医用X线机球管灯丝加热方式的改进

于乃群，汪文标

1. 杭州市萧山区中医院 设备科，浙江 杭州 311201；2. 浙江萧山医院 设备科，浙江 杭州 311201

引言

医用X线装置，包括X线机、CR、DR、CT及DSA等，是医院放射科用于临床诊断和治疗的重要X线成像设备[1]，使用频率非常高。X线球管是该类设备中产生X线的核心部件，其作用是阴极（灯丝）发射的电子轰击阳极靶面，把电能转换成X线[2]。球管也是X线装置中比较容易损坏且价格昂贵的零部件，引起“烧灯丝”非正常损坏X线球管的故障原因有多种，X线装置的硬件或软件设计缺陷是引发该类故障的重要因素之一。通过如下案例说明，对于屡烧球管灯丝的机器，不能只把损坏的球管一换了之，还要深入分析引起该故障的原因，对机器硬件或软件设计上的缺陷加以改进，可以大大延长X线球管灯丝的使用寿命。

1 改进案例一

1.1 故障现象

我院早期购买的一台上海医疗器械厂生产的500 mA摇篮遥控X线机，型号是XG501，主要用于病人的透视和拍片。该机发生屡烧拍片球管大灯丝的现象，更换新X线球管后也只能使用5～6个月。

1.2 故障原因检查与分析

仔细研读了该机的灯丝加热电路[3]，见图1。以大灯丝200 mA摄影为例加以分析：该机由磁饱和稳压器，提供X线管灯丝加热电路提供稳定的加热电压和电流[4]，磁饱和稳压器（WY）输出-142-大灯丝加热变压器初级（DJB1）-冷高压保护变压器（LLB）-空间电荷补偿变压器（233、243）-毫安选择开关（223）-毫安调节电阻2SR-DFJ6-176-磁饱和稳压器（WY）公用端子为一个回路，大灯丝变压器得电，灯丝开始加热。从电路图也可以看出，灯丝的预热电压和它的曝光电压竟然相同。机器在待机时，灯丝仍然以曝光时的电压加热，而不是以降压预热。把新买来的球管重新装配，连接好高压电缆等线路，开机观察，无论机器在预热状态还是在曝光状态，灯丝亮度无变化，验证了该机的球管灯丝预热电压和曝光电压相同的判断。

1.3 问题解决方法

“屡烧灯丝”的原因已经明确，我们尝试着增加了一个灯丝预热降压电路来解决这一难题（图1虚线部分）：从176这一点把176和公用端之间的连线断开，串接一只100 W、200 Ω的线绕可调电阻，在电阻的两端并联一副继电器的常开触头J1，继电器J的线圈与摄影接触器的线圈SC并联，电路就接好了。当按下曝光按钮时，SC线圈和J同时得电，SC的触头与J1同时闭合，灯丝由预热状态进入加热状态。旋转阳极启动，经0.8 s延时等一系列曝光准备动作后，电子控时电路触发主可控硅导通，高压发生器初级线圈通过主可控硅、接触器SC触头得电，X光产生。曝光结束后，SC和J的线圈同时失电，J1打开，灯丝进入降压预热状态。

图1 XG501灯丝加热及改进后的示意图

本例维修利用了旋转阳极启动的0.8 s延时，以及其它曝光准备动作的时间对灯丝进行全电压加热，待机时利用可变电阻降压为灯丝预热。经实验，调整可变电阻的阻值在50 Ω左右，灯丝预热时，各毫安档灯丝的发光亮度均有明显下降，曝光时为耀眼的白光。顺手微调2SR各个电流档的阻值校正摄影电流值，满足曝光时设定的电流量，对新更换的球管进行高压训练后交付使用[5]，经三年多的运行，该机器再未发生烧灯丝的现象了。

他院有一台XG211型200 mA X线机（同为上海医疗器械厂生产），发生与我院的XG501-500 mA X线机雷同的故障，分析该机的电路，发现该机也存在待机时灯丝加的预热电压和曝光时的电压相同的特点[6]，由于这两款机器的曝光控制电路不同，分析该机的控制电路可知，该机的摄影接触器线圈得电工作时，接触器触头即时输出曝光电压加到高压变压器的初级线圈，若和上例同样改进，灯丝的加热温度不够。但是，只要把待机时灯丝降压电路的继电器线圈，与准备继电器SFJ线圈并联，刚好可以解决这一问题。接好灯丝预热降压电路，调整可变电阻，使待机预热时的灯丝发光强度降低，当按下曝光手闸，SFJ与灯丝降压继电器同时动作，灯丝以全电压加热，旋转阳极启动，经0.8 s延时后，机器曝光开始。经改进后，烧灯丝的问题得到了解决。

1.4 小结

上述的案例均是由于待机时的灯丝的预热电压过高引起的。有资料显示，用钨丝制成的阴极射线管，灯丝加热电压每提高5%，灯丝的寿命将减少一半[7]。建议厂家能对该类别的机器做一个小小的改进，降低灯丝待机时的预热电压，可以有效地延长球管灯丝的使用寿命。

2 改进案例二

2.1 故障现象

我院同时购买了两台飞利浦双板DR，该机具有成像速度快、图像质量好、动态范围大以及后处理功能强的优点[8]。在完成装机使用8个多月的时候，两台机器先后发生“烧灯丝”故障，更换了新球管，新球管大灯丝使用寿命均不会超过9个月，不到两年时间更换了四个球管。

厂家的国内外工程师对两台机器进行了十多次检修，对机器的供电、高压发生器进行检测，未发现问题，期间对机器的软件也进行了升级，依旧未解决烧球管灯丝的问题。

2.2 故障原因检查与分析

根据厂家工程师检修时的测量数据，分析如下：高压发生器供给球管的管电压以及灯丝的加热电流稳定可靠，排除了高压发生器输出不良引发该故障的可能。问题的焦点落在了机器的曝光条件上了。

（1）数据采集：首先随机抽某一时间段的20次投照数据，把投照条件列表进行分析，见表1。

（2）以表1中的第10次和第6次投照为例，对比分析一下在该投照条件下的灯丝加热电流值。查该球管灯丝发射特性Uf/If曲线图（图2）。

根据灯丝发射特性曲线，得出第10次投照膝关节（55 kV、882 mA）拍片时的灯丝加热电流是6.3 A；6号病人胸片（77 kV、829 mA）拍片时的灯丝加热电流是6.03 A,也就是说，用同等毫安量拍片，电压值越低，需要灯丝的加热电流越大。

（3）重新用第10次投照条件进行曝光，用示波器测量的灯丝加热电流和阳极高压：灯丝的加热电流的测量值是6.2 A，阳极高的测量值52.8 kV。灯丝加热电流的测量值与查灯丝发射特性Uf/If曲线图得出的数值（6.3 A）基本一致。曝光时的阳极高压测量值与设定值（55 kV）基本吻合。

表1 20次随机投照条件统计表

图2 灯丝发射特性Uf/If曲线图

（4）根据投照数据与机器特性进一步分析：表1的20次曝光中，使用小于60 kV低电压投照的四肢片有10次之多（这是我院以骨科为中心的特点）。这10次曝光的灯丝加热电流也偏高（6.2 A），接近于灯丝允许的最大加热电流（6.9 A），灯丝在大电流作用下，会造成过度且不均匀蒸发。

该机X线机曝光模式有多种[9]，如本机所用的带有自动曝光控制（AEC）的电压持续下降负载模式，和不用AEC 技术的“kV-mAs”模式、“kV-mA-s”模式及“kV-mAs-s”等模式。本案例中第10次曝光的膝关节这个部位，曝光模式默认的是“kV-mAs”模式，这是一个恒定负载双因数模式，在这个模式下电流和时间的比例是固定的，医生只能同比例的增加或减少曝光剂量。

（5）在平板X线摄影系统中，电压表示X线的质，代表X线的穿透力，在低电压时X线穿透力弱，光子与人体的相互作用以光电效应为主，产生的图像对比度好[10]，数字图像后处理系统可以通过对比度增强和显示窗宽、窗位的调整将信号表现出来[11]，图形的动态范围大，细节更加丰富。换言之，在保证X线穿透力的情况下，DR的生产厂家在应用软件中会尽量设置使用较低的电压值进行摄影[12]；曝光剂量代表着X线的量，为减少运动伪影，在电流和时间的比例配比上，厂家更倾向于使用大电流和短时间进行摄影[13]。

（6）综上所述，造成屡烧大灯丝的故障因素如下：第一是低电压摄影的四肢部位偏多（医院特色，无法改变的因素）；第二是该类摄影的模式是“kV-mAs”双因数模式，工厂在该模式中设置的电流偏大、时间偏小（用户无分别调节毫安和秒比例的权限，工厂可以更改），两因素叠加，是造成球管灯丝加热电流过大，引起灯丝过度蒸发、过早损坏的主要原因。

2.3 解决问题的方法

根据上面的分析，与厂家工程师团队充分沟通，由应用专家进入EVA数据库修改应用程序，对易引起该故障的四肢投照部位的默认电压值及电流与时间比例，以及投照模式进行了合理的修改，做到了既保证了图像质量不受损失，又保证了灯丝不过度蒸发。例如：第10次曝光（膝关节）由“kV-mAs”二因数模式改为“kV-mA-s”三因数模式，千伏由过去的55 kV增加到64 kV，曝光时间由过去的1.7 ms增加到30 ms，管电流由过去的882 mA降低到178 mA，实际测量投照时的灯丝加热电流为5 A。经多次摄影实验，更改摄影条件后图像质量依旧上佳，图像层次分明，符合临床的诊断要求。并以此为蓝本，修改了曝光程序中的全部的低千伏、大毫安的四肢部位曝光参数，更改参数后的球管连续使用了三年余，再未发生烧灯丝的现象了，问题得到了圆满地解决。

3 结束语

归结起来看，医用X线装置烧球管灯丝的故障，大都由灯丝加热电流过大引起[14]，但引起该类故障的原因各不相同，要仔细甄别。在维修工作中要尊重但不要拘泥于工厂的原设计，维修工程其实也是机器再次完善的过程，维修工程师要善于不断地发现问题—改进—再发现问题—再改进，不断地完善设备的原硬件和软件的设计，使维修工程上升到一个更高的层次。