DE3202576A1

DE3202576A1 - "vorrichtung zum kalibrieren eines ultraschallwandlers"

Info

Publication number: DE3202576A1
Application number: DE19823202576
Authority: DE
Inventors: Michel Joseph 75011 Paris Auphan
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1981-02-02
Filing date: 1982-01-27
Publication date: 1982-08-26
Also published as: GB2092747B; FR2499348A1; GB2092747A; FR2499348B1; JPS57149958A; US4430883A

Description

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"Vorrichtung zum Kalibrieren eines Ultraschallwandlers"

Die Erfindung bütrÜTt eint« Vurr LrIi I uii,^· Kalibrieren eines Ul traschaJ lwandlers nach fi.iioin Vor (.'nliron, bei dt>in die Reflek I; ion l'.lncher Ul l;ra«clin J I wo I lon ;ιιι oi.iiom steifen kugelförmigen Ziel gemessen wird.

Bisher wurde angenommen, dass Geräte üum Ultraschallabtasten von Objekten ausreichend niedrige Leistungen aussenden, um in der medizinischen Echographie keine Gefahr für die Patienten zu bedeuten. Sowohl zum Erreichen einer besseren Kontrolle darauf (die heutigen Geräte sind oft nicht mehr mit einem einzigen Wandler, sondern mit einem Wandlernetz ausgerüstet) als auch allgemeiner zur Ermöglichung einer genaueren Einstellung der Geräte für die Bilderzeugung eines Objekts durch Ultraschallabtastung wird es immer wichtiger, über genauere KalibrierverCrüiroii

T5 für den (die) in diese Geräte eingebauten Wandler zu verfügen.

Der Bericht "Calibration of imaging system by means of spherical targets" von M.Auphan, R.H. Coursant und C. Mequio, der am zehnten "Symposium International d'Imagerie Me'dicale" in Cannes, Frankreich, vom 12. bis zum 16. Oktober I98O abgehalten wurde, bringt in der Einleitung deutlich die Nachteile der üblichen Verfahren zutage.

Dieser Bericht schlägt ausserdem ein neues KaIibrierverfahren für Wandler vor, bei dem der Ultraschalldruck anhand von Berechnungen auf der Basis der Echos bestimmt wird, die nach Rückprall an einer klcinnn stoiJ'eri Kugel aufgefangen werden, die von den vom tfnndler niis/yt»— snndfceii Wellen go troJT en wird.

^Jl) Ki. η Ka I.ibrlerverf nlii-e-n, bor dwii oin Uii,<vo L Ι.Ό mi ί ,";<ⁱ.s

Ziel benutzt wird, wurde auch bereits in dor Veröffentlichung "Reflection of a plane impulsive acoustic pressure wave by a rigid sphere" von M. .Auphan und J. Matthys in

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der Zeitschrift Journal of Sound and Vibration (1979, 66-2), S. 227 ... 237 beschrieben.

Es zeigte sich jedoch, dass ein Aufhängedraht für das kugelförmige Ziel, so fein dieser Draht auch sein möge, Echo η ini b einer unvernachlässigbaren Amplituden er— /.on,",·!, di<» die M<vssim,",'en und Berechnungen der Nutzechos si Πγιίι. ])i.('· (>l)uiil';i.l Lm Ln oineiti Vorschlag angegebene Verwi'Hilnn,",· him ;■;"<> i. i .s<.:hor Levi tatilonaini tte I /ei|;t sich in der Praxis sehr schwer verwirklichbar. Weiter wurde vorgeschlagen, die Echos aufzufangen, die aus einem kugelförmigen Ziel herrühren, das sich im Freifall im flüssigen Medium i'ür die Fortpflanzung der Ultraschallwellen befindet. Das Gerät zur Durchführung dieses Verfahrens enthält ein System zum Festhalten der Kugel, die zum bestimmten Zeitpunkt mittels eines kleinen elektrischen Motors freigegeben wird und im Freifall Echos zum Wandler zurückwirft, der kurze Impulse mit einer Wiederholungsfrequenz von etwa 1 kHz aussendet. Im Freifall wird das Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt;, y.vi dem die Kugel von der Welle getroffen wird, 2ΰ und iltMii Λ11 L'l'inifvmi des entsprechenden Echos kürzer. Eine Vo ι·,"; I <> i rU.N.iiit) Γίΐιιιιη,·',¹, dLo dun Wert dieaes Zoii Lint ervalls de Lek tiei" L , aktiviert einen mit einem Speicher ausgerüsteten OsKilloskopen zum Zeitpunkt, zu dem die Kugelbahn die Achse des Wandlers schneidet, wobei die auf diese Weise aufgezeichneten Signale anschliessend den in obigen Veröffent11 drangen beschriebenen Berechnungen unterworfen werden. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch, dass eine nicht vernachlässigbare Ungewissheit über die wirkliche Lage der Kugel bestehen bleibt. Das Öffnen der Vorrichtung, mit der die Kugel festgehalten wird, kann näm- ± in flüssigen Medium für die Fortpflanzung der Ul tr aschal 1-W(¹I I mi W i I¹I)I¹1 UIi₁ ¹VOIi olnf Uli rcMi, die ,",ross i';^<V|lllf'.' Hind, die K11 ,··,€» I iiii.'iW·'i eilen '/al lii.-iHuii und v.11 Imwi rkeii, dan.·, il i i> Κιι,",(<1-hiiliii nil,·¹; I <· 1 <;li der linlni Lsi., der djonf» unt.c»r dem K Ln.1" luss ;i!i ilivt¹ Sch W(¹Ii¹R ι¹,·! J'L n.lJ.o.Lii i'ol^un wurde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine [■Calibriervorrichtung anzugeben, mit der auf einfache Weise das Problem der Aufhängung der Kugel gelöst und also An-

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Wendung der Lösung vermieden wird, bei der die Kugel sich im Freifall befindet.

Diese Aufgabe wird mit einer or I" i licliingsgom.M.sson Vorrioh tnng dadurch gelöst, dass sie Γ< > I ,",ende E I omen I, ο eiilhält:

(a) einen flachen Ui trascJial I ka J Ibri .urwandJ er,

(b) einen steifen Körper, der mit einem seiner Ränder an der Vorderseite des Kalibrierwandlers anliegt und eine senkrecht zu dieser Vorderseite verlaufende, in einer Symmetrieebene dieses Wandlers liegende erste Ilauptflache enthält,

(c) eine steife Halbkugel, deren Äquatorialebene mit der ersten Hauptfläche des Körpers derart zusammenfällt, dass die Halbkugel aus dem Köx"per herausragt· und ihre Mitte sich auf einer Symmetrieachse des Kalibrierwandlers befindet,

(d) einen mit einer Kldssi gkri t. {·;<.* I'd L I 1. on IJohälter, in welclier Flüssigkeit sicJi di i> Ul (,rascha 1 lwo.l .1 on fortpflanzen können und in tue der Ka librioj.-wn.nd I er, <1<τ Körper und die Halbkugel eingetaucht sind und dass der υλχ kalibrierende Ultraschallwandler ebenfalls in den Behälter eingetaucht und mit seiner aiif die erste Hauptfläche des Körpers gerichteten Vorderseite derart verschiebbar ist, dass ein von diesem Wandler auszusendendes oder 7,\\ emp ['an^e des Ultraschallenergiebttndel einen Joden in oder nahe boi der Kugel liegenden Punkt durchsetzen kann.

Mit der so vorgeschlagenen Lösung wird eine Vorrichtung erhalten, die alle Vorteile einer Vorrichtung mit einer fest angeordneten Kugel bietet und genau so cinfach 1st. Dabei ist wesentlich wichtig, das« el ei.' Träger des halbkugelförmigen Ziels, der Körper, derart angeordnet wird, dass keine Störung in der Verteilung dcx· Ul (..rn.HolinlJ geschwindigkeiten auftritt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der ZeLchnung näher erläutert, in der ein Ausführungsbeispiel der erf indungsgeriiässen Kalibriervorrichttmg dargus l,e 1 J I. L^ t.

Die Vorrichtung enthält einen 1'1<j<-Ihmi U I (.ra:.< <-li;i I I kalibri erwandl or 1, dessen OberiUncjhe gross genug is I,

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einen von diesem Wandler ausgesendeten Impuls in zwei getrennte aufeinanderfolgende Impulse verteilen zu können, wobei der erste Impuls der Zentralzone des Wandlers 1 entspricht und einer von einem unendlich flachen Wandler ausgesendeten flachen Welle vergleichbar ist, und der zweite I. in pn I ,s dor Um Γη Hf₁-S:/. on ο dieses Wandlers en tapriclit. Die Vu rr i ι: Ii I.iiii,",¹ oiilh/VI I an saordoiii (vLnnn stoj.j'nn i'J nohoii Körper .'.', iliip in i, I ti J. iKiiii mim nor RMni.ior tin dor VortioraiU t.» dow Kn.l ibfiiu'waiull ers anliegt. Der Körper 2 besitzt eine erste Hauptflache 8, die senkrecht zur Vorderseite des Kalibrierwandlers verläuft und in einer Symmetrieebene des Kalibrierwandlers 1 liegt. Der Körper 2 ist derart angeordnet

und ausgebildet, dass keine Störung in der Verteilung der Ultraschallgeschwindigkeiten der vom Zentralteil des Kali— brierwandlers 1 ausgesendeten flachen Welle auftritt. Der Körper 2 enthält weiter eine gegenüber der ersten Haupt— fläche 8 liegende zweite Hauptfläche 9, die an der Seite des Kalibrierwandlers 1 die erste Hauptfläche 8 nahezu berühr I; und mit; dor ersten Hauptebene einen spitzen Winkel ■ΊΙ ti LiIHi-Ii I ii'Mfil., i)adiii-<;li undtib dar milere Teil des K!5r|)crs ,in der Hoil.cj dos Kalibrierwandlers 1 in einen ausserst (Kinnen abgeschrägten Rand, welche Abschrägung bei sich ver— grösserndem Abstand zum Wandler breiter wird. Durch eine derartige Formgebung wird die Ultraschallisolierung zwischen den Wellenfortpflanzungen an beiden Seiten des Körpers 2 verbessert, wobei vermieden wird, dass die Wellen zum Kalibrierwandler 1 zurückkehren und die Wellenfortpflanzung über dem Körper gestört wird; gegebenenfalls kann diese Isolierung durch Bedecken der zweiten Hauptebene 9 mit einem Ultraschallwellen absorbierenden Werkstoff vergrössert werden.

Ans dem Körper 2 ragt eine Halbkugel 3 heraus,

ilci'iMi XiIiIaIi)IMaI(JL)(UK¹ mi I. der «r.Hüoii Haupt L" I McIu; H κη κ nium on — I'M I I I- und doi.'uu Ku,",eJ mi Lte sich aiii' einer Symmetrieachse

·"' des Ka. I. i hi- i. urwaiuiJ ors I befindet. Diese Halbkugel kann beispielsweise durch eine in den oberen Teil des Körpers '.1 bis zu seiner Aqatorialebene eingelassene Kugel 3 gebildet. wurdiMi, Dn die an beiden Seiten des Körpers 2 liegenden

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Halbräume voneinander unabhängig sind, wird das gleiche Ergebnis dadurch erreicht, dass eine Halbkugel auf die erste Hauptfläche 8 gelegt wird. Die Halbkugel 3 ist aus einem Werkstoff hergestellt, der im Vergleich zum umgebenden Medium steif ist, in welchem Medium sich die Ultraschallwellen fortpflanzen, wodurch die Berechnungen an Hand der bei der Durchführung des Kalibrierverfahrens erhaltenen Messergebnisse sich vereinfachen.

Iu einen HtsliflLtei- k_t der tu ί I ol.iuu· I'¹1 ti:-*» i ,",k" i I mit niedriger Viskosität bei der Temperatur gefüllt ist, bei der die Kalibriervorrichtung benutzt wird, boispiolaweise Wasser,· ist die vom Kalibrierwandler 1, vom Körper 2 und von der Halbkugel 3 gebildete Kombination eingetaucht. Ein Wandler 5, der zu kalibrierende Wandler, ist ebenfalls im Behälter angeordnet. Die Oberflächen der Vorderseiten dieses zu kalibrierenden Wandlers 5 und des Kalibrierwand— lers 1 sind im vorliegenden Fall rechte ckig. Der Wandler ist mit seiner Vorderseite auf die erste Ilauptflache 8 des Körpers 2 gerichtet und derart verschiebbar, dass ein von diesem Wandler auszusendendes oder zu empfangendes Ultra— schallenergiebündel einen jeden in oder nahe bei der Kugel. 3 liegenden Punkt durchsetzen kanu. Dio Wandler I tmd ^r> sind mit einer Anordnung 6 zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen verbunden, welche Anordnung solh.st mil.

einer Anordnung 7 zur Verarbeitung der Messergebnisse verbunden ist.

Das Kalibrierverfahren selbst wird nicht näher erläutert, da sich die Erfindung nicht direkt hierauf bezieht und dieses Verfahren ausserdem in dem bereits erwähnten Bericht beschrieben ist, wobei hier auf die Veröffentlichung dieses Berichts und insbesondere auf den Absatz "Solution as a series in the time domain", S. k ... 6, verwiesen wird. In diesem Zusammenhang sei nur darauf gewiesen; dass bei diesem Verfahren Tny.I or-Reiheneutwicklungen um die Ilalblnigol '! betiut.zl wcitIcii, hei. (Ionon mir ο i na hos t üiiiii Le Anzahl von Tonnen νΐ'πνπκΙιΊ worden, wo I oho Anzahl k I ο i ti ο r ι s (, I u» i. kl ei iiiTfir K U₁"; ο I ( in <l ο r Γ im \ i .-; ί :. i. der Kugeldurciimesser höchstens e twa das I I-Fache der

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Wellenlänge der Ultraschallsignale). Beim Studium dieser Entwicklungen zeigt es sich, dass im allgemeinen nur drei Torrne zu bestimmen sind, von denen einer sogar gleich null .ist, wenn die Oberflächen der Wandler 1 und 5 rechteckig sind, wie in dem hier beschriebenen Beispiel. In diesem letzten Fall brauchen zum Bestimmen dieser beiden Terme nur vier Ultraschalldruckmessungen ausgeführt zu werden:

(a) eine erste Messung, bei der der Kalibrierwandler 1 aussendet und selbst wieder die Echos empfängt, die von der Kugel 3 zum Wandler zurückgeworfen werden;

(b) angenommen, dass .die z-Achse senkrecht zur Oberfläche des Ivalibrierwandlers 1 verläuft, drei Messungen bei denen der zu kalibrierende Wandler 5 bei drei selir nahe beieinander liegenden Positionen dieses Wandlers (xo, yo, zo), (xo, yo, zo + dz), (xo, yo, zo - dz) aussendet, wobei der Kalibrierwandler 1 die Echos empfängt, die die Halbkugel 3 zum Wandler zurückwirft. Die Ergebnisse dieser vier Messungen werden in der Verarbeitungsanordnung 7 verarbeitet. Schliesslich sei noch bemerkt, dass durch die Verwendung einer Flüssigkeit mit niedriger Viskosität· sich die Berechnungen vereinfachen, aber dass, wenn diese Bedingung nicht erfüllt wird, diese Viskosität jedenfalls in den Berechnungen simuliert werden kann.

Claims

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PATENTANSPRÜCHE:

/ Λ. J Vorrichtung zum Kalibrieren eines Ultraschallwandlers nach einem Verfahren bei dem die Reflektion flacher Ultraschallwellen an einem steifen kugelförmigen Ziel gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mit folgenden Elementen ausgerüstet ist:

(a) einen flachen Ultraschallkalibrierwandler (i);

(b) einen steifen Körper (2) der mit einem seiner Ränder an der Vorderseite des Kalibrierwandlers (i) anliegt und eine senkrecht zu dieser Vorderseite verlnufpnde, in einer Symin« trienboim dloaoft Wand I orw I i o,'v<mi<I<> itnI.c Hauptfläche (8) enthält,

(c) eine steife Halbkugel {'}) , doren Äquator i ;i.l ebene mit der ersten Hauptfläche des Körpers derart zusammenfällt, dass die Halbkugel aus dem Körper herausragt und ihre Kugelmitte sich auf einer Symmetrieachse des Wandlers (i) befindet,

(d) einen mit einer Flüssigkeit gefüllten Behälter (4), in welcher Flüssigkeit sich die Ultraschallwellen fortpflanzen können und in die der Kalibrierwandler, der Körper und die Halbkugel eingetaucht sind,

und dass der zu kalibrierende Ultraschallwaridlesr (5) ebenfalls in den Behälter {h) eingetaucht und mit seiner auf die erste llauptf lilcho dos Korpora {vor LcIi Uj Lon Vorderseite derart verschiebbar ist, dass ein von diesem Wandler auszusendendes oder zu empfangendes Ultraschallenergiebündel einen jeden in oder nahe bei der Kugel (3) liegenden Punkt durchsetzen kann.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine gegenüber der ersten H_aupt±'läche (8) des Körpers (2) liegende zweite Haupt !"lache (9) ties Kürpers an der Seite des Kalibrierwandlers (1) die erste Hauptfläche nahezu berührt und mit der ersten Hauptfläche einen spitzen Winkel einschliesst.

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3. Kalibriervorrichtung nach Anspruch. 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Hauptfläche (9) des Körpers (2) mit einem Ultraschallwellen absorbierenden Werkstoff bedeckt ist.

k. Kalibriervorrichtung nach einem der Ansprüche bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der Vorderseiten des zu kalibrierenden Wandlers (5) und des Kalibriörwaudlers (1) rechteckig sind.

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