基于系统状态检测的医疗设备快速故障诊断方法初探

2017-12-02马结实吴志坚种银保

中国医学装备 2017年11期

赵安向逾马结实王晴吴志坚种银保

赵安①向逾②马结实①王晴①吴志坚①种银保①

目的：研究医疗设备快速故障诊断方法，在无图纸条件下的医疗设备故障诊断中准确快速地找到故障点。方法：采用系统状态检测法，利用在线测试仪和数字示波器或测试工装建立板级的系统状态库；结合既往信号流图法的设备故障维修成功案例。结果：基于系统状态检测的医疗设备快速故障诊断方法，既可提高故障诊断的准确性，又可提高在无图纸条件下的医疗设备故障诊断效率；成功排除了层流风机变频器、PM9000监护仪血氧板等设备故障。结论：基于系统状态检测的医疗设备快速故障诊断方法是对提高医疗设备维修效率的有效模式。

状态检测；故障诊断；医疗设备；在线测试仪；维修

进入21世纪，医院医疗设备维修工作时面临无电路图、无技术资料的窘境，传统依赖系统结构或信号流图的维修思路与方法无以为继[1-3]。20世纪80～90年代流行的元器件级维修在当前难以实施，电路板替换成为医疗设备维修行业的“万金油”，临床医学工程技术能力极大地弱化。

近年来，在故障诊断与系统维护领域，逐步兴起了基于系统状态检测的故障诊断技术，是指将故障的出现视为系统状态的一种转换[4-7]。利用各种传感器(电压、电流、压力、振动及温度等)通过数字技术感知设备运行的状态，对设备的故障做出预警或者诊断的一类技术。事实上，这类技术在大型医疗设备上已有应用，一些设备自身搭载了自诊断系统，在出现故障的时候会报故障代码，通过查询故障代码即可了解某个子系统或模块的故障，但对于元器件级的故障还无法诊断。为此，本研究从分析单台设备故障维修模式出发，提出针对具有较多数量同类设备的故障维修，应逐步建立案例库，利用既往和他人的成功经验及智能化工具辅助临床工程师的维修工作，提高工作效率。

1 单台设备的无图纸维修策略

对于元器件级的故障诊断，从系统状态检测的角度而言，有两种方法可引入医疗设备维修领域，用于解决元器件级的故障诊断。①在设备处于正常工作状态的时候，利用数字示波器或测试工装采集电路板多个测试点的电压和动态信号并建立正常状态数据库，但是这种方法需在开机条件下打开机壳进行检测，若操作不当则有可能造成贵重设备或零部件损坏或故障扩大，因而具有一定的风险性，在实际应用中多作为一种辅助手段；②作为一种先进的元器件级维修工具和方法的在线测试仪，其主要优点在于利用其能够在设备不通电工作的情况下建立电路板元器件、特别是集成电路芯片的阻抗(V/I)库，然后可用同样的方法进行好坏元器件的比对，从而找到故障元器件，具有较好的安全性[8-9]。然而，在板载元器件数量不多的情况下，该方法较易实施，但是如果板载元器件数量很多，而且待修的同类电路板较多或故障率较高的情况下，板级逐一测试比对实施起来劳动强度大，维修时间长。因此，提出单台设备的无图纸维修(简称“盲修”)策略。

(1)基于在线测试仪建立该设备元器件静态参数库(V/I库)，或利用数字示波器采集并建立板级动态信号库。单台设备出现故障时，首先查找故障代码进行模块级和板级定位，或利用替换法等传统维修方法将故障范围缩小到板级。

(2)为了查找电路板的故障元器件，可利用已经建好的参照库，进行元器件或测试点信号逐一比对，进一步将故障缩小到单元电路或元器件。

(3)该设备再次出现故障时重复采用上述步骤。单台设备的盲修策略流程如图1所示。

图1 单台设备故障盲修策略流程图

2 多台同类设备的维修策略

在医疗设备电路板维修实践中，无论何种原因导致的设备故障，损坏器件直接决定了设备的故障现象。对于同类设备而言，相同的故障现象却可能是由不同的器件损坏所导致。故而维修时应从故障现象入手，检测系统状态，查找损坏器件，而故障现象与损坏器件之间并不具有唯一对应关系，导致了故障诊断问题的复杂化。基于以往电子元器件失效分析的研究表明，不同元器件具有不同的失效模式，决定了元器件之间的失效概率可能会有差异，如大功率的开关管击穿的可能性要高于小功率的三极管。通过单台设备故障盲修实践，可以获知医疗设备电路板的失效元器件、统计后检验其失效概率，则有利于指导进一步的维修实践。基于此思路，提出多台同类设备的维修策略。

(1)基于在线测试仪建立元器件静态参数库(V/I库)，或利用数字示波器采集并建立板级动态信号库。

(2)某台设备出现故障时，首先利用替换法等传统维修方法将故障范围缩小到板级。

(3)为了查找电路板的故障元器件，可利用已经建好的库，进行正确与错误状态下元器件或信号逐一比对，进一步将故障缩小到元器件。

(4)将现有“故障现象描述、有问题的状态量和损坏元器件”3要素的成功案例总结、存储，逐步建立某类设备电路板维修的案例，以下简单描述为“故障现象-损坏元器件”。

(5)同类设备下一次出现同样的故障现象，且是由同一块电路板导致的，为了提高故障诊断的效率，则不再重复“步骤(3)”，尝试依据案例库，直接比对相应状态量、确认并更换“步骤(4)”中的“损坏元器件”，若成功解决故障，将“步骤(4)”中的维修案例权重值＋1。

(6)若不成功，则要分为2种情况：①“步骤(5)”比对的器件确实有问题，但还有其他器件的问题，则将“步骤(4)”中的“故障现象-损坏元器件”的权重值＋1，并添加补充其他故障器件，其权重值初始化为1；②“步骤(5)”比对的器件没有问题，则将“步骤(4)”中的“故障现象-损坏元器件”的权重值－1(最小值为1)，并重复“步骤(3)”进行逐一比对，找到其他器件的问题，并添加补充案例“故障现象-其他故障器件”，其权重值初始化为1。如此演化，终将逼近真实的设备故障元器件的概率分布。具有较多数量的同类设备故障维修模式流程如图2所示。

图2 多台同类设备故障维修模式流程图

(7)将同类设备故障维修经验形成某型或某类设备维修的知识库。由案例库上升为知识库需要较大样本的同类设备成功维修案例的支持和反复验证。类似于大数据思想，对于单个医疗机构而言，某型或某类设备数量较少或故障率可能不高，难以建立起完备的知识库，应依托各级学(协)会组织，利用互联网联合多家医院，建立维修联盟开展设备维修知识库的建设和分享。

3 医疗设备快速故障诊断案例

(1)在线测试仪结合经典维修思路的PM9000血氧板检修。一块PM9000监护仪的血氧板出现“探头脱落”故障，即无论如何都检测不到探头。该模块电路板虽然面积不大，但是板载了较多的贴面元器件，若采用在线测试仪的对比测试维修方法，需要花费较长的时间。然而，通过检查电子线路连接(俗称“走线”)发现，该模块的探头检测方法是：①当探头连接好时，会有一个2.5 V的电压输送到模拟-数字转换器(analog-to-digital converter，ADC)芯片进行采样，当探头真正脱落时，该电压应转变为0 V，导致系统检测不到探头。然而前置电路正常，确实有2.5 V电压输送到ADC；②利用在线测试仪检测对比好、坏板的ADC芯片，发现二者在ADC芯片输入端口存在V/I曲线的显著差异，损坏的ADC芯片已经没有了采样电路典型的充放电V/I特征，从而快速准确的排除了故障。

该案例表明，对于单台设备，将在线测试仪与经典的信号流图法相结合，可避免简单的利用在线测试仪进行整块电路板耗时费力的对比测试，极大地提高故障诊断的效率。

(2)基于在线测试仪的变频器维修。由于用电高峰而停电，先后导致了12个变频器出现同样故障现象：没有任何输出，不能驱动电机。①随机抽取其中一个为研究对象，经过在线测试仪建库、器件逐一对比测试等步骤之后发现一个故障器件E2PROM，型号为AT93C46B，通过向新的E2PROM写入好机器的正确二进制码后修复了该变频器；②由于其他11个变频器的损坏条件和故障现象与已修复的变频器基本相同，则尝试将这条成功经验推广试验，继而再次完全修复了2个变频器，而其他5个变频器由“不转”的故障现象转化为“慢转”，剩余的4个变频器仍然“不转”。该结果表明，所有12个样本中，由故障现象直接推断E2PROM存在问题的可信度或权重为8。

该案例证明，针对多台设备的相同故障现象，依据已有的同类设备成功的经验，可以较为准确快速地排除潜在的故障点，从而提高检修效率[10]。

4 结语

对于无图纸条件下的医疗设备故障诊断问题而言，如何准确又快速的找到故障点，是确保故障诊断方法有用且可行的关键。系统状态检测的理论与方法为新时期解决医疗设备盲修难题指明了前进方向。本研究提出基于系统状态检测的两种方法——利用在线测试仪和数字示波器(或测试工装)建立系统状态库，并结合经典的信号流图法和既往成功案例库，既可提高故障诊断的准确性、又可提高效率，为系统状态检测法用于医疗设备维修提供了有益的探索。在今后的工作中，将逐步建立起具有一定普遍适用性和可推广性的系统状态库和维修知识库。

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[9]姚晓平，宋伟.在线电路故障维修仪的设计与使用[J].电源世界，2014(6)：59-62，55.

[10]赵安，种银保，朱彬，等.基于在线测试仪的层流室风机变频器维修[J].中国医学装备，2016，13(3)：153-154.

A primary exploration of fast diagnosis method for fault of medical equipment based on detection of system state

ZHAO An, XIANG Yu, MA Jie-shi, et al

Objective:To explore a fast diagnosis method for fault of medical equipment so as to accurately and quicklyfast find fault point in the diagnosis for fault of medical equipment under the condition without any schematic diagram.Methods:The detection method of system state was adopted, and online tester and digital oscilloscope or the system situation database were applied in the method. Besides, the combination of successful cases database or classic signal flow diagram could increase both of accuracy and efficiency for fault diagnosis.Results:In the diagnosis without blueprint for fault of medical equipment, the detection that based on system state successfully eliminated the faults of frequency converter of laminar flow draught fan and blood oxygen board of PM9000 monitor.Conclusion:The fast diagnosis method for fault of medical equipment that based on the detection of system state can provide helpful exploration for maintenance of medical equipment.

System state detection; Fault diagnosis; Medical device; Online ttester; Maintenance

Department of Medical Engineering, Xinqiao Hospital, The Third Military Medical University, Chongqing 400037, China.

1672-8270(2017)11-0123-03

R197.39

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.11.036