瓦里安Acuity模擬定位機射野燈昏暗故障的電路維修

胡海勇，張烽柱，王海紅，林靜，黃丹丹

中國科學院大學寧波華美醫(yī)院 1 設備科，2 醫(yī)學實驗部 （浙江寧波 315010）

瓦里安模擬定位機是以色列瓦里安公司開發(fā)的集計劃、模擬和驗證為一體的系統(tǒng)，它支持最基本模擬定位和復雜治療計劃驗證，而且能對調(diào)強放射治療（intensity modulated radiation therapy，IMRT）和圖像引導放療（image guided radiation therapy，IGRT）進行優(yōu)化，可以幫助臨床醫(yī)師切實有效地準備和驗證患者治療計劃，有助于提高治療效率[1]。

束光器負責確定照射范圍、驗證位置精度等工作，在整個放射治療過程中起到至關重要的作用[2]。本研究對束光器射野燈昏暗的故障進行分析，詳細分析遮光片電源板（Blade Power Board）的電路原理以及故障發(fā)生的原因及解決故障的方法，現(xiàn)報道如下。

1 故障現(xiàn)象

模擬定位機在進行三維適形放療的重建及等中心驗證時，射野燈工作時發(fā)出的燈光昏暗，且定位區(qū)域邊界模糊，無法滿足臨床定位的使用要求，而且沒有出現(xiàn)類似“射野燈沒有起動或PSU失?。‵ield Light not powered up or PSU has failed）”聯(lián)鎖等報錯[2]。

2 故障分析及維修過程

拆開束光器取出遮光片電源板（圖1），型號為TM66627000 Iss A。該電源板給以下9個功能模塊提供驅(qū)動電源：（1）自潔器附件編碼器電源（Accessory Coding Clean Power）；（2）射野節(jié)點自潔器24 V電源（Wire Node 24 V Clean Power）；（3）射野節(jié)點電動機27 V電源（Wire Node 27 V Motor Power）；（4）遮光片節(jié)點自潔器24 V電源（Blade Node 24 V Clean Power）；（5）遮光片節(jié)點電動機27 V電源（Blade Node 27 V Motor Power）；（6）DSP電源；（7）DSP CPU；（8）射野燈（Field Light）；（9）光距尺（ODI Light）。根據(jù)故障現(xiàn)象，初步判斷射野燈驅(qū)動電路的輸出沒有達到額定功率，導致射野燈昏暗。查看射野燈的標定功率為12 VDC，100 W，它通過手控盒“Field”按鍵進行開關操作。

首先，仔細檢查遮光片電源板，發(fā)現(xiàn)射野燈的插座PL9（圖1）歪斜變形，脫焊松動，推斷插座PL9可能在長時間工作后，其燈腳表面因為高溫氧化，使其接觸電阻增大而引起過熱，并將插座PL9的封焊融化，最后導致插座歪斜變形。重新焊接插座PL9，并對針腳進行復位和表面去氧化處理，然后重新安裝焊接好的電源板。通過手控盒“Field”按鍵打開射野燈，故障現(xiàn)象沒有改變。再次測量插座PL9的兩個針腳，測得電壓為3.2 VDC，懷疑是電路中的元器件故障引起電壓下降。

圖1 遮光片電源板

其次，分析射野燈供電及控制電路的結構。圖2是射野燈插座電路，是電源LAMP到插座PL9的電路。圖3是射野燈供電及控制電路，由大功率同步控制器LT1399/SO、場效應三極管T1、T2組合電路、穩(wěn)壓芯片LM317和耦合二極管TLP181組成，是一個典型的大功率DC/DC變壓電路。分析圖2和圖3的電路，發(fā)現(xiàn)插座PL9的供電由圖3的LAMP電路提供。分析圖4電路，即PL13及PL23插座電路圖，PL13是立架電源輸入接口，PL23是遮光片節(jié)點信號輸出接口。分析PL13插座得知，射野燈電源是從立架電源插頭（Stand Power Cable）PL13的1、2、3、4腳輸入，其電壓為24 VDC；然后經(jīng)過遮光片電源板變壓后輸出為12 VDC，供給功率為100 W的射野燈使用。遮光片節(jié)點信號（Blade Node Signals）插頭PL23的1、2腳是射野燈的開關信號，通過光電耦合二極管（TLP181）由大功率同步控制器LT1339/SO實現(xiàn)射野燈的開關，再通過控制手柄來控制整個束光器的工作。光電耦合又稱光電隔離，簡稱光耦，光耦隔離就是采用光耦合器進行隔離，光耦合器的結構相當于把發(fā)光二極管和光敏（三極）管封裝在一起。發(fā)光二極管把輸入的電信號轉(zhuǎn)換為光信號傳給光敏管轉(zhuǎn)換為電信號輸出，由于沒有直接的電氣連接，這樣既耦合傳輸了信號，又有隔離干擾的作用[3]。

圖5是LM317變壓電路圖，通過電阻R14和R15將24 VDC變壓為12 VDC。該穩(wěn)壓芯片LM317是一種三端可調(diào)正穩(wěn)壓器集成電路。它有3個管腳：第一引腳為電壓調(diào)節(jié)腳；第二引腳為電壓輸出腳；第三引腳為電壓輸入腳。LM317的輸出電壓為1.2～37.0 V，負載電流最大為1.5 A。其僅需2個外接電阻來設置輸出電壓。此外，其線性調(diào)整率和負載調(diào)整率也比標準的固定穩(wěn)壓器好。根據(jù)圖5，得出LM317提供12 VDC作為大功率同步控制器LT1339/SO的驅(qū)動電源，經(jīng)測量該輸出實際電壓為12.1 VDC，正常。通過控制手柄可點亮射野燈，但輸出功率未達到額定值，燈光昏暗，判斷芯片LT1339/SO正常工作，可能為場效應三極管T1和T2故障。

圖2 射野燈插座PL9電路

圖3 射野燈供電及控制電路

圖4 PL13及PL23插座電路

圖5 LM317/SOT223變壓電路

然后，檢查場效應三極管T1和T2（圖6）。場效應三極管T1和T2是一種絕緣柵場效應管，即金屬-氧化物-半導體場效應管（MOSFET）的N溝道管[4]。以N溝道為例，它是在P型硅襯底上制成兩個高摻雜濃度的源擴散區(qū)N+和漏擴散區(qū)N+，再分別引出源極S和漏極D。源極與襯底在內(nèi)部連通，兩者總保持等電位。當漏極接電源正極，源極接電源負極并使VGS（加在源極和柵極之間的電壓）為0時，溝道電流（即漏極電流）ID=0。隨著VGS逐漸升高，受柵極正電壓的吸引，在兩個擴散區(qū)之間就感應出帶負電的少數(shù)載流子，形成從漏極到源極的N型溝道；當VGS大于管子的開啟電壓VTN（也稱N溝道管閾值電壓，一般約為+2 V）時，N溝道管開始導通，形成漏極電流ID。一般的三極管是由輸入的電流控制輸出的電流，但對于場效應管，其輸出電流是輸入的電壓（或稱聲電壓）控制，可以認為輸入電流極小或沒有輸入電流。這使得該器件有很高的輸入阻抗，同時這也是我們稱之為“場效應管”的原因。

圖6 場效應三極管的外觀與極性

根據(jù)以往維修經(jīng)驗，大功率場效應管工作負載強容易出現(xiàn)故障，測量T1和T2的源極S（3）和漏極D（2）的電阻為3 MΩ左右，其他極測量值為0，判斷T1和T2在未工作時為正常。為避免加上負載后出現(xiàn)故障，更換T1和T2。更換后，空載時輸出電壓為12 VDC，加上負載光源后，光源的亮度沒有達到額定功率，經(jīng)測量工作電壓為6 V左右，排除T1和T2故障。接下來重點排查其他的電容和電阻等元器件。

最后，在查閱芯片LT1339/SO（圖3）的技術文檔后，發(fā)現(xiàn)針腳3（CT）是振蕩器的正時接口。它通過電容C17接地，同時通過電阻R18連接到針腳2（5VREF）參考電源接口。針腳3（CT）的電容C17是固定值，為2.2 nF，為保證芯片LT1339/SO的正常工作頻率，須保證其頻率小于150 kHz。如果頻率大于150 kHz，振蕩器會產(chǎn)生一個具有慢充電、快放電特性的鋸齒波，導致輸出電壓下降，這是引起本次故障的主要原因。將電容C17從電路上取下來，測量其值為1.2 nF，低于正常值2.2 nF，所以導致開關頻率過高，電壓輸出不足。

故障排除方法：購買相同型號的電容，更換后，上機通電測試，可正常點亮射野燈，問題排除。另外，維修結束后，需要校正射野的一致性，減少擺位和適時野驗證等方面的誤差[2]。

3 小結

本研究是一例典型的由DC/DC開關電源引起的故障，其導致模擬定位機無法正常工作，這時，需要臨床醫(yī)學工程師結合自身經(jīng)驗和專業(yè)知識為臨床部門提供迅速、有效的技術支持。掌握開關電源的維修是每名臨床醫(yī)學工程師的基本技能，也是難點。臨床醫(yī)學工程師可通過參加專業(yè)的培訓，學習典型開關電源電路設計原理，掌握開關電源元器件的作用和測試方法，在平時做好維護保養(yǎng)工作，來降低設備的故障率和縮短排除故障的時間，更好地保證醫(yī)療設備的正常運行，從而提高設備使用率，產(chǎn)生更好的社會效益和經(jīng)濟效益[5]。