修難度大。作為臨床工程師應(yīng)熟悉設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，在出現(xiàn)設(shè)備故障后需要首先查看報(bào)錯(cuò)信息，結(jié)合故障現(xiàn)象和維修手冊(cè)，理清思路后仔細(xì)分析可能引起故障的原因，采用逐步排除法、原理分析法和同原理交換試驗(yàn)法等，將多種方法靈活運(yùn)用，快速解決設(shè)備使用過(guò)程中出現(xiàn)的故障[17-18]。筆者提及的梯度系統(tǒng)故障和冷卻系統(tǒng)故障案例，在相關(guān)文獻(xiàn)中有過(guò)對(duì)其他品牌型號(hào)的類似故障處理闡述[4-6]，但因設(shè)備品牌和型號(hào)不同，結(jié)構(gòu)組成和運(yùn)行原理有所不同，所述的處理方式方法和筆者也有明顯不同，且針對(duì)于GE Brivo系列1.5 T的磁共振梯度系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)未有專門的研究文獻(xiàn)。筆者提及的故障中通過(guò)科學(xué)運(yùn)用維修方法，有理有據(jù)地快速定位故障點(diǎn)，并對(duì)相應(yīng)配件進(jìn)行更換后設(shè)備恢復(fù)正常工作狀態(tài)。通過(guò)兩種案例的分享，希望與各臨床工程師和廠家維保工程師相互學(xué)習(xí)，提升臨床工程師的設(shè)備保障能力。

磁共振系統(tǒng)復(fù)雜、精密，作為臨床工程師應(yīng)對(duì)大型設(shè)備定期做好設(shè)備巡查和預(yù)防性維護(hù)保養(yǎng)工作，有利于降低設(shè)備故障率，同時(shí)也可提高設(shè)備開機(jī)率和降低醫(yī)院的大型設(shè)備維保費(fèi)用[19-20]。專業(yè)性強(qiáng)的臨床工程師在保障設(shè)備安全運(yùn)行過(guò)程中發(fā)揮著極其重要的作用，尤其是在疫情防控期間外地工程師無(wú)法上門處理時(shí)。因此醫(yī)院應(yīng)加大對(duì)院內(nèi)臨床工程師的培訓(xùn)力度，打造一支本領(lǐng)過(guò)硬的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，這對(duì)于醫(yī)院降低醫(yī)院運(yùn)行成本，減小設(shè)備故障對(duì)給予患者提供良好的診療服務(wù)有著十分重要的意義。