DD244816A1

DD244816A1 - TRANSFORMER ARRANGEMENT FOR DOPPLER SIGNOGRAPHIC FLOW MEASUREMENT

Info

Publication number: DD244816A1
Application number: DD28541785A
Authority: DD
Inventors: Ulrich Cobet; Ruediger Scharf; Eckart Uffrecht; Frank Teuber
Original assignee: Medizin Labortechnik Veb K
Priority date: 1985-12-24
Filing date: 1985-12-24
Publication date: 1987-04-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wandleranordnung zur doppelsonografischen Durchflussmengenmessung. Ihr Ziel ist es, die Messgenauigkeit zu erhoehen, die Reproduzierbarkeit der Messwerte zu verbessern und die Schalleinkopplung zu ueberwachen. Die zu schaffende Wandleranordnung soll eine homogene Ueberlappung der Sender- und Empfaengercharakteristik ueber den Stroemungsquerschnitt erzeugen, eine Veraenderung der Ankopplung von Messkuevette zu Messkuevette und ueber die Zeit einschraenken und entsprechende Aenderungen erkennen - Erfindungsgemaess ist vorgesehen: Beide Wandler sind direkt gegenueberliegend an der Messkuevette angeordnet. Die Ankopplungskeile bestehen aus einem Material mit nahezu gleichen akustischen Eigenschaften wie das der Messkuevette. Die zweiten, nicht die Wandler tragenden Neigungsflaechen der Ankopplungskeile sind mit Rillen quer zur Neigung versehen. Die Ankopplungskeile sind in auf die Messkuevette aufgesetzte Rahmen aus einem schallabsorbierenden Material eingefasst. Die Messkuevette weist einen rechteckigen Querschnitt auf. Fig. 1The invention relates to a transducer arrangement for double sonographic flow rate measurement. Their goal is to increase the accuracy of the measurement, to improve the reproducibility of the measured values and to monitor the sound input. The converter arrangement to be created is intended to produce a homogeneous overlap of the transmitter and receiver characteristic over the flow cross section, to limit a change in the coupling of measuring cell to measuring cell and over time and to detect corresponding changes. According to the invention, both transducers are arranged directly opposite the measuring cell. The coupling wedges are made of a material with almost the same acoustic properties as the measuring cuvette. The second, not the converter-bearing inclination surfaces of the coupling wedges are provided with grooves transverse to the inclination. The coupling wedges are enclosed in a frame made of a sound-absorbing material placed on the measuring cuvette. The measuring cuvette has a rectangular cross section. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Wandleranordnung zur dopplersonografischen Durchflußmengenmessung. Ultraschalldurchflußmeßgeräte sind für beliebige, auch nichtleitende Flüssigkeiten und Gase geeignet, was ihnen ein großes Anwendungsgebiet in der Wissenschaft und Technik sichert.The invention relates to a transducer arrangement for Doppler sonographic flow rate measurement. Ultraschalldurchflußmeßgeräte are suitable for any, even non-conductive liquids and gases, which ensures them a wide range of applications in science and technology.

Characteristic of the known technical solutions

In der DE-OS 3136797 „Wandlervorrichtung für einen Ultraschallströmungsmesser", G. 01 F—1/66, wird der komplette Aufbau eines nach dem Doppler-Prinzip arbeitenden Ultraschallwandlerkopfes beschrieben. Das aus einem Stück durch Spritzgießen hergestellte Wandlergehäuse besteht aus einem Boden, aus zwei Seitenwänden, zwei Stirnwänden, einem Deckel und zwei innenseitig an den Boden angeformten Ankopplungskeilen. Das verwendete Gußmaterial muß gute akustische Übertragungseigenschaften aufweisen, wie z. B. Polyamidimid. Der Boden hat eine halbzylindrische, konkave Außenfläche mit einem Radius, der kleiner als der Radius der Außenwand des Rohres ist, an dem der Wandlerkopf festgeklemmt wird. Die Ankopplungskeile sind nebeneinander und quer zur Rohrachse angeordnet und besitzen zwei Neigungsflächen, von denen je zwei in einer Ebene liegen. Auf den gleichgeneigten Flächen der Ankopplungskeile ist je ein.Wandler aufgesetzt und durch einen Federarm gehalten. Die Neigungsflächen sind mit einem akustischen Kopplungsfett beschichtet. Der zwischen dem aufgesetzten Gehäuse und dem Rohr verbleibende Raum sichelförmigen Querschnitts ist ebenfalls mit einem akustischen Kopplungsmittel ausgefüllt.The complete structure of an ultrasonic transducer head operating according to the Doppler principle is described in DE-OS 3136797 "Transducer device for an ultrasonic flowmeter", G. 01 F-1/66 The transducer housing, which is produced in one piece by injection molding, consists of a base two sidewalls, two end walls, one lid and two coupling wedges formed on the inside of the base The cast material used must have good acoustic transmission properties, such as polyamideimide The bottom has a semi-cylindrical, concave outer surface with a radius smaller than the radius The connecting wedges are arranged side by side and transversely to the tube axis and have two inclined surfaces, two of which lie in one plane held a spring arm n are coated with an acoustic coupling grease. The space between the attached housing and the tube crescent-shaped cross-section is also filled with an acoustic coupling agent.

Der eine Wandler wird als Sender betrieben, der andere Wandler als Empfänger. Die vom Sender ausgesandten Ultraschallwellen werden von dem strömenden Medium reflektiert. Sie erfahren dabei eine Frequenzänderung, die durch den Empfänger erfaßt und in einer angeschlossenen Meßschaltung der Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit zugrunde gelegt wird.The one converter is operated as a transmitter, the other converter as a receiver. The ultrasonic waves emitted by the transmitter are reflected by the flowing medium. You will experience a change in frequency, which is detected by the receiver and used in a connected measurement circuit, the determination of the flow rate.

Die Meßgenauigkeit dieser Wandleranordnung ist unbefriedigend. Hauptursache ist die nichthomogene Überlappung der Sender- und Empfängerstrahlungscharakteristik über den Strömungsquerschnitt. Die Reproduzierbarkeit der Meßwerte von Meßobjekt zu Meßobjekt und über längere Zeit ist schlecht, weil die Ankopplungsbedingungen sich ändern. Es fehlt eine Kontrolle der Schalleinkopplung.The measurement accuracy of this transducer arrangement is unsatisfactory. The main reason is the non-homogeneous overlap of the transmitter and receiver radiation characteristics over the flow cross-section. The reproducibility of the measured values of the test object to the test object and over a long period of time is poor because the conditions of the coupling change. There is no control of the sound input.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, die Meßgenauigkeit zu erhöhen, die Reproduzierbarkeit der Meßwerte zu verbessern und die Schalleinkopplungzu überwachen.The aim of the invention is to increase the measuring accuracy, to improve the reproducibility of the measured values and to monitor the sound coupling.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Wandleranordnung zur dopplersonografischen Durchflußmengenmessung zu schaffen, die eine homogene Überlappung der Sender- und Empfängerstrahlungscharakteristik über den Strömungsquerschnitt erzeugt, eine Veränderung der Ankopplung von Meßküvette zu Meßküvette und über die Zeit einschränkt und Veränderung der Schalleinkopplung erfaßt.The invention had for its object to provide a transducer assembly for Doppler sonographic flow measurement, which generates a homogeneous overlap of the transmitter and receiver radiation characteristic across the flow cross-section, a change in the coupling of cuvette to cuvette and over time limits and detects change in the sound input.

Die Lösung dieser Aufgabe schließt als bekannt zwei auf je einem Ankopplungskeil aufgebrachte Ultraschallwandler ein. Erfindungsgemäß ist vorgesehen: Beide Ultraschallwandler sind direkt gegenüberliegend an der Meßküvette angeordnet. Die Ankopplungskeile bestehen aus einem Material mit nahezu gleichen akustischen Eigenschaften wie das der Meßküvette. Die zweiten, nicht die Ultraschallwandler tragenden Neigungsflächen der Ankopplungskeile sind mit Rillen quer zur Neigung versehen. Die Ankopplungskeile sind in auf die Meßküvette aufgesetzte Rahmen aus einem schallabsorbierenden Material eingefaßt Die Meßküvette weist einen rechteckigen Querschnitt aufThe solution to this problem includes, as known, two ultrasonic transducers each mounted on a coupling wedge. According to the invention, both ultrasonic transducers are arranged directly opposite the measuring cuvette. The coupling wedges are made of a material with almost the same acoustic properties as the measuring cuvette. The second, not the ultrasonic transducer bearing slope surfaces of the coupling wedges are provided with grooves transverse to the slope. The coupling wedges are enclosed in mounted on the measuring cuvette frame of a sound-absorbing material The measuring cuvette has a rectangular cross-section

In einer zweckmäßigen Ausführung ist weiterhin vorgesehen: In an expedient embodiment is also provided:

Auf die Rahmen sind eine metallische Haube und eine diese umhüllende Kunststoffkappe aufgesetzt. Die Rahmen weisen einen Paßsitz für die Meßküvette auf.On the frame, a metallic hood and a plastic cap enclosing these are placed. The frames have a snug fit for the measuring cuvette.

-2- 244 818-2- 244 818

embodiment

In der zugehörigen Zeichnung zeigen:In the accompanying drawing show:

Figur 1: den Längsschnitt durch eine Wandleranordnung Figur 2: den Querschnitt durch eine WandleranordnungFigure 1: the longitudinal section through a transducer assembly Figure 2: the cross section through a transducer assembly

Ais Ausführungsbeispiel wurde eine Wandleranordnung für die extrakorporaleBlutflußmengenmessung gewählt, wie sie z. B.in Verbindung mit einer künstlichen Niere verwendet wird.As an embodiment, a transducer assembly for extracorporeal blood flow rate measurement has been chosen, as described, for example, in US Pat. B. used in conjunction with an artificial kidney.

Die den Blutstrom führende Meßküvette 1 ist an einer kurzen Konsole 2 der Frontplatte 3 eines Blutflußmengenmeßgerätes befestigt. Die Meßküvette 1 ist durch Schläuche 4; 5, in die sie eingeschweißt ist, direkt oder über einen Dialysator mit dem Kreislauf des Patienten verbunden. Sie besitzt einen quadratischen Querschnitt und ist aus einem schalldurchlässigen Material hergestellt.The measuring cell 1 leading the bloodstream is attached to a short console 2 of the front panel 3 of a Blutflußmengenmeßgerätes. The measuring cuvette 1 is through hoses 4; 5, in which it is welded, connected directly or via a dialyzer to the patient's circulation. It has a square cross-section and is made of a sound-permeable material.

Auf die Meßküvette 1 sind die Ultraschallköpfe aufgesetzt, der Senderkopf 6 und der Empfängerkopf 7. Sie liegen sich an der Meßküvette 1 gegenüber, so daß zwischen ihnen das Patientenblut strömt. Beide sind gleichartig aufgebaut. Der Senderwandler 8 ist an einer Neigungsfläche des Ankopplungskeiles 9 befestigt, der Empfängerwandler 10 an einer Neigungsfläche des Ankopplungskeiles 11. Die Ankopplungskeile 9; 11 bestehen aus einem ähnlichen Material wie die Meßküvette 1 und sitzen mit ihrer größten Fläche unter Zwischenschaltung eines Koppelgels 12 auf den ebenen Flächen der Meßküvette 1 auf. Die zweiten, nichtdieWandler8; 10tragenden Neigungsflächen 13; 14der Ankopplungskeile 9; 11 sind mit Rillen querzur Neigung versehen. Die Ankopplungskeile 9; 11 sind in je einen Rahmen 15; 16 aus einem schallsorbierenden Material eingefaßt, die auf die Meßküvette 1 aufgesetzt sind. Die Rahmen 15; 16 sind hierfür mit einem Paßsitz in der Art einer Längsführung auf ihrer Unterseite ausgerüstet. Indem Querschnitt Figur 2 sind nur die äußeren Führungsleisten 17; 18 zu sehen. Die inneren Führungsleisten sind an der Stelle der Konsole 2 unterbrochen. Die Gehäuse der Ultraschallköpfe 6; 7 sind durch metallische Hauben 19; 20 und über sie geschobene Kunststoffkappen 21; 22 vervollständigt. Ihren Sitz auf den Rahmen 15; 16 gewährleisten angeformte Paßleisten 23; 24. .On the measuring cuvette 1, the ultrasonic heads are placed, the transmitter head 6 and the receiver head 7. They are opposite to the measuring cuvette 1, so that between them the patient's blood flows. Both are of similar construction. The transmitter converter 8 is attached to a slope surface of the coupling wedge 9, the receiver converter 10 at a slope surface of the coupling wedge 11. The coupling wedges 9; 11 consist of a similar material as the measuring cuvette 1 and sit with their largest surface with the interposition of a coupling gel 12 on the flat surfaces of the measuring cuvette 1. The second, not the converters8; 10 carrying slope surfaces 13; 14the coupling wedges 9; 11 are provided with grooves transverse to the slope. The coupling wedges 9; 11 are each in a frame 15; 16 bordered from a sound-absorbing material, which are placed on the measuring cuvette 1. The frame 15; 16 are equipped for this purpose with a snug fit in the manner of a longitudinal guide on its underside. In cross-section Figure 2, only the outer guide rails 17; 18 to see. The inner guide rails are interrupted at the point of the console 2. The housing of the ultrasonic heads 6; 7 are by metallic hoods 19; 20 and pushed over them plastic caps 21; 22 completed. Your seat on the frame 15; 16 ensure molded Paßleisten 23; 24..

Zur Verbindung mit dem Meßgerät sind die Wandler 8; 10 mit elektrischen Anschlüssen versehen, wie in Figur 1 angedeutet. Die beschriebene Wandleranordnung besitzt folgende Funktionsweise:For connection to the meter, the transducers 8; 10 provided with electrical connections, as indicated in Figure 1. The described transducer arrangement has the following operation:

Die vom Senderwandler 8 abgestrahlten kontinuierlichen Ultraschallwellen durchdringen den Ankopplungskeil 9, das Koppelgel 12 und die Küvettenwand. An der Grenzschicht zwischen Blut und Küvettenwand erfahren sie eine Brechung. Ihre Ausbreitungsrichtung bildet mit der Strömungsrichtung des Blutes den Winkel a. Die Ultraschallwellen werden an den sich bewegenden Erythrozyten gestreut und geringfügig in ihrer Frequenz geändert. Ein Teil des gestreuten Ultraschalls trifft unter dem Winkel β auf die gegenüberliegende Küvettenwand, wird an dieser Grenzschicht gebeugt, durchdringt die Küvettenwand, das Koppelgel 12, den Ankopplungskeil 11 und gelangt zum Empfängerwandler 10. Dieser wandelt ihn in elektrische Schwingungen um, deren Frequenzverschiebung Af im Meßgerät erfaßt wird. Die Frequenzverschiebung Δί ist der Blußflußgeschwindigkeit ν nach folgender Gleichung proportional:The continuous ultrasonic waves radiated by the transmitter converter 8 penetrate the coupling wedge 9, the coupling gel 12 and the cuvette wall. At the interface between the blood and the cuvette wall, they experience a refraction. Its propagation direction forms the angle a with the flow direction of the blood . The ultrasonic waves are scattered on the moving erythrocytes and slightly changed in frequency. Part of the scattered ultrasound strikes the opposite cuvette wall at the angle β , is bent at this boundary layer, penetrates the cuvette wall, the coupling gel 12, the coupling wedge 11 and reaches the receiver transducer 10. This converts it into electrical oscillations whose frequency shift Af im Measuring device is detected. The frequency shift Δί is proportional to the bluff flow velocity ν according to the following equation:

Af cAf c

ν =ν =

f₀ cos α + cos β f ₀ cos α + cos β

worin f₀ die Sendefrequenz und c die Schallgeschwindigkeit im Blut sind. Da der Querschnitt der Meßküvette 1 konstant ist, ist die Blutflußmenge ebenfalls der Fr.equenzverschiebung Af proportional.where f _{0 is} the transmission frequency and c is the speed of sound in the blood. Since the cross section of the measuring cuvette 1 is constant, the blood flow amount is also proportional to the Frƒquenzverschiebung Af.

An der mit Rillen versehenen Neigungsfläche 13 des Ankopplungskeiles 9 erfolgt eine diffuse Reflexion der seitlich vom Senderwandler 8 abgestrahlten Ultraschallwellen. Ein geringerer Teil wird senkrecht zur Meßküvette 1 reflektiert und durchdringt den Ankopplungskeil 9, das Koppelgel 12, die Küvettenwand, den Blutstrom, die gegenüberliegende Küvettenwand, das Koppelgel 12, den Ankopplungskeil 11 und gelangt zur gerillten Neigungsfläche 14, wo wiederum ein Teil auf den Empfängerwandler 10 umgelenkt wird. Da diese Ultraschallwellen senkrecht den Blutstrom passieren, erfahren sie gemäß obiger Gleichung keine Frequenzverschiebung. Sie können elektronisch aus den frequenzverschobenen Ultraschallwellen ausgefiltert werden. Ihre Amplitude ist ein Maß für die Güte der Ankopplung der beiden Ultraschallköpfe 6; 7 an die Meßküvette 1. Durch die Überwachung der Amplitude ist folglich eine laufende Kontrolle des Ankopplungsgrades möglich, wozu durch die Art der Wandleranordnung die Voraussetzung geschaffen wird.At the grooved slope surface 13 of the coupling wedge 9 is a diffuse reflection of the side emitted by the transmitter transducer 8 ultrasonic waves. A minor portion is reflected perpendicular to the measuring cuvette 1 and penetrates the coupling wedge 9, the coupling gel 12, the cuvette wall, the blood stream, the opposite cuvette wall, the coupling gel 12, the coupling wedge 11 and reaches the grooved slope surface 14, where in turn a part on the receiver transducer 10 is deflected. Since these ultrasonic waves pass the bloodstream vertically, they do not experience a frequency shift according to the above equation. They can be filtered out electronically from the frequency-shifted ultrasonic waves. Their amplitude is a measure of the quality of the coupling of the two ultrasonic heads 6; 7 to the measuring cell 1. By monitoring the amplitude, therefore, a continuous control of the coupling degree is possible, to which the prerequisite is created by the nature of the transducer assembly.

Im Bedarfsfalle kann nunmehr der Ankopplungsg rad auf den gewünschten Wert gebracht werden, z.B. durch Verschieben oder Neuaufsetzen eines der beiden Schallköpfe 6; 7, was eine Reproduzierbarkeit der Meßwerte sicherstellt. Die gegenüberliegende Anordnung der Schallköpfe 6; 7 an der rechteckförmigen Meßküvette 1 bewirkt eine homogene Verteilung der Sende- und Empfangscharakteristik über den Querschnitt der Meßküvette 1. Änderungen des Strömungsprofils nichtnewtonscher Flüssigkeiten bei Änderung der Durchflußmenge können somit erfaßt und die mittlere Strömungsgeschwindigkeit ν ebenso wie die Blutflußmenge mit höherer Genauigkeit bestimmt werden.If necessary, now the Ankopplungsg rad can be brought to the desired value, e.g. by moving or replacing one of the two transducers 6; 7, which ensures a reproducibility of the measured values. The opposite arrangement of the transducers 6; 7 on the rectangular measuring cuvette 1 causes a homogeneous distribution of the transmission and reception characteristic over the cross section of the measuring cell 1. Changes in the flow profile of non-Newtonian fluids when changing the flow rate can thus be detected and the mean flow velocity ν as well as the Blutflußmenge be determined with higher accuracy.

Claims

1. transducer arrangement for Doppler sonographic flow measurement with two arranged on a respective coupling wedge ultrasonic transducers, characterized in that both ultrasonic transducers (8; 10) are arranged directly opposite to the measuring cuvette (1), the coupling wedges (9; 11) of a material with almost the same acoustic properties such as that of the measuring cuvette (1), the second, not the UItraschallwandler (8; 10) bearing slope surfaces (13; 14) of the coupling wedges (9; 11) are provided with grooves transverse to the inclination, the coupling wedges (9; ) are mounted on the measuring cuvette (1) patch frame (15; 16) of a sound-absorbing material and the measuring cuvette (1) has a rectangular cross-section.

2. transducer arrangement according to item 1, characterized in that the frame (15; 16) have a snug fit (17; 18) for the measuring cuvette (1).

3. A transducer assembly according to item 1 and 2, characterized in that on the frame (15; 16) a metallic hood (19; 20) and a plastic cap enclosing this (21; 22) are placed.