经颅磁刺激仪的维护与检修实例

姚祥雄

经颅磁刺激仪的维护与检修实例

姚祥雄①

经颅磁刺激；原理；维护；故障检修

经颅磁刺激仪采用经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation，TMS）技术，具有无创、无痛及无损的特点［1］。目前，我国的经颅磁刺激技术已达到世界先进水平，并且在癫痫病、抑郁症、精神分裂症、老年痴呆、偏头痛及脑瘫等各个方面得到了广泛的应用，国内已有越来越多的医院开展TMS技术治疗。但TMS仪器的相关维修资料不多，因此将TMS仪的工作原理、故障检修以及日常维护进行总结，供同行参考。

1　TMS仪的工作原理

TMS技术是利用时变的脉冲磁场作用于中枢神经系统（主要是大脑），改变皮质神经细胞的膜电位，使之产生感应电流，影响脑内代谢和神经电活动，从而引起一系列生理生化反应的磁疗技术［1］。TMS技术是电磁学与医学结合的典范，主要的刺激模式为单脉冲TMS（sTMS）、双脉冲TMS（pTMS）和重复性TMS（rTMS）3种。TMS仪的工作原理主要由产生快速变化电流的主电路和产生时变磁场的刺激线圈两部分组成（如图1所示）［1］。

图1显示，其主电路可简化为由充电电路、储能电容器组C、电阻R1和R2、二极管D1和D2以及控制电容放电的可控硅开关SCR组成，而R1表示线圈连接部件以及电缆的电阻。磁刺激前K1接通，电容C充电到初始电压V（可调节从零到数千伏［1］）；磁刺激时K1断开，脉冲触发信号选通可控硅SCR使其导通，电容C快速放电产生一个电流脉冲波形，通常一个阻尼正弦脉冲（持续时间200 μs左右［1］），电流浪涌峰值达到5～10 kA，使线圈产生强大的时变磁场［1］。若是K2接通，则电容C的两端电压被二极管D1钳位，刺激线圈只流过单相电流，而电阻R2不仅保护二极管D1，而且控制着磁刺激电流的波形。若是K2断开，则电容C和刺激线圈L形成振荡电路的反向电流通过二极管D2流过刺激线圈，使刺激线圈有双相输出。

刺激线圈是TMS仪的关键部件，根据其形状可分为圆形、8字形、帽形、锥形、H（Hesed coil）、V字形、多叶形、长方形及椭圆形等线圈。由于线圈在磁刺激治疗时会产生较大的热量，需要配置有效的冷却模式降低线圈的温度，其冷却模式主要有自然冷却、风冷和液冷。而液冷又分为水冷和油冷，线圈外冷和内冷。

经颅磁刺激仪的实际工作电路模块［1］主要有：主电源电路模块、主控板、人机交互控制面板、高压放电模块以及刺激线圈（如图2所示）。

图1　经颅磁刺激仪的工作电路原理图

图2　TMS仪的实际工作电路模块框图

高压放电部分的保护泄放模块，其作用是在待机、关机、突然停电、设备故障以及调低输出等状况下自行将高压电容器组的电压泄放掉，以有效保障仪器的使用安全。

2　TMS仪的故障检修

2.1故障案例一

（1）故障现象。打开仪器（依瑞德YRD CCY-I型TMS仪）电源开关，按下开机按钮而按钮中的指示灯亮起的亮度降低，仪器无任何启动反应，且经常无故中断刺激治疗过程并关机，重新开机无响应，需停机冷却一段时间方可开机启动仪器工作。

（2）故障分析。由于开机按钮指示灯有亮，可知主电源保险管未熔断、电源总开关正常接通，该故障主要涉及的部件是主电源电路模块、人机交互控制面板和主控板，需检修的电路范围比较大。初步推断仪器的散热系统有问题而过热保护，可先清理散热风口，并观察冷却液循环系统，再检查人机交互控制面板的开关是否接触不良或断开，进而检查主电源电路和主控板及其相关的各级负载电路是否存在故障原因。

（3）故障检修。①清理该仪器相关的散热风口，观察冷却液的液面是处于正常范围，冷却液循环连接管道也通畅，但开机启动仍无任何响应。由于启动时指示灯亮度降低，便断电卸下开机按钮进行检测，发现按钮接通阻值正常；②再通电，检测指示灯的工作电压只有约20 Vac（正常值为220 Vac），断开电源拆开主机逐级跟踪开机指示灯的工作电压线路，发现主控板供电模块的输入电压与开机指示灯的电压是共用的线路，此线路的接入点在主电源板中，该线路板中有2个标示220 Vav输入的电源模块（5 Vdc、12 Vdc）；③再次通电并按下开机按钮，检测5 V模块电压正常，而12 V模块的输出电压约1.1 V且输入电压只有约20 Vac，因此推断主机不能开机启动应是由主电源板的工作异常造成。为了方便检修，拆卸出怀疑故障的线路板并抄录出其电路图（如图3所示）。

图3　主电源电路中故障点的电路图

此部分电路的主要功能是开机通电自锁和高压自检异常保护。如图3中所示，K1和K2引脚是开机按钮接入点，L1和N1引脚是开机按钮指示灯和主控板供电模块的接入点，J1和J2是固态继电器（MGR-1 D4840）［2］，光电耦合器U2（4N35）的引脚6（控制信号）［3］是高压电路部分提供的偏置电压，R3和R10都是由4个大功率电阻（20 W/1 kΩ）并联组成，74HC132集成了4路双输入施密特触发与非门，其每一路的运算逻辑见表1［4-5］。

表1　74HC132的运算逻辑功能表

表中L为低电平，H为高电平。已知继电器J1的控制电压约5 V，并已检测出L1与N1之间的电压异常偏低以及12 V模块输入电压只有约20 Vac，依照抄录的电路图分析，推断可能是继电器J1、滤波电感L1和L4及三极管Q1元件有损坏，或者是控制Q1导通的电路有故障。滤波电感L1和L4以及三极管Q1已检测未发现损坏；通电并短接K1和K2，在线检测继电器J1的控制端电压有5 V，因此确定继电器J1出现问题。更换继电器J1后通电启动，仪器故障解除。

2.2故障案例二

（1）故障现象。磁场输出减小或无输出。

（2）故障分析。由于磁场输出的大小取决于刺激线圈流过的电流大小，故障现象的原因通常集中在高压充放电模块。

（3）故障检修。检测无极性高压电容器是否损坏或老化，由于电容器有一定的预期使用寿命，故更换此高压电容器即可解除故障。若是更换高压电容器仍不能解除故障，必须检测主电源电路中的升压模块、高压整流及充电控制模块是否工作正常，以及高压放电模块是否有漏电现象，由于电路紧密联系着高压电容充电电压，因此充电电压偏低就会影响磁场输出减小或无输出。以依瑞德YRD CCY-Ⅰ型经颅磁刺激仪的磁场无输出为例，首先检测脉冲源（高压电容150 μF，2.5 kV）和可控硅组件，确定两者皆未有明显损坏，只是元件性能参数下降；接着检测控制高压充放电模块，发现是PFC（功率因素校正）电路中的两组IGBT管损坏而使保护电路起作用，这是升压模块给脉冲源高压充电的部分，更换损坏部件后故障解除［6］。

3　TMS仪的日常维护

日常维护TMS仪的方法为：①定期对仪器及其配件的表面进行清洁和消毒，可用中性清洁剂或异丙醇的湿抹布擦洗，但刺激线圈不可高温高压消毒并须防止被体液污染［7］；②在每次使用前确保刺激线圈完全干燥和连接线缆接口紧固，并检查仪器各部件是否存在破损或者腐蚀的迹象，尤其是线圈线缆接口。由于其长时间连续在高电压状态下工作容易产生电击腐蚀，一旦发现此类迹象，必须马上停止使用仪器，在修复问题部件或者更换新的部件后再使用仪器，避免导致仪器损坏和医疗事故；③在治疗过程中，必须注意刺激线圈的工作温度是否过高，并在患者治疗间隙尽量保持刺激线圈足够的冷却时间，避免线圈长期连续工作在过热的状态造成损坏；④定期检查仪器各部件的冷却出风口是否被堵塞，并清理堵塞的灰尘或异物；⑤保持良好的工作环境，环境温度为5～35 ℃，湿度为35%～75%，无粉尘，无腐蚀性，无易燃易爆的气体［7］。

4　小结

医疗仪器的集成度较高且电路板结构复杂，厂商通常不再向用户提供具体的维修技术资料，造成医院自行维修的难度很大。医院医疗器械工程师应通过各种现有的信息途径获取维修仪器的相关资料，弄清仪器工作原理，再分析出故障的具体部件，有助于设备的维修。在排查故障的过程中，必须判断高压是否泄放，确保自身维修操作安全；可尝试根据仪器故障部件电路板画出该部分的电路图，在无仪器电路图的情况下，有助于清晰分析出准确的故障点，若是判断出故障部件为厂商特殊定制的配件则需联系厂商更换，若是普通的元器件或通用的集成电路模块损坏则可以替换修复，但一定要排除其他可能存在的故障因素方可使仪器确保恢复正常运行。

［1］窦祖林，廖家华，宋为群.经颅磁刺激技术基础与临床应用［M］.北京：人民卫生出版社，2012.

［2］乐清市美格尔电子电器有限公司.单相交直流固态继电器［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］武汉依瑞德医疗设备新技术有限公司.YRD经颅磁刺激仪用户培训讲义［A］.武汉：武汉依瑞德医疗设备新技术有限公司技术推广部，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广州市脑科医院（广州市惠爱医院，广州医科大学附属脑科医院）设备科 广东 广州 510370

姚祥雄，男，（1980- ），硕士，工程师。广州市脑科医院（广州市惠爱医院，广州医科大学附属脑科医院）设备科，研究方向：生物医学工程与集成电路工程。