AT392358B - Method and equipment for examining the rheological relationships in a flow of a fluid medium containing particles - Google Patents
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Abstract
Description
AT 392 358 BAT 392 358 B
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur, bevorzugt berührungslosen, Untersuchung der rheologischen Verhältnisse in einem Strom eines zumindest zweiphasigen, eine Vielzahl von Partikeln enthaltenden fluiden Mediums, wobei in den Fluidstrom periodisch Ultraschall-Pulse vorgegebener Frequenz und Dauer gesendet werden und die von den bewegten Teilchen rückgestreuten, infolge Doppler-Effektes hinsichtlich ihrer Frequenz veränderten Ultraschall-Echo-Pulse, vorzugsweise in den Sendepausen, empfangen, in elektrische Empfangs-Signale umgewandelt, verstärkt und mit dem den gesendeten Pulsen zugrundeliegenden Signal gemischt werden, und die so gebildeten, die Information bezüglich Doppler-Frequenzverschiebung enthaltenden Signale weiters nach weitgehender Ausfilterung störender Frequenzen mit einer - einer Mehrzahl von, vorzugsweise örtlich aneinandergrenzenden, diskreten Volums-Bereichen zumindest eines Teiles eines Schnittes quer zum Strömungs-Verlauf entsprechenden - Anzahl vorgegebener, schrittweise sich ändernder Zeitverzögerungen gegenüber den Zeitpunkten des Beginns der gesendeten Pulse, bevorzugt zu jeweils im Abstand der Pulslänge auseinanderliegenden Zeitpunkten abgetastet werden, und, vorzugsweise nach Digitalisierung, die für jede der Zeitverzögerungen erhaltenen Dopplerfrequenz-Signale in Dopplerfrequenz-Signalspektren umgewandelt werden und diese in eine Mehrzahl von - den genannten Volums-Bereichen bzw. Zeitverzögerungen entsprechenden - Kanälen gespeichert und ausgewertet werden und schließlich die erhaltenen Daten an eine Speicher- und/oder Ausgabe-Einheit abgegeben und dort ausgegeben werden, sowie Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for, preferably non-contact, investigation of the rheological conditions in a stream of an at least two-phase, fluid medium containing a large number of particles, wherein ultrasound pulses of a predetermined frequency and duration are periodically sent into the fluid stream and the backscattered from the moving particles , due to Doppler effect with regard to their frequency, changed ultrasound echo pulses, preferably in the transmission pauses, received, converted into electrical reception signals, amplified and mixed with the signal on which the transmitted pulses are based, and the information thus formed relating to Doppler Signals containing frequency shift further predetermined largely after filtering out interfering frequencies with a number corresponding to a plurality of, preferably locally adjacent, discrete volume regions of at least part of a section transverse to the flow profile ner, step-wise changing time delays compared to the times of the beginning of the transmitted pulses, preferably sampled at times separated by the pulse length, and preferably after digitization, the Doppler frequency signals obtained for each of the time delays are converted into Doppler frequency signal spectra and these are stored and evaluated in a plurality of channels corresponding to the volume ranges or time delays mentioned, and finally the data received are output to a storage and / or output unit and output there, as well as devices for carrying out the method.
Eine wesentliche Aufgabe der Erfindung ist die Zurverfügungstellung eines Verfahrens und einer Einrichtung zur quantitativen Erfassung bzw. Bestimmung der schergradabhängigen Strukturen in partikelhältigen Fluidströmen in situ, wie insbesondere in Körperflüssigkeitsströmen von Mensch und Tier unter zumindest in-vivo-nahen Bedingungen. Grundlage der Messungen auf den genannten Gebieten stellt die Streuung einer eingestrahlten Ultraschallwelle an den Teilchen bzw. an von ihnen gebildeten Strukturen, wie z. B. Blutkörperchen-Strukturen, dar.An essential object of the invention is to provide a method and a device for the quantitative detection or determination of the shear-rate-dependent structures in particle-containing fluid streams in situ, such as in particular in body fluid streams of humans and animals under conditions that are at least in vivo. The scattering of an incident ultrasonic wave on the particles or on structures formed by them, such as e.g. B. blood cell structures.
Eine berührungsarme bzw. -freie Beobachtung des Verhaltens feiner Partikel in strömenden Fluiden ist ein wesentliches Anliegen der Fachwelt auf den verschiedensten Gebieten der Technik und Wissenschaft und gewinnt zunehmend an Bedeutung, insbesondere dort, wo es in strömenden Medien zu Wechselwirkungen zwischen den Teilchen, z. B. zu deren Aggregation kommen kann. Jede übliche materielle Untersuchungssonde, die ja gerade in die sensibelsten Bereiche eines vom Fluid durchströmten Systems einzubringen ist, verändert die Strömungsverhältnisse derart, daß oft nicht einmal qualitative Aussagen über die Fluid-Dynamik in diesen Bereichen »folgen können.A low-contact or non-contact observation of the behavior of fine particles in flowing fluids is a major concern of experts in a wide variety of fields of technology and science and is becoming increasingly important, especially where there are interactions between the particles, e.g. B. can come to their aggregation. Every common material probe, which is to be placed in the most sensitive areas of a system through which the fluid flows, changes the flow conditions in such a way that often not even qualitative statements can be made about the fluid dynamics in these areas.
Als Einsatzgebiete für solche Untersuchungen seien nur beispielhaft die Aufbereitung von Erzen, die Baustoff-, Keramik-, Pigment-, Papier-, Kunststoff-, Lack- und Lebensmittel-Verarbeitung sowie die Abwasser-Technik genannt, wo überall Partikel-Suspensions-Ströme zu bewältigen sind, weiters jedoch auch die pharmazeutische Produktion und die Medizintechnik einschließlich der Diagnose strömender Medien in physiologischen Systemen.Areas of application for such investigations include the processing of ores, the processing of building materials, ceramics, pigments, paper, plastics, varnish and food, as well as waste water technology, where particle suspension flows occur everywhere are to be mastered, but also pharmaceutical production and medical technology including the diagnosis of flowing media in physiological systems.
Auf dem Sektor der Medizin sind atraumatische, perkutane Blutfluß-Messungen angesichts der Zunahme von Herz-, Kreislauf- und Gefäßerkrankungen von hoher Bedeutung und bringen eine wesentliche Vereinfachung der Diagnose und »höhte Patientenfreundlichkeit.In the medical sector, atraumatic, percutaneous blood flow measurements are of great importance in view of the increase in cardiovascular and vascular diseases and bring about a significant simplification of the diagnosis and »increased patient friendliness.
Zu Beginn der Entwicklung wurde versucht, durch viskosimetrische Messungen, mikroskopische Bildauswertung oder durch die Lichtstreuung auf die thixotropen Eigenschaften und damit auf die dynamisch»! Strukturen von Teilchen-Suspension»i rückzuschließen. Die zuletzt genannte Methode - äquivalent zur später entwickelten Ultraschall-Methode - ist infolge starker Absorption der Lichtwellen, der nicht exakten Ortsbestimmung des Meßvolumens und komplizierter theoretischer Zusammenhänge zwischen Lichtstreuung und Fluidstruktur nur begrenzt einsetzbar. 1959 wurde erstmals das sogenannte Ultraschall-Doppler-Verfahren zur Gefäßuntersuchung eingesetzt. Dieses sowie davon abgeleitete Verfahren und Vorrichtungen b»uhen auf dem sogenannten "CW" (continuous wave)-Doppler-Verfahren, bei dem kontinui»lich ein Ultraschallstrahl in den zu untersuchenden Teilchenstrom gesendet wird und der von den bewegten Teilchen rückgestreute Ultraschall von einem Empfänger-Wandler wieder empfangen wird Das empfangene "Echo"-Signal ist gegenüber dem Sendesignal infolge des Dopplereffektes frequenzverschoben, die Differenzfrequenz wird angezeigt Eine genaue Bestimmung der Lage des Ortes im Strom, wo die Geschwindigkeit gemessen wird, ist bei dieser integralen Meßmethode nicht möglich. Da d» gesamte Strömungs-Querschnitt nicht gleichmäßig vom Ultraschallstrahl beschallt wird, ist auch eine quantitative Flußbestimmung erschwertAt the beginning of the development, attempts were made to determine the thixotropic properties and thus the dynamic by viscometric measurements, microscopic image evaluation or light scattering! Conclude structures of particle suspension »i. The latter method - equivalent to the ultrasound method developed later - can only be used to a limited extent as a result of strong absorption of the light waves, the inaccurate location of the measurement volume and complicated theoretical relationships between light scattering and fluid structure. In 1959, the so-called ultrasound Doppler procedure was used for vascular examination for the first time. This and the methods and devices derived from it are based on the so-called " CW " (continuous wave) Doppler method, in which an ultrasound beam is continuously sent into the particle stream to be examined and the ultrasound backscattered by the moving particles is received again by a receiver transducer. The received "echo" signal is compared to the Transmit signal frequency-shifted due to the Doppler effect, the difference frequency is displayed. An exact determination of the position of the location in the current where the speed is measured is not possible with this integral measuring method. Since the entire flow cross-section is not uniformly irradiated by the ultrasound beam, quantitative flow determination is also difficult
Um die bis dahin nicht zugängliche Orts-Information zu erhalten, wurden "gepulste Ultraschall-Doppler-Verfahren" entwickelt bei denen kurze Ultraschall-Wellenzüge (Bursts) schräg in den Fluidstrom gesendet werden, und der von den Teilchen rückgestreute Schall wieder »npfangen wird. Die Lage des jeweiligen Meßortes folgt aus der Laufzeit des Ultraschallbursts, also aus dem Empfangszeitpunkt des "Echos". Die Information üb» die Teilchengeschwindigkeit ist, wie beim CW-Doppler-V»fahren, in der Frequenzverschiebung des empfangenen rückgestreuten Schalls enthalten. Legt man einen bestimmten Empfangs-Zeitpunkt, also einen Zeitpunkt zu dem das "Echo" empfangen wird, relativ zum Zeitpunkt des Beginns des gesendeten Bursts fest so erhält man die gewünschte Geschwindigkeits-Information aus einem einzigen diskreten kleinen Volumensbereich an einer ganz bestimmten Stelle des Stromes. Durch diese Ortslage-Selektivität läßt sich eine Überlagerung durch Signale aus -2-In order to obtain the location information which had not been accessible until then, " pulsed ultrasonic Doppler methods " developed in which short ultrasonic wave trains (bursts) are sent obliquely into the fluid flow, and the sound backscattered by the particles is received again. The location of the respective measurement location follows from the transit time of the ultrasound burst, i.e. from the time of reception of the "echo". As with the CW-Doppler-V, the information about the particle velocity is contained in the frequency shift of the received backscattered sound. If you set a specific reception time, i.e. a time at which the " echo " received, relative to the time of the beginning of the transmitted burst, the desired speed information is obtained from a single, discrete, small volume range at a specific point in the stream. This local position selectivity makes it possible to superimpose signals from -2-
AT392 358 B den anderen Bereichen des Stromes vermeiden. Variiert man die Empfangs-Zeitpunkte - legt z. B. schrittweise steigende Verzögerungen der Empfangszeitpunkte für örtlich aneinandergrenzende Volumsbereiche, also "Meßtiefen", über den Stromquerschnitt, fest · so läßt sich ein Strömungsprofil erstellen. Um zu einer hohen Zeitauflösung zu gelangen, wird heute mit Mehrkanal-Ultraschallpuls-Doppler-Geschwindigkeitsmeßgeräten 5 möglichst simultan in einer größeren Anzahl der beschriebenen kleinen Volums-Bereiche des Teilchenstromes gemessen. Analog arbeitende Geräte weisen mehrere parallel arbeitende Dopplersignal-Auswerteeinheiten auf, um jeweils die Strömungsgeschwindigkeiten in den einzelnen Meßbereichen des Partikelstromes zu bestimmen. Eine Digitalisierung ermöglicht eine serielle Verarbeitung der mehrkanalig gespeicherten, den genannten Volumsbereichen in verschiedenen Meßtiefen entsprechenden Signale. Bei Kenntnis der jeweiligen 10 Geschwindigkeiten an genau bekannten Ortslagen eines Partikelstromes können in einem Leitungs-System durch gezielte Änderungen der Geometrie oder durch die Dynamik des Fluids selbst beeinflussende Maßnahmen Teilchenaggregationen, z. B. an Orten geringeren Schergrades, wo sogar ein Zusetzen des Strömungs-Querschnittes eintreten kann, vermieden werden. Es ist weiters bekannt, daß bei allen Gefäßerkrankungen, besonders beim Herzinfarkt und dessen Risikofaktoren, die Erythrozyten-Aggregations-Neigung und damit auch 15 die Viskosität des Blutes stark zunehmen können. Diese zusätzlich noch pulsierende, nicht Newton'sche Flüssigkeit zeigt außerdem visco-elastische Effekte, die sich an jeder Krümmung, Verzweigung sowie Verengung oder Erweiterung des Kreislaufs auswirken können. Als Folge davon tritt zwischen gemessenem Fluß und Druck eine zeitliche Phasenverschiebung auf. Zusätzlich erfolgt die Ausbildung von Sekundärströmungen vor Engstellen, was die Verweildauer der Korpuskel in solchen Bereichen verlängert. Stationäre Wirbel begünstigen 20 ein Stromaufwärts-Wachsen von Partikel-Aggregationen, wie z. B. von Thromben. Die geschilderten Phänomene treten ebenso beim Bewegen technischer Teilchensuspensionen, z. B. in der Polymer-Verarbeitung, auf.AT392 358 B avoid the other areas of the current. Varying the times of reception - z. B. Gradually increasing delays in the reception times for locally adjacent volume ranges, that is to say "measuring depths", over the current cross section, a flow profile can be created. In order to achieve a high time resolution, multichannel ultrasound pulse Doppler speed measuring devices 5 are used to measure simultaneously simultaneously in a large number of the small volume ranges of the particle stream described. Devices operating in an analog manner have a plurality of Doppler signal evaluation units operating in parallel in order to determine the flow velocities in the individual measuring ranges of the particle flow. Digitization enables serial processing of the multi-channel stored signals corresponding to the volume ranges mentioned in different measuring depths. With knowledge of the respective 10 speeds at precisely known locations of a particle stream, in a line system, specific changes in the geometry or by means of measures that influence the fluid itself can cause particle aggregations, e.g. B. in places of lower shear where even a clogging of the flow cross-section can occur can be avoided. It is also known that in all vascular diseases, especially heart attack and its risk factors, the erythrocyte aggregation tendency and thus also the viscosity of the blood can increase sharply. This additionally pulsating, non-Newtonian liquid also shows visco-elastic effects, which can have an effect on every curvature, branching as well as narrowing or expansion of the circulation. As a result, there is a temporal phase shift between the measured flow and pressure. In addition, secondary flows are formed in front of constrictions, which increases the length of time for the corpuscles in such areas. Stationary vortices favor 20 an upstream growth of particle aggregations, such as. B. thrombi. The phenomena described also occur when moving technical particle suspensions, e.g. B. in polymer processing.
Infolge dieser Phänomene ist ein eindeutiger oder exakter funktioneller Zusammenhang zwischen tatsächlichem Strömungsgeschwindigkeits- bzw. Schergrad-Profil sowie Art und Ausmaß von Teilchen-Aggregationen, z. B. Größe und Gestalt von Erythrozyten-Aggregaten, der eine Abschätzung der Fluid-Dynamik 25 innerhalb eines Leitungs-Abschnittes ermöglicht, nicht definierbar. Somit kann selbst eine exakte Ermittlung von Geschwindigkeits-Profilen an neuralgischen Stellen einer Strömung allein zu einer effektiven Prognose des Verhaltens und damit zu ein»: wirksamen Bekämpfung von Zusammenballungs-Tendenzen der bewegten Teilchen nicht ausreichen.As a result of these phenomena, there is a clear or exact functional relationship between the actual flow velocity or shear rate profile and the type and extent of particle aggregations, e.g. B. size and shape of erythrocyte aggregates, which allows an estimation of the fluid dynamics 25 within a line section, not definable. Thus, even an exact determination of velocity profiles at critical points in a flow alone cannot be sufficient to effectively predict behavior and thus to effectively combat agglomeration tendencies of the moving particles.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die beschriebenen Nachteile der bisher bekannten Methoden und 30 Geräte zu überwinden und Verfahren und Einrichtungen zur Verfügung zu stellen, welche rückwirkungsfrei und nicht-invasiv effektive Früherkennung, Momentan-Erkennung in Ortsabhängigkeit, Quantifizierung und Gegenmaßnahmen in Systemen mit Bereichen schwierigen Theologischen Verhaltens ermöglichen. Für die Rheologie in physiologischen System»! soll eine wes»itliche Verbesserung von Diagnose und Behandlung von Gefäßerkrankungen erzielbar werden. Ganz allgemein soll zu direkten in situ-, z. B. in-vivo-Analysen gelangt 35 werden, die kontinuierliche Beobachtungen gestatten, womit Erkenntnisse über Aggregation in Fluid-Strömen unter einer Vielzahl variierender Bedingungen »halten werden können.The invention has set itself the task of overcoming the disadvantages of the previously known methods and 30 devices and to provide methods and devices which have non-reactive and non-invasively effective early detection, instantaneous detection as a function of location, quantification and countermeasures in systems Enable areas of difficult theological behavior. For rheology in physiological systems »! an essential improvement of diagnosis and treatment of vascular diseases is to be achieved. In general, direct in situ, e.g. B. in vivo analyzes 35 are obtained, which allow continuous observations, with which knowledge about aggregation in fluid streams can be kept under a variety of different conditions.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Untersuchungsverfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß bei der Auswertung aus der Mehrzahl der jeweils von ein- und demselben Bereich der schrittweise abgetasteten, diskreten Volumsbereiche des Partikelstromes erhaltenen Dopplerfrequenz-40 Signalspektren volumsbereich-synchron jeweils sowohl eine charakteristische, mittlere Frequenz als auch ein Streufaktor ermittelt bzw. extrahiert werden, und daß, bevorzugt auf Basis von mathematischen oder Eich-Funktionen, für jeden der genannten Ortslage-Volumsbereiche aus der gewonnenen mittleren Frequenz eine mittlere Geschwindigkeit der Teilchen sowie dieser zugeordnet, bevorzugt auf Basis von Eich-Funktionen, aus dem ermittelten Streufaktor jeweils die Größe und/oder Gestalt der im gleichen Volumsbereich befindlichen 45 Teilchen und/oder Teilchenaggregate ermittelt werden und daß diese jeweils einander zugeordneten Werte einer Speicher- und/oder Ausgabeeinheit zugeführt werden und von dieser, einander zugeordnet, bevorzugt in Form von Teilchengeschwindigkeits- und Teilchengröße-Brofilen, ausgegeben werden. Es ist ganz wesentliches Merkmal der Erfindung, daß zum Erhalt einander zugeordnet» Profile von Strom-Geschwindigkeit und Partikeldim»ision aus der Serie der Volumsbereiche quer zur Strömung jeweils von ein- und demselben kleinen, in sein» Ortslage 50 definierten Volumsb»eich die Lage der mittleren Frequenz, sowie die mit der aktuellen Teilchengröße korreli»ende Leistung des jeweils rückgestreuten Schalles als Ergebnis zur Verfügung gestellt wird. Der die Rückstreuleistung beschreibende Streufaktor ist im wesentlichen umso größer, je größer die Partikel sind. Die Überführung der Werte der mittleren Frequenzen in Geschwindigkeitswerte »folgt vorteilhaft auf Basis von aus experimentellen Untersuchungen z. B. an definierten Teilchen-Strömen erhaltenen Eich-Funktionen und/oder auf 55 Basis der aus dem Doppler-Effekt selbst ableitbaren mathematischen Funktionen. Die Gewinnung der Daten üb» die Größe d» Partikel und/oder sich bildenden Partikel-V»bänden läßt sich, da hi» reproduzierbares Verhalten nicht exakt bekannt ist, z. B. mittels anhand von Modellversuchen gewonnenen Eich-Funktionen vornehmen. Der "Streufaktor" entspricht dem Verhältnis von durch die Partikel im Strom rückgestreuter Schall-Intensität pro Raumwinkel zur Intensität des in den Partikelstrom eingestrahlten Ultraschalles. 60 Eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des wie oben beschriebenen neuen Verfahrens ist insbesondere auch zur Untersuchung strömender physiologischer Flüssigkeiten, beispielsweise Blut, geeignet und weist einen von einem mittels von ein» Steuerung (1) über Leitungen (23) zugeführten Impulsen steuerbaren -3-The invention thus relates to an examination method of the type mentioned at the outset, which is characterized in that when evaluating from the majority of the Doppler frequency 40 signal spectra obtained in each case from one and the same area of the step-wise sampled, discrete volume areas of the particle stream, both volume area synchronous both a characteristic, average frequency and a scattering factor are determined or extracted, and that, preferably on the basis of mathematical or calibration functions, an average velocity of the particles and assigned to them for each of the above-mentioned location volume ranges from the obtained average frequency are preferred on the basis of calibration functions, the size and / or shape of the 45 particles and / or particle aggregates located in the same volume range are determined from the scattering factor determined and that these respectively assigned values are fed to a storage and / or output unit rt and are assigned to each other, preferably in the form of particle velocity and particle size brofiles. It is a very essential feature of the invention that, for the purposes of obtaining the profiles of current velocity and particle dimen- sion from the series of volume regions transverse to the flow, the position of each one and the same small volume range defined in its local position 50 the mean frequency and the power of the backscattered sound which is correlated with the current particle size is made available as a result. The scattering factor describing the backscattering power is essentially greater the larger the particles are. The conversion of the values of the middle frequencies into speed values »advantageously follows on the basis of experimental studies, e.g. B. calibration functions obtained on defined particle streams and / or on the basis of the mathematical functions which can be derived from the Doppler effect itself. The acquisition of the data on the size of the particles and / or the formation of particle bonds can be carried out, since reproducible behavior is not exactly known, e.g. B. by means of calibration functions obtained using model tests. The " scatter factor " corresponds to the ratio of sound intensity backscattered by the particles in the stream per solid angle to the intensity of the ultrasound radiated into the particle stream. 60 A device according to the invention for carrying out the new method as described above is also particularly suitable for examining flowing physiological liquids, for example blood, and has a -3- controllable by means of a pulse supplied by a control (1) via lines (23).
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Sender (3) mit Oszillator (2) über eine Weiche (6) speisbaren, periodisch Ultraschall-Pulse vorgegebener Frequenz und Dauer abgebenden, in bekanntem Winkel schräg in den Fluid-Mediums-Strom (5) richtbaren und die von den Partikeln in ein»' Mehrzahl von kleinen Volumsbereichen eines Schnittes quer zum Fluid-Strom (5) rückgestreuten Pulse aufnehmenden Ultraschall-Wandler (4) auf, der üb» die genannte Weiche (6) sind einen 5 daran schließenden Verstärker (7) mit einer über Leitungen (21), (22) mit dem Oszillator (2) verbundenen Mischer (8) zum Mischen d» eidarischen Empfangssignale des Wandlers (4) zur Strömungsrichtungs»kennung mit zwei um 90° phasenverschobenen Oszillator-Grundsignalen verbunden ist, welcher seinerseits über ein Filt» (9) zur Unterdrückung störender Frequenzen mit einer mittels von der Steuerung (1) über eine Leitung (25) zugeführten Impulsen steuerbaren Einheit (10), insbesondere Analog-Digital-Wandler, zur getakteten Abtastung 10 der Doppelfrequenz-Signale mit einstellbaren Zeit-Verzögerungen bezogen auf den jeweiligen Beginn der vom Wandler (4) abgestrahlten Ultraschall-Pulse verbunden ist, an welche Abtasteinheit (10) eine Einrichtung (11) zum mehrkanaligen Speichern der Dopplerfrequenz-Signale angeschlossen ist, die ihrerseits mit einer Einrichtung (12) zur Umwandlung d» einzelnen Doppl»-Differenz-Signale in Dopplerfrequenz-Signalspektren und ein» Einrichtung (13) zur Extraktion der "mittleren Frequenzen" aus den Spektren, verbunden ist, die schließlich üb» IS eine Auswerte-Einheit (14) zur Umwandlung d» extrahierten mittler»i Frequenzen in Teilchengeschwindigkeits-Werte an eine Einheit (15) zur Speicherung und Ausgabe dies» Werte angeschlossen istTransmitter (3) with oscillator (2) which can be fed via a switch (6) and which periodically emits ultrasound pulses of a predetermined frequency and duration, which can be directed obliquely into the fluid-medium stream (5) at a known angle and which is transferred from the particles into a » 'Ultrasound transducer (4), which receives back pulses scattered back to the fluid flow (5) and has a plurality of small volume regions of a cut, the above-mentioned switch (6) is an amplifier (7) adjoining it and having a line (21 ), (22) with the oscillator (2) connected mixer (8) for mixing the eidarian received signals of the converter (4) for flow direction »identification with two 90 ° phase-shifted basic oscillator signals, which in turn is connected via a filter» ( 9) for suppressing interfering frequencies with a unit (10), in particular analog-digital converter, which can be controlled by means of pulses supplied by the controller (1) via a line (25), for clocked sampling 10 of the double frequency Signals with adjustable time delays related to the respective start of the ultrasound pulses emitted by the transducer (4) are connected to which scanning unit (10) a device (11) is connected for storing the Doppler frequency signals in a multi-channel manner, which in turn has a device (12) for converting the "individual Doppl" difference signals into Doppler frequency signal spectra and a "device (13) for extracting the " mean frequencies " from the spectra, which is finally connected to an evaluation unit (14) for converting the extracted average frequencies into particle velocity values to a unit (15) for storing and outputting these values
Die neue Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet daß die genannte Einrichtung (12) zur Erstellung der einzelnen, dem Zeittakt entsprechenden Dopplerffequenz-Signalspektren mit einer Einrichtung (13) verbunden ist welche eine Teileinrichtung (131) zur Extraktion der jeweiligen mittleren Frequenzen aufweist die mit ein» 20 ihr zugeordneten Teileinrichtung (132) zur Ermittlung des Streufaktors aus dem jeweils gleichen Dopplerfrequenz-Signalspektrum im wesentlichen synchron arbeitend zusammengeschaltet ist welche Teileinrichtungen (131) und (132) ihrerseits über eine Auswerte-Einheit (14) an eine Einrichtung (15) zur einander zugeordnet synchronen Anzeige von Geschwindigkeit Geschwindigkeitsgradienten, Sch»grad und Größe d» Teilchen des Stromes, vorzugsweise in Form von Stromquerschnitts-Profilen, angeschlossen ist 25 Die Erfindung ermöglicht zum ersten Mal eine synoptische V»knüpfiingd» Daten ein» ortslage-spezifischenThe new device is characterized in that the said device (12) for generating the individual Doppler frequency signal spectra corresponding to the time cycle is connected to a device (13) which has a sub-device (131) for extracting the respective mean frequencies, which has a »20 its associated sub-device (132) for determining the scattering factor from the same Doppler frequency signal spectrum is connected to one another in essentially synchronous fashion, which sub-devices (131) and (132) are in turn assigned to each other via an evaluation unit (14) to a device (15) synchronous display of speed, speed gradient, degree and size of particles of the current, preferably in the form of current cross-sectional profiles, is connected 25 The invention enables for the first time a synoptic connection data specific to a location
Bestimmung der Geschwindigkeit bzw. des Schergrades innerhalb kleiner Volumenbereiche eines bewegte Partikel enthaltenden Fluidstromes mit den Werten d» in den gleichen diskreten Volumenbereichen auftretenden Größen und/oder Formen der u. a. schergradabhängig agglomerierenden Partikel, was besonders in d» Überzahl von Fällen wichtig ist wo einer Vorhersage darüb» keine eindeutige funktionelle "Abhängigkeit" zugrundegelegt 30 werden kann, wie im Bereich von Krümmungen, Pumpen, Durchflußregelungsorganen, in Rührwerken, Wirbelschichten oder beim Vorliegen nicht-Newton'scher Fluid-Suspensionen, -Emulsionen od» -Dispersionen sowie in physiologischen Gefäßsystemen.Determination of the speed or the degree of shear within small volume ranges of a fluid stream containing moving particles with the values d »in the same discrete volume ranges and sizes or shapes of the u. a. Agglomerating particles depending on the shear rate, which is particularly important in the "number of cases where a prediction" no clear functional " dependency " can be used as a basis, such as in the area of curvatures, pumps, flow control elements, in agitators, fluidized beds or in the presence of non-Newtonian fluid suspensions, emulsions or dispersions as well as in physiological vascular systems.
So ermöglicht sie beispielsweise in der Diagnose die Erfassung der Blutrheologie in künstlichen Nieren. Während des Dialysevorganges Jagern sich Thrombozyten, Erythrozyt»! und Leukozyten an d» Dialysemembran 35 ab. Auch die hohe mechanische Belastung von ein» Deformierung bis zur Zerstörung der Erythrozyten durch dieFor example, it enables the diagnosis of blood rheology in artificial kidneys. During the dialysis process platelets, erythrocytes hunt »! and leukocytes on the dialysis membrane 35. Also the high mechanical stress from a »deformation to the destruction of the erythrocytes by the
Blutpumpe kann quantitativ erfaßt w»den.Blood pump can be quantified.
Im Bereich der klinischen vor- und nachsorgenden Praxis können die Kenntnis und die Bekämpfung verschied»!» Krankheitsbilder optimi»t werden, wie z. B.: bei der chronischen arteriellen Verschlußkrankheit die Stadienabhängigkeit das Verhalten nach Gabe 40 vasoaktiver Medikamente, das Verhalten nach gefäßrekonstruktiven Eingriffen, z. B. Flußsteigerung, Scherkraftverringerung sowie Erfassung und Verringerung d» Thrombosierungsgefahr, bei Diabetes mellitus die Abhängigkeit des Blutflusses vom Sch»grad, dessen Abhängigkeit von der Diabeteseinstellung diabetische Gangrän sowie das Verhalten nach vasoaktiven Medikamenten; bei cerebrovaskulärer Insuffizienz das Auftreten und die Therapie von Carotisstenosen, intracerebralen 45 Gefäßveränderungen sowie die intraoperative Beeinflussung der Hämodynamik; weiters bei venösen Thrombosen die präoperative und die intraoperative Beurteilung und die ganz wesentliche Antikoagulantientherapie.In the field of clinical precautionary and follow-up practice, knowledge and combating various »!» Disease patterns are optimized, such as: For example, in chronic arterial occlusive disease, the stage dependency, the behavior after administration of 40 vasoactive drugs, the behavior after vascular reconstructive interventions, e.g. B. Increased flow, reduction of shear force as well as detection and reduction of the risk of thrombosis, in diabetes mellitus the dependence of the blood flow on the degree, its dependence on the diabetes setting diabetic gangrene as well as the behavior after vasoactive medication; in the case of cerebrovascular insufficiency, the occurrence and therapy of carotid stenosis, intracerebral changes in the vessels and the intraoperative influence on hemodynamics; furthermore, in the case of venous thrombosis, the preoperative and intraoperative assessment and the very essential anticoagulant therapy.
Schließlich bringen das erfindungsgemäße Verfahren und die neue Vorrichtung in d» allgemeinen Testung rheologischer Medikamente, der Untersuchung der Coronarsklerose (Herzinfarkt), Hämodilution, 50 Hypercholesterinämie wesentliche Fortschritte. Die ganz gezielt gefäßtiefenspezifisch erfaßbare Zunahme der Bindungskraft einer Erythrozyten-Aggregation kann eine drohende intravasale Thrombose schon im Frühstadium eindeutig erfassen lassen. Klinisch anwendbare Untersuchungsmethoden gerade zu dies» wichtigen Fragestellung sind bisher nicht bekannt geworden. Denn die größte Unsicherheit über den Entstehungsverlauf besteht bei venösen Thrombosen, wie sie z. B. nach operativen Eingriffen ohne Venenwandbeteiligungen auftreten. In diesen 55 Fällen gibt der Gerinnungsstatus keinerlei Hinweis auf eine Thrombose-Gefährdung. So ist die Lungenembolie auch heute noch eine gefürchtete und nur unvollkommen therapeutisch beeinflußbare Komplikation ein» solchen Thrombose, die oft letal endet. Deshalb stellt die Entwicklung der erfmdungsgemäßen Untersuchung»! vom klinischen Standpunkt aus einen wesentlichen Fortschritt dar.Finally, the method according to the invention and the new device bring significant progress in the general testing of rheological medications, the examination of coronary sclerosis (heart attack), hemodilution, and hypercholesterolemia. The very specific increase in the binding force of an erythrocyte aggregation, which can be determined specifically in terms of the depth of the vessel, can clearly detect an impending intravascular thrombosis even at an early stage. Clinically applicable examination methods for this »important question have so far not become known. Because the greatest uncertainty about the course of development is in venous thrombosis, such as z. B. occur after surgical interventions without vein wall involvement. In these 55 cases, the coagulation status does not indicate any risk of thrombosis. Thus, pulmonary embolism is still a dreaded complication, which can only be influenced incompletely by therapy, such a thrombosis, which often ends in death. Therefore, the development of the investigation according to the invention »! represents a significant advance from a clinical point of view.
Die Erfindung ermöglicht aber auch in vielen anderen Bereichen der Technik die gleichzeitige Erfassung von 60 mit periodischen oder sonstigen Änderungen des Geschwindigkeits-Profiles eines Partikel-Fluid-Stromes simultan oder verzögert einhergehende Partikel-Aggregationen während äußerst kurzer Zeitperioden und an schlecht zugänglichen Stellen eines Fluid-durchstiömten Leitungs-Systems. Sie ermöglicht weiters Moment-Zustands- -4-In many other areas of technology, however, the invention also enables the simultaneous detection of 60 associated with periodic or other changes in the speed profile of a particle-fluid stream simultaneously or with delayed particle aggregations during extremely short periods of time and in poorly accessible places of a fluid flowed through pipe system. It also enables moment-state- -4-
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Erhebungen, die wesentliche Rückschlüsse auf drohende drucksteigemde Verengungen oder Zusetzungen, gefährliche Abrasionen, den Einfluß von Zusätzen zum Fluid und ähnliches zulassen. Neben oder zugleich mit solchen Kurzzeit-Erhebungen können über längere Zeiträume hinweg langsam ablaufende Veränderungen in strömenden Systemen präzise beobachtet werden.Surveys that allow significant conclusions to be drawn about impending pressure-increasing constrictions or clogging, dangerous abrasions, the influence of additives to the fluid and the like. In addition to or at the same time with such short-term surveys, slowly occurring changes in flowing systems can be precisely observed over longer periods of time.
Aus den beschriebenen Beobachtungen lassen sich schließlich optimale Bedingungen der Führung von Partikel-Fluid-Strömen vom geometrischen, fluid- und steuerungs-technischen Standpunkt extrahieren und es lassen sich Mängel bestehender Systeme durch entsprechende Beeinflussung und Gegenmaßnahmen, wie z. B. Veränderung da* Strömungsgeschwindigkeit oder Zusätze zum Fluid leicht»* kompensieren.From the observations described, optimal conditions for guiding particle-fluid flows can finally be extracted from the geometric, fluid and control-technical point of view, and deficiencies in existing systems can be eliminated by appropriate influencing and countermeasures, such as e.g. B. Change da * flow rate or additives to the fluid slightly »* compensate.
Schließlich können die erfindungsgemäß erhältlichen Informationen zur optimierenden Steuerung der Rheologie von Teilchen-Fluid-Strömen an sensiblen Stellen eines fluidtechnischen Systems herangezogen werden.Finally, the information obtainable according to the invention can be used to optimize the control of the rheology of particle-fluid flows at sensitive points in a fluid power system.
Gemäß einer bevorzugten Ausfiihrungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Umwandlung der genannten Dopplerffequenz-Signale in die Dopplerfrequenz-Signalspektren mittels Hochgeschwindigkeits (Fast)-Fourier-Transformation (FFT) und die Extraktion der mittleren Frequenzen jedes der genannten, den einzelnen Volumsbereichen des Mediumsstrom-Querschnittes entstammenden Signalspektren mittels Signalprozessoren on line vorgenommen wird. Dadurch sind höhere Zuverlässigkeit und besonders hohe Verarbeitungs-Geschwindigkeit gewährleistet, die es erlauben, auch besonders kurzzeitige Strömungsvorgänge mit abrupten Änderungen zu zerlegen und die dabei kurzzeitig eintretenden Partikel-Agglomerationen zu erfassen, wie z. B. in infolge Pumpen-, Rückschlag- oder Resonanz Wirkung pulsierenden Flüssigkeitsströmen oder in pulsierendem Blut in vivo.According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that the conversion of the said Doppler frequency signals into the Doppler frequency signal spectra by means of high-speed (Fast) Fourier transformation (FFT) and the extraction of the mean frequencies of each of the individual volume ranges of the medium flow Cross-sectional signal spectra is made by means of signal processors on line. This ensures higher reliability and particularly high processing speed, which make it possible to disassemble even short-term flow processes with abrupt changes and to record the particle agglomerations that occur briefly, such as e.g. B. in due to pumping, kickback or resonance effect pulsating liquid flows or in pulsating blood in vivo.
Es hat sich ebenfalls im Sinne einer exakteren, wirklichkeitsnaheren Beschreibung der Stiömungverhältnisse als vorteilhaft erwiesen, die Ermittlung der mittleren Frequenzen jeweils auf Basis einer Quotientenbildung aus dem ersten und dem nullten Moment der Dopplerfircquenz-Signalspektren vorzunehmen.In the sense of a more precise, more realistic description of the flow conditions, it has also proven to be advantageous to determine the mean frequencies on the basis of the formation of a quotient from the first and the zero moment of the Doppler frequency signal spectra.
Zur Erläuterung des Begriffes "Moment", wie er hier zu verstehen ist, wird folgendes ausgeführt: In der Wahrscheinlichkeitstheorie entspricht das "erste Moment” dem Mittel- bzw. Erwartungswert einer Verteilungsfunktion einer Zufallsvariablen, im vorliegenden Fall ist diese "Zufallsvariable" die Dopplerfrequenz. Da das nullte Moment eines Spektrums- oder präziser ausgedrückt, eines Leistungsdichte-Spektrums nicht, wie im Falle einer statistischen Wahrscheinlichkeitsverteilungs-Funktion den dimensionslosen Wert 1 aufweist, muß das erste Moment eines solchen Spektrums auf das nullte Moment bezogen werden, also der Quotient aus erstem und nulltem Moment gebildet werden, um den Mittelwert wiederum in der Dimension einer Frequenz zu erhalten.To explain the term " moment " as it is to be understood here, the following is carried out: In probability theory, the " first moment " corresponds to the mean or expected value of a distribution function of a random variable, in the present case this " random variable " the Doppler frequency. Since the zero moment of a spectrum - or more precisely, of a power density spectrum does not have the dimensionless value 1, as in the case of a statistical probability distribution function, the first moment of such a spectrum must be related to the zero moment, i.e. the quotient of the first and zero moment are formed in order to obtain the mean again in the dimension of a frequency.
Um zu möglichst reproduzierbaren Resultaten und damit einer Widerspiegelung der realen Verhältnisse in Partikel-Fluid-Strömen zu gelangen, ist es von Vorteil, jeweils Mittelwerte der mittleren Frequenzen und/oder Streufaktoren aus einer Mehrzahl von jeweils an den gleichen einzelnen diskreten Volumsbereichen des Mediumsstromes zu Zeitpunkten gleicher Phasenlage bei pulsierenden Strömungen (z. B. "herzschlagsynchron"), erhaltenen Dopplerfrequenz-Signalspektren zu ermitteln und der Berechnung der jeweiligen Teilchengeschwindigkeiten und -größen zugrunde zu legen. Dadurch läßt sich auch eine weitgehende Unabhängigkeit von Schwankungen im strömenden System und insbesondere einzelner Meßwerte erzielen. Wenn, wie gemäß einer vorteilhaften Variante der Erfindung vorgesehen, die aus den Dopplerfrequenz-Signalspektren jedes der vom Schallstrahl erfaßten Volumsbereiche des Mediumsstromes jeweils ermittelten mittleren Frequenzen und/oder Streufaktoren durch Mittelung aus diesen genannten Größen plus den aus jeweils örtlich, z. B. rechts und links, benachbarten Volumsbereichen stammenden und ermittelten mittleren Frequenzen und/oder Streufaktoren korrigiert werden, lassen sich Resultatsverfälschungen infolge von Ausreißern und dgl. verringern.In order to achieve results that are as reproducible as possible and thus reflect the real conditions in particle-fluid flows, it is advantageous to in each case average values of the mean frequencies and / or scattering factors from a plurality of discrete volume ranges of the medium flow at the same individual times same phase position in pulsating flows (e.g. " heartbeat synchronous ") to determine the Doppler frequency signal spectra obtained and to base the calculation of the respective particle velocities and sizes. As a result, a large degree of independence from fluctuations in the flowing system and in particular individual measured values can be achieved. If, as provided in accordance with an advantageous variant of the invention, the mean frequencies and / or scattering factors determined in each case from the Doppler frequency signal spectra of each of the volume ranges of the medium flow detected by the sound beam by averaging from these named variables plus those from each locally, e.g. B. right and left, adjacent volume ranges originating and determined mean frequencies and / or scattering factors can be corrected, falsifications of results due to outliers and the like can be reduced.
Eine besonders genaue, weil Volumsbereiche sehr geringer Ausdehnung schärfer erfassende, synchrone Bestimmung von Geschwindigkeit und Größe der Teilchen jeweils identischer Volumsbereiche läßt sich gemäß ein» Ausführungsform erzielen, die vorsieht, daß in das zu untersuchende, Partikel enthaltende, strömende fluide Medium periodisch Ultraschall-Pulse sich kontinuierlich verändernder, vorzugsweise monoton steigender oder fallender Frequenz und konstanter Dauer gesendet werden und die von den rückgestreuten Ultraschall-Pulsen erhaltenen elektrisch» Empfangssignale nach ihrer Verstärkung ein» Pulskompression unterworfen werden. Die Technik der Pulskompression ist aus der RADAR-Technologie bekannt.A particularly accurate, because volume areas of very small extent, which detects sharper, synchronous determination of the speed and size of the particles of identical volume areas in each case can be achieved according to an embodiment which provides that ultrasound pulses periodically flow into the particle-containing flowing fluid medium to be examined continuously changing, preferably monotonically increasing or decreasing frequency and constant duration are sent and the electrical »received signals received by the backscattered ultrasonic pulses are subjected to a» pulse compression after their amplification. The technique of pulse compression is known from RADAR technology.
Was nun bevorzugte Variationen der in ihren Grundelementen schon vorher charakterisierten erfindungsgemäßen Einrichtung für Rheologie-Untersuchungen der beschriebenen Art betrifft, so hat es sich im Hinblick auf die oft zum Verständnis bis jetzt nicht geklärt» Effekte ganz wesentliche Erfassung von Kurzzeit-Vorgängen in Mediumsströmen als besonders vorteilhaft »wiesen, wenn die Einheit (12) zur Umwandlung d» vom Mischer (8) stammenden Dopplerfrequenz-Signale mindestens einen Fast-Fourier-Prozessor aufweistAs far as preferred variations of the device according to the invention for rheology examinations of the type described, which have already been characterized in their basic elements, are concerned, it has proven to be particularly special with regard to the effects, which are often not yet clear for understanding, so far for understanding Advantageously, if the unit (12) for converting D Doppler frequency signals from the mixer (8) has at least one Fast Fourier processor
Im Sinne einer vereinfachten Datenübemahme und -Verarbeitung ist es von besonderem Vorteil, wenn die obengenannten Einrichtungen zur Extraktion der mittleren Frequenzen aus den Signalspektren und synchronen Ermittlung der Streufaktoren jeweils aus identischen Spektren (131), (132) sowie zur Auswertung (14) als Rechner-Einheit mit Algorithmen zur Ermittlung d» in den einzelnen örtlich unterschiedlichen Volumsbereichen im Fluid-Strom (6) auftretenden Teilchengeschwindigkeiten aus den genannten mittleren Frequenzen sowie zur Ermittlung d» von der örtlichen Lage im Strom (5) abhängigen Dimensionen der Partikel aus den genannten Streufaktoren ausgebildet ist -5-In the sense of simplified data transfer and processing, it is particularly advantageous if the above-mentioned devices for extracting the mean frequencies from the signal spectra and synchronously determining the scattering factors from identical spectra (131), (132) and for evaluation (14) as a computer Unit with algorithms for determining d »particle velocities occurring in the individual locally different volume ranges in the fluid stream (6) from the above-mentioned mean frequencies and for determining d» dimensions of the particles from the above-mentioned scattering factors which are dependent on the local position in the stream (5) is trained -5-
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Variante, welche eine Verbesserung der Genauigkeit der Bestimmung der Geschwindigkeitsgradienten im Gebiet ihres steilen Anstiegs etwa in Randnähe der Strömung, und damit des für eine Partikelagglomeration bzw. Agglomerats-Desintegration so wesentlichen Schergrades bringt, können die Einheiten (13) und (14) zur Signalspektren-Analyse und Auswertung vorteilhaft einen Algorithmus zur Rückfaltung der erfindungsgemäß erzielbaren Teilchengeschwindigkeits-Profile zur verbesserten Ortsauflösung des Schergrades aufweisen.According to a further preferred variant, which brings about an improvement in the accuracy of the determination of the speed gradients in the region of their steep rise, for example near the edge of the flow, and thus the degree of shear so important for particle agglomeration or agglomerate disintegration, units (13) and ( 14) for signal spectrum analysis and evaluation advantageously have an algorithm for refolding the particle speed profiles achievable according to the invention for improved spatial resolution of the degree of shear.
Wenn in besonders bevorzugter Weise bei der neuen Einrichtung vorgesehen ist, daß ihr Sender (3) einen Expander zur periodischen Abgabe von Ultraschall-Pulsen vorgegebener Dauer und während dieser Dauer vorzugsweise monoton sich verändernder Frequenz und der Verstärker (7) einen Kompander zur digitalen Puls-Kompression aufweist, wie das an sich aus der RADAR-Technik bekannt ist, werden die schon vorerwähnten Vorteile höherer Genauigkeit der Resultate noch gesteigert Bei dieser Ausführungsvariante ist es wegen der überraschend hohen Zuverlässigkeit besonders ratsam, vorzusehen, daß der Expander des Senders (3) und der Kompander des Verstärkers (7) durch Oberflächenwellenfilter gebildet sind.If, in a particularly preferred manner, the new device provides that its transmitter (3) has an expander for periodic delivery of ultrasound pulses of a predetermined duration and during this duration preferably a monotonically changing frequency and the amplifier (7) a compander for digital pulse Compression has, as is known per se from the RADAR technology, the above-mentioned advantages of higher accuracy of the results are further increased. With this embodiment variant, it is particularly advisable because of the surprisingly high reliability that the expander of the transmitter (3) and the compander of the amplifier (7) are formed by surface acoustic wave filters.
Anhand der Zeichnung sei die Erfindung näher erläutert, wobei Fig. 1 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäß konzipierten Einrichtung und Fig. 2 ein Beispiel für eine erfindungsgemäß erzielbare synchrone Ausgabe der Rheologiedaten zeigt:The invention will be explained in more detail with reference to the drawing, in which FIG. 1 shows schematically the structure of a device designed according to the invention and FIG. 2 shows an example of a synchronous output of the rheology data that can be achieved according to the invention:
Die Fig. 1 zeigt einen von einem Oszillator (2) gespeisten und von einem mittels Steuerung (1) über eine Leitung (23) mittels Steuerimpulsen kontrollierten Sender (3) angeregten und über eine Weiche (6) versorgten, Ultraschallwandler (4), der in einem Winkel zwischen 0 und kleiner als 90° zum Verlauf des Fluid-Stromes (5) durch Pausen getrennte Ultraschallbursts vorgegebener Frequenz und Dauer in den die zu untersuchenden sich bewegende Teilchen enthaltenden Fluid-Strom (5) abstrahlt. Von den Partikeln im Fluid-Strom (5) wird ein Anteil der Schallenergie mit infolge Dopplereffekt veränderter Frequenz rückgestreut. Ein Teil davon wird in den Sendepausen vom Ultraschallwandler (4) empfangen. Die dort empfangenen Rückstreu-Bursts werden in den Sendepausen über die Weiche (6) an einen Verstärker (7) weitergegeben, wonach die so erhaltenen elektrischen Signale im Mischer (8) zur Strömungsrichtungserkennung mit den um 90° phasenverschobenen, über Leitungen (21), (22) zugeführten Signalen des Oszillators (2) multipliziert werden. Nach Eliminierung hochfrequenter Mischprodukte mittels Tiefpaßfilter (9) erhält man für die Dauer des empfangenen ”Echo"-Bursts ein Signal, das hauptsächlich durch die Phasenlage des Empfangsbursts relativ zur hauptsächlich durch die Phasenlage des Empfangsbursts relativ zur Phasenlage des Oszillators (2) bestimmt ist. Dieses Signal wird von der im Burst-Sendetakt arbeitenden Abtast-Einrichtung (10) insbesondere einem Analog-Digital-Wandler mit - den jeweiligen Ortslagen der untersuchten kleinen Volumsbereiche im Strom ("Meßtiefe") entsprechenden - vorgegebenen Verzögerungen gegenüber den Sendeimpuls-Beginn-Zeitpunkten abgetastet. Da sich im Fluid-Strom (5) ein beobachtetes Teilchen in einem bestimmten örtlichen Lagebereich geringer Ausdehnung mit bestimmter Geschwindigkeit bewegt, verändert sich sein Abstand zum Ultraschallwandler (4) mit dieser Geschwindigkeit Durch diese Abstandsänderung ist auch die Phasenlage des empfangenen Bursts relativ zum Oszillator (2) bei jedem Sendepuls eine andere. Der ebenfalls von der Steuerung (1) über Leitung (25) mit Steuerimpulsen versorgbare Analog-Digital-Wandler (10) liefert zu jedem Abtastzeitpunkt einen anderen Wert Die zur Auslösung der jeweiligen Abtastung notwendigen Impulse werden von der Steuerung (1) streng synchron von der Frequenz des mit dieser Steuerung (1) über eine Leitung (24) verbundenen Oszillators (2) abgeleitet generiert Diese getaktet getasteten Werte bilden die, die Information über die Größe des Dopplerfrequenz-Signale. Deren Frequenz ist gleich der Doppler-Frequenz-Verschiebung, die ein an einer mit der vorerwähnten Geschwindigkeit des betrachteten Teilchens des Stromes (5) bewegten Fläche reflektiertes Signal der ursprünglichen Frequenz des Senders (3) erfährt. Durch Bestimmung der Frequenz der Dopplerfrequenz-Signale können unter Heranziehung von mathematischen Funktionen, z. B. Dopplerbeziehung, Geschwindigkeiten der Partikel an den verschiedenen Stellen des Stromes (5) errechnet werden. Im gezeigten vielkanaligen Ultraschall-Dopplergerät erfolgt die Abtastung der genannten Signale im A/D-Wandler (10) zu sehr vielen Zeitpunkten. Mit jeder der oben genannten Verzögerungen der Abtastung gegenüber dem jeweiligen Beginn des Sendepulses wird im Grunde ein Dopplerfrequenz-Signalspektrum mit jenen Frequenzanteilen gemessen, die den Strömungsgeschwindigkeiten in den jeweils interessierenden "Meßtiefen" im Fluid-Strom (5) entsprechen. Um nun letztlich Geschwindigkeitsprofile, also Verläufe der Geschwindigkeit über größere Bereiche der Meßtiefen zu erhalten, müssen die Frequenzen aller dieser Dopplerfrequenz-Signale praktisch simultan bestimmt werden. Damit neben dem Betrag auch die Richtung dar Geschwindigkeit bestimmt werden kann, kann die Mischung im Mischer (8) auch nicht nur mit dem Sendesignal erfolgen. Mischer (8) und Tiefpaßfilter (9) bilden einen Quadraturdemodulator, der zwei Ausgangssignale liefert, die um plus oder minus 90° zueinander phasenverschoben sind. Je nach Vorzeichen der Phasenverschiebung kann die Geschwindigkeit der Partikel im Strom (5) als positiv oder negativ erkannt werden. Die von der Abtasteinheit (10) getasteten Signale sind in ihrer Ausbildung und Form infolge verschiedener Faktoren, wie räumliche Ausdehnung des Wandlas (4) und damit des untersuchten örtlich festgesetzten Volumsbereiches im Fluid-Strom (5), endliche Dauer der gesendeten Bursts, Geschwindigkeits-Unterschiede da bewegten Partikel innerhalb des jeweils abgetasteten Volumsbereiches, Transitzeiteffekte, Turbulenz, Radialmigration der Partikel sowie Reflexionen von gegebenenfalls sich bewegenden Strukturen, z. B. Gefäßwänden, und sonstiges Rauschen meist stärker verändert. Bei der hier gezeigten Variante der Erfindung, welche den großen Vorteil einer digitalen Verarbeitbarkeit in einem Computer -6-1 shows an ultrasonic transducer (4) which is fed by an oscillator (2) and is excited by a transmitter (3) controlled by means of a control (1) via a line (23) by means of control pulses and supplied via a switch (6) at an angle between 0 and less than 90 ° to the course of the fluid stream (5) by means of pauses separate ultrasound bursts of a predetermined frequency and duration into which the fluid stream (5) containing the moving particles to be examined emits. A portion of the sound energy with the frequency changed as a result of the Doppler effect is scattered back from the particles in the fluid stream (5). Part of this is received by the ultrasound transducer (4) in the transmission pauses. The backscatter bursts received there are forwarded to an amplifier (7) via the switch (6) in the transmission pauses, after which the electrical signals thus obtained in the mixer (8) for flow direction detection with the lines (21) phase-shifted by 90 °, (22) supplied signals of the oscillator (2) are multiplied. After eliminating high-frequency mixed products by means of a low-pass filter (9), a signal is obtained for the duration of the received “echo” burst, which is mainly determined by the phase position of the receive burst relative to the mainly by the phase position of the receive burst relative to the phase position of the oscillator (2). This signal is generated by the scanning device (10) operating in the burst transmit clock, in particular an analog-digital converter with predetermined delays with respect to the start of the transmit pulse, corresponding to the respective local positions of the examined small volume ranges in the stream ("measuring depth"). Times sampled. Since in the fluid stream (5) an observed particle moves in a certain local position area of small extent at a certain speed, its distance from the ultrasound transducer (4) changes at this speed. This change in distance also means that the phase position of the received burst is relative to the oscillator ( 2) a different one for each transmission pulse. The analog-to-digital converter (10), which can also be supplied with control pulses by the controller (1) via line (25), delivers a different value at each sampling time. The pulses required to trigger the respective sampling are strictly synchronized by the controller (1) Frequency of the oscillator (2) connected to this controller (1) via a line (24) is generated. These clocked, sampled values form the information about the size of the Doppler frequency signals. Their frequency is equal to the Doppler frequency shift, which is experienced by a signal of the original frequency of the transmitter (3) reflected on a surface moved with the aforementioned speed of the particle of the current (5) under consideration. By determining the frequency of the Doppler frequency signals using mathematical functions such. B. Doppler relationship, speeds of the particles at the various points of the stream (5) can be calculated. In the multichannel ultrasound Doppler device shown, the aforementioned signals are sampled in the A / D converter (10) at very many times. With each of the above-mentioned delays in the scanning relative to the respective start of the transmission pulse, a Doppler frequency signal spectrum is basically measured with those frequency components which correspond to the flow velocities in the "measuring depths" of interest. in the fluid flow (5). In order to finally obtain speed profiles, that is to say courses of the speed over larger ranges of the measuring depths, the frequencies of all these Doppler frequency signals must be determined practically simultaneously. So that in addition to the amount, the direction of the speed can also be determined, mixing in the mixer (8) can also be done not only with the transmission signal. Mixer (8) and low-pass filter (9) form a quadrature demodulator that supplies two output signals that are phase-shifted by plus or minus 90 ° to one another. Depending on the sign of the phase shift, the speed of the particles in the stream (5) can be recognized as positive or negative. The shape and shape of the signals sensed by the scanning unit (10) are due to various factors, such as the spatial extent of the wall glass (4) and thus the localized volume range in the fluid stream (5), the finite duration of the bursts transmitted, the speed Differences since moving particles within the respective scanned volume range, transit time effects, turbulence, radial migration of the particles and reflections from possibly moving structures, e.g. B. vessel walls, and other noise mostly changed more. In the variant of the invention shown here, which has the great advantage of digital processability in a computer.
AT 392 358 B mit hoher Geschwindigkeit hat, können sie mitberücksichtigt weiden. In einer Einrichtung (11) zur Speicherung werden die abgetasteten Doppler-Echo-Signale in einer den jeweils betrachteten Tiefenlage-Bereich des Teilchenstromes (5) entsprechenden vorgegebenen Anzahl von Kanälen gespeichert Von dort werden, die Wellenzügen mit Zeitabszisse entsprechenden Dopplerirequenz-Signale der einzelnen Kanäle ein»- auf Basis eines 5 Fast-Fourier-Prozessors aufgebauten, im wesentlichen einem Signalspelctren-Analysator entsprechenden, Einrichtung (12) zugeführt, wo die Umwandlung der hereinkommenden Dopplerfrequenz-Signale aus jeder Tiefenlage im Partikelstrom in entsprechende Dopplerfiequenz-Signalspektren erfolgt Aus diesen Spektren werden im an den Analysator (12) angeschlossenen Teil (131) der Einheit (13) für jeden Meßtiefe-Volumsbereich eine mittlere (charakteristische) Frequenz, - die letztlich eine Information über die 10 Teilchengeschwindigkeit in jeder Tiefenlage implizit enthält - und in der Teileinrichtung (132) im wesentlichen synchron bzw. parallel dazu für jeden der jeweils identischen Volumsbereiche ein der Leistung des durch die Teilchen rückgestreuten Schalles entsprechender Streufaktor, der die Informationen über Größe und Gestalt der Partikel enthält, auf Basis von entsprechenden Rechenprogrammen ermittelt. Dabei können mithilfe von Korrekturprogrammen jeweils auf Basis der entsprechenden mittleren Frequenzen und Streufaktoren von dem IS gerade in der Auswertung befindlichen örtlich definierten Volumsbereich - z. B. rechts und links benachbarten Volumsbereichen Meßergebnisverfälschungen, z. B. "Ausreißer" unterdrückt werden, was zur Glättung der letztlich erhaltenen Profile beiträgt. Es können aber auch die Resultate von mehreren, die beiden einander zugeordneten, jeweils identischen Meßtiefen im Strom (5) entsprechenden, Daten bezüglich mittlerer Frequenz und Streufaktor ermittelnden Messungen zu Zeitpunkten gleicher Phasenlage bei periodischen Vorgängen 20 (z. B. herzschlagsynchron gemittelt werden. In der Auswerteeinheit (14) können neben der ortslagebereichs synchronen Auswertung und eventuellen Mittelung von mittleren Frequenzen und Streufaktoren Teilchengeschwindigkeits-Profile des Stromes und jeweils exakt synchrone Profile, der Dimensionen der Partikel bzw. Partikel-Aggregate bzw. weiters ortssynchrone Geschwindigkeitsgradienten - also Schergrad-Profil sowie sogar Aussagen über die momentane Gestalt der aggregierenden Teilchen an ganz bestimmten Stellen des Stromes 25 (5) gewonnen werden. Damit lassen sich auch eventuelle Viskositätsänderungen über den Stromquerschnitt angeben.AT 392 358 B at high speed, they can also be considered. The sampled Doppler echo signals are stored in a device (11) for storage in a predetermined number of channels corresponding to the depth range of the particle stream (5) under consideration. From there, the wave trains with time abscissa are corresponding Doppler frequency signals of the individual channels a »- based on a 5 Fast Fourier processor, essentially corresponding to a signal spectrum analyzer, supplied device (12), where the conversion of the incoming Doppler frequency signals from every depth in the particle stream into corresponding Doppler frequency signal spectra takes place from these spectra in the part (131) of the unit (13) connected to the analyzer (12) an average (characteristic) frequency for each measuring depth-volume range, - which ultimately implicitly contains information about the particle speed in each depth position - and in the sub-device ( 132) essentially synchronous or par all for this purpose, for each of the identical volume ranges, a scattering factor corresponding to the power of the sound backscattered by the particles, which contains the information about the size and shape of the particles, is determined on the basis of corresponding computer programs. With the help of correction programs based on the corresponding mean frequencies and scattering factors, the IS can now use the locally defined volume range currently in the evaluation - e.g. B. right and left adjacent volume ranges falsified measurement results, z. B. " Outliers " be suppressed, which contributes to the smoothing of the profiles ultimately obtained. However, the results of a plurality of measurements corresponding to the two mutually identical, respectively identical measuring depths in the current (5) and determining data relating to the average frequency and scattering factor can also be averaged at times of the same phase position in periodic processes 20 (eg, heart rate synchronous The evaluation unit (14) can, in addition to the location-position range, synchronous evaluation and eventual averaging of average frequencies and scattering factors, particle velocity profiles of the current and exactly synchronous profiles, the dimensions of the particles or particle aggregates, or further, location-synchronous velocity gradients - i.e. shear degree profile as well statements about the current shape of the aggregating particles at very specific points in the stream 25 (5) can also be obtained, so that any changes in viscosity over the cross section of the stream can also be specified.
Jeweils beide der in der Auswerteeinheit (14) ermittelten Datenströme mit den Informationen über Geschwindkeit und Größe der Teilchen werden schließlich an eine zur Akkumulation von Daten geeignete Speicher- und Ausgabe-Einheit (15), z. B. Bildschirm und/oder Drucker weitergegeben und von diesen zur 30 Verfügung gestellt Gegebenenfalls können sie auch einer Prozeßsteuerungs-Einheit zugeführt werden.In each case both of the data streams determined in the evaluation unit (14) with the information about the speed and size of the particles are finally sent to a storage and output unit (15) suitable for the accumulation of data, e.g. B. Screen and / or printer passed on and made available by these 30 If necessary, they can also be fed to a process control unit.
Die gezeigte Einrichtung wurde beispielsweise an einer Modellströmung mit Blut mit einer Sendefrequenz von 10 MHz, einer Burst-Länge von 0,5 ps und einer Pulsrepetitions-Frequenz von 15,6 kHz betrieben, es wurden 45 jeweils aneinandergrenzenden "Meßtiefen"-Bereichen entsprechende, mit 8 bit digitalisierte Kurzzeitspektren gewonnen. Die Taktfrequenz der Steuerung (1) betrug 32 MHz, für die Ausweitung (13), (14) 35 diente ein Satz von vier parallel geschalteten TMS 32010-Signalprozessoren.The device shown was operated, for example, on a model flow with blood with a transmission frequency of 10 MHz, a burst length of 0.5 ps and a pulse repetition frequency of 15.6 kHz, 45 corresponding "measuring depths" areas corresponding to each other were used , obtained with 8 bit digitized short-term spectra. The clock frequency of the controller (1) was 32 MHz, a set of four TMS 32010 signal processors connected in parallel was used for the expansion (13), (14) 35.
Es konnten jeweils alle 16 ms tiefenlage- bzw. volumsbereich-synchrone Profile der Blutpartikel-Geschwindigkeit und dar lageabhängigen Größe der Zellstrukturen im Querschnitt der untersuchten Strömung gewonnen und am Bildschirm der Ausgabeeinheit (15) dargestellt und durch Ausdrucken festgehalten werden. Damit wurde es möglich, die komplexen theologischen Vorgänge in einem bestimmten Abschnitt des Partikel-40 Stromes mit ausreichender Zeitauflösung und aussagekräftiger Genauigkeit zu gewinnen.Profiles of the blood particle speed and the position-dependent size of the cell structures in cross-section of the examined flow could be obtained every 16 ms in depth or volume range synchronous profiles and displayed on the screen of the output unit (15) and recorded by printing. This made it possible to obtain the complex theological processes in a certain section of the particle 40 stream with sufficient time resolution and meaningful accuracy.
Eine Eichung und Normierung der erfindungsgemäßen Einrichtung kann z. B. durch Untersuchung von Suspensionen mit Polystyrol-Kügelchen mit geringem Durchmesser und bekannter Größenverteilung in Wasser-Glyzerin-Gemischen bei niedrigen Volumenkonzentrationen erfolgen.A calibration and standardization of the device according to the invention can, for. B. by examining suspensions with polystyrene beads with a small diameter and known size distribution in water-glycerol mixtures at low volume concentrations.
Die Fig. 2 zeigt anhand eines auf Basis einer Drucker-Ausgabe schematisierten Schaubildes mit der 45 erfindungsgemäßen Einrichtung erhaltene einander zugeordnete Profile der Geschwindigkeits- sowie der Teilchengrößen-Verteilung proportionalen Streufaktoren über den Querschnitt einer Rohrleitung mit 6 mm Innenradius. In den Diagrammen (a), (b) und (c) sind auf der Abszisse die Kanäle ausgehend von einer Wand mit je 0.375 mm Tiefe, auf linken Ordinate die Teilchengeschwindigkeit in mm/s, der Schergrad in 1/s und der 7 11FIG. 2 shows, on the basis of a schematic diagram based on a printer output with the 45 device according to the invention, assigned mutually associated profiles of the speed and particle size distribution proportional scattering factors over the cross section of a pipe with a 6 mm inner radius. In the diagrams (a), (b) and (c) the channels are on the abscissa starting from a wall each 0.375 mm deep, on the left ordinate the particle speed in mm / s, the shear rate in 1 / s and the 7 11
Streufaktor in lO mm'^sr , und auf der rechten Ordinate die Aggregatgröße in Faktoren mal der 50 Grunddimension 2 pm angegeben. Das Teilbild (a) gibt eine nicht außergewöhnliche etwa parabolische Geschwindigkeitsverteilung vierter Ordnung der Partikel wieder, das Teilbild (b) zeigt den daraus berechneten Schergrad und Teilbild (c) den mit der Teilchengröße sich ändernden Streufaktor. Teilbild (c) läßt erkennen, wie die Aggregatgröße von der Mitte der Strömung weg bis zum ersten Minimum abnimmt. Der als kurzzeitiger Anstieg der Kurve sich manifestierende, als quasikristallin bezeichnete Zustand der Längsstellung der 55 Erythtrazyten im Gebiet des höchsten Schergrades ist eindeutig zu bemerken. -7- 60Scattering factor in 10 mm '^ sr, and on the right ordinate the aggregate size in factors times the 50 basic dimension 2 pm. The partial image (a) shows a non-unusual approximately parabolic fourth-order velocity distribution of the particles, the partial image (b) shows the degree of shear calculated therefrom and partial image (c) the scattering factor that changes with the particle size. Drawing (c) shows how the aggregate size decreases from the center of the flow to the first minimum. The state of the longitudinal position of the 55 erythtracytes in the area of the highest shear degree, which is manifested as a quasi-crystalline and which manifests itself as a brief rise in the curve, is clearly to be noted. -7- 60
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EP0550735A1 (en) * | 1991-07-26 | 1993-07-14 | Ads Environmental Services, Inc: | Velocity measurement system |
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