Esaote Mylab One型便攜式彩超發(fā)射電路分析與故障檢修2例

王明剛，郭姝辰，姜宏濤，陳磊，陳燚

中國人民解放軍海軍第971醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，山東 青島 266071

引言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的成像處理和探頭技術(shù)大量應(yīng)用到彩超儀器上，使超聲設(shè)備不斷向小型化、便攜式發(fā)展，使其具備了功能強大、啟動快捷、運行穩(wěn)定、配置靈活的特點，因此，便攜式彩超廣泛應(yīng)用在出診服務(wù)、社區(qū)服務(wù)、大型體檢、戰(zhàn)地救護(hù)等醫(yī)療活動中[1]。

便攜式彩超為移動醫(yī)療設(shè)備，由于要經(jīng)常搬動，此類設(shè)備發(fā)生故障的概率要比臺式彩超機大很多，同時，受外形尺寸限制，結(jié)構(gòu)緊湊，散熱效率低，也易產(chǎn)生故障。其中，超聲發(fā)射電路電壓高、電路轉(zhuǎn)換頻率快，是故障高發(fā)部位，據(jù)統(tǒng)計，該部分電路故障占便攜式彩超故障一半以上[2]。下面以Esaote Mylab One便攜式彩超為例，對便攜式彩超超聲發(fā)射電路進(jìn)行分析。

1 便攜式超聲發(fā)射電路原理

在數(shù)字化超聲成像系統(tǒng)中，前端發(fā)射與接收電路是成像的關(guān)鍵[3]，高性能超聲系統(tǒng)通過任意波形發(fā)生器產(chǎn)生復(fù)雜的發(fā)射波形，達(dá)到提高成像質(zhì)量的目的，超聲波束生成器以20 MHz左右的速率產(chǎn)生8位至10位數(shù)字字符，按照字符生成所設(shè)計的脈沖波形，在經(jīng)過數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬波形，通過線性高壓放大器進(jìn)行放大，用于驅(qū)動傳感器單元[4]，但是，這種發(fā)射技術(shù)需要大量的高性能相控陣發(fā)射器和接收器，硬件電路體積較大、所需功率大，而且造價較高，因此，這種結(jié)構(gòu)多用于臺式儀器。對便攜式儀器而言，這種脈沖波束成形技術(shù)并不適用，而是由多通道高壓脈沖發(fā)生器生成激勵傳感器陣元的脈沖信號[5]，如圖1所示。

圖1 超聲發(fā)射電路原理框圖

該機超聲發(fā)射電路由多通道高壓脈沖發(fā)生器、高壓開關(guān)、Tx/Rx等電路組成。前端控制電路FPGA產(chǎn)生激勵脈沖發(fā)射控制信號，該信號作為邏輯控制信號接到高壓脈沖發(fā)生器的輸入端，經(jīng)過邏輯接口解碼、電平轉(zhuǎn)換，到達(dá)MOS管驅(qū)動緩沖器，由推挽輸出電路產(chǎn)生激勵脈沖，配合有源對地箝位的有源輸出終端電路，產(chǎn)生高壓脈沖發(fā)射信號[6]。在FPGA產(chǎn)生的信號控制下，通過高壓復(fù)用開關(guān)選擇驅(qū)動不同的壓電傳感器陣元進(jìn)行激勵，使系統(tǒng)能夠在傳感器陣列中動態(tài)改變有效的傳感器孔徑，得到想要的超聲波束。超聲換能器與脈沖發(fā)射電路和回波接收電路都相接，為避免高壓脈沖進(jìn)入接收電路，對接收回波信號的低噪聲放大器進(jìn)行保護(hù)，采用Tx/Rx電路進(jìn)行發(fā)射信號和接收信號隔離[7]。

2 故障實例與分析

2.1 故障一

2.1.1 故障現(xiàn)象

接通電源后機器開始自檢，自檢到65%時，報高壓錯誤，自檢停止。

2.1.2 故障分析

該機在啟動過程中，首先對電路進(jìn)行檢測，通常在自檢進(jìn)行到60%左右，對探頭進(jìn)行檢測，如識別到探頭正確連接，輸出激勵脈沖產(chǎn)生所需高壓電源，此時自檢不能通過且報高壓錯誤，說明高壓電源負(fù)載有問題，可判斷故障發(fā)生在超聲發(fā)射電路或探頭部分[8]。

2.1.3 故障排除過程

為進(jìn)一步明確故障，關(guān)機拔下探頭，再開機，自檢能夠通過，可進(jìn)入正常工作界面，但無圖像，初步懷疑是探頭故障[9]，但把該探頭接到另一臺同型號機器上，工作正常，因此，確定是發(fā)射端電路故障[10]。該機超聲脈沖發(fā)生電路由HDL6V5581及其外圍電路構(gòu)成，HDL6V5581是日本日立公司推出的超聲成像設(shè)備專用的8通道、高壓高速激勵發(fā)射芯片，最高輸出電壓可達(dá)±100 V，最高峰值電流可達(dá)±2.5 A，外置浮動電壓驅(qū)動器，支持1.8 V到5 V的邏輯接口以及最高25 MHz的工作頻率，其內(nèi)部路結(jié)構(gòu)框圖（1個通道）如圖2所示。

圖2 HDL6V5581芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

打開機殼，用示波器觀察每個6V5581芯片的輸入端信號，有2.1 V的電平信號，說明前端FPGA控制信號正常，再依次測量每個高壓脈沖輸出端，HVOUT端口均無輸出波形，萬用表量供電電源VPP和VNN，電壓均為0，該機共有4片HDL6V5581芯片，雖然都沒有輸出信號，但芯片同時損壞的概率較低，因此，斷電對比測量每個芯片VPP和VNN對地電阻，發(fā)現(xiàn)右側(cè)第一個芯片的31腳VPP1對地電阻為5 Ω，其他3個芯片的均為2 kΩ,說明該芯片內(nèi)部浮地電源局部短路，自檢時電源輸出保護(hù)。更換該芯片，開機，設(shè)備正常工作。

2.2 故障二

2.2.1 故障現(xiàn)象

二維扇形區(qū)域內(nèi)圖像有規(guī)則暗道，如圖3所示。

圖3 成像區(qū)有4條暗道圖像

2.2.2 故障分析

圖像有暗道故障原因主要有：① 超聲探頭內(nèi)部陣元損壞，對應(yīng)位置圖像缺損；② 脈沖發(fā)射電路故障，無超聲激勵信號；③ 接收電路通道故障，超聲回波信號丟失[11]。

通過更換好的探頭或者把懷疑有故障的探頭裝在正常設(shè)備上，可判斷是否探頭故障；而該機的收發(fā)電路集成在主板上，不能采用替換通道板的方法縮小故障范圍，通過對比2幅故障圖像，發(fā)現(xiàn)暗道出現(xiàn)在靠近探頭聲透鏡處，其排列具有規(guī)則的空間分布，這些圖像特征提示發(fā)射端電路個別通道故障的可能性大。

2.2.3 故障排除過程

更換小器官探頭，圖像暗道依然存在，說明不是探頭故障，仔細(xì)觀察圖像，暗道在近場區(qū)明顯，遠(yuǎn)場區(qū)噪聲為主，調(diào)節(jié)Gain增益到最大，現(xiàn)象無變化，說明故障部位與回波接收電路無關(guān)，而是發(fā)生在發(fā)射端電路。如前例所述，該機由HDL6V5581及其外圍電路產(chǎn)生脈沖激勵信號，高壓開關(guān)選用的是16通道線性高壓模擬開關(guān)MAX4968芯片，在FPGA產(chǎn)生的高壓開關(guān)的控制邏輯作用下，每個通道電路選擇驅(qū)動換能器4個陣元中的1個進(jìn)行激勵，從而實現(xiàn)32/128多路復(fù)用的功能，而本例故障的4條圖像暗道呈等間隔均勻分布，故可確定個別通道電路無輸出。

依次測量MAX4968的各對輸入輸出端信號，該芯片39腳無脈沖信號，即SW9B無輸入信號，考慮到該芯片為低壓供電（VPP僅為10 V），芯片損壞的可能性不大，斷電檢查外圍電路，發(fā)現(xiàn)與39腳相連的高壓二極管BAV23S正反向均不導(dǎo)通，阻斷了HDL6V5581的HVOUT信號，更換該元件，開機，超聲圖像恢復(fù)正常。

3 討論

對于超聲設(shè)備發(fā)射端電路故障，臺式機通常有2塊以上探頭接口板、發(fā)射接收板，在修理時可以采用替換法，進(jìn)一步縮小故障范圍[12]，但便攜式彩超由于結(jié)構(gòu)緊湊，集成化程度高，收發(fā)電路往往集成在1塊主板上，維修難度大，而且，即便明確了故障具體部位，更換整個主板價格也太高，這就要求維修工程師在熟練掌握設(shè)備結(jié)構(gòu)原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行元件級修理。

現(xiàn)代超聲成像設(shè)備采用全數(shù)字化技術(shù)，儀器的硬件結(jié)構(gòu)簡單，控制流程清晰，通過分析，大部分故障都有跡可循[13]。如在開機啟動時，按照一定的次序?qū)x器各部分進(jìn)行檢測，就可根據(jù)自檢進(jìn)程和出錯信息，大致判斷故障部位；通過觀察故障圖像的位置和形狀等，就可判斷故障產(chǎn)生的原因。因此，在使用維修過程中，要注意觀察這些提示信息，以便快速準(zhǔn)確判斷故障。