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

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

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。