DE102015120099B4 - Ultrasonic probe for detecting foreign structures in fluids - Google Patents
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Abstract
Ultraschallsonde zur Ermittlung und/oder Überwachung und/oder Größenbestimmung des Auftretens von Fremdstrukturen, in einem extrakorporalen Fluid oder einem extrakorporalen Fluidstrom der durch einen Schlauch fließt, wobei die Sonde ein Gehäuse, einen Ultraschallsensor, ein Schallfeld, einen Reflektor, ein Trägermaterial, einen Dämpfungskörper, eine Schallaustrittsfläche und mindestens eine Piezokeramik umfasst, wobei das Schallfeld als Schallkeil ausgebildet ist, die Geometrie des Schallkeils so gestaltet ist, dass reflektierte Schallwellen nicht in das Schallfeld eindringen und die Schallaustrittsfläche nicht die gesamte Fläche des Schallkeils, die dem Fluid zugewandt ist, umfasst,dadurch gekennzeichnet, dassdie mindestens eine Piezokeramik und der Schallkeil von allen Seiten mit Ausnahme der Kontaktstelle zwischen Schallkeil und Schallaustrittsfläche, von dem Dämpfungskörper umgeben sind; unddass am Ort der Messung ein homogenes Schallfeld erzeugt wird, welches keine Inhomogenitäten durch Mehrfachreflexion aufweist.Ultrasonic probe for determining and/or monitoring and/or sizing the occurrence of foreign structures in an extracorporeal fluid or an extracorporeal fluid stream that flows through a hose, the probe having a housing, an ultrasonic sensor, a sound field, a reflector, a carrier material, a damping body , a sound exit surface and at least one piezoceramic, wherein the sound field is designed as a sound wedge, the geometry of the sound wedge is designed such that reflected sound waves do not penetrate into the sound field and the sound exit surface does not cover the entire surface of the sound wedge that faces the fluid ,characterized in that the at least one piezoceramic and the sound wedge are surrounded by the damping body on all sides with the exception of the contact point between the sound wedge and the sound exit surface; and that a homogeneous sound field is generated at the location of the measurement, which does not have any inhomogeneities due to multiple reflection.
Description
Die Erfindung betrifft eine Ultraschallsonde zur Ermittlung und/oder Überwachung und/oder Größenbestimmung des Auftretens von Fremdstrukturen in einem extrakorporalen Fluid oder einem extrakorporalen Fluidstrom. Das extrakorporale Fluid wird durch einen Schlauch geleitet und die Sonde umfasst ein Gehäuse, einen Ultraschallsensor, ein Schallfeld, einen Reflektor, ein Trägermaterial, einen Dämpfungskörper und mindestens eine Piezokeramik. Durch einen geeigneten Aufbau der Sonde wird ein homogenes Schallfeld im Messvolumen erzeugt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung und/oder Überwachung des Auftretens und/oder zur Größenbestimmung von Fremdstrukturen in einem extrakorporalen Fluid oder einem extrakorporalen Fluidstrom, mit Hilfe der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde und einem Auswertemittel.The invention relates to an ultrasound probe for determining and/or monitoring and/or determining the size of the occurrence of foreign structures in an extracorporeal fluid or an extracorporeal fluid stream. The extracorporeal fluid is passed through a hose and the probe includes a housing, an ultrasonic sensor, a sound field, a reflector, a carrier material, a damping body and at least one piezoceramic. A suitable probe design creates a homogeneous sound field in the measurement volume. The invention further relates to a method for determining and/or monitoring the occurrence and/or determining the size of foreign structures in an extracorporeal fluid or an extracorporeal fluid stream, using the ultrasound probe according to the invention and an evaluation means.
Es werden verschiedene extrakorporale Verfahren unterschieden. Am gebräuchlichsten ist die Hämodialyse, darüber hinaus werden die Hämofiltration und Hämodiafiltration angewendet. Weitere extrakorporale Verfahren sind auch die Hämoperfusion, die bei bestimmten akuten Vergiftungen angewendet wird, und das Aphereseverfahren. Extrakorporale Blutkreisläufe finden zudem in Herz-Lungen-Maschinen Anwendung.A distinction is made between various extracorporeal procedures. The most common is hemodialysis; hemofiltration and hemodiafiltration are also used. Other extracorporeal procedures include hemoperfusion, which is used in certain acute poisonings, and the apheresis procedure. Extracorporeal blood circuits are also used in heart-lung machines.
Unter Hämodialyse versteht man die Entfernung von Flüssigkeit und gelösten Molekülen aus dem extrakorporal zirkulierenden Blut über Filtersysteme, die in der Regel eine semipermeable Membran enthalten. Die Hämodialyse ist ein sogenanntes Nierenersatzverfahren. Die Dialyse ist neben der Nierentransplantation die wichtigste Nierenersatztherapie bei chronischem Nierenversagen und eine der Behandlungsmöglichkeiten bei akutem Nierenversagen.Hemodialysis is the removal of fluid and dissolved molecules from blood circulating extracorporeally via filter systems that usually contain a semi-permeable membrane. Hemodialysis is a so-called kidney replacement procedure. In addition to kidney transplantation, dialysis is the most important kidney replacement therapy for chronic kidney failure and one of the treatment options for acute kidney failure.
Bei der therapeutischen Apherese, die auch als Blutwäsche oder Blutreinigungsverfahren bezeichnet wird, handelt es sich um eine Methode zur extrakorporalen Entfernung von pathogenen Bestandteilen, wie Proteinen, proteingebundenen Substanzen und Zellen, aus dem Blut oder Blutplasma von Patienten. Nach der Entfernung der pathogenen Substanzen wird das gereinigte Blut wieder zurückgeführt. Die Apherese kann auch dazu eingesetzt werden, um Blutbestandteile von einem Menschen zu gewinnen, beispielsweise für die Verwendung als Spendersubstanzen. Aphereseverfahren dienen insbesondere dazu, von einzelnen Spendern ausreichende Mengen von solchen Blutbestandteilen zu gewinnen, die nur einen geringen Anteil des Blutes ausmachen, wie zum Bespiel Thrombozyten oder Blutstammzellen. Bei Aphereseverfahren wird Blut des Spenders aus der Armvene entnommen und in ein geschlossenes, steriles und nur einmal verwendetes Schlauchsystem geleitet. Dort wird es mit einer notwendigen Menge an Antikoagulantia vermischt, die die Gerinnung des Blutes im Apherese-System verhindern sollen. Diese Mischung wird in eine Zentrifuge geleitet, in der die Blutbestandteile entsprechend ihrer Dichte in Schichten aufgetrennt werden. Die zu gewinnenden Blutbestandteile können nun abgetrennt werden. Alle nicht benötigten Blutbestandteile werden dem Blutspender wieder zurückgegeben.Therapeutic apheresis, also known as blood washing or blood purification procedure, is a method for the extracorporeal removal of pathogenic components, such as proteins, protein-bound substances and cells, from the blood or blood plasma of patients. After the pathogenic substances have been removed, the purified blood is returned. Apheresis can also be used to obtain blood components from a human, for example for use as donor substances. Apheresis procedures are used in particular to obtain sufficient quantities of blood components from individual donors that only make up a small proportion of the blood, such as platelets or blood stem cells. During apheresis procedures, the donor's blood is taken from the vein in the arm and fed into a closed, sterile tube system that is only used once. There it is mixed with a necessary amount of anticoagulants that are intended to prevent the blood from clotting in the apheresis system. This mixture is fed into a centrifuge, in which the blood components are separated into layers according to their density. The blood components to be obtained can now be separated. All blood components that are not needed are returned to the blood donor.
Die Apherese wird beispielsweise in der modernen Krebstherapie oder zur Behandlung von verschiedenen Blutkrankheiten eingesetzt, so zum Bespiel bei der Krankheit Polycythaemia Vera.Apheresis is used, for example, in modern cancer therapy or to treat various blood diseases, such as the disease polycythemia vera.
Die Herz-Lungen-Maschine ist ein medizintechnisches Gerät, das die Pumpfunktion des Herzens sowie die Lungenfunktion für einen beschränkten Zeitraum ersetzen kann. Das Blut wird dabei einer extrakorporalen Zirkulation unterworfen, in dem es dem Körper über ein Schlauchsystem entnommen wird, mit Sauerstoff angereichert und wieder zurückgeführt wird. Eine der häufigsten Anwendungen findet die Herz-Lungen-Maschine in der Herzchirurgie, in der Notfall- und Intensivmedizin werden kleinere Systeme (so genannte Extrakorporale Membranoxygenierung, ECMO) eingesetzt. Bei der Anwendung der Herz-Lungen-Maschine sind Mirkoembolien als Problem bekannt. Die Ursachen der Mirkoembolien können Fibringerinnsel sein, oder auch Plastikpartikel, die von Schlauchoberflächen abgerieben werden oder z.B. aus dem Oxygenator der Herz-Lungen-Maschine stammen.The heart-lung machine is a medical device that can replace the pumping function of the heart and the lung function for a limited period of time. The blood is subjected to extracorporeal circulation in which it is removed from the body via a hose system, enriched with oxygen and returned again. One of the most common applications of the heart-lung machine is in cardiac surgery; smaller systems (so-called extracorporeal membrane oxygenation, ECMO) are used in emergency and intensive care medicine. Microemboli are known to be a problem when using the heart-lung machine. The causes of microemboli can be fibrin clots or plastic particles that are rubbed off the surfaces of the tubes or, for example, come from the oxygenator of the heart-lung machine.
Obwohl bei der Durchführung des Hämodialyseverfahrens das Blut mit Antikoagulantien, wie z.B. Heparin als häufigstes eingesetztes Antikoagulanz, versetzt wird, besteht die Gefahr des Auftretens von Blutgerinnseln. Dafür gibt es verschiedene Ursachen. Neben falscher Dosierung von Antikoagulantien kann es zum kurzzeitigen Blutstillstand im extrakorporalen Kreislauf kommen. Auf Grund der konstruktiven Vorgaben der verwendeten medizintechnischen Geräte können unter Umständen Stagnationen auftreten. Außerdem kann der Kontakt mit Luft oder mit den künstlichen Oberflächen des extrakorporalen Blutkreislaufes die Blutgerinnung auslösen.Although anticoagulants are added to the blood during the hemodialysis procedure, such as heparin, the most commonly used anticoagulant, there is a risk of blood clots occurring. There are various reasons for this. In addition to incorrect dosage of anticoagulants, a brief stop of bleeding in the extracorporeal circulation can occur. Due to the design specifications of the medical technology devices used, stagnation may occur under certain circumstances. In addition, contact with air or with the artificial surfaces of the extracorporeal blood circulation can trigger blood clotting.
Darüber hinaus können Luftbläschen in den extrakorporalen Kreislauf gelangen.In addition, air bubbles can enter the extracorporeal circulation.
Fremdstrukturen wie Luftbläschen oder Blutgerinnsel, die sich in einem extrakorporalen Blutstrom befinden können, wenn sie in den Kreislauf eines Patienten gelangen, eine Embolie auslösen. Unter einer Embolie versteht man die teilweise oder vollständige Verstopfung eines Blutgefäßes mit einer Fremdstruktur, die mit dem Blut eingeschwemmt wird.Foreign structures such as air bubbles or blood clots that are present in an extracorporeal blood stream can cause an embolism if they enter a patient's circulation. An embolism is the partial or complete blockage of a blood vessel Foreign structure that is washed in with the blood.
Embolien können an verschiedenen Orten im Körper entstehen. Man unterscheidet Lungenembolien, arterielle Embolien und paradoxe Embolien. Am häufigsten sind Thromben der tiefen Beinvenen und Thrombembolien in den Arterien des Gehirns. Letzter lösen den sogenannten Schlaganfall aus. Pro Jahr sterben in Deutschland ungefähr 20000 bis 25000 Menschen an den Folgen einer Embolie.Embolisms can occur in various places in the body. A distinction is made between pulmonary embolism, arterial embolism and paradoxical embolism. The most common are thrombi in the deep leg veins and thromboembolism in the arteries of the brain. The latter trigger what is known as a stroke. Around 20,000 to 25,000 people die in Germany every year as a result of an embolism.
Der Thrombus kann feine Kapillaren in dem extrakorporalen Kreislauf verschließen. Es besteht aber auch die Gefahr, dass ein in dem extrakorporalen Kreislauf gebildeter Thrombus in den Blutkreislauf des Patienten gelangt und dort ein Blutgefäß so dicht verschließt, dass in das nachfolgende Versorgungsgebiet kein Blut mehr fließt und damit die Versorgung mit Sauerstoff und Nährstoffen unterbleibt (Thrombose). Als Folge kann es zum Untergang von Gewebe und sogar zum teilweisen Ausfall bestimmter Organe kommen.The thrombus can block fine capillaries in the extracorporeal circulation. However, there is also the risk that a thrombus formed in the extracorporeal circulation will enter the patient's bloodstream and close a blood vessel so tightly that blood no longer flows into the subsequent supply area and thus the supply of oxygen and nutrients is stopped (thrombosis). . As a result, tissue destruction and even partial failure of certain organs can occur.
Das Auftreten von Luftblasen stellt ein ebenso großes Risiko für eine Embolie dar. Während kleinere Gasmengen ohne Folgen vom Körper absorbiert werden, ist eine Gaszufuhr von mehr als 100 ml/s in der Regel tödlich. Bereits 0,5 ml Gas in den Koronararterien genügen, um einen Myokardinfarkt auszulösen und 2 ml in den Hirnarterien sind hinreichend für einen tödlichen Schlaganfall.The appearance of air bubbles poses an equally high risk of an embolism. While smaller amounts of gas are absorbed by the body without consequences, a gas supply of more than 100 ml/s is usually fatal. Just 0.5 ml of gas in the coronary arteries is enough to cause a myocardial infarction and 2 ml in the cerebral arteries is enough to cause a fatal stroke.
Im extrakorporalen Blutkreislauf, wie z.B. einer Hämodialysemaschine, einer Herz-Lungen-Maschine oder eines Apherese-Apparates ist es deshalb zwingend notwendig, das Vorkommen von Fremdstrukturen wie Luftblasen oder Blutgerinnseln zu überwachen. Sollten diese in dem extrakorporalen Kreislauf auftretet, müssen sie mit geeigneten Maßnahmen korrigiert bzw. zurückgehalten werden, so dass negative Auswirkungen auf den zu behandelnden Patienten vermieden werden können.In the extracorporeal blood circulation, such as a hemodialysis machine, a heart-lung machine or an apheresis device, it is therefore imperative to monitor the presence of foreign structures such as air bubbles or blood clots. If these occur in the extracorporeal circuit, they must be corrected or contained with appropriate measures so that negative effects on the patient being treated can be avoided.
Herkömmliche Behandlungssysteme umfassen deshalb Mittel zur Erkennung von gefährlichen Bestandteilen im extrakorporalen Blutkreislauf, wie z.B. Luftblasen, und verfügen weiterhin über entsprechende Einrichtungen, die einen Alarm auslösen und/oder zu einem Behandlungsstopp führen. Blutgerinnsel versucht man mittels sogenannter Gerinnselfänger zurückzuhalten, bevor sie in den Körper eines Patienten gelangen können.Conventional treatment systems therefore include means for detecting dangerous components in the extracorporeal bloodstream, such as air bubbles, and also have appropriate devices that trigger an alarm and / or lead to a treatment stop. An attempt is made to hold back blood clots using so-called clot catchers before they can enter the patient's body.
Sonden und Geräte zur Detektion von Luftblasen sind im Stand der Technik bereits bekannt. Jedoch haben herkömmliche Mittel zur Detektion von Luftblasen ihre Grenzen insbesondere dahingehend, dass besonders kleine Luftblasen und Mikroluftblasen nicht zuverlässig detektiert werden können.Probes and devices for detecting air bubbles are already known in the art. However, conventional means for detecting air bubbles have their limitations, in particular in that particularly small air bubbles and micro air bubbles cannot be reliably detected.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Verfahren zur Überwachung von extrakorporalen Kreisläufen oder zur Durchführung von Materialprüfungen bekannt.Methods for monitoring extracorporeal circuits or for carrying out material tests are already known from the prior art.
US 2008 / 0 092 623 A1 offenbart ebenfalls einen keilförmigen Vorlaufkörper, ohne jedoch eine Möglichkeit vorzuschlagen, reflektierte Schallwellen im Schallfeld zu vermeiden.US 2008/0 092 623 A1 also discloses a wedge-shaped leading body, but without suggesting a way to avoid reflected sound waves in the sound field.
Aus dem Stand der Technik ist somit bekannt, dass ein keilförmiger Körper als Vorlaufstrecke für den Ultraschall genutzt wird, um eine Schrägeinstrahlung der Schallwellen zu realisieren. Dieser Körper wird im Folgenden als Schallkeil bezeichnet. Die im Stand der Technik beschriebene Anordnung hat jedoch Nachteile. Aufgrund von Schallwellen, die an Grenzflächen des Schallkeils mehrfach reflektiert werden und anschließend zum Schallfeld im Messvolumen beitragen, entsteht ein inhomogenes Schallfeld, wodurch die Auswertung der gemessenen Signale deutlich erschwert wird. Dieser Effekt wird von den im Stand der Technik offenbarten Verfahren und Vorrichtungen nicht berücksichtigt.It is therefore known from the prior art that a wedge-shaped body is used as a lead path for the ultrasound in order to achieve oblique radiation of the sound waves. This body is referred to below as a sound wedge. However, the arrangement described in the prior art has disadvantages. Due to sound waves that are reflected multiple times at the interfaces of the sound wedge and then contribute to the sound field in the measurement volume, an inhomogeneous sound field is created, which makes the evaluation of the measured signals significantly more difficult. This effect is not taken into account by the methods and devices disclosed in the prior art.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ultraschallsonde bereitzustellen, die es ermöglicht, Fremdstrukturen in extrakorporalen Fluiden oder extrakorporalen Fluidströmen zu ermitteln und/oder zu überwachen und/oder deren Größe exakter zu bestimmen.It is therefore the object of the present invention to provide an ultrasound probe which makes it possible to determine and/or monitor foreign structures in extracorporeal fluids or extracorporeal fluid flows and/or to determine their size more precisely.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Bereitstellung einer Ultraschallsonde, die ein homogenes Schallfeld erzeugt, das im Wesentlichen frei von Beiträgen von mehrfach reflektierten Schallwellen ist.This task is solved by providing an ultrasonic probe that generates a homogeneous sound field that is essentially free of contributions from multiple reflected sound waves.
Als homogenes Schallfeld wird in diesem Zusammenhang ein Schallfeld bezeichnet, dessen Intensität und maximale Schalldruckamplitude innerhalb des betrachteten Volumens im zeitlichen Verlauf räumlich im Wesentlichen konstant ist.In this context, a homogeneous sound field is a sound field whose intensity and maximum sound pressure amplitude within the volume under consideration are spatially essentially constant over time.
Ebenso wird ein Verfahren zur Ermittlung und/oder Überwachung des Auftretens und/oder Größenbestimmung von Fremdstrukturen in einem extrakorporalen Fluid oder einem extrakorporalen Fluidstrom mit Hilfe der vorgeschlagenen Ultraschallsonde und einem Mittel zur Signalauswertung bereitgestellt.Likewise, a method for determining and/or monitoring the occurrence and/or size determination of foreign structures in an extracorporeal fluid or an extracorporeal fluid stream is provided using the proposed ultrasound probe and a means for signal evaluation.
Bei dem Fluid bzw. Fluidstrom handelt es sich vorzugsweise um eine Flüssigkeit, die sowohl gelöste Stoffe als auch suspendierte Partikel enthalten kann. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Fluid eine Suspension. Eine Suspension ist ein heterogenes Stoffgemisch aus einer Flüssigkeit und darin fein verteilten Festkörpern, die in der Flüssigkeit mit geeigneten Aggregaten (Rührer, Dissolver, Flüssigkeitsstrahlen, Nassmühle) sowie meist mithilfe zusätzlicher Dispergiermittel aufgeschlämmt und in der Schwebe gehalten werden. Eine Suspension ist eine grobdisperse Dispersion und tendiert zur Sedimentation und Phasentrennung. Die Feststoffe sind in der flüssigen Phase suspergiert. Der Fluidzustand ist insbesondere der Misch- bzw. Entmischungszustand der einzelnen Phasen.The fluid or fluid stream is preferably a liquid that can contain both dissolved substances and suspended particles. In a preferred embodiment of the invention, the fluid is a suspension. A suspension is a heterogeneous mixture of substances consisting of a liquid and finely dispersed solids, which are slurried and kept suspended in the liquid using suitable aggregates (stirrer, dissolver, liquid jets, wet mill) and usually with the help of additional dispersants. A suspension is a coarse dispersion and tends to sediment and phase separate. The solids are suspended in the liquid phase. The fluid state is in particular the mixing or segregation state of the individual phases.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Fluid eine Dispersion. Eine Dispersion ist ein heterogenes Gemisch aus mindestens zwei Stoffen, die sich nicht oder kaum ineinander lösen oder chemisch miteinander verbinden. Dabei ist ein Stoff (disperse Phase) fein verteilt in einem anderen Stoff (Dispersionsmedium). In der Regel handelt es sich um Kolloide. Die einzelnen Phasen können deutlich voneinander abgegrenzt und in der Regel durch physikalische Methoden wieder voneinander getrennt werden (z. B. Filtrieren, Zentrifugieren), oder sie entmischen sich von selbst (Sedimentieren). Der Fluidzustand ist insbesondere der Misch- bzw. Entmischungszustand der einzelnen Phasen.In a further preferred embodiment of the invention, the fluid is a dispersion. A dispersion is a heterogeneous mixture of at least two substances that do not or hardly dissolve into one another or chemically combine with one another. One substance (disperse phase) is finely distributed in another substance (dispersion medium). As a rule, these are colloids. The individual phases can be clearly differentiated from one another and can usually be separated from each other again using physical methods (e.g. filtration, centrifugation), or they can segregate on their own (sedimentation). The fluid state is in particular the mixing or segregation state of the individual phases.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Fluid eine Emulsion. Unter einer Emulsion versteht man ein fein verteiltes Gemisch zweier normalerweise nicht mischbarer Flüssigkeiten ohne sichtbare Entmischung. Beispiele für Emulsionen sind zahlreiche Kosmetika, Milch oder Mayonnaise. Der Fluidzustand ist insbesondere der Misch- bzw. Entmischungszustand der einzelnen Flüssigkeiten.In a further preferred embodiment of the invention, the fluid is an emulsion. An emulsion is a finely divided mixture of two normally immiscible liquids without visible separation. Examples of emulsions are numerous cosmetics, milk or mayonnaise. The fluid state is in particular the mixing or segregation state of the individual liquids.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Fluid Blut, besonders bevorzugt in einem Kreislauf, wie einem extrakorporalen Kreislauf. Fremdstrukturen im Blut können sowohl Festkörper wie Thromben- oder Erythrozytenaggregate, aber auch gasförmige Fremdkörper wie Luftblasen sein.In a preferred embodiment of the invention, the fluid is blood, particularly preferably in a circuit, such as an extracorporeal circuit. Foreign structures in the blood can be solid bodies such as thrombi or erythrocyte aggregates, but also gaseous foreign bodies such as air bubbles.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden als Fremdkörper Luftblasen, insbesondere Mikroluftblasen im Fluid detektiert. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Größe der Luftblasen, insbesondere der Mikroluftblasen im Fluid bestimmbar.In a particularly preferred embodiment of the invention, air bubbles, in particular micro air bubbles, are detected as foreign bodies in the fluid. In a particularly preferred embodiment, the size of the air bubbles, in particular the micro air bubbles, in the fluid can be determined.
Zur Ultraschallüberwachung kann jede herkömmliche bekannte Messmethode herangezogen werden. Vorzugsweise erfolgt die Ultraschallüberwachung mittels Messung der Rückstreuung.Any conventional, known measurement method can be used for ultrasound monitoring. Ultrasonic monitoring is preferably carried out by measuring the backscattering.
Die erfindungsgemäße Ultraschallsonde umfasst ein Gehäuse, welches bevorzugt eine Vorklemme umfasst, die die Geometrie des Schlauchs, indem sich ein extrakorporales Fluid befindet, in vertikaler und/oder horizontaler Richtung, vorzugsweise in vertikaler Richtung, einengt. In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Vorklemme gleichzeitig dazu dienen, den Deckel des Gehäuses zu fixieren bzw. verschlossen zu halten.The ultrasound probe according to the invention comprises a housing, which preferably comprises a pre-clamp which restricts the geometry of the tube in which an extracorporeal fluid is located in the vertical and/or horizontal direction, preferably in the vertical direction. In one embodiment of the invention, the pre-clamp can simultaneously serve to fix the cover of the housing or keep it closed.
Der Schallkeil sowie der Reflektor und der Dämpfungskörper werden bevorzugt geometrisch so angeordnet, dass die Geometrie des Schlauchs an der Stelle des Messfeldes durch das Schließen der Ultraschallsonde in horizontaler und/oder vertikaler Richtung, vorzugsweise in horizontaler Richtung eingeengt wird.The sound wedge as well as the reflector and the damping body are preferably arranged geometrically in such a way that the geometry of the hose at the location of the measuring field is narrowed in the horizontal and/or vertical direction, preferably in the horizontal direction, by closing the ultrasound probe.
Durch die Einengung der Schlauchgeometrie und damit des Schlauchdurchmessers an der Stelle des Messfeldes werden Fremdstrukturen wie zum Beispiel Luftblasen gezielt in das homogene Messfelde eingebracht.By narrowing the hose geometry and thus the hose diameter at the location of the measuring field, foreign structures such as air bubbles are specifically introduced into the homogeneous measuring field.
Die Einengung der Schlauchgeometrie führt an dieser Stelle zu einer erhöhten Fließgeschwindigkeit und einem erhöhten Strömungswiderstand. Diese Effekte sind oft nicht erwünscht. Daher wird die maximale Einengung der Geometrie des Schlauchs, durch den das Fluid geleitet wird, nur an der Stelle des Messfeldes vorgenommen und der Schlauch im Weiteren nicht deformiert. Diese Art der Schlauchführung gewährleistet auch eine möglichst geringe Verwirbelung der Strömung in dem Schlauch.The narrowing of the hose geometry at this point leads to an increased flow velocity and increased flow resistance. These effects are often undesirable. Therefore, the maximum narrowing of the geometry of the hose through which the fluid is passed is only increased at the location of the measuring field and the hose is not subsequently deformed. This type of hose routing also ensures the lowest possible turbulence of the flow in the hose.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Ultraschallsonde ein Gehäuse mit Deckel, einen Ultraschallsensor, ein Schallfeld, einen Reflektor, ein Trägermaterial, einen Dämpfungskörper und mindestens eine Piezokeramik. Die Piezokeramik befindet sich vorzugsweise auf einem Schallkeil. Der Schallkeil liegt vorzugsweise mit einer Schallaustrittsfläche am Schlauch, durch den das Fluid geleitet wird, an.In a further embodiment, the ultrasonic probe comprises a housing with a cover, an ultrasonic sensor, a sound field, a reflector, a carrier material, a damping body and at least one piezoceramic. The piezoceramic is preferably located on a sound wedge. The sound wedge preferably rests with a sound exit surface on the hose through which the fluid is passed.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Piezokeramik und der Schallkeil von allen Seiten, mit Ausnahme der Kontaktstelle zwischen Schallkeil und Schlauch, von einem Dämpfungskörper umgeben. Die Kontaktstelle zwischen Schallkeil und Schlauch wird im Folgenden als Schallaustrittsfläche bezeichnet.In a preferred embodiment, the piezoceramic and the sound wedge are surrounded by a damping body on all sides, with the exception of the contact point between the sound wedge and the hose. The contact point between the sound wedge and the hose is referred to below as the sound exit surface.
Der Dämpfungskörper ist vorzugsweise in einem Trägermaterial fixiert.The damping body is preferably fixed in a carrier material.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Deckel der Ultraschallsonde einen Reflektor mit einer Reflexionsfläche.In a further embodiment of the invention, the cover of the ultrasound probe comprises a reflector with a reflection surface.
Die Piezokeramik dient als Ultraschallsender und -empfänger. Als Piezokeramik kann jede herkömmliche, im Ultraschallbereich anwendbare Keramik verwendet werden. Vorzugsweise wird eine Kompositkeramik verwendet. Besonders bevorzugt ist die Verwendung einer gefüllten Piezokeramik, wie beispielsweise einer Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik (PZT-Keramik) mit Polymerfüllung. Die Geometrie der Piezokeramik ist so gewählt, dass ein im Wesentlichen homogenes Schallfeld erzeugt wird. Die Piezokeramik hat vorzugsweise einen rechteckigen oder elliptischen Querschnitt. Die Piezokeramik hat bevorzugt eine dem jeweiligen Schlauchquerschnitt angepasste Breite und Länge. Im Falle eines Schlauches mit einem Innendurchmesser von 3/8" und einer Wandstärke von 1/16" hat die Piezokeramik beispielsweise eine Länge zwischen 25 mm bis 12 mm, vorzugsweise 22 mm bis 14 mm, besonders bevorzugt 20 mm bis 14 mm. Die Breite der Piezokeramik liegt in diesem Fall beispielsweise zwischen 1 mm und 10 mm, vorzugsweise, 2 mm und 8 mm, besonders bevorzugt 3 mm und 6 mm. Beispielhaft kann die Piezokeramik eine Länge x Breite von 16 mm × 5 mm oder 20 mm × 3 mm aufweisen. Die Länge und Breite der Piezokeramik ist entsprechend an andere Schlauchdurchmesser anpassbar. Weitere Schläuche, die mit der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde genutzt werden können, haben beispielsweise einen Innendurchmesser von 1/2", 1/4", 3/16, oder 3/8" bei Wandstärken von 1/16" bis 1/32" oder einen Innendurchmesser von 2 mm bis 15,9 mm bei Wandstärken von 1 bis 3,2 mm. Auch Schläuche für industrielle Anwendungen mit einem Innendurchmesser von 1 1/2 bis 2" sind denkbar. Denkbar sind auch Kathederschläuche mit z.B. einem Innendurchmesser von 0,4mm und einer Wandstärke von 0,07mm. Im Falle eines 1/2" Schlauches kann die Piezokeramik eine Länge × Breite von 25 mm × 3 mm aufweisen.The piezo ceramic serves as an ultrasound transmitter and receiver. Any conventional ceramic that can be used in the ultrasonic range can be used as a piezoceramic. A composite ceramic is preferably used. The use of a filled piezoceramic, such as a lead zirconate titanate ceramic (PZT ceramic) with polymer filling, is particularly preferred. The geometry of the piezoceramic is chosen so that an essentially homogeneous sound field is generated. The piezoceramic preferably has a rectangular or elliptical cross section. The piezoceramic preferably has a width and length that is adapted to the respective tube cross section. In the case of a hose with an inner diameter of 3/8" and a wall thickness of 1/16", the piezoceramic, for example, has a length between 25 mm to 12 mm, preferably 22 mm to 14 mm, particularly preferably 20 mm to 14 mm. The width of the piezoceramic in this case is, for example, between 1 mm and 10 mm, preferably 2 mm and 8 mm, particularly preferably 3 mm and 6 mm. For example, the piezoceramic can have a length x width of 16 mm × 5 mm or 20 mm × 3 mm. The length and width of the piezoceramic can be adjusted to suit other tube diameters. Other tubes that can be used with the ultrasound probe according to the invention have, for example, an inner diameter of 1/2", 1/4", 3/16, or 3/8" with wall thicknesses of 1/16" to 1/32" or one Inner diameters from 2 mm to 15.9 mm with wall thicknesses from 1 to 3.2 mm. Hoses for industrial applications with an inner diameter of 1 1/2 to 2" are also conceivable. Catheter tubes with, for example, an inner diameter of 0.4mm and a wall thickness of 0.07mm are also conceivable. In the case of a 1/2" hose, the piezoceramic can have a length × width of 25 mm × 3 mm.
In einer geeigneten Ausführungsform ist die Piezokeramik auf einem Schallkeil aufgebracht, wobei der Schallkeil vorzugsweise an der Schallaustrittsfläche am Schlauch anliegt.In a suitable embodiment, the piezoceramic is applied to a sound wedge, the sound wedge preferably resting on the sound exit surface on the hose.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Schallkeil an allen anderen Grenzflächen von einem Dämpfungskörper umgeben. Erfindungsgemäß liegt die Schallaustrittsfläche der Piezokeramik gegenüber und ist so dimensioniert, dass der Schall nicht über die gesamte Fläche des Schallkeils, die dem Fluid zugewandt ist, austritt, d.h. dass die Schallaustrittsfläche nicht die gesamte Fläche des Schallkeils, die dem Fluid zugewandt ist, umfasst.In a preferred embodiment, the sound wedge is surrounded by a damping body on all other interfaces. According to the invention, the sound exit surface lies opposite the piezoceramic and is dimensioned such that the sound does not emerge over the entire surface of the sound wedge that faces the fluid, i.e. that the sound exit surface does not cover the entire surface of the sound wedge that faces the fluid.
In einer anderen Ausführungsform umfasst die Ultraschallsonde mehr als eine Piezokeramik. Dadurch ist die Messung verschiedener Streuwinkel und damit verschiedener Ortslagen möglich. Dies ermöglicht insbesondere auch die Diskriminierung mehrerer Fremdkörper im Messvolumen.In another embodiment, the ultrasound probe comprises more than one piezoceramic. This makes it possible to measure different scattering angles and thus different locations. In particular, this also enables the discrimination of several foreign bodies in the measuring volume.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Ultraschallsonde ein Array von Piezokeramiken. Das Array von Ultraschallsonden besteht dabei aus mehreren Piezokeramiken, zum Beispiel aus 4, 8, 16, 32, 64, 128 oder 256 Piezokeramiken. Dabei können die Piezokeramiken in Reihe (linear array) angeordnet sein, aber auch die Anordnung der Piezokeramiken in Reihe auf einer konvex oder konkav gekrümmten Ankoppelfläche ist möglich (curved array). Die einzelnen Piezokeramiken in einem Array lassen sich dabei einzeln oder in Gruppen ansteuern bzw. auslesen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform lassen sich die Piezokeramiken bei der Verwendung eines Arrays von Piezokeramiken phasenverschoben ansteuern (phased array Ansteuerung). Das heißt, die einzelnen Piezokeramiken oder Gruppen von Piezokeramiken aus dem Array lassen sich phasenverschoben also zeitversetzt ansteuern. Durch die phasenverschobene Ansteuerung der einzelnen Piezokeramiken oder Gruppen von Piezokeramiken aus dem Array kann eine weitere Homogenisierung des Schallfeldes erreicht werden.In a particularly preferred embodiment, the ultrasound probe comprises an array of piezoceramics. The array of ultrasound probes consists of several piezoceramics, for example 4, 8, 16, 32, 64, 128 or 256 piezoceramics. The piezoceramics can be arranged in a row (linear array), but it is also possible to arrange the piezoceramics in a row on a convex or concave curved coupling surface (curved array). The individual piezoceramics in an array can be controlled or read out individually or in groups. In a particularly preferred embodiment, the piezoceramics can be controlled in a phase-shifted manner when using an array of piezoceramics (phased array control). This means that the individual piezoceramics or groups of piezoceramics from the array can be controlled out of phase, i.e. with a time delay. By controlling the individual piezoceramics or groups of piezoceramics from the array in a phase-shifted manner, further homogenization of the sound field can be achieved.
Die durch die Piezokeramik erzeugten Schallwellen werden in den Schallkeil und anschließend über die Schallaustrittsfläche in den Schlauch und das Fluid eingekoppelt. An der Schallaustrittsfläche kommt es ebenfalls zu einer teilweisen Reflexion der Schallwellen. Diese reflektierten Schallwellen unterliegen wiederum teilweise einer Reflexion an der Grenzfläche des Schallkeils zum umgebenden Medium. Bei den herkömmlich verwendeten Schallkeilen können die reflektierten Schallwellen teilweise über die Schallaustrittsfläche in den Schlauch und das Fluid eindringen. Dadurch wird ein inhomogenes Schallfeld im zu untersuchenden Fluid erzeugt. Diese Inhomogenität im Schallfeld ist nachteilig und beeinflusst die Messergebnisse in unerwünschter Weise.The sound waves generated by the piezoceramic are transmitted into the sound wedge and then via the sound exit surface into the hose and the fluid is coupled in. There is also a partial reflection of the sound waves at the sound exit surface. These reflected sound waves are in turn partially subject to reflection at the interface between the sound wedge and the surrounding medium. With the conventionally used sound wedges, the reflected sound waves can partially penetrate the hose and the fluid via the sound exit surface. This creates an inhomogeneous sound field in the fluid to be examined. This inhomogeneity in the sound field is disadvantageous and influences the measurement results in an undesirable way.
In der vorliegenden Erfindung wird die Geometrie des Schallkeils daher so vorgeschlagen, dass die an der Schallaustrittsfläche reflektierten Schallwellen nach einer erneuten Reflexion an der Grenzfläche des Schallkeils zum umgebenden Medium nicht zum Schallfeld im Messvolumen beitragen. In einer bevorzugten Ausführungsform tragen die einmal an der Schallaustrittsfläche reflektierten Schallwellen auch nach mehrfacher Reflexion an der Grenzfläche des Schallkeils zum umgebenden Medium nicht zum Schallfeld im Messvolumen bei.In the present invention, the geometry of the sound wedge is therefore proposed such that the sound waves reflected at the sound exit surface do not contribute to the sound field in the measurement volume after being reflected again at the interface of the sound wedge with the surrounding medium. In a preferred embodiment, the sound waves reflected once at the sound exit surface do not contribute to the sound field in the measurement volume even after repeated reflection at the interface of the sound wedge and the surrounding medium.
Als Messvolumen wird im Sinn der Erfindung der Bereich zwischen Schallaustrittsfläche und Reflektor bezeichnet, in dem Fremdstrukturen detektiert werden können.For the purposes of the invention, the area between the sound exit surface and the reflector, in which foreign structures can be detected, is referred to as the measuring volume.
Neben der Geometrie des Schallkeils ist der Dämpfungskörper um den Schallkeil von besonderer Bedeutung. Nach der Reflexion an der Schallaustrittsfläche werden die reflektierten Schallwellen teilweise an der Grenzfläche von Schallkeil und umgebendem Dämpfungskörper reflektiert und teilweise in den Dämpfungskörper ausgekoppelt. Der ausgekoppelte Anteil der Schallwellen wird durch den Dämpfungskörper absorbiert. Der reflektierte Anteil der Schallwellen wird erneut, gegebenenfalls mehrfach, an der Grenzfläche von Schallkeil und umgebendem Dämpfungskörper reflektiert und wiederum in den Dämpfungskörper ausgekoppelt.In addition to the geometry of the sound wedge, the damping body around the sound wedge is of particular importance. After reflection at the sound exit surface, the reflected sound waves are partly reflected at the interface between the sound wedge and the surrounding damping body and partly coupled out into the damping body. The decoupled portion of the sound waves is absorbed by the damping body. The reflected portion of the sound waves is reflected again, if necessary several times, at the interface between the sound wedge and the surrounding damping body and in turn coupled out into the damping body.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde wird der an der Schallaustrittsfläche reflektierte Hauptstrahl der Reflexion in seiner Intensität geschwächt, indem er an der Grenzfläche von Schallkeil und Dämpfungskörper teilweise reflektiert und teilweise in den Dämpfungskörper ausgekoppelt wird. Der ausgekoppelte Anteil wird im Dämpfungskörper absorbiert und kann nicht in das Messvolumen gelangen.In a preferred embodiment of the ultrasonic probe according to the invention, the intensity of the main beam of reflection reflected at the sound exit surface is weakened by being partially reflected at the interface between the sound wedge and the damping body and partially coupled out into the damping body. The decoupled portion is absorbed in the damping body and cannot enter the measuring volume.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Ultraschallsonde wird der an der Schallaustrittsfläche reflektierte Hauptstrahl der Reflexion der Schallwellen in seiner Intensität geschwächt, indem er mehrfach an der Grenzfläche von Schallkeil und Dämpfungskörper teilweise reflektiert und teilweise in den Dämpfungskörper ausgekoppelt wird. Der jeweils in den Dämpfungskörper ausgekoppelte Anteil wird absorbiert und kann nicht in das Messvolumen gelangen.In a particularly preferred embodiment of the ultrasonic probe, the main beam of the reflection of the sound waves reflected at the sound exit surface is weakened in its intensity by being partially reflected several times at the interface between the sound wedge and the damping body and partially coupled out into the damping body. The portion that is coupled out into the damping body is absorbed and cannot reach the measuring volume.
Der Dämpfungskörper besteht aus einem Material, das Schallwellen gut absorbiert. Dies kann zum Beispiel ein geeignetes Gemisch aus Polymeren und Festkörperpartikeln geeigneter Größe oder Größenverteilung sein, beispielsweise ein Polyurethan, ein Expoxidharz oder ein Silikon und Metallpartikel. Solche Materialien sind dem Fachmann bekannt.The damping body is made of a material that absorbs sound waves well. This can be, for example, a suitable mixture of polymers and solid particles of a suitable size or size distribution, for example a polyurethane, an epoxy resin or a silicone and metal particles. Such materials are known to those skilled in the art.
Geeignete Materialien für den Schallkeil können zum Beispiel Festkörper mit geeigneter Schallimpedanz und Schalldämpfung im bevorzugten Ultraschallfrequenzbereich sein. Insbesondere richtet sich das Material des Schallkeils nach den akustischen Eigenschaften des Schlauches und dem Einsatzbereich. So sollte das Material beispielsweise desinfizierbar und/oder hitzebeständig sein. Beispiele für geeignete Materialien für die Ausbildung des Schallkeils sind Polyetheretherketon (PEEK) und Styrol. Andere geeignete Materialien sind dem Fachmann bekannt.Suitable materials for the sound wedge can be, for example, solid bodies with suitable sound impedance and sound attenuation in the preferred ultrasonic frequency range. In particular, the material of the sound wedge depends on the acoustic properties of the hose and the area of application. For example, the material should be disinfectable and/or heat-resistant. Examples of suitable materials for forming the sound wedge are polyetheretherketone (PEEK) and styrene. Other suitable materials are known to those skilled in the art.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Ultraschallsonde einen Schallkeil, bei dem der Absorberwinkel, der Einschallwinkel und der Schallfeldwinkel Werte in den folgenden Bereichen aufweisen:
- - Absorberwinkel W1: 15°
bis 25° - - Einschallwinkel W2: 115° bis 135°
- - Schallfeldwinkel W3: 95° bis 110°.
- - Absorber angle W1: 15° to 25°
- - Insonification angle W2: 115° to 135°
- - Sound field angle W3: 95° to 110°.
Die Länge und Höhe des Schallkeils sowie die Breite der Piezokeramik können an die Bedingungen, unter denen die Ultraschallsonde eingesetzt werden soll, angepasst werden. Insbesondere sind Länge und Höhe des Schallkeils sowie die Breite der Piezokeramik an den Durchmesser des Schlauchs, der das Fluid führt, anpassbar.The length and height of the sound wedge as well as the width of the piezoceramic can be adjusted to the conditions under which the ultrasound probe is to be used. In particular, the length and height of the sound wedge as well as the width of the piezoceramic can be adjusted to the diameter of the hose that carries the fluid.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat der Schallkeil zum Beispiel folgende Dimensionen (siehe
- - Breite des Schallfensters B2: 4 mm - 6mm
- - Breite der Piezokeramik B1: 2 mm - 4 mm
- - Keillänge L: 15
mm bis 25 mm - - Keilhöhe H: 5
mm bis 15 mm - - Absorberwinkel W1: 15°
bis 25 ° - - Einschallwinkel W2: 115° bis 135 °
- - Schallfeldwinkel W3: 95° bis 110°.
- - Width of sound window B2: 4mm - 6mm
- - Width of piezo ceramic B1: 2 mm - 4 mm
- - Wedge length L: 15 mm to 25 mm
- - Wedge height H: 5 mm to 15 mm
- - Absorber angle W1: 15° to 25°
- - Insonification angle W2: 115° to 135°
- - Sound field angle W3: 95° to 110°.
Prinzipiell ist erfindungsgemäß jedoch jede Geometrie des Schallkeils möglich, die eine erfindungsgemäße Reflexion und Absorption der Schallwellen gewährleistet.In principle, however, any geometry of the sound wedge is possible according to the invention, which ensures reflection and absorption of the sound waves according to the invention.
Erfindungsgemäß wird aufgrund der Geometrie des Schallkeils und der Piezokeramik sowie der Verwendung eines geeigneten Dämpfungskörpers ein homogenes Schallfeld im Messvolumen erzeugt, welches frei von Mehrfachreflexionen ist.According to the invention, due to the geometry of the sound wedge and the piezoceramic as well as the use of a suitable damping body, a homogeneous sound field is generated in the measuring volume, which is free of multiple reflections.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der Ultraschallsensor sowie der Reflektor und die Klemme in der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde so angeordnet, dass ein homogenes Schallfeld ohne Mehrfachreflexionen im Messvolumen erzeugt wird. Der Schallkeil hat in diesem Fall folgende Dimensionen (siehe
- - Breite des Schallfensters B2: 5,3 mm
- - Breite der Piezokeramik B1: 3 mm
- - Keillänge L: 18,3mm
- - Keilhöhe H: 9,9 mm
- - Absorberwinkel W1: 20°
- - Einschallwinkel W2: 128°
- - Schallfeldwinkel W3: 100°.
- - Width of sound window B2: 5.3 mm
- - Width of piezo ceramic B1: 3 mm
- - Wedge length L: 18.3mm
- - Wedge height H: 9.9 mm
- - Absorber angle W1: 20°
- - Insonification angle W2: 128°
- - Sound field angle W3: 100°.
Die erfindungsmäße Ultraschallsonde ist in mehrerlei Hinsicht vorteilhaft. Durch die besondere Anordnung und Geometrie der einzelnen Bauteile wie oben beschrieben wird die Sensitivität der Ultraschallsonde für die Detektion von Fremdkörpern, insbesondere Luftblasen stark erhöht. Dies äußert sich darin, dass Luftblasen mit einem deutlich kleineren Durchmesser bis hin zu Mikroluftblasen zuverlässig detektiert werden können. Mit herkömmlichen Geräten war es bislang nicht möglich, kleine Luftblasen mit einem Durchmesser bis zu 5 µm, vorzugsweise bis zu 4 µm, 3 µm, 2 µm oder 1 µm mit ausreichender Genauigkeit und Reproduzierbarkeit zu bestimmen. So kommt es bei der Verwendung von herkömmlichen Sonden zu sogenannten Doppelmessungen. Doppelmessungen bedeutet in diesem Fall, dass sich zwei oder mehr Luftblasen bzw. Fremdstrukturen im Messvolumen befinden, die in der Messung nicht als einzelne, separate Strukturen, sondern als eine Struktur erkannt werden.The ultrasound probe according to the invention is advantageous in several respects. The special arrangement and geometry of the individual components as described above greatly increases the sensitivity of the ultrasound probe for detecting foreign bodies, especially air bubbles. This is reflected in the fact that air bubbles with a significantly smaller diameter and even micro air bubbles can be reliably detected. With conventional devices it has not yet been possible to determine small air bubbles with a diameter of up to 5 µm, preferably up to 4 µm, 3 µm, 2 µm or 1 µm with sufficient accuracy and reproducibility. When using conventional probes, so-called double measurements occur. In this case, double measurements mean that there are two or more air bubbles or foreign structures in the measurement volume that are not recognized in the measurement as individual, separate structures, but as one structure.
Aufgrund des Aufbaus der erfindungsgemäßen Sonde kann die Größe von Fremdstrukturen und insbesondere von Luftblasen im Vergleich zu herkömmlichen Ultraschallsonden mit höherer Genauigkeit bestimmt werden. Die Messergebnisse mit herkömmlichen Sonden bieten eine Genauigkeit mit einer Standardabweichung im Bereich von 40-60 %. Mit der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde wird die Anzahl der Doppelmessungen aufgrund des verkleinerten Messvolumens deutlich reduziert und die Genauigkeit der Messungen dadurch verbessert. Darüber hinaus werden die Fremdstrukturen aufgrund der geometrischen Einengung des Fluid-führenden Schlauchs in das homogene Schallfeld eingebracht. Die konstruktiven Besonderheiten im Aufbau der Ultraschallsonde führen außerdem dazu, dass keine Mehrfachreflexionen im Messvolumen auftreten. Dadurch kann die Größe von Fremdstrukturen mit der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde mit einer Standartabweichung von nur noch 20-40 % bestimmt werden.Due to the structure of the probe according to the invention, the size of foreign structures and in particular of air bubbles can be determined with greater accuracy compared to conventional ultrasound probes. The measurement results with conventional probes provide accuracy with a standard deviation in the range of 40-60%. With the ultrasound probe according to the invention, the number of double measurements is significantly reduced due to the reduced measuring volume and the accuracy of the measurements is thereby improved. In addition, the foreign structures are introduced into the homogeneous sound field due to the geometric narrowing of the fluid-carrying hose. The special design features of the ultrasonic probe also mean that no multiple reflections occur in the measuring volume. This means that the size of foreign structures can be determined with the ultrasound probe according to the invention with a standard deviation of only 20-40%.
Die vorgeschlagene Ultraschallsonde kann in Verfahren zur Ermittlung und/oder Überwachung des Auftretens und/oder zur Größenbestimmung von Fremdstrukturen in einem extrakorporalen Fluid oder einem extrakorporalen Fluidstrom verwendet werden. Dabei wird das extrakorporale Fluid durch einen Schlauch geleitet. Zusätzlich zur Ultraschallsonde kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Signalauswertemittel verwendet werden. Als Signalauswertemittel kann beispielsweise ein geeigneter Auswertealgorithmus verwendet werden.The proposed ultrasound probe can be used in methods for determining and/or monitoring the occurrence and/or sizing of foreign structures in an extracorporeal fluid or an extracorporeal fluid stream. The extracorporeal fluid is passed through a tube. In addition to the ultrasound probe, a signal evaluation means can be used in the method according to the invention. For example, a suitable evaluation algorithm can be used as a signal evaluation means.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren zur Ermittlung und/oder Überwachung des Auftretens und/oder zur Größenbestimmung von Fremdstrukturen in Blut oder einem Blutstrom, insbesondere einem extrakorporalen Blutstrom, bereitgestellt, wobei das Blut mit der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde überwacht wird und die Messergebnisse mit einem Signalauswertemittel ausgewertet werden.In a preferred embodiment, a method for determining and/or monitoring the occurrence and/or determining the size of foreign structures in blood or a blood stream, in particular an extracorporeal blood stream, is provided, wherein the blood is monitored with the ultrasound probe according to the invention and the measurement results with a signal evaluation means be evaluated.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es auch möglich, wenigstens eine Fremdstruktur von wenigstens einer weiteren Fremdstruktur im Fluid zu unterscheiden.The method according to the invention also makes it possible to distinguish at least one foreign structure from at least one further foreign structure in the fluid.
Die wenigstens eine Fremdstruktur in dem Fluid kann gasförmig, wie etwa eine Luftblase sein. Die wenigstens eine Fremdstruktur kann aber auch ein Festkörper, wie beispielsweise ein Blutgerinnsel oder ein von der Oberfläche des extrakorporalen Kreislaufs abgelöster Fremdkörper sein.The at least one foreign structure in the fluid may be gaseous, such as an air bubble. However, the at least one foreign structure can also be a solid body, such as a blood clot or a foreign body detached from the surface of the extracorporeal circuit.
Die wenigstens eine weitere Fremdstruktur in dem Fluid kann ebenfalls gasförmig, wie etwa eine Luftblase sein aber auch ein Festkörper, wie beispielsweise ein Blutgerinnsel oder ein von der Oberfläche des extrakorporalen Kreislaufs abgelöster Fremdkörper sein.The at least one further foreign structure in the fluid can also be gaseous, such as an air bubble, but also a solid, such as a blood clot or a foreign body detached from the surface of the extracorporeal circuit.
Die Unterscheidung kann über die Rückstreuamplitude erfolgen, die beispielsweise in Luft größer ist als bei Blutgerinnseln, da der Impedanzsprung zwischen Blut und Luft erhöht ist. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Unterscheidung von Luftblasen und Mikroembolien aufgrund des unterschiedlichen Verhältnisses zwischen Amplitude des Signals und der Aufenthaltsdauer, also der Zeitinformation, vorgenommen.The distinction can be made via the backscatter amplitude, which is greater in air than in blood clots, for example, because the impedance jump between blood and air is increased. In a preferred embodiment, a distinction between air bubbles and microemboli is made the different relationship between the amplitude of the signal and the duration of stay, i.e. the time information.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es daher möglich, Luftblasen insbesondere Mikroluftblasen in extrakorporalen Kreisläufen nichtinvasiv ohne direkten Kontakt zu der Flüssigkeit zu detektieren.The method according to the invention therefore makes it possible to detect air bubbles, in particular micro air bubbles, in extracorporeal circuits non-invasively without direct contact with the liquid.
Größere Luftblasen können unter Verwendung eines Referenzsignals und durch die Auswertung des Integrals der Amplitudenwerte bestimmt werden. Dafür dürfen die Amplitudenwerte nicht übersteuert sein.Larger air bubbles can be determined using a reference signal and evaluating the integral of the amplitude values. To do this, the amplitude values must not be overdriven.
Die erfindungsgemäße Ultraschallsonde und das erfindungsgemäße Verfahren sind besonders gut dazu geeignet, sehr kleine Luftblasen, wie zum Beispiel Mikroluftblasen, zu detektieren und/oder deren Größe zu bestimmen.The ultrasound probe according to the invention and the method according to the invention are particularly well suited to detecting very small air bubbles, such as micro air bubbles, and/or determining their size.
Die Größe der detektierbaren Fremdstrukturen hängt vom Impedanzsprung ab. Luftblasen sind beispielsweise ab einem Durchmesser von 1 µm, vorzugsweise ab 2 µm, 3 µm, 4 µm oder 5 µm messbar. Fremdstrukturen können bis zu einem Durchmesser detektiert werden, der maximal dem Schlauchdurchmesser entspricht.The size of the detectable foreign structures depends on the impedance jump. For example, air bubbles can be measured from a diameter of 1 µm, preferably from 2 µm, 3 µm, 4 µm or 5 µm. Foreign structures can be detected up to a diameter that corresponds at most to the hose diameter.
Durch die Vorklemme an der Ultraschallsonde und die Anordnung von Schallkeil, Dämpfungskörper und Reflektor wird die Geometrie des Schlauches, durch den der extrakorporale Fluidstrom geleitet wird bzw. in dem sich das extrakorporale Fluid befindet, in horizontaler und/oder vertikaler Richtung eingeengt. Fremdstrukturen, die detektierte werden sollen, werden dadurch in das homogene Schallfeld der Ultraschallsonde geleitet.Due to the pre-clamp on the ultrasound probe and the arrangement of the sound wedge, damping body and reflector, the geometry of the hose through which the extracorporeal fluid flow is passed or in which the extracorporeal fluid is located is narrowed in the horizontal and/or vertical direction. Foreign structures that are to be detected are thereby guided into the homogeneous sound field of the ultrasound probe.
In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für die Streumessung mehr als eine Piezokeramik verwendet. Dadurch ist die Messung verschiedener Streuwinkel und damit verschiedener Ortslagen möglich. Dies ermöglicht die Diskriminierung mehrerer Fremdkörper im Messvolumen.In a special embodiment of the method according to the invention, more than one piezoceramic is used for the scatter measurement. This makes it possible to measure different scattering angles and thus different locations. This enables the discrimination of several foreign bodies in the measurement volume.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine fortlaufende Korrektur der Umgebungsparameter vorgenommen. Durch den Schlauch, der das Fluid oder den Fluidstrom umgibt, erfahren die Schallwellen eine Dämpfung. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden deshalb die Schlauchparameter bestimmt. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass durch eine Reflexionsmessung ein Referenzsignal bezüglich der Dämpfung der Schallwellen durch den Schlauch und der Ankopplung an den Schlauch gemessen werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Korrektur der Schlauchparameter, beispielsweise mit Hilfe des ermittelten Referenzsignals, fortlaufend in „real time“ vorgenommen.In one embodiment of the method according to the invention, a continuous correction of the environmental parameters is carried out. The sound waves are attenuated by the hose that surrounds the fluid or fluid stream. In a preferred embodiment of the method, the hose parameters are therefore determined. This can be done, for example, by measuring a reference signal relating to the attenuation of the sound waves through the hose and the coupling to the hose using a reflection measurement. In a particularly preferred embodiment of the method, the correction of the hose parameters is carried out continuously in “real time”, for example with the help of the determined reference signal.
In dem vorgeschlagenen Verfahren kann das Signal auch als komplexes I-Q-Signal ausgewertet werden. Zusätzlich zur Information der Amplitudengröße wird dadurch die Phaseninformation gewonnen. Das detektierte Signal wird dafür in zwei Wegen weiterverarbeitet. Einmal wird eine Demodulation mit der originalen Phase durchgeführt, wodurch das I-Signal erhalten wird. Darüber hinaus wird eine Demodulation mit einer um 90° verschobenen Phase durchgeführt, wodurch das Q-Signal erhalten wird. Über Berechnungen mit Hilfe von Winkelfunktionen ist es möglich, die Phaseninformation zu extrahieren. Das Verfahren ist dem Fachmann bekannt. Durch die Phaseninformation kann die Flussrichtung des Fluidstroms bestimmen werden.In the proposed method, the signal can also be evaluated as a complex IQ signal. In addition to the information about the amplitude size, phase information is obtained. The detected signal is further processed in two ways. Once, demodulation is performed with the original phase, obtaining the I signal. In addition, demodulation with a phase shifted by 90° is performed, thereby obtaining the Q signal. It is possible to extract the phase information using calculations using angle functions. The process is known to those skilled in the art. The phase information can be used to determine the flow direction of the fluid stream.
In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens ist die Messfrequenz nicht konstant, sondern kann an die Messbedingungen angepasst werden. Bevorzugt wird eine solche Anpassung automatisch vorgenommen. Für sehr kleine Strukturen sollte die Frequenz größer gewählt werden (z.B. für Mikroembolien aus Blutzellen). Für große Luftmengen und größere Schläuche kann die Frequenz geringer sein. Vorzugsweise liegt die Messfrequenz in Abhängigkeit der Messbedingungen und/oder der messenden Fremdstrukturen im Bereich von 0,5 MHz bis 16 MHz, bevorzugt von 1 bis 8 MHz, besonders bevorzugt von 1,8 bis 2,2 MHz. Eine geeignete Messfrequenz liegt beispielsweise bei 2 MHz .In a special embodiment of the method, the measurement frequency is not constant, but can be adapted to the measurement conditions. Such an adjustment is preferably carried out automatically. For very small structures, the frequency should be chosen higher (e.g. for microemboli from blood cells). For large air volumes and larger hoses the frequency may be lower. Preferably, the measurement frequency is in the range from 0.5 MHz to 16 MHz, preferably from 1 to 8 MHz, particularly preferably from 1.8 to 2.2 MHz, depending on the measurement conditions and/or the foreign structures being measured. A suitable measurement frequency is, for example, 2 MHz.
In einer Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Bestimmung der Größe der Fremdstrukturen, insbesondere der Größe von Luftblasen. Dafür ist es vorteilhaft, wenn vor der Untersuchung des Fluids eine Kalibrierung der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde vorgenommen wird.In one embodiment, the method according to the invention includes determining the size of the foreign structures, in particular the size of air bubbles. For this purpose, it is advantageous if the ultrasound probe according to the invention is calibrated before the fluid is examined.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden für die Kalibrierung die Streusignale von Luftblasen mit mindestens zwei verschiedenen Größen mit der Ultraschallsonde gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren gemessen. Hierfür kann beispielsweise ein Kreislauf genutzt werde, durch den Luftbläschen mit definierter Größe, einzeln und getaktet, geleitet werden. Die Streusignale der Luftbläschen können dann der Größe der jeweiligen Bläschen zugeordnet werden. Auf diese Weise können Streusignale für zwei, drei, vier, fünf oder mehr definierte Größen von Luftblasen ermittelt werden. Aus den so gemessenen Streusignalen kann mittels dem Fachmann bekannten mathematischen Verfahren und Methoden eine Regressionskurve oder -gerade abgeleitet werden. Den anschließend in dem zu untersuchenden Fluid gemessenen Streusignalen von Luftbläschen können so mit Hilfe der durch die Kalibrierung gewonnen Daten bzw. Regressionskurven oder -geraden, Größen zugeordnet werden.In a preferred embodiment of the method, for calibration, the scattering signals of air bubbles with at least two different sizes are measured with the ultrasound probe according to the proposed method. For this purpose, for example, a circuit can be used through which air bubbles of a defined size are passed individually and in a clocked manner. The scattering signals from the air bubbles can then be assigned to the size of the respective bubbles. In this way, scatter signals can be determined for two, three, four, five or more defined sizes of air bubbles. A regression curve or line can be derived from the scatter signals measured in this way using mathematical procedures and methods known to those skilled in the art. The one afterwards Scatter signals from air bubbles measured in the fluid to be examined can be assigned to sizes using the data or regression curves or lines obtained through the calibration.
Die Erfindung wird im Folgenden durch 1 Ausführungsbeispiel und 7 Figuren näher beschrieben.The invention is described in more detail below using 1 exemplary embodiment and 7 figures.
Es zeigen:
-
1 eine geöffnete Ultraschallsonde mit Vorklemme; -
2 eine geschlossene Ultraschallsonde mit Vorklemme und Schlauch durch den das Fluid geleitet wird; -
3 die Einschränkung der Schlauchgeometrie innerhalb der Ultraschallsonde bei geschlossener Ultraschallsonde, dargestellt in geöffneter Form zur besseren Veranschaulichung; -
4 den Aufbau der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde; -
5 die Geometrie von Schallkeil, Piezokeramik und Dämpfungskörper; -
6 den Verlauf der Schallwellen im Schallkeil; und -
7 das Schallfeld bei Verwendung eines herkömmlichen Schallkeils (a) und Schallfeld bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Schallkeils (b); -
8 den Vergleich der Messergebnisse einer herkömmlichen Sonde (a) und der erfindungsgemäßen Sonde (b).
-
1 an opened ultrasound probe with pre-clamp; -
2 a closed ultrasound probe with a pre-clamp and hose through which the fluid is passed; -
3 the limitation of the tube geometry within the ultrasound probe when the ultrasound probe is closed, shown in an open form for better illustration; -
4 the structure of the ultrasound probe according to the invention; -
5 the geometry of the sound wedge, piezo ceramic and damping body; -
6 the course of the sound waves in the sound wedge; and -
7 the sound field when using a conventional sound wedge (a) and sound field when using a sound wedge according to the invention (b); -
8th the comparison of the measurement results of a conventional probe (a) and the probe according to the invention (b).
- - Breite des Schallfensters B2: 5,3 mm
- - Breite der Piezokeramik B1: 3 mm
- - Keillänge L: 18,3mm
- - Keilhöhe H: 9,9 mm
- - Absorberwinkel W1: 20°
- - Einschallwinkel W2: 128°
- - Schallfeldwinkel W3: 100°.
- - Width of sound window B2: 5.3 mm
- - Width of piezo ceramic B1: 3 mm
- - Wedge length L: 18.3mm
- - Wedge height H: 9.9 mm
- - Absorber angle W1: 20°
- - Insonification angle W2: 128°
- - Sound field angle W3: 100°.
BezugszeichenReference symbols
- 1010
- UltraschallsondeUltrasound probe
- 1111
- Vorklemmepre-clamp
- 1212
- GehäuseHousing
- 1313
- SchallaustrittsflächeSound exit surface
- 1414
- KabelCable
- 1515
- Reflektorreflector
- 1616
- DeckelLid
- 1717
- SchlauchHose
- 18a18a
- vertikale Einengung des Schlauchesvertical narrowing of the hose
- 18b18b
- horizontale Einengung des Schlaucheshorizontal narrowing of the hose
- 1919
- Schlauchwandhose wall
- 2020
- DämpfungskörperDamping body
- 2121
- PiezokeramikPiezo ceramic
- 2222
- TrägermaterialCarrier material
- 2323
- SchallkeilSonic wedge
- 2424
- ReflexionsflächeReflection surface
- 2525
- FluidFluid
- LL
- SchallkeillängeSound wedge length
- B1B1
- Breite der PiezokeramikWidth of the piezo ceramic
- B2B2
- Breite der SchallaustrittsflächeWidth of the sound exit surface
- HH
- SchallkeilhöheSound wedge height
- W1W1
- AbsorberwinkelAbsorber angle
- W2W2
- EinschallwinkelInsonation angle
- W3W3
- SchallfeldwinkelSound field angle
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