DE3301967A1 - Ultraschallabbildungssystem - Google Patents
UltraschallabbildungssystemInfo
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- G01S15/8918—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques using a static transducer configuration using a transducer array the array being linear
Description
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 83 P 3 Q 1 4
Ultraschal!abbildungssystem.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschallabbildungssystem mit einem linearen Array aus mehreren Wandlerelementen,
von denen jeweils eine Gruppe gemeinsam gesteuerter Wandlerelemente eine Strahlapertur bilden und
denen ein Sendesystem und ein Empfangssystem zugeordnet sind, die jeweils mit einer elektronischen Fokussierung
des Schallfeldes durch Phasenverzögerung und mit Parallelscan des Schallfeldes durch elektronische Fortschaltung
versehen sind.
In der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall
werden zur Fehlervermessung wegen des verbesserten Auflösungsvermögens im zunehmenden Maße
fokussierende Schwinger eingesetzt, wobei für unterschiedliche Fehlertiefen verschiedene Prüfköpfe mit
entsprechenden Brennweiten erforderlich sind. Hier bringt ein Array-Prüfkopf durch die Möglichkeit der
elektronischen Fokussierung auf verschiedene Werkstofftiefenbereiche
eine wesentliche Ersparnis an Prüfzeit und Kosten.
Die auf der-Technik der Strahlergruppen basierenden
Systeme lassen sich grob in drei Gruppen unterteilen, nämlich die Bildwandler, die Echtheit- oder Realtime-Scanner
und phasengesteuerte Gruppenstrahler oder Phased-Arrays.
Bildwandler sind Systeme, bei denen ein durchschalltes Objekt mittels einer akustischen Linse auf ein Linienoder
Flächenarray abgebildet wird. Die über der Arrayebene
herrschende stationäre Schalldurchverteilung wird
Ur 2 Hag / 14.1 .1983
33019
-V· VPA 83 P 30 HDi
abgefragt, indem ein Element nach dem anderen durchgeh
,taktet wird. Da Auflösungsvermögen und Gesichtsfeld von
Elementengröße und Anzahl abhängen, ist die Zahl der
Einzelelemente bei Bildwandlern verhältnismäßig groß,
beispielsweise mehrere 1000. Das Systeme akustische "" Linse-Bildwandler registriert also die stationäre
Schalldurchverteilung in einer zur Arrayflache parallelen Objektebene.
Der Realtime-Scanner arbeitet hingegen in Puls-Echo-Betrieb. Der Prüfkopf ist ein lineares Array, dessen
Elemente einzelnen oder in Gruppen nacheinander durchgetaktet werden. Aus Echohöhe und Laufzeit wird auf
einem hellxgkeitsgesteuerten Oszilloskop, ein B-Bild aufgebaut, dessen Breite durch die Array-Länge gegeben
ist...
Beim Phased-Array, dessen Prüfkopf gegenüber dem des Realtime-Scanner im allgemeinen eine geringere Elementenzahl
hat, tragen alle Einzelschwinger zum Aufbau und zur Steuerung bei. Aufgrund der Möglichkeit der Strahlschwenkung
erhält man mit der Phased-Array-Technik
--~- trotz geringer Prüfkopflänge ein verhältnismäßig großes
....... lektorförmiges B-Bild.
Es ist ein Ultraschallabbildungssystem für Untersuchungen an Reaktordruckbehältern als phasengesteuertes Puls-Echo-System
bekannt, das neben A-, B- und C-Scan die 'Möglichkeit von holographischen Untersuchungen bietet.
Das gesamte System wird durch einen PDP 11/34 Computer gesteuert. Zur schnellen Fehlersuche und -lokalisation
dient der Puls-Echo-Betrieb. Die akustische Holographie liefert dann genauere Information über fehlervertätige
Gebiete. Der Prüfkopf enthält ein lineares Array aus -...-..-..-
55. 120 Sende- und 120 Empfangselementen, die in zwei Reiher.
1 ΛΊ ί ·::
-*- VPA 83 P 30 U DE
nebeneinander angeordnet sind. Das System arbeitet bei einer Ultraschallfrequenz von 2,3 MHz und der Elementenabstand
beträgt Z/2 für Dichtewelle und "X für Schubwellen. Jedes Element hat einen eigenen Impulsgenerator.
Diesen Sende- und Empfangselementen ist ein Sendesystem und ein Empfangssystem zuqeordnet. Beim Puls-Echo-Betrieb
werden im Sendefall von den 120 Elementen immer 16 Elemente zusammengeschaltet, im Empfangsfall arbeiten
von dieser Gruppe nur 8 Elemente. Im Sendefall besteht die Strahlapertur aus 16 Elementen, die mittels
eines Koppelfeldes auf die 120 Sendeelemente fortgeschaltet werden. Die Empfangssignale werden über ein
Koppelfeld geleitet, vorverstärkt, analog digital gewandelt, mittels eines Schieberegister geeignet verzögert
und wird in analoge Signale zurückgewandelt. Die Prüfgeschwindigkeit von Schweißgeräten beträgt dabei
bis zu 1/2 m /min (wie Gebhard: "Grundlagen, Technik und Anwendung in der Werkstoffprüfung", IzfP-Bericht
Nr. 770117-DW, Seiten 60 bis 65, Saarbrücken 1977).
Bei diesem bekannten Ultraschallabbildungssystem wird
die Ansteuerung des Arrays mit Hilfe eines Koppelfeldes gelöst. Es erscheint jedoch nicht möglich, ein aus
mehreren 1000 Koppelfeldpunkten bestehendes Koppelfeld aufzubauen, das bei hohen Ultraschallfrequenzen noch
einwandfrei arbeitet.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschallabbildungssystem für hohe Ultraschallfrequenzen,
insbesondere wenigstens etwa 30 MHz, anzugeben, bei dem das Sende- und Empfangssystem digital aufgebaut ist.
Zugleich soll das Ultraschallabbildungssystem bei dieser Ultraschallfrequenz eine Ultraschall-C-Bild-Darstellung
frei strukturierter Objekte ermöglichen und es soll geeignet sein für die Anwendung in der Medizin,
vorzugsweise der Diagnostik von Hauterkrankungen, ins-
I 33Ό19(|
-*- VPA 83 P 3 O 1 4 DE
. sondere der Diagnose am offenen Herzen. Es soll ferner
geeignet sein zur Anwendung in der zerstörungsfreien
Werkstoffprüfung, vorzugsweise in der Fehlerortung dünner gelöteter und geklebter Schichten, insbesondere
zur Schichtdickenbestimmung in Wehrschichtsystemen. Außerdem soll der hardwaremäßige Aufwand gering gehalten
werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1. Dadurch, daß für jedes Wandlerelement der Strahlapertur jeweils eine
Verzögerungszeit digital eingestellt und mit Hilfe eines Startimpulses getriqgert wird und daß die -Echosignale
der Wandlerelemente der Strahlapertur im Rechner phasenverzögert addiert werden, wird erreicht, daß man
ein Ultraschallabbildungssystem für hohe Ultraschallfrequenzen, insbesondere wenigstens etwa 30 MHz, mit
geringem hardwaremäßigen Aufwand für das Empfangssystem aufbauen kann. Bei diesem im Puls-Echo-Betrieb arbeitenden
Ultraschallabbildungssystem, das aus mehreren linear angeordneten Wandlerelementen, vorzugsweise
mehreren 100 Wandlerelementen, besteht, erfolgt die Ansteuerung zwecks Fokussierung phasenverzögert. Es
wird somit auf elektronischem Wege eine Ultraschallinse gebildet. Die Strahlapertur, die beispielsweise aus
mehreren vorzugsweise aus etwa 15, insbesondere aus etwa 30, linear angeordneten Wanälerelementen besteht,
Wird elektronisch fortgeschaltet, beispielsweise gemäß einer Gruppenfortschaltung, vorzugsweise gemäß einem
Halbschrittverfahren und insbesondere gemäß einem modifizierten Halbschrittverfahren.
Durch diese Maßnahmen können die Funktionen von mehreren technisch eingesetzten Einzelprüfköpfen in
einem einzigen Prüfkopf verbunden werden, indem man
durch Änderung der Software Sende- und Empfarigslinse
unabhängig voneinander im Rechner formieren kann, während die Hardware unverändert bleibt. Außerdem hat
die digitale Ausführungsform des Empfangssystem den Vorteil, daß die Fokustiefe leicht geändert werden
kann, sogar während eines Scanvorganges, so daß auch gekrümmte Flächen abgebildet werden können. Mit diesem
Ultraschallabbildungssystem können ferner Kontaktierungsprobleme bei Lot- und Klebeschichten zwischen
Kühlkörpern und IC-Gehäusen gelöst werden. Es hat eine hohe Auflösung, beispielsweise eine laterale Auflösung
von etwa 150 um. Neben diesen Anwendungen in der Werkstoffprüftechnik
eignet sich das Ultraschallabbildungssystem in der Medizin beispielsweise zur Diaqnose der
Sehnervdegeneration beim grünen Star, wobei eine Ultraschallfrequenz
von etwa 15 MHz eingestellt wird. Weitere Anwendungen liegen in der Hautdiagnose und in der
Herz- und Nierendiagnose am geöffneten Patienten zur Lokalisierung einer Stenose bzw. eines Nierensteins.
Hierzu wird zweckmäßig eine höhere Ultraschallfrequenz,
vorzugsweise wenigstens etwa 30 MHz angewandt. Außerdem liefert das Gerät neben der C-Bild-Darstellung das in
der Medizin übliche Ultraschall-B-Bild.
Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung
nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.
Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild des Ultraschallabbildungssystems und in
Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild des Ultraschallabbildungssystems und in
Figur 2 ist eine vorteilhafte Sende- und Empfangsgabelschaltung veranschaulicht.
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Λ- VPA 83 P 30 HDE
In der Figur 1 ist ein Blockschaltbild eines Ultraschallabbildungssystems
dargestellt, das aus einem linearen Array 2, einem Sendesystem 30., einem Empfangssystem 40, einem Sichtschirm 6 und aus mehreren Sende-
und Empfangsgabelschaltungen 8, beispielsweise 300, besteht. Außerdem ist den Sende- und Empfangsgabelschaltungen
8 jeweils ein Senderschalter 10 und ein Empfängerschalter 11 zugeordnet. Das lineare Array 2
enthält mehrere Wandlerelemente 12, vorzugsweise 300, die beispielsweise aus Bleimetaniobat Pb(NO,), vorzugsweise
aus Bleizirkonat- Titanat PZT, bestehen können. Die Ultraschallfrequenz dieser Wandlerelemente
12 beträgt vorzugsweise wenigstens etwa 30 MHz. Bei diesem im Impuls-Echo-Betrieb arbeitenden Ultraschallabbildungssystem
ist von den Wandlerelementen 12 jeweils nur eine Gruppe von η Wandlerelementen, vorzugsweise
15, insbesondere 30 Wandlerelemente 12 gleichzeitig aktiv..Diese η aktiven Wandlerelemente 12 bilden
jeweils die Strahlapertur, die beispielsweise gemäß der Gruppenfortschaltung, vorzugsweise gemäß dem Halbschrittverfahren
und insbesondere gemäß einem modifizierten Halbschrittverfahren, elektronisch fortgeschaltet wird. Die
Ansteuerung zwecks Fokussierung erfolgt phasenverzögert. Das Rastermaß des aus beispielsweise 300 Wandlerelementen
12 bestehenden linearen Arrays 2 ist beispielsweise 150 μΐη, wobei die eigentliche Schwingerbreite, die
gleich ist dem Rastermaß minus der Schnittbreite, etwa 100 μπι beträgt. Die Gesamtlänge des Arrays 2 belauft
sich somit auf 45 mm. Die Länge der Schwinger beträgt beispielsweise 5,5 mm, während sich ihre Dicke aus der
Resonanzbedingung ergibt. Bei Bleimetaniobat Pb(NO,) beträgt die Dicke der Wandlerelemente beispielsweise
etwa 55 um und bei Blei-Zirkonat-Titanat PZT beträgt
die Dicke beispielsweise etwa 67 μπι.
Das Sendesystem 30 besteht aus mehreren Zwischenspeichern 32, mehreren digital programmierbaren Verzögerungsleitungen
34 und mehreren Sendeverstärkern 35. Ein Zwischenspeicher 32, eine digital programmierbare
Verzögerung 34 und ein Sendeverstärk.er 35 ist jeweils einem der η aktiven Wandlerelemente 12 der Strahlapertur
zugeordnet, wenn die elektronische Fortschaltung des Schallfeldes gemäß der Gruppenfortschaltung
erfolgt. Die Strahlapertur wird beispielsweise aus 30 .Wandlerelementen 12 gebildet.
Wenn die elektronische Fortschaltung des Schallfeldes gemäß dem Halbschrittverfahren oder gemäß dem modizifierten
Halbschrittverfahren erfolgt, so wird das Sendesystem-30 um einen Kanal, d.h. um einen Zwischenspeicher
32, eine digital programmierbare Verzögerungsleitung 34 und einen Sendeverstärker 35 erweitert.
Damit besteht die Strahlapertur abwechselnd aus η oder n+1 aktiven Wandlerelementen 12. Die Ansteuerung der
Sendeverstärker 35 erfolgt über Rechteckimpulse, die von einem Taktgenerator eines Rechners 48 mit Hilfe
einer Sendetriggerleitung 36 geliefert werden. Diese Rechteckimpulse werden mit Hilfe der programmierbaren
Verzögerungsleitung 34 verzögert. Die Verzögerungszeiten sind jeweils in digitaler Form in den Zwischenspeichern
32 abgespeichert. In jedem dieser Zwischenspeicher 32 werden die Verzögerungszeiten, die mit
Hilfe des Rechners 48 bestimmt und über einen Datenbus 38 ausgegeben werden, zeitlich zwischengespeichert.
Das Empfangssystem 40 besteht aus einem Breitbandverstärker 42, einem Analog-Digital-Wandler 44, einem
Puffer-Speicher 46 und aus einem Rechner 48. Unter
Umständen kann es vorteilhaft sein, daß das Empfangs-
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-V VPA 83 P 3 0 H DE
system 40 rait beispielsweise n Breitbandverstärkern 42,
. beispielsweise η 8-bit-Analog-Digital- Wandler 44 und
beispielsweise η Puffer-Speichern 46 versehen ist. Der
Puffer-Speicher 46 ist jeweils mit Hilfe eines Datenbusses 45 mit dem 8-bit-Analog-Digital-Wandler 44 und
dem Rechner 48 verbunden.
Im Empfangsfall startet der Rechner 48 nach einer Totzeit
die Analog-Digital- Wandlung des Echosignals, das vom ersten Wandlerelement 12 der aktiven Linse geliefert
wird. Nach Übernahme des digitalisierten Echosignals in den Rechner-Speicher wird.vom gleichen Ort
der Linse ein erneuter Sendeimpuls vom Sendesystem 30 in ein Objekt abgegeben. Diesmal wird das Echosignal
des zweiten Wandlerelementes 12 digital aufgezeichnet. Nachdem man auf diese Weise alle Wandlerelemente 12 der
aktiven Linse abgetastet hat, ist der Rechner in der Lage, die digitalen Signale phasenverzögert zu
addieren, um so einen synthetischen Empfangsfokus zu bilden. Da die Signale phasenrichtig zu addieren sind,
muß man bei der Abtastung das λ/8- Kriterium beachten. Somit benötigt man einen Analog-Digital-Wandler 44 mit
einer Wandlungsrate von beispielsweise 200 MHz bei einer Auflösung von 8-bit, wenn man eine Ultraschallfrequenz
von beispielsweise 25 MHz realisieren möchte. Außerdem benötigt man einen schnellen Puffer-Speicher
46 auch mit einer Taktrate von 200 MHz, weil die digitalen Abtastwerte auch mit einer Taktrate von
200 MHz aus dem Analog-Digital-Wandler 44 ausgelesen und mit dieser Taktrate in den Puffer-Speicher 46 eingelesen
werden. Der Puffer-Speicher 46 hat die Aufgabe, den . schnellen Analog-Digital-Wandler 44 an den Rechner 48
anzupassen, der mit einer weit geringeren Taktfrequenz arbeitet. Werden Ultraschallfrequenzen empfan-
-V VPA 83 P 30 14 DS
gen, die oberhalb von 25 WHz liegen, wird wegen der Reproduzierbarkeit der Echosignale die Sendelinsenposition
festgehalten'und das Echosignal zeitverschoben,
in zwei oder mehreren aufeinanderfolgenden
Durchgängen abgetastet, um so scheinbar mit Hilfe von m Schüssen aus der gleichen Position die maximale m-fache
Abtastrate zu erzielen.
Im Falle von m zeitverschobenen Abtastungen eines Echosignals werden insgesamt
a-rn· η -(Z-n)
wobei a Verfahrenskoeffizient
wobei a Verfahrenskoeffizient
m Anzahl der Schüsse
η Anzahl der Wandlerelemente der Strahlapertur Z Anzahl der Wandlerelemente des Arrays
Schüsse benötigt um eine Arrayzeile abzutasten. Werden jedoch η Analog-Digital-Wandler 44 und dementsprechend
η Puffer-Speicher 46 und η Breitbandverstärker 42
vorgesehen, so reduziert sich der Zeitverlustfaktor m--n
auf m. Im allgemeinen reichen zwei Schüsse aus.
Die Figur 2 zeigt eine vorteilhafte Sende- und Empfangsgabelschaltung 8 mit einem Senderschalter 10
und einem Empfängerschalter 11. Diese Sende- und Empfangsgabelschaltung 8 soll Sende- und Empfangssignale jeweils der Wandlerelemente 12 trennen. Im
Sendefall ist der Senderschalter 10 direkt am Wandlerelement 12 angeordnet und im Emfangsfall sind
zwischen dem Empfängerschalter 11 und dem Wandlerelement 12, ein Widerstand 20, eine sogenannte
bidirektionale Transienten-Absorptions-Zenerdiode 22 und ein Empfangsverstärker 24. Die bidirektionale
Transienten-Absorptions-Zenerdiode 22 mit niedriger Schwellspannung dient als Schutz des Empfängereingangs.
Der Widerstand 20 bestimmt den Strom durch die bidirektionale Transienten-Absorptions-Zenerdiode
Λ ν·ί -ΠΙ .:":-; 33019
-Vo- VPA 83 P 3 0 H DE
Da diese Sende- und Empfangsgabelschaltung 8 keinen geschlossenen Kreis bildet, wird somit die Schwingneigung
vermieden. Die Schalter 10 und 11 sind jeweils als Doppelschalter ausgeführt, wegen der damit erzielbaren
Sperrdämpfung. Die Schaltknackse des Senderschalters 10 werden annähernd vermieden, wenn man als Schalter
10 PIN-Dioden verwendet. Im Empfangsfall werden als Empfängerschalter 11 ein CMOS-Schalter verwendet wegen
seiner leichten Ansteuerbarkeit mit TTL-Pegel und der hohen Sperrdampfung.
Der große Vorteil dieser rein digital aufgebauten Vorrichtung liegt in seiner Flexibilität, denn man kann
per Software Sende- und Empfangslinse unabhängig voneinander im Rechner 48 formieren, während die Hardware
unverändert bleibt. Die Größe der Strahlapertur beeinflußt nur die Rechenzeit. Man ist so in der Lage,
das Gerät relativ schnell den jeweiligen Erfordernissen anzupassen. Außerdem erspart man sich in diesem Fall
den Aufbau eines aufwendigen Verzögerungsmoduls, so daß der hardwaremäßige Aufwand bei dieser Gestaltung des
Ultraschallabbildungssystems minimal gehalten wird. Ein weiterer Vorteil dieser digitalen Realisierung ist,
daß die Fokustiefe leicht geändert werden kann, sogar
während eines Scanvorganges. Somit ist man in der Lage auch gekrümmte Flächen abzubilden.
10 Patentansprüche
2 Figuren
30
30
Claims (10)
- •j I Ί ·Γ:. ': 33019VPA 83 P 3 0 H DEPatentansprücheJJ Ultraschallabbildungssystem mit einem linearen Array (2) aus mehreren Wandlerelementen (12), von denen jeweils eine Gruppe gemeinsam gesteuerter Wandlerelemente (12) eine Strahlapertur bilden und denen ein Sendesystem (30) und ein Empfangssystem (40) zugeordnet sind, die jeweils mit einer elektronischen Fokussierung des Schallfeldes und mit Parallelscan des Schallfeldes durch elektronische Fortschaltung versehen sind, g eken η zeichnet durch folgende Merkmalea) im Sendesystem (30) ist für die Wandlerelemente (12) der Strahlapertur jeweils eine digital programmierbare Verzögerungsleitung (34), ein Zwischenspeicher (32.) und ein Sendeverstärker (35) vorgesehen,b) das Empfangssystem (40) enthält einen Analog-Digital-Wandler (44), einen Puffer-Speicher (46) und einen Rechner (48),c) die Wandlerelemente (12) des linearen Arrays (2)sind jeweils über einen Senderschalter (10) mit dem Sendesystem (30) und jeweils über einem Empfängerschalter (11) mit dem Empfangssystem (40) verbunden,d) zur mechanischen Fortbewegung des Arrays (2) senk-""·*■ recht zur elektronischen Scanrichtung und senkrechtzum Schallfeld ist ein Schrittmotor vorgesehen.
- 2. Ultraschallabbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Empfangssystem (40) η 8-bit-Analog-Digital-Wandler (44), η Puffer-Speicher (46) und η Breitbandverstärker (42) enthält.
- 3. Ultraschallabbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rechner (48) mit Hilfe eines Datenbus (38) jeweils mit einem Zwischenspeicher (32) verbunden ist.»ι»:33019S7 1 *"* "' "' "-fs,- VPA 83 P 3 O 14 D£
- 4. Ultraschallabbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (48) mit Hilfe einer Sendetriggerleitung (36) jeweils mit den programmierbaren Verzögerungsleitungen(34) verbunden ist.
- 5. Ultraschallabbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Analog-Digital-Wandler (44) ein Breitbandverstärker(42) vorgeschaltet ist.
- 6. Ultraschallabbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Puffer-Speicher (46) ein Speicher mit einer Taktrate von mindestens 200 MHz vorgesehen ist.
- 7. Ultraschallabbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Puffer-Speicher (46) jeweils über einen Datenbus (45) mit dem 8-bit-Anälog-Digital-Wandler (44) und dem Rechner (48) verbunden ist.
- 8. Ultraschallabbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Senderschalter (10) PIN-Dioden vorgesehen sind.
- 9· Ultraschallabbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Empfängerschalter (11) CMOS-Analog-Schalter vorgesehen sind.
- 10. Verfahren zum Betrieb des Ultraschallabbildungssystems nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Sendesystem (30) mit Hilfe der programmierbaren Verzögerungsleitungen (34)S MM ·Γ:.": 33019-^- VPA 83 P 3 0 11\ 0£Rechteckimpulse verzögert werden, deren Verzögerungszeiten in digitaler Form in dem Zwischenspeicher (32) zeitlich zwischengespeichert werden.
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