Investigation of the Suitability of Tissue Phantoms for Testing the Constancy of Ultrasonic Transducer Arrays in Quality Assurance

Abstract

Purpose: To ensure high quality ultrasound diagnostics, proper functioning of the devices used is a necessary prerequisite. Ultrasound transducers have proven to be the most failure-prone part of the signal chain. Their technical monitoring is possible in principle with the help of tissue phantoms. The background of the present study is to determine which type of phantoms and which measurement parameters are best suited to a consistency test as part of routine quality assurance of ultrasound imaging systems.

Materials and Methods: A classic wire-type phantom (ATS Mod. 539, ATS Labs Bridgeport, USA) and a 3 D cyst phantom (TCC, Timelkam, Austria) were used for the studies and comparative tests were conducted between intact transducers and those in which faults had been simulated. The collected measurement data show a relatively large scatter. Therefore, statistical analysis methods were used, and the discrimination analysis proved to be a useful tool.

Results: Local failures which arise, e. g. due to the breakdown of individual piezoelectric elements or element groups in the transducer array, can be detected with the help of the gray value targets of the ATS phantom, but only in those cases in which the error-affected sound field part actually overlaps with the target under consideration. The TCC phantom is not suitable for the detection of such errors. Global transducer failures, i. e. those that affect the entire array, can even be detected with both types of phantoms.

Conclusion: When the emphasis of quality assessment is on the detection of local defects in the array that make up the largest part of the transducer faults, studies with conventional phantoms are only of limited value.

Zusammenfassung

Ziel: Für die Gewährleistung einer hohen Qualität der Ultraschalldiagnostik ist die ordnungsgemäße Funktion der Gerätesysteme eine notwendige Voraussetzung. Als störanfälligster Teil in der Signalkette gelten die Schallwandler. Ihre technische Überwachung ist prinzipiell mithilfe von Gewebephantomen möglich. Hintergrund der vorliegenden Arbeit ist die Frage, welcher Typ von Phantomen und welche Messparameter für einen Konstanztest im Rahmen einer routinemäßigen Qualitätskontrolle von Ultraschall-B-Systemen geeignet sind.

Material und Methoden: Es wurde ein klassisches Fadenphantom (ATS Mod. 539, ATS Labs Bridgeport, USA) und ein 3-D-Zysten-Phantom (TCC, Timelkam, Österreich) für die Untersuchungen verwendet und ein Vergleich durchgeführt zwischen intakten Wandlern und solchen, bei denen bestimmte Fehler simuliert wurden. Die erhobenen Messdaten unterliegen einer relativ großen Streuung. Deshalb wurden statistische Auswertemethoden eingesetzt, von denen sich die Diskriminanzanalyse als geeignetes Werkzeug erwies.

Ergebnisse: Lokale Fehler, die z. B. durch den Ausfall von einzelnen piezoelektrischen Elementen oder Elementgruppen im Wandlerarray entstehen, können mithilfe der Grauwert-Targets des ATS-Phantoms detektiert werden, allerdings nur, wenn der durch den Fehler beeinträchtigte Teil des Schallfelds tatsächlich auch das betrachtete Target überdeckt. Das TCC-Phantom ist für den Nachweis derartiger Fehler nicht geeignet. Globale Wandlerfehler, d. h. solche, die das gesamte Array gleichmäßig betreffen, können mit beiden Phantomen nachgewiesen werden.

Schlussfolgerung: Setzt man den Schwerpunkt der Qualitätskontrolle auf den Nachweis von lokalen Defekten im Array, die den größten Teil der Wandlerschäden ausmachen, so sind Phantomuntersuchungen herkömmlicher Art nur bedingt geeignet.

Key words

QA/QC - technical aspects - equipment - constancy test - tissue equivalent phantoms

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