彭学虎

（广元市中心医院妇产儿童分院 医学工程科，四川 广元 628000）

0 引言

随着CT 临床使用量大幅增加，CT 图像质量要求提高及CT 技术发展，以前采用的经典固态轴承球馆，其物理极限逐渐接近，其提高的空间越来越小，而动态轴承球馆凭借其启动和扫描时的静音效果，待机连续运转缩短扫描准备时间，大容量提高使用效率及无摩擦延长使用寿命等优点逐步替代固态轴承球馆。原固态轴承球馆逐步退出市场，在高端CT 及CT更新等使用场地使用液态轴承球馆是更好地选择。而且，液态轴承球馆的综合指标目前已超过固态轴承球馆，已经成为市场的主流。

1 液态轴承球馆选用和优缺点

1.1 液态轴承球馆的选用

传统轴承随着球馆的转速增加,轴承部分产生的热量越来越高，噪音也跟着增加，轴承的磨损也随之加剧,热传导效率及热容量越来越接近其物理极限，很难再有提高；液态流体动压滑动轴承的应用很好地解决了这些问题，它采用一种由镓、锡、铟等几种低熔点金属组成的液态金属合金代替传统的金属固态轴承，这种合金同时兼具导电性，耐高温，常温下即为流体状态，高沸点（接近2000℃）等优点。故GE Optima 系列CT 采用先进的液态轴承球馆代替传统的轴承球馆。

1.2 液态轴承球馆的特点

从结构上来讲，因为使用了滑动轴承的原理，形成最小液膜厚度之后，转轴和轴套是分离的，相互之间只有流体的软摩擦，没有机械之间硬摩擦,所以原理上滑动轴承几乎不会磨损，实际上液态轴承使用寿命也数倍于传统固体滚珠轴承.同时，液态金属填充在转轴和轴套之间，可以起到对震动的缓冲和削弱，极大地抑制了噪音的产生。应用于CT系统中时几乎听不到旋转阳极启动及运行时所发出的声音，这种状态几乎能持续到球馆的生命周期。

从材料上来讲，由于液态金属本身极佳的热传导性，其作为阳极转轴和靶面之间的连接介质,极大地提高了阳极靶热量向轴承系统的传导效率，可以将靶面产生的大量热能无缝传导给球馆冷却系统；相较于滚珠轴承，配以相同的阳极靶，液态金属轴承可使阳极组件的热容量大幅提高，最大阳极散热效率提高一倍以上，可更好地支持连续大条件扫描。

1.3 液态轴承球馆的轴承旋转特性

球馆在静止状态下，由于液体流动特性转轴在重力作用下位于轴套最底部(见图1)；当阳极启动时，转轴受转动力矩的影响，与轴套发生相对运动(见图2)；随着转轴转速加快液态金属逐渐均匀的分布于转轴周围,转轴与轴瓦完成分离(见图3)；当转轴转速继续提升，液态金属液膜形成的支撑力与负载形成的合力达到平衡，转轴轴心位置达到稳定状态。

图1 球馆旋转轴套和转轴位置示意图

在液态金属轴承由静态开始启动时，转轴和轴套之间存在一定的摩擦，所以在同样的轴承负载下，液态金属轴承的启动力矩会略大于滚珠轴承,但阳极稳定运行后因为液体的摩擦系数极小，仅需极小的维持力矩即可维持转子稳定运行；所以GE公司在实际应用中为了减少阳极启动时摩擦对轴承的磨损，液态轴承球馆在待机状态下是连续旋转着的,可大幅度减少扫描准备时间（比如头部扫描可减少15%准备时间）并通过一系列的程序指令对球馆进行管理。

2 GE CT 对液态轴承球馆的管理和控制

2.1 GE系统对液态轴承球馆的管理

（1）当对阳极加速操作的同时，扫描架旋转速度≥2s/转。

（2）检查结束待机20 分min 后阳极转速由高速(High)状态切换到低速(Low)状态；从低速状态带滑行（Consting）状态到滑行需7 分钟。

（3）除E-Off，HVDC Off 或者运行某些维修程序外，阳极持续运转。

（4）当扫描架转速快于2s/转时需手动加速阳极到HIGH。

（5）控制台关机：阳极停止前有30min 低速旋转以冷却球馆。

2.2 系统维修程序对液态轴承运行的控制

（1）运行发生器维修工具Generator Tool-JEDI 时，需启动阳极到高速状态。

（2）运行束光器功能检查工具Collimator Functional，其中Axial Functional 启动前，需先启动阳极。

（3）运行探测器维修工具DAS TOOL，在下列情况时不能扫描：

扫描架旋转速度快于2s/转且阳极旋转不在高速状态。

扫描架旋转速度快于2s/转且选择Rotor Off。

扫描架旋转速度快于2s/转且选择X-ray Off。

（4）运行诊断数据收集工具Diagnostic Data Collection Tool，下列情况时不能扫描：

扫描架旋转速度快于2s/转且阳极旋转不在高速状态。扫描架旋转速度快于2s/转且选择Rotor RxOverrides Off。扫描架旋转速度快于2s/转且旋转X-ray Off,但当选择RxOverrides On 时可以扫描。

（5）运行扫描架平衡检测程序Gantry Service Balance：需先运行rotor_ctrl -start 命令启动阳极到高速状态。

（6）运行Flash Download：当阳极处于旋转状态时不能启动此程序，可以通过rotor_ctrl-stop 命令手动停止阳极旋转。

（7）执行System Reset 程序复位，st 命令启动应用程序时会自动停止阳极旋转。

（8）运行System Shuntdown 程序时，阳极保持低速运行5min，同时HV system 保持供电。

（9）运行CleanMon 命令时：阳极由旋转状态转换到停止状态需耗时12min。

2.3 液态轴承球馆常用控制命令。

（1）查看球馆型号：swhwinfo。

（2）查看球馆温度：rotor_ctrl -temp。停止阳极时球馆温度需处于蓝色或黄色状态区域，或者绿色区域<1:15，见图2。

图2 球馆温度示意图

（3）球馆阳极旋转状态指示：rotor_ctrl-status。扫描架控制面板侧也可观察阳极旋转状态，见图3。

图3 阳极旋转状态示意

2.4 为确保球馆正常使用，进行下列操作需先检查阳极状态，再停止阳极旋转

（1）常用控制命令rotor_ctrl–stop，系统复位System Reset–Scan，恢复系统参数Restore System State of Characterization，初始化数据库Initialize Database，备份和恢复参数Save&Restore Runtime Parameters、PDB off with System shutdown、HVDC switch off at Gantry Service switch panel，各固件程序下载工具FLASH Download tool。

（2）数据收集系统工具DAS tools：子选项选择Auto test,Manual tests,Power off 时。

（3）诊断数据收集工具Diagnostic Data Collection 子选项选择Static or Rotating X-Ray Off:Rotor Override -default/off 时。

（4）高压发生器诊断工具KV Diagnostics：单项选择Inverter Short Circuit,Inverter Gate Command,Heater Diagnostics,Fan Diagnostics,Rotor Diagnostics,Meter Verification,No Load kV 时。

（5）扫描架平衡检测工具Gantry Balance tool；FRDM Wizard tool

（6）应用程序关闭及启动Application shutdown/Application restart through“st”command。

注意：运行 HVBAT data pull 时阳极不需要停止旋转；且不会伤害球馆。

2.5 阳极旋转非正常停止停止时补救措施

（1）90s 内可通过rotor_ctrl -start 命令重新启动阳极。

（2）超过90s，等待需等待15min 再启动阳极以便热交换器充分运行。

2.6 基于以上程序管理，为避免损害球馆，在使用和维护过程中需做到一下几点

（1）安装球馆前需优先确认球馆冷却系统工作是否正常，并将新球馆放置在工作场地3h 以上已使球馆温度与环境温度一致。

（2）当检测设备等工作需要，停止球馆阳极旋转前必须先确认球馆温度状态是否适合。

（3）做任何维修工作前需先检查球馆状态，并使球馆达到推荐的状态时再进行下一步工作。

（4）熟悉正确操作步骤，确保球馆充分得到冷却。

3 GE CT 对液态轴承球馆的监测，控制与检修

电脑系统会持续对球馆温度进行监控,并每分钟记录一次,记录路径：/usr/g/service/log/tubeTemp.csv。

维修工程师可以通过阳极控制工具Rotor Control Tool 对阳极运行状态进行手动控制，包括手动控制阳极旋的启动与停止，旋转速度快慢,并自动显示阳极旋转状态的改变，详细介绍如下。

（1）运行阳极控制工具前需确认下列固件运行正常：KV 控制板PPC 工作正常（DS17-24 指示正常）；旋转阳极板运行正常（DS5 闪烁）；旋转直流电源板运行正常（DS7 点亮）。

（2）阳极控制工具运行路径Diagnostics/LB Tube Rotor Control，见图4。

图4 阳极控制工具路径

阳极控制工具启动后，通过选择Rotor Status/Low Speed/ Stop/ High Speed 选项,查看阳极状态或控制阳极旋转，见图5。

图5 阳极控制工具界面示意

阳极诊断工具Rotor Diagnostic tool 为系统内置的阳极检测工具,通过它可以自动诊断阳极是否有故障,并通过相关代码提示阳极的故障信息

（1）运行阳极诊断工具前需确认下列固件运行正常：KV 控制板PPC 工作正常（DS17-24 指示正常）；旋转阳极板运行正常（DS5 闪烁）；旋转直流电源板运行正常（DS7 点亮）；旋转阳极板，阳极油箱HEMIT，球馆和阴极油箱HV TANK 之间电缆连接正常。

（2）阳极诊断工具运行路径 Diagnostics/Generator Tool -JEDI/ RotorDiagnostic Tool,见图6。

图6 阳极诊断工具路径示意

（3）点击运行RUN，程序自动运行并显示运行完成或对应的故障代码，维修工程师可通过相应的故障代码进行进一步的检测维修。

4 液态轴承球馆的工作原理，典型故障检测与维修

根据设备临床使用实际情况，现将与球馆阳极相关的常见故障与检测维修方案整理出来，方便设备维修工程师迅速，准确的判断故障，为临床使用节约时间，提高设备的使用效率。

错误信息查看，出现故障或需分析设备运行状态时点击图像浏览显示器左侧信息栏(见图7),当信息框出现时,找到对应时间范围内的信息并对所记录的信息进行分析,常见错误信息以错误代码形式展现如60-0317(见图8),并同时记录错误出现时技术参数等信息。

图7 信息栏

图8 信息框

旋转阳极驱动电路原理分析(见图9)，旋转阳极板ROATION BOARD 通过J1 提供旋转阳极驱动电流到阳极油箱HEMIT 的隔离变压器初级,经过次级耦合并并入高压正极+HV,再通过高压电缆ST 提供到球馆阳极线圈驱动阳极旋转；旋转阳极板驱动阳极线圈的同时监测驱动电流以判断旋转阳极的工作状态。

图9 旋转阳极驱动电路图

曝光时提示硬件出错，查询信息错误代码为40-0103h:Rotation current overload Rotation board has detected Main or auxiliary Rotation current too high compared to the max.Tube motor current.

通过错误信息记录及附带的代码释义可知此故障为旋转阳极板检测到旋转阳极驱动电流超出设计允许的最大值。参考本章第2 条分析可以知道故障潜在原因有：①球馆阳极线圈故障（短路）；②HEMIT 隔离变压器故障（短路）；③高压电缆ST故障；④旋转阳极板检测电路故障。

通过将旋转阳极板驱动电缆J1 断开，分别运行阳极诊断工具RotorDiagnostic Tool 或同等条件曝光，区别旋转阳极板或后续电路故障；同理断开高压电缆ST，区别HEMIT 或后续电路故障。

本例通过断开高压电缆ST 后运行阳极诊断工具，故障现象改变，继续测量阳极线圈电阻发现主绕组阻值接近为0（正常主副线圈阻值为2-2.5Ω），故故障为阳极线圈短路，更换球馆后故障排除。

曝光时提示硬件出错，查询信息错误代码为40-0104h:Rotation current open load Rotation board detected that no current is flowing to the motor。

通过错误信息记录及附带的代码释义可知此故障为旋转阳极板检测到旋转阳极无驱动电流流过电机，驱动电路开路。参考本章第2 条分析可以知道故障潜在原因有：①球馆阳极线圈故障（断路）；②HEMIT 隔离变压器故障（断路）；③高压电缆ST故障（虚接）；④旋转阳极板检测电路故障。

将旋转阳极板驱动电缆J1 断开，测量J1 负载阻值，判断HEMIT 隔离变压器是否断路；同理断开高压电缆ST，测量阳极线圈阻值是否断路。

本例通过断开高压电缆ST 阳极油箱端接头后测量阳极线圈阻值为650Ω，继续断开高压电缆ST 球馆端电缆头发现插头及插座碳化发黑，金属触点焦化，且插座内干燥无油，由于插头端有正高压存在，当高压油泄漏后会引起金属触点高压对外壳放电产生电弧，烧焦触点及插座，引起触点接触不良，故清洁触点，插座后加入高压油后故障排除。

5 总结

CT 是临床诊断的重要手段，也是放射科产生经济效益的主要设备。在设备运行中球馆又属于高价值易损耗的部件，通过理解和熟悉其运行规律和保护机制，能相当程度减少对球馆的人为和意外损害，避免或减少大几十万的额外开支，同时也能通过合理正确的使用提高其使用寿命。