瓦里安Acuity模拟定位机射野灯昏暗故障的电路维修

胡海勇，张烽柱，王海红，林静，黄丹丹

中国科学院大学宁波华美医院 1 设备科，2 医学实验部 （浙江宁波 315010）

瓦里安模拟定位机是以色列瓦里安公司开发的集计划、模拟和验证为一体的系统，它支持最基本模拟定位和复杂治疗计划验证，而且能对调强放射治疗（intensity modulated radiation therapy，IMRT）和图像引导放疗（image guided radiation therapy，IGRT）进行优化，可以帮助临床医师切实有效地准备和验证患者治疗计划，有助于提高治疗效率[1]。

束光器负责确定照射范围、验证位置精度等工作，在整个放射治疗过程中起到至关重要的作用[2]。本研究对束光器射野灯昏暗的故障进行分析，详细分析遮光片电源板（Blade Power Board）的电路原理以及故障发生的原因及解决故障的方法，现报道如下。

1 故障现象

模拟定位机在进行三维适形放疗的重建及等中心验证时，射野灯工作时发出的灯光昏暗，且定位区域边界模糊，无法满足临床定位的使用要求，而且没有出现类似“射野灯没有起动或PSU失败（Field Light not powered up or PSU has failed）”联锁等报错[2]。

2 故障分析及维修过程

拆开束光器取出遮光片电源板（图1），型号为TM66627000 Iss A。该电源板给以下9个功能模块提供驱动电源：（1）自洁器附件编码器电源（Accessory Coding Clean Power）；（2）射野节点自洁器24 V电源（Wire Node 24 V Clean Power）；（3）射野节点电动机27 V电源（Wire Node 27 V Motor Power）；（4）遮光片节点自洁器24 V电源（Blade Node 24 V Clean Power）；（5）遮光片节点电动机27 V电源（Blade Node 27 V Motor Power）；（6）DSP电源；（7）DSP CPU；（8）射野灯（Field Light）；（9）光距尺（ODI Light）。根据故障现象，初步判断射野灯驱动电路的输出没有达到额定功率，导致射野灯昏暗。查看射野灯的标定功率为12 VDC，100 W，它通过手控盒“Field”按键进行开关操作。

首先，仔细检查遮光片电源板，发现射野灯的插座PL9（图1）歪斜变形，脱焊松动，推断插座PL9可能在长时间工作后，其灯脚表面因为高温氧化，使其接触电阻增大而引起过热，并将插座PL9的封焊融化，最后导致插座歪斜变形。重新焊接插座PL9，并对针脚进行复位和表面去氧化处理，然后重新安装焊接好的电源板。通过手控盒“Field”按键打开射野灯，故障现象没有改变。再次测量插座PL9的两个针脚，测得电压为3.2 VDC，怀疑是电路中的元器件故障引起电压下降。

图1 遮光片电源板

其次，分析射野灯供电及控制电路的结构。图2是射野灯插座电路，是电源LAMP到插座PL9的电路。图3是射野灯供电及控制电路，由大功率同步控制器LT1399/SO、场效应三极管T1、T2组合电路、稳压芯片LM317和耦合二极管TLP181组成，是一个典型的大功率DC/DC变压电路。分析图2和图3的电路，发现插座PL9的供电由图3的LAMP电路提供。分析图4电路，即PL13及PL23插座电路图，PL13是立架电源输入接口，PL23是遮光片节点信号输出接口。分析PL13插座得知，射野灯电源是从立架电源插头（Stand Power Cable）PL13的1、2、3、4脚输入，其电压为24 VDC；然后经过遮光片电源板变压后输出为12 VDC，供给功率为100 W的射野灯使用。遮光片节点信号（Blade Node Signals）插头PL23的1、2脚是射野灯的开关信号，通过光电耦合二极管（TLP181）由大功率同步控制器LT1339/SO实现射野灯的开关，再通过控制手柄来控制整个束光器的工作。光电耦合又称光电隔离，简称光耦，光耦隔离就是采用光耦合器进行隔离，光耦合器的结构相当于把发光二极管和光敏（三极）管封装在一起。发光二极管把输入的电信号转换为光信号传给光敏管转换为电信号输出，由于没有直接的电气连接，这样既耦合传输了信号，又有隔离干扰的作用[3]。

图5是LM317变压电路图，通过电阻R14和R15将24 VDC变压为12 VDC。该稳压芯片LM317是一种三端可调正稳压器集成电路。它有3个管脚：第一引脚为电压调节脚；第二引脚为电压输出脚；第三引脚为电压输入脚。LM317的输出电压为1.2～37.0 V，负载电流最大为1.5 A。其仅需2个外接电阻来设置输出电压。此外，其线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。根据图5，得出LM317提供12 VDC作为大功率同步控制器LT1339/SO的驱动电源，经测量该输出实际电压为12.1 VDC，正常。通过控制手柄可点亮射野灯，但输出功率未达到额定值，灯光昏暗，判断芯片LT1339/SO正常工作，可能为场效应三极管T1和T2故障。

图2 射野灯插座PL9电路

图3 射野灯供电及控制电路

图4 PL13及PL23插座电路

图5 LM317/SOT223变压电路

然后，检查场效应三极管T1和T2（图6）。场效应三极管T1和T2是一种绝缘栅场效应管，即金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）的N沟道管[4]。以N沟道为例，它是在P型硅衬底上制成两个高掺杂浓度的源扩散区N+和漏扩散区N+，再分别引出源极S和漏极D。源极与衬底在内部连通，两者总保持等电位。当漏极接电源正极，源极接电源负极并使VGS（加在源极和栅极之间的电压）为0时，沟道电流（即漏极电流）ID=0。随着VGS逐渐升高，受栅极正电压的吸引，在两个扩散区之间就感应出带负电的少数载流子，形成从漏极到源极的N型沟道；当VGS大于管子的开启电压VTN（也称N沟道管阈值电压，一般约为+2 V）时，N沟道管开始导通，形成漏极电流ID。一般的三极管是由输入的电流控制输出的电流，但对于场效应管，其输出电流是输入的电压（或称声电压）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流。这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为“场效应管”的原因。

图6 场效应三极管的外观与极性

根据以往维修经验，大功率场效应管工作负载强容易出现故障，测量T1和T2的源极S（3）和漏极D（2）的电阻为3 MΩ左右，其他极测量值为0，判断T1和T2在未工作时为正常。为避免加上负载后出现故障，更换T1和T2。更换后，空载时输出电压为12 VDC，加上负载光源后，光源的亮度没有达到额定功率，经测量工作电压为6 V左右，排除T1和T2故障。接下来重点排查其他的电容和电阻等元器件。

最后，在查阅芯片LT1339/SO（图3）的技术文档后，发现针脚3（CT）是振荡器的正时接口。它通过电容C17接地，同时通过电阻R18连接到针脚2（5VREF）参考电源接口。针脚3（CT）的电容C17是固定值，为2.2 nF，为保证芯片LT1339/SO的正常工作频率，须保证其频率小于150 kHz。如果频率大于150 kHz，振荡器会产生一个具有慢充电、快放电特性的锯齿波，导致输出电压下降，这是引起本次故障的主要原因。将电容C17从电路上取下来，测量其值为1.2 nF，低于正常值2.2 nF，所以导致开关频率过高，电压输出不足。

故障排除方法：购买相同型号的电容，更换后，上机通电测试，可正常点亮射野灯，问题排除。另外，维修结束后，需要校正射野的一致性，减少摆位和适时野验证等方面的误差[2]。

3 小结

本研究是一例典型的由DC/DC开关电源引起的故障，其导致模拟定位机无法正常工作，这时，需要临床医学工程师结合自身经验和专业知识为临床部门提供迅速、有效的技术支持。掌握开关电源的维修是每名临床医学工程师的基本技能，也是难点。临床医学工程师可通过参加专业的培训，学习典型开关电源电路设计原理，掌握开关电源元器件的作用和测试方法，在平时做好维护保养工作，来降低设备的故障率和缩短排除故障的时间，更好地保证医疗设备的正常运行，从而提高设备使用率，产生更好的社会效益和经济效益[5]。