脈沖染料激光儀的基本工作原理和常見故障的分析與處理

胡艷輝

脈沖染料激光儀的基本工作原理和常見故障的分析與處理

胡艷輝①

胡艷輝,女,(1973- ),大專，工程師。湖南省人民醫院設備科，從事醫療設備管理及維護、維修工作。

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.05.042

Vbeam脈沖染料激光儀是一款氙閃光燈激發型的脈沖染料激光器，用于治療良性皮膚血管病變、婦科良性血管病變以及眶周皺紋，被廣泛用于整形美容治療中[1-2]。激光儀以一定波長發射激光脈沖能量，此波長脈沖通過選擇性光熱分解，可以穿過表皮和真皮，被血管中的血色素吸收，而不被周圍組織所吸收。所吸收的激光能量轉換為熱量，使目標血管凝固，并且不會再生[3]。本故障通過分析脈沖染料激光儀的工作原理，說明此儀器預防維護的重要性，同時通過分析儀器高壓脈沖調制電路的工作過程，介紹儀器常發的典型故障和分析處理方法。

1　脈沖染料激光儀基本工作原理

1.1設備工作狀態

Vbeam是一臺由內置微處理器控制的由氙閃光燈激發型染料激光器，其用戶界面采用一塊液晶顯示面板和觸摸屏覆層。通過用戶界面，操作者可以選擇激光工作參數、啟動自動校準操作以及選擇動態冷卻裝置(DCD)參數。Vbeam采用一種染料溶液作為激光媒質，當其連續循環穿過激光頭時，由高強度氙閃光燈所激發。當染料大量暴露到氙閃光燈能量后，就降解退化，必須更換染料盒。激光頭通過脫離子水的循環進行冷卻，而循環水由流經一臺熱交換器的周圍空氣所冷卻。通過加熱器和熱交換器的組合裝備，各個系統部件的溫度可以保持在高效激光操作的最優化范圍內。脈沖染料激光儀具有良好的自檢功能，機器的能量校準過程同時也是檢測剩余染料的過程，當機器出現染料消耗殆盡的提示時，用戶需要及時進行維護，更換染料等，否則機器將陸續出現高壓二極管擊穿、高壓脈沖調制電路板爆掉、氙閃光燈損壞等故障，導致高額的維修成本費，影響臨床治療。

1.2染料激光產生的條件

(1)工作物質。由染料使激光有合適的能級結構，并實現粒子數反轉。

(2)激勵能源。由氙閃光燈使原子激發，并維持粒子數的反轉。

(3)光學諧振腔。由反射鏡、陶瓷腔等組成。用來保證光激勵系統能夠工作在作用物質上，并產生光放大，使激光有良好的方向性和單色性(如圖1所示)[4]。

圖1　染料激光產生原理圖

1.3設備的能量調節

為保證脈沖能量精確，機器在治療之前必須校準。Vbeam脈沖染料激光儀在每次治療前都會提示必須進行能量校準，能量校準通過后，機器才能開始下一步的治療過程。機器在能量校準模式下，系統將逐步提高加載在氙閃光燈上的電壓，激光能經過內部探測器和外部探測器檢測，反饋給系統，經系統調節將氙閃光燈電壓輸出能量達到預設值。

諧振腔和工作物質在狀態好的情況下，設備只需在低電壓狀態下就可以輸出治療所需能量。若諧振腔狀態不好(即陶瓷腔、氙閃光燈套管、染料套管、全反射鏡及半反射鏡)或者工作物質狀態不好(即染料過期或者耗盡)，以及激勵系統狀態不好(即氙閃光燈老化)，都會使設備處在高壓狀態，易造成設備的高壓脈沖調制電路板、高壓二極管、高壓可控硅以及高壓電源等的損壞。

由于VBEAM脈沖染料激光儀屬于進口產品，耗材和配件都是獨家經營，而且價格相當昂貴，許多單位為節約成本，沒有及時更換染料套件或諧振腔、激勵系統部件，使各部件超期服役，最后大多會造成高壓電路的損壞，而最先損壞的就是高壓脈沖調制電路板和高壓二極管，造成高昂的維修成本。

1.4高壓脈沖調制電路原理

高壓脈沖調制電路板是給高壓電容充電的一種高壓開關電路(如圖2、圖3所示)。其中，圖2是低壓控制端，圖3是高壓輸出控制端。圖3是由兩個相同單元串連而成，1個可承壓1200 V，2個就可承壓2400 V。在實際使用中是用兩組圖2和圖3電路，控制一路高壓。其中兩組圖2電路輸入相并，兩組圖3電路相串，就可承壓4800 V，以保證3500 V高壓的安全可靠切換[5]。

圖2和圖3電路是用正向方波脈沖電壓輸入驅動，方波脈沖寬窄不限，窄的可在微秒級，寬的可達秒、分級，還可更寬。這也正是體現該電路的優越性能所在。電路主要工作在方波脈沖的前沿和后沿，前沿開通高壓，后沿關斷高壓。

圖2　低壓控制端電路圖

圖3　高壓脈沖調制電路圖

在前沿時刻，U9第5腳高電位，第7腳低電位，T5的4和2端加有近30 V的的正向電壓(電源電壓和C42的已充電電壓之和)；T5的8、7端和6、5端分別向C43和C54迅速充電并迅速開通Z8和Z11。此后，T5的4端流向2端的電流逐漸增大，T5趨向飽和，T5的4、2端的電壓下降，T5的8、7端和6、5端電壓也隨即下降，因D82和D104的阻流，C43和C54上的電壓保持著(實際當中R230和C231未安裝)，使Z8和Z11維持開通。因T5已近乎飽和或已飽和，其4、2端的電感量已最低，所以在T5已近乎飽和或已飽和后，T5的4、2端的漏感振蕩與T5的8、7端和6、5端耦合形成的反向電壓，以及C42經R217放電、C50經R217充電所形成的下降電流，都因為其變化率低，致使在T5的4和2端產生的反向電壓都低于0.5 V，所以T5的8、7端和6、5端的反向電壓也低于0.5 V(T5的變比為1∶1)，而不足以使Q8和Q10退出截止，C43和C54上的電壓仍保持，同時保持著Z8和Z11的開通[6]。

在后沿時刻，U9第5腳低電位，第7腳高電位，T5的4、2端加有近30V的反向電壓(電源電壓和C50的已充電電壓之和)，T5的8、7端和6、5端分別使Q8和Q10導通，C43和C54迅速放電并迅速關斷Z8和Z11。此后，T5的2端流向4端的電流逐漸增大，T5趨向飽和，T5的4、2端的反向電壓下降，因C43和C54早已電放完，隨后的過程與上述的類似，已近乎飽和或已飽和的T5中變化率低的上升電流不會使Z8和Z11退出關斷。關斷一直保持，直到下一個方波脈沖的前沿到來[7]。

掌握了高壓脈沖調制電路的工作原理后，如果判斷出高壓脈沖調制電路的故障，可以嘗試電路板修復。需要注意的是本電路中最容易損壞的是T5，T5標簽是“MADE IN CHINA”，但是卻不能在中國市場上購買到，而且此電路要求T5的磁芯具有較高的矩磁特性。根據經驗，磁芯特性不同，因為發光二極管PN結電壓比普通二極管略高，所以可用發光二極管替代D114和D74以彌補由于磁芯特性不同帶來的電壓變化[8]。

2　儀器典型故障的分析和處理

2.1故障案例一

(1)故障現象。開機進入能量校準模式，在校準的過程中，操作醫生突然聽到“砰”的聲響，隨即報錯“FAULT 4”，經反復重啟，始終報錯“FAULT 4”，無法進入“READY”狀態。

(2)故障分析。能量校準過程實際是機器調整氙閃光燈電壓的過程，在此過程中，如果染料消耗殆盡，機器將不斷提高電壓，導致高壓電容維持在高電壓狀態下工作，可致使其中一個高壓二極管反向擊穿，高壓電容向高壓調制電路板放電，造成高壓調制電路板元器件爆損，現場可聽到“砰”的報損聲[9]。

(3)故障處理。打開儀器左側蓋板，查看儀器底部4組電容箱，用高壓表檢測儀器電容箱電壓，發現4組電壓不平衡，判斷為脈沖高壓調制電路板損壞。需要注意的是，伴隨脈沖高壓調制電路板損壞的還有高壓二極管，可用萬用表檢測判斷。用高壓棒將儀器放電完畢后，拆下脈沖高壓調制電路板，依上述維修至設備正常。

2.2故障案例二

(1)故障現象。設備進行能量校準時，出現 “FAULT 6”報警，機器不能進入“READY”狀態。

(2)故障分析。VBeam激光儀具有良好的自檢功能，能量校準過程也是檢測剩余染料的過程，“FAULT 6”為設備檢測到染料耗盡的提示，此時若操作者降低激光能量值，機器仍然能夠使用，但是因為激光能量低，將無法達到治療效果，若提高能量值，機器將無法正常使用。

(3)故障處理。若機器出現以上報警，應及時更換染料套件，以防止設備更大的損壞。染料更換完畢，設備需要光路校正。

3　小結

VBeam激光儀使用過程中，機器會實時監測氙閃光燈電壓，在主菜單下，當觀察到氙閃光燈電壓4 V上升到3500 V時，就必須及時更換染料套件。有任何涉及拆卸VBeam外蓋板動作之前，一定要切記此機是高壓設備，謹防高壓損傷，儀器備有高壓放電棒，放電完畢才能拆卸和調試儀器[10]。

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①湖南省人民醫院設備科 湖南 長沙 410005

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