醫用X線機球管燈絲加熱方式的改進

于乃群，汪文標

1. 杭州市蕭山區中醫院 設備科，浙江 杭州 311201；2. 浙江蕭山醫院 設備科，浙江 杭州 311201

引言

醫用X線裝置，包括X線機、CR、DR、CT及DSA等，是醫院放射科用于臨床診斷和治療的重要X線成像設備[1]，使用頻率非常高。X線球管是該類設備中產生X線的核心部件，其作用是陰極（燈絲）發射的電子轟擊陽極靶面，把電能轉換成X線[2]。球管也是X線裝置中比較容易損壞且價格昂貴的零部件，引起“燒燈絲”非正常損壞X線球管的故障原因有多種，X線裝置的硬件或軟件設計缺陷是引發該類故障的重要因素之一。通過如下案例說明，對于屢燒球管燈絲的機器，不能只把損壞的球管一換了之，還要深入分析引起該故障的原因，對機器硬件或軟件設計上的缺陷加以改進，可以大大延長X線球管燈絲的使用壽命。

1 改進案例一

1.1 故障現象

我院早期購買的一臺上海醫療器械廠生產的500 mA搖籃遙控X線機，型號是XG501，主要用于病人的透視和拍片。該機發生屢燒拍片球管大燈絲的現象，更換新X線球管后也只能使用5～6個月。

1.2 故障原因檢查與分析

仔細研讀了該機的燈絲加熱電路[3]，見圖1。以大燈絲200 mA攝影為例加以分析：該機由磁飽和穩壓器，提供X線管燈絲加熱電路提供穩定的加熱電壓和電流[4]，磁飽和穩壓器（WY）輸出-142-大燈絲加熱變壓器初級（DJB1）-冷高壓保護變壓器（LLB）-空間電荷補償變壓器（233、243）-毫安選擇開關（223）-毫安調節電阻2SR-DFJ6-176-磁飽和穩壓器（WY）公用端子為一個回路，大燈絲變壓器得電，燈絲開始加熱。從電路圖也可以看出，燈絲的預熱電壓和它的曝光電壓竟然相同。機器在待機時，燈絲仍然以曝光時的電壓加熱，而不是以降壓預熱。把新買來的球管重新裝配，連接好高壓電纜等線路，開機觀察，無論機器在預熱狀態還是在曝光狀態，燈絲亮度無變化，驗證了該機的球管燈絲預熱電壓和曝光電壓相同的判斷。

1.3 問題解決方法

“屢燒燈絲”的原因已經明確，我們嘗試著增加了一個燈絲預熱降壓電路來解決這一難題（圖1虛線部分）：從176這一點把176和公用端之間的連線斷開，串接一只100 W、200 Ω的線繞可調電阻，在電阻的兩端并聯一副繼電器的常開觸頭J1，繼電器J的線圈與攝影接觸器的線圈SC并聯，電路就接好了。當按下曝光按鈕時，SC線圈和J同時得電，SC的觸頭與J1同時閉合，燈絲由預熱狀態進入加熱狀態。旋轉陽極啟動，經0.8 s延時等一系列曝光準備動作后，電子控時電路觸發主可控硅導通，高壓發生器初級線圈通過主可控硅、接觸器SC觸頭得電，X光產生。曝光結束后，SC和J的線圈同時失電，J1打開，燈絲進入降壓預熱狀態。

圖1 XG501燈絲加熱及改進后的示意圖

本例維修利用了旋轉陽極啟動的0.8 s延時，以及其它曝光準備動作的時間對燈絲進行全電壓加熱，待機時利用可變電阻降壓為燈絲預熱。經實驗，調整可變電阻的阻值在50 Ω左右，燈絲預熱時，各毫安檔燈絲的發光亮度均有明顯下降，曝光時為耀眼的白光。順手微調2SR各個電流檔的阻值校正攝影電流值，滿足曝光時設定的電流量，對新更換的球管進行高壓訓練后交付使用[5]，經三年多的運行，該機器再未發生燒燈絲的現象了。

他院有一臺XG211型200 mA X線機（同為上海醫療器械廠生產），發生與我院的XG501-500 mA X線機雷同的故障，分析該機的電路，發現該機也存在待機時燈絲加的預熱電壓和曝光時的電壓相同的特點[6]，由于這兩款機器的曝光控制電路不同，分析該機的控制電路可知，該機的攝影接觸器線圈得電工作時，接觸器觸頭即時輸出曝光電壓加到高壓變壓器的初級線圈，若和上例同樣改進，燈絲的加熱溫度不夠。但是，只要把待機時燈絲降壓電路的繼電器線圈，與準備繼電器SFJ線圈并聯，剛好可以解決這一問題。接好燈絲預熱降壓電路，調整可變電阻，使待機預熱時的燈絲發光強度降低，當按下曝光手閘，SFJ與燈絲降壓繼電器同時動作，燈絲以全電壓加熱，旋轉陽極啟動，經0.8 s延時后，機器曝光開始。經改進后，燒燈絲的問題得到了解決。

1.4 小結

上述的案例均是由于待機時的燈絲的預熱電壓過高引起的。有資料顯示，用鎢絲制成的陰極射線管，燈絲加熱電壓每提高5%，燈絲的壽命將減少一半[7]。建議廠家能對該類別的機器做一個小小的改進，降低燈絲待機時的預熱電壓，可以有效地延長球管燈絲的使用壽命。

2 改進案例二

2.1 故障現象

我院同時購買了兩臺飛利浦雙板DR，該機具有成像速度快、圖像質量好、動態范圍大以及后處理功能強的優點[8]。在完成裝機使用8個多月的時候，兩臺機器先后發生“燒燈絲”故障，更換了新球管，新球管大燈絲使用壽命均不會超過9個月，不到兩年時間更換了四個球管。

廠家的國內外工程師對兩臺機器進行了十多次檢修，對機器的供電、高壓發生器進行檢測，未發現問題，期間對機器的軟件也進行了升級，依舊未解決燒球管燈絲的問題。

2.2 故障原因檢查與分析

根據廠家工程師檢修時的測量數據，分析如下：高壓發生器供給球管的管電壓以及燈絲的加熱電流穩定可靠，排除了高壓發生器輸出不良引發該故障的可能。問題的焦點落在了機器的曝光條件上了。

（1）數據采集：首先隨機抽某一時間段的20次投照數據，把投照條件列表進行分析，見表1。

（2）以表1中的第10次和第6次投照為例，對比分析一下在該投照條件下的燈絲加熱電流值。查該球管燈絲發射特性Uf/If曲線圖（圖2）。

根據燈絲發射特性曲線，得出第10次投照膝關節（55 kV、882 mA）拍片時的燈絲加熱電流是6.3 A；6號病人胸片（77 kV、829 mA）拍片時的燈絲加熱電流是6.03 A,也就是說，用同等毫安量拍片，電壓值越低，需要燈絲的加熱電流越大。

（3）重新用第10次投照條件進行曝光，用示波器測量的燈絲加熱電流和陽極高壓：燈絲的加熱電流的測量值是6.2 A，陽極高的測量值52.8 kV。燈絲加熱電流的測量值與查燈絲發射特性Uf/If曲線圖得出的數值（6.3 A）基本一致。曝光時的陽極高壓測量值與設定值（55 kV）基本吻合。

表1 20次隨機投照條件統計表

圖2 燈絲發射特性Uf/If曲線圖

（4）根據投照數據與機器特性進一步分析：表1的20次曝光中，使用小于60 kV低電壓投照的四肢片有10次之多（這是我院以骨科為中心的特點）。這10次曝光的燈絲加熱電流也偏高（6.2 A），接近于燈絲允許的最大加熱電流（6.9 A），燈絲在大電流作用下，會造成過度且不均勻蒸發。

該機X線機曝光模式有多種[9]，如本機所用的帶有自動曝光控制（AEC）的電壓持續下降負載模式，和不用AEC 技術的“kV-mAs”模式、“kV-mA-s”模式及“kV-mAs-s”等模式。本案例中第10次曝光的膝關節這個部位，曝光模式默認的是“kV-mAs”模式，這是一個恒定負載雙因數模式，在這個模式下電流和時間的比例是固定的，醫生只能同比例的增加或減少曝光劑量。

（5）在平板X線攝影系統中，電壓表示X線的質，代表X線的穿透力，在低電壓時X線穿透力弱，光子與人體的相互作用以光電效應為主，產生的圖像對比度好[10]，數字圖像后處理系統可以通過對比度增強和顯示窗寬、窗位的調整將信號表現出來[11]，圖形的動態范圍大，細節更加豐富。換言之，在保證X線穿透力的情況下，DR的生產廠家在應用軟件中會盡量設置使用較低的電壓值進行攝影[12]；曝光劑量代表著X線的量，為減少運動偽影，在電流和時間的比例配比上，廠家更傾向于使用大電流和短時間進行攝影[13]。

（6）綜上所述，造成屢燒大燈絲的故障因素如下：第一是低電壓攝影的四肢部位偏多（醫院特色，無法改變的因素）；第二是該類攝影的模式是“kV-mAs”雙因數模式，工廠在該模式中設置的電流偏大、時間偏小（用戶無分別調節毫安和秒比例的權限，工廠可以更改），兩因素疊加，是造成球管燈絲加熱電流過大，引起燈絲過度蒸發、過早損壞的主要原因。

2.3 解決問題的方法

根據上面的分析，與廠家工程師團隊充分溝通，由應用專家進入EVA數據庫修改應用程序，對易引起該故障的四肢投照部位的默認電壓值及電流與時間比例，以及投照模式進行了合理的修改，做到了既保證了圖像質量不受損失，又保證了燈絲不過度蒸發。例如：第10次曝光（膝關節）由“kV-mAs”二因數模式改為“kV-mA-s”三因數模式，千伏由過去的55 kV增加到64 kV，曝光時間由過去的1.7 ms增加到30 ms，管電流由過去的882 mA降低到178 mA，實際測量投照時的燈絲加熱電流為5 A。經多次攝影實驗，更改攝影條件后圖像質量依舊上佳，圖像層次分明，符合臨床的診斷要求。并以此為藍本，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參數，更改參數后的球管連續使用了三年余，再未發生燒燈絲的現象了，問題得到了圓滿地解決。

3 結束語

歸結起來看，醫用X線裝置燒球管燈絲的故障，大都由燈絲加熱電流過大引起[14]，但引起該類故障的原因各不相同，要仔細甄別。在維修工作中要尊重但不要拘泥于工廠的原設計，維修工程其實也是機器再次完善的過程，維修工程師要善于不斷地發現問題—改進—再發現問題—再改進，不斷地完善設備的原硬件和軟件的設計，使維修工程上升到一個更高的層次。