組合球管式醫用X線機維修兩例

于乃群，王明剛，錢東燕，劉榮俊

1.杭州市蕭山區中醫院 設備科，浙江 杭州 311201；2.凱里市中醫醫院 設備科，貴州 凱里 556000

引言

組合球管式X線機具有體積小、移動靈活（如移動DR、C型臂X線機）、占用場地面積少、易于安裝、使用便捷（如口腔全景機、口腔DR等）、成像質量好等優點，在醫院的手術室、病房、口腔科等科室獲得了廣泛使用。組合球管就是把X光球管、高壓變壓器、高壓硅堆以及kV、mA取樣反饋電路等部件集中安裝在球管管套內，由于其結構緊湊、體積小，有效地減小了整機的體積。目前的組合球管式X線機絕大多數屬高頻X線機，組合球管與逆變器之間實行閉環反饋控制，維修時故障點的判斷難度較高；且組合球管內安裝的零部件多、結構復雜、絕緣要求高，與非組合式球管相比，其發生故障的概率較高，維修難度和維修工藝要求較高。

1 案例一：C型臂X線機高壓整流二極管損壞

1.1 設備工作原理簡介

C型臂X線機是手術室常用的透視成像設備，特別是在骨科手術過程中廣泛使用。凱里市中醫醫院的上海康達醫療器械公司KD-C500型C型臂X線機，使用的是意大利IMD公司的逆變器和組合球管，其工作原理是：機器曝光時，逆變器產生的高頻電壓傳送到高壓變壓器初級，兩個參數完全相同的次級線圈產生的高壓經倍壓整流后，得到直流正、負高壓，分別加到球管的陽極和陰極（燈絲），球管產生X線。X線透過病人的被投照部位—影像增強器成像—攝像機—圖像處理系統—圖像顯示器輸出病人的透視圖像[1-2]，此機器主要用于該院骨科的手術病人透視。

1.2 故障現象

在曝光過程中，機器的曝光狀態小顯示屏報“INVERTER FAULT”，圖像顯示器無圖像顯示，機器所有的按鍵處于失效狀態。關掉電源，重啟機器，選擇手動曝光模式后，把kV和mA值調到最低進行曝光，故障依舊。

1.3 故障檢查與分析

根據報錯信息“逆變器故障”，重點應該檢查機器的逆變器，當然，如果逆變器的負載部分，即高壓發生器和X光球管工作不正常，也可能造成逆變器異常或損壞，故逆變器的負載部分是否正常也在重點考慮范圍之內。由于該C型臂X線機使用的是組合式X光球管，其故障檢查和維修工藝較復雜，本著先易后難的維修原則，首先檢查機器的逆變器部分是否真正存在故障[3-4]。

逆變器是用于驅動和控制組合式X光球管組件的裝置，由于該機未提供逆變器電路圖，只能根據逆變器電路板上的元器件型號、功能和布局，推導出逆變器的工作流程，進而判斷逆變器是否損壞。本機的逆變器共有兩塊驅動板，編號為S18和S19，計算機把曝光參數和曝光控制信號傳遞給它們，逆變器板產生固定的40 kHz的脈沖寬度調制信號，控制四個絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）模塊分兩組工作在開關狀態，即IGBT模塊Q1、Q4和Q2、Q3輪流導通，根據每次曝光設置的球管所需的kV值，輸出與之相對應占空比的脈沖電壓，加到組合管頭組件里的高壓變壓器的初級，在次級的陽極線圈和陰極線圈上產生的交流高壓，通過倍壓整流，直流正、負高壓分別加到X光球管的陽極和陰極，作為球管產生X線的工作電壓。取樣電阻對高壓和管電流取樣，反饋給逆變器板，調整IGBT的輸出脈寬，形成一個閉環控制[5-8]。

根據印刷電路板上走線，以IGBT為核心，對IGBT驅動板（S18）做個大致的判斷：首先用電阻法和電壓法測量S18板上的給IGBT提供觸發信號的電源，變壓器T1、T2和T3及其整流濾波部分正常，驅動信號的4個隔離光耦OC1～4和震蕩電路LM7555未發現異常，用電阻法測量4個IGBT場效應管也正常[9-11]。在踩下曝光腳開關的一瞬間，用數字萬用表在場效應管的柵極可以測量到一個0.6 V左右的電壓信號，同時在高壓變壓器的初級，也就是IGBT的輸出端（引線標號為X和Y）可以測量到一個16 V左右的電壓信號（數字萬用表的顯示值），詳見圖1，說明逆變器在曝光開始的一瞬間有驅動電壓輸出。由于現場無示波器，只能靠數字萬用表上十幾伏的電壓顯示，來判斷IGBT是否能導通和截止，大致判斷逆變器的好壞。

圖1 逆變器的IGBT工作原理圖

通過以上判斷，基本排除逆變器損壞，故障應該出在組合球管部分，最大的可能是由于組合式球管里的某個零件故障引發逆變器保護。拆下管頭的保護罩，發現該組合球管是IMD公司生產的，在廠家開發文檔上查到的故障指示燈提示信息證明上述判斷是正確的。該開發文檔提示：機器在曝光狀態下，當代表kV+和kV-反饋信號不平衡的kV信號高于預定值時，所有操作將被終止，同時LED Ld2將被點亮，見圖2。

圖2 故障燈LEDLd2點亮

1.4 故障維修

拆開組合球管，把變壓器油倒進干凈容器內備用，取出高壓組件，測量高壓變壓器的初、次級線圈的電阻、正負高壓取樣電阻以及球管未發現異常。當測量四組高壓硅堆（每組由9個高壓整流二極管串聯構成，每個高壓二極管為符合耐壓要求，由多個二極管串聯組成“小”硅堆）時（圖3），發現其中有6個高壓二極管反向電阻異常，阻值只有八百多兆歐不等，正常的高壓二極管反向電阻阻值應該為無窮大。為驗證高壓二極管的整流能力，用一個24 V的變壓器與單個高壓二極管組成半波整流電路，測量其輸出端電壓，好的二極管半波整流輸出電壓為17 V左右，壞的二極管半波整流輸出電壓在14～15 V不等。也就是說，壞的高壓二極管整流后的輸出電壓，明顯低于好的高壓二極管輸出的直流電壓2 V多。

圖3 高壓整流硅堆

購買新的高壓二極管，更換后組裝好該組件，然后進行干燥和真空注油等處理。組合式球管的真空注油過程比較復雜，在工廠是在專門的真空注油設備內進行：把組裝好的球管置入密閉的真空注油設備內，加熱到65～75 ℃，保持1～2 h，然后開啟真空泵，壓力達到-0.1 MPa的情況下保持1 h，開啟注油閥門，將變壓器油注入到球管內，待油注滿后，保持真空狀態20 min后，排氣并封裝球管[12-14]。

在醫院內部修理組合式球管，由于無真空注油設備，工程師經過如下步驟處理，達到滿意的維修效果：將清潔后的球管組件和管套同時置入干燥箱內，加熱至75 ℃左右保持2 h，待組件冷卻后把組件安裝到管套內，擰緊組件和管套之間的固定螺絲，使之處于密封狀態，只保留球管的出線窗口作為真空注油通道，然后重新將球管整體置入干燥箱內加熱1 h，取出球管并在球管的出線窗口覆蓋一塊PVC軟質水晶板（俗稱軟玻璃），軟玻璃上插兩個50 mL注射器針頭，針頭的外端均連接PVC透明軟管，用止血鉗控制管路的通斷。在注油管截止的情況下開啟真空泵，在壓力達到-0.1 MPa的情況下保持抽真空30 min，在繼續抽真空的情況下，松開注油管上的止血鉗，讓變壓器油注入到球管內，透過透明軟玻璃，觀察到變壓器油基本注滿后，停止抽真空注油，按壓球管的縮脹器皮囊，排氣后安裝球管出線窗口組件。把修好的組合球管裝機，試機正常，機器修復。

1.5 維修小結

高壓發生器原理如圖4所示，T1是高壓變壓器，T3和T2分別是大、小焦點燈絲變壓器，T1的次級（正邊）交流電壓，經硅堆D1、D2、C1、C2倍壓整流后加到球管的陽極，負邊的交流電壓，經硅堆D3、D4、C3、C4倍壓整流后，加到球管的陰極，即大、小焦點燈絲之間的公共點引線，故燈絲工作在低交流電壓（燈絲加熱電壓）高直流負電位狀態。陽極和陰極高壓分別經R1和R2（均200 MΩ）引出，送到分壓取樣電路，當檢測電路檢測到分壓取樣電路反饋的kV信號不平衡值高于預定值時，終止所有操作并報出錯誤信息。造成本次故障是的硅堆D1、D2內的六只高壓二極管性能不良，整流能力下降，造成輸出到陽極的電壓變低，即正、負高壓失衡。

圖4 組合式球管原理圖

2 案例二：口腔全景機X光球管損壞

2.1 設備工作原理簡介

口腔全景機是醫院口腔科開展手術、正畸等項目的常用醫學X線成像設備。日本森田公司生產的X-550口腔全景X線機的工作原理為：在計算機的控制下，組合式球管在逆變器提供的電壓驅動下產生X射線，經過準直器后的X射線透過病人的投照部位（頭顱）后，由于頭顱各部位的密度不同（牙齒、肌肉、骨骼等），X線被CCD平板探測器差異性地接收，投照的過程中，球管和CCD平板探測器相向運動，圍繞著病人頭顱進行口腔連續曝光掃描，在CCD不同的MOS單元中產生不同數量級的信號電荷，信號電荷通過存儲、耦合、檢出、圖像處理等過程后，在計算機中產生出一副完整的口腔全景圖像。在普通掃描的模式下，經13.3 s的連續掃描，曝光結束，球管和平板探測器返回初始位[15-16]。

2.2 故障現象

機器突然停止運行，所有的操作按鍵都處于鎖定狀態，機器狀態小顯示屏上的錯誤信息如圖5所示，報錯誤信息為“電流保護”。

圖5 口腔全景DR的報錯信息

2.3 故障檢查與分析

該機報錯一般都是英文信息，這次突然報日文錯誤信息“過電流保護啟動”，請教廠家工程師，廠方的判斷是高壓逆變器和組合式球管壞，需要整套更換，價格是人民幣10萬元。

仔細觀察機器，剛按下曝光按鈕，機器能進行旋轉掃描，經0.2 s延時后開始曝光，前面3～4 s可以曝光，且有圖像，圖像面積只有正常曝光圖像面積的十分之一大小，詳見圖6。然后停止曝光，報圖5所顯示的錯誤信息。嘗試把機器曝光電壓降低到55 kV再次投照，故障依舊。

圖6 機器在空白曝光狀態下的DR圖像

本機有關閉機器kV、mA的狀態下進行曝光，測試組合球管是否正常的功能。方法如下：按機器的操作面板上的kV“－”號按鍵，使設定的kV值不斷減少，直至顯示kV值的小窗口關閉。在該狀態下，曝光時逆變器加到高壓變壓器初級的電壓為0，也就是曝光時球管兩端所加電壓為0；用同樣方法關閉mA。開始模擬曝光，球管可以圍繞著頭顱旋轉“曝光”，當在此模式下“曝光”結束后，機器無上述的錯誤信息提示。

根據上述現象判斷，該機的逆變器部分正常，故障最大的可能性是在組合球管。球管一開始能夠正常曝光，但隨著曝光的進行，計算機檢測到管頭內反饋的組合球管電流異常的信號后，機器中斷曝光并報錯，據此判斷組合球管內有零部件處于臨界損壞狀態。根據經驗，如下部件損壞或質量不佳都可能造成“過流”故障現象：① 高壓變壓器擊穿；② 高壓整流硅堆有軟擊穿或性能不佳；③ X光球管真空度不良；④ 變壓器油絕緣度下降，有高壓放電現象；⑤ 高壓取樣反饋電路異常（可能性較低）等[17-18]。

2.4 故障維修

拆開組合球管組件，檢測高壓變壓器、硅堆等高壓元器件正常，當檢查到球管的時候，目測發現球管的玻璃管壁有明顯龜裂的現象，見圖7。該球管是東芝的產品，型號是D-051，購買一個新的球管，經組裝、干燥、真空注油、封裝后，上機安裝好修復的組合式球管，試機正常。

圖7 D-051球管玻璃壁上的裂紋

2.5 維修小結

該故障是由于球管的玻璃壁出現裂紋，導致管內真空度不良。機器剛開始可以曝光，當連續曝光時，使球管內部空氣電離越來越嚴重，管電流越來越大且極度不穩定，大大超出預先設定值，計算機檢測到異常的管電流，停止機器曝光，進入保護狀態，且報該故障信息。

3 討論

在計算機控制下工作的數字化X線機，一般都有軟件故障診斷、保護和報錯信息為依據判定故障點，需要綜合機器報錯信息、故障現象以及實際測量的數據來逐步縮小故障范圍，最終鎖定故障的具體位置，使維修工作達到事半功倍的效果。組合式球管在維修上比非組合式球管復雜得多，因此，對其是否存在故障的判斷更要力求準確，以免使故障擴大化。

雖然組合式球管的維修工藝要求較高，但是理解它的結構和絕緣要求后，不必更換昂貴的組合球管套件，完全可以自主維修；有時機器報的錯誤信息比較籠統，在維修此類機器的時候，不要機械地依靠機器報的錯誤信息。由于組合式球管特殊構造，在維修過程中要注意如下幾點：① 管套內的變壓器油要倒入干凈且干燥的容器內封存，未污染的變壓器油可以復用，如果使用新的變壓器油，要滿足耐壓強度在標準電極下大于30 kV/2.5 mm有效值；② 將維修后的全部組件用變壓器油刷洗清潔，裝入管套后，要進行干燥處理，干燥溫度以75 ℃為宜；③ 安裝球管的時候，陽極靶面焦點一定要對準管套射線出口的窗口中心，以免投照時產生偽影；④ 在抽真空狀態下，才可以往管套內注入變壓器油，以免高壓變壓器繞組間有殘留的空氣，日后引起氣泡產生偽影和高壓放電[19-20]，造成機器二次故障。

4 總結

在維修這兩個故障案例過程中，機器的報錯信息非常寬泛，在某種程度上可能會誤導維修工作，且生產廠家不給醫院提供技術圖紙，這也相應地增加了機器故障的判斷難度，在維修過程中多走了不少彎路。因此對機器通用工作原理的理解，和平常工作中對相關資料的收集以及維修經驗的積累顯得尤為重要，不但能提高故障判斷的準確率，還能把換組件級維修轉為換元件級維修，節約大量設備的維修成本。