姚祥雄

經顱磁刺激儀的維護與檢修實例

姚祥雄①

經顱磁刺激；原理；維護；故障檢修

經顱磁刺激儀采用經顱磁刺激（transcranial magnetic stimulation，TMS）技術，具有無創(chuàng)、無痛及無損的特點［1］。目前，我國的經顱磁刺激技術已達到世界先進水平，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方面得到了廣泛的應用，國內已有越來越多的醫(yī)院開展TMS技術治療。但TMS儀器的相關維修資料不多，因此將TMS儀的工作原理、故障檢修以及日常維護進行總結，供同行參考。

1　TMS儀的工作原理

TMS技術是利用時變的脈沖磁場作用于中樞神經系統(tǒng)（主要是大腦），改變皮質神經細胞的膜電位，使之產生感應電流，影響腦內代謝和神經電活動，從而引起一系列生理生化反應的磁療技術［1］。TMS技術是電磁學與醫(yī)學結合的典范，主要的刺激模式為單脈沖TMS（sTMS）、雙脈沖TMS（pTMS）和重復性TMS（rTMS）3種。TMS儀的工作原理主要由產生快速變化電流的主電路和產生時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（可調節(jié)從零到數(shù)千伏［1］）；磁刺激時K1斷開，脈沖觸發(fā)信號選通可控硅SCR使其導通，電容C快速放電產生一個電流脈沖波形，通常一個阻尼正弦脈沖（持續(xù)時間200 μs左右［1］），電流浪涌峰值達到5～10 kA，使線圈產生強大的時變磁場［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會產生較大的熱量，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、風冷和液冷。而液冷又分為水冷和油冷，線圈外冷和內冷。

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

圖1　經顱磁刺激儀的工作電路原理圖

圖2　TMS儀的實際工作電路模塊框圖

高壓放電部分的保護泄放模塊，其作用是在待機、關機、突然停電、設備故障以及調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，按下開機按鈕而按鈕中的指示燈亮起的亮度降低，儀器無任何啟動反應，且經常無故中斷刺激治療過程并關機，重新開機無響應，需停機冷卻一段時間方可開機啟動儀器工作。

（2）故障分析。由于開機按鈕指示燈有亮，可知主電源保險管未熔斷、電源總開關正常接通，該故障主要涉及的部件是主電源電路模塊、人機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，可先清理散熱風口，并觀察冷卻液循環(huán)系統(tǒng)，再檢查人機交互控制面板的開關是否接觸不良或斷開，進而檢查主電源電路和主控板及其相關的各級負載電路是否存在故障原因。

（3）故障檢修。①清理該儀器相關的散熱風口，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，但開機啟動仍無任何響應。由于啟動時指示燈亮度降低，便斷電卸下開機按鈕進行檢測，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），斷開電源拆開主機逐級跟蹤開機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指示燈的電壓是共用的線路，此線路的接入點在主電源板中，該線路板中有2個標示220 Vav輸入的電源模塊（5 Vdc、12 Vdc）；③再次通電并按下開機按鈕，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，因此推斷主機不能開機啟動應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的電路圖

此部分電路的主要功能是開機通電自鎖和高壓自檢異常保護。如圖3中所示，K1和K2引腳是開機按鈕接入點，L1和N1引腳是開機按鈕指示燈和主控板供電模塊的接入點，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，其每一路的運算邏輯見表1［4-5］。

表1　74HC132的運算邏輯功能表

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，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影響磁場輸出減小或無輸出。以依瑞德YRD CCY-Ⅰ型經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

日常維護TMS儀的方法為：①定期對儀器及其配件的表面進行清潔和消毒，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。由于其長時間連續(xù)在高電壓狀態(tài)下工作容易產生電擊腐蝕，一旦發(fā)現(xiàn)此類跡象，必須馬上停止使用儀器，在修復問題部件或者更換新的部件后再使用儀器，避免導致儀器損壞和醫(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

醫(yī)療儀器的集成度較高且電路板結構復雜，廠商通常不再向用戶提供具體的維修技術資料，造成醫(yī)院自行維修的難度很大。醫(yī)院醫(yī)療器械工程師應通過各種現(xiàn)有的信息途徑獲取維修儀器的相關資料，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確的故障點，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，但一定要排除其他可能存在的故障因素方可使儀器確保恢復正常運行。

［1］竇祖林，廖家華，宋為群.經顱磁刺激技術基礎與臨床應用［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)療設備新技術有限公司.YRD經顱磁刺激儀用戶培訓講義［A］.武漢：武漢依瑞德醫(yī)療設備新技術有限公司技術推廣部，2008.

1672-8270（2016）10-0144-03

R197.39

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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)科大學附屬腦科醫(yī)院）設備科 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)科大學附屬腦科醫(yī)院）設備科，研究方向：生物醫(yī)學工程與集成電路工程。