Esaote Mylab One型便携式彩超发射电路分析与故障检修2例

王明刚,郭姝辰,姜宏涛,陈磊,陈燚

中国人民解放军海军第971医院 医学工程科,山东 青岛 266071

[摘 要] 本文以Esaote Mylab One便携式彩超为例,阐述了便携式彩超发射端电路工作原理,并对2个典型故障进行分析。根据自检出错信息和故障影像特征的提示,逐个排查相关电路,明确故障位置,修复了脉冲发射电路和高压复用开关电路的故障。便携式彩超集成化程度高,维修难度大,通过观察自检过程和分析故障影像特征,可快速判断故障,降低修理成本,确保设备正常工作。

[关键词] 便携式彩超;脉冲;发射电路;故障检修

引言

随着现代电子技术的发展,先进的成像处理和探头技术大量应用到彩超仪器上,使超声设备不断向小型化、便携式发展,使其具备了功能强大、启动快捷、运行稳定、配置灵活的特点,因此,便携式彩超广泛应用在出诊服务、社区服务、大型体检、战地救护等医疗活动中[1]

便携式彩超为移动医疗设备,由于要经常搬动,此类设备发生故障的概率要比台式彩超机大很多,同时,受外形尺寸限制,结构紧凑,散热效率低,也易产生故障。其中,超声发射电路电压高、电路转换频率快,是故障高发部位,据统计,该部分电路故障占便携式彩超故障一半以上[2]。下面以Esaote Mylab One便携式彩超为例,对便携式彩超超声发射电路进行分析。

1 便携式超声发射电路原理

在数字化超声成像系统中,前端发射与接收电路是成像的关键[3],高性能超声系统通过任意波形发生器产生复杂的发射波形,达到提高成像质量的目的,超声波束生成器以20 MHz左右的速率产生8位至10位数字字符,按照字符生成所设计的脉冲波形,在经过数字/模拟转换器把数字信号转换成模拟波形,通过线性高压放大器进行放大,用于驱动传感器单元[4],但是,这种发射技术需要大量的高性能相控阵发射器和接收器,硬件电路体积较大、所需功率大,而且造价较高,因此,这种结构多用于台式仪器。对便携式仪器而言,这种脉冲波束成形技术并不适用,而是由多通道高压脉冲发生器生成激励传感器阵元的脉冲信号[5],如图1所示。

图1 超声发射电路原理框图

该机超声发射电路由多通道高压脉冲发生器、高压开关、Tx/Rx等电路组成。前端控制电路FPGA产生激励脉冲发射控制信号,该信号作为逻辑控制信号接到高压脉冲发生器的输入端,经过逻辑接口解码、电平转换,到达MOS管驱动缓冲器,由推挽输出电路产生激励脉冲,配合有源对地箝位的有源输出终端电路,产生高压脉冲发射信号[6]。在FPGA产生的信号控制下,通过高压复用开关选择驱动不同的压电传感器阵元进行激励,使系统能够在传感器阵列中动态改变有效的传感器孔径,得到想要的超声波束。超声换能器与脉冲发射电路和回波接收电路都相接,为避免高压脉冲进入接收电路,对接收回波信号的低噪声放大器进行保护,采用Tx/Rx电路进行发射信号和接收信号隔离[7]

2 故障实例与分析

2.1 故障一

2.1.1 故障现象

接通电源后机器开始自检,自检到65%时,报高压错误,自检停止。

2.1.2 故障分析

该机在启动过程中,首先对电路进行检测,通常在自检进行到60%左右,对探头进行检测,如识别到探头正确连接,输出激励脉冲产生所需高压电源,此时自检不能通过且报高压错误,说明高压电源负载有问题,可判断故障发生在超声发射电路或探头部分[8]

2.1.3 故障排除过程

为进一步明确故障,关机拔下探头,再开机,自检能够通过,可进入正常工作界面,但无图像,初步怀疑是探头故障[9],但把该探头接到另一台同型号机器上,工作正常,因此,确定是发射端电路故障[10]。该机超声脉冲发生电路由HDL6V5581及其外围电路构成,HDL6V5581是日本日立公司推出的超声成像设备专用的8通道、高压高速激励发射芯片,最高输出电压可达±100 V,最高峰值电流可达±2.5 A,外置浮动电压驱动器,支持1.8 V到5 V的逻辑接口以及最高25 MHz的工作频率,其内部路结构框图(1个通道)如图2所示。

图2 HDL6V5581芯片内部结构框图

打开机壳,用示波器观察每个6V5581芯片的输入端信号,有2.1 V的电平信号,说明前端FPGA控制信号正常,再依次测量每个高压脉冲输出端,HVOUT端口均无输出波形,万用表量供电电源VPP和VNN,电压均为0,该机共有4片HDL6V5581芯片,虽然都没有输出信号,但芯片同时损坏的概率较低,因此,断电对比测量每个芯片VPP和VNN对地电阻,发现右侧第一个芯片的31脚VPP1对地电阻为5 Ω,其他3个芯片的均为2 kΩ,说明该芯片内部浮地电源局部短路,自检时电源输出保护。更换该芯片,开机,设备正常工作。

2.2 故障二

2.2.1 故障现象

二维扇形区域内图像有规则暗道,如图3所示。

图3 成像区有4条暗道图像

注:a. 未涂耦合剂;b. 涂耦合剂。

2.2.2 故障分析

图像有暗道故障原因主要有:① 超声探头内部阵元损坏,对应位置图像缺损;② 脉冲发射电路故障,无超声激励信号;③ 接收电路通道故障,超声回波信号丢失[11]

通过更换好的探头或者把怀疑有故障的探头装在正常设备上,可判断是否探头故障;而该机的收发电路集成在主板上,不能采用替换通道板的方法缩小故障范围,通过对比2幅故障图像,发现暗道出现在靠近探头声透镜处,其排列具有规则的空间分布,这些图像特征提示发射端电路个别通道故障的可能性大。

2.2.3 故障排除过程

更换小器官探头,图像暗道依然存在,说明不是探头故障,仔细观察图像,暗道在近场区明显,远场区噪声为主,调节Gain增益到最大,现象无变化,说明故障部位与回波接收电路无关,而是发生在发射端电路。如前例所述,该机由HDL6V5581及其外围电路产生脉冲激励信号,高压开关选用的是16通道线性高压模拟开关MAX4968芯片,在FPGA产生的高压开关的控制逻辑作用下,每个通道电路选择驱动换能器4个阵元中的1个进行激励,从而实现32/128多路复用的功能,而本例故障的4条图像暗道呈等间隔均匀分布,故可确定个别通道电路无输出。

依次测量MAX4968的各对输入输出端信号,该芯片39脚无脉冲信号,即SW9B无输入信号,考虑到该芯片为低压供电(VPP仅为10 V),芯片损坏的可能性不大,断电检查外围电路,发现与39脚相连的高压二极管BAV23S正反向均不导通,阻断了HDL6V5581的HVOUT信号,更换该元件,开机,超声图像恢复正常。

3 讨论

对于超声设备发射端电路故障,台式机通常有2块以上探头接口板、发射接收板,在修理时可以采用替换法,进一步缩小故障范围[12],但便携式彩超由于结构紧凑,集成化程度高,收发电路往往集成在1块主板上,维修难度大,而且,即便明确了故障具体部位,更换整个主板价格也太高,这就要求维修工程师在熟练掌握设备结构原理的基础上,进行元件级修理。

现代超声成像设备采用全数字化技术,仪器的硬件结构简单,控制流程清晰,通过分析,大部分故障都有迹可循[13]。如在开机启动时,按照一定的次序对仪器各部分进行检测,就可根据自检进程和出错信息,大致判断故障部位;通过观察故障图像的位置和形状等,就可判断故障产生的原因。因此,在使用维修过程中,要注意观察这些提示信息,以便快速准确判断故障。

[参考文献]

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Two Cases of Maintenance of Esaote Mylab One Portable Ultrasonic System Transmitting Circuit

WANG Minggang, GUO Shuchen, JIANG Hongtao, CHEN Lei, CHEN Yi
Department of Medical Engineering, The 971st Hospital of the PLA, Qingdao Shandong 266071, China

Abstract: Taking Esaote Mylab One portable color ultrasound as an example, this paper expounded the working principle of the transmitter circuit of the portable color ultrasound, and analyzed two typical faults. According to the self check error information and fault image features, the relevant circuits were checked one by one, the fault location was determined, and the faults of the pulse transmitting circuit and the high-voltage multiplexing switch circuit were repaired. The portable color ultrasound is highly integrated and difficult to maintain. By observing the self inspection process and analyzing the characteristics of fault image, it can quickly judge the fault, reduce the repair cost and ensure the normal operation of the equipment.

Key words: portable color ultrasound; pulse; transmitting circuit; troubleshooting

收稿日期:2020-05-21

基金项目:全军军事医学计量科研专项课题(2011-JL2-013)。

通信作者:陈燚,主任技师,主要从事医疗设备管理、维修、质量控制等方面的研究工作。

通信作者邮箱:sdqdychen@163.com

[中图分类号]R197.39;TH776

[文献标识码]B

doi:10.3969/j.issn.1674-1633.2020.07.040

[文章编号]1674-1633(2020)07-0162-03

本文编辑 韩莹