Как устроен УЗИ-аппарат: от датчика до изображения
Пройти путь эхосигнала от рабочей поверхности датчика до монитора и назвать блок, на который указывает каждая типичная жалоба, — чтобы отделить неисправность датчика от неисправности аппарата ещё до того, как вы снимете крышку.
Что на самом деле делает аппарат
УЗИ-аппарат делает одну простую вещь тысячи раз в секунду: посылает в тело короткий звуковой импульс и слушает. Каждая граница между тканями отражает назад небольшую часть звука. Время возврата эха аппарат пересчитывает в глубину, а силу эха — в яркость. Проделайте это вдоль нескольких сотен линий по ширине датчика — получите один кадр B-режима. Повторяйте кадр много раз в секунду — получите изображение в реальном времени.
Вся арифметика держится на одном допущении: скорость звука в мягких тканях около 1540 м/с. Аппарат эту скорость не измеряет, он её принимает и по ней считает глубину. Эхо от глубоких структур возвращается позже и при этом слабее, потому что ткань поглощает звук, а высокие частоты — быстрее низких. Этот компромисс — высокая частота даёт тонкую детализацию у поверхности, низкая позволяет достать до глубоких органов — и есть причина, по которой одному отделению нужно несколько разных датчиков. К нему мы вернёмся в уроке 2.
Сервисному инженеру удобнее всего представлять аппарат как цепочку блоков, каждый из которых передаёт сигнал следующему. Когда изображение неправильное, вопрос всегда один: на каком звене всё пошло не так? В этом уроке мы пройдём цепочку в том порядке, в котором идёт сигнал, и для каждого звена разберём, что оно делает и как обычно отказывает.
Датчик: первое и самое хрупкое звено
Внутри датчика — решётка мелких пьезоэлектрических элементов: обычно сотня и больше на обычной одномерной решётке и тысячи — на матричном датчике. Импульс напряжения заставляет каждый элемент «звенеть» на своей резонансной частоте, а вернувшееся эхо наводит на нём крошечное напряжение. Перед элементами стоят один или несколько согласующих слоёв, которые помогают звуку перейти из твёрдой керамики в мягкую ткань, и акустическая линза — резиноподобная поверхность, которой касается пациент. Линза фокусирует луч в тонком направлении, поперёк решётки. За элементами находится демпфирующий слой, который гасит звон, чтобы импульсы оставались короткими. От каждого элемента через кабель к разъёму идёт свой тонкий проводник.
В эксплуатации отказывает каждая из этих частей. Элементы трескаются или теряют контакт, и каждый потерянный элемент — это минус один участник в построении изображения. Линзы режут, истирают абразивными салфетками, они набухают или пересыхают от неподходящей химии и отслаиваются от нижележащих слоёв (расслоение). По кабелям ездят колёсами кресел, их заламывают в ящиках и туго наматывают на руку; тонкие проводники рвутся внутри целой оболочки — обычно возле разгрузочной втулки на одном из концов. Разъёмы роняют, контакты гнутся, на них собирается пыль. Датчик — та часть, которую пользователь берёт в руки сотни раз за день, так что неудивительно, что значительная доля вызовов по УЗИ заканчивается именно на датчике.
Линза, корпус и оболочка кабеля одновременно служат изоляцией между пациентом и электроникой. Трещина — это не только проблема изображения, это проблема электробезопасности. Этому посвящён урок 3.
Разъём, распознавание датчика и коммутация
Разъём датчика несёт гораздо больше контактов, чем обычный кабельный разъём: каждому элементу нужна своя линия, плюс экраны и линии управления. Механический замок плотно притягивает разъём к порту. В большинстве датчиков есть небольшая схема или память идентификации, чтобы аппарат знал, какой датчик подключён, и загружал правильные пресеты и правильные пределы акустической мощности. Поэтому «датчик не распознан» может означать неисправность в цепи идентификации, в контактах разъёма или в порту аппарата — а не обязательно в решётке.
У большинства аппаратов портов для датчиков больше, чем каналов приёмо-передающего тракта, а у многих датчиков элементов больше, чем каналов у аппарата. Между портами и каналами стоят реле или электронные мультиплексоры. Они выбирают активный порт, а во многих конструкциях ещё и выбирают, какая группа элементов подключается к каналам для каждой линии сканирования. На многих аппаратах слышно, как щёлкают реле при включении или при смене датчика. Отказ реле или тракта мультиплексора даёт неисправность, которая следует за портом или каналом, а не за датчиком, — и это одна из самых полезных подсказок, которые у вас есть.
Передача и приём: высокое напряжение туда, микровольты обратно
Передатчик (пульсер) формирует импульс возбуждения для каждого элемента с точно заданными временем и амплитудой. Импульсы питаются от отдельного высоковольтного источника внутри аппарата. Их амплитуда зависит от модели, датчика и режима, и аппарат её ограничивает, чтобы акустическая мощность оставалась в допустимых пределах. Для вас важны два факта. Первый: во время сканирования на цепях передатчика и на разъёме датчика присутствует высокое напряжение, поэтому крышки снимают только при выключенном аппарате, отключённом от сети и разряженном так, как описывает производитель. Второй: замкнутый датчик или повреждённый порт может перегрузить источник питания передатчика. На некоторых аппаратах один неисправный датчик вызывает ошибку мощности передачи, которая останавливает работу со всеми датчиками.
На обратном пути эхосигналы крошечные — на много порядков меньше импульса передачи. Переключатель «приём/передача» защищает чувствительный приёмник, пока уходит импульс. Затем в каждом канале приёма стоят малошумящий усилитель, временная регулировка усиления — TGC (ВРУ), то есть дополнительное усиление для более поздних, глубоких эхосигналов в компенсацию затухания, — и аналого-цифровой преобразователь. Неисправности здесь обычно выбивают группу каналов на одной плате и проявляются на всех датчиках, которые эти каналы используют.
Формирователь луча и обработка изображения
Формирователь луча — это то, что превращает решётку в нечто большее, чем ряд отдельных микрофонов. При передаче он запускает элементы с небольшими задержками, чтобы их волновые фронты сложились в луч, сфокусированный на выбранной глубине, а на некоторых датчиках ещё и отклонённый на выбранный угол. При приёме он задерживает и суммирует сигналы многих элементов так, что эхо из нужной точки складывается, а эхо из других мест частично гасится. Современные аппараты делают это цифровым способом — в специализированном железе или в значительной мере программно. Поскольку каждая линия строится из многих элементов, мёртвый элемент или мёртвый канал редко даёт пустой экран. Он даёт вертикальную полосу пониженной яркости или более мягкую, шумную область — потому что в каждой затронутой линии не хватает одного участника.
После формирования луча процессор выделяет огибающую эхосигнала для B-режима, вычисляет частотные или фазовые сдвиги для цветового, импульсно-волнового и постоянно-волнового допплера и пересчитывает линии из геометрии датчика в прямоугольные пиксели монитора (преобразование развёртки). Неисправности на этом этапе обычно привязаны к режиму: B-режим в норме, а цвет пропал или шумит, или не работает только постоянно-волновой (CW) допплер. Помните, что многие кажущиеся неисправности на этом этапе — это пресеты, фильтры и пользовательские настройки, а не железо.
Компьютер: обычный ПК в необычном корпусе
За электроникой формирования изображения почти в каждом современном аппарате стоит компьютер типа ПК: стандартная операционная система, жёсткий диск или SSD, память, видеокарта, батарейка CMOS, USB-хабы для панели управления и сетевой интерфейс для DICOM. Отказывает он как любой ПК. Диски изнашиваются, вентиляторы и фильтры забиваются и аппарат перегревается, несовместимая память даёт случайные зависания, севшая батарейка CMOS после месяцев на складе даёт ошибки при загрузке, а вышедшая из строя видеокарта оставляет на мониторе «нет сигнала». Источники питания и охлаждение обслуживают обе половины аппарата, поэтому проблема с охлаждением может выглядеть как проблема изображения, и наоборот.
К этой половине относитесь с той же дисциплиной, что и к половине формирования изображения. Читайте журналы до того, как что-то менять, сначала проверяйте охлаждение — это бесплатно, и никогда не меняйте диск и не переустанавливайте ПО без рабочего образа программного обеспечения и резервной копии пресетов и опций именно для этого аппарата. Опции и лицензии привязаны к аппарату; их восстанавливают по процедуре производителя и никогда не обходят.
Как наложить жалобу на цепочку
Когда поступает вызов, поставьте жалобу на цепочку ещё до выезда. Три вопроса делают большую часть работы: на одном датчике или на всех, на одном порту или на всех, в одном режиме или во всех? Ответы указывают на блок:
- Один датчик на любом порту — тёмная вертикальная линия, мерцание при движении кабеля, «не распознан»: датчик, его кабель или его разъём.
- Все датчики на одном порту, другие порты в норме: порт, его контакты или его коммутация.
- Все датчики на всех портах, полоса в одном и том же месте: каналы приёма или формирователь луча.
- Слабое изображение на всех датчиках во всех режимах, когда настройки исключены: источник питания передатчика или пульсер.
- Только один режим, например цвет или CW-допплер: обработка, пресеты или собственный аппаратный тракт этого режима.
- Зависания, перезагрузки, не загружается, пустой монитор: ПК, диск, память, видеокарта, охлаждение или блок питания.
| Деталь | Что делает | Как отказывает | |
|---|---|---|---|
| 01 | Решётка датчика, линза и кабель | Превращает импульсы в звук, а эхо — в напряжение | Мёртвые элементы, порез линзы, обрыв жил у разгрузочных втулок |
| 02 | Разъём датчика и схема идентификации | Много контактов плюс опознавание датчика | Погнутые или грязные контакты; «датчик не распознан» |
| 03 | Порты, реле и мультиплексоры | Выбирают активный порт и группы элементов | Неисправность следует за портом или каналом, а не за датчиком |
| 04 | Высоковольтный источник и передатчики | Подают на элементы импульсы с точной задержкой | Перегрузка от пробитого датчика: ошибка мощности передачи на всех датчиках |
| 05 | Ключ приём/передача, МШУ, TGC и АЦП | Защищают, усиливают микровольтовое эхо, оцифровывают | Выпадает группа каналов на одной плате |
| 06 | Формирователь луча | Задерживает и суммирует сигналы элементов в фокусированные линии | Полоса или шумная зона на всех датчиках |
| 07 | Процессор изображения и скан-конвертер | Детектирование, допплер, перевод в пиксели | Неисправности одного режима: нет цвета или CW |
| 08 | ПК, диск и видеокарта | Запускают ПО, хранят снимки и пресеты | Износ диска, зависания, севшая батарейка CMOS, «нет сигнала» |
| 09 | Блоки питания и охлаждение | Питают и охлаждают обе половины аппарата | Забитые фильтры, вставшие вентиляторы, зависания от перегрева |
Один датчик остановил весь аппарат
Стационарный акушерский аппарат в частной клинике выдал ошибку мощности передачи вскоре после того, как врач подключил конвексный датчик, уроненный ранее на той же неделе. После перезапуска аппарат не строил изображение ни с одним датчиком, и в клинике ждали замены платы питания. По телефону инженер спросил, какой датчик подключали последним, и попросил его не подключать. На месте он перезапустил аппарат только с двумя заведомо исправными датчиками: оба работали нормально, ошибка не повторилась. Уроненный датчик пометили, убрали подальше от второго аппарата клиники и отправили на проверку. Ни одну плату не меняли.
Повреждённый или замкнутый датчик может нагрузить источник питания передатчика и выглядеть как отказ аппарата. Прежде чем заказывать платы, отключите подозрительные датчики и перезапустите аппарат с заведомо исправными, и не подключайте подозрительный датчик к другому аппарату, пока его не проверили.
Полосы, которые жили в мониторе
Сервисного инженера вызвали к стационарному аппарату: на основном мониторе во время сканирования появлялись тонкие горизонтальные линии и точки. Несколько дней помогала перезагрузка, потом линии стали постоянными, и в отделении решили, что умирает формирователь луча. Ничего не вскрывая, инженер подключил внешний монитор к видеовыходу аппарата. На внешнем мониторе живое изображение с тем же датчиком и тем же пресетом было чистым. Значит, неисправность находится уже после формирования изображения — в панели дисплея, её кабеле или контроллере, а не в тракте передачи и приёма. Тракт дисплея отремонтировали, изображение проверили на обоих мониторах, платы фронтенда не трогали.
Второй монитор делит цепочку пополам: если на внешнем мониторе изображение чистое, неисправен тракт дисплея, а датчик, фронтенд и обработка работают.
Чек-лист на объекте
- До выезда задайте три вопроса: один датчик или все, один порт или все, один режим или все.
- Спросите, что менялось недавно: падение датчика, обработка, транспортировка, обновление ПО, долгое хранение без питания.
- Запишите точный текст ошибки и сохраните журналы аппарата до замены чего-либо.
- Переставьте подозрительный датчик на другой порт, а на подозрительный порт поставьте заведомо исправный датчик того же типа.
- После ошибки мощности передачи или похожей отключите подозрительный датчик и перезапустите аппарат только с заведомо исправными датчиками.
- Снимайте крышки только при выключенном аппарате, отключённом от сети и разряженном так, как описывает производитель.
- Перед любой работой с диском или ПО сделайте резервную копию пресетов, опций и конфигурации.