醫用3.0T磁共振成像儀梯度系統故障三例

邵曉寧，呂佩穎，劉良，孟炯，程敬亮

鄭州大學第一附屬醫院 磁共振科，河南 鄭州 450000

引言

磁共振設備是一種高端醫療設備，不僅可以反映解剖信息，還可以進行功能和代謝成像，臨床應用非常廣泛[1-2]。磁共振成像設備結構復雜，包括磁體、梯度、射頻、計算機及譜儀、附屬設備等子系統[3-4]。其中梯度系統是磁共振設備重要組成部分，主要用來產生高功率、高切換率、高線性度的梯度信號，用于對磁共振信號進行空間編碼，從而確定信號的空間位置。梯度系統主要包括梯度控制器、數模轉換器、梯度放大器、梯度線圈及附屬冷卻系統[5]。梯度系統功率高、發熱量大，需要通過風冷、水冷的方式進行降溫[6]。梯度系統故障將導致圖像質量降低，甚至整個設備停機[7]。

我院配備了多臺西門子磁共振成像儀及GE 3.0 T 磁共振成像設備，現將日常運行中遇到的具有代表性的梯度系統故障進行總結，包括梯度線圈水冷系統故障、梯度放大器故障及梯度放大器散熱風扇故障。對梯度系統故障進行分析，有利于快速定位問題排除故障，提高設備使用率。

1 梯度系統原理及構成

梯度系統主要用于提供磁共振信號空間定位所需要的三維梯度磁場，在梯度回波和其他一些快速成像序列中，梯度系統還起到聚相作用[8]。梯度系統由梯度控制器、數模轉換器、梯度功率放大器、三路（X 軸、Y 軸、Z 軸）梯度線圈及附屬的梯度冷卻系統等組成[6]。其工作流程圖如圖1所示。

圖1 梯度系統工作流程圖

梯度控制器用于接收序列發生器（屬于譜儀而非梯度系統）發出的成像參數，包括時序參數、幅值參數以及渦流補償參數等，并根據這些參數發出數字控制信號，數字信號經過數模轉換器轉換為模擬信號，模擬信號經過功率放大器放大后，經由梯度線圈在特定的時相產生特性大小的梯度場。

梯度功率放大器也稱為梯度放大器、梯度功放、梯度場電源柜。主要用于對模擬小功率的信號進行放大，經過放大后梯度的輸出電流峰值可達幾百安，部分機型甚至可以達到上千安，經過放大后的電流流經梯度線圈，產生相應的梯度磁場。梯度放大器一般是3 組，分別用于對X 軸、Y 軸、Z 軸梯度信號進行放大。當其中一組梯度放大器發生故障時可以單獨更換，不影響另外兩組梯度放大器的功能。圖2a 為西門子磁共振成像儀梯度放大器，從左到右依次為X 軸、Y 軸、Z 軸梯度放大器，除了用于通信的線纜外，每組梯度放大器均接有一組水管（一進一出）用于散熱。同時每組梯度放大器底部均裝有散熱風扇，也可用于散熱。圖2b 為GE 磁共振成像儀梯度放大器，圖片上部3 組為梯度放大器，下部為對應的梯度電源，GE 梯度放大器也采用風冷水冷相結合的方式散熱。

圖2 西門子（a）和GE（b）磁共振成像儀梯度放大器實物圖

梯度線圈也分為3 組，分別為X 軸梯度線圈、Y 軸梯度線圈和Z軸梯度線圈。Z軸線圈采用麥克斯韋對繞組。X 軸線圈和Y 軸線圈設計為鞍形，其中X 軸線圈為上下方向繞組，Y 軸線圈為左右方向繞組。梯度線圈由高純度的銅線或者銅條制成，并用環氧樹脂等材料一次性澆鑄成型。由于是一次性澆鑄成型的，其中一路梯度線圈故障后需要更換整個梯度線圈。梯度線圈實物如圖3所示。

圖3 西門子（a）和GE（b）磁共振成像儀梯度線圈實物圖

梯度系統是大功率系統，通有大電流的梯度線圈會產生大量的熱量，需要采用冷卻裝置降溫，避免溫度過高引起梯度系統故障[9]。常用的冷卻方式一般是水冷和風冷[10]。目前，高性能磁共振成像系統中梯度線圈通常采用水冷方式進行散熱。將梯度線圈絕緣處理后，在梯度線圈與填充物中間放置水管，圍繞在線圈附近，這些水管與水冷交換機相連，水冷交換機將梯度線圈的熱量經水流帶走，達到散熱目的[11]。本文所涉及的3 種機型梯度線圈均采用水冷方式散熱。梯度放大器功率高，產熱大，工作中也需要進行冷卻降溫，常用水冷風冷相結合的方式進行降溫。水冷原理與梯度線圈相同，通過水冷交換機把梯度放大器產生的熱量帶走。風冷原理則是直接通過風扇進行散熱，由設備間精密空調把熱空氣中的熱量帶走。

梯度系統主要性能指標有梯度場強度、梯度場線性、梯度場有效容積、梯度切換率等。梯度場強度越高，掃描層面的層厚越薄。梯度場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，圖像質量越好。梯度場有效容積反映滿足線性要求的空間區域大小，有效容積越大，對成像區的限制就越小。梯度場的切換率反映梯度的變化速度，切換率越高，有利于開發更快的成像序列。由此可見，梯度場的性能決定著磁共振系統成像速度、圖像幾何失真程度及空間分辨率。

梯度系統故障將引起圖像質量下降甚至整個設備停機，現總結梯度系統故障3 例，供同行參考。

2 梯度系統故障3例

2.1 故障一：梯度線圈水冷系統故障

2.1.1 故障現象

西門子Prisma，機齡7年。掃描頭部彌散加權成像過程中報錯：cooling system:Return pressure in the secondary water circuit low，掃描終止。水冷系統次級水壓降為0。設備斷電重啟未恢復，疑似水冷管道漏水。

2.1.2 維修過程

磁共振成像儀掃描中斷后到設備間檢查，發現次級水壓降為0（正常應為4～6 bar），懷疑外部管道漏水，但是沒有找到漏水點，補水后報錯消失，設備可以繼續掃描。然而，第二天開機后仍報相同的錯誤，經仔細檢查，外部管道仍未發現漏水點，懷疑梯度線圈內部水冷管道漏水。經工程師拆機檢查，發現梯度線圈內側鼓包，鼓包處有液體滲出，滯留在梯度線圈和射頻線圈中間，拆除過程中仍有液體不斷外滲。證實為梯度線圈內部水冷管道漏水造成次級水壓降低，從而引起設備停機。由于梯度線圈是一次性澆鑄成型的，為了提高散熱效率，其水冷管道也固定在澆鑄材料內部，管道無法單獨維修或更換，需要更換整個梯度線圈。梯度線圈重達1.5 噸，更換較為費時費力，更換前需要先退磁，并拆除檢查床和射頻線圈，之后再拆除梯度線圈。安裝過程中需要配備相應的輔助工具并校準，安裝到位后復位射頻線圈和檢查床，之后勵磁和勻場對設備進行調試和校準。

2.1.3 故障原因分析

梯度系統故障率不高，據統計，2022年我院9 臺西門子磁共振成像儀共更換配件45 次，其中梯度系統1 次，占比為2%。整體上看，梯度系統故障率不高，所以故障發生時首先懷疑外部管道漏水，排除外部管道問題以后再檢查是否是梯度線圈內部冷卻水管道漏水。梯度線圈內部水冷管道漏水，導致水冷系統持續缺水，表面看是水冷系統報錯，深究實質為梯度線圈內部管道漏水。維修過程中需要熟知各型號設備原理和硬件連接方式才能快速定位并解決問題。

2.2 故障二：梯度放大器故障

2.2.1 故障現象

GE 750 W，機齡6年。掃描頭部過程中個別層面偶發橫條紋狀偽影，僅限頭部左右方向出現偽影，偽影如圖4所示。

圖4 故障二偽影

2.2.2 維修過程

① 掃描頭部過程中個別層面偶發橫條紋狀偽影，由于其他部位未發現問題，懷疑頭部線圈故障，更換頭部線圈后偽影復現；② 觀察設備狀態，發現偽影只出現在X 軸方向，懷疑X 軸梯度放大器故障，交換X 軸放大器與Y 軸放大器，偽影方向改變，確認X 軸放大器故障；③ 更換X 軸梯度放大器；④ 進行日常質量保證梯度校準測試和白噪聲測試，系統顯示正常；⑤ 再次進行頭線圈質量保證測試，測試結果正常。設備恢復使用，偽影消失。

2.2.3 故障原因分析

梯度系統整體故障率不高，據統計，2022年我院4 臺GE 3.0 T 磁共振成像儀共更換配件69 次，其中梯度系統5 次，占比為7%，而射頻系統故障率較高，更換配件21 次，占比為30%。由于頭部檢查多，頭部線圈使用頻率高，加之此次故障前出現過頭線圈故障引起的類似偽影，因此故障發生時首先懷疑頭部線圈故障。由于該機器主要以頭部檢查為主，其他部位檢查比較少，且偽影為偶發，頻率不高，所以其他部位檢查中未出現同類偽影，這也對本次故障原因的推斷產生了誤導。經過多次嘗試，確定本次故障為梯度放大器故障。梯度放大器集成度高，無法直接測試內部電路。GE 750 W 磁共振成像儀所用梯度放大器峰值電壓1650 V，峰值電流830 A，梯度放大器功率較大，且使用頻率高，懷疑內部電路擊穿，可能的原因是電路板脫焊或者靜電累計造成打火。

2.3 故障三：梯度風扇故障

2.3.1 故障現象

GE 750，機齡10年。磁體間機架斷電，顯示屏不工作，檢查床不能進出。

2.3.2 維修過程

① 磁體間斷電，懷疑供電異常，設備斷電重啟后故障復現；② 查看后臺報錯信息，后臺log 顯示故障代碼“2267834”，故障提示“The Power Cabinet AUX board is reporting a fan tachometer failure on X axis”，即梯度放大器X軸風扇轉速異常； ③ 交換X、Y軸風扇，報Y軸異常，確認為X 軸風扇故障；④ 訂購風扇進行更換，設備恢復使用。

2.3.3 故障原因分析

本次故障為梯度放大器冷卻系統故障。GE 750 磁共振成像儀梯度放大器采用水冷與風冷相結合的方式進行散熱。此次故障的原因是風冷部分用于散熱的風扇軸承老化引起風扇轉速異常，觸發設備內部監測系統報警，監測系統為防止系統過熱主動切斷磁體間供電。此次故障的原因除設備自然老化外，另外考慮大降雨時設備部分元器件進水，雖然進行了長達月余的除濕處理，仍不排除部分元器件內部狹小縫隙內有水分殘留，加速設備老化。

3 討論

磁共振成像系統結構復雜，不同系統部件的故障可能會引起同樣的報錯，一個系統部件故障也可能會引起其他系統的報錯。需要設備工程師掌握設備原理并熟悉各個設備性能，對故障現象深入分析，逐步排查，才能及時明確故障范圍并解除，提高設備使用率[12-13]。同時，需要關注設備運行環境，磁體間和設備間保持恒定的溫濕度有助于降低設備故障率[14-15]，同時應注重機房環境的清潔，防止塵土堵塞散熱網[16]。

磁共振成像儀梯度系統故障率較低，但后果嚴重，一旦故障將引起圖像質量下降甚至整個設備停機。磁共振設備結構復雜，包括多個子系統和附屬設備，在分析故障原因過程中需要靈活思維，熟知原理才能快速定位問題。故障一表面上看是外部水冷問題，經過排查發現是梯度線圈內部水冷管道問題。故障三表面上看是電源問題，經過排查發現是梯度散熱風扇問題。同時也不能過于依賴經驗，故障二偽影案例應該多加分析，交換X、Y 軸放大器觀察效果而不是第一時間先更換頭部線圈。通過對三例3.0 T 磁共振設備梯度系統故障的總結分析，有助于進一步掌握磁共振設備維修、維護方法，提高快速定位故障排除故障的能力，提高設備使用率。