GE Brivo MR355 1.5 T磁共振梯度系统与冷却系统故障分析与处理方法

【作 者】 张骥，杜桂民，王萌萌

齐河县人民医院 医学装备科，德州市，251100

0 引言

磁共振成像设备通过人体内含氢质子在静磁场内因受到多种频率射频激励而发生磁共振现象，计算机系统接受磁共振信号后通过空间编码技术（梯度场）生成核磁图像，是一种用于人体内部多种疾病诊断的现代化影像设备[1]。磁共振设备由主磁体系统、梯度系统、冷却系统、射频系统、计算机系统及相关辅助设施（如精密空调、照明系统）等组成[2-3]。

我院现有的1台GE公司的1.5 T Brivo MR355型磁共振设备，该设备购置于2012年8月，MR年均扫描患者部位达三万余次，设备经常处于满负荷工作状态，软硬件出现故障也越来越多，尤其是近1年来因梯度系统和制冷系统发生故障导致停机运行，对我院医疗服务造成一定影响。近5年来宁夏医科大学肿瘤医院的王爱军[4]和潍坊医学院附属医院的熊刚等[5]对梯度系统的故障维修做过详细介绍，兰州市第一人民医院的田弘洲[6]对冷却系统的故障维修做过了详细的分析总结，但对于GE公司生产的1.5 T Brivo系列磁共振 MR355和MR360两种型号的梯度系统和冷却系统的故障维修分析和探讨还没有相关研究文献。下面分析总结近一年来我院磁共振设备发生的梯度系统和冷却系统两例故障的具体处理步骤和方法，与大家分享大型设备维修方面的方法和经验。

1 梯度系统和冷却系统工作原理

1.1 梯度系统工作原理

磁共振梯度系统作为设备的核心部件，其主要功能是给梯度线圈供电，使得X、Y、Z三个方向的梯度线圈在成像空间中产生线性变化的正交磁场，实现磁场的空间位置编码和成像体素的选层，用于空间定位[4]。三个正交的梯度直流线圈的供电分别有一个独立的梯度放大器供电，使得梯度线圈输出线性稳定、转换速度快、开关时间短、脉冲电流精准[7-8]。GE Brivo MR355梯度系统工作原理，如图1所示，主要组成为：梯度数据产生部分（SRF/TRF板）、梯度数据传输部分（STIF板）、梯度处理器（GIP/GAP/GP）、三个梯度放大器（Amp）、梯度电源（Power Supply）、滤波器（Pen Panel Filter）和梯度线圈（Gradient Coils）。

图1 GE Brivo MR355梯度系统工作原理Fig.1 Schematic diagram of GE Brivo MR355 Gradient system

1.2 冷却系统工作原理

GE Brivo MR355磁共振磁体线圈的冷却系统结构原理，如图2所示，其结构由水循环、氦压机、冷头等三级联冷部分组成[9]。其中水循环制冷系统由初级水冷和次级水冷两部分组成，初级水冷由压缩机、冷凝器、膨胀阀、自来水管路等组成，各部件均位于室外；次级水冷主要功能是与氦压机进行热交换，导出氦压机运行产生的热量；氦压机制冷系统主要功能是由GWS-70氦压机通过连接管路与磁体上的冷头进行热交换，导出冷头循环工作产生的热量；冷头为日本住友4 K级别的RDK408A3型，主要功能是在4.2 K温度下输出1 W的冷量，将磁体内液氦因吸收磁体线圈内的热量蒸发产生的气体氦气全部液化，达到给磁体线圈降温的目的，实现磁体液氦的零消耗。

图2 GE Brivo MR355磁共振磁体线圈冷却系统结构原理Fig.2 GE Brivo MR355 Magnetic resonance magnet coil cooling system schematic

2 梯度系统故障

2.1 故障现象

设备正常使用中，系统在扫描患者最后一个弥散序列时突然无法扫描，提示梯度系统没有准备好，查看错误日志中的报错信息可以看到：The GP is reporting a SGA Power Supply Over Current Fault（梯度处理器报告梯度放大器电源低压错误），报错代码为2244860。按系统提示，对系统进行TPS Reset重置，结果系统仍然无法扫描。

2.2 故障分析

首先调取全部的错误日志信息，如图3所示。可以看到梯度处理器首先检测到梯度放大器电源电压过载（图3a），紧接着梯度处理器检测梯度放大器电源输出电压低（图3b），4 s后梯度处理器检测到多个X轴梯度放大器内部错误或控制电压低（图3c）。

图3 磁共振梯度系统报错信息截图Fig.3 Screenshot of error message reported by Mr Gradient system

根据图1中的梯度系统工作原理，X、Y、Z轴的三个梯度放大器使用共同的一个梯度电源，且最后一个梯度系统的报错指向了X轴梯度放大器，因此故障原因可能来自X轴梯度放大器内部。

进入设备间查看梯度放大器后发现X、Y、Z轴三个梯度放大器指示灯中仅X轴的“UV”橘黄色指示灯亮起，而其余指示灯指示均一样，根据磁共振理论可知X、Y、Z轴三个梯度放大器结构完全一样[10]，故交换X轴和Y轴两个梯度放大器电源线和控制线，用同样序列及参数进行扫描，系统报错信息变为：The GP reported multiple Gradient Amplifier Y Axis Internal Wiring Fault or Control Undervoltages（梯度处理器检测到多个Y轴梯度放大器内部线路问题或控制部分低压），此时设备依然无法进行扫描，经分析确定故障原因来自X轴梯度放大器故障。梯度放大器包括供电电源和放大器控制板，为缩小故障范围恢复原来接线，拆下X、Y轴的梯度放大器后把X和Y轴两个梯度放大器控制板对调，再进行系统TPS Reset，设备再次报同样的Y轴故障。进一步判断出故障原因来自X轴梯度放大器内的控制板。

2.3 故障处理与小结

设备关机后将X、Y轴梯度放大器取出，卸下两个放大器的控制板，经仔细观察对比两个电路板后，发现X轴的梯度放大器控制板上有一个电容外壳有形状不规则鼓起的现象，且外壳颜色为深灰色，外皮似乎因过热而变色和僵硬，而Y轴梯度放大器控制板上同样位置的电容的颜色为淡黄色、外皮光滑，因此判断X轴梯度放大器控制板上的贴片电容可能损坏。拆下该电容，经测量发现该电容已被击穿，更换同样型号的16 V，2 200 μF，85 ℃贴片钽电容后重新开机，X轴梯度放大器上“UV”不再常亮，进入设备校准界面，对X轴梯度放大器输出电压进行直流校准（DC Offset Calibration）后，进行水膜扫描测试，设备工作正常，故障消失。

磁共振设备属大型精密设备，尤其是梯度放大器需要对电感负载提供切换速度快、电流大小精准的脉冲电流[11]，线圈在进行普通序列的扫描时，梯度放大器输出电压稳定在200 V；而进行梯度切换最快的弥散序列扫描时，输出电压会在195 V和205 V之间跳动。梯度放大器上的贴片钽电容的过压和高温，特别是长时间的过压和高温，会严重缩短钽电容内部单体电容的寿命。因此对于医院的临床工程师来说，只有熟练掌握设备各部件的结构组成和工作原理，在维修过程中认真推理、仔细观察，每步的操作都有理有据、有的放矢，才能真正做好保障设备安全运行。

3 冷却系统故障

3.1 故障现象

设备远程监控系统检测到设备近14 d内磁体氦压从4.035 psi（注：1 psi=6.89 kPa）持续上升至4.956 psi（正常值为0.9～1.1 psi），期间压力值曲线一直呈现上升趋势，经医学装备科现场查看，压力有超过临界值（5.25 psi）趋势，遂与厂家工程师联系，为设备安全运行，经沟通后决定暂停使用磁共振设备。

3.2 故障分析

根据图2中的磁共振冷却系统工作原理，磁体液氦压力升高原因出现在水循环、氦压机、冷头等三方面，需逐个排查。首先进入现场查看Magnet Monitor显示屏显示的水冷系统数据，其中水循环制冷系统温度（Water_Temp: 18.1 ℃）和流量（Water_Flow: 8.49 LPM）均在维修手册中正常范围内。继续查看氦压机，氦压机工作状态下进气管路的动态压力在2.1～2.3 psi之间跳动，回气管路动态压力在0.65～0.75 psi之间跳动，工作界面制冷指示灯绿灯常亮，根据氦压机维修手册得知压力正常；为排除氦压机故障的可能，在氦压机工作过程中为氦压机添加纯氦气至进气动态压稳定在2.3～2.5 psi之间，磁体线圈在未进行扫描状态下继续观察设备运行4 h以上，磁体液氦压力上升至5.10 psi且依然呈现上升趋势。由此排除水冷机和氦压机故障的可能。根据磁共振工作原理，最后的可能指向磁体冷头[12]。

查看Magnet Monitor显示屏显示的冷头传感器数据：Coldhead_Ru0：5.24 K（冷头温度）；Shield_Si410：53.36 K（屏蔽层温度）；Recon_Si410：3.94 K（一级冷头温度）；Recon_Ru0：4.46 K（冷凝器温度）。结合维修手册得知冷头传感器数值略高，但因我院该设备已使用10年，上次冷头更换为5年前，而住友冷头的常规寿命在3～6年，继续查看Magnet Monitor显示屏中Heater Duty Cycle数据仅为6%（数值越高说明冷头的工作效率越高），由此推断磁体液氦压力持续升高的主要原因为冷头使用寿命已接近极限，导致冷头和磁体线圈之间热交换效率变差。

3.3 故障处理与小结

首先用管路连接真空泵与冷头腔体，用真空泵把腔体内抽真空，使腔体内达到真空状态，保持腔体与磁体内外气压平衡，然后利用专用工具拆卸已损坏的冷头。拆出冷头后待腔体温度自然上升，在设备软件中监控腔体温度Recon Si410达到270 K左右时方可安装新冷头。在新装日本住友4 K级别的RDK408A3型冷头轴端与腔体的接触面上均匀粘贴铟丝，利用铟的可塑性强和延展性等特点来保证接触面的密封性。最后在冷头轴端用铝胶带固定干燥剂，以吸收空气中的水蒸气，保持干燥。新冷头处理完后对各接触面进行检查，无问题后将新冷头装进冷头腔内。新冷头安装完毕之后，用真空泵抽真空后，开启氦压机进行工作。进入设备软件继续观察冷头内各温度传感器检测的温度变化和磁体线圈内液氦压力的变化。重新开机，进入设备校准界面，对冷头参数进行校准后，继续观察液氦压力4 h后得到压力值降至4.1 psi，第二天早上液氦压力下降至0.985 psi（正常值为0.9～1.1 psi），设备恢复正常。

冷却系统作为磁共振设备主要组成部分之一，实现超导线圈长期浸泡在温度为4 K左右的液氦中，其各部件工作状态尤为重要。设备运行中可能会受到各种因素的影响而出现故障，在设备运行中需密切关注各组件的运行参数，并做好日常记录，出现故障时应及时维修，否则导致磁体线圈温度、液氦压力上升，达到极限后液氦会出现泄漏，造成图像伪影甚至无法扫描，最严重的会导致磁体失超，给医院带来巨大损失和不良影响[13-14]。

4 讨论与总结

GE 1.5 T磁共振 Brivo MR355作为现代化的大型影像设备，系统组成结构和成像原理复杂，软硬件的各种原因都会引起设备故障[15-16]，且维修难度大。作为临床工程师应熟悉设备的基本结构和运行原理，在出现设备故障后需要首先查看报错信息，结合故障现象和维修手册，理清思路后仔细分析可能引起故障的原因，采用逐步排除法、原理分析法和同原理交换试验法等，将多种方法灵活运用，快速解决设备使用过程中出现的故障[17-18]。笔者提及的梯度系统故障和冷却系统故障案例，在相关文献中有过对其他品牌型号的类似故障处理阐述[4-6]，但因设备品牌和型号不同，结构组成和运行原理有所不同，所述的处理方式方法和笔者也有明显不同，且针对于GE Brivo系列1.5 T的磁共振梯度系统和冷却系统未有专门的研究文献。笔者提及的故障中通过科学运用维修方法，有理有据地快速定位故障点，并对相应配件进行更换后设备恢复正常工作状态。通过两种案例的分享，希望与各临床工程师和厂家维保工程师相互学习，提升临床工程师的设备保障能力。

磁共振系统复杂、精密，作为临床工程师应对大型设备定期做好设备巡查和预防性维护保养工作，有利于降低设备故障率，同时也可提高设备开机率和降低医院的大型设备维保费用[19-20]。专业性强的临床工程师在保障设备安全运行过程中发挥着极其重要的作用，尤其是在疫情防控期间外地工程师无法上门处理时。因此医院应加大对院内临床工程师的培训力度，打造一支本领过硬的技术团队，这对于医院降低医院运行成本，减小设备故障对给予患者提供良好的诊疗服务有着十分重要的意义。