醫(yī)用超聲診斷儀的基本結(jié)構(gòu)與故障維修

陳曼珊， 袁楊

1.廣東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院 廣東省人民醫(yī)院 設(shè)備處，廣東 廣州 510080；2.廣東醫(yī)學(xué)院信息工程學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，廣東 東莞 523808

醫(yī)用超聲診斷儀是指依據(jù)超聲波的特性來完成檢查功能。超聲波是一種振動(dòng)頻率＞20 kHz的機(jī)械波，超出了人耳的聽覺上限。超聲波的頻率范圍為2×104～2×108Hz，而醫(yī)學(xué)超聲的頻率范圍在200 kHz～40 MHz，超聲診斷常用頻率在1～10 MHz。由于超聲波頻率高、波長(zhǎng)短使得超聲波具有如定向性、折射和反射等特點(diǎn)[1]。

1 醫(yī)用超聲診斷儀的結(jié)構(gòu)

醫(yī)用超聲診斷儀主要有兩大部分，即設(shè)備主機(jī)及超聲探頭。超聲探頭是超聲成像設(shè)備的關(guān)鍵部件，它的任務(wù)是將電信號(hào)變換為超聲波信號(hào)或超聲波信號(hào)變換為電信號(hào)。

超聲診斷儀器主機(jī)部分主要對(duì)從探頭接收回來的信號(hào)進(jìn)行處理及顯示[2]。

1.1 醫(yī)用超聲診斷儀基本結(jié)構(gòu)框圖，見圖1

圖1 醫(yī)用超聲診斷儀的基本結(jié)構(gòu)框圖

1.2 醫(yī)用超聲診斷儀工作原理[3-4]

振蕩器即同步觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生控制系統(tǒng)工作的同步觸發(fā)脈沖，它決定了發(fā)射脈沖的重復(fù)頻率。受觸發(fā)后的發(fā)射器產(chǎn)生高壓電脈沖以激勵(lì)超聲換能器向探測(cè)目標(biāo)發(fā)射超聲脈沖，由目標(biāo)形成的回聲脈沖信號(hào)經(jīng)換能器接收后轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，接著進(jìn)入回波信息處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由射頻信號(hào)接收放大器、檢波器和視頻放大器等組成，最后由顯示器進(jìn)行顯示。掃描發(fā)生器在振蕩器產(chǎn)生同步脈沖控制下，輸出掃描信號(hào)給顯示器，使顯示器顯示超聲回聲圖穩(wěn)定。

1.3 醫(yī)用超聲診斷儀主機(jī)部分

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，超聲診斷儀器的內(nèi)部電路由原來的模擬電路逐漸轉(zhuǎn)換為數(shù)字合成電路，形成了現(xiàn)今的全數(shù)字超聲診斷儀器，具體的電路模塊，見圖2，主要是前置放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字電路及電源部分。超聲探頭將接收到的信號(hào)傳輸?shù)角爸梅糯箅娐贩糯蠛螅瑢⒛M信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)過數(shù)字電路的合成處理，在經(jīng)過數(shù)字掃描變換DSC，將處理后的圖像視頻顯示在顯示屏上。電源部分則為上述各部分提供電源。

圖2 電路模塊圖

1.4 超聲探頭的結(jié)構(gòu)原理

超聲探頭可以發(fā)射和接收超聲，進(jìn)行電聲信號(hào)轉(zhuǎn)換，將由主機(jī)送來的電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l振蕩的超聲信號(hào)，又能將從組織臟器反射回來的超聲信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)而顯示于主機(jī)的顯示器上。探頭是通過探頭內(nèi)部的晶片，在通電狀態(tài)下產(chǎn)生彈性形變，從而產(chǎn)生超聲聲波；反之，當(dāng)超聲聲波通過晶片時(shí)，又能引起它產(chǎn)生彈性形變，繼而引起電壓的變化，最后通過信號(hào)處理板對(duì)相應(yīng)電信號(hào)化的處理來完成被探測(cè)物的圖像探查。這一處理過程稱之為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)泛指晶體處于彈性介質(zhì)中所具有的一種聲-電可逆特性。目前常用于超聲探頭的晶體片有鋯酸鉛、鈦酸鋇、石英、硫酸鋰等人工或天然晶體。鈦酸鋇及鋯酸鉛是在高溫下燒結(jié)的多晶陶瓷體，把毛坯燒結(jié)成陶瓷體后，經(jīng)過適當(dāng)?shù)难心バ拚?，得到所需的幾何尺寸，再用高壓直流電?chǎng)極化后，就具有壓電性質(zhì)，成為換能器件。而目前較常用的超聲探頭有凸陣探頭、線陣探頭、腔體探頭、高頻線陣探頭。

超聲探頭是超聲診斷儀器的重要部件之一，它的結(jié)構(gòu)組成中，晶片、匹配層、吸聲塊是比較重要的部分。晶片是探頭中最重要的部件，用于接收電脈沖產(chǎn)生機(jī)械超聲振動(dòng)，完成聲-電和電-聲轉(zhuǎn)換工作。匹配層處于聲透鏡和晶片陣列之間。由于聲透鏡同時(shí)與晶體振元和人體接觸，兩者的聲阻抗差別甚大，難于使聲透鏡的特性阻抗同時(shí)與兩者匹配。超聲經(jīng)不同阻抗界面?zhèn)鞑a(chǎn)生反射，會(huì)增加能量損耗并影響分辨力，因此，往往需要采用匹配層來實(shí)現(xiàn)探頭與負(fù)載之間的匹配。對(duì)匹配層除厚度與聲阻抗的要求外，還要求其聲阻尼要小，以減小對(duì)超聲能量的損耗。吸聲塊又稱為吸收塊。用于衰減并吸收壓電振子背向輻射的超聲能量，使之不在探頭中來回反射而使振子的振鈴時(shí)間加長(zhǎng)，因此要求墊襯具有較大的衰減能力，并具有與壓電材料接近的聲阻抗，使來自壓電振子背向輻射的聲波全部進(jìn)入墊襯中，并不再反射回到振子中去。

2 醫(yī)用超聲診斷儀的日常故障維修

2.1 超聲探頭的故障維修及日常使用注意事項(xiàng)

2.1.1 超聲探頭的故障維修

（1）超聲探頭外部破損（圖3）。① 最外聲透鏡破損，會(huì)導(dǎo)致耦合劑進(jìn)入探頭內(nèi)部，從而影響探測(cè)范圍，甚至測(cè)不出圖像；② 聲透鏡起泡造成凸凹不平時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致使用時(shí)必須用力往下按才能測(cè)到圖像；③ 探頭最前端聲透鏡是會(huì)聚或發(fā)散聲波的聲學(xué)元件，當(dāng)聲透鏡脫落時(shí)，肯定不能探測(cè)。

圖3 超聲探頭外部破損

（2）B超顯示區(qū)圖像有暗道（圖4）。當(dāng)超聲探頭里的信號(hào)無輸入輸出時(shí)，會(huì)導(dǎo)致顯示區(qū)圖像出現(xiàn)暗道，造成這種現(xiàn)象的原因有：① 缺振，即探頭晶片中某一個(gè)振子壞掉，若是這種情況，需要更換探頭內(nèi)部晶片；② 傳送信號(hào)的電纜線斷掉；③ 信號(hào)板銅皮線路或過孔由于某種原因不通；④ 信號(hào)板芯片虛焊或燒壞。

圖4 圖像有暗道

（3）圖像顯示模糊（圖5）。造成圖像顯示模糊的原因有：① 探頭本身的自然損耗，當(dāng)探頭的使用年限超過了它規(guī)定的期限時(shí)，探頭就會(huì)發(fā)生一定程度的衰老、變質(zhì)；② 探頭的使用環(huán)境較差。主要為環(huán)境溫度、濕度，空氣中含腐蝕性氣體和灰塵，探頭受到強(qiáng)烈振動(dòng)，電源電壓波動(dòng)過大，這些都可能引發(fā)儀器故障；③ 探頭屏蔽線及地線沒接地或斷裂，導(dǎo)致機(jī)器受干擾[5]。

圖5 圖像顯示模糊

2.1.2 超聲探頭的日常使用注意事項(xiàng)

（1）超聲探頭不使用時(shí)必須斷電插拔，連接探頭前是在斷電關(guān)機(jī)下進(jìn)行，當(dāng)其從主機(jī)上插拔探頭前，也必須先把主機(jī)電源切斷。假如該操作是在開機(jī)通電的情況下進(jìn)行，探頭的插拔會(huì)因?yàn)榉磸?fù)接觸導(dǎo)通與斷開而快速老化，甚至?xí)螂娏鞯亩啻嗡查g導(dǎo)通而產(chǎn)生強(qiáng)大的電流而燒壞探頭內(nèi)的線材或芯片等。

（2）嚴(yán)禁對(duì)探頭敲打、撞擊、跌落。

（3）使用合格的超聲耦合劑，嚴(yán)禁含油或者其他化學(xué)溶劑成分。

（4）禁止進(jìn)入液體，探頭的結(jié)構(gòu)是非水密的，在使用的過程中，一旦有液體浸入，將造成探頭內(nèi)部線路短路，使系統(tǒng)無法正常工作。

2.2 醫(yī)用超聲診斷儀主機(jī)的故障

超聲診斷儀主機(jī)在使用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)的故障有：

（1）死機(jī)現(xiàn)象：開機(jī)有光柵，但干擾多，按面板一直有死機(jī)現(xiàn)象。

（2）無反射波和圖像靈敏度低：掃描線有部分無反射波，圖像靈敏度也較低，其原因除超聲探頭不良外，發(fā)射電路工作不正常也需注意。

（3）圖像常出現(xiàn)復(fù)影像干擾其圖像：有時(shí)常出現(xiàn)一些不同程度的復(fù)影像干擾，但主機(jī)的其他部分正常。此故障大多出現(xiàn)與B超成像相關(guān)的發(fā)收電路、數(shù)字掃描變換器和圖像處理的控制信號(hào)發(fā)生器電路部分有關(guān)[6]。

[1]金浩宇.醫(yī)用超聲診斷儀器應(yīng)用與維護(hù)[M].北京:人民衛(wèi)生出版社,2011.

[2]何錫倫.檢定醫(yī)用B型超聲診斷儀常見故障及排除方法[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù),2004,30(4):75-76.

[3]李易慶.醫(yī)用B型超聲診斷儀的故障診斷及排除[J].醫(yī)藥前沿,2011,1(8):108-109.

[4]周嬙,馮世領(lǐng).超聲診斷儀的維修與維護(hù)探討[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備,2011,8(12):112-114.

[5]崔琳玲,韓豐談,孫思琴.醫(yī)用超聲診斷儀系統(tǒng)接地的改進(jìn)研究[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備,2011,8(9):34-36.

[6]韋志平.島津SDL-32B超聲診斷儀故障分析與維修[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2012,27(4):120.