脉冲染料激光仪的基本工作原理和常见故障的分析与处理

胡艳辉

脉冲染料激光仪的基本工作原理和常见故障的分析与处理

胡艳辉①

胡艳辉,女,(1973- ),大专，工程师。湖南省人民医院设备科，从事医疗设备管理及维护、维修工作。

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.05.042

Vbeam脉冲染料激光仪是一款氙闪光灯激发型的脉冲染料激光器，用于治疗良性皮肤血管病变、妇科良性血管病变以及眶周皱纹，被广泛用于整形美容治疗中[1-2]。激光仪以一定波长发射激光脉冲能量，此波长脉冲通过选择性光热分解，可以穿过表皮和真皮，被血管中的血色素吸收，而不被周围组织所吸收。所吸收的激光能量转换为热量，使目标血管凝固，并且不会再生[3]。本故障通过分析脉冲染料激光仪的工作原理，说明此仪器预防维护的重要性，同时通过分析仪器高压脉冲调制电路的工作过程，介绍仪器常发的典型故障和分析处理方法。

1　脉冲染料激光仪基本工作原理

1.1设备工作状态

Vbeam是一台由内置微处理器控制的由氙闪光灯激发型染料激光器，其用户界面采用一块液晶显示面板和触摸屏覆层。通过用户界面，操作者可以选择激光工作参数、启动自动校准操作以及选择动态冷却装置(DCD)参数。Vbeam采用一种染料溶液作为激光媒质，当其连续循环穿过激光头时，由高强度氙闪光灯所激发。当染料大量暴露到氙闪光灯能量后，就降解退化，必须更换染料盒。激光头通过脱离子水的循环进行冷却，而循环水由流经一台热交换器的周围空气所冷却。通过加热器和热交换器的组合装备，各个系统部件的温度可以保持在高效激光操作的最优化范围内。脉冲染料激光仪具有良好的自检功能，机器的能量校准过程同时也是检测剩余染料的过程，当机器出现染料消耗殆尽的提示时，用户需要及时进行维护，更换染料等，否则机器将陆续出现高压二极管击穿、高压脉冲调制电路板爆掉、氙闪光灯损坏等故障，导致高额的维修成本费，影响临床治疗。

1.2染料激光产生的条件

(1)工作物质。由染料使激光有合适的能级结构，并实现粒子数反转。

(2)激励能源。由氙闪光灯使原子激发，并维持粒子数的反转。

(3)光学谐振腔。由反射镜、陶瓷腔等组成。用来保证光激励系统能够工作在作用物质上，并产生光放大，使激光有良好的方向性和单色性(如图1所示)[4]。

图1　染料激光产生原理图

1.3设备的能量调节

为保证脉冲能量精确，机器在治疗之前必须校准。Vbeam脉冲染料激光仪在每次治疗前都会提示必须进行能量校准，能量校准通过后，机器才能开始下一步的治疗过程。机器在能量校准模式下，系统将逐步提高加载在氙闪光灯上的电压，激光能经过内部探测器和外部探测器检测，反馈给系统，经系统调节将氙闪光灯电压输出能量达到预设值。

谐振腔和工作物质在状态好的情况下，设备只需在低电压状态下就可以输出治疗所需能量。若谐振腔状态不好(即陶瓷腔、氙闪光灯套管、染料套管、全反射镜及半反射镜)或者工作物质状态不好(即染料过期或者耗尽)，以及激励系统状态不好(即氙闪光灯老化)，都会使设备处在高压状态，易造成设备的高压脉冲调制电路板、高压二极管、高压可控硅以及高压电源等的损坏。

由于VBEAM脉冲染料激光仪属于进口产品，耗材和配件都是独家经营，而且价格相当昂贵，许多单位为节约成本，没有及时更换染料套件或谐振腔、激励系统部件，使各部件超期服役，最后大多会造成高压电路的损坏，而最先损坏的就是高压脉冲调制电路板和高压二极管，造成高昂的维修成本。

1.4高压脉冲调制电路原理

高压脉冲调制电路板是给高压电容充电的一种高压开关电路(如图2、图3所示)。其中，图2是低压控制端，图3是高压输出控制端。图3是由两个相同单元串连而成，1个可承压1200 V，2个就可承压2400 V。在实际使用中是用两组图2和图3电路，控制一路高压。其中两组图2电路输入相并，两组图3电路相串，就可承压4800 V，以保证3500 V高压的安全可靠切换[5]。

图2和图3电路是用正向方波脉冲电压输入驱动，方波脉冲宽窄不限，窄的可在微秒级，宽的可达秒、分级，还可更宽。这也正是体现该电路的优越性能所在。电路主要工作在方波脉冲的前沿和后沿，前沿开通高压，后沿关断高压。

图2　低压控制端电路图

图3　高压脉冲调制电路图

在前沿时刻，U9第5脚高电位，第7脚低电位，T5的4和2端加有近30 V的的正向电压(电源电压和C42的已充电电压之和)；T5的8、7端和6、5端分别向C43和C54迅速充电并迅速开通Z8和Z11。此后，T5的4端流向2端的电流逐渐增大，T5趋向饱和，T5的4、2端的电压下降，T5的8、7端和6、5端电压也随即下降，因D82和D104的阻流，C43和C54上的电压保持着(实际当中R230和C231未安装)，使Z8和Z11维持开通。因T5已近乎饱和或已饱和，其4、2端的电感量已最低，所以在T5已近乎饱和或已饱和后，T5的4、2端的漏感振荡与T5的8、7端和6、5端耦合形成的反向电压，以及C42经R217放电、C50经R217充电所形成的下降电流，都因为其变化率低，致使在T5的4和2端产生的反向电压都低于0.5 V，所以T5的8、7端和6、5端的反向电压也低于0.5 V(T5的变比为1∶1)，而不足以使Q8和Q10退出截止，C43和C54上的电压仍保持，同时保持着Z8和Z11的开通[6]。

在后沿时刻，U9第5脚低电位，第7脚高电位，T5的4、2端加有近30V的反向电压(电源电压和C50的已充电电压之和)，T5的8、7端和6、5端分别使Q8和Q10导通，C43和C54迅速放电并迅速关断Z8和Z11。此后，T5的2端流向4端的电流逐渐增大，T5趋向饱和，T5的4、2端的反向电压下降，因C43和C54早已电放完，随后的过程与上述的类似，已近乎饱和或已饱和的T5中变化率低的上升电流不会使Z8和Z11退出关断。关断一直保持，直到下一个方波脉冲的前沿到来[7]。

掌握了高压脉冲调制电路的工作原理后，如果判断出高压脉冲调制电路的故障，可以尝试电路板修复。需要注意的是本电路中最容易损坏的是T5，T5标签是“MADE IN CHINA”，但是却不能在中国市场上购买到，而且此电路要求T5的磁芯具有较高的矩磁特性。根据经验，磁芯特性不同，因为发光二极管PN结电压比普通二极管略高，所以可用发光二极管替代D114和D74以弥补由于磁芯特性不同带来的电压变化[8]。

2　仪器典型故障的分析和处理

2.1故障案例一

(1)故障现象。开机进入能量校准模式，在校准的过程中，操作医生突然听到“砰”的声响，随即报错“FAULT 4”，经反复重启，始终报错“FAULT 4”，无法进入“READY”状态。

(2)故障分析。能量校准过程实际是机器调整氙闪光灯电压的过程，在此过程中，如果染料消耗殆尽，机器将不断提高电压，导致高压电容维持在高电压状态下工作，可致使其中一个高压二极管反向击穿，高压电容向高压调制电路板放电，造成高压调制电路板元器件爆损，现场可听到“砰”的报损声[9]。

(3)故障处理。打开仪器左侧盖板，查看仪器底部4组电容箱，用高压表检测仪器电容箱电压，发现4组电压不平衡，判断为脉冲高压调制电路板损坏。需要注意的是，伴随脉冲高压调制电路板损坏的还有高压二极管，可用万用表检测判断。用高压棒将仪器放电完毕后，拆下脉冲高压调制电路板，依上述维修至设备正常。

2.2故障案例二

(1)故障现象。设备进行能量校准时，出现 “FAULT 6”报警，机器不能进入“READY”状态。

(2)故障分析。VBeam激光仪具有良好的自检功能，能量校准过程也是检测剩余染料的过程，“FAULT 6”为设备检测到染料耗尽的提示，此时若操作者降低激光能量值，机器仍然能够使用，但是因为激光能量低，将无法达到治疗效果，若提高能量值，机器将无法正常使用。

(3)故障处理。若机器出现以上报警，应及时更换染料套件，以防止设备更大的损坏。染料更换完毕，设备需要光路校正。

3　小结

VBeam激光仪使用过程中，机器会实时监测氙闪光灯电压，在主菜单下，当观察到氙闪光灯电压4 V上升到3500 V时，就必须及时更换染料套件。有任何涉及拆卸VBeam外盖板动作之前，一定要切记此机是高压设备，谨防高压损伤，仪器备有高压放电棒，放电完毕才能拆卸和调试仪器[10]。

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①湖南省人民医院设备科 湖南 长沙 410005

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