组合球管式医用X线机维修两例

于乃群，王明刚，钱东燕，刘荣俊

1.杭州市萧山区中医院 设备科，浙江 杭州 311201；2.凯里市中医医院 设备科，贵州 凯里 556000

引言

组合球管式X线机具有体积小、移动灵活（如移动DR、C型臂X线机）、占用场地面积少、易于安装、使用便捷（如口腔全景机、口腔DR等）、成像质量好等优点，在医院的手术室、病房、口腔科等科室获得了广泛使用。组合球管就是把X光球管、高压变压器、高压硅堆以及kV、mA取样反馈电路等部件集中安装在球管管套内，由于其结构紧凑、体积小，有效地减小了整机的体积。目前的组合球管式X线机绝大多数属高频X线机，组合球管与逆变器之间实行闭环反馈控制，维修时故障点的判断难度较高；且组合球管内安装的零部件多、结构复杂、绝缘要求高，与非组合式球管相比，其发生故障的概率较高，维修难度和维修工艺要求较高。

1 案例一：C型臂X线机高压整流二极管损坏

1.1 设备工作原理简介

C型臂X线机是手术室常用的透视成像设备，特别是在骨科手术过程中广泛使用。凯里市中医医院的上海康达医疗器械公司KD-C500型C型臂X线机，使用的是意大利IMD公司的逆变器和组合球管，其工作原理是：机器曝光时，逆变器产生的高频电压传送到高压变压器初级，两个参数完全相同的次级线圈产生的高压经倍压整流后，得到直流正、负高压，分别加到球管的阳极和阴极（灯丝），球管产生X线。X线透过病人的被投照部位—影像增强器成像—摄像机—图像处理系统—图像显示器输出病人的透视图像[1-2]，此机器主要用于该院骨科的手术病人透视。

1.2 故障现象

在曝光过程中，机器的曝光状态小显示屏报“INVERTER FAULT”，图像显示器无图像显示，机器所有的按键处于失效状态。关掉电源，重启机器，选择手动曝光模式后，把kV和mA值调到最低进行曝光，故障依旧。

1.3 故障检查与分析

根据报错信息“逆变器故障”，重点应该检查机器的逆变器，当然，如果逆变器的负载部分，即高压发生器和X光球管工作不正常，也可能造成逆变器异常或损坏，故逆变器的负载部分是否正常也在重点考虑范围之内。由于该C型臂X线机使用的是组合式X光球管，其故障检查和维修工艺较复杂，本着先易后难的维修原则，首先检查机器的逆变器部分是否真正存在故障[3-4]。

逆变器是用于驱动和控制组合式X光球管组件的装置，由于该机未提供逆变器电路图，只能根据逆变器电路板上的元器件型号、功能和布局，推导出逆变器的工作流程，进而判断逆变器是否损坏。本机的逆变器共有两块驱动板，编号为S18和S19，计算机把曝光参数和曝光控制信号传递给它们，逆变器板产生固定的40 kHz的脉冲宽度调制信号，控制四个绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）模块分两组工作在开关状态，即IGBT模块Q1、Q4和Q2、Q3轮流导通，根据每次曝光设置的球管所需的kV值，输出与之相对应占空比的脉冲电压，加到组合管头组件里的高压变压器的初级，在次级的阳极线圈和阴极线圈上产生的交流高压，通过倍压整流，直流正、负高压分别加到X光球管的阳极和阴极，作为球管产生X线的工作电压。取样电阻对高压和管电流取样，反馈给逆变器板，调整IGBT的输出脉宽，形成一个闭环控制[5-8]。

根据印刷电路板上走线，以IGBT为核心，对IGBT驱动板（S18）做个大致的判断：首先用电阻法和电压法测量S18板上的给IGBT提供触发信号的电源，变压器T1、T2和T3及其整流滤波部分正常，驱动信号的4个隔离光耦OC1～4和震荡电路LM7555未发现异常，用电阻法测量4个IGBT场效应管也正常[9-11]。在踩下曝光脚开关的一瞬间，用数字万用表在场效应管的栅极可以测量到一个0.6 V左右的电压信号，同时在高压变压器的初级，也就是IGBT的输出端（引线标号为X和Y）可以测量到一个16 V左右的电压信号（数字万用表的显示值），详见图1，说明逆变器在曝光开始的一瞬间有驱动电压输出。由于现场无示波器，只能靠数字万用表上十几伏的电压显示，来判断IGBT是否能导通和截止，大致判断逆变器的好坏。

图1 逆变器的IGBT工作原理图

通过以上判断，基本排除逆变器损坏，故障应该出在组合球管部分，最大的可能是由于组合式球管里的某个零件故障引发逆变器保护。拆下管头的保护罩，发现该组合球管是IMD公司生产的，在厂家开发文档上查到的故障指示灯提示信息证明上述判断是正确的。该开发文档提示：机器在曝光状态下，当代表kV+和kV-反馈信号不平衡的kV信号高于预定值时，所有操作将被终止，同时LED Ld2将被点亮，见图2。

图2 故障灯LEDLd2点亮

1.4 故障维修

拆开组合球管，把变压器油倒进干净容器内备用，取出高压组件，测量高压变压器的初、次级线圈的电阻、正负高压取样电阻以及球管未发现异常。当测量四组高压硅堆（每组由9个高压整流二极管串联构成，每个高压二极管为符合耐压要求，由多个二极管串联组成“小”硅堆）时（图3），发现其中有6个高压二极管反向电阻异常，阻值只有八百多兆欧不等，正常的高压二极管反向电阻阻值应该为无穷大。为验证高压二极管的整流能力，用一个24 V的变压器与单个高压二极管组成半波整流电路，测量其输出端电压，好的二极管半波整流输出电压为17 V左右，坏的二极管半波整流输出电压在14～15 V不等。也就是说，坏的高压二极管整流后的输出电压，明显低于好的高压二极管输出的直流电压2 V多。

图3 高压整流硅堆

购买新的高压二极管，更换后组装好该组件，然后进行干燥和真空注油等处理。组合式球管的真空注油过程比较复杂，在工厂是在专门的真空注油设备内进行：把组装好的球管置入密闭的真空注油设备内，加热到65～75 ℃，保持1～2 h，然后开启真空泵，压力达到-0.1 MPa的情况下保持1 h，开启注油阀门，将变压器油注入到球管内，待油注满后，保持真空状态20 min后，排气并封装球管[12-14]。

在医院内部修理组合式球管，由于无真空注油设备，工程师经过如下步骤处理，达到满意的维修效果：将清洁后的球管组件和管套同时置入干燥箱内，加热至75 ℃左右保持2 h，待组件冷却后把组件安装到管套内，拧紧组件和管套之间的固定螺丝，使之处于密封状态，只保留球管的出线窗口作为真空注油通道，然后重新将球管整体置入干燥箱内加热1 h，取出球管并在球管的出线窗口覆盖一块PVC软质水晶板（俗称软玻璃），软玻璃上插两个50 mL注射器针头，针头的外端均连接PVC透明软管，用止血钳控制管路的通断。在注油管截止的情况下开启真空泵，在压力达到-0.1 MPa的情况下保持抽真空30 min，在继续抽真空的情况下，松开注油管上的止血钳，让变压器油注入到球管内，透过透明软玻璃，观察到变压器油基本注满后，停止抽真空注油，按压球管的缩胀器皮囊，排气后安装球管出线窗口组件。把修好的组合球管装机，试机正常，机器修复。

1.5 维修小结

高压发生器原理如图4所示，T1是高压变压器，T3和T2分别是大、小焦点灯丝变压器，T1的次级（正边）交流电压，经硅堆D1、D2、C1、C2倍压整流后加到球管的阳极，负边的交流电压，经硅堆D3、D4、C3、C4倍压整流后，加到球管的阴极，即大、小焦点灯丝之间的公共点引线，故灯丝工作在低交流电压（灯丝加热电压）高直流负电位状态。阳极和阴极高压分别经R1和R2（均200 MΩ）引出，送到分压取样电路，当检测电路检测到分压取样电路反馈的kV信号不平衡值高于预定值时，终止所有操作并报出错误信息。造成本次故障是的硅堆D1、D2内的六只高压二极管性能不良，整流能力下降，造成输出到阳极的电压变低，即正、负高压失衡。

图4 组合式球管原理图

2 案例二：口腔全景机X光球管损坏

2.1 设备工作原理简介

口腔全景机是医院口腔科开展手术、正畸等项目的常用医学X线成像设备。日本森田公司生产的X-550口腔全景X线机的工作原理为：在计算机的控制下，组合式球管在逆变器提供的电压驱动下产生X射线，经过准直器后的X射线透过病人的投照部位（头颅）后，由于头颅各部位的密度不同（牙齿、肌肉、骨骼等），X线被CCD平板探测器差异性地接收，投照的过程中，球管和CCD平板探测器相向运动，围绕着病人头颅进行口腔连续曝光扫描，在CCD不同的MOS单元中产生不同数量级的信号电荷，信号电荷通过存储、耦合、检出、图像处理等过程后，在计算机中产生出一副完整的口腔全景图像。在普通扫描的模式下，经13.3 s的连续扫描，曝光结束，球管和平板探测器返回初始位[15-16]。

2.2 故障现象

机器突然停止运行，所有的操作按键都处于锁定状态，机器状态小显示屏上的错误信息如图5所示，报错误信息为“电流保护”。

图5 口腔全景DR的报错信息

2.3 故障检查与分析

该机报错一般都是英文信息，这次突然报日文错误信息“过电流保护启动”，请教厂家工程师，厂方的判断是高压逆变器和组合式球管坏，需要整套更换，价格是人民币10万元。

仔细观察机器，刚按下曝光按钮，机器能进行旋转扫描，经0.2 s延时后开始曝光，前面3～4 s可以曝光，且有图像，图像面积只有正常曝光图像面积的十分之一大小，详见图6。然后停止曝光，报图5所显示的错误信息。尝试把机器曝光电压降低到55 kV再次投照，故障依旧。

图6 机器在空白曝光状态下的DR图像

本机有关闭机器kV、mA的状态下进行曝光，测试组合球管是否正常的功能。方法如下：按机器的操作面板上的kV“－”号按键，使设定的kV值不断减少，直至显示kV值的小窗口关闭。在该状态下，曝光时逆变器加到高压变压器初级的电压为0，也就是曝光时球管两端所加电压为0；用同样方法关闭mA。开始模拟曝光，球管可以围绕着头颅旋转“曝光”，当在此模式下“曝光”结束后，机器无上述的错误信息提示。

根据上述现象判断，该机的逆变器部分正常，故障最大的可能性是在组合球管。球管一开始能够正常曝光，但随着曝光的进行，计算机检测到管头内反馈的组合球管电流异常的信号后，机器中断曝光并报错，据此判断组合球管内有零部件处于临界损坏状态。根据经验，如下部件损坏或质量不佳都可能造成“过流”故障现象：① 高压变压器击穿；② 高压整流硅堆有软击穿或性能不佳；③ X光球管真空度不良；④ 变压器油绝缘度下降，有高压放电现象；⑤ 高压取样反馈电路异常（可能性较低）等[17-18]。

2.4 故障维修

拆开组合球管组件，检测高压变压器、硅堆等高压元器件正常，当检查到球管的时候，目测发现球管的玻璃管壁有明显龟裂的现象，见图7。该球管是东芝的产品，型号是D-051，购买一个新的球管，经组装、干燥、真空注油、封装后，上机安装好修复的组合式球管，试机正常。

图7 D-051球管玻璃壁上的裂纹

2.5 维修小结

该故障是由于球管的玻璃壁出现裂纹，导致管内真空度不良。机器刚开始可以曝光，当连续曝光时，使球管内部空气电离越来越严重，管电流越来越大且极度不稳定，大大超出预先设定值，计算机检测到异常的管电流，停止机器曝光，进入保护状态，且报该故障信息。

3 讨论

在计算机控制下工作的数字化X线机，一般都有软件故障诊断、保护和报错信息为依据判定故障点，需要综合机器报错信息、故障现象以及实际测量的数据来逐步缩小故障范围，最终锁定故障的具体位置，使维修工作达到事半功倍的效果。组合式球管在维修上比非组合式球管复杂得多，因此，对其是否存在故障的判断更要力求准确，以免使故障扩大化。

虽然组合式球管的维修工艺要求较高，但是理解它的结构和绝缘要求后，不必更换昂贵的组合球管套件，完全可以自主维修；有时机器报的错误信息比较笼统，在维修此类机器的时候，不要机械地依靠机器报的错误信息。由于组合式球管特殊构造，在维修过程中要注意如下几点：① 管套内的变压器油要倒入干净且干燥的容器内封存，未污染的变压器油可以复用，如果使用新的变压器油，要满足耐压强度在标准电极下大于30 kV/2.5 mm有效值；② 将维修后的全部组件用变压器油刷洗清洁，装入管套后，要进行干燥处理，干燥温度以75 ℃为宜；③ 安装球管的时候，阳极靶面焦点一定要对准管套射线出口的窗口中心，以免投照时产生伪影；④ 在抽真空状态下，才可以往管套内注入变压器油，以免高压变压器绕组间有残留的空气，日后引起气泡产生伪影和高压放电[19-20]，造成机器二次故障。

4 总结

在维修这两个故障案例过程中，机器的报错信息非常宽泛，在某种程度上可能会误导维修工作，且生产厂家不给医院提供技术图纸，这也相应地增加了机器故障的判断难度，在维修过程中多走了不少弯路。因此对机器通用工作原理的理解，和平常工作中对相关资料的收集以及维修经验的积累显得尤为重要，不但能提高故障判断的准确率，还能把换组件级维修转为换元件级维修，节约大量设备的维修成本。