姚祥雄

經(jīng)顱磁刺激儀的維護(hù)與檢修實(shí)例

姚祥雄①

經(jīng)顱磁刺激；原理；維護(hù)；故障檢修

經(jīng)顱磁刺激儀采用經(jīng)顱磁刺激（transcranial magnetic stimulation，TMS）技術(shù)，具有無創(chuàng)、無痛及無損的特點(diǎn)［1］。目前，我國的經(jīng)顱磁刺激技術(shù)已達(dá)到世界先進(jìn)水平，并且在癲癇病、抑郁癥、精神分裂癥、老年癡呆、偏頭痛及腦癱等各個(gè)方面得到了廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)已有越來越多的醫(yī)院開展TMS技術(shù)治療。但TMS儀器的相關(guān)維修資料不多，因此將TMS儀的工作原理、故障檢修以及日常維護(hù)進(jìn)行總結(jié)，供同行參考。

1　TMS儀的工作原理

TMS技術(shù)是利用時(shí)變的脈沖磁場作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)（主要是大腦），改變皮質(zhì)神經(jīng)細(xì)胞的膜電位，使之產(chǎn)生感應(yīng)電流，影響腦內(nèi)代謝和神經(jīng)電活動(dòng)，從而引起一系列生理生化反應(yīng)的磁療技術(shù)［1］。TMS技術(shù)是電磁學(xué)與醫(yī)學(xué)結(jié)合的典范，主要的刺激模式為單脈沖TMS（sTMS）、雙脈沖TMS（pTMS）和重復(fù)性TMS（rTMS）3種。TMS儀的工作原理主要由產(chǎn)生快速變化電流的主電路和產(chǎn)生時(shí)變磁場的刺激線圈兩部分組成（如圖1所示）［1］。

圖1顯示，其主電路可簡化為由充電電路、儲能電容器組C、電阻R1和R2、二極管D1和D2以及控制電容放電的可控硅開關(guān)SCR組成，而R1表示線圈連接部件以及電纜的電阻。磁刺激前K1接通，電容C充電到初始電壓V（可調(diào)節(jié)從零到數(shù)千伏［1］）；磁刺激時(shí)K1斷開，脈沖觸發(fā)信號選通可控硅SCR使其導(dǎo)通，電容C快速放電產(chǎn)生一個(gè)電流脈沖波形，通常一個(gè)阻尼正弦脈沖（持續(xù)時(shí)間200 μs左右［1］），電流浪涌峰值達(dá)到5～10 kA，使線圈產(chǎn)生強(qiáng)大的時(shí)變磁場［1］。若是K2接通，則電容C的兩端電壓被二極管D1鉗位，刺激線圈只流過單相電流，而電阻R2不僅保護(hù)二極管D1，而且控制著磁刺激電流的波形。若是K2斷開，則電容C和刺激線圈L形成振蕩電路的反向電流通過二極管D2流過刺激線圈，使刺激線圈有雙相輸出。

刺激線圈是TMS儀的關(guān)鍵部件，根據(jù)其形狀可分為圓形、8字形、帽形、錐形、H（Hesed coil）、V字形、多葉形、長方形及橢圓形等線圈。由于線圈在磁刺激治療時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的熱量，需要配置有效的冷卻模式降低線圈的溫度，其冷卻模式主要有自然冷卻、風(fēng)冷和液冷。而液冷又分為水冷和油冷，線圈外冷和內(nèi)冷。

經(jīng)顱磁刺激儀的實(shí)際工作電路模塊［1］主要有：主電源電路模塊、主控板、人機(jī)交互控制面板、高壓放電模塊以及刺激線圈（如圖2所示）。

圖1　經(jīng)顱磁刺激儀的工作電路原理圖

圖2　TMS儀的實(shí)際工作電路模塊框圖

高壓放電部分的保護(hù)泄放模塊，其作用是在待機(jī)、關(guān)機(jī)、突然停電、設(shè)備故障以及調(diào)低輸出等狀況下自行將高壓電容器組的電壓泄放掉，以有效保障儀器的使用安全。

2　TMS儀的故障檢修

2.1故障案例一

（1）故障現(xiàn)象。打開儀器（依瑞德YRD CCY-I型TMS儀）電源開關(guān)，按下開機(jī)按鈕而按鈕中的指示燈亮起的亮度降低，儀器無任何啟動(dòng)反應(yīng)，且經(jīng)常無故中斷刺激治療過程并關(guān)機(jī)，重新開機(jī)無響應(yīng)，需停機(jī)冷卻一段時(shí)間方可開機(jī)啟動(dòng)儀器工作。

（2）故障分析。由于開機(jī)按鈕指示燈有亮，可知主電源保險(xiǎn)管未熔斷、電源總開關(guān)正常接通，該故障主要涉及的部件是主電源電路模塊、人機(jī)交互控制面板和主控板，需檢修的電路范圍比較大。初步推斷儀器的散熱系統(tǒng)有問題而過熱保護(hù)，可先清理散熱風(fēng)口，并觀察冷卻液循環(huán)系統(tǒng)，再檢查人機(jī)交互控制面板的開關(guān)是否接觸不良或斷開，進(jìn)而檢查主電源電路和主控板及其相關(guān)的各級負(fù)載電路是否存在故障原因。

（3）故障檢修。①清理該儀器相關(guān)的散熱風(fēng)口，觀察冷卻液的液面是處于正常范圍，冷卻液循環(huán)連接管道也通暢，但開機(jī)啟動(dòng)仍無任何響應(yīng)。由于啟動(dòng)時(shí)指示燈亮度降低，便斷電卸下開機(jī)按鈕進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)按鈕接通阻值正常；②再通電，檢測指示燈的工作電壓只有約20 Vac（正常值為220 Vac），斷開電源拆開主機(jī)逐級跟蹤開機(jī)指示燈的工作電壓線路，發(fā)現(xiàn)主控板供電模塊的輸入電壓與開機(jī)指示燈的電壓是共用的線路，此線路的接入點(diǎn)在主電源板中，該線路板中有2個(gè)標(biāo)示220 Vav輸入的電源模塊（5 Vdc、12 Vdc）；③再次通電并按下開機(jī)按鈕，檢測5 V模塊電壓正常，而12 V模塊的輸出電壓約1.1 V且輸入電壓只有約20 Vac，因此推斷主機(jī)不能開機(jī)啟動(dòng)應(yīng)是由主電源板的工作異常造成。為了方便檢修，拆卸出懷疑故障的線路板并抄錄出其電路圖（如圖3所示）。

圖3　主電源電路中故障點(diǎn)的電路圖

此部分電路的主要功能是開機(jī)通電自鎖和高壓自檢異常保護(hù)。如圖3中所示，K1和K2引腳是開機(jī)按鈕接入點(diǎn)，L1和N1引腳是開機(jī)按鈕指示燈和主控板供電模塊的接入點(diǎn)，J1和J2是固態(tài)繼電器（MGR-1 D4840）［2］，光電耦合器U2（4N35）的引腳6（控制信號）［3］是高壓電路部分提供的偏置電壓，R3和R10都是由4個(gè)大功率電阻（20 W/1 kΩ）并聯(lián)組成，74HC132集成了4路雙輸入施密特觸發(fā)與非門，其每一路的運(yùn)算邏輯見表1［4-5］。

表1　74HC132的運(yùn)算邏輯功能表

表中L為低電平，H為高電平。已知繼電器J1的控制電壓約5 V，并已檢測出L1與N1之間的電壓異常偏低以及12 V模塊輸入電壓只有約20 Vac，依照抄錄的電路圖分析，推斷可能是繼電器J1、濾波電感L1和L4及三極管Q1元件有損壞，或者是控制Q1導(dǎo)通的電路有故障。濾波電感L1和L4以及三極管Q1已檢測未發(fā)現(xiàn)損壞；通電并短接K1和K2，在線檢測繼電器J1的控制端電壓有5 V，因此確定繼電器J1出現(xiàn)問題。更換繼電器J1后通電啟動(dòng)，儀器故障解除。

2.2故障案例二

（1）故障現(xiàn)象。磁場輸出減小或無輸出。

（2）故障分析。由于磁場輸出的大小取決于刺激線圈流過的電流大小，故障現(xiàn)象的原因通常集中在高壓充放電模塊。

（3）故障檢修。檢測無極性高壓電容器是否損壞或老化，由于電容器有一定的預(yù)期使用壽命，故更換此高壓電容器即可解除故障。若是更換高壓電容器仍不能解除故障，必須檢測主電源電路中的升壓模塊、高壓整流及充電控制模塊是否工作正常，以及高壓放電模塊是否有漏電現(xiàn)象，由于電路緊密聯(lián)系著高壓電容充電電壓，因此充電電壓偏低就會(huì)影響磁場輸出減小或無輸出。以依瑞德YRD CCY-Ⅰ型經(jīng)顱磁刺激儀的磁場無輸出為例，首先檢測脈沖源（高壓電容150 μF，2.5 kV）和可控硅組件，確定兩者皆未有明顯損壞，只是元件性能參數(shù)下降；接著檢測控制高壓充放電模塊，發(fā)現(xiàn)是PFC（功率因素校正）電路中的兩組IGBT管損壞而使保護(hù)電路起作用，這是升壓模塊給脈沖源高壓充電的部分，更換損壞部件后故障解除［6］。

3　TMS儀的日常維護(hù)

日常維護(hù)TMS儀的方法為：①定期對儀器及其配件的表面進(jìn)行清潔和消毒，可用中性清潔劑或異丙醇的濕抹布擦洗，但刺激線圈不可高溫高壓消毒并須防止被體液污染［7］；②在每次使用前確保刺激線圈完全干燥和連接線纜接口緊固，并檢查儀器各部件是否存在破損或者腐蝕的跡象，尤其是線圈線纜接口。由于其長時(shí)間連續(xù)在高電壓狀態(tài)下工作容易產(chǎn)生電擊腐蝕，一旦發(fā)現(xiàn)此類跡象，必須馬上停止使用儀器，在修復(fù)問題部件或者更換新的部件后再使用儀器，避免導(dǎo)致儀器損壞和醫(yī)療事故；③在治療過程中，必須注意刺激線圈的工作溫度是否過高，并在患者治療間隙盡量保持刺激線圈足夠的冷卻時(shí)間，避免線圈長期連續(xù)工作在過熱的狀態(tài)造成損壞；④定期檢查儀器各部件的冷卻出風(fēng)口是否被堵塞，并清理堵塞的灰塵或異物；⑤保持良好的工作環(huán)境，環(huán)境溫度為5～35 ℃，濕度為35%～75%，無粉塵，無腐蝕性，無易燃易爆的氣體［7］。

4　小結(jié)

醫(yī)療儀器的集成度較高且電路板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，廠商通常不再向用戶提供具體的維修技術(shù)資料，造成醫(yī)院自行維修的難度很大。醫(yī)院醫(yī)療器械工程師應(yīng)通過各種現(xiàn)有的信息途徑獲取維修儀器的相關(guān)資料，弄清儀器工作原理，再分析出故障的具體部件，有助于設(shè)備的維修。在排查故障的過程中，必須判斷高壓是否泄放，確保自身維修操作安全；可嘗試根據(jù)儀器故障部件電路板畫出該部分的電路圖，在無儀器電路圖的情況下，有助于清晰分析出準(zhǔn)確的故障點(diǎn)，若是判斷出故障部件為廠商特殊定制的配件則需聯(lián)系廠商更換，若是普通的元器件或通用的集成電路模塊損壞則可以替換修復(fù)，但一定要排除其他可能存在的故障因素方可使儀器確?；謴?fù)正常運(yùn)行。

［1］竇祖林，廖家華，宋為群.經(jīng)顱磁刺激技術(shù)基礎(chǔ)與臨床應(yīng)用［M］.北京：人民衛(wèi)生出版社，2012.

［2］樂清市美格爾電子電器有限公司.單相交直流固態(tài)繼電器［EB/OL］.（2011-03-27）［2015-04-20］http：// www.mager.cn/ShowProducts.asp？id=61.

［3］Texas Instruments Incorporated.4N35，4N36，4N37 OPTOCOUPLERS［A］.Texas：Texas Instruments Incorporated.2008.

［4］Philips Semiconductors.74HC/HCT132 Quad 2-input NAND Schmitt trigger［A］.Eindhoven：Philips Semiconductors.1993.

［5］STMicroelectronics.LM124-LM224-LM324 LOW POWER QUAD OPERATIONAL AMPLIFIERS［A］. Italy：STMicroelectronics.1999.

［6］Fairchild Semiconductor Corporation. FGA25N120ANTD 1200V NPT Trench IGBT［A］.California：Fairchild Semiconductor Corporation.2005.

［7］武漢依瑞德醫(yī)療設(shè)備新技術(shù)有限公司.YRD經(jīng)顱磁刺激儀用戶培訓(xùn)講義［A］.武漢：武漢依瑞德醫(yī)療設(shè)備新技術(shù)有限公司技術(shù)推廣部，2008.

1672-8270（2016）10-0144-03

R197.39

B

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.10.043

2016-07-11

①廣州市腦科醫(yī)院（廣州市惠愛醫(yī)院，廣州醫(yī)科大學(xué)附屬腦科醫(yī)院）設(shè)備科 廣東 廣州 510370

姚祥雄，男，（1980- ），碩士，工程師。廣州市腦科醫(yī)院（廣州市惠愛醫(yī)院，廣州醫(yī)科大學(xué)附屬腦科醫(yī)院）設(shè)備科，研究方向：生物醫(yī)學(xué)工程與集成電路工程。