DE2709925C2 - Schallkopf für Untersuchungen mit Ultraschall nach dem Impuls-Echoverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schallkopf zur Verbesserung des seitlichen Auflösungsvermögens bei Untersuchungen mit Ultraschall nach dem Impuls-Echoverfahren, der zusätzlich zu einem kreis- oder kreisringförmigen Schwinger einen oder mehrere diesen konzentrisch umgebende Schwinger oder Schwingerzonen mit gesonderten Anschlüssen aufweist und bei dem der Abstand der Zone höchster Empfindlichkeit vom Schallkopfeinstellbarist.

Ein normaler, ebener Schallkopf besitzt die Eigenschaft, ein Schallbündel abzugeben, das zunächst den gleichen Durchmesser wie der Schwinger des Schallkopfes aufweist, aber mit zunehmendem Abstand vom Schallkopf divergiert, so daß in größeren Tiefen eines untersuchten Objektes auch größere Bereiche vom Schallbündel erfaßt werden als in unmittelbarer Schallkopfnähe, wodurch sich das seitliche Auflösungsvermögen mit zunehmender Tiefe verschlechtert. Bei Schnittbildern und auch bei A-Bildern werden dadurch die aus größeren Tiefen des untersuchten Objektes stammenden Signale verzerrt und dadurch die aus den Signalen gewonnenen Bildteile verschwommen gezeichnet, so daß die Deutlichkeit bzw. Genauigkeit der Darstellung mit zunehmender Tiefe abnimmt Man kann zwar die auftretende Schallschwächung durch laufzeitabhängige ίο Verstärkung der Impulse kompensieren, doch ist dadurch noch nichts für die Verbesserung des seitlichen Auflösungsvermögens getan.

Es wurde schon versucht, das seitliche Auflösungsvermögen auf elektronischem Wege zu verbessern, wobei eine Zwischenspeicherung der empfangenen Signale und ein Vergleich der nacheinander von der gleichen Stelle des Objektes gewonnenen Informationen sowie eine Auswahl im Sinne einer Verbesserung der Auflösung vorgenommen wird, doch ist dieses Verfahren auf- wendig und erfordert besonders ausgerüstete Geräte.

Es ist bekannt, daß man durch Fokussierung bei Schallköpfen eine Verengung des Schallbündels und damit eine Verbesserung des seitlichen Auflösungsvermögens erzielen kann. Die Fokussierung kann prinzipiell auf zwei verschiedene Arten, nämlich einerseits durch die Verwendung sphärisch gekrümmter Schwinger oder Schallinsen bzw. Kombinationen daraus und andererseits durch Unterteilung des Schwingers in eine Vielzahl von meist konzentrische Kreise bzw. Kreisringe bilden de Einzelschwinger erreicht werden, wobei diese Einzel schwinger phasenverschoben erregt werden. Für diese Phasenverschiebung können u. a. Zeitverzögerungsglieder Verwendung finden, die zwischen die Einzelschwinger geschaltet sind. Durch die Phasenverschiebung wer- den die verschieden langen Schallaufzeiten von jedem Einzelschwinger zu einem gewählten Brennpunkt kompensiert. Bei fester Fokussierung ergibt sich der grundsätzliche Nachteil, daß zwar in der einen vorbestimmten Abstand vom Schallkopf aufweisenden Fokuszone eine Verengung des Schallbündels und damit eine Verbesserung des seitlichen Auflösungsvermögens und der Empfindlichkeit auftritt, das Schallbündel aber hinter dieser Zone wesentlich stärker als ein nicht fokussiertes Schallbündel divergiert, so daß sich dort Auflösungsvermögen und Empfindlichkeit verschlechtern.

Bisher wurde grundsätzlich von der Annahme ausgegangen, daß die Tiefenlage der Zone maximaler Empfindlichkeit bzw. der kleinsten Querschnittsfläche des Schallbündels im Objekt nur bei den Schallköpfen mit in

so viele Einzelschwinger, die untereinander phasenverschoben erregt bzw. empfindlich geschaltet werden, aufgelöstem Schwinger dadurch verändert werden könne, daß man durch Änderung der Phasenverschiebung zwi schen benachbarten Schwingern nach einem vorbe- stimmten oder vorwählbaren Programm die Lage des Brennpunktes gegenüber dem Schallkopf und damit auch die Lage der Fokuszone verändert. Dies setzt eine äußerst aufwendige Apparatur voraus, wobei es notwendig wird, die Phasenstellglieder aus dem Schallkopf

bo heraus in das zugehörige Gerät zu verlegen. Die Anschlußleitungen zu den Einzelschwingern müssen voneinander abgeschirmt werden.

Bei iokussiertcn Schallköpfen mit gekrümmtem Schwinger oder vorgesetzter Schallinse hat man bisher

bi eine Änderung des Abstandes der Zone maximaler Empfindlichkeit vom Schallkopf für unmöglich gehalten. Solche Schallköpfe wurden daher bisher nur dann verwendet, wenn das erhöhte Auflösungsvermögen tat-

sächlich und nur im Bereich der Fokuszone benötigt wurde.

Schallköpfe mit zwei oder mehreren Schwingern, die meist konzentrisch angeordnet und k>eis- bzw. kreisringförmig ausgebildet sind, werden, abgesehen von der erwähnten Fokussierung durch phasenverschobene Erregung, auch schon für andere Zwecke verwendet So ist es bekannt, bei der Anordnung von zwei solchen Schwingern den einen Schwinger zum Senden und den anderen zum Empfangen zu verwenden. Bei einer Sonderkonstruktion ist der Ringschwinger sphärisch gewölbt, so daß er ein im gesamten zu untersuchenden Bereich des Objektes konvergierendes Schallbündel erzeugt, in das die Empfindiichkeitskeule des Innenschwingers hineinragt. Zweck dieser Maßnahme ist es, die mit zunehmender Tiefe verstärkte Schallabsorption durch die Bündelung zu kompensieren. In einem anderen Fall wird eine Untersuchung nach dem Impuls-Echoverfahren nur mit dem einen der be^;den Schwinger vorgenommen. Der andere Schwinger arbeitet auf einer stark unterschiedlichen Frequenz und dient nur der Überwachung der Güie der Ankopplung des Schallkopfes an das untersuchte Objekt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Schallkopfes der genannten Art, bei dem die Tiefenlage der Zone maximaler Empfindlichkeit bzw. der kleinsten Querschnittsfläche des Schallbündels im Objekt mit einfacheren Mitteln als bisher auf eine völlig neuartige Weise einstellbar ist.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Schallkopf fest fokussiert ist und die Schwinger bzw. Schwingerzonen für sich, gemeinsam oder gruppenweise, vorzugsweise in Phase, erregbar sind, so daß die Tiefenlage der Zone maximaler Empfindlichkeit bzw. der kleinsten Querschnittsfläche des Schallbündels im Objekt durch Änderung der Größe der abstrahlenden bzw. empfangenden Fläche einstellbar ist.

Die Erfindung geht von der völlig neuen Erkenntnis aus, daß für die Tiefenlage der Zone maximaler Empfindlichkeit neben der Fokussierung auch die Größe der abstrahlenden bzw. empfangenden Fläche des Schallkopfes, also des wirksamen Schwingerdurchmessers, maßgeblich ist. Bisher wurde im Gegensatz dazu angenommen, daß lediglich die Brennweite für die Fokussierung maßgeblich sei. In allen bekannten Formeln für die Berechnung der Brennweiten von Linsen oder gekrümmten Schwingern wird daher auch der Schwingerdurchmesser und damit die Schwingerfläche prinzipiell vernachlässigt. Durch die Änderung der Größe der abstrahlenden bzw. empfangenden Fläche ist mit wesentlich einfacheren Mitteln als bisher eine Änderung des Abstandes der Zone höchster Empfindlichkeit vom Schallkopf möglich.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Ringzonen voneinander und vom Radius des kreisförmigen Mittelschwingera abweichende, sich als Differenz aus dem Außen- und Innenradius ergebende Breiten auf. Durch Zu- und Abschalten von Schallkopfzonen kann die Zone höchster Empfindlichkeit eingestellt werden. Man kann die Umschaltung auch während der Untersuchung eines Objektes z. B. zyklisch vornehmen, so daß alle Tiefenzonen des Objektes mit verbessertem seitlichem Auflösungsvermögen geprüft werden.

Weitere Einzelheiten des Erfindungsgegenstandes und ein Gerät, mit dem der erfindungsgemäße Schallkopf verwendbar ist, werden im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht. Es zeigt

F i g. 1 schematisiert das Schallbündel eines fokussierten Schallkopfes,

F i g. 2 einen Schallkopf in Seitenansicht bei im Längsschnitt dargestellten Schwingern,

F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie HI-III der F i g. 2. F i g. 4 ein vereinfachtes Schaltschema zu dem Schallkopf nach den F i g. 2 und 3,

F i g. 5 den Schwinger eines weiteren Schallkopfes im Längsschnitt und

F i g. 6 ein Blockschaltschema eines mit dem Schallkopf ausgestatteten Gerätes.

Bei einem herkömmlichen fokussierten Schallkopf nach F i g. 1 sitzt vor einem ebenen Schwinger 1 eine Schallinse 2. Es könnte auch ein gewölbter Schwinger mit oder ohne nachgeordnete Schallinse Verwendung finden. Das Schallbündel 3 füllt die im Längsschnitt schraffiert gezeichnete Fläche aus. Wäre der Schallkopf nicht fokussiert, so hätte das Schallbündel eine bei dem gleichen Schwinger 1 durch die strichlierten Linien 4 angedeutete Außenkontur. Jener Teil 5 des fokussierten Schallbündels, der einen einen bestimmten Bruchteil des Querschnittes des nicht fokussierten Schallbündels unterschreitenden Querschnitt aufweist, wird als Zone maximaler Empfindlichkeit bezeichnet. Die Lage und Ausdehnung dieser Zone 5 wird von der Brennweite der Schallinso bzw. des sphärischen Schwingers beeinflußt. Diese Brennweite ist aber nicht die ausschließlich maßgebende Größe, so daß die Zone maximaler Empfindlichkeit nicht mit der Brennweite übereinstimmt. Eine weitere maßgebende Größe ist der Durchmesser bzw. die wirksame Fläche des verwendeten Schwingers. Dieser wirksame Durchmesser kann beim erfindungsgemäßen Schallkopf verändert und dadurch die Zone maximaler Empfindlichkeit 5, die praktisch der kleinsten Querschnittsfläche des Schallbündels entspricht, der Länge nach verschoben werden.

Nach den Fig.2 und 3 besitzt der Schallkopf einen kreisförmigen Schwinger 1, der konzentrisch von einem ringförmigen Schwinger la umgeben ist. Beide Schwinger sind elektrisch mindestens einpolig getrennt und auf die Schallinse 2 aufgeklebt. An der Rückseite der Schwinger 1, ta ist ein Dämpfungskörper 6 angebracht. Wegen der erforderlichen elektrischen Trennung müssen der Dämpfungskörper 6 und bzw. oder die Linse 2 aus einem Nichtleiter bestehen bzw. durch eine Isolierschicht vom Schwinger 1, la getrennt sein. Wird nur der Mittelschwinger 1 erregt, so ist für die Lage der Zone 5 neben der Brennweite der Line 2 der wirksame Durchmesser ο dieses Schwingers maßgebend. Werden jedoch beide Schwinger parallelgeschaltet und erregt, so ist neben der Linse der Außendurchmesser r₂ des Ringschwingers für die Lage der Zone 5 bestimmend. Der Schallkopf verhält sich so, als ob ein Schwinger mit dem Durchmesser r-i vorhanden wäre. Wird der Ringschwinger la allein erregt, so entsteht ebenfalls ein fokussiertes Schallbündel, wobei aber jetzt für die Lage der Fokuszone die Differenz zwischen Außen- und Innendurchmesser des Ringes, also Γ2 — A entscheidend ist. Durch entsprechende Wahl von η und r^ läßt sich erreichen, daß der Schallkopf mit drei verschiedenen Zonen höchster Empfindlichkeit betrieben werden kann, die aber zweckmäßig in ihren Endbereichen überbppen. Die jeweils gewünschte Betriebsweise kann

b5 durch einen einfachen Umschaltvorgang erzielt werden. Eine entsprechende Schaltung ist in F i g. 4 angedeutet. Dabei sind die Schwinger 1 und la einpolig über eine Leitung 10 mit Masse verbunden. Eine vom Ultraschall-

gerät kommende Sende- und Empfangsleitung 7, über die also die Sendeimpulse zu- und die empfangenen Echoimpulse abgeleitet werden, ist auf einen Umschalter 8 gelegt. Über diese Leitung 7 und den Umschalter 8 kann je nach Schalterstellung einer der beiden Schwinger I, la oder auch beide Schwinger gemeinsam mit dem Gerät verbunden werden. Die zur entsprechenden Elektrode des Schwingers 1, in führende Anschlußleitung liegt zusätzlich an einer Spule 9 bzw. 9.v, deren anderes Ende ebenfalls mit Masse verbunden ist. Die Spulen 9, 9a stellen zusammen mit der Kapazität des zugeordneten Schwingers einen elektrischen Schwingkreis dar, der auf die mechanische Eigenfrequenz der Schwinger 1, Ii? abgestimmt werden kann, um einen guten Wirkungsgrad zu erhalten. Wegen der Verwendung getrennter Spulen ist es möglich, diese Forderung auch bei unterschiedlichen Kapazitäten der beiden Schwinger zu erfüllen, weil die Schwingkreise unabhängig voneinander abgeglichen werden können. Der Schalter 8 kann als ein von Hand aus zu betätigender mechanischer Schalter oder auch als zwangsweise gesteuerter elektronischer Schalter ausgeführt sein.

Eine einwandfreie Funktion bei Parallelschaltung beider Systeme ist dann gegeben, wenn beide Systeme auf gleicher Frequenz schwingen. Dies wird einerseits durch die elektrische Kopplung erreicht, doch kann man die erwähnte Bedingung auch durch eine mechanische Kopplung weiter absichern. Dabei ist ein gemeinsamer Schwingkörper vorgesehen und überdies ergibt sich eine Vereinfachung bei der Herstellung des Schallkopfes. In Fig.5 ist die letztgenannte Möglichkeit angedeutet. Im Gegensatz zu den F i g. 2 bis 4 werden nicht gesondert hergestellte, mechanisch getrennte Schwinger verwendet, sondern man sieht einen gemeinsamen Schwingerkörper 1 mit einem Durchmesser r> vor, der beispielsweise mit Flächenelektroden 11 bzw. 13 ausgestattet wird. Auf der Rückseite des Schwingers 1 ist eine konzentrische Ringnut 12 eingearbeitet, wodurch einerseits die Elektrode dieser Seite in eine Mittelelektrode lendes Bild streifenweise aufnehmen und dabei jeden Bildstreifen in eine der erreichbaren Fokuszonen legen. Eine entsprechende Schaltung ist in F i g. 6 veranschaulicht.

Bei dem dargestellten Gerät werden von einem Sender 14 aus Sendeimpulse zur Erregung eines Schallkopfes 18 diesem über eine Leitung 19, einen Umschalter 8 und eine mehrpolige Leitung 20 zugeführt. Die Stellung des Umschalters 8 bestimmt, welche Systeme des

lü Schallkopfes angeregt werden und wo jeweils die Zone 5 liegt. Die zu dem abgesandten Schallimpuls empfangenen Echosignale werden wieder in elektrische Signale rückverwandelt und gelangen über die Leitung 20, den Umschalter 8 und die Leitung 19 zur Leitung 21 und von

!■> dieser auf einen Verstärker 15. Nach entsprechender Verstärkung werden die Echosignale über die Leitung 22 einem elektronischen Umschalter 16 zugeführt, der jeweils eine bestimmte, einstellbare Zeit nach dem Aussenden eines Impulses durchlässig wird und etwas später wieder sperrt. Die Zeitdauer, in der der Schalter 16 für die Signale durchlässig ist, wird so bemessen, daß der Schalter nur Signale aus der jeweils eingestellten Fokuszone durchläßt und alle früher oder später eintreffenden Signale zurückhält. Um dies zu erreichen, wird der Schalter einerseits über die Leitung 23 vom Sender 14 getriggert und erhält anderseits vom Umschalters über die Leitung 24 Steuersignale, durch die bei Veränderung der Lage der Fokuszone mittels des Umschalters 8 auch die Durchlaßzeiten des Schalters 16 analog verändert werden. Die durchgelassenen Signale werden über die Leitung 25 einer Anzeige- oder Speichereinheit 17 zugeführt, die eine Bildspeicherröhre, ein elektronischer Speicher mit einer Adressiereinrichtung od. dgl. sein kann. Das Gerät kann als A-Bildgerät in der beschriebenen Form oder auch als Schnittbildgerät ausgebildet sein, wobei im letzteren Fall noch eine Schnittbildmechanik und eine Adressiereinrichtung bzw. bei einem Zwischenspeicher zusätzlich eine Abfrageeinheit vorgesehen wird, um eine Anzeige der durchgelassenen Si-

11 und eine Ringelektrode 11a unterteilt und anderseits 40 gnale an dem geometrischen Ort ihrer Entstehung zugeauch eine Teilirennung der Schwingerzonen vorgcnom- ordnetcr Stelle am Schnittbild zu ermöglichen. Beim A-men wird. Die mechanische Kopplung zwischen Ringzone und Innenzone ist gegeben und kann in ihrem

Absolutwert durch die Tiefe der Ringnut 12 eingestellt und B-BiId kann die Aufnahme so durchgeführt werden, daß zunächst in einem ersten Abtastvorgang nur ein Teil des Bildes bzw. der Anzeige, der der augenblickli-

werden. Die Elektrode 13 bildet zweckmäßig den Mas- 45 chen Lage der Fokuszone entspricht, geschrieben bzw. seanschluß. Es wäre auch möglich, von ihrer Seite her angezeigt wird. Nach Umschalten von 8 wird im folgenzusätzliche Ringnuten anzubringen. Der gesamte
Schwinger besitzt eine einheitliche für beide Schwingersysieme gleiche mechanische Eigenfrequenz. Bei Verwendung getrennter Systeme sollen auch diese gleiche 50
mechanische Eigenfrequenzen besitzen, wozu aber
Messungen und Abgleich verfahren notwendig sind.

Man kann auch mehrere konzentrisch verlaufende Ringschwinger vorsehen, wobei aber jeweils zweckmäden Abtastvorgang der anschließende Streifen geschrieben und der ganze Vorgang so oft wiederholt, bis das vollständige Bild bzw. die vollständige Anzeige vorliegt. Wird der Umschalter 8 jedoch als elektronischer Schalter ausgebildet, dessen Umschaltfrequenz hoch eeeenüber der Abtastgeschwindigkeit ist, so können während eines einzigen Abtastvorganges die verschiedenen Tie

fenbereiche periodisch durch Umschalten der Fokuszoßig die Ringzonen voneinander und vom Radius des 55 ne durchlaufen werden, so daß das ganze Bild innerhalb kreisförmigen Schwingers abweichende, sich als Diffe- eines Abtastvorganges entsteht und die dabei auftretenrenz aus dem Außen- und Innenradius ergebende Brei- den Unterbrechungen am Übergang von Zone zu Zone, ten aufweisen, damit jeder dieser Ringschwinger eine die auch durch die Umschaltung bedingt sind, so klein andere Tiefenlage der Fokuszone bestimmt. werden, daß sie sich nicht oder nicht störend bemerkbar

Die Lage der Zone höchster Empfindlichkeit bzw. des 60 machen,
kleinsten Schallbündeiquerschnittes kann auf den für die

Beurteilung maßgebenden Tiefenbereich eines Objektes eingestellt werden. 1st jedoch die Tiefe es zu untersuchenden Gesamtbereiches, der erfaßt werden kann, größer als eine einzelne Fokuszone, so käme es bei nur einer Fokuszone zu einem Schärfenabfall. Mit einer besonderen Art der Umschaltung bei einem erfindungsgemäß ausgestatteten Gerät kann man aber ein dazustel-Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schallkopf zur Verbesserung des seitlichen Auflösungsvermögens bei Untersuchungen mit Ultraschall nach dem Impuls-Echoverfahren, der zusätzlich zu einem kreis- oder kreisringförmigen Schwinger einen oder mehrere diesen konzentrisch umgebende Schwinger oder Schwingerzonen mit gesonderten Anschlüssen aufweist und bei dem der Abstand der Zone höchster Empfindlichkeit vom Schallkopf einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallkopf fest fokussiert ist und die Schwinger bzw. Schwingerzonen für sich, gemeinsam oder gruppenweise vorzugsweise in Phase erregbar sind, so daß die Tiefenlage der Zone maximaler Empfindlichkeit bzw. der kleinsten Querschnittsfläche des Schallbündels im Objekt durch Änderung der Größe der abstrahlenden bzw. empfangenden Fläche einstellbar ist.

2. Schallkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringzonen (I, \a) voneinander und vom Radius des kreisförmigen Mittelschwingers abweichende, sich als Differenz aus dem Außen- und Innenradius ergebende Breiten aufweisen.

3. Mit einem Schallkopf nach Anspruch 1 oder 2 ausgestattetes Ultra-Schalluntersuchungsgerät, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät einen Umschalter (8) aufweist, über den die Schwinger bzw. Schwingerzonen (1, \a)des Schallkopfcs wahlweise einzeln, in Gruppen oder gemeinsam mit dem Sender (14) und dem Empfänger (15) des Gerätes verbindbar sind.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter (8) zusätzlich einen elektronischen Schalter (16) des Gerätes steuert, so daß dieser nur die aus der jeweils eingestellten Zone höchster Empfindlichkeit des Schallkopfes stammenden Echosignale zu der Anzeige- bzw. Speichereinheit (17) des Gerätes durchläßt.

5. Gerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Umschalter (8) als elektronischer Schalter ausgebildet ist und die Schwinger bzw. Schwingerzonen mit einer im Verhältnis zur Abtastfrequenz hohen Umschaltfrequenz in den die verschiedenen Zonen höchster Empfindlichkeit ergebenden Kombinationen mit dem Sender verbindet.