医用3.0T磁共振成像仪梯度系统故障三例

邵晓宁，吕佩颖，刘良，孟炯，程敬亮

郑州大学第一附属医院 磁共振科，河南 郑州 450000

引言

磁共振设备是一种高端医疗设备，不仅可以反映解剖信息，还可以进行功能和代谢成像，临床应用非常广泛[1-2]。磁共振成像设备结构复杂，包括磁体、梯度、射频、计算机及谱仪、附属设备等子系统[3-4]。其中梯度系统是磁共振设备重要组成部分，主要用来产生高功率、高切换率、高线性度的梯度信号，用于对磁共振信号进行空间编码，从而确定信号的空间位置。梯度系统主要包括梯度控制器、数模转换器、梯度放大器、梯度线圈及附属冷却系统[5]。梯度系统功率高、发热量大，需要通过风冷、水冷的方式进行降温[6]。梯度系统故障将导致图像质量降低，甚至整个设备停机[7]。

我院配备了多台西门子磁共振成像仪及GE 3.0 T 磁共振成像设备，现将日常运行中遇到的具有代表性的梯度系统故障进行总结，包括梯度线圈水冷系统故障、梯度放大器故障及梯度放大器散热风扇故障。对梯度系统故障进行分析，有利于快速定位问题排除故障，提高设备使用率。

1 梯度系统原理及构成

梯度系统主要用于提供磁共振信号空间定位所需要的三维梯度磁场，在梯度回波和其他一些快速成像序列中，梯度系统还起到聚相作用[8]。梯度系统由梯度控制器、数模转换器、梯度功率放大器、三路（X 轴、Y 轴、Z 轴）梯度线圈及附属的梯度冷却系统等组成[6]。其工作流程图如图1所示。

图1 梯度系统工作流程图

梯度控制器用于接收序列发生器（属于谱仪而非梯度系统）发出的成像参数，包括时序参数、幅值参数以及涡流补偿参数等，并根据这些参数发出数字控制信号，数字信号经过数模转换器转换为模拟信号，模拟信号经过功率放大器放大后，经由梯度线圈在特定的时相产生特性大小的梯度场。

梯度功率放大器也称为梯度放大器、梯度功放、梯度场电源柜。主要用于对模拟小功率的信号进行放大，经过放大后梯度的输出电流峰值可达几百安，部分机型甚至可以达到上千安，经过放大后的电流流经梯度线圈，产生相应的梯度磁场。梯度放大器一般是3 组，分别用于对X 轴、Y 轴、Z 轴梯度信号进行放大。当其中一组梯度放大器发生故障时可以单独更换，不影响另外两组梯度放大器的功能。图2a 为西门子磁共振成像仪梯度放大器，从左到右依次为X 轴、Y 轴、Z 轴梯度放大器，除了用于通信的线缆外，每组梯度放大器均接有一组水管（一进一出）用于散热。同时每组梯度放大器底部均装有散热风扇，也可用于散热。图2b 为GE 磁共振成像仪梯度放大器，图片上部3 组为梯度放大器，下部为对应的梯度电源，GE 梯度放大器也采用风冷水冷相结合的方式散热。

图2 西门子（a）和GE（b）磁共振成像仪梯度放大器实物图

梯度线圈也分为3 组，分别为X 轴梯度线圈、Y 轴梯度线圈和Z轴梯度线圈。Z轴线圈采用麦克斯韦对绕组。X 轴线圈和Y 轴线圈设计为鞍形，其中X 轴线圈为上下方向绕组，Y 轴线圈为左右方向绕组。梯度线圈由高纯度的铜线或者铜条制成，并用环氧树脂等材料一次性浇铸成型。由于是一次性浇铸成型的，其中一路梯度线圈故障后需要更换整个梯度线圈。梯度线圈实物如图3所示。

图3 西门子（a）和GE（b）磁共振成像仪梯度线圈实物图

梯度系统是大功率系统，通有大电流的梯度线圈会产生大量的热量，需要采用冷却装置降温，避免温度过高引起梯度系统故障[9]。常用的冷却方式一般是水冷和风冷[10]。目前，高性能磁共振成像系统中梯度线圈通常采用水冷方式进行散热。将梯度线圈绝缘处理后，在梯度线圈与填充物中间放置水管，围绕在线圈附近，这些水管与水冷交换机相连，水冷交换机将梯度线圈的热量经水流带走，达到散热目的[11]。本文所涉及的3 种机型梯度线圈均采用水冷方式散热。梯度放大器功率高，产热大，工作中也需要进行冷却降温，常用水冷风冷相结合的方式进行降温。水冷原理与梯度线圈相同，通过水冷交换机把梯度放大器产生的热量带走。风冷原理则是直接通过风扇进行散热，由设备间精密空调把热空气中的热量带走。

梯度系统主要性能指标有梯度场强度、梯度场线性、梯度场有效容积、梯度切换率等。梯度场强度越高，扫描层面的层厚越薄。梯度场线性是衡量梯度场平稳性的指标，线性越好，表明梯度场越精确，图像质量越好。梯度场有效容积反映满足线性要求的空间区域大小，有效容积越大，对成像区的限制就越小。梯度场的切换率反映梯度的变化速度，切换率越高，有利于开发更快的成像序列。由此可见，梯度场的性能决定着磁共振系统成像速度、图像几何失真程度及空间分辨率。

梯度系统故障将引起图像质量下降甚至整个设备停机，现总结梯度系统故障3 例，供同行参考。

2 梯度系统故障3例

2.1 故障一：梯度线圈水冷系统故障

2.1.1 故障现象

西门子Prisma，机龄7年。扫描头部弥散加权成像过程中报错：cooling system:Return pressure in the secondary water circuit low，扫描终止。水冷系统次级水压降为0。设备断电重启未恢复，疑似水冷管道漏水。

2.1.2 维修过程

磁共振成像仪扫描中断后到设备间检查，发现次级水压降为0（正常应为4～6 bar），怀疑外部管道漏水，但是没有找到漏水点，补水后报错消失，设备可以继续扫描。然而，第二天开机后仍报相同的错误，经仔细检查，外部管道仍未发现漏水点，怀疑梯度线圈内部水冷管道漏水。经工程师拆机检查，发现梯度线圈内侧鼓包，鼓包处有液体渗出，滞留在梯度线圈和射频线圈中间，拆除过程中仍有液体不断外渗。证实为梯度线圈内部水冷管道漏水造成次级水压降低，从而引起设备停机。由于梯度线圈是一次性浇铸成型的，为了提高散热效率，其水冷管道也固定在浇铸材料内部，管道无法单独维修或更换，需要更换整个梯度线圈。梯度线圈重达1.5 吨，更换较为费时费力，更换前需要先退磁，并拆除检查床和射频线圈，之后再拆除梯度线圈。安装过程中需要配备相应的辅助工具并校准，安装到位后复位射频线圈和检查床，之后励磁和匀场对设备进行调试和校准。

2.1.3 故障原因分析

梯度系统故障率不高，据统计，2022年我院9 台西门子磁共振成像仪共更换配件45 次，其中梯度系统1 次，占比为2%。整体上看，梯度系统故障率不高，所以故障发生时首先怀疑外部管道漏水，排除外部管道问题以后再检查是否是梯度线圈内部冷却水管道漏水。梯度线圈内部水冷管道漏水，导致水冷系统持续缺水，表面看是水冷系统报错，深究实质为梯度线圈内部管道漏水。维修过程中需要熟知各型号设备原理和硬件连接方式才能快速定位并解决问题。

2.2 故障二：梯度放大器故障

2.2.1 故障现象

GE 750 W，机龄6年。扫描头部过程中个别层面偶发横条纹状伪影，仅限头部左右方向出现伪影，伪影如图4所示。

图4 故障二伪影

2.2.2 维修过程

① 扫描头部过程中个别层面偶发横条纹状伪影，由于其他部位未发现问题，怀疑头部线圈故障，更换头部线圈后伪影复现；② 观察设备状态，发现伪影只出现在X 轴方向，怀疑X 轴梯度放大器故障，交换X 轴放大器与Y 轴放大器，伪影方向改变，确认X 轴放大器故障；③ 更换X 轴梯度放大器；④ 进行日常质量保证梯度校准测试和白噪声测试，系统显示正常；⑤ 再次进行头线圈质量保证测试，测试结果正常。设备恢复使用，伪影消失。

2.2.3 故障原因分析

梯度系统整体故障率不高，据统计，2022年我院4 台GE 3.0 T 磁共振成像仪共更换配件69 次，其中梯度系统5 次，占比为7%，而射频系统故障率较高，更换配件21 次，占比为30%。由于头部检查多，头部线圈使用频率高，加之此次故障前出现过头线圈故障引起的类似伪影，因此故障发生时首先怀疑头部线圈故障。由于该机器主要以头部检查为主，其他部位检查比较少，且伪影为偶发，频率不高，所以其他部位检查中未出现同类伪影，这也对本次故障原因的推断产生了误导。经过多次尝试，确定本次故障为梯度放大器故障。梯度放大器集成度高，无法直接测试内部电路。GE 750 W 磁共振成像仪所用梯度放大器峰值电压1650 V，峰值电流830 A，梯度放大器功率较大，且使用频率高，怀疑内部电路击穿，可能的原因是电路板脱焊或者静电累计造成打火。

2.3 故障三：梯度风扇故障

2.3.1 故障现象

GE 750，机龄10年。磁体间机架断电，显示屏不工作，检查床不能进出。

2.3.2 维修过程

① 磁体间断电，怀疑供电异常，设备断电重启后故障复现；② 查看后台报错信息，后台log 显示故障代码“2267834”，故障提示“The Power Cabinet AUX board is reporting a fan tachometer failure on X axis”，即梯度放大器X轴风扇转速异常； ③ 交换X、Y轴风扇，报Y轴异常，确认为X 轴风扇故障；④ 订购风扇进行更换，设备恢复使用。

2.3.3 故障原因分析

本次故障为梯度放大器冷却系统故障。GE 750 磁共振成像仪梯度放大器采用水冷与风冷相结合的方式进行散热。此次故障的原因是风冷部分用于散热的风扇轴承老化引起风扇转速异常，触发设备内部监测系统报警，监测系统为防止系统过热主动切断磁体间供电。此次故障的原因除设备自然老化外，另外考虑大降雨时设备部分元器件进水，虽然进行了长达月余的除湿处理，仍不排除部分元器件内部狭小缝隙内有水分残留，加速设备老化。

3 讨论

磁共振成像系统结构复杂，不同系统部件的故障可能会引起同样的报错，一个系统部件故障也可能会引起其他系统的报错。需要设备工程师掌握设备原理并熟悉各个设备性能，对故障现象深入分析，逐步排查，才能及时明确故障范围并解除，提高设备使用率[12-13]。同时，需要关注设备运行环境，磁体间和设备间保持恒定的温湿度有助于降低设备故障率[14-15]，同时应注重机房环境的清洁，防止尘土堵塞散热网[16]。

磁共振成像仪梯度系统故障率较低，但后果严重，一旦故障将引起图像质量下降甚至整个设备停机。磁共振设备结构复杂，包括多个子系统和附属设备，在分析故障原因过程中需要灵活思维，熟知原理才能快速定位问题。故障一表面上看是外部水冷问题，经过排查发现是梯度线圈内部水冷管道问题。故障三表面上看是电源问题，经过排查发现是梯度散热风扇问题。同时也不能过于依赖经验，故障二伪影案例应该多加分析，交换X、Y 轴放大器观察效果而不是第一时间先更换头部线圈。通过对三例3.0 T 磁共振设备梯度系统故障的总结分析，有助于进一步掌握磁共振设备维修、维护方法，提高快速定位故障排除故障的能力，提高设备使用率。