DE102012010737A1

DE102012010737A1 - Method for determining parameters of transducers and ultrasound devices, involves producing averaged echo-signal amplitude by scattering particles within focus and determining maximum from averaged echo-signal amplitude

Info

Publication number: DE102012010737A1
Application number: DE201210010737
Authority: DE
Inventors: Elfgard Kühnicke; Michael Lenz; Mario Wolf; Sebastian Kümmritz; Martin Bock
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2013-11-28

Abstract

The method involves producing an averaged echo-signal amplitude by the scattering particles within a focus (7) and determining the maximum from the averaged echo-signal amplitude. The run-time is computed from the echo-signal maximum till the focus during the recognition of the signal form that is transmitted from a transducer (12). An amplitude-locus curve is computed from the amplitude-runtime curve in a predetermined acoustic speed of a medium (6). The maximum of the amplitude-locus curve represents the focus of the transducer. An independent claim is included for an arrangement for determining the parameters of the transducers and the ultrasound devices by determining the position of the focus from the averaged echo-signal amplitude of the scattering particles in a medium.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Parametern von Schallköpfen und Ultraschallgeräten durch Ermittlung der Fokuslage aus der gemittelten Echosignalamplitude von Streuteilchen, zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit und Konstanz der Messanordnung und der Optimierung der Ansteuerung von Arrays.The invention relates to a method for determining parameters of transducers and ultrasound devices by determining the focus position from the averaged echo signal amplitude of scattering particles, to check the functionality and constancy of the measuring arrangement and to optimize the control of arrays.

Das Verfahren dient zur Ermittlung der Fokuslage von fokussierenden Ultraschallköpfen, von Einzelelementen von Arrays und bei synthetischer oder elektronischer Fokussierung von Teilen eines Arrays bzw. von einem Gesamtarray.The method is used to determine the focal position of focusing ultrasound heads, of individual elements of arrays and in synthetic or electronic focusing of parts of an array or of a whole array.

Folgendes technisches Problem soll gelöst werden

– eine schnelle, einfache und nicht-scannende Bestimmung von Schallfeldparametern zur Schallkopfcharakterisierung und somit Prüfung des Schallkopfes,
– eine Bestimmung der Fokuslage von fokussierenden Schallköpfen – von Prüfköpfen – in einem Fluid, insbesondere in Wasser,
– eine Charakterisierung von Arrays in Form der Funktionstüchtigkeit der Einzelelemente, eine Feststellung der erreichten Fokuslage in Abhängigkeit von dem eingestellten Verzögerungsregime im Wasser,
– eine Feststellung der aktiven Schwingergröße für unfokussierte Schallköpfe und Arayelemente,
– eine einfache und schnelle Charakterisierungsmöglichkeit für Herstellerfirmen,
– eine einfache und schnelle Charakterisierungsmöglichkeit eines erworbenen Schallkopfes für Anwender.

The following technical problem is to be solved

A fast, simple and non-scanning determination of sound field parameters for transducer characterization and thus examination of the transducer,
A determination of the focus position of focusing transducers of probes in a fluid, in particular in water,
A characterization of arrays in terms of the functionality of the individual elements, a determination of the achieved focus position as a function of the set deceleration regime in the water,
A determination of the active transducer size for unfocused transducers and aray elements,
- a simple and fast characterization option for manufacturers,
- A simple and quick characterization of an acquired transducer for users.

Da die Fokuslage im Speziellen auch vom an den Schallkopf angeschlossenen Ultraschallgerät abhängt, stellt das Verfahren eine einfache und schnelle Möglichkeit für Ultraschallanwender dar, um die Eigenschaften des erworbenen Schallkopfes an seinem Ultraschallgerät zu überprüfen und die Konstanz, d. h. eine Beibehaltung der gewünschten Eigenschaften, zu kontrollieren.Since the focal position in particular also depends on the ultrasound device connected to the transducer, the method provides a simple and quick way for ultrasound users to check the properties of the acquired transducer on its ultrasound device and the constancy, d. H. a retention of the desired properties, to control.

Das Verfahren lässt sich auch mit anderen Flüssigkeiten als Wasser anwenden. In diesem Fall kann die Fokuslage für das Untersuchungsmedium (z. B. Öl, Flüssigmetall) ermittelt werden.The procedure can also be used with liquids other than water. In this case, the focus position for the examination medium (eg oil, liquid metal) can be determined.

Stand der TechnikState of the art

Herkömmlich erfolgt eine Charakterisierung von Schallköpfen bzgl. des erreichten Schallfeldes bzw. die Überprüfung von Diagnostikgeräten durch Abscannen des Schallfeldes in einem Wasserbad mit einem Punktreflektor oder einem Hydrophon. Der Scannvorgang liefert das Aussehen des Schallfeldes einschließlich der Fokuslage und der zugehörigen Nebenstrukturen. Die dazu erforderliche 3D-Scanneinrichtung, z. B. in der Druckschrift des TÜV Süd: „Automatisierter kalibrierter Hydrophonmessplatz mit Schrittmotorsteuerung” beschrieben, ist teuer und steht nur an wenigen Einrichtungen zur Verfügung, z. B. beim TÜV Süd, beim IZfP oder bei der BAM. Der Scannvorgang dauert mehrere Stunden. Deshalb werden Schallköpfe von Herstellerfirmen häufig ohne eine Überprüfung der Schallfeldparameter ausgeliefert, wodurch es durch Produktionsfehler zu starken Abweichungen in den Schallfeldparametern kommen kann. Dabei haben sich bei der Überprüfung vom Hersteller ausgelieferter Schallköpfe Fokusabweichungen um mehr als 30% ergeben. Da bisher eine einfache Ermittlung der Schallfeldparameter durch den Anwender nicht möglich ist, werden dann häufig mehrere unterschiedliche Schallköpfe erworben, und auf ihre Brauchbarkeit für die spezielle Anwendung überprüft und dadurch ein brauchbarer Schallkopf ausgewählt. Das gilt auch für die Anwendung .fokussierender Schallköpfe oder Arrays in anderen Flüssigkeiten als Wasser, wie z. B. in Flüssigmetallen (GaInSn) und Ölen. Diese Flüssigkeiten besitzen eine andere Schallgeschwindigkeit und teilweise auch eine starke Dämpfung, so dass sich eine andere Fokuslage als in Wasser einstellt.Conventionally, a characterization of transducers with respect to the achieved sound field or the review of diagnostic equipment by scanning the sound field in a water bath with a point reflector or a hydrophone. The scanning process provides the appearance of the sound field including the focus position and the associated substructures. The required 3D scanning device, z. B. in the document of the TÜV Süd: "Automated calibrated hydrophone tester with stepper motor control" described is expensive and is only available on a few facilities, eg. At the TÜV Süd, the IZfP or the BAM. The scanning process takes several hours. Therefore, transducer heads are often supplied by manufacturers without checking the sound field parameters, which can lead to strong deviations in the sound field parameters due to production errors. In doing so, focus deviations of more than 30% have resulted from the inspection of transducers supplied by the manufacturer. Since a simple determination of the sound field parameters by the user is not possible so far, then often different different transducers are purchased, and checked for their usefulness for the specific application, thereby selecting a usable transducer. This also applies to the use of .focusing transducers or arrays in liquids other than water, such as. In liquid metals (GaInSn) and oils. These fluids have a different speed of sound and sometimes a strong damping, so that sets a different focus position than in water.

Bei Ultraschallanwendungen, bei denen es auf eine genaue Fokussierung und auf die Fokusausdehnung ankommt, z. B. bei einer Prüfung einer Verbundfläche, bei der die Größe der empfindlichen Zone auf der Fläche die Auflösung bestimmt, sind deshalb die Anwender gezwungen, die Schallfeldparameter für die erworbenen, an dem Ultraschallgerät angeschlossenen Schallköpfe selbst zu ermitteln bzw. ermitteln zu lassen.For ultrasound applications that require accurate focusing and focus expansion, such as: For example, when testing a composite area where the size of the sensitive area on the area determines the resolution, users are forced to determine or determine the sound field parameters themselves for the acquired transducers connected to the ultrasound device.

Die Charakterisierung von Schallköpfen bzw. die Überprüfung von Diagnostikgeräten durch Abscannen des Schallfeldes im Wasserbad mit einem Punktreflektor oder einem Hydrophon besitzt folgende Nachteile:

– für die dazu erforderlichen Messanordnungen gibt es keinen kommerziellen Anbieter,
– ein Eigenbau von auf das Ziel abgestimmten Schallköpfen ist sehr kostenaufwändig und steht nur an wenigen Einrichtungen zur Verfügung, z. B. TÜV, IZfP, BAM,
– der Scannvorgang dauert mehrere Stunden,
– für Flüssigkeiten, wie z. B. Flüssigmetalle (GaInSn) oder Öle, ist eine Messung im Schallbad aufgrund der erforderlichen Flüssigkeitsmengen bzw. aufgrund einer Kontamination der Messanordnung problematisch.

The characterization of transducers or the examination of diagnostic equipment by scanning the sound field in a water bath with a point reflector or a hydrophone has the following disadvantages:

- there are no commercial providers for the required measuring arrangements,
- A homemade of tuned to the target transducers is very expensive and is available only a few facilities available, eg. Eg TÜV, IZfP, BAM,
- The scanning process takes several hours,
- For liquids, such as. As liquid metals (GaInSn) or oils, a measurement in the sonic bath is problematic due to the required quantities of liquid or due to contamination of the measuring device.

Es ist eine Anordnung und ein Verfahren zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen in Medien mittels Ultraschall in der Druckschrift DE 10 2009 025 464 A1 beschrieben, in denen eine gleichzeitige Messung des Abstandes eines Punktreflektors und der Schallgeschwindigkeit vor dem Punktreflektor mit Hilfe von Ultraschall durchgeführt werden. Bei der Druckschrift DE 10 2009 025 464 A1 handelt es sich um eine Anordnung und ein Verfahren zur nichtinvasiven, ortsaufgelösten Messung der Schallgeschwindigkeit. D. h. das Verfahren dient der gleichzeitigen Bestimmung der Schallgeschwindigkeit und des Abstandes des Punktreflektors aus der Laufzeit. Dabei werden die Parameter des Schallkopfes als vorgegeben vorausgesetzt.It is an arrangement and a method for the combined determination of sound velocities and distances in media by means of ultrasound in the document DE 10 2009 025 464 A1 described in which a simultaneous measurement of the distance of a point reflector and the speed of sound before the point reflector are performed by means of ultrasound. In the publication DE 10 2009 025 464 A1 it is an arrangement and a method for the non-invasive, spatially resolved measurement of the speed of sound. Ie. The method serves for the simultaneous determination of the speed of sound and the distance of the point reflector from the transit time. The parameters of the transducer are assumed to be given.

In der Druckschrift Lenz M., Bock M., Kühnicke E., Pal J., Cramer A.: Measurement of the sound velocity in fluids using the echo signals from scattering particles, Ultrasonics, Volume 52, Issue 1, January 2012 ist beschrieben, wie bei der Messung der Schallgeschwindigkeit, beruhend auf der Druckschrift DE 10 2009 025 464 A1 , eine relative. statistische Messunsicherheit von ungefähr 0,1% erzielt wird. Die dabei erreichte Genauigkeit ermöglicht auch für die Erfindung eine genaue Bestimmung der Fokuslage.In the Lenz M., Bock M., Kühnicke E., Pal J., Cramer A: Measurement of the velocity velocity in fluids using the echo signals from scattering particles, Ultrasonics, Volume 52, Issue 1, January 2012 is described as in the measurement of the speed of sound, based on the publication DE 10 2009 025 464 A1 , a relative. statistical uncertainty of approximately 0.1%. The accuracy achieved thereby allows for the invention an accurate determination of the focus position.

Die Messung des Schallfeldparameters Fokuslage funktioniert bei fokussierenden Schallköpfen, ebenen Schallköpfen und Arrays. Damit lassen sich diese Schallkopfarten charakterisieren.The measurement of the sound field parameter focus position works with focusing transducers, flat transducers and arrays. This can be used to characterize these types of transducers.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung von Parameter von Schallköpfen und Ultraschallgeräten durch Ermittlung der Fokuslage aus der gemittelten Echosignalamplitude von Streuteilchen anzugeben, das derart ausgebildet ist, dass Folgendes erreicht werden soll:

– bei Einschwingerschallköpfen/Einzelelementen eines ebenen Arrays eine Bestimmung der aktiven Wandlerfläche,
– für fokussierende Schällköpfe eine Bestimmung der Fokuslage und Fokusausdehnung sowie eine Anzeige von Nebenstrukturen,
– für Arrays eine Überprüfung der Ansteuerung und eine Bestimmung der Fokuslage, und außerdem:
– eine Überprüfung der Schallfeldparameter von Schallköpfen und Arrays in Abhängigkeit vom verwendeten Messsystem, z. B. von den medizinischen Ultraschallgeräten, Rechnern mit Pulser, Echographen, Velocimetern,
– eine Funktionsprüfung und eine Konstanzprüfung der Messanordnung,
– eine einfache Bestimmung der Fokuslage in fluiden Medien mit einer anderen Schallgeschwindigkeit als Wasser und unter Dämpfungsbedingungen, da bei fokussierenden Schallköpfen mit Linse der Krümmungsradius der Linse und das Material der Linse vom Hersteller im Allgemeinen nicht angegeben wird, der Anwender die Fokuslage des Schallkopfs nicht berechnen kann und auf eine experimentelle Bestimmung angewiesen ist.

The invention is therefore based on the object of specifying a method for determining parameters of transducers and ultrasound devices by determining the focal position from the averaged echo signal amplitude of scattering particles, which is designed such that the following is to be achieved:

In the case of transducers / individual elements of a planar array, a determination of the active transducer surface,
A determination of the focal position and focal extent as well as a display of secondary structures for focusing sound heads;
- For arrays, a control of the control and a determination of the focus position, and also:
- A review of the sound field parameters of transducers and arrays depending on the measuring system used, eg. B. of the medical ultrasound devices, computers with pulser, echographs, velocimeters,
A functional test and a constancy test of the measuring arrangement,
- A simple determination of the focus position in fluid media with a different speed of sound than water and under damping conditions, since with focusing transducers with lens, the radius of curvature of the lens and the material of the lens is generally not specified by the manufacturer, the user does not calculate the focus position of the transducer can and is dependent on an experimental determination.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 12 gelöst. Das Verfahren zur Bestimmung von Parameter von Schallköpfen und Ultraschällgeräten durch Ermittlung der Fokuslage der gemittelten Echösignalamplitude von Streuteilchen in einem Medium,
weist gemäß dem Patentanspruch 1
folgende Schritte unter der Voraussetzung, dass bei dem Fluid mit bewegten Streuteilchen im Zeitmittel eine Gleichverteilung der Streuteilchen vorliegt, auf, wobei die Schritte in einer Auswerteeinheit mit dann gespeicherten programmtechnischen Mitteln absolviert werden:

– Erzeugung der gemittelten Echosignalamplitude durch die Streuteilchen im Fokus bei einer Mittelung über die Echosignale von bewegten Streuteilchen und Bestimmung des Maximums aus der gemittelten Echosignalamplitude,
– Berechnung der Laufzeit von dem Echosignalmaximum aus bis zum Fokus bei Kenntnis der vom Schallkopf gesendeten Signalform,
– Berechnung einer Amplituden-Ortskurve aus der Amplituden-Laufzeitkurve bei vorgegebener Schallgeschwindigkeit des Fluids, wobei das Maximum der Amplituden-Ortskurve die Fokuslage des Schallkopfs darstellt,
– Ermittlung von Schallkopfparametern aus der Fokuslage
– bei ebenen, unfokussierten Schallköpfen die Elementgröße oder
– bei fokussierenden Schallköpfen die Einhaltung der Fokuslage bzw. die Fokuslage in einer speziellen Flüssigkeit oder
– bei jedem Schallkopf eine Bestimmung bzw. Überprüfung eines Schallkopfparameters unter der Voraussetzung, dass die anderen konstruktiven Parameter bekannt sind, z. B. Linsenmaterial, Schwingerkrümmung bzw. Linsenkrümmung, oder
– bei Arrays die Funktionstüchtigkeit der Fokussierungseinstellung und/oder
– bei der Messanordnung die Funktionstüchtigkeit und die Konstanz.

The object is solved by the features of

claims

1 and 12. The method for determining parameters of transducers and ultrasonic devices by determining the focal position of the averaged echo signal amplitude of scattering particles in a medium,
has according to claim 1
the following steps on the assumption that in the fluid with moving scattering particles in the time average an equal distribution of the scattering particles is present, wherein the steps are completed in an evaluation unit with then stored programmatic means:

Generation of the averaged echo signal amplitude by the scattering particles in focus when averaging over the echo signals of moving scattering particles and determination of the maximum from the averaged echo signal amplitude,
Calculating the transit time from the echo signal maximum to the focus with knowledge of the signal form sent by the transducer,
Calculating an amplitude locus curve from the amplitude-time-of-flight curve at a given sound velocity of the fluid, wherein the maximum of the amplitude locus represents the focal position of the transducer,
- Determination of transducer parameters from the focus position
- For flat, unfocused transducers the element size or
- For focusing transducers compliance with the focus position or the focus position in a special liquid or
- For each transducer, a determination or verification of a transducer parameter under the condition that the other design parameters are known, for. B. lens material, oscillator curvature or Linsenkrümmung, or
- For arrays, the functionality of the focus adjustment and / or
- In the measuring arrangement, the functionality and the constancy.

Bei ebenen Schallköpfen/Wandlern kann über eine Ermittlung der Fokuslage eine Bestimmung der aktiven Wandlerfläche durchgeführt werden oder bei Ringen von Annular-Arrays kann über eine Ermittlung der Fokuslage durch Schallfeldberechnung oder aus Nahfeldlänge aus der gemessenen Fokuslage die Größe der aktiven Fläche bestimmt werden oder bei rechteckigen Schallköpfen können über eine Ermittlung der Fokuslage durch Schallfeldberechnung aus der gemessenen Fokuslage eine und der gemessenen Fokusausdehnung die Kantenlängen der aktiven Fläche bestimmt werden.In the case of flat transducers / transducers, determination of the active transducing surface can be carried out by determining the focal position or, in the case of annulus arrays, the size of the active surface can be determined by determining the focal position by sound field calculation or near field length from the measured focal position or in the case of rectangular fields Transducers can be determined by determining the focus position by sound field calculation from the measured focus position one and measured focal length, the edge lengths of the active surface are determined.

Zur Überprüfung der Fokuslage und zur Bestimmung der Fokuslage in unterschiedlichen Medien für fokussierende Schallköpfe kann die Lage des Fokus für das gewählte Ausbreitungsmedium und das eingesetzte Messsystem in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit und der Dämpfung des Mediums ermittelt werden.To check the focus position and to determine the focus position in different media for focusing transducers, the position of the focus for the selected propagation medium and the measuring system used can be determined as a function of the speed of sound and the attenuation of the medium.

Entstehende Nebenstrukturen, z. B. durch Konstruktionsbesonderheiten des Schallkopfes oder durch falsche Fokussierung können angezeigt werden, wobei der Abstand der Nebenstrukturen vom Schallkopf ermittelt wird. Zur Anpassung und zur Überprüfung der Ansteuerung von Arrays entsprechend der ermittelten aktiven Elementgröße bei Arrays können die Verzögerungszeiten gewählt werden oder durch Einstellung einer bestimmten Fokussierung am Ultraschallgerät und durch Messung kann die Fokussierung für alle Arraytypen – Matrixarrays, Arrays mit Linienelementen, Annular-Arrays – überprüft werden.Emerging secondary structures, z. B. by design features of the transducer or by incorrect focusing can be displayed, wherein the distance of the secondary structures is determined by the transducer. To adjust and check the control of arrays according to the determined active element size in arrays, the delay times can be selected or by setting a specific focus on the ultrasound device and by measuring the focus for all types of arrays - matrix arrays, arrays of line elements, Annular arrays - checked become.

Des Weiteren kann die Konstanz des Ultraschallgerätes und des angeschlossenen Arrays/Schallkopfs überprüft werden.Furthermore, the constancy of the ultrasound device and the connected array / transducer can be checked.

Bei Auswertung der Höhe der gemittelten Echosignalamplitude, insbesondere durch Vergleich der Höhe der gemittelten Echosignalamplitude der Einzelelemente können defekte Elemente bestimmt werden.When evaluating the height of the averaged echo signal amplitude, in particular by comparing the height of the averaged echo signal amplitude of the individual elements, defective elements can be determined.

Bei der Auswertung der Breite der gemittelten Echosignalamplitude bei einer Fokussierung kann die Breite der gemittelten Echosignalamplitude die Ausdehnung der Fokusfläche liefern, wobei die Flächenausdehnung ein Maß für die Qualität der Fokussierung darstellt.When evaluating the width of the averaged echo signal amplitude during focusing, the width of the averaged echo signal amplitude can provide the extent of the focus area, wherein the area extent represents a measure of the quality of the focusing.

Bei einer elektronischen Fokussierung – Sendefokussierung – des Ultraschalls erfolgt eine entsprechende zeitversetzte Ansteuerung der n Einzelwandlerelemente. Eine synthetische Fokussierung des Ultraschalls kann durch Aufnahme des von jedem einzelnen Sendeelement gesendeten und auf dem jeweils interessierenden Empfangselement empfangenen Echosignals und einer anschließenden Überlagerung der Echosignale der Sendeelemente realisiert werden.In the case of an electronic focusing-transmission focusing-of the ultrasound, a corresponding time-delayed control of the n individual transducer elements takes place. A synthetic focusing of the ultrasound can be realized by recording the echo signal transmitted by each individual transmitting element and received on the respective receiving element of interest and a subsequent superimposition of the echo signals of the transmitting elements.

Eine Bestimmung und/oder eine Überprüfung eines Schallkopfparameters eines Schallkopfes können unter der Voraussetzung, dass konstruktive Parameter, z. B. Linsenmaterial, Schwingerkrümmung und/oder Linsenkrümmung vorgegeben sind, durchgeführt werden.A determination and / or a review of a transducer parameter of a transducer can under the condition that constructive parameters, eg. B. lens material, oscillator curvature and / or lens curvature are given, are performed.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Anordnung zur Bestimmung von Parameter von Schallköpfen durch Ermittlung der Fokuslage der gemittelten Echosignalamplitude von Streuteilchen in einem Medium eingesetzt,
wobei die Anordnung gemäß Patentanspruch 12
zumindest umfasst

– ein vorgegebenes Ultraschallgerät, das auf n ≥ 1 Kanälen Ultraschallsendesignale erzeugt,
– ein ein Medium enthaltendes Gefäß mit einem Fluid mit bewegten Streuteilchen oder mit einem Phantom mit Streuteilchen, für das die Schallgeschwindigkeit definiert ist oder für die herrschenden äußeren Bedingungen bereits ermittelt worden ist,
– eine Aufnahmeeinheit,
– eine Auswerteeinheit, die die digitalen A-Bilder aus der Aufnahmeeinheit erhält, wobei die Auswerteeinheit über eine Vielzahl von A-Bildern mittelt und die gemittelte Echosignalamplitude ausgibt und aus dem Maximum der gemittelten Echosignalamplitude folgende Schallfeldparameter erstens die Lage des Fokus bestimmt, zweitens außerhalb der Fokuslage liegende Nebenstrukturen feststellt und drittens die Fokusausdehnung bestimmt.

For carrying out the method according to the invention, an arrangement is used for determining parameters of transducers by determining the focal position of the averaged echo signal amplitude of scattering particles in a medium,
the arrangement according to claim 12
at least includes

A given ultrasound device which generates ultrasound transmission signals on n ≥ 1 channels,
A vessel containing a medium with a fluid having scattered particles or a scattered particle phantom for which the speed of sound has been defined or has already been determined for the prevailing external conditions,
A recording unit,
An evaluation unit which receives the digital A-pictures from the recording unit, wherein the evaluation unit averages over a plurality of A-pictures and outputs the averaged echo signal amplitude and determines from the maximum of the averaged echo signal amplitude the following sound field parameters first the position of the focus, secondly outside the Focus location lying secondary structures and third determines the focal extent.

Als Medium kann eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeitsgemisch mit statistisch verteilten Streuteilchen, die strömen oder diffundieren oder in Brownscher Bewegung sind, eingesetzt sein.As a medium, a liquid or a liquid mixture with statistically distributed scattering particles that flow or diffuse or are in Brownian motion, be used.

Als Medium kann aber auch ein Phantom z. B. aus Gel mit eingelagerten Streuern eingesetzt sein.As a medium but also a phantom z. B. be inserted from gel with embedded scatterers.

Notwendigerweise arbeitet das Ultraschallgerät mit einem Impuls-Echo-Verfahren und nimmt jeweils eine Ausgabe eines A-Bildes vor, wobei ein A-Bild den Verlauf der Echosignalamplitude über der Zeit darstellt.Necessarily, the ultrasound machine operates on a pulse-echo technique and each time provides an output of an A-scan, where an A-scan represents the progression of the echo signal amplitude over time.

Die eingesetzte Aufnahmeeinheit kann wahlweise folgende Einheiten darstellen:

– für ein System, bestehend aus einem Rechner mit Pulser, eine programmtechnisches Mittel als Schnittstelle zu genutzten programmtechnischen Mittel,
– für digitale Geräte eine zugehörige Einschubkarte,
– für analoge Geräte einen Analog-Digital-Wandler.

The inserted recording unit can optionally represent the following units:

For a system consisting of a computer with a pulser, a program-technical means as an interface to program-technical means used,
- for digital devices an associated plug-in card,
- For analog devices, an analog-to-digital converter.

Als Streuteilchen definierte Punktreflektoren zur Kalibrierung können Objekte in der Größenordnung der Wellenlänge darstellen, die vorzugsweise kleiner als die gewählten Fokussierungsschritte sind und eine andere Schallkennimpedanz als das Ausbreitungsmedium/Fluid aufweisen.Point reflectors for calibration defined as scattering particles can represent objects of the order of magnitude of the wavelength, which are preferably smaller than the selected focusing steps and a different sound characteristic impedance than the propagation medium / fluid.

Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um die Anwendung des erfindungsgemäßen Messprinzips aus der Druckschrift DE 10 2009 025 464 A1 zur gleichzeitigen Messung des Abstand eines Punktreflektors und der Schallgeschwindigkeit vor dem Punktreflektor mit Hilfe von Ultraschall, um Schallköpfe und Array in Bezug auf deren nicht definierte oder von den Herstellerangeben abweichende Schallfeldparameter charakterisieren zu können. Durch die Anwendung des Messprinzips wird Schallkopfherstellern, Geräteherstellern und Kunden ein einfaches Mittel in die Hand gegeben, die angestrebten Parameter des Schallkopfes bzw. die wichtigsten Schallfeldeigenschaften und die Konstanz der zu prüfenden Messanordnung zu bestimmen.In the present invention is the application of the measuring principle of the invention from the document DE 10 2009 025 464 A1 for the simultaneous measurement of the distance of a point reflector and the speed of sound in front of the point reflector with the aid of ultrasound in order to characterize transducers and arrays with respect to their undefined or deviated from the manufacturer's sound field parameters. By applying the measurement principle, transducer manufacturers, device manufacturers, and customers are provided with a simple means of determining the desired parameters of the transducer or the most important sound field properties and the constancy of the measurement arrangement to be tested.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es im Gegensatz zur Vermessung des Schallfeldes mit Hilfe eines Scann-Vorganges mit einem Punktreflektor einfach, ohne Scann-Einrichtung vor Ort und mit der zu verwendenden Prüfeinrichtung zu realisieren ist. Die Messzeit wird wesentlich verringert, da nicht einmal eine Justage erforderlich ist.The inventive method is characterized in particular by the fact that, in contrast to the measurement of the sound field by means of a scanning process with a point reflector is easy to implement without a scanning device on site and with the test device to be used. The measuring time is significantly reduced because not even an adjustment is required.

Zusammenfassend kann angegeben werden, dass im Unterschied zum Messverfahren gemäß der Druckschrift DE 10 2009 025 464 A1 zur Bestimmung der Fokuslage und zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit von Geräten einschließlich des Schallkopfes handelt. Dazu kann das vorhandene Ultraschallsystem, falls es aus einem Rechner mit Pulser besteht, lediglich mit programmtechnischen Mitteln bzw. bei nicht-programmierbaren Ultraschallgeräten mit einer Einsteckkarte erweitert werden.In summary, it can be stated that, in contrast to the measuring method according to the document DE 10 2009 025 464 A1 to determine the focus position and to check the functionality of devices including the transducer. For this purpose, the existing ultrasound system, if it consists of a computer with pulser, be extended only with programmatic means or non-programmable ultrasound devices with a plug-in card.

Zur Messung kann als Medium/Fluid Wasser, bzw. die für die Prüfungen verwendete Flüssigkeit/Fluid, in ein Gefäß/Becherglas gefüllt werden. Enthält das Fluid keine Streuteilchen, dann ist es mit Streuteilchen zu versetzen. Soll/Kann der Schallkopf nicht in Wasser eingetaucht werden, kann ein vorgegebenes Phantom mit Streuteilchen, wobei das Phantom eventuell auf einem Schwingtisch bewegt wird, eingesetzt werden.For measurement, water or the liquid / fluid used for the tests can be filled into a vessel / beaker as the medium / fluid. If the fluid contains no scattering particles, then it should be mixed with scattering particles. If the transducer can not be immersed in water, a given phantom may be used with scattering particles, possibly moving the phantom on a vibrating table.

Beim Abscannen des Schallfeldes mit einem Punktreflektor wird das Echosignal am größten, wenn sich der Punktreflektor im Fokus befindet. Wie bereits in dem Verfahren gemäß der Druckschrift DE 10 2009 025 464 A1 zur gleichzeitigen Messung von Abstand eines Punktreflektors und Schallgeschwindigkeit vor dem Punktreflektor mit Hilfe von Ultraschall angegeben, wird erfindungsgemäß ausgenutzt, dass bei einer Flüssigkeit mit bewegten Streuteilchen im Zeitmittel eine Gleichverteilung vorliegt. Deshalb wird bei einer Mittelung über die Echosignale von bewegten Streuteilchen das Maximum der gemittelten Echosignalamplitude durch die Streuteilchen im Fokus erzeugt, d. h. die Laufzeit für das Echosignalmaximum entspricht der Laufzeit zum Fokus. Bei vorgegebener Schallgeschwindigkeit des Mediums, wobei sich die Schallgeschwindigkeit z. B. einfach aus der Laufzeit des Rückwandechos und dem Abstand des Schallkopfes von der Rückwand bestimmen lässt, oder bei Wasser als Funktion der Temperatur definiert ist, wird aus der Schallgeschwindigkeit und der Laufzeit die Fokuslage des Schallkopfes ermittelt. Aus der ermittelten Fokuslage können über die Auswerteeinheit mit gespeicherten programmtechnischen Mitteln wahlweise

– bei ebenen, unfokussierten Schallköpfen die Elementgröße,
– bei fokussierenden Schallköpfen die Einhaltung der Fokuslage bzw. die Fokuslage in einer speziellen Flüssigkeit,
– und bei Arrays die Funktionstüchtigkeit der Fokussierungseinstellung ermittelt werden.

When scanning the sound field with a point reflector, the echo signal becomes the largest when the point reflector is in focus. As already in the method according to the document DE 10 2009 025 464 A1 For the simultaneous measurement of the distance of a point reflector and the speed of sound before the point reflector with the aid of ultrasound, the invention makes use of the fact that there is an equal distribution in the case of a liquid with moving scattering particles in the time average. Therefore, when averaging over the echo signals of moving scattering particles, the maximum of the averaged echo signal amplitude is generated by the scattering particles in the focus, ie the transit time for the echo signal maximum corresponds to the transit time to the focus. For a given speed of sound of the medium, wherein the speed of sound z. B. simply from the duration of the back wall echo and the distance of the transducer from the back wall can be determined, or is defined in water as a function of temperature, the focus position of the transducer is determined from the speed of sound and the duration. From the determined focus position can optionally via the evaluation with stored program resources

- for flat, unfocused transducers the element size,
- In focusing transducers compliance with the focus position or the focus position in a special liquid,
- For arrays, the functionality of the focus adjustment can be determined.

Zusätzliche Vorteile der Erfindung bestehen in

– der Bereitstellung eines einfachen und schnellen Verfahrens ohne Scannen und ohne Justage
– der Bereitstellung eines einfachen und schnellen Verfahrens, das die Möglichkeit der Einhaltung der Parameter des Schallkopfs/Arrays für den Hersteller erlaubt.
– der Feststellung des Anwenders zu einer Eignung des Schallkopfs/Prüfsystems für die jeweilige Messaufgabe,
– die Prüfung der Konstanz und bei mehrkanaligen Systemen die Ansteuerung bzw., wenn das Gerät es zulässt, die Möglichkeit, die Ansteuerung anzupassen.

Additional advantages of the invention are in

- Providing a simple and fast process without scanning and without adjustment
- The provision of a simple and rapid method that allows the possibility of compliance of the transducer / array parameters for the manufacturer.
The user's determination of the suitability of the transducer / test system for the respective measurement task,
- Checking the constancy and, in the case of multichannel systems, controlling or, if the device permits, the possibility of adapting the control.

Weiterbildungen und besondere Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.Further developments and special embodiments of the invention are specified in further subclaims.

Die Erfindung wird anhand von mehreren Ausführungsbeispielen mittels mehrerer Zeichnungen erläutert.The invention will be explained with reference to several embodiments by means of several drawings.

Es zeigen:Show it:

1 eine Darstellung zur Bestimmung der Fokuslage im Medium Wasser für zwei fokussierende Schallköpfe mit einer Keramiklinse und mit einer Plexiglas-Plastiklinse, wobei 1 a representation for determining the focus position in the medium water for two focusing transducers with a ceramic lens and with a plexiglass plastic lens, wherein

1a gemessene Echosignalamplituden (fett: Approximation mit einem Gaußfit zur besseren Bestimmung der Maximumposition) für Keramiklinse und Plexiglaslinse 1a Measured echo signal amplitudes (bold: approximation with a Gauss fit to better determine the maximum position) for ceramic lens and Plexiglas lens

1b ein berechnetes Schallfeld für die Keramiklinse; 1b a calculated sound field for the ceramic lens;

1c ein berechnetes Schallfeld für die Plexiglaslinse zeigen, 1c show a calculated sound field for the Plexiglas lens,

2 eine Darstellung zur Bestimmung der Fokuslage eines Schallkopfes in einem anderen Medium (GaInSn) als Wasser im Vergleich mit Wasser und mit einem Schallkopf mit einer akustischen Linse aus Keramik (d = 16 mm, f = 8 MHz, Linse r = 17 mm), wobei 2 a representation for determining the focal position of a transducer in a different medium (GaInSn) as water compared with water and with a transducer with a ceramic acoustic lens (d = 16 mm, f = 8 MHz, lens r = 17 mm), wherein

2a gemessene Echosignalamlituden der Fokuslage für Wasser und für ein GaInSn-Fluid, 2a measured echo signal amunitions of the focus position for water and for a GaInSn fluid,

2b ein berechnetes Schallfeld für Wasser, 2 B a calculated sound field for water,

2c ein berechnetes Schallfeld für GaInSn-Fluid zeigen, 2c show a calculated sound field for GaInSn fluid,

3 Darstellungen zur Bestimmung der Elementgröße des Schallkopfes aus der gemessenen Echosignalamplitude bei zwei unterschiedlichen Annular-Arrays mit durch Schallfeldberechnung vorhergesagten Amplitudenunterschieden, wobei 3 Representations for determining the element size of the transducer from the measured echo signal amplitude in two different Annular Arrays with predicted by sound field calculation amplitude differences, where

3a Echosignalamplituden für ein Composite Annular-Array und 3a Echo signal amplitudes for a Composite Annular Array and

3b Echosignalamplituden für ein (PZT-Annular-Array mit Elektrodenstrukturierung, jeweils in Abhängigkeit von den Elementen der Arrays,
zeigen, 3b Echo signal amplitudes for a (PZT Annular array with electrode structuring, in each case depending on the elements of the arrays,
demonstrate,

4 Darstellungen zur Überprüfung der Fokussierung bei einem Annular-Array mit einem Auffinden von Nebenstrukturen, wobei 4 Representations for checking the focus in an Annular array with a finding of secondary structures, wherein

4a einen Aufbau (im Wechsel: dunkel – aktive Fläche, hell – Zwischenraum, engl. sparse) eines Annular-Arrays mit sechs Ringelementen, 4a a structure (alternately: dark active area, light sparse) of an annular array with six ring elements,

4b berechnete Schallfelder für unterschiedliche Fokuslagen und 4b calculated sound fields for different focal positions and

4c gemittelte Echosignalamplituden bei unterschiedlichen Fokuslagen
zeigen, 4c averaged echo signal amplitudes at different focal positions
demonstrate,

5 eine Darstellung zur Konstanzprüfung, wobei aus der gemessenen Echosignalamplitude eine ermittelte Abhängigkeit F = F(T) der Fokuslage F von der Betriebstemperatur T (fokussierenden Schallkopf mit gekrümmtem Schwinger) gezeigt ist, 5 a representation for the constancy test, wherein from the measured echo signal amplitude, a determined dependence F = F (T) of the focus position F of the operating temperature T (focusing transducer with curved oscillator) is shown,

6 eine Messung eines Schallfeldes in einem Fluid mit sich bewegenden Streuteilchen, wobei 6 a measurement of a sound field in a fluid with moving scattering particles, wherein

6a eine schematische Darstellung der Messung mit Schallkopf (nur Wandlerfläche gezeigt) mit sich bewegenden Streuteilchen und Schallfeld, 6a a schematic representation of the measurement with transducer (only transducer surface shown) with moving scattering particles and sound field,

6b Kurvendarstellungen bei Verwendung von Wasser mit unterschiedlichen Temperaturen 6°C und 30°C und 6b Curves when using water with different temperatures 6 ° C and 30 ° C and

6c Darstellungen von Lagen des Fokus in Abhängigkeit von unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit c bei Fokussierung mit einem gekrümmten Annular-Array zeigen,
und 6c Show representations of positions of the focus as a function of different speed of sound c when focusing with a curved annular array,
and

7 eine schematische Block-Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung. 7 a schematic block diagram of an inventive arrangement.

Das Verfahren dient zur Bestimmung von Parameter von Schallköpfen 12 und Ultraschallgeräten 1 durch Ermittlung der Lage des Fokus 7 aus der gemittelten Echosignalamplitude von Streuteilchen 2 in einem Medium 6 gemäß 7, wobei folgende Schritte unter der Voraussetzung, dass bei dem Fluid 6 mit bewegten Streuteilchen 2 im Zeitmittel eine Gleichverteilung der Streuteilchen 2 vorliegt, in einer Auswerteeinheit 4 mit darin gespeicherten programmtechnischen Mitteln absolviert wenden:

– Erzeugung der gemittelten Echosignalamplitude durch die Streuteilchen 2 im Fokus 7 bei einer Mittelung über die Echosignale von bewegten Streuteilchen 2 und Bestimmung des Maximums aus der gemittelten Echosignalamplitude,
– Berechnung der Laufzeit von dem Echosignalmaximum aus bis zum Fokus 7 bei Kenntnis der vom Schallkopf 12 gesendeten Signalform,
– Berechnung einer Amplituden-Ortskurve aus der Amplituden-Laufzeitkurve bei vorgegebener Schallgeschwindigkeit des Fluids 6, wobei das Maximum der Amplituden-Ortskurve die Fokuslage 7 des Schallkopfs 12 darstellt,
– Ermittlung von Schallkopfparametern aus der Fokuslage 7
– bei ebenen, unfokussierten Schallköpfen 12 die Elementgröße oder
– bei fokussierenden Schallköpfen 12 die Einhaltung der Fokuslage 7 bzw. die Fokuslage 7 in einer speziellen Flüssigkeit 6 oder
– bei jedem Schallkopf 12 eine Bestimmung bzw. Überprüfung zumindest eines Schallkopfparameters des Schallkopfes 12 unter der Vorraussetzung, dass die anderen konstruktiven. Parameter bekannt sind, z. B. Linsenmaterial, Schwingerkrümmung bzw. Linsenkrümmung, oder
– bei Arrays die Funktionstüchtigkeit der Fokussierungseinstellung und/oder
– bei der Mess-Anordnung 10 die Funktionstüchtigkeit und die Konstanz.

The method is used to determine parameters of transducers 12 and ultrasound machines 1 by determining the location of the focus 7 from the averaged echo signal amplitude of scattering particles 2 in a medium 6 according to 7 , taking the following steps, provided that the fluid 6 with moving scattering particles 2 in the time average, an equal distribution of the scattering particles 2 present, in an evaluation unit 4 completed with stored program resources:

Generation of the averaged echo signal amplitude by the scattering particles 2 in focus 7 when averaging over the echo signals of moving scattering particles 2 and determining the maximum from the averaged echo signal amplitude,
- Calculation of the time from the echo signal maximum to the focus 7 with knowledge of the transducer 12 transmitted waveform,
- Calculation of an amplitude locus from the amplitude transit time curve at a given sound velocity of the fluid 6 where the maximum of the amplitude locus is the focus position 7 of the transducer 12 represents,
- Determination of transducer parameters from the focus position 7
- in flat, unfocused transducers 12 the element size or
- with focusing transducers 12 compliance with the focus position 7 or the focus position 7 in a special liquid 6 or
- with each transducer 12 a determination or verification of at least one transducer parameter of the transducer 12 provided that the other constructive. Parameters are known, for. B. lens material, oscillator curvature or Linsenkrümmung, or
- For arrays, the functionality of the focus adjustment and / or
- at the measuring arrangement 10 the functionality and the constancy.

1 zeigt die Bestimmung der Fokuslage 7 für zwei fokussierende Schallköpfe 12. mit einer Linse, wobei der eine Schallkopf 12 mit einer Keramiklinse und der andere Schallkopf mit einer Plexiglaslinse ausgestattet sind. Als Fluid 6 dient Wasser mit sich darin befindlichen Streuteilchen 2. Der Vergleich der gemessenen Echosignalamplituden mit den berechneten Schallfeldern zeigt in 1, dass die Lage des Maximums der gemittelten Echosignalamplitude auf der z-Koordinate eine exakte Fokuslage F_K für die Keramiklinse und eine exakte Fokuslage F_P für die Plexiglas-Plastiklinse liefert. Die Breite der Echosignalamplituden-Kurve zeigt die Ausdehnung der empfindlichen Zone im jeweiligen Fokusbereich. 1 shows the determination of the focus position 7 for two focusing transducers 12 , with a Lens, one of the transducers 12 with a ceramic lens and the other transducer are equipped with a Plexiglas lens. As a fluid 6 serves water with scattering particles in it 2 , The comparison of the measured echo signal amplitudes with the calculated sound fields is shown in 1 in that the position of the maximum of the averaged echo signal amplitude on the z-coordinate provides an exact focal position F _K for the ceramic lens and an exact focal position F _P for the plexiglass plastic lens. The width of the echo signal amplitude curve shows the extent of the sensitive zone in the respective focus area.

Die 2 zeigt die Bestimmung der Fokuslage 7 für die Messung in einem Flüssigmetall (GaInSn) 6. Gegenüber der Fokuslage F_W von Wasser ist es zu einer wesentlichen Verschiebung der Fokuslage F_G 7 und der Fokusausdehnung 8 gekommen. Dabei wird ein Schallkopf 12 mit einer akustischen Linse aus Keramik (d = 16 mm, f = 8 MHz, Linse r = 17 mm) eingesetzt, wobei 2a gemessene Echosignalamlituden der Fokuslage F_W für Wasser und der Fokuslage F_G für GaInSn-Fluid, 2b ein berechnetes Schallfeld für Wasser und 2c ein berechnetes Schallfeld für das GaInSn-Fluid mit den jeweiligen Fokusausdehnungen 8 zeigen.The 2 shows the determination of the focus position 7 for measurement in a liquid metal (GaInSn) 6 , Compared to the focus position F _W of water, there is a significant shift in the focus position F _G 7 and the focus expansion 8th came. This is a transducer 12 used with a ceramic acoustic lens (d = 16 mm, f = 8 MHz, lens r = 17 mm), wherein 2a measured echo signal amplitudes of the focus position F _W for water and the focal position F _G for GaInSn fluid, 2 B a calculated sound field for water and 2c a calculated sound field for the GaInSn fluid with the respective focus expansions 8th demonstrate.

Die 3 zeigt am Beispiel zweier unterschiedlicher Annular-Arrays die Bestimmung der Elementgröße der beiden Arrays mit Hilfe des Verfahrens. Bei runden Elementen bzw. ringförmigen Elementen des Schallkopfes 12 kann mit Hilfe der Formel für die Nahfeldlänge N (N = Af/πc, wobei c – die Schallgeschwindigkeit, A – die aktive Elementfläche, f – die Schallfrequenz ist) die aktive Schwingerfläche/Wandlerfläche 14 des Schallkopfes 12 berechnet werden. Beide Arrays wurden jeweils mit Elektroden gleicher Fläche in Einzelelemente strukturiert. Bei den Ergebnissen zu dem Composite-Array in 3a ist bei allen sechs Elementen die Lage des Maximum und somit die aktive Schwingerfläche der Einzelelemente näherungsweise gleich. Bei den Ergebnissen zu dem PZT-Array in 3b nimmt die effektive Schwingerfläche für die äußeren Elemente zu. Das bedeutet, dass mehr als die kontaktierte Fläche schwingt. Entsprechend der tatsächlichen aktiven Fläche können die Ansteuerzeiten gewählt werden. Ebenfalls zeigen sich in 3a und 3b die durch Schallfeldberechnung vorhergesagten Amplitudenunterschiede bei den einzelnen Elementen.The 3 shows the determination of the element size of the two arrays by means of the method using the example of two different annular arrays. For round elements or annular elements of the transducer 12 can use the formula for the near field length N (N = Af / πc, where c - the speed of sound, A - the active element area, f - the sound frequency) the active transducer surface / transducer surface 14 of the transducer 12 be calculated. Both arrays were each patterned into individual elements using electrodes of the same area. In the results for the composite array in 3a For all six elements, the position of the maximum and thus the active oscillator surface of the individual elements is approximately equal. The results for the PZT array in 3b increases the effective transducer area for the outer elements. This means that more than the contacted surface vibrates. The activation times can be selected according to the actual active area. Also show up in 3a and 3b the predicted by sound field calculation amplitude differences in the individual elements.

Die 4 zeigt die Überprüfung der Fokussierung bei einem Annular-Array mit einer Strukturierung entsprechend 4a. Ein Vergleich zwischen modelliertem Schallfeld und der gemessenen. Echosignalamplitude zeigt, dass die angestrebte Fokussierung erreicht wird. Bei der Messung werden auch die erwarteten starken Nebenstukturen detektiert. Dabei zeigen die 4a einen Aufbau (dunkel – aktive Wandlerfläche, hell nichtaktiver Zwischenraum, engl. sparse) eines Annular-Arrays mit sechs Ringelementen, 4b berechnete Schallfelder für verschiedene Fokussierungen und 4c gemittelte Echosignalamplituden bei unterschiedlichen Fokussierungen. Dabei entsprechen die jeweils eingekreisten Ziffern der beiden 4b und 4c einander. Es kennzeichnen die eingekreisten Ziffern 1, 2, 3 Schallfelder 13 in den Fokuslagen 7 und die eingekreisten Ziffern 4, 5, 6 Nebenstrukturen 9 dar.The 4 shows the checking of the focusing in an Annular array with a structuring accordingly 4a , A comparison between modeled sound field and the measured. Echo signal amplitude shows that the desired focus is achieved. In the measurement, the expected strong secondary structures are detected. The show 4a a structure (dark-active transducer surface, bright non-active space, sparse) of an annular array with six ring elements, 4b calculated sound fields for different focussing and 4c averaged echo signal amplitudes at different foci. The circled numbers correspond to the two 4b and 4c each other. There are circled numbers 1, 2, 3 sound fields 13 in the focal positions 7 and the circled numerals 4, 5, 6 secondary structures 9 represents.

Die 5 zeigt die funktionale Abhängigkeit F = F(T) der Fokuslage F eines fokussierenden Schallkopfes mit gekrümmtem Schwinger/gekrümmter Wandlerfläche von der Betriebstemperatur T und demonstriert, dass die Schalifeldparameter von äußeren Einflüssen abhängen. Somit lassen sich mit dem Verfahren auch Konstanzprüfungen durchführen.The 5 shows the functional dependence F = F (T) of the focal position F of a curved transducer / curved transducer focussing transducer on the operating temperature T and demonstrates that the noise field parameters depend on external influences. Thus, constancy tests can also be carried out with the method.

Dazu beinhaltet 5 eine Konstanzprüfung in Form einer aus der gemessenen Echosignalamplitude ermittelten Abhängigkeit der Fokuslage 7 von der Betriebstemperatur, wobei dann die Mess-Anordnung 10 in 7 anstelle des ebenen Schwingers/der ebenen Wandlerfläche einen fokussierenden Schallkopf 12 mit einem gekrümmten Schwinger aufweist.This includes 5 a constancy test in the form of a determined from the measured echo signal amplitude dependence of the focus position 7 from the operating temperature, in which case the measuring arrangement 10 in 7 instead of the planar oscillator / planar transducer surface, a focusing transducer 12 having a curved oscillator.

In 6 ist eine Messung eines Schallfeldes 13 in einem Fluid 6 mit sich bewegenden Streuteilchen 2 dargestellt, wobei 6a eine schematische Darstellung der Messung mit Schallkopf 12, Schallfeld 13 und sich bewegenden Streuteilchen 2, 6b Kurvendarstellungen der Echosignalamplituden bei Verwendung von Wasser mit unterschiedlichen Temperaturen 6°C und 30°C und 6c Darstellungen von Lagen des Fokus 7 in Abhängigkeit von den Schallgeschwindigkeiten c₁ und c₂ bei Fokussierung mit einem gekrümmten Annular-Array zeigen.In 6 is a measurement of a sound field 13 in a fluid 6 with moving scattering particles 2 shown, where 6a a schematic representation of the measurement with the transducer 12 , Sound field 13 and moving scattering particles 2 . 6b Curves of the echo signal amplitudes when using water with different temperatures 6 ° C and 30 ° C and 6c Representations of layers of focus 7 as a function of the speeds of sound c ₁ and c ₂ when focusing with a curved Annular array show.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird gemäß 7 eine Anordnung 10 zur Bestimmung von Parameter eines Schallkopfes 12 durch Ermittlung der Fokuslage 7 der gemittelten Echosignalamplitude von Streuteilchen 2 eingesetzt,
wobei die Anordnung 10 zumindest umfasst

– ein vorgegebenes Ultraschallgerät 1, das auf n ≥ 1 Kanälen 11 Ultraschallsendesignale erzeugt,
– ein ein Medium 6 enthaltendes Gefäß 5 mit einem Fluid mit bewegten Streuteilchen 2 oder mit einem Phantom (flüssiges Medium oder festes Medium) mit Streuteilchen 2, wobei für das eingesetzte Medium die Schallgeschwindigkeit definiert ist oder für die herrschenden äußeren Bedingungen bereits vorher ermittelt worden ist,
– eine Aufnahmeeinheit 3,
– eine Auswerteeinheit 4, die die digitalen A-Bilder aus der Aufnahmeeinheit 3 erhält, wobei die Auswerteeinheit 4 über eine Vielzahl von A-Bildern mittelt und die gemittelte Echosignalamplitude ausgibt und aus dem Maximum der gemittelten Echosignalamplitude folgende Schallfeldparameter erstens die Lage des Fokus 7 bestimmt, zweitens außerhalb der Fokuslage liegende Nebenstrukturen 9 (wie in 4b und 4c) feststellt und drittens die Fokusausdehnung 8 bestimmt.

For carrying out the method according to the invention is according to 7 an arrangement 10 for determining parameters of a transducer 12 by determining the focus position 7 the averaged echo signal amplitude of scattering particles 2 used
the arrangement 10 at least includes

- A given ultrasound device 1 , that on n ≥ 1 channels 11 Generates ultrasound transmit signals,
- one a medium 6 containing vessel 5 with a fluid with moving scattering particles 2 or with a phantom (liquid medium or solid medium) with scattering particles 2 in which the speed of sound is defined for the medium used or has already been determined for the prevailing external conditions,
- a recording unit 3 .
- an evaluation unit 4 taking the digital A-pictures from the capture unit 3 gets wherein the evaluation unit 4 averages over a plurality of A-pictures and outputs the averaged echo signal amplitude and from the maximum of the averaged echo signal amplitude the following sound field parameters firstly the position of the focus 7 determined, secondly out of focus position secondary structures 9 (as in 4b and 4c ) and third, the focus extent 8th certainly.

Zwischen dem Schallkopf 12 und dem Ultraschallgerät 1 und der Aufnahmeeinheit können eine Signalleitungsweiche und ein Verstärker eingeschaltet sein. Bei ebenen Schallköpfen/Wandlern kann über eine Ermittlung der Fokuslage eine Bestimmung der aktiven Schallkopffläche/Wandlerfläche durchgeführt werden oder
bei Ringen von Annular-Arrays kann über eine Ermittlung der Fokuslage durch Schallfeldberechnung oder aus der Nahfeldlänge aus der Fokuslage die Größe der aktiven Fläche/Wandlerfläche bestimmt werden oder
bei rechteckigen Schallköpfen können über eine Ermittlung der Fokuslage durch Schallfeldberechnung aus der Fokuslage eine und der Fokusausdehnung die Kantenlängen der aktiven Fläche/Wandlerfläche bestimmt werden.Between the transducer 12 and the ultrasound machine 1 and the recording unit may be a signal line switch and an amplifier turned on. In the case of flat transducers / transducers, a determination of the focal position can be used to determine the active transducer surface / transducer surface or
when ringing Annular arrays can be determined by determining the focus position by sound field calculation or from the near field length from the focus position, the size of the active surface / transducer surface or
In the case of rectangular transducers, it is possible to determine the edge lengths of the active surface / transducer surface by determining the focal position by means of sound field calculation from the focal position one and the focal length.

Zur Überprüfung der Fokuslage 7 und zur Bestimmung der Fokuslage 7 in unterschiedlichen Medien für fokussierende Schallköpfe 12 kann die Lage des Fokus 7 für das gewählte Ausbreitungsmedium 6 und das eingesetzte System in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit c und der Dämpfung des Mediums 6 ermittelt werden.To check the focus position 7 and to determine the focus position 7 in different media for focusing transducers 12 can the location of the focus 7 for the selected propagation medium 6 and the system used as a function of the speed of sound c and the damping of the medium 6 be determined.

Entstehende Nebenstrukturen 9, z. B. durch Konstruktionsbesonderheiten des Schallkopfes 12 oder durch falsche Fokussierung, können angezeigt werden, wobei der Abstand der Nebenstrukturen 9 vom Schallkopf 12 ermittelt wird. Zur Anpassung und zur Überprüfung der Ansteuerung von Arrays entsprechend der aktiven Elementgröße bei Arrays können Verzögerungszeiten gewählt werden oder durch Einstellung einer bestimmten Fokussierung am Ultraschallgerät 1 und durch Messung kann die Fokussierung für alle Arraytypen – Matrixarrays, Arrays mit Linienelementen, Annular-Arrays – überprüft werden.Emerging secondary structures 9 , z. B. by design features of the transducer 12 or by wrong focusing, can be displayed, with the spacing of secondary structures 9 from the transducer 12 is determined. To adjust and check the control of arrays according to the active element size in arrays delay times can be selected or by setting a specific focus on the ultrasound device 1 and by measuring the focus for all types of arrays - matrix arrays, arrays of line elements, annular arrays - can be checked.

Des Weiteren kann die Konstanz des Ultraschallgerätes 1 und des angeschlossenen Arrays/Schallkopfs 12 überprüft werden.Furthermore, the constancy of the ultrasound machine 1 and the connected array / transducer 12 be checked.

Bei Auswertung der Höhe der gemittelten Echosignalamplitude, insbesondere durch Vergleich der Höhe der gemittelten Echosignalamplitude der Einzelelemente können insbesondere defekte Elemente bestimmt werden.When evaluating the height of the averaged echo signal amplitude, in particular by comparing the height of the averaged echo signal amplitude of the individual elements, in particular defective elements can be determined.

Bei der Auswertung der Breite der gemittelten Echosignalamplitude bei einer Fokussierung kann die Breite der gemittelten Echosignalamplitude die Ausdehnung 8 der Fokusfläche liefern, wobei die Flächenausdehnung 8 ein Maß für die Qualität der Fokussierung darstellt.When evaluating the width of the averaged echo signal amplitude during focusing, the width of the averaged echo signal amplitude can be the extent 8th provide the focus area, the area extent 8th represents a measure of the quality of the focus.

Eine Bestimmung und/oder eine Überprüfung eines Schallkopfparameters eines Schallkopfes 12 kann unter der Vorraussetzung, dass die anderen konstruktiven Parameter z. B. Linsenmaterial, Schwingerkrümmung und/oder Linsenkrümmung vorgegeben sind, durchgeführt werden.A determination and / or a check of a transducer parameter of a transducer 12 under the condition that the other constructive parameters z. B. lens material, oscillator curvature and / or lens curvature are given, are performed.

Als Medium 6 kann eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeitsgemisch mit statistisch verteilten Streuteilchen 2, die strömen oder diffundieren oder in Brownscher Bewegung sind, eingesetzt sein.As a medium 6 can be a liquid or a liquid mixture with statistically distributed scattering particles 2 used to flow or diffuse or are in Brownian motion.

Als Medium 6 kann aber auch ein Phantom z. B. aus Gel mit eingelagerten Streuteilchen 2 eingesetzt sein.As a medium 6 but can also be a phantom z. B. from gel with stored scattering particles 2 be used.

Notwendigerweise arbeitet das Ultraschallgerät 1 mit einem Impuls-Echo-Verfahren und nimmt jeweils eine Ausgabe eines A-Bildes vor.Necessarily, the ultrasound machine works 1 with a pulse-echo method and each takes an output of an A-picture.

Die eingesetzte Aufnahmeeinheit 3 kann wahlweise folgende Einheiten darstellen:

– für ein System, bestehend aus einem Rechner mit Pulser, ein programmtechnisches Mittel als Schnittstelle zu genutzten programmtechnischen Mitteln,
– für digitale Ultraschallgeräte eine zugehörige Einschubkarte,
– für analoge Ultraschallgeräte einen Analog-Digital-Wandler.

The inserted recording unit 3 can optionally represent the following units:

For a system consisting of a computer with pulser, a program-technical means as an interface to program-technical means used,
For digital ultrasound devices, an associated plug-in card,
- For analog ultrasonic devices, an analog-to-digital converter.

Als Streuteilchen 2 definierte Punktreflektoren können Objekte in der Größenordnung der Wellenlänge darstellen, die vorzugsweise kleiner als die gewählten Fokussierungsschritte sind und eine andere Schallkennimpedanz als das Ausbreitungsmedium/Fluid 6 aufweisen.As scattering particles 2 defined spot reflectors may represent objects of the order of the wavelength, which are preferably smaller than the selected focusing steps and a different sound characteristic impedance than the propagation medium / fluid 6 exhibit.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch als ein Verfahren zur Ermittlung der Fokuslage von fokussierenden Ultraschallköpfen, von Einzelelementen von Arrays und bei synthetischer oder elektronischer Fokussierung von Teilen eines Arrays bzw. eines Gesamtarrays charakterisiert werden.The method according to the invention can also be used as a method for determining the focal position of focusing ultrasound heads, of individual elements of arrays and of synthetic or be characterized electronic focusing of parts of an array or an overall array.

Es liegt also eine Verwendung von Elementen der bekannten Anordnung zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen in Medien mittels Ultraschall für das Verfahren zur Bestimmung von Parametern von Schallköpfen 12 und Ultraschallgeräten 1 durch Ermittlung der Lage des Fokus 7 aus der gemittelten Echosignalamplitude von Streuteilchen 2 bei vorgegebener Schallgeschwindigkeit des Fluids unter Verwendung von zugeordneten programmtechnischen Mitteln in der Auswerteeinheit 4 vor.Thus, there is a use of elements of the known arrangement for the combined determination of sound velocities and distances in media by means of ultrasound for the method for the determination of parameters of transducers 12 and ultrasound machines 1 by determining the location of the focus 7 from the averaged echo signal amplitude of scattering particles 2 at a given sound velocity of the fluid using associated programming means in the evaluation unit 4 in front.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Ultraschallgerätultrasound machine
22: Streuteilchenscattering
33: Aufnahmeeinheitrecording unit
44: Auswerteeinheitevaluation
55: Gefäßvessel
66: Fluidfluid
77: Fokus/FokuslageFocus / Focus position
88th: Fokusausdehnungfocus expansion
99: NebenstrukturIn addition to structure
1010: Anordnungarrangement
1111: Kanälechannels
1212: Schallkopftransducer
1313: Schallfeldsound field
1414: Wandlerflächetransducer surface

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102009025464 A1 [0009, 0009, 0010, 0028, 0030, 0032]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Lenz M., Bock M., Kühnicke E., Pal J., Cramer A: Measurement of the velocity velocity in fluids using the echo signals from scattering particles, Ultrasonics, Volume 52, Issue 1, January 2012 [0010]

Claims

Method for determining parameters of transducers ( 12 ) and ultrasound devices ( 1 ) by determining the location of the focus ( 7 ) from the averaged echo signal amplitude of scattering particles ( 2 ) in a medium ( 6 ), taking the following steps, provided that in the medium ( 6 ) with scattering particles ( 2 ) in the time average an equal distribution of the scattering particles ( 2 ), in an evaluation unit ( 4 ) are completed with stored therein programmatic means: - Generation of the averaged echo signal amplitude by the scattering particles ( 2 ) in focus ( 7 ) when averaging over the echo signals of moving scattering particles ( 2 ) and determination of the maximum from the averaged echo signal amplitude, - calculation of the transit time from the echo signal maximum to the focus ( 7 ) with knowledge of the transducer ( 12 ) transmitted waveform, - calculation of an amplitude-locus curve from the amplitude-transit time curve at a given sound velocity of the medium ( 6 ), the maximum of the amplitude locus being the focal position ( 7 ) of the transducer ( 12 ), determination of transducer parameters from the focal position ( 7 ) - in flat, unfocused transducers ( 12 ) the element size or - with focusing transducers ( 12 ) compliance with the focus position ( 7 ) or the focus position ( 7 ) in a special medium ( 6 ) or - with each transducer ( 12 ) a determination or verification of at least one parameter of the transducer ( 12 ) provided that the other constructive parameters are known, or - in the case of arrays ( 12 ) the functionality of the focusing adjustment and / or - in the measuring arrangement ( 10 ) the functionality and the constancy.

A method according to claim 1, characterized in that - via an evaluation of the focus position ( 7 ) a determination of the active transducer surface ( 14 ) with flat transducers ( 12 ) or - by evaluating the focus position ( 7 ) in rings of annular arrays ( 12 ) by sound field calculation or from near field length from the focal position, the size of the active area ( 14 ) or - via an evaluation of the focus position ( 7 ) in rectangular transducers ( 12 ) are calculated by sound field calculation from the focus position ( 7 ) and focus extent ( 8th ) the edge lengths of the active surface ( 14 ) certainly.

A method according to claim 1, characterized in that for checking the focus position ( 7 ) and to determine the focus position ( 7 ) in different media ( 6 ) for focusing transducers ( 12 ) the location of the focus ( 7 ) for the selected propagation medium ( 6 ) and the system used as a function of the speed of sound (c) and the damping of the medium ( 6 ) be determined.

Method according to Claim 1, characterized in that secondary structures ( 9 ), z. B. by design features of the transducer ( 12 ) or by incorrect focusing, with the spacing of the secondary structures ( 9 ) from the transducer ( 12 ) is determined.

A method according to claim 1, characterized in that for adaptation and for. Checking the control of arrays ( 12 ) according to the active area ( 14 ) in arrays ( 12 ) the delay times are selected or by setting a specific focus on the ultrasound machine ( 1 ) and measuring the focus is checked for all types of arrays.

A method according to claim 1, characterized in that the constancy of the ultrasound device ( 1 ) and the connected array / transducer ( 12 ) is checked.

A method according to claim 1, characterized in that when evaluating the height of the averaged echo signal amplitude, in particular by comparing the height of the averaged echo signal amplitude of the individual elements defective elements of the transducer ( 12 ).

A method according to claim 1, characterized in that in the evaluation of the width of the averaged echo signal amplitude when focussed with the width of the averaged echo signal amplitude, the extent ( 8th ) of the focus area is provided, wherein the area extent ( 8th ) represents a measure of the quality of the focus.

Method according to the preceding claims, characterized in that, in the case of an electronic focusing - transmission focusing - of the ultrasound, a corresponding time-delayed control of the n individual transducer elements is carried out.

Method according to the preceding claims, characterized in that a synthetic focusing of the ultrasound is realized by recording the echo signal transmitted by each individual transmitting element and received on the respective receiving element of interest and a subsequent superposition of the echo signals of the transmitting elements.

A method according to claim 1, characterized in that a determination and / or a check of a transducer parameter of a Transducer ( 12 ) provided that the other design parameters e.g. B. lens material, oscillator curvature and / or lens curvature are given, are performed.

Arrangement ( 10 ) for the determination of parameters of transducers ( 12 ) and ultrasound devices ( 1 ) by determining the focus position ( 7 ) from the averaged echo signal amplitude of scattering particles ( 2 ) in a medium ( 6 ), the arrangement ( 10 ) at least comprises - a given ultrasound device ( 1 ) on n ≥ 1 channels ( 11 ) Generates ultrasonic transmission signals, - a medium ( 6 ) containing vessel ( 5 ) with a fluid with moving scattering particles ( 2 ) or with a liquid medium or solid medium representing phantom with scattering particles ( 2 ), wherein for the medium used ( 6 ) the speed of sound (c) is defined or has already been determined for the prevailing external conditions, - a recording unit ( 3 ), - an evaluation unit ( 4 ), the digital A-pictures from the recording unit ( 3 ) and stored program-technical means for evaluation, wherein the evaluation unit ( 4 ) averages over a plurality of A-pictures and outputs the averaged echo signal amplitude and performs the following evaluation from the maximum of the averaged echo signal amplitude, the evaluation unit ( 4 ) the following sound field parameters firstly the position of the focus ( 7 secondly, out-of-focus substructures ( 9 ) and, thirdly, the extent of focus ( 8th ) certainly.

Arrangement according to claim 12, characterized in that as medium ( 6 ) a liquid or a liquid mixture with randomly distributed scattering particles ( 2 ), which are flowing or diffusing or in Brownian motion, is inserted.

Arrangement according to claim 12, characterized in that as medium ( 6 ) a phantom z. B. gel with stored scattering particles ( 2 ) is used.

Arrangement according to claim 12, characterized in that the ultrasonic device ( 1 ) operates with a pulse-echo method and each makes an output of an A-picture.

Arrangement according to claim 12, characterized in that the receiving unit ( 3 ) optionally represents the following units: - for a system consisting of a computer with pulser, a program-technical means as an interface to be used programmatic means, - for digital ultrasound equipment an associated plug-in card, - for analog ultrasound equipment an analog-to-digital converter.

Arrangement according to claim 12, characterized in that as scattering particles ( 2 ) are objects on the order of the wavelength, which are preferably smaller than the selected focusing steps and have a different sound characteristic impedance than the propagation medium ( 6 ) exhibit.

Use of elements of the known arrangement for the combined determination of sound velocities and distances in media by means of ultrasound for the method for the determination of parameters of transducers ( 12 ) and ultrasound devices ( 1 ) by determining the location of the focus ( 7 ) from the averaged echo signal amplitude of scattering particles ( 2 ) using predetermined sound velocities of the media ( 6 ) and associated program-technical means in the evaluation unit ( 4 ).