磁共振梯度放大器的分析與檢修

孔德炎

杭州師范大學(xué)附屬醫(yī)院 設(shè)備維修中心，浙江 杭州 310015

磁共振梯度放大器的分析與檢修

孔德炎

杭州師范大學(xué)附屬醫(yī)院 設(shè)備維修中心，浙江 杭州 310015

本文介紹了GE 0.35T磁共振梯度放大器的構(gòu)成、原理和一例故障維修實(shí)例。

磁共振系統(tǒng)；梯度放大器；故障維修

0 前言

梯度系統(tǒng)是MRI系統(tǒng)的核心部件，它負(fù)責(zé)給梯度線圈供電，使梯度線圈在成像空間產(chǎn)生一個(gè)X、Y、Z正交的三維空間線性變化的梯度磁場(chǎng)，由此使成像區(qū)域內(nèi)各處的磁場(chǎng)不同，實(shí)現(xiàn)成像體素的選層和空間編碼的功能。這三個(gè)梯度分別由三個(gè)正交的梯度直流線圈來(lái)產(chǎn)生，每一組線圈要求有一個(gè)獨(dú)立的電流驅(qū)動(dòng)放大器供電。放大器要求開關(guān)時(shí)間短，切換率高，輸出電流精確。由于放大器長(zhǎng)期工作在高壓大電流狀態(tài)下，相對(duì)故障率比較高。本文將遇到的一例梯度放大器故障分析與檢修過(guò)程總結(jié)如下，供同行參考。

1 故障現(xiàn)象

GE Excite 0.35T MRI掃描時(shí)報(bào)錯(cuò)“Gradient Auxiliary Power Fault”，不能繼續(xù)掃描。查看錯(cuò)誤記錄發(fā)現(xiàn)在前幾天也偶有報(bào)錯(cuò)出現(xiàn)，詢問(wèn)技術(shù)人員說(shuō)出錯(cuò)后仍能繼續(xù)掃描，因此未重視該報(bào)錯(cuò)。

2 原理分析

該機(jī)型的梯度系統(tǒng)采用的是ANALOGIC公司生產(chǎn)的AN8295。該梯度系統(tǒng)做成一個(gè)單獨(dú)的模塊，與主系統(tǒng)相連的只有交流輸入電源、梯度的負(fù)載（梯度線圈）、梯度數(shù)據(jù)接口。它接收從主機(jī)過(guò)來(lái)的數(shù)字化梯度信號(hào)，在內(nèi)部轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，通過(guò)3個(gè)軸放大器放大后輸出到梯度線圈上，產(chǎn)生所需要的梯度場(chǎng)。其內(nèi)部包括電源供應(yīng)單元（PSU）、3個(gè)梯度軸放大器、梯度控制器（GC）、輸出過(guò)濾和冷卻風(fēng)扇等。主電源單元提供梯度軸放大器所需要的受梯度控制器（GC）控制開通和關(guān)斷的高壓，同時(shí)PSU也產(chǎn)生輔助的+8V直流電源供GC和+48V供冷卻風(fēng)扇。±15V、+5V供PSU控制用。

3 故障檢修

圖1 PSU單元工作原理圖

首先觀察梯度組件，在前面板上可見到Fault、Standby、Ready 3個(gè)指示燈，重啟系統(tǒng)后觀察到梯度Standby燈亮，定位后選好掃描序列保存后Ready燈亮，掃描開始時(shí)聽到放大器起振聲后發(fā)現(xiàn)Ready燈滅，F(xiàn)ault燈亮，然后梯度系統(tǒng)進(jìn)入自恢復(fù)狀態(tài)，恢復(fù)完成后Fault燈滅、Ready燈亮。但放大器一開始工作，Ready燈就滅，F(xiàn)ault燈亮，幾個(gè)周期后梯度系統(tǒng)進(jìn)入Standby，主機(jī)報(bào)梯度未準(zhǔn)備好。從以上信息推斷：梯度接受和處理梯度信號(hào)正常，故障是在梯度軸放大器工作時(shí)才出現(xiàn)。根據(jù)錯(cuò)誤信息，首先用萬(wàn)用表測(cè)量各輔助電源的輸出，發(fā)現(xiàn)與手冊(cè)標(biāo)稱值一致，測(cè)量GC板上各供電的三端電源控制芯片電壓也都正常。測(cè)量PSU高壓輸出，在Ready狀態(tài)時(shí)輸出為300V，F(xiàn)ault時(shí)電壓快速下降。由此考慮是否是由于梯度軸放大器工作后供電電流過(guò)大引起電源保護(hù)。為明確電源保護(hù)的原因，我們把PSU單元從組件里拆下，對(duì)應(yīng)實(shí)物畫了一個(gè)框圖，如圖1所示。

從圖中分析，主電源由相移諧振控制芯片UC3879控制全橋逆變電路構(gòu)成，主要相關(guān)控制信號(hào)為誤差放大器輸入端（EA）：根據(jù)反饋信號(hào)來(lái)控制輸出電壓的大小；電流傳感端（CS）：通過(guò)對(duì)主回路的電流取樣保護(hù)主回路不過(guò)流；芯片初級(jí)供電端（Vin）：芯片內(nèi)部邏輯和模擬部分供電端，通過(guò)對(duì)供電的控制來(lái)控制主電源的通斷。明確了幾個(gè)測(cè)量點(diǎn)后上機(jī)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)EA和CS都沒(méi)有達(dá)到引起保護(hù)的條件，停機(jī)信號(hào)還是由PSU上的CPU發(fā)出的，這樣就排除了由于過(guò)流引起的保護(hù)。在打開后背板冷卻風(fēng)扇的門測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)機(jī)器突然又能正常掃描了。于是反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)后背板合上時(shí)機(jī)器出故障，打開后過(guò)幾分鐘機(jī)器又正常。這兩者之間唯一不同的就是機(jī)柜內(nèi)的溫度不同，從而分析是由于某元器件性能不良引起，并且是當(dāng)溫度升高時(shí)改善了該元件的電氣特性從而使機(jī)器恢復(fù)正常。縱觀各電氣元件的溫度特性，除了電解電容的容量會(huì)隨著溫度的增加而增加，其他元件的電氣特性一般都隨著溫度的增加而性能下降。從而我們重點(diǎn)懷疑是內(nèi)部某個(gè)電容性能不良引發(fā)的故障。

從前面的檢修過(guò)程中分析，主電源能穩(wěn)定地輸出300V，熱機(jī)時(shí)機(jī)器又能正常掃描，停機(jī)信號(hào)是由CPU發(fā)出，說(shuō)明主電源和梯度軸放大器應(yīng)該沒(méi)有問(wèn)題，重點(diǎn)檢查小信號(hào)處理部分的電路。結(jié)合機(jī)器報(bào)錯(cuò)信息，重點(diǎn)檢查輔助電源。再次測(cè)量小信號(hào)處理部分輔助電源，分為三組輸出：±21V和8.1V，其中±21V輸出分別接三端穩(wěn)壓集成電路輸出±15V。8.1V一路接5V穩(wěn)壓電路供PSU使用，一路送到GC板。用示波器監(jiān)測(cè)8.1V輸出電壓，發(fā)現(xiàn)在故障發(fā)生時(shí)瞬間有大約1V的下降，而機(jī)器正常時(shí)該電壓穩(wěn)定在8.1V，這就證明故障確實(shí)在輔助電源上，分析是由于軸放大器工作時(shí)，輔助電源要提供更多的功率輸出給軸放大器小信號(hào)處理部分電路，從而導(dǎo)致輔助電源輸出功率增加。而由于輔助電源故障帶負(fù)載能力下降，不能輸出足夠的功率而導(dǎo)致輸出電壓下降。根據(jù)實(shí)物畫出輔助電源草圖，如圖2所示。

圖2 電源電路簡(jiǎn)圖

該電路由單片電源控制芯片TOP227Y組成，繞組7、8組成反饋電壓繞組，反饋電壓通過(guò)整流后加在穩(wěn)壓管和控制極之間，通過(guò)改變控制極的電流改變脈寬，達(dá)到穩(wěn)壓作用，控制極外接的電阻R、電容C是控制回路的補(bǔ)償元件。從圖中分析引起電源帶負(fù)載能力下降的最可能原因是接在控制極上的電容,該電容除了提供內(nèi)部驅(qū)動(dòng)功率管的驅(qū)動(dòng)電流外又是控制電路的定時(shí)電容，決定自恢復(fù)時(shí)間。當(dāng)該電容容量下降，使得當(dāng)電源輸出功率增加時(shí)，電流驅(qū)動(dòng)能力不夠，控制回路補(bǔ)償不足引起開關(guān)電源短時(shí)間停振，出現(xiàn)輸出電壓的下降，表現(xiàn)為帶負(fù)載能力下降。于是更換同規(guī)格電容后試機(jī)，機(jī)器恢復(fù)正常。

4 總結(jié)

該機(jī)在檢修過(guò)程中最大的誤區(qū)是沒(méi)有足夠重視機(jī)器本身的報(bào)錯(cuò)，在用萬(wàn)用表檢測(cè)輔助電源電壓正常后就認(rèn)為輔助電源沒(méi)有問(wèn)題，忽略了電源的帶負(fù)載能力，從而在分析故障時(shí)走了彎路。同時(shí)也提醒我們，在檢測(cè)機(jī)器時(shí)除了檢測(cè)機(jī)器靜態(tài)狀況下的指標(biāo)外，還要檢測(cè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)，以免走彎路。

[1]周祖亮,等.OUTLOOK 0.23T磁共振梯度系統(tǒng)的故障檢修2例[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2007,28(3):55-56.

[2]張?jiān)仆?醫(yī)學(xué)影像檢查技術(shù)學(xué)[M].北京:人民衛(wèi)生出版社,2005.

[3]黃繼英,染星原.磁共振成像原理[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,1998.

[4]劉勝利.現(xiàn)代開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001.

[5]裴作升,王萬(wàn)筆,朱襄明,等.磁共振成像設(shè)備的使用與維護(hù)[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2010,(3):116-117.

Analysis and Troubleshooting to Gradient Amplifiers of MRI

KONG De-yan
Equipment Maintenance Center, The Affiliated Hospital of Hangzhou Normal University, Hangzhou Zhejiang 310015, China

TH789

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.02.049

1674-1633(2011)02-0130-02

2010-07-03

作者郵箱：kong69072@163.com