液態(tài)軸承球館在GE Optima 系列CT 中的應(yīng)用及維護

彭學(xué)虎

（廣元市中心醫(yī)院婦產(chǎn)兒童分院 醫(yī)學(xué)工程科，四川 廣元 628000）

0 引言

隨著CT 臨床使用量大幅增加，CT 圖像質(zhì)量要求提高及CT 技術(shù)發(fā)展，以前采用的經(jīng)典固態(tài)軸承球館，其物理極限逐漸接近，其提高的空間越來越小，而動態(tài)軸承球館憑借其啟動和掃描時的靜音效果，待機連續(xù)運轉(zhuǎn)縮短掃描準(zhǔn)備時間，大容量提高使用效率及無摩擦延長使用壽命等優(yōu)點逐步替代固態(tài)軸承球館。原固態(tài)軸承球館逐步退出市場，在高端CT 及CT更新等使用場地使用液態(tài)軸承球館是更好地選擇。而且，液態(tài)軸承球館的綜合指標(biāo)目前已超過固態(tài)軸承球館，已經(jīng)成為市場的主流。

1 液態(tài)軸承球館選用和優(yōu)缺點

1.1 液態(tài)軸承球館的選用

傳統(tǒng)軸承隨著球館的轉(zhuǎn)速增加,軸承部分產(chǎn)生的熱量越來越高，噪音也跟著增加，軸承的磨損也隨之加劇,熱傳導(dǎo)效率及熱容量越來越接近其物理極限，很難再有提高；液態(tài)流體動壓滑動軸承的應(yīng)用很好地解決了這些問題，它采用一種由鎵、錫、銦等幾種低熔點金屬組成的液態(tài)金屬合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬固態(tài)軸承，這種合金同時兼具導(dǎo)電性，耐高溫，常溫下即為流體狀態(tài)，高沸點（接近2000℃）等優(yōu)點。故GE Optima 系列CT 采用先進的液態(tài)軸承球館代替?zhèn)鹘y(tǒng)的軸承球館。

1.2 液態(tài)軸承球館的特點

從結(jié)構(gòu)上來講，因為使用了滑動軸承的原理，形成最小液膜厚度之后，轉(zhuǎn)軸和軸套是分離的，相互之間只有流體的軟摩擦，沒有機械之間硬摩擦,所以原理上滑動軸承幾乎不會磨損，實際上液態(tài)軸承使用壽命也數(shù)倍于傳統(tǒng)固體滾珠軸承.同時，液態(tài)金屬填充在轉(zhuǎn)軸和軸套之間，可以起到對震動的緩沖和削弱，極大地抑制了噪音的產(chǎn)生。應(yīng)用于CT系統(tǒng)中時幾乎聽不到旋轉(zhuǎn)陽極啟動及運行時所發(fā)出的聲音，這種狀態(tài)幾乎能持續(xù)到球館的生命周期。

從材料上來講，由于液態(tài)金屬本身極佳的熱傳導(dǎo)性，其作為陽極轉(zhuǎn)軸和靶面之間的連接介質(zhì),極大地提高了陽極靶熱量向軸承系統(tǒng)的傳導(dǎo)效率，可以將靶面產(chǎn)生的大量熱能無縫傳導(dǎo)給球館冷卻系統(tǒng)；相較于滾珠軸承，配以相同的陽極靶，液態(tài)金屬軸承可使陽極組件的熱容量大幅提高，最大陽極散熱效率提高一倍以上，可更好地支持連續(xù)大條件掃描。

1.3 液態(tài)軸承球館的軸承旋轉(zhuǎn)特性

球館在靜止?fàn)顟B(tài)下，由于液體流動特性轉(zhuǎn)軸在重力作用下位于軸套最底部(見圖1)；當(dāng)陽極啟動時，轉(zhuǎn)軸受轉(zhuǎn)動力矩的影響，與軸套發(fā)生相對運動(見圖2)；隨著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速加快液態(tài)金屬逐漸均勻的分布于轉(zhuǎn)軸周圍,轉(zhuǎn)軸與軸瓦完成分離(見圖3)；當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速繼續(xù)提升，液態(tài)金屬液膜形成的支撐力與負載形成的合力達到平衡，轉(zhuǎn)軸軸心位置達到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 球館旋轉(zhuǎn)軸套和轉(zhuǎn)軸位置示意圖

在液態(tài)金屬軸承由靜態(tài)開始啟動時，轉(zhuǎn)軸和軸套之間存在一定的摩擦，所以在同樣的軸承負載下，液態(tài)金屬軸承的啟動力矩會略大于滾珠軸承,但陽極穩(wěn)定運行后因為液體的摩擦系數(shù)極小，僅需極小的維持力矩即可維持轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運行；所以GE公司在實際應(yīng)用中為了減少陽極啟動時摩擦對軸承的磨損，液態(tài)軸承球館在待機狀態(tài)下是連續(xù)旋轉(zhuǎn)著的,可大幅度減少掃描準(zhǔn)備時間（比如頭部掃描可減少15%準(zhǔn)備時間）并通過一系列的程序指令對球館進行管理。

2 GE CT 對液態(tài)軸承球館的管理和控制

2.1 GE系統(tǒng)對液態(tài)軸承球館的管理

（1）當(dāng)對陽極加速操作的同時，掃描架旋轉(zhuǎn)速度≥2s/轉(zhuǎn)。

（2）檢查結(jié)束待機20 分min 后陽極轉(zhuǎn)速由高速(High)狀態(tài)切換到低速(Low)狀態(tài)；從低速狀態(tài)帶滑行（Consting）狀態(tài)到滑行需7 分鐘。

（3）除E-Off，HVDC Off 或者運行某些維修程序外，陽極持續(xù)運轉(zhuǎn)。

（4）當(dāng)掃描架轉(zhuǎn)速快于2s/轉(zhuǎn)時需手動加速陽極到HIGH。

（5）控制臺關(guān)機：陽極停止前有30min 低速旋轉(zhuǎn)以冷卻球館。

2.2 系統(tǒng)維修程序?qū)σ簯B(tài)軸承運行的控制

（1）運行發(fā)生器維修工具Generator Tool-JEDI 時，需啟動陽極到高速狀態(tài)。

（2）運行束光器功能檢查工具Collimator Functional，其中Axial Functional 啟動前，需先啟動陽極。

（3）運行探測器維修工具DAS TOOL，在下列情況時不能掃描：

掃描架旋轉(zhuǎn)速度快于2s/轉(zhuǎn)且陽極旋轉(zhuǎn)不在高速狀態(tài)。

掃描架旋轉(zhuǎn)速度快于2s/轉(zhuǎn)且選擇Rotor Off。

掃描架旋轉(zhuǎn)速度快于2s/轉(zhuǎn)且選擇X-ray Off。

（4）運行診斷數(shù)據(jù)收集工具Diagnostic Data Collection Tool，下列情況時不能掃描：

掃描架旋轉(zhuǎn)速度快于2s/轉(zhuǎn)且陽極旋轉(zhuǎn)不在高速狀態(tài)。掃描架旋轉(zhuǎn)速度快于2s/轉(zhuǎn)且選擇Rotor RxOverrides Off。掃描架旋轉(zhuǎn)速度快于2s/轉(zhuǎn)且旋轉(zhuǎn)X-ray Off,但當(dāng)選擇RxOverrides On 時可以掃描。

（5）運行掃描架平衡檢測程序Gantry Service Balance：需先運行rotor_ctrl -start 命令啟動陽極到高速狀態(tài)。

（6）運行Flash Download：當(dāng)陽極處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時不能啟動此程序，可以通過rotor_ctrl-stop 命令手動停止陽極旋轉(zhuǎn)。

（7）執(zhí)行System Reset 程序復(fù)位，st 命令啟動應(yīng)用程序時會自動停止陽極旋轉(zhuǎn)。

（8）運行System Shuntdown 程序時，陽極保持低速運行5min，同時HV system 保持供電。

（9）運行CleanMon 命令時：陽極由旋轉(zhuǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到停止?fàn)顟B(tài)需耗時12min。

2.3 液態(tài)軸承球館常用控制命令。

（1）查看球館型號：swhwinfo。

（2）查看球館溫度：rotor_ctrl -temp。停止陽極時球館溫度需處于藍色或黃色狀態(tài)區(qū)域，或者綠色區(qū)域<1:15，見圖2。

圖2 球館溫度示意圖

（3）球館陽極旋轉(zhuǎn)狀態(tài)指示：rotor_ctrl-status。掃描架控制面板側(cè)也可觀察陽極旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，見圖3。

圖3 陽極旋轉(zhuǎn)狀態(tài)示意

2.4 為確保球館正常使用，進行下列操作需先檢查陽極狀態(tài)，再停止陽極旋轉(zhuǎn)

（1）常用控制命令rotor_ctrl–stop，系統(tǒng)復(fù)位System Reset–Scan，恢復(fù)系統(tǒng)參數(shù)Restore System State of Characterization，初始化數(shù)據(jù)庫Initialize Database，備份和恢復(fù)參數(shù)Save&Restore Runtime Parameters、PDB off with System shutdown、HVDC switch off at Gantry Service switch panel，各固件程序下載工具FLASH Download tool。

（2）數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)工具DAS tools：子選項選擇Auto test,Manual tests,Power off 時。

（3）診斷數(shù)據(jù)收集工具Diagnostic Data Collection 子選項選擇Static or Rotating X-Ray Off:Rotor Override -default/off 時。

（4）高壓發(fā)生器診斷工具KV Diagnostics：單項選擇Inverter Short Circuit,Inverter Gate Command,Heater Diagnostics,Fan Diagnostics,Rotor Diagnostics,Meter Verification,No Load kV 時。

（5）掃描架平衡檢測工具Gantry Balance tool；FRDM Wizard tool

（6）應(yīng)用程序關(guān)閉及啟動Application shutdown/Application restart through“st”command。

注意：運行 HVBAT data pull 時陽極不需要停止旋轉(zhuǎn)；且不會傷害球館。

2.5 陽極旋轉(zhuǎn)非正常停止停止時補救措施

（1）90s 內(nèi)可通過rotor_ctrl -start 命令重新啟動陽極。

（2）超過90s，等待需等待15min 再啟動陽極以便熱交換器充分運行。

2.6 基于以上程序管理，為避免損害球館，在使用和維護過程中需做到一下幾點

（1）安裝球館前需優(yōu)先確認球館冷卻系統(tǒng)工作是否正常，并將新球館放置在工作場地3h 以上已使球館溫度與環(huán)境溫度一致。

（2）當(dāng)檢測設(shè)備等工作需要，停止球館陽極旋轉(zhuǎn)前必須先確認球館溫度狀態(tài)是否適合。

（3）做任何維修工作前需先檢查球館狀態(tài)，并使球館達到推薦的狀態(tài)時再進行下一步工作。

（4）熟悉正確操作步驟，確保球館充分得到冷卻。

3 GE CT 對液態(tài)軸承球館的監(jiān)測，控制與檢修

電腦系統(tǒng)會持續(xù)對球館溫度進行監(jiān)控,并每分鐘記錄一次,記錄路徑：/usr/g/service/log/tubeTemp.csv。

維修工程師可以通過陽極控制工具Rotor Control Tool 對陽極運行狀態(tài)進行手動控制，包括手動控制陽極旋的啟動與停止，旋轉(zhuǎn)速度快慢,并自動顯示陽極旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的改變，詳細介紹如下。

（1）運行陽極控制工具前需確認下列固件運行正常：KV 控制板PPC 工作正常（DS17-24 指示正常）；旋轉(zhuǎn)陽極板運行正常（DS5 閃爍）；旋轉(zhuǎn)直流電源板運行正常（DS7 點亮）。

（2）陽極控制工具運行路徑Diagnostics/LB Tube Rotor Control，見圖4。

圖4 陽極控制工具路徑

陽極控制工具啟動后，通過選擇Rotor Status/Low Speed/ Stop/ High Speed 選項,查看陽極狀態(tài)或控制陽極旋轉(zhuǎn)，見圖5。

圖5 陽極控制工具界面示意

陽極診斷工具Rotor Diagnostic tool 為系統(tǒng)內(nèi)置的陽極檢測工具,通過它可以自動診斷陽極是否有故障,并通過相關(guān)代碼提示陽極的故障信息

（1）運行陽極診斷工具前需確認下列固件運行正常：KV 控制板PPC 工作正常（DS17-24 指示正常）；旋轉(zhuǎn)陽極板運行正常（DS5 閃爍）；旋轉(zhuǎn)直流電源板運行正常（DS7 點亮）；旋轉(zhuǎn)陽極板，陽極油箱HEMIT，球館和陰極油箱HV TANK 之間電纜連接正常。

（2）陽極診斷工具運行路徑 Diagnostics/Generator Tool -JEDI/ RotorDiagnostic Tool,見圖6。

圖6 陽極診斷工具路徑示意

（3）點擊運行RUN，程序自動運行并顯示運行完成或?qū)?yīng)的故障代碼，維修工程師可通過相應(yīng)的故障代碼進行進一步的檢測維修。

4 液態(tài)軸承球館的工作原理，典型故障檢測與維修

根據(jù)設(shè)備臨床使用實際情況，現(xiàn)將與球館陽極相關(guān)的常見故障與檢測維修方案整理出來，方便設(shè)備維修工程師迅速，準(zhǔn)確的判斷故障，為臨床使用節(jié)約時間，提高設(shè)備的使用效率。

錯誤信息查看，出現(xiàn)故障或需分析設(shè)備運行狀態(tài)時點擊圖像瀏覽顯示器左側(cè)信息欄(見圖7),當(dāng)信息框出現(xiàn)時,找到對應(yīng)時間范圍內(nèi)的信息并對所記錄的信息進行分析,常見錯誤信息以錯誤代碼形式展現(xiàn)如60-0317(見圖8),并同時記錄錯誤出現(xiàn)時技術(shù)參數(shù)等信息。

圖7 信息欄

圖8 信息框

旋轉(zhuǎn)陽極驅(qū)動電路原理分析(見圖9)，旋轉(zhuǎn)陽極板ROATION BOARD 通過J1 提供旋轉(zhuǎn)陽極驅(qū)動電流到陽極油箱HEMIT 的隔離變壓器初級,經(jīng)過次級耦合并并入高壓正極+HV,再通過高壓電纜ST 提供到球館陽極線圈驅(qū)動陽極旋轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)陽極板驅(qū)動陽極線圈的同時監(jiān)測驅(qū)動電流以判斷旋轉(zhuǎn)陽極的工作狀態(tài)。

圖9 旋轉(zhuǎn)陽極驅(qū)動電路圖

曝光時提示硬件出錯，查詢信息錯誤代碼為40-0103h:Rotation current overload Rotation board has detected Main or auxiliary Rotation current too high compared to the max.Tube motor current.

通過錯誤信息記錄及附帶的代碼釋義可知此故障為旋轉(zhuǎn)陽極板檢測到旋轉(zhuǎn)陽極驅(qū)動電流超出設(shè)計允許的最大值。參考本章第2 條分析可以知道故障潛在原因有：①球館陽極線圈故障（短路）；②HEMIT 隔離變壓器故障（短路）；③高壓電纜ST故障；④旋轉(zhuǎn)陽極板檢測電路故障。

通過將旋轉(zhuǎn)陽極板驅(qū)動電纜J1 斷開，分別運行陽極診斷工具RotorDiagnostic Tool 或同等條件曝光，區(qū)別旋轉(zhuǎn)陽極板或后續(xù)電路故障；同理斷開高壓電纜ST，區(qū)別HEMIT 或后續(xù)電路故障。

本例通過斷開高壓電纜ST 后運行陽極診斷工具，故障現(xiàn)象改變，繼續(xù)測量陽極線圈電阻發(fā)現(xiàn)主繞組阻值接近為0（正常主副線圈阻值為2-2.5Ω），故故障為陽極線圈短路，更換球館后故障排除。

曝光時提示硬件出錯，查詢信息錯誤代碼為40-0104h:Rotation current open load Rotation board detected that no current is flowing to the motor。

通過錯誤信息記錄及附帶的代碼釋義可知此故障為旋轉(zhuǎn)陽極板檢測到旋轉(zhuǎn)陽極無驅(qū)動電流流過電機，驅(qū)動電路開路。參考本章第2 條分析可以知道故障潛在原因有：①球館陽極線圈故障（斷路）；②HEMIT 隔離變壓器故障（斷路）；③高壓電纜ST故障（虛接）；④旋轉(zhuǎn)陽極板檢測電路故障。

將旋轉(zhuǎn)陽極板驅(qū)動電纜J1 斷開，測量J1 負載阻值，判斷HEMIT 隔離變壓器是否斷路；同理斷開高壓電纜ST，測量陽極線圈阻值是否斷路。

本例通過斷開高壓電纜ST 陽極油箱端接頭后測量陽極線圈阻值為650Ω，繼續(xù)斷開高壓電纜ST 球館端電纜頭發(fā)現(xiàn)插頭及插座碳化發(fā)黑，金屬觸點焦化，且插座內(nèi)干燥無油，由于插頭端有正高壓存在，當(dāng)高壓油泄漏后會引起金屬觸點高壓對外殼放電產(chǎn)生電弧，燒焦觸點及插座，引起觸點接觸不良，故清潔觸點，插座后加入高壓油后故障排除。

5 總結(jié)

CT 是臨床診斷的重要手段，也是放射科產(chǎn)生經(jīng)濟效益的主要設(shè)備。在設(shè)備運行中球館又屬于高價值易損耗的部件，通過理解和熟悉其運行規(guī)律和保護機制，能相當(dāng)程度減少對球館的人為和意外損害，避免或減少大幾十萬的額外開支，同時也能通過合理正確的使用提高其使用壽命。