GE Signa HDxt 1.5T 核磁共振梯度系統故障排除

寧夏醫科大學腫瘤醫院 放射科，寧夏 銀川 750004

引言

核磁共振中的梯度系統用于進行空間定位，由X、Y、Z三個梯度線圈分別產生三個軸向的梯度磁場疊加在主磁場上，由此使成像區域內各處的磁場強度各不相同，決定層面位置，實現磁場的空間位置編碼，并且在掃描過程中可以快速改變磁場的方向與強度，迅速完成三維編碼[1]。梯度線圈的線性是衡量梯度場平穩性的指標。線性越好，表明梯度場越精確，圖像的質量就越好，如果梯度場的線性不佳，圖像的邊沿上可能產生空間和強度的畸變[2]。

梯度放大器負責給梯度線圈供電，使得梯度線圈在成像空間產生一個線性變化的梯度磁場，故梯度放大器單元是核磁共振設備的核心部件之一[3]。為獲得高質量的圖像，要求梯度放大器能對電感負載（梯度線圈）提供精度高、變化快的電流脈沖，其典型輸出波形為梯形[4]。梯度放大器的控制系統通過調節開關器件（IGBT-Insulated Gate Bipolar Transistor）的占空比，來改變輸出電壓[5]。

1 GE Signa HDxt 1.5T MR梯度系統的工作原理

如圖1所示，GE公司的Signa HDxt核磁共振的梯度系統主要包含：梯度數據的產生和數據的傳輸部分（SRF/TRF板和STIF板）；梯度系統處理器（GIP/GAP/GP）；X、Y和Z軸三個梯度放大器（Amp）和一個梯度電源（Power Supply）；濾波器（Filter）；梯度線圈（Gradient coils）[6]。

圖1 GE Signa HDxt 1.5T MR梯度系統的工作原理

1.1 梯度系統正常的狀態燈

GE signa HDxt 1.5T MR的梯度系統，在梯度電源控制板和梯度放大器控制板上提供了很多狀態指示燈，可以非常明確地指示梯度電源和梯度放大器的故障狀態，根據廠家提供的維修手冊，可以很明確地知道每個狀態燈所指示的含義。正常狀態下，梯度電源控制板會亮“FREQ”“GD”“LEFT FF”“RIGHT FF”和“ENABLE”五個燈，梯度放大器控制板只有“GATDR”一個燈亮，如出現其他狀態燈點亮的情況，則表明可能有故障發生[7]。

1.2 狀態燈指示的含義

1.2.1 梯度放大器狀態燈

梯度放大器常見的故障，一般會導致三個指示燈點亮（桔黃色）[8]。

（1）“UV”表示梯度放大器供電電壓過低，也就是梯度放大器輸出電壓低于正常值或者沒有輸出；

（2）“OV”表示梯度放大器供電電壓過高，也就是梯度放大器輸出電壓高于正常值；

（3）“CUV”表示梯度放大器的門控驅動板控制電壓低。

1.2.2 梯度電源狀態燈（X，Y，Z分別代表三個梯度軸向的輸出）[9]。

梯度電源常見的故障，一般會導致相應的指示燈點亮，如表1所示。

表1 梯度電源故障燈

2 梯度系統常見故障兩例

2.1 故障一

2.1.1 故障現象

系統無法掃描，提示梯度系統沒有準備好，錯誤日志中提示“The GP report SGA Power Supply Internal Wiring Faults or Control Under voltages”，意為：梯度處理器報告梯度電源內部線路故障或者控制電壓低[10]。

2.1.2 故障分析

根據錯誤日志提示的內容，觀察梯度電源控制板和梯度放大器控制板的狀態指示燈，發現Z軸放大器控制板上“CUV”燈亮，對應手冊中的解釋，表明梯度放大器門控驅動板的控制電壓低，同時X軸，Y軸和Z軸梯度放大器控制板上“UV”燈都亮，表明梯度電源的供電電壓低于正常值或沒有供電輸出。

梯度電源控制板上“ISECZ”燈亮，對應手冊中的解釋“They will light up when the Gradient Amplifier for that axis pulls current from the power supply”，表明梯度電源檢測到Z軸梯度放大器拉低了電源的輸出電壓，可能Z軸梯度放大器存在過流的情況。

2.1.3 故障解決

查Z軸梯度放大器門控驅動板，發現一個貼片鉭電容（型號35V 22UF）和一個貼片二極管（型號ED 2C）擊穿，更換同型號元件，開機測試，“CUV”故障燈滅，故障消除。

查Z軸梯度放大器內部線路，拆除上面的電容板，使用萬用表二極管檔檢測，如圖2所示，②腳對①腳和①腳對③腳有短路的情況，更換同型號IGBT，“UV”故障燈滅，故障消除。

圖2 FF300R12KS4型IGBT內部電路

2.2 故障二

2.2.1 故障現象

系統掃描功能正常，系統掃描無報錯，但掃描時三平面圖像和DWI ( Diffusion Weighted image ) 圖像有重影[11]，如圖3，其他T1，T2等序列圖像正常。

圖3 重影故障圖像

2.2.2 故障分析

首先分別測試體模式，頭模式和多通道線圈掃描，該重影都存在，說明故障不是由線圈自身引起。

考慮該偽影出現在三平面和彌散序列，而這兩個序列都屬于梯度序列，梯度系統可能存在異常[12]。做系統梯度測試，測試結果報錯“Gradient Driver Test-Static Test Failed on the Z Axis”，意為Z軸梯度靜態測試失敗，說明Z軸梯度放大器可能存在問題[13]。

交換Z和Y軸梯度放大器上的控制板，再做測試，系統報錯變為Y軸，說明問題出現在Z軸梯度放大器的控制板上[14]。取下控制板，仔細觀察發現該電路板上的一個35 V 1000 uf的電解電容頂部微鼓，用萬用表電容檔測量后確認其損壞。

2.2.3 故障解決

更換同型號的電容后，做梯度測試正常，掃描圖像三平面和DWI圖像重影消失。

3 總結分析

根據日常工作經驗，總結得出以下維修方法。

3.1 三個軸梯度放大器只亮“GATDR”燈和“UV”燈

該現象表示X，Y和Z軸梯度放大器同時檢測到梯度電源無電壓供給，梯度電源停止了對X，Y，Z三個梯度放大器的電壓輸出，通常三個梯度放大器控制板會同時亮“UV”燈。這時，需要同時觀察梯度電源的控制板是否有“ISEC”或者“ISOC”燈點亮[15]。

如沒有“ISEC”或者“ISOC”燈點亮，說明梯度放大器沒有過流的情況發生，故障點在梯度電源，通常是梯度電源的整流橋堆短路。梯度電源分別有X，Y和Z三路一模一樣的電源輸出，每一路電源輸出有四個橋堆，型號是IXYS DSEI 2X61-12B[16]。

如有“ISEC”或者“ISOC”燈點亮，說明對應的X，Y或者Z軸的梯度放大器肯定有短路，通常是IGBT短路（已在本文2.1中敘述）或者母線排上的方形電容短路，梯度放大器作為梯度電源的負載，如果出現短路故障，很可能會燒毀梯度電源，所以存在梯度放大器和梯度電源同時故障的情況，要同時檢測梯度放大器的IGBT或電容和梯度電源的整流橋堆是否有短路[17]。

3.2 梯度放大器只亮“GATDR”燈和“OV”

該現象表示梯度放大器檢測到梯度電源輸出電壓過高，因為母線排下方的375 V，3900 UF的電解電容泄露電解液，導致輸入端分壓電路的電阻值發生改變，從而分壓比發生改變，導致OV[18]。

3.3 梯度放大器只亮“GATDR”燈和“CUV”

“CUV”表示梯度放大器門控驅動板的控制電壓低，原因有兩個：① 門控驅動板的控制回路短路（鉭電容或二極管短路，已在本文2.1節中敘述）；② IGBT的控制端短路，導致控制電壓低（IGBT控制端正常是開路狀態，阻抗無限大）。門控驅動板原裝鉭電容型號是CN22-35L，可以使用226V 125K2代替[19]，二極管型號是ED 2C，可以使用4148代替[20]。