Lunar iDXA 双能X线骨密度仪的工作原理和维修两例

张影，从中华

首都医科大学附属北京佑安医院 医学工程中心，北京 100068

Lunar iDXA 双能X线骨密度仪的工作原理和维修两例

张影，从中华

首都医科大学附属北京佑安医院 医学工程中心，北京 100068

本文介绍了GE Lunar iDXA 双能X线骨密度仪的测试原理和系统构成，通过对两例扫描故障进行分析、判读与排除，保证了设备的正常使用，为同类设备或出现类似故障的设备维修提供参考。

骨密度仪；双能X线；故障维修；编码器；故障维修

0 前言

骨质疏松症是一种全身性代谢性骨病，目前骨质疏松的治疗大部分是通过药物改善症状，尚未研究出疗效确切的方法，因此对骨质疏松的早期诊断及预防非常重要[1]。骨密度（Bone Mineral Density, BMD）指骨单位面积所含的骨矿物量，是反映人体骨骼代谢状况的一项重要指标，用于分析人体骨量变化情况，反映骨质疏松程度，是预测骨折危险性的重要依据。目前骨密度测定仪主要有光子吸收法、定量超声法、X线吸收法（单能X线和双能X线）和定量CT 测定法，不同类型的方法在原理和技术特点等方面也存在着较大的差异，其中双能X线骨密度仪（Dual X-ray Absorbtiometry, DXA）是目前公认的诊断骨质疏松的金标准。

美国GE Lunar iDXA对X线球管提供恒定电压100 kV，针对不同的扫描部位，预设了3种用户不可调管电流，分别为0.188、0.625和2.5 mA。双能X线（44 keV和72keV）由钐制K边缘滤线栅产生。采用的是碲锌镉（CdZnTe/CdTe 或CZT）晶体探测器。X 线穿透人体骨组织，不同的骨矿物质对X 线吸收量不同，所以X线衰减也不同，将穿透骨组织的X 线强度通过探测器和计算机系统转换为骨矿物质含量数值。由于测量中使用了两种不同能量的X线，故可以获得两种线性衰减值，从而基本消除了脂肪与肌肉对测定的干扰。可以测定腰椎、股骨近端、桡骨远端等多处的BMD。

1 Lunar iDXA 双能X线骨密度仪的测试原理和系统构成

1.1 Lunar iDXA 双能X线骨密度仪的测试原理

普通的X 射线是连续的泛能谱, 其在穿透人体身体时,骨骼和软组织会分别对低能谱(多采用35～50 keV 能谱段)和高能谱(多采用80～120 keV 附近能谱段) 的X线产生不同的吸收作用（图1）。

图1 骨和软组织的能量衰减图

Lunar iDXA 双能X线骨密度仪采用X球管产生X射线,并采用K边缘滤过技术产生双能X 线（有些双能X线骨密度仪采用开关脉冲技术），测量它们通过骨骼（B）和软组织（S）的吸收率，通过能量减影的方法消除软组织对骨密度测量的影响[2-3]。在低能量时，骨骼的衰减比软组织的衰减程度要大，因此，可区分两种组织：骨骼（羟基磷灰石）和软组织。在高能量时，骨骼衰减和软组织的衰减程度是相当的。将两种不同能量的X射线对相同位置的人体进行投影。穿过骨骼和软组织后，根据比尔一朗伯定律列出X线强度的下列方程组：

式中，μ：人体物质对X射线的等效质量衰减系数；M：人体物质的面密度（g/cm2）；Ii、Io：分别为 X 射线的入射和出射强度；H、L：高、低能量 X 射线的下标；B、S：表示骨骼和软组织的下标。

对某一测点(X0，Y0)，测得经该点衰减后的IHo、ILo即可联立方程式求解，消去软组织MS后，即求得该点的骨密度MB(X0，Y0)。从而迅速无损地测出所测部位骨骼的骨密度值。

1.2 Lunar iDXA 双能X线骨密度仪的系统构成

Lunar iDXA 双能X线骨密度测量系统由硬件和软件两大部分组成。硬件系统主要包括X 线球管及高压发生器、准直器、X 线探测器、扫描及驱动控制部分、计算机系统以及检查床（图2）；软件包括计算机应用软件控制、图像处理及报告等部分。Lunar iDXA 产生的泛能谱X线经过钐制K 缘滤过器将多能量的X 线光束分成高能量成分与低能量成分（44 keV和72 keV），CZT探测器分别记录下这两种不同X 线光子能量，DCB控制板对高能、低能 X 射线进行甄别与计数，通过数据传送器将数据送中央计算机处理。计算机应用软件主要负责由探头部分采集到的数据经 A/D转换后的数据处理，包括完成扫描后成像、测量校准，结果分析及信息维护等功能。

图2 Lunar iDXA双能 X 线骨密度仪硬件示意图

2 Lunar iDXA 双能X线骨密度仪的故障维修两例

2.1 故障一

2.1.1 故障现象

扫描过程中，发生过一次“咔嗒”声后，扫描臂经常发生卡住情况，大约1周后扫描臂彻底卡死，不能移动。

2.1.2 故障分析及处理

从enCORE软件主屏幕上选择Option（F6），再选择Error log查看，发现里面有多项“纵向运动失败，检测不到运动。详细描述（XMS I/O Port Command）”的错误日志。在扫描臂控制面板上，按下向上、向下、向左和向右四个方向的运动按钮，测试纵向两侧和横向两侧运动，发现扫描臂无法完成纵向两侧运动，而横向两侧运动正常。初步判断纵向运动机构出现了问题。

扫描臂与X线球管装置联动机械运动框图，见图3。扫描臂与X线球管装置一起构成联动装置，在XMS控制下，完成横向（X方向）和纵向（Y方向）上相互垂直导轨上的运动，横向和纵向传动机构是分别独立存在的，在这两个方向上运动的最大行程由限位开关控制，从而起到行程保护作用，以防止误操作或其他原因致使运动到极限位置。XMS输出48 VDC供电给电机，电机转动带动皮带轮转动，转动传递到机械结构，带动与电机同轴的编码器一同旋转。从而完成扫描臂与X线球管装置联动运动。

根据这一故障现象，分析出现问题的地方可能是：①控制电路有元器件损坏，不能控制运动机构转动；② 电机烧坏，不能转动；③ 皮带轮、皮带及机械结构有松动情况，导致电机转动无法传递下去；④ 编码器损坏，无法检测电机运动位移及计数，从而无法产生电机控制电路的反馈信号。按照由简单到复杂的检查程序，首先关闭电源，检查传送皮带及皮带轮转动阻力是否正常，没有发现异常阻力增大情况。通电，检测电机电源是否加上，万用表直流档检测，有48 VDC，初步认为直流电机正常，应重点排查编码器。

许多电机都需要配备编码器以完成机械运动状态的测量，二者联合应用在大型设备中比较常见，并且最易出现故障的结构是编码器。查阅相关资料，得知：本编码器是光电编码器，它是一种检测机械运动位移的传感器，由光栅盘和光电检测装置组成等分的若干个长方形孔的光电码盘，与电动机同轴。当电动机旋转时，光栅盘与电动机同步旋转，经发光二极管、光敏管等电子元件组成的检测装置输出两组近似正弦的电信号，经放大整形后变成两组相位相差90°的方波，根据A，B之间的相位关系即通过鉴相可确定电机的正反转。找到编码器，发现其下方有些许细小黑色粉末。用示波器不能检测到编码器的两项方波信号输出。用内六角扳手拆卸下该编码器，底下出现了更多的黑色粉末，判断编码器内部的光栅盘或类似结构分解所致，更换同型号新编码器，故障排除。

图3 扫描臂与X线球管装置联动机械运动系统框图

2.2 故障二

2.2.1 故障现象

操作人员反映骨密度仪有时在扫描过程中突然中止，退出扫描程序。

2.2.2 故障分析及处理

类似情况发生过几次，在扫描中止后，重新对患者进行了扫描，当时并没有再次出现自动中止扫描退出程序的情况。经过仔细询问操作人员，得知在发生这种情况时安装有enCORE软件的计算机上收到过来自医院网络的通知。后来操作人员发现在进行一次扫描时，他同时打开了Microsoft Office办公软件进行文字处理，也发生了扫描停止自动退出扫描程序的情况。结合这几次情况判断：若要保证Lunar iDXA 双能X线骨密度仪正常执行扫描程序，则在计算机Windows XP操作系统正常运行情况下，要尽量保证enCORE软件唯一运行。本台计算机被我院网络中心分配了一个172.16.13.2的IP地址，在网络连接里进行了Internet 属性TCP/IP协议设置，并在本机上安装了SetupCli(61800)客户端应用程序，从而可以自动接收来自院内的网络通知。从本机上卸载了SetupCli(61800)客户端应用程序，使其不再接收院内网络通知。并且告知操作人员在进行患者扫描时要保证enCORE软件唯一打开运行。与GE厂家工程师交流此问题时，得到反馈：他们的工程师在进行安装过程中，通过enCORE软件对扫描仪部分进行Primary Calibration时，由于时间较长，结果屏幕保护程序启动，造成校准程序进行到一半就自动退出，工程师进行了多次Primary Calibration尝试，都未能成功，从而导致安装无法进行下去。后来经过技术支持人员提供支持，关闭屏幕保护程序，才继续完成了安装。目前厂家尚没有针对这一情况的补丁程序。

3 小结

Lunar iDXA 双能X线骨密度仪采用了最新的64位CZT晶体探测器技术，交叉错位排列，它对探测到的光子直接转换产生电荷。该机全身骨密度精度＜0.6%，扫描速度约10 s；放射剂量低，可以对单侧、双侧股骨、正位、侧位脊柱、前臂、全身进行成像，可以进行脊柱、股骨髋骨等骨部位的结构、强度分析，评价骨折风险以及骨量变化；可以测量和计算全身脂肪、肌肉组织和骨组织，进行人体成分测量分析；进行臀腹脂肪评估，可有效评估向心性肥胖，预测糖尿病及冠心病的发病风险，扩展了临床或科研应用。

Lunar iDXA 双能X线骨密度仪是一种精密、结构复杂的大型医疗设备，含有多个系统构件。一定要熟悉机器的结构、原理。充分利用机器的报错信息[4-5]，出现故障时结合报错提示，能较好地判断故障原因、排除故障，保证设备的正常运行。

[1] 高敏．骨密度仪的应用进展[J]．中国医药导刊,2011,(3):379-381．

[2] 肖建强,王慧．双能X线吸收法骨密度仪测试原理浅析[J]．上海生物医学工程,2001,2(4):48-49．

[3] 王慧．NORLAND骨密度仪X射线源维修[J]．中国医疗设备, 2014,29(2):138-140．

[4] 苏根元,王萍萍,于小晶． GE light speed 16排螺旋CT常见故障的维修和体会[J]．中国医学装备,2011,9(8):77-79．

[5] 杨瑞,孟庆乐,曹艳,等．SPECT/CT检查床常见故障分析及维修[J]．生物医学工程与临床,2014,18(4):388-389．

Working Principle of Lunar iDXA Dual X-ray Absorbtiometry and Two Maintenance Cases

ZHANG Ying, CONG Zhong-hua
Medical Engineering Center, Beijing YouAn Hospital, Capital Medical University, Beijing 100068, China

TH774

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.02.048

1674-1633(2015)02-0151-03

2014-11-11

作者邮箱：pengzhangying@sina．com