基于系統狀態檢測的醫療設備快速故障診斷方法初探

趙 安 向 逾 馬結實 王 晴 吳志堅 種銀保

基于系統狀態檢測的醫療設備快速故障診斷方法初探

趙 安①向 逾②馬結實①王 晴①吳志堅①種銀保①

目的：研究醫療設備快速故障診斷方法，在無圖紙條件下的醫療設備故障診斷中準確快速地找到故障點。方法：采用系統狀態檢測法，利用在線測試儀和數字示波器或測試工裝建立板級的系統狀態庫；結合既往信號流圖法的設備故障維修成功案例。結果：基于系統狀態檢測的醫療設備快速故障診斷方法，既可提高故障診斷的準確性，又可提高在無圖紙條件下的醫療設備故障診斷效率；成功排除了層流風機變頻器、PM9000監護儀血氧板等設備故障。結論：基于系統狀態檢測的醫療設備快速故障診斷方法是對提高醫療設備維修效率的有效模式。

狀態檢測；故障診斷；醫療設備；在線測試儀；維修

進入21世紀，醫院醫療設備維修工作時面臨無電路圖、無技術資料的窘境，傳統依賴系統結構或信號流圖的維修思路與方法無以為繼[1-3]。20世紀80～90年代流行的元器件級維修在當前難以實施，電路板替換成為醫療設備維修行業的“萬金油”，臨床醫學工程技術能力極大地弱化。

近年來，在故障診斷與系統維護領域，逐步興起了基于系統狀態檢測的故障診斷技術，是指將故障的出現視為系統狀態的一種轉換[4-7]。利用各種傳感器(電壓、電流、壓力、振動及溫度等)通過數字技術感知設備運行的狀態，對設備的故障做出預警或者診斷的一類技術。事實上，這類技術在大型醫療設備上已有應用，一些設備自身搭載了自診斷系統，在出現故障的時候會報故障代碼，通過查詢故障代碼即可了解某個子系統或模塊的故障，但對于元器件級的故障還無法診斷。為此，本研究從分析單臺設備故障維修模式出發，提出針對具有較多數量同類設備的故障維修，應逐步建立案例庫，利用既往和他人的成功經驗及智能化工具輔助臨床工程師的維修工作，提高工作效率。

1 單臺設備的無圖紙維修策略

對于元器件級的故障診斷，從系統狀態檢測的角度而言，有兩種方法可引入醫療設備維修領域，用于解決元器件級的故障診斷。①在設備處于正常工作狀態的時候，利用數字示波器或測試工裝采集電路板多個測試點的電壓和動態信號并建立正常狀態數據庫，但是這種方法需在開機條件下打開機殼進行檢測，若操作不當則有可能造成貴重設備或零部件損壞或故障擴大，因而具有一定的風險性，在實際應用中多作為一種輔助手段；②作為一種先進的元器件級維修工具和方法的在線測試儀，其主要優點在于利用其能夠在設備不通電工作的情況下建立電路板元器件、特別是集成電路芯片的阻抗(V/I)庫，然后可用同樣的方法進行好壞元器件的比對，從而找到故障元器件，具有較好的安全性[8-9]。然而，在板載元器件數量不多的情況下，該方法較易實施，但是如果板載元器件數量很多，而且待修的同類電路板較多或故障率較高的情況下，板級逐一測試比對實施起來勞動強度大，維修時間長。因此，提出單臺設備的無圖紙維修(簡稱“盲修”)策略。

(1)基于在線測試儀建立該設備元器件靜態參數庫(V/I庫)，或利用數字示波器采集并建立板級動態信號庫。單臺設備出現故障時，首先查找故障代碼進行模塊級和板級定位，或利用替換法等傳統維修方法將故障范圍縮小到板級。

(2)為了查找電路板的故障元器件，可利用已經建好的參照庫，進行元器件或測試點信號逐一比對，進一步將故障縮小到單元電路或元器件。

(3)該設備再次出現故障時重復采用上述步驟。單臺設備的盲修策略流程如圖1所示。

圖1 單臺設備故障盲修策略流程圖

2 多臺同類設備的維修策略

在醫療設備電路板維修實踐中，無論何種原因導致的設備故障，損壞器件直接決定了設備的故障現象。對于同類設備而言，相同的故障現象卻可能是由不同的器件損壞所導致。故而維修時應從故障現象入手，檢測系統狀態，查找損壞器件，而故障現象與損壞器件之間并不具有唯一對應關系，導致了故障診斷問題的復雜化?；谝酝娮釉骷Х治龅难芯勘砻鳎煌骷哂胁煌氖Ｊ?，決定了元器件之間的失效概率可能會有差異，如大功率的開關管擊穿的可能性要高于小功率的三極管。通過單臺設備故障盲修實踐，可以獲知醫療設備電路板的失效元器件、統計后檢驗其失效概率，則有利于指導進一步的維修實踐?；诖怂悸?，提出多臺同類設備的維修策略。

(1)基于在線測試儀建立元器件靜態參數庫(V/I庫)，或利用數字示波器采集并建立板級動態信號庫。

(2)某臺設備出現故障時，首先利用替換法等傳統維修方法將故障范圍縮小到板級。

(3)為了查找電路板的故障元器件，可利用已經建好的庫，進行正確與錯誤狀態下元器件或信號逐一比對，進一步將故障縮小到元器件。

(4)將現有“故障現象描述、有問題的狀態量和損壞元器件”3要素的成功案例總結、存儲，逐步建立某類設備電路板維修的案例，以下簡單描述為“故障現象-損壞元器件”。

(5)同類設備下一次出現同樣的故障現象，且是由同一塊電路板導致的，為了提高故障診斷的效率，則不再重復“步驟(3)”，嘗試依據案例庫，直接比對相應狀態量、確認并更換“步驟(4)”中的“損壞元器件”，若成功解決故障，將“步驟(4)”中的維修案例權重值＋1。

(6)若不成功，則要分為2種情況：①“步驟(5)”比對的器件確實有問題，但還有其他器件的問題，則將“步驟(4)”中的“故障現象-損壞元器件”的權重值＋1，并添加補充其他故障器件，其權重值初始化為1；②“步驟(5)”比對的器件沒有問題，則將“步驟(4)”中的“故障現象-損壞元器件”的權重值－1(最小值為1)，并重復“步驟(3)”進行逐一比對，找到其他器件的問題，并添加補充案例“故障現象-其他故障器件”，其權重值初始化為1。如此演化，終將逼近真實的設備故障元器件的概率分布。具有較多數量的同類設備故障維修模式流程如圖2所示。

圖2 多臺同類設備故障維修模式流程圖

(7)將同類設備故障維修經驗形成某型或某類設備維修的知識庫。由案例庫上升為知識庫需要較大樣本的同類設備成功維修案例的支持和反復驗證。類似于大數據思想，對于單個醫療機構而言，某型或某類設備數量較少或故障率可能不高，難以建立起完備的知識庫，應依托各級學(協)會組織，利用互聯網聯合多家醫院，建立維修聯盟開展設備維修知識庫的建設和分享。

3 醫療設備快速故障診斷案例

(1)在線測試儀結合經典維修思路的PM9000血氧板檢修。一塊PM9000監護儀的血氧板出現“探頭脫落”故障，即無論如何都檢測不到探頭。該模塊電路板雖然面積不大，但是板載了較多的貼面元器件，若采用在線測試儀的對比測試維修方法，需要花費較長的時間。然而，通過檢查電子線路連接(俗稱“走線”)發現，該模塊的探頭檢測方法是：①當探頭連接好時，會有一個2.5 V的電壓輸送到模擬-數字轉換器(analog-to-digital converter，ADC)芯片進行采樣，當探頭真正脫落時，該電壓應轉變為0 V，導致系統檢測不到探頭。然而前置電路正常，確實有2.5 V電壓輸送到ADC；②利用在線測試儀檢測對比好、壞板的ADC芯片，發現二者在ADC芯片輸入端口存在V/I曲線的顯著差異，損壞的ADC芯片已經沒有了采樣電路典型的充放電V/I特征，從而快速準確的排除了故障。

該案例表明，對于單臺設備，將在線測試儀與經典的信號流圖法相結合，可避免簡單的利用在線測試儀進行整塊電路板耗時費力的對比測試，極大地提高故障診斷的效率。

(2)基于在線測試儀的變頻器維修。由于用電高峰而停電，先后導致了12個變頻器出現同樣故障現象：沒有任何輸出，不能驅動電機。①隨機抽取其中一個為研究對象，經過在線測試儀建庫、器件逐一對比測試等步驟之后發現一個故障器件E2PROM，型號為AT93C46B，通過向新的E2PROM寫入好機器的正確二進制碼后修復了該變頻器；②由于其他11個變頻器的損壞條件和故障現象與已修復的變頻器基本相同，則嘗試將這條成功經驗推廣試驗，繼而再次完全修復了2個變頻器，而其他5個變頻器由“不轉”的故障現象轉化為“慢轉”，剩余的4個變頻器仍然“不轉”。該結果表明，所有12個樣本中，由故障現象直接推斷E2PROM存在問題的可信度或權重為8。

該案例證明，針對多臺設備的相同故障現象，依據已有的同類設備成功的經驗，可以較為準確快速地排除潛在的故障點，從而提高檢修效率[10]。

4 結語

對于無圖紙條件下的醫療設備故障診斷問題而言，如何準確又快速的找到故障點，是確保故障診斷方法有用且可行的關鍵。系統狀態檢測的理論與方法為新時期解決醫療設備盲修難題指明了前進方向。本研究提出基于系統狀態檢測的兩種方法——利用在線測試儀和數字示波器(或測試工裝)建立系統狀態庫，并結合經典的信號流圖法和既往成功案例庫，既可提高故障診斷的準確性、又可提高效率，為系統狀態檢測法用于醫療設備維修提供了有益的探索。在今后的工作中，將逐步建立起具有一定普遍適用性和可推廣性的系統狀態庫和維修知識庫。

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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

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.11.036

趙安,男,(1979- ),博士，工程師。第三軍醫大學新橋醫院設備科，從事醫學裝備技術保障工作。

①第三軍醫大學新橋醫院設備科 重慶 400037

②重慶市巴南區人民醫院設備科 重慶 401320

China Medical Equipment,2017,14(11):123-125.

2017-05-26