飞利浦HD11系列超声诊断仪故障维修实例
引言
超声检查是利用超声波的透射和反射等特性，对人体器官和组织的物理特性、形态特征与功能状态进行诊断的无创性检查方法，是目前医学影像的一种重要诊断技术。飞利浦HD11系列超声诊断仪是飞利浦公司推出的新一代智能全数字彩色超声波诊断设备，分为HD11标准版、HD11SE简化版和HD11XE高配版三个版本。该系列机器集SonoCT、XRES、3D/4D、STIC、造影成像、解剖M型、运动负荷、全景超声、Qlab定量分析等众多先进技术于一身，能满足高质量的临床诊断需求，是一款拥有较高市场占有量的中高端全身机设备。经过多年的使用，该系列机型目前已经进入故障高发期[1-2]，掌握其工作原理及维修方法，对快速排除故障，提高开机率有着重要的意义[3]。核心部分为前端，也称为E-box，主要包括SP板、TR板、背板、分配板、探头接口板以及选配的3D MC板。后端为典型的PC主机，通过PCI卡槽上的E-box Interface板经过一条Token ring线与SP板连接进行前后端的通信。
图1 HD11超声诊断仪的基本结构
1.2 电源分配
如图2所示，HD11的主电源位于E-box下方，自适应
1 结构及工作原理
1.1 系统架构
如图1所示，HD11超声诊断仪的基本结构包括：探头、前端、后端、电源、控制面板、显示器以及外设等。其中100～240 V，50～60 Hz交流电压输入，通过各种电压变换电路，为超声设备的各个板卡以及外设提供各种直流电和120 V交流电。该电源没有ON/OFF开关，一旦连接市电便进入待机状态，并且输出一路120 V不间断交流电供给后端PC主机。
图2 电源分配
1.3 启动顺序
如图3所示，当按下PC机的开机按钮后，首先PC机开始启动，ATX电源向主板供电，主板PCI卡槽上的E-box Interface板得电后开始工作，并通过Token ring线经过SP板向主电源发出awake信号，主电源得到唤醒信号后开始输出各路电压。E-box得电后开始初始化并通过Token ring线和E-box Interface进行通信。PC机经过POST自检后开始启动操作系统并且加载超声软件，超声软件通过E-box Interface向E-box发送指令以及接收数据，直到完成全部的启动程序后进入二维图像界面[4]。
图3 超声诊断仪启动顺序
1.4 成像原理
SP板控制TR板发射脉冲激励信号激发探头产生超声波进入人体组织，由组织反射回的带有组织特征的回波经过探头接收后变成电信号，回波电信号通过TR板接收后，由各个通道进行信号的放大、滤波、补偿、A/D转换等处理。如图1所示，HD11共有4块32通道的TR板，连接方式为链式连接，当前TR板处理好的信号会叠加到下一块TR板上，最后一块TR板将全部叠加好的信号传递给SP板进行进一步的信号处理和图像处理，最终得到回声图像数据。SP板将处理好的回声图像数据通过Token ring和E-box Interface传递给PC主机并由PC机处理后在显示器上进行显示，由此完成了最基本的超声成像过程[5]。
2 故障实例
2.1 故障一
2.1.1 故障现象
按开机按钮后设备不能启动，显示器显示“no signal”，多次开机尝试后偶尔可以正常启动，但经过短暂的使用后会自动重启，或者直接死机。
2.1.2 故障分析
当控制面板的开机键被按下后，首先将启动PC机的ATX电源，当ATX电源对主板供电后，PCI卡槽上的E-box Interface板开始启动并向主电源发出启动信号，此时主电源开始启动并输出各路电源，包括显示器的110 V交流电，此时显示器被点亮，如果此时显示器得不到视频输入信号，就会显示“no signal”字样。SP得电后会开始初始化并且与E-box Interface通信，PC机按照BIOS设置开始启动并检测各项硬件，随后启动操作系统及超声软件。发生此故障的原因可以考虑以下几点：① 前端故障引起E-box Interface异常导致PC机硬件检测失败；② E-box Interface本身的故障导致PC机硬件检测失败；③ PC机CPU、显卡、内存故障都会导致无法开机；④ 主板故障和ATX电源故障会引起各种无法启动、自动重启、死机等故障[6-8]。
2.1.3 故障排除
首先对PC机箱内部进行除尘，并且拔插内存条、显卡、以及E-box Interface板，然后按下开机键可以听到“滴”的一声主板的开机声，但显示器仍然显示“no signal”，经过1～2 min后又可以听到一声主板启动声音，如此往复。主板发出启动声，说明CPU、显卡以及内存检测都是正常的[9]。单独拔掉E-box Interface板，此时由于与后端隔离，后端将无法得到awark信号，所以必须通过短接主电源的启动端子与地，强制主电源启动，以给显示器供电。此时按开机键，PC机正常启动，加载超声软件时出现“restart”报错，这是由于前后端无通信导致的，可以通过按Ctrl+Alt+S组合键可以进入模拟模式，说明此时后端为正常。但是经过多次重复开机试验后发现，还有会出现无法开机的现象，由此怀疑ATX电源是否存在故障。由于ATX电源的供电电压为100～240 Vac，而主电源供给的是110 V电源，尝试改用220 V市电直接供给ATX电源，多次开机测试均启动正常。插上E-box Interface板和连接Token ring线至SP板，可以正常进入二维检查界面，并可以正常工作。由此确定故障是由于ATX电源性能下降导致功率不足所致，从市场上采购一只宽电压输入的功率为500 W电源更换后使用正常，故障排除。
2.2 故障二
2.2.1 故障现象
进入二维界面后图像有两条较宽的纵向暗道，严重影响图像质量。
2.2.2 故障分析
在超声成像的过程中，每一条独立的发射和接收信号的通路，都被称为“通道”，每个通道都会对应着多个探头上的晶振，各个通道上的回波信号进行处理并合成后，即形成整个超声图像。通道上的任何一个环节出现故障都有可能引起图像变异或者缺损[10-11]，根据故障现象，应排查的故障原因有以下几点：① 超声换能器部分晶振损坏导致超声波无法被激发和接收；② 超声信号的部分发射或接收通路发生断路，比如线缆部分断裂、接口处的插针弯曲等；③ TR板的部分发射电路发生故障导致无法产生超声激励脉冲；④ TR板的部分接收电路发生故障导致回波信号无法被接收、放大或转换；⑤ TR板的增益补偿电路发生故障；⑥ 声像图合成电路发生故障。
2.2.3 故障排除
根据以上分析，此类故障可以大致定位在探头部分、接口部分、TR板部分以及SP板四个方面。首先切换各个不同的探头，若有其他相同型号的机器，也可以将探头与其对换后观察图像变化，发现故障依旧，此时可以排除探头以及接口部分的问题[12-13]。接下来开始进行TR板的对换工作，从观察暗道是否出现位置变化以及位置变化的规律来帮助判断是哪一块TR板故障。将4块TR板进行编号（分别为0、1、2、3），分别进行不同组合的对换，当对换TR2与TR3时发现暗道位置改变，由此可以确定TR2与TR3中有一块是有问题的。当将TR0与TR2对换后，发现故障暗道消失，设备工作正常。针对这一现象，我们查阅了维修手册发现，检修过程中所使用的盒式接口的C5-2探头是64通道的，所以只使用到了TR2和TR3两块板子的通道，所以才会出现当TR0与TR2对换后暗道消失的现象，从而也就确定了故障板为TR2板，更换TR2板后故障排除。
3 讨论
本文从系统架构、电源分配、启动顺序以及成像原理四个方面详细分析了飞利浦HD11超声设备结构和工作原理。在两个故障案例中，结合故障现象和设备原理，详细分析了产生故障的各种可能原因，在故障排查中依据由简到难，由外到内的原则进行逐一排查，最终锁定并排除了故障。其中，在故障案例二中对超声设备成像过程的分析以及互换通道板排查故障的方法具有一定的通用性。因此，我们医疗设备工程师在平时工作中应仔细研究设备的维修手册，掌握设备的结构及工作原理，经常进行故障推演，及时总结故障经验，提高自身的技术水平，才可能在设备故障时快速定位并解决故障，节省维修成本，提高设备开机率，进而提高经济效益和社会效益[14-16]。
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Examples of Maintenance of Philips HD11 Series Ultrasonic Diagnostic Equipment