【毕业设计】基于cx1000超声示教仪的b超故障分析研究

毕业设计（论文）题目基于CX1000超声示教仪的B超故障分析研究院（部）系放射学院所学专业生物医学工程年级、班级2009级1班2013年6月1日摘要超声诊断技术是医院普遍使用的医学检查手段，在医院中具有十分重要的地位，而B型超声又是超声诊断仪中较为常用的一种。B型超声诊断仪是集电子学、声学于一体的电子医疗设备，由于其电路结构的复杂，很难判断其故障原因和所在位置。为了有效、快捷地进行故障的检修，本文通过利用超声示教仪总结了一些B型超声的故障原因和排除方法。关键词B型超声；故障分析；故障排除ABSTRACTULTRASOUNDDIAGNOSISTECHNOLOGYISWIDELYUSEDFORTHEHOSPITALMEDICALEXAMINATIONMEANS,PLAYSAVERYIMPORTANTPOSITIONINTHEHOSPITAL,ANDBULTRASOUNDISARELATIVELYCOMMONLYUSEDINULTRASOUNDDIAGNOSTICINSTRUMENTBULTRASOUNDDIAGNOSTICINSTRUMENTISELECTRONICMEDICALEQUIPMENTWHICHINTEGRATEELECTRONICSANDACOUSTICS,BECAUSEOFITSCOMPLICATEDCIRCUITSTRUCTURE,ITSHARDTOJUDGETHEFAULTCAUSEANDLOCATIONINORDERTOFINISHFAULTMAINTENANCEEFFECTIVELYANDQUICKLY,INTHISPAPER,THROUGHTHEUSEOFULTRASOUNDTESTTEACHINGINSTRUMENT,SUMMARIZESSOMEBULTRASOUNDFAULTCAUSESANDELIMINATIONMETHODKEYWORDSBULTRASOUNDFAULTANALYSISFAULTREMOVAL目录第一章绪论11医学超声成像发展简史12医学超声成像系统的发展趋势13本论文的内容与结构2第二章超声的原理与B型超声31声波32超声基础与模式33B型超声系统431工作原理432基本结构533超声换能器64B超故障类型65小结7第三章CX1000示教仪原理81CX1000的产品特性82CX1000的原理框图83小结8第四章基于CX1000的故障分析与排除111故障分析方法112典型故障分析与排除1121图像亮带中间有较宽暗带分析1122图像中有两道暗线分析134小结16第五章总结与展望171总结172展望17参考文献18致谢19第一章绪论1医学超声成像发展简史法国科学家LANGEVIN是发现和应用超声波的创始人，1917年他利用反压电效应获得了超声，并把它应用于“水下定位法”，探索水下物体的具体位置和距离，并取得了成功。1928年，DUNN将超声的生物效应进行了研究，并创立了超声治疗学，也取得了成功，这为医学中的超声诊断学开了一个好头。直到1942年，DUSSIK和FIRESTONE才把SOKOLOV在1928年发现的超声在金属裂隙中的应用原理引入到医学领域中，超声才正式进入到医学诊断这个领域。然后1946年，超声脉冲回声检测技术慢慢浮出水面，最简单的A型诊断技术被提出。1949年KTDUSS建议利用超声波对脑部疾病进行了诊断，并取得了成功，这一刻是值得纪念的，因为这是历史上首次将超声诊断的原理转化为实践，并为医学超声诊断学的发展奠定了基础，从此，医学超声诊断学迎来了它的鼎盛时期。20世纪70到90年代，超声诊断学的研究和应用逐渐趋于成熟，并且随着电子技术的发展，医学超声成像技术得到了前所未有的发展，并且与X射线诊断技术、同位素辐射诊断还有磁共振成像一起被公认为现代医学的四大影像技术，其技术发展非常迅猛，成为现代医学影像技术中不可替代的支柱。近10年来，随着计算机、信息技术、电子技术、压电陶瓷等高科技的迅速发展和临床诊断和治疗的需求，使图像质量和分辨率越来越高，超声诊断范围和信息量不断扩充。当前超声诊断已从单一器官扩大到全身，从静态到动态，从定性到定量，从模拟到全数字化，从单参数到多参数，从二维到三维显示，多普勒彩色血液显示代替了创伤性导管检查，形成了一门新兴的科学介人性超声学，大大扩充了超声诊断治疗范围，提高了诊断的特异性和信息量。由于其损伤性小，电离辐射轻，价格低廉，易被患者所接受，目前已成为发展最快的成像技术。全数字化技术带来了图像的高质量，使超声成像系统具有更高的可靠性和稳定性。1987年美国ATL公司研制出世界上第一台前端全数字化超声诊断系统以来，该技术已成为现今超声诊断系统最先进的平台。2医学超声成像系统的发展趋势信息化时代的到来，彻底的改变了人们的生活，人们对医疗、体育、军事以及教育等各方面的需求也越来越大，要求也越来越高。单一、静态、模拟、一维定性的超声诊断设备已经不能满足人们的需求，随着计算机、信息技术、电子技术和数字信号处理等科技的发展，超声诊断设备朝多样化、动态、二维乃至三维定量和数字化方向发展。3本论文的内容与结构内容医学超声成像其实是一种以超声波为基础的医学影像技术，随着计算机技术及新方法应用于医学成像领域，现代医学影像不仅提供了丰富的组织与器官的形态、功能以及物质与能量代谢的信息，而且使人们能够全面、深入地认识人体内器官的大小、结构和病理过程。本论文通过简单介绍B类超声的相关知识并通过CX1000示教仪进行一些故障的排除。论文的结构如下第一章主要说明了医学超声成像系统的发展历史，最后给出了本文的工作和内容安排。第二章首先详细地阐述了超声波的特性以及其物理基础，其次概述了B超成像原理。第三章介绍了CX1000示教仪的特性和原理框图。第四章通过CX1000对超声图像亮带中间有条较宽暗带和打图像时有两道暗线的故障分析和排除。第五章主要对全文的终结和对未来的展望。第二章超声的原理与B型超声1声波振动在介质中的传播称为波动（简称波），产生波动首先要有称为波源的振动系统激发波动，其次要有能够传播波动的介质。只有通过介质中质点间的相互作用，才能把振动向外传播出去。振动和波动的关系十分密切，振动是产生波动的根源，波动是振动的传播。波动可分为两大类机械波和电磁波。物体在平衡位置附近来回往复的运动称机械振动。机械振动在介质中的传播是机械波。超声波是物体在媒介中进行机械振动产生频率高于20KHZ的一种声波，医学诊断中超声波的频率一般为130MHZ。超声波和其他低频率的声波一样，可以在固体、气体和液体等传声媒介中进行传播，同时又由于它的高频特性，使它又不同于其他声波，具有自己独特的特点。超声波在媒介中进行直线传播，所以方向性好，能准确确定波束的方向，便于能量的集中。能量正比于频率的平方，同时功率正比于能量，因此超声波的能量高，并且功率也高，所以超声波能应用于各个工业领域。根据波的传播方向不同，声波主要分为横波和纵波。超声波是一种纵波，能顺利地在组织中进行传播，并且穿透力很强，能穿透不透明物质，但是不能穿透骨头，对人体的伤害较小。超声波从一种介质进入另一种介质时，由于两种介质密度不同，因而在两种介质分界面其方向传播会发生改变，其中一部分折射入另一种介质，另一部分被反射回来。超声在遇到两种介质界面时，传播方向在一种介质中发生偏转。超声在水中的传播速度1530米/秒，超声在空气中传播速度344米/秒（20C）1。2超声基础与模式超声基本原理与回声原理相同。声波在介质中传播时，两个相同幅度、相同相位状态点之间的距离，称为波长，用表示，决定成像的分辨率。声源单位时间内在介质中所振动的次数称为声波的频率，单位为赫兹（HZ），千赫（KHZ），兆赫（MHZ），用F表示。超声波的频率决定超声设备的分辨率与穿透力，其中频率与分辨率和穿透力之间的关系如图21。图21频率与分辨率和穿透力之间的关系图波长、声速还有频率三者之间的关系式为C/F其中是超声波波长；其中C是超声波声速；F是超声波频率2。超声波的衰减与传播距离成正比；与频率的2/3方成正比。高频衰减大，低频衰减小同时穿透力大3。超声模式可分为A超、B超、M超和D超。A型是以脉冲波的幅度来显示回声的高低，可用于测量组织界面的深度（距离）和反应界面的组织基本特性。由于显示界面回声的幅度（AMPLITUDE），称为振幅调制型。它的用途主要用于颅脑和眼科检查，最大的特点是方便快捷。型是一种亮度的模式。其图像由不同亮度的点所组成的直线构成。点的亮度代表接收到回声的振幅。通过连续扫描，二维的剖面图像不断地被更新，这就是实时B模式。M型中的M表示运动，M模式通过B模式图象来显示一个光标，然后在以时间为轴线的波形图上表示其运动状态。通常M模式用于检测心脏及胎儿的心率。D型超声诊断仪利用声学多普勒原理制成的超声诊断仪称为多普勒超声诊断仪（D型超声诊断仪）。根据显示方式的不同，它可以分为频谱多普勒仪和超声多普勒显像仪，虽然两种类型所采用的显示方式不同，但是其核心原理还是将组织器官和血液所反射回来的信号进行相关的处理，转换为声音，色彩和波形等信号，从而显示出器官和血液的运动状态。它主要适用于外周血管，人体内部器官的血管以及新生肿瘤内部的血供等的探查4。3B型超声系统31工作原理B型超声诊断仪是目前临床上最广泛使用的一类超声成象装置。B型又称为BMODE，其中B为英文BRIGHTNESS的字头，用此表征B型成象是以辉度来表征回波的大小的。正是由于用辉度取代了幅度，B型可用一条线的不同辉度来表征A型的一系列回波及其幅度值。因此采用扫描的方式获取组织内部某一断面上多个扫描线上的回波并显示在对应的平面上，即组成了一幅组织内某剖面的回波二维图像。因此，BMODE是一种二维超声成象装置。具体说明如下B型线性超声诊断仪是在A型诊断仪的基础上发展起来的，A型是用单探头，而B型线性超声诊断仪是用多个晶体组成的探头，按不同的组合分组使用。B型线性超声诊断仪的每组晶体单独使用时，完全类似于A型单探头的情况。而各组晶体在电子开关的控制下，有次序地排列工作，类似A型超生中单探头的移动过程，这样就由A型中单探头扫查一条线变为线性超声设备中迅速的发射一排超声线束来扫查一个面，从而由一维图像变为二维图像。在A型中，反射信号的情况通过信号的波形显示出来，而B型超声设备中反射信号的强弱通过荧光屏中每个像素的亮度显示出来，从而使在扫查的断层面中把组织的分布情况和性质对应地显示出有灰阶（或辉度）变化的超声图像上。虽然B型线性超声诊断仪与A型相比在原理上是简单的，但是完成从A型向B型的过渡在技术上是很复杂，采用了较多的新技术和新工艺5。32基本结构B型线性超声诊断仪主要由以下几个部分组成探头、发射接收单元、数字扫描转换器、显示照像记录系统、面板控制系统、键盘和电源装置等，如图22所示。图22B型线性超声诊断仪结构图（1）面板控制单元是对仪器面板上的各种旋钮、开关、操作杆等的状态实施编码，并将编码信号送至发射接收单元和数字扫描转换器，其中包括进出深度增益控制信号（或称距离时间控制）到发射接收单元以控制放大器的放大倍数，从而补偿超声能量在传播过程中随距离的衰减。（2）发射接收单元是通过探头发送和接收超声波信号，并对发射和接收的超声波信号实施电子聚焦和多点聚焦的控制；同时对探头中的多个晶体实施电子开关控制，从而实现超声束的扫描。从探头接收的超声回波信号在该单元中进行放大、检波和各种预处理，然后送到数字扫描转换器。（3）数字扫描转换器是把从发射接收单元进入的超声回波信号首先进行A/D转换（即模拟数字转换）变成数字信号，并予以存贮和完成各项后处理的功能，所有将要显示的信号，例如回波信号，键盘的字符信号和人体标志符号等，都在转换器中完成D/A转换，最后混合变为合成的视频信号送入监视、照像、记录系统。（4）监视、照相、记录系统是操作人员用来观察超声断层图像和各种相关信息，并对有价值的图像进行拍照和记录的系统。（5）电源部分是提供直流电压供各单元使用。（6）探头是是由多晶片（阵元）排列构成的长条状探头。探头一般宽度为1CM、长度为1015CM，探头中的晶片个数一般在64128只范围内；晶片的尺寸随使用的超声键盘数字扫描转换器观察监视器面板接口发送/接收单元照相监视器照相机电源装置探头频率不同而不同；晶片之间不但有良好的电绝缘，同时尽可能作到完全的声隔离。为此在制造工艺上一般采用光刻的方法，在一个大晶片上刻制成相互分离的多个晶片。晶片后面附以吸声材料，用以吸收反向辐射的能量；晶片的前面（接触人体部分）用透声材料做成声透镜，在长条状探头的短轴方向形成声聚焦。每个阵元都是独立的，在长条状探头的长轴方向，用电子延迟线技术形成电子聚焦和多点聚焦，从而提高B型线性超声诊断仪的空间分辨率6。33超声换能器超声诊断仪是依靠超声换能器产生入射超声波（发射波）和接收反射的超声波（回波）的。所以在医用超声诊断仪中超声换能器又称为探头。超声换能器的机械振荡是由高频电能激励产生的。反射回来的超声能量又通达超声换能器转换为电脉冲。探头能将电能转换为声能，又能将声能转换成电能，故有换能器之称。压电效应分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是在晶体或陶瓷的一定方向上，加上杌械压力，使其变形，晶体或陶瓷的两个受力面上，产生符号相反的电荷，变形方向相反，两面的电荷极性随之变换，电荷密度同施加的机械力成正比。这种因机械力作用而激起表面的电荷效应，称为正压电效应。逆压电效应是在晶体或陶瓷表面沿轴方向施加电压，在电场作用下引起几何应变，电压方向改变，机械应变方向亦随之改变，形变与电场成比例。这种因电场作用而引起的形变效应，称为逆压电效应。超声诊断仪探头在发射超声波时是逆压电效应，接收超声回波时产生正压电效应。压电材料和压电振子是具有压电效应的材料很多，如石英、酒石酸钾钠等晶体，有钛酸钡、钛酸铅、铌酸锂、铌酸钡、钛酸锂、锆钛酸铅等陶瓷都是具有压电效应的材料；压电材料有压电效应就有逆压电效应。自锆钛酸铅问世以来，医用超声换能器所用的压电材料就由锆钛酸铅代替了。在压电体的正反表面上进行极化，覆盖上一层激励电极后，就成为压电振子，就具有正压电效应和逆压电效应。换能器的压电振子相当于一个电容（具有容抗作用），在超声发射电路中与线圈形成并联谐振，得到高频激励电压，产生机械振动和超声波。压电换能器上施加的交变电压的频率与换能器的压电振子的固有频率相等时，才能获得最大的机械振动7。4B超故障类型B超是医院里属于常用而且比较贵重的设备之一，它的用量很多也很大，相对来说发生的故障也就比较多由于B超有很多种类，也有各种附属设备（探头等），所以故障是各种各样的，但是总结起来可以分为机械故障、软件故障、电路故障。机械故障主要由于机械部件引起的，如轨迹球和键盘失灵，机器无法升降，螺丝松动等问题。这些故障较易解决，只要平常注意除尘，加润滑油等保养工作就可以解决。软降故障主要有系统软件和应用软件引起的，一般重新安装相关的软件或者重新做系统就可以解决，注意点就是在重新装完系统前需要把相关数据备份。电路故障主要是由电气线路所引起的，有开路、短路、虚焊、元件损坏等引起的电源模块，控制电路板等故障。这类故障不易解决，有时故障具有较强的隐蔽性，只有通过细心检查，逐级测量，分析判断，才能找出故障。本论文第四章将分析排除两种由于电路故障引起的图像问题8。5小结本章主要是简单介绍了超声的基础知识，B型超声的结构与原理还有B型超声的故障类型。第三章CX1000示教仪原理1CX1000的产品特性CX1000超声示教仪采用电子扫描方式，引进多级动态聚焦，可变孔径及数字扫描变换等国际超声成像技术，可变孔径17段动态组合电子聚焦和声透镜聚焦，8种帧相关处理，8种伽玛矫正处理。完全参照医用标准设计，采用大规模集成电路器件，各项性能指标参数均与医用超声相当。仪器面板采用原理图式、模块化布局设计，信号的处理和信号的流向清晰、直观。在面板上有固定元器件的插管，插入相应的元器件。其优点是在教学中能够及时更换电参数相近的部件，可在显示器上直接观测到更换部件前后的差异，结合面板上对应的图标及相互连接的电路图，方便学习和实验测试。产品的适用范围一般适用于医用B超/M超教学与实验，B超操作和使用及设计与维修。2CX1000的原理框图CX100本系统可分为两大部分即模拟部分和数字部分，模拟部分原理框图如图31，数字部分原理框图如图32。四个模块超声的发射、接收和预处理模块；回波信号的聚焦、检波、放大模块；信号的DSC数字图像处理模块；CPU控制模块。每个模块下有分好多小的功能模块，并配有详细的中文标识。每个模块都有典型的测试点，典型的故障电路。针对故障电路可以设计相关的实验。故障电路都是可插拔的元器件，已与设置。3小结本章主要介绍了CX1000超声示教仪的特性以及原理框图，从CX1000实物和原理框图我们能更好的了解B型超声电路和B型超声的原理。图31模拟部分原理框图超声换能器探头发射/接受电路探头发射/接受开关控制电路前置放大器电路多路转换开关电路整序合成信号多路开关电路组织器官整序延时聚焦信号合成电路预放大电路路可变孔径控制电路动态滤波放大电路时间增益补偿电路对数放大电路检波电路勾边增强电路滤波电路超声波信号放大输出电路信号输出至数字部分EFC控制信号TGC控制信号图32数字部分原理框图信号输出到模拟部分由模拟部分输入的超声波信号EFC信号发生器TGC信号发生器接收聚焦/整序存储器模/数转换器帧相关数据暂存电路EFC/TGC数据存储/缓冲接收数据控制器DSC数字扫描变换控制器键盘系统中央处理器图形字符显示控制电路总线驱动器帧相关处理器探头识别控制信号外围逻辑控制及程序存储器八位图形字符锁存器采样输出及插值控制器超声图像存储器显示器/示波器复合视频信号输出图像转换器帧频数字合成器插值/原始数据/图像存储器原始显示数据存储器液晶显示器显示驱动视频驱动电路视频数/模转换器伪彩色编码电路VGA转换电路第四章基于CX1000的故障分析与排除1故障分析方法超声维修是个理论与实践相结合的过程，他要求维修人员有较强的理论基础与实践能力。造成故障的原因有很多种，但总的来说可以分为设备故障的自然损耗、外界环境的影响和人为造成的故障9。故障的维修是一个过程，首先要全面观察故障现象，以便为分析、判断故障提供依据。然后根据观察到的现象并且根据电路的工作原理、结构特点和超声诊断仪产生故障的规律，经过认真分析得出故障的大概位置。第三就是通过检查和测试，确定故障的具体位置。最后根据故障的性质就行排除，比如元器件的损坏就更换元器件，软件问题就重新安装软件10。2典型故障分析与排除21图像亮带中间有较宽暗带分析设置故障现象用螺丝刀打图像，使图像亮带中有条较宽暗带。故障说明螺丝刀的金属棒部分是强超声反射体，正确的图像应该是对应阵元的图像部分为亮条，中间有条暗条说明有故障。故障分析由于图像有较宽的暗带，说明有多个阵元没有参与到图像合成信号中，也就是说明不是前级预放电路有问题，又由于还有部分成像正确，也说明不可能是聚焦合成后模拟电路的故障，要是聚焦合成后的模拟电路有问题，不会是部分暗条，应该是全无图像或者变暗。所以本故障应该是延时预放大电路模块出现问题。延时预防大电路图如41图图41延时预放大电路故障排除由图像42现象可知，应为多路信号合成一路之前的电路故障，由此为延时预放大电路模块问题，用示波器和万用表测量此块电路，可以先从模块输出部分向前查起。步骤如下图42用螺丝刀打图像，图像亮带中间有条较宽暗带（1）首先用万用表测试延时预放大电路模块的个电阻，没有异常，说明问题不会是电阻故障造成的。（2）然后先测试延时预放大电路模块输出TSIGNOUT3信号，侧得波形与正常波形进行对比差别很大。说明延时预放大电路输出TSIGNOUT3信号有问题，需继续向前级测试。（3）测试晶体管V653的基极，经测试发现波形没有交流信号只有直流信号，说明肯定不是V653的问题，问题只能出现在前一级，所以应该继续向前级测试。（4）测试晶体管V652发射极，经测试发现波形依旧没有交流分量只有直流分量，所以应继续向前测试。（5）测试三极管V651基极电容C652的信号，测试波形与正常波形相同，说明故障出现在电容C652，所以应该更换电容C652然后重新测试个点的波形。（6）更换电容C652后再次测试各点相关信号，测试晶体管V652发射极，经测试发现波形有交流分量且波形与正常波形相同，然后测试晶体管V653的基极，发现波形有交流信号且与正常波形也相同，最后测试延时预防大电路输出TSIGNOUT3信号，测试波形与正常的波形相同，说明故障排除。然后打图像验证故障排除。（7）再用螺丝刀打图像如图43所示中间无暗条，说明问题解决。图43用螺丝刀打正常图像总结在B超诊断过程中当遇到图像中有暗带出现时，我们可以很快就可以确定故障的位置在延时预放大电路模块中，用万用表和示波器就能够很快找出故障的位置然后排除。22图像中有两道暗线分析故障设置现象设置故障使图像中亮带中有两条细黑条，移动螺丝刀黑条不动。故障说明用螺丝刀打图像，图像亮带中间有两条细黑条，移动螺丝刀黑条不动，说明有设备故障。故障分析在图像子阵元的部分有细的黑条，说明是模拟信号部分有问题，在移动螺丝刀的过程中，细黑条在子阵元中的位置不变，说明不是前级预防大电路的问题，如果是聚焦电路部分的问题，暗条要宽很多，那只能是聚焦电路与预放大电路中间部分，即孔径部分或信号对称部分电路有问题。模拟信号版的电路图如图44（A）（B）图44模拟信号板故障排除由图45故障现象可知此为12路可变孔径控制电路模块问题，所以要测试第1路信号，如果没问题再测试第11路，从第一路电路输出模块开始向前测试。步骤如下（1）先用万用表测试第1路中的电阻，发现各电阻值正常，没有故障。（2）先测试三极管V482的输出发射极，测试波形没有交流信号只有直流，然后再测试三极管V482的基极，信号与正常时的信号不同，说明故障可能在前一级。（3）先测试V481的集电极发现测试波形与正常波形相同，说明在这之前没有故障，故障只能在V481与V482之间。（4）测试电容C483与C484之间的信号，测试发现只有直流信号，说明故障在电容V483处，更换电容V483然后测试相应个点的输出波形是否与正常波形相同。（5）更换电容V483后，测得各点的波形与正常波形相同，说明故障排除。（6）打一幅图检测故障是否真的排除，如图46，说明故障排除。图45用螺丝刀打图像，图像亮带中间有条细黑条图46正常图像4小结以上故障可能会出现在GELOGIQ、VOLUSON、VIVID系列中，假如出现类似故障可以很快的找到故障的大概位置，然后经过逐个元器件的排查可以找到具体的位置并进行排除。为了有效、快捷地进行故障的检修，不但需要具备一套通用故障寻找和维修的思路与手段，还需要有对具体问题具体