DE2919181A1

DE2919181A1 - ULTRASONIC ECHO SYSTEM

Info

Publication number: DE2919181A1
Application number: DE19792919181
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl Phys Roeder
Original assignee: STRAHLEN UMWELTFORSCH GmbH
Current assignee: STRAHLEN UMWELTFORSCH GmbH
Priority date: 1979-05-12
Filing date: 1979-05-12
Publication date: 1980-11-20
Also published as: AT374285B; ATA670979A; CH649157A5

Abstract

The system contains a transducer arrangement (1) of a number of concentrically arranged annular piezoelectric ultrasonic transducers (2, 3) as transmitting/receiving device. To transmit a pulse-shaped ultrasonic wave, only the outermost ring (2) of the transducer arrangement is used whilst all of its rings are effective for receiving the echo signals. All the rings are connected to the signal evaluating device (6) via variable delay lines (5), the delay value of which decreases quadratically from the centre towards the edge of the transducer arrangement. This system has a high lateral resolution and a great depth of focus and an increased detection sensitivity. <IMAGE>

Description

Ultraschallechosystem.Ultrasonic echo system.

Beschreibung: Die Erfindung betrifft ein Ultraschallechosystem, bei dem eine impulsförmig begrenzte Ultraschallwelle, deren Querschnitt ringförmig ist, auf ein Objekt gerichtet und die Echos von einem Empfänger aufgenommen werden.Description: The invention relates to an ultrasonic echo system, at which is a pulsed ultrasonic wave whose cross-section is ring-shaped, directed at an object and the echoes are picked up by a receiver.

Es ist ein System mit hoher lateraler Auflösung und großer Tiefenschärfe bekannt (DT-AS 2306247), das nur eine Ringapertur zum Senden und zur Detektion der Echosignale verwendet. Um die Seitenbanden zu verringern, werden nacheinander 2 Pulse ausgesandt mit verschiedener Phase über den Azimutwinkel der Ringapertur und anschließend die elektronischen Ausgangssignale addiert. Die laterale Auflösung dieses Systems ist zwar sehr hoch bei gleichzeitig großer Tiefenschärfe, die Empfindlichkeit ist dafür aber äußerst gering, weil zum Empfang der Echos nur ein Ring verwendet wird.It is a system with high lateral resolution and great depth of field known (DT-AS 2306247) that only one ring aperture for sending and detecting the Echo signals used. To reduce the side bands, 2 Pulses emitted with different phases over the azimuth angle of the ring aperture and then the electronic output signals are added. The lateral resolution Although this system is very high with at the same time great depth of field, the sensitivity but is extremely low because only one ring is used to receive the echoes will.

Weiterhin ist ein Verfahren bekannt (J. Shott et al, "The Cascade Charge-Coupled Device for Compound Delay", Stanford University, April 11, 1975), bei dem eine lineare Kette von -Einzelsender/-detektoren Impulse aussenden, die ein Objekt beschallen, und bei dem die von den Detektoren aufgenanmenen Echos so über quadratische Verzögerungsleitungen auf eine Signalauswertung gegeben werden, daß nur Echos aus einem kleinen, nahezu punktförmigen Bereich aus der Tiefe des Objektes aufgefangen werden. Durch Veränderung der Verzögerungsparameter kann dieser Bereich in der Tiefe verschoben werden. Die Tiefenschärfe jedoch ist ausgesprochen gering.A method is also known (J. Shott et al, "The Cascade Charge-Coupled Device for Compound Delay ", Stanford University, April 11, 1975), in which a linear chain of single transmitters / detectors emit pulses that Sonicate an object, and the echoes recorded by the detectors are like this are given to a signal evaluation via square delay lines, that only echoes from a small, almost punctiform area from the depth of the Object to be caught. By changing the delay parameters this can Area can be shifted in depth. The depth of field, however, is pronounced small amount.

Die der Erfindung gestellte Aufgabe besteht nunmehr darin, ein Ultraschallechosystem der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß es sowohl eine hohe laterale Auflösung und große Tiefenschärfe als auch eine erhöhte Detektionsempfindlichkeit aufweist, obwohl alle drei Eigenschaften üblicherweise als sich gegeneinander ausschließend von der Fachwelt betrachtet wurden.The object of the invention is now to provide an ultrasonic echo system to improve the type mentioned in such a way that there is both a high lateral Resolution and great depth of field as well as increased detection sensitivity having, although all three properties are commonly considered to be themselves were considered mutually exclusive by the professional world.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Merkmalen der Ansprüche aufgezeigt.The solution to this problem is shown in the features of the claims.

Die Erfindung beinhaltet demnach ein Ultraschall-Echoverfahren, das hohe laterale Auflösung mit großer Tiefenschärfe kombiniert und bei dem die vom Objekt zurückgeworfenen Echos durch einen Detektor großer Apertur nachgewiesen werden. Die Forderung nach hoher lateraler Auflösung und gleichzeitig großer Tiefenschärfe wird verwirklicht, indem erfindungsgemäß als Sender für den Ultraschallpuls eine Quelle mit Ringapertur verwendet wird,wobei die Breite des Ringes den nutzbaren Tiefenschärfebereich festlegt.The invention accordingly includes an ultrasonic echo method that high lateral resolution combined with great depth of field and in which the vom Object reflected echoes can be detected by a detector with a large aperture. The requirement for high lateral resolution and, at the same time, great depth of field is realized by according to the invention as a transmitter for the ultrasonic pulse Source with ring aperture is used, the width of the ring being the usable Specifies the depth of field.

Der Sendeimpuls als auch die Echos werden von einer Linse fokussiert bzw. auf den Empfänger gerichtet. Als Detektor für die ankommenden Echosignale wird ein Nachweis system mit großer Apertur benutzt, das sich aus mehreren Ringaperturen und dem Sendering mit verschiedenem Radius aufbaut. Durch die große Apertur wird die Nachweisempfindlichkeit gegenüber Systemen , die zur Detektion die gleiche Ringapertur wie zum Senden benutzen, erheblich gesteigert.The transmission pulse as well as the echoes are focused by a lens or directed at the recipient. As a detector for the incoming echo signals a detection system with a large aperture is used, which consists of several ring apertures and the transmitter ring with different radius builds up. Due to the large aperture the detection sensitivity to systems that use the same ring aperture for detection how to use it for sending, increased considerably.

Außerdem wird das Übertragungsverhalten des Systems dadurch wesentlich verbessert und die durch die Ringapertur erzeugten störenden Seitenmaxima des ausgesandten Ultraschallpuls in der Punktantwort verringert. Da ein Detektor großer Apertur gewöhnlicherweise nur einen geringen Tiefenschärfebereich aufweist, wird erfindungsgemäß der Tiefenschärfebereich durch Verwendung eines dynamisch fokussierbaren" Detektorsystem erweitert, d.h. der Fokus des Nachweissystems wird durch variable ' quadratische' Verzögerungsleitungen, die an das Ringapertursystem angeschlossen sind, geändert.In addition, the transmission behavior of the system becomes essential improved and the disturbing side maxima of the emitted generated by the ring aperture Ultrasound pulse decreased in the point response. As a large aperture detector usually has only a small depth of field, according to the invention the depth of field becomes by using a dynamically focusable "detector system, i. the focus of the detection system is determined by variable 'square' delay lines, connected to the ring aperture system.

Mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallsystem ist also eine hohe laterale Auflösung durch Verwendung eines Ringsenders, die Unterdrückung der Nebenmaxima durch Verwendung einer Vollapertur im Detektor system und die Erweiterung des Tiefenschärfebereichs durch die Verwendung eines dynamisch fokussierbaren Ringapertursystems möglich. Insbesondere gelingt die Erhöhung der Empfindlichkeit durch Verwendung einer Vollapertur im Detektorsystem und es wird nur ein Ultraschallpuls(im Gegensatz zu DT-AS 2306247) als Sendepuls benötigt und alle ankommenden Echos von der Vollapertur detektiert. Die Punktanwort ist durch die Gleichung J0 (x) J1 (x) A = const -x d.h. eine Punktanwort mit stark abgeschwächten Nebenmaxima, gegeben.With the ultrasonic system according to the invention, there is therefore a high lateral Dissolution through the use of a ring transmitter, the suppression the Secondary maxima through the use of a full aperture in the detector system and the extension of the depth of field through the use of a dynamically focusable ring aperture system possible. In particular, it is possible to increase the sensitivity through use a full aperture in the detector system and only one ultrasound pulse (in contrast for DT-AS 2306247) as a transmit pulse and all incoming echoes from the full aperture detected. The point answer is given by the equation J0 (x) J1 (x) A = const -x i.e. a point answer with strongly weakened secondary maxima is given.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Fig. 1 und 2 näher erläutert.The invention is illustrated below using an exemplary embodiment explained in more detail by means of FIGS.

Ein System 1 ringförmiger, piezoelektrischer Ultraschallwandler 2 und 3 (s. Fig. 1) wird zum Senden eines Ultraschallpulses äls auch zum Empfangen der ankommenden Echosignale benutzt. Ausgesandt wird ein Ultraschallpuls 7 nur von dem äußersten Ring 2 des Systems 1. Eine Linse 4 aus Polystyrol hinter dem Sende system 1 fokussiert das Ultraschallfeld längs einem Brennlinienbereich 8, wobei längs diesem Brennlinienbereich 8 eine sehr gute laterale Auflösung erreicht wird. Die längs dieser Linie 8 befindlichen reflektierenden und streuenden Strukturen des zu untersuchenden Objektes 9 erzeugen Ultraschallechos lo (nur einige mit Pfeilen angedeutet; Sendeimpuls 7 ist gleich Empfangspuls lo), die über die Polystyrollinse 4 von dem gesamten Detektorsystem 1 aufgenommen werden, um eine hohe Empfinglichkeit zu erreichen. An die einzelnen Ringe 2,3 des Empfängers 1 sind Verzögerungsleitungen 5 angeschlossen, deren Verzögerung von der Mitte M zum Rand eine quadratische Funktion ist. Über einen Taktgeber 11, der die Verzögerungsleitungen 5 steuert, wird der Fokussierungsbereich 8 so eingestellt, daß das Nachweissystem 1 auf den jeweiligen auftretenden Reflektionen des Sendepulses 7 fokussiert ist.A system 1 of annular, piezoelectric ultrasonic transducers 2 and 3 (see Fig. 1) is used for sending an ultrasonic pulse and also for receiving of the incoming echo signals. An ultrasound pulse 7 is only sent by the outermost ring 2 of the system 1. A lens 4 made of polystyrene behind the transmitter system 1 focuses the ultrasonic field along a focal line area 8, wherein A very good lateral resolution is achieved along this focal line area 8. The reflecting and scattering structures located along this line 8 of the object 9 to be examined generate ultrasonic echoes lo (only some with arrows indicated; Transmission pulse 7 is equal to reception pulse lo), which is transmitted through the polystyrene lens 4 can be recorded by the entire detector system 1 in order to achieve a high level of sensitivity to reach. Delay lines are attached to the individual rings 2, 3 of the receiver 1 5, whose delay from the center M to the edge is a quadratic function is. A clock generator 11, which controls the delay lines 5, is the Focusing range 8 set so that the detection system 1 on the respective occurring reflections of the transmission pulse 7 is focused.

Die Punktantwort A ist gegeben durch die u.a. Gleichung wobei x = 2 .a r ist.The point answer A is given by the equation below where x = 2 .ar.

# d Dies ist eine wesentliche Charakteristik des Systems 1, denn die Punktanwort A gibt das Signal, das ein punktförmiger Reflektor im Objekt 9 liefert. So ist JO die Besselfunktion nullter Ordnung, J1 die Besselfunktion erster Ordnung, J2 die Besselfunktion zweiter Ordnung. 2 a ist der Durchmesser der Vollapertur der Linse 4, Ädie verwendete Ultraschallwellenlänge, r ist der Abstand eines punktförmigen Reflektors von der Achse 12 des Ringsystems 1 und d die Entfernung von der Iinse 4 zum Reflektorpunkt im Objekt 9. Die Schwierigkeit bei Systemen mit großer Tiefenschärfe liegt darin, daß für alle bekannten Systeme, die zusätzlich eine hohe laterale Auflösung liefern sollen, die Seitenmaxima neben der Hauptbrennlinie stark störenden Einfluß haben. Bei der Punktantwort A des vorliegenden Systems-gilt für große Werte von r: Daher ist A für (rot,) = O, d.h. die Punktantwort klingt sehr schnell ab und wird 0 für große Werte von r.# d This is an essential characteristic of system 1, because the point response A gives the signal that a point reflector in the object 9 delivers. So JO is the zero order Bessel function, J1 the first order Bessel function, and J2 the second order Bessel function. 2 a is the diameter of the full aperture of lens 4, Ä the ultrasonic wavelength used, r is the distance of a point reflector from the axis 12 of the ring system 1 and d is the distance from the lens 4 to the reflector point in the object 9. The difficulty with systems with great depth of field lies in the fact that for all known systems which should also provide a high lateral resolution, the side maxima next to the main focal line have a strongly disruptive influence. In the case of the point answer A of the present system, the following applies for large values of r: Therefore, A for (rot,) = O, ie the point response decays very quickly and becomes 0 for large values of r.

In Fig. 2 ist die Punktantwort A in Richtung r bzw. x =2 r aufgetragen. Die Kurve 13 zeigt die erfindungsgemäß erhaltene Punktantwort A, während die Kurve 14 eine Punktantwort wiedergibt, wie sie mit einem System nach der DT-AS 2306247 erhalten wird.In Fig. 2, the point response A is plotted in the direction r or x = 2 r. The curve 13 shows the point response A obtained according to the invention, while the curve 14 reproduces a point answer as it is with a system according to DT-AS 2306247 is obtained.

Für r = O bzw. x=O sind beide Kurven 13 und 14 auf den gleichen Wert A = 1 normiert.For r = O and x = O, both curves 13 and 14 have the same value A = 1 normalized.

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Claims

Claims: rltraschalleech osystem in which a pulse-shaped limited ultrasonic wave, the cross-sectional area of which is ring-shaped, onto an object directed and the echoes are picked up by a receiver, characterized in that, that a transceiver system (1) is provided, which consists of concentric rings (2,3) consists that only one of the rings as transmitter (2) and all rings (3) including the transmitter ring (2) serve as a receiver that between the transmitter-receiver system (1) and a focusing lens (4) is arranged on the object (9), and that the transmitter ring (2) and the receiver rings (2,3) via square-acting and variably changeable Delay lines (5) connected to a known signal evaluation (6) are.

2. Ultrasonic echo system. according to claim 1, characterized in that that the outermost ring (2) of the transceiver system (1) is designed as a transmitter ring is.