Siemens 64排CT机疑似球管的高压故障维修两例

1.中国中医科学院望京医院 设备处，北京 100102；2.北京市顺义区医院 器械科，北京 101300

引言

目前，计算断层扫描诊断系统（Computed Tomography，CT）是医院里的一种常见检查设备，可用于多种疾病的诊断，应用十分普遍，尤其是对于中枢神经系统疾病的诊断结果更加高效[1-2]。除此之外，CT检查还可用于头颈部疾病的诊断、胸部疾病的诊断、心脏及大血管的检查，尤其是对大血管的检查具有重要的意义[3]。因此，由于其特殊的诊断价值，CT诊断已广泛应用于临床。随着计算机水平的发展，CT机在工艺上得到了极大的改进，多排螺旋CT被逐步研制出来[4]。Siemens Definition 64排CT工艺相对较为成熟，为目前应用较为广泛的一种CT机，诊断功能较为全面，符合大部分医院的基本要求[5]。CT机的购置成本较高，结构较为复杂，虽然大部分操作人员在使用过程中已经格外注意，但随着使用年限的增加，其故障的发生仍然是难以避免的，特别是一些内部精密元件，一旦发生故障，维修过程往往较为复杂，CT的球管即为一种精密的内部元件，属于高真空元器件，具有一定的寿命，但更换价格非常昂贵。工程师在发现CT机出现疑似球管故障时产生的现象，往往先考虑球管问题居多，但如果根本原因不是球管的问题，贸然更换球管不仅会给医院带来不必要的经济损失，还会对CT机造成损伤。本文就疑似球管问题给出两个非球管损坏的维修案例，总结分析出现故障的原因、提出解决问题的办法。

1 高压发生器的工作原理与球管的基本构成

1.1 高压发生器的工作原理

高压发生器是CT的一个重要的组成部件，可以为其提供电源和球管的接口。高压发生器主要用来产生稳定的具有足够功率的直流高压供给CT球管，同时提供旋转阳极驱动电压为球管灯丝供电压产生稳定的管电流，其基本的工作原理简述如下。

在高压曝光之前，CT主控电脑会向高压发生器发出指令，提供要求曝光的参数条件，主要包括kV值和mA值。高压发生器接到指令后先对自身状态进行检测，确认一切正常后，发出“GEN OK”信号给主计算机。CT主机接到反馈信息以后，下达曝光命令，高压发射器启动旋转阳极，激励灯丝电流，调整高压变压器初级电压达到CT要求参数值后，开始产生高压供给球管曝光。在整个曝光期间，不断根据管电流的变化，及时调整高压初级电压以保证整个曝光过程产生平稳的脉冲高压和较为恒定的管电流，一旦检测到高压参数异常，立即切断曝光并报出错误代码[6-7]。

1.2 球管的基本组成

CT的球管主要由管芯、管套、散热器、绝缘油以及一些附属配件等组成。其中管芯是球管的核心部件，它是由阳极和阴极组成。球管的实物图，见图1。

图1 球管实物图

球管的管芯由玻璃芯棒的阳极端与阴极端组成。玻璃芯棒是一种玻璃外壳，可以使球管内保持真空状态，并对阴极和阳极起到支撑作用，因为其与X射线接触的特殊性，本机型的芯棒采用的是以硅为主要成分的硼酸硬质玻璃，这也是大部分CT机所采用的材质，该玻璃材质具有耐高温、绝缘强度高、膨胀系数小的特点[8]。阴极端的作用是将电子发射出去，使电子进行聚焦，进而轰击阳极产生X射线；而阳极端的靶具有接受电子轰击辐射出的X射线的作用，也能够散发热量，阳极靶的灯丝一般采用钨作为制作材料，其具有原子序数高、熔点高、高温时蒸汽压力低等优点，熔点可达到3370℃，熔点极高，高温下不会蒸发，在高温下有一定的发射能力[9]。同时，钨材料具有较好的延展性和抗张性，能拉成细丝而制成一定形状，容易加工，在强电场吸引下不易发生形变。阳极靶为球管的散热部分[10]。绝缘油则存在于一段缓冲管中，当球管持续工作并产生热量时，绝缘油的体积增大，起到缓冲作用。

球管内部阳极部位还含有一个定子，阳极呈圆盘状，非常厚重，它需要牢固的安装在轴承中旋转的轴上，在同一轴上还装有一个感应电子流动的转子，该转子以铜为原料做成圆柱形，电动机的定子套在X射线管玻壳的外面，流经定子绕组的电流建立起一个旋转磁场，带动转子转动，也就带动了阳极旋转，管子的阴极装有卷成螺旋管状的钨灯丝，其位置偏离管子中心轴线[11]。

球管的外壳部分有机臂、球管窗口、耳轴区域等。机壁包含有连接给X射线发生装置供电的高压电缆的插座；球管窗口为X射线的出口，同时X射线的瞄准仪也是安装在这里；耳轴区域分布在球管的四周，为夹紧机架特意提供了一个耳轴环，这环能使球管机架安全放心地固定在球管安放处。

2 故障实例

2.1 故障一

2.1.1 故障现象

之前因为球管故障更换straton球管，使用一年后，在大剂量扫描条件下，扫描时而中断，如果把扫描剂量降低一些，扫描可正常进行。

2.1.2 故障分析

当这种情况发生以后，维修工程师一般最先的怀疑对象为球管，可能是球管的管芯耐压性降低，造成球管打火，从而导致扫描中断。

2.1.3 故障检修

Siemens的CT中，高压部件主要包括球管、高压油箱（HV tank)、高压逆变箱（Electronic Box）、高压控制板（D400）、高压电缆。球管的电压是由UDC直流电压经Invert转换成高频交流电压，再由高压油箱（HV tank）整流升压得到。灯丝的驱动是由UDC直流电压经Invert（D470）转换成交流电压，再经隔离变压器，高压电缆连接到球管。旋转阳极的驱动是由UDC直流电压经Invert（E550）转换成交流电压提供（图2）。

图2 CT高压部分转换图

根据现有CT曝光时的现象分析，该CT在低剂量条件下能正常扫描、曝光，而在高剂量扫描条件下，曝光时扫描就会中断，可以初步排除高压主控板（D400）和高压电缆的问题，那么问题有可能存在于球管、高压油箱、高压逆变箱这三个部件。我们可以通过使用假负载（dummy plug）来分析该故障是否与球管有关，首先，断开球管正负极电缆，接上假负载代替球管，运行HV01测试，130 kV测试通过，这说明高压油箱正常，按照以往的经验应该判断为管球坏了。但是，从西门子后台错误日志中显示并未有打火报错，仅仅在管球曝光历史记录里，显示实际曝光的电压总比正常的电压要低10 kV左右。从球管处测量灯丝电压，显示正常，测量线圈电阻也正常。因为HV01测试通过，HV tank故障排除在外，考虑到球管为最新更换的，并未达到其使用寿命的极限，除球管外，可能存在故障的部件就剩下高压逆变器了。故障排除主要涉及项目，见图3。

图3 球管故障排除涉及的主要项目

通过图3中的线路原理图分析可知，IGBT模块没问题，因为IGBT有问题设备都无法启动，低剂量曝光也不能完成扫描，因此，怀疑逆变中的lC谐振电路出现问题。打开逆变器后检查，发现电容已经开裂损坏，通过分析发现，谐振电容的容量降低，变压器的初级电流变小，无法满足高剂量扫描条件下的电流输出，所以才导致故障频繁出现，更换电容后系统恢复正常。

2.2 故障二

2.2.1 故障现象

在一个病人正常完成检查以后，第二个病人加载条件后无法曝光。后台报错信息为“CT_XRS 3040 control error XRS”。报错界面，见图4。

图4 故障报错界面

2.2.2 故障分析

该报错信息直接指向高压部分，提示可能的错误包含高压主控板（D400）、FIL/RAC、球管、MCB通信板等。尽管将整个机架断电重启一下就可以继续扫描，但是这种情况从几天一次，发展到了一天几次。

2.2.3 故障检修

从故障现象到后台错误提示，一般情况下都可以怀疑是球管旋转阳极轴承的问题，特别该球管已经扫描了70万次了，已经接近使用寿命。但唯独不能解释的就是断电重启后可以正常扫描，而且扫描并没有听见旋转阳极轴承异响。随后，我们进行了一系列测试，进入西门子维修模式做旋阳测试，所有测试项目全部通过；在CT机可以正常扫描的情况下做MCBfireware程序刷新，顺利通过；为了排除控制信号或反馈信号异常的现象，我们更换了D400板，重新启动机器，发现故障现象仍然存在；检查FIL/RAC板，更换电路板上的部分电容，故障仍然存在，排除电子元件老化带来此次异常的可能性。此时，重新审视故障的关键点，每次都是关机重启后就可以扫描一段时间，考虑可能是电路板元器件的热效应不好，工作一段时间后器件发热造成此次故障。电路板电路图，见图5。

图5 电路板电路图

我们再次把问题锁定旋阳驱动板（D115）。拆下旋阳驱动板仔细检查，发现该板的旋阳驱动模块连接着一个很大的散热片，在散热片的后面有藏着一个温控开关，该温控开关并未在图纸上表明。实际测量发现，温控开关控制进入RAC DRIVE模块的18 V供电。拆下旋阳驱动模块，发现和散热片之间的导热硅脂基本没有，而且附着有一层油样的物质，IGBT模块发热量很大，由于接触不好造成热量散不掉触动温控开关而停止给IGBT供电，从而导致旋转阳极驱动板不工作。

接着的处理办法比较简单，清理IGBT及散热片，重新涂抹导热硅脂，安装好温控开关，恢复设备，开机再进行扫描，设备一直工作正常，连续工作几周再未出现错误，由此判定该故障彻底解决。

3 总结与讨论

通过以上两个维修案例我们可以得出一些经验，CT高压发生器的一些故障，虽然表面上指向都是球管，但是最终都不是球管本身的问题。在遇见这样问题时一定先排除球管以外的一切可能，不要轻易下结论更换球管，因为毕竟球管是高值备件动辄几十万上百万，一旦判断错误医院损失巨大。我们应该仔细分析问题的产生的原因，探寻真相，解决问题。该维修思路同样适合于CT机其他疑似高值备件发生故障时，也适合于除CT机以外的其他大型医疗设备。高值的备件应该充分发挥其医疗价值，不应轻易进行更换。

除此之外，CT机属于常用的价值较高的医疗设备，我们不仅要做到“坏了会修”，更要做到“防患未然”，所有操作人员均应该经过严格的上岗培训，防止因操作失误对CT机造成不必要的损伤[12-14]。同时，应该做好平时质量控制与预防性维护工作，将CT机等大型医疗设备列入医院医疗设备质量控制的重点工作，减少其故障发生率，避免故障现象的发生[15-16]。