DE1798104C3 - Gerät für die Messung der Geschwindigkeit von in Leitungen strö menden Medien - Google Patents

Description

	k-·	COS" φ ,
/« =	-k	• sin φ,
Af2* =	k*-	sin2y,

Praxis jedoch kaum, und dann nur unter großen Die beiden Ergebnisse Af₁ und Af₂ lassen nun

Schwierigkeiten und mit großem Aufwand, eingehalten folgende rechnerische Auswertung zu:

werden. So verändern z. B. die Blutgefäße im menschliehen Körper unter der Wirkung der Blutpulsationen ihre Lage im umgebenden Gewebe (ähnlich wie ein 5 frei liegender Gartenschlaucl beim "Aufdrehen des

Wassers), so daß mit dem bekannten Gerät quantitativ _Af*-uAf*-k* fsin² (P + cos² w) = I -—^-) ,

brauchbare Ergebnisse nur dann zu erzielen waren, ^ah "+" 'V* ~~ " ^ ^{r n r} \ ^c I

wenn die Messungen an vorher freigelegten und fixier- .

ten Gefäßen erfolgten. Die Bestimmung der Blutfluß- io ^a ^_{2 + C0S}2 ^ = I,

geschwindigkeit soll jedoch ohne Spezialkenntnisse Kus„„;_a „_nm

Lch, ungefährlich und einfach, d. h. von ungelernten woraus ν (als einzige Unbekannte) unabhang.g vom

Kräften, durchführbar sein. Winkel <p errechnet werden kann

Die Erfindung zeigt einen Weg, wie diese Aufgabe Die Erfindung ermöglicht es also, mittels; aes

_ge,5_St w^c Ln₁ ⁸ObWOh, die⁶Eichung .₅ %£^*°;Κ^£1ΧαΧΖ

2v/₀ . ist völlig unkritisch'und auch eine Bewegung des

= —--■ · cos ψ, _{Gefäßes während d}er Messung, die eine Veränderung

der Schallrichtung zum Gefäß bewirkt, bleibt ohne f di M

der Schallrichtung

scheinbar keine Möglichkeit für eine exakte Bestim- so Einfluß auf die Messung.

mung der Geschwindigkeit ν zuläßt, wenn nicht auch Die Erfindung dient speziell der ^B™™£^;

der Winkel φ exakt zu bestimmen und einzuhalten sie ist aber in gleicher Weise fur technische Zwecke ist, was — wie oben dargelegt - aber nicht ohne (Messung von Geschwindigkeit von Medien mnexiDien weiteres möglich ist Schläuchen) verwendbar.

Die EriSndung besteht darin, daß das System einen *₅ Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung^werden ersten Sendeschwinger, der vorzugsweise auch als die vom Gerät nach der Erfindung ermittelten DiRe-Empfänger für die von ihm ausgesandten und am renzwerte elektronisch verarbeitet d h di ;S™^ strömenden Medium reflektierten Ultraschallschwin- Rechenoperat.onen werden von einer e ektron.schen gungen dient, und einen zweiten Sendeschwinger mit Recheneinrichtung (z. B. gemäß Anspruch 2)_f durchentsprechendem Empfänger enthält, daß die Sende- 30 geführt, so daß das |^ewu"^schte/^rge^ⁿ'^S _p'^O _e ^f _n°_e ^rt ^ J richtungen der Schwinger einen Winkel von 90 Verfugung steht und '^"^,g^LgS bilden und daß Mittel vorhanden sind für die Er- schwind-gkeitsschwankungen unmittelbar f tgestel mittlung, gegebenenfalls auch für die rechnerische werden können. Die Berechnung (f^er ff Wei₌arbeitung,jederdere_mpfan_gen_en Differenz- l^J^Z^^^^S^

Der Elfindung liegen folgende Überlegungen zu- durch den Untersuchenden selbst durchgef^Jhn werden gründe: Der eine Sendeschwinger strahlt die Frequenz Im Rahmen der ^^find«" ^jj^ £ _h; _r

/ ab und die zugehörige empfangene Frequenz schwinge ein e.gener. neben dem j*^^hwinj£

= /0

_4o ^^^s^^

f_x /0 fd\ schwinger kann jedoch auch gleichzeitig als p

entspricht der oben angegebener, Formel für Af. schw.nger verwendet werden. Die Schwinge:.^arbeiten

Die vom anderen Sendeschwinger ausgestrahlte Ultra- dann vorzugswe.se abwechselnd als Sender oder

schallenergie hat nach ihrer Reflexion an den strömen- Empfänger.· 7_ej_chnun2 die

den Blutkörperchen die Frequenz /„,. Die Frequenz- 45 Die Erfindung w.rd an Hand der g^¹¹""^ ^d'^e

Verwerfung Af_x zwischen der Sendefrequenz/„ des ein Ausführungsbeispiel darstellt, naher erläutert,

zweiten Sendeschwingers (der die gleiche Sendefrequenz Es zeigt -rfininniseemäBe Gerät

haben soll wie der erste Sendeschwinger) und /„, F 1 g. 1 schematisch das erhndungsgemalJe uerai

_{2vf 50 F}t; irsStb,.d für die Einrichtung zur

^/0 -cos(90 -ψ) elektrischen Auswertung der mit einem Gerat nach

^C der FiP.ndung aufgenommenen Meßergebnisse,

wegen der um 90' versetzten Anordnung der Sende- I i g. 3 einen Abnehmer gemäß der Erfindung teils

schwinger. Wird mit beiden Sendeschwingern gleich- m Ans.cht teils im Schnitt _{he eines}

zeitig oder fast gleichzeitig gemessen, so ist ν (bis auf 55 In de.· F 1 g. 1 > ™^l * *£_ß ^U 3 der Abnehmer

die Richtung) jewe.ls gleich groß, und der Ausdruck Pauenlcn. ^^. ^utgefaß.^jt^de ^^

2 ,. / schwinger (z. B. aus Barium-Titanat od dgl.) be-

-^/o zeichnet. Jeder Schwinger arbeitet abwechselnd als

^C 60 ültraschallsender und Empfänger. Die Strömlings-

/, - -fc · cos (90 -φ) _6s ⁽ ₅, _:;_ngeg ^fc _{cbeil sind<} einen Winkel von 90 bilden,

(minus * desha,b₍ wci, die Geschwindigkeit ν für den Dje Anordnung ^r Send.^p^sschwmgr im

zweiten Sendeschwinge, die umgekehrte Richtung hat Abnehmer _lst üb Ψe so ^ « -^ ^^ ^

wie-für den ersten Sendeschwinger). Riüihmpen 4 , r> 111 lm.u .

unter der Unterkante 1' des Abnehmers kreuzen. suchenden Person angekoppelt werden. Die Ultra-Es sei angenommen, daß das zu untersuchende Gefäß schall-Sende/Empfangsschwinger 4 und 5 sind durch in diesem Abstand unter der Körperoberfläche 1 das Kabel 20 an die Vorrichtungen 6 und 7 (F i g. 2) verläuft und der Abnehmer 'mit seiner Unterkante angeschlossen. Zur Befestigung des Abnehmers auf auf der Körperoberfläche aufliegt. Mit φ ist der 5 der Körperoberfläche dient der mit dem Grund-Winkel zwischen der Einstrahlungs- (bzw. Empfangs-) körper 3 verbundene Saugnapf 21. Ferner kann der richtung des Ultraschallschwingers 4 und der Strö- Abnehmer durch einen in dem diametral im Grundmungsrichtung 2' des Blutes bezeichnet. Demgemäß körper 3 verlaufenden Schlitz 22 geführten Riemen an bildet die Einstrahlungs- (bzw. Empfangs-)jichtung des der zu untersuchenden Person befestigt werden. Sende/Empfangsschwingers 5 mit der Strömungsrich- io Schließlich isl es auch möglich, den Abnehmer an der tung den Winkel 90°— ψ. Körperoberfläche der zu untersuchenden Persort

Wie aus der F i g. 2 ersichtlich ist, ist der Sende/ anzukleben.

Empfangsschwinger 4 an eine Vorrichtung 6 und der Werden die beiden Sendeschwinger mit der gleichen Sende/Empfangsschwinger 5 an eine Vorrichtung 7 Frequenz betrieben, so empfiehlt sich ein sogenannter angeschlossen. Die Vorrichtungen 6 und 7 enthalten 15 Gegentakt Impulsbetrieb (d. h. die Schwinger 4 und 5 jeweils einen Hochfrequenzgenerator, der zur Erregung arbeiten abwechselnd als Sender oder Empfänger), des entsprechenden Schwingers 4 oder 5 mit der damit keine Störechos von dem einen Schwinger auf Sendefrequenz dient, und einen Demodulator, der die den anderen gelangen. Eine andere Art der Entvon dem entsprechenden Schwinger gelieferten Emp- kopplung, bei der Dauerstrichmessungen möglich sind, fangssignale, die gegenüber den Sendesignalen eine 20 besteht darin, daß die einzelnen Schwinger mit untervon der Blutflußgeschwindigkeit abhängige Frequenz- schiedlichen Frequenzen arbeiten (z. B. 5 MHz und Verwerfung aufweisen, in zur Verarbeitung in einem 7 MHz). Diese Art der Entkopplung erfordert jedoch, Rechner 8 geeignete Analogsignale (Af₁, Af₂) um- daß vor der rechnerischen Verquickung beider wandelt. Jedes dieser Analogsignale ist über eine Frequenzverwerfungen /1/, und Af₁ derjenige Wert, Leitung 9 bzw. 10 im Rechner 8 jeweils einem Qua- 25 welcher mit dem Schwinger höherer Sendefrequenz drierglied 11 bzw. 12 zugeführt, in dem es quadriert erzielt wurde, z. B. durch Spannungsteilung im Verwird (Λ/,²; Af₂ ²). Die Ausgangssignale der Quadrier- hältnis der Sendefrequenz verringert wird. Im Schaltgliedcr 11 und 12 sind über Leitungen 13 und 14 bild nach F i g. 2 ist dies durch die gestrichelte der Addierstufe 15 zugeleitet, in der sie addiert Spannungsteilerstufe 10' angedeutet, die gegebenenwerden (Af₁ ² -f Af₂ ²). Der Ausgang der Addierstufe 30 falls in die Vorrichtung 8 mit einbezogen sein kann. 15 ist an die Radizierstufe 16 angeschlossen, in der das Es ist möglich, jeden Schwinger gleichzeitig als Summensignal radiziert wird (| U₁- 1 -Ip)- Mittels Sender und Empfänger zu benutzen und trotzdem im des Spannungsteilers 16' wird der radizierte Wert Dauerstrichbetrieb zu arbeiten. Am Eingang des

, ,. „ 2/„ , .„ ...... c, ,. Empfangsverstärkers liegt dann zwar die hohe Leistung

noch durch die Konstante '; gete.lt. M,l d.cser Stufe _{35 der} ^P _Sendefre_quenz/_{0 sowie die sehr kleine Lus},_m\ wird auch die Eichung des Gerätes vorgenommen. der empfangenen Frequenz f_a. Die beiden Frequenzen Schließlich ist der Ausgang dieser Stufe 16', der auch liegen relativ dicht nebeneinander, so daß sich eine den Ausgang des Rechners bildet, an die Anzeige- Schwebung ergibt, bei der die Sendefrequenz als vorrichtung 17 angeschlossen, durch die die Blutfluß- Trägerfrequenz wirkt, welche mit Af ^ f₀ f_a geschwindigkeit angezeigt und gegebenenfalls aufge- 4° moduliert ist. Nach Gleichrichtung dieses Frequenzzeichnet wird. gemisches mittels vorgespannter Diode, wobei die

Neben den einzelnen elektronischen Baustufen ist Vorspannung etwa der Amplitude der Sendefrequenz formelmäßig der jeweilige Rechengang angegeben. entspricht, verbleibt lediglich noch die modulierte

In der I- i g. 3 ist der Aufbau des in der Fig. 1 Spannung, die als Analoggröße dem weiteren Rechennur schematisch dargestellten Abnehmers genauer 45 prozeß zugrunde gelegt werden kann,
gezeigt. Die beiden Sende/Empfangsschwinger 4 und 5 Mit einem einzigen Abnehmer gemäß der Erfindung

sind dabei gemäß F i g. 1 so im zylindrischen Grund- sind verschiedene Tiefen (a) für die Untersuchung körper 3 angeordnet, daß ihre Strahlungsrichtungen anpeilbar, wenn — unter Beibehaltung der 90° — einen rechten Winkel miteinander bilden. Die schall- Einstrahlwinkellage der beiden Schwinger 4 und 5 abstrahlenden Flächen der beiden Ultraschall-Sende/ 5° zueinander — wenigstens einer der beiden Schwinger Empfangsschwinger 4 und 5 liegen in dem durch eine in Richtung der Verbindungsgeraden zwischen den Membran 18 abgeschlossenen .flüssigkeitsgefüllten, beiden Schwingern verschiebbar gelagert ist Für die z. B. wassergefüllten Raum 19, so daß der ausgestrahlte Realisierung dieser Verschiebung ergeben sich eine Ultraschall und der empfangene Ultraschall die Vielzahl von Lösungsmöglichkeiten. Insbesondere ist Flüssigkeit im Raum 19 durchsetzt. Beim Auflegen des 55 an eine Gleitführung auf Schienen oder in Schwaiben-Abnehmers auf die Körperoberfläche schmiegt sich Schwanzführungen gedacht. Die Verstellung erfolgt die Membran 19 der Körperoberfläche an, so daß zweckmäßigerweise mittels Drehknopf, dem eine die Ultraschall-Sende/Empfangsschwinger 4 und 5 Eichung zugeordnet sein kann, an der die eingestellte durch die Flüssigkeit an den Körper der zu unter- Größe α direkt ablesbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zcichnunccn

Claims (9)

dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sendeschwinger Patentansprüche: (4 bzw. 5) gleichzeitig als Empfänger für die auf ihn zurückgehenden reflektierten Ultraschallschwin-

1. Gerät für die Messung der Geschwindigkeit gungen benutzt ist, wobei die Umschaltung von von in Leitungen strömenden Medien, z. B. von 5 Sende- auf Empfangsbetrieb wechselweise erfolgt Blut in seinen Gefäßen, mittels Ultraschall nach 10. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, der Doppler-Effekt-Methode, mit einem Abnehmer, dadurch gekennzeichnet, daß der mit seinem welcher ein Ultraschall-Sende-Empfangssystem auf- Schwingungsgenerator verbundene Sendeschwinger weist und mit Mitteln zum Erfassen der Differenz- im Dauerstrichbetrieb arbeitet und gleichzeitig als frequenz jeweils zwischen der Frequenz der aus- io Empfänger für die auf ihn zurückgehenden gesendeten und der Frequenz der empfangenen reflektierten Ultraschallschwingungen benutzt ist, UltraschaUschwingungen, dadurch gekenn- wobei die Abtrennung der Empfangsenergie von der zeich η et, daß das System einen ersten Sende- Sendeenergie durch eine vorgespannte Diode schwinger (4), der vorzugsweise auch als Emp- erfolgt, deren Vorspannung etwa der Amplitude fänger für die von ihm ausgesandien und am ts der Sendeschwingung entspricht.

strömenden Medium (2) reflektierten Ultraschall- 11. Gerät nach einem der vorhergehenden schwingungen dient, und einen zweiten Sende- Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigschwinger (5) mit entsprechendem Empfänger ent- stens ein Sendeschwinger relativ zum anderen hält, daß die Senderichtungen der Schwinger (4 Sendeschwinger in Richtung der Verbindungsbzw. 5) einen Winkel von 90° bilden und daß ao geraden zwischen den beiden Schwingern verschieb-Mittel (z. B. 6,7) vorhanden sind für die Ermitt- bar gelagert ist.
lung, gegebenenfalls auch für die rechnerische
Weiterverarbeitung, jeder der empfangenen Differenzfrequenzen (Af₁ bzw. /l/a).

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn- as
zeichnet, daß zur rechnerischen Weiterverarbeitung

der empfangenen Differenzfrequenzen (Af₁ bzw. Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät für die

Af₂) eine elektronische Recheneinrichtung (8) vor- Messung der Geschwindigkeit von in Leitungen

gesehen ist, wobei die Recheneinrichtung enthält strömenden Medien, z. B. von Blut in seinen Gefäßen,

a) zwei Quadrierstufen (11 bzw. 12) zur gleich- 3° mittels Ultraschall nach der Doppler-Effekt-Methode, zeitigen und getrennten Quadrierung der den mit einem Abnehmer, welcher ein Ultraschall-Sende-Differenzfrcquenzen entsprechenden elektri- Empfangssystem aufweist, und mit Mitteln zum sehen Spannungen, Erfassen der Differenzfrequenz jeweils zwischen der

b) eine Summierstufe (15) für die quadrierten Frequenz der ausgesendeten und der Frequenz der Größen, 35 empfangenen Ultraschallschwingungen.

c) eine Radizierstufe (16) zum Ziehen der Qua- Aus der Zeitschrift »Ultrasonics«, Januar 1966, dratwurzeln aus der Summe der quadrierten S. 22, sowie aus der Zeitschrift »Control«, Januar 1966, Größen, S. 13, sind Geräte dieser Art vor allem für die Messung

d) eine einstellbare Divisionsstufe (16') (Span- der Blutnußgeschwindigkeit vorbekannt, bei denen nungsteiler), 40 das Ultraschall-Sende-Empfangssystem aus einem

e) einen Ausgang für den Anschluß eines Auf- einzigen Uitraschall-Sendeschwinger mit zugeordnetem zeichnungs- oder Registriergerätes (17'). Empfangsschwinger besteht, welcher Sendeschwinger

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch unter einem Winkel 9 auf das zu untersuchende Blutgekennzeichnet, daß jedem Sendeschwinger (4 gefäß gerichtet ist. (Bei dem Gerat aus der Zeitbzw. 5) ein eigener Schwingungsgenerator züge- 45 schrift »Control« beträgt dabei z. B. der Einstrahlordnet ist. winkel des Sendeschwinpers φ 15°, und die Sende-

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekenn- Empfangsrichtungen sind um einen Winkel von 30' zeichnet, daß die Schwingungsgeneratoren von- gegeneinander geneigt.) Die auf Grund des Dopplereinander unterschiedliche Frequenz besitzen. effekts auftretende Frequenzverschiebung Af zwirnen

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekenn- jo der ausgesendeten Ultraschall-Frequenz /₀ und der zeichnet, daß der eine Schwingungsgenerator eine (von den strömenden Blutkörperchen reflektierten) i requenz von 5 MHz und der andere eine Frequenz empfangenen Frequenz fa beträgt bei diesen bekannvon 7MHz besitzt. ten Geräten in erster Näherung

6. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

gekennzeichnet, daß ein einziger Schwingungs- 55 Af- ^ ' ^⁰ · cos <r

genera or für beide Sendeschwinger (4 bzw. 5) c
vorgesehen ist.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekenn- wobei /₀ die Sendefrequenz, ν die Geschwindigkeit zeichnet, daß dem Schwingungsgenerator eine des strömenden Blutes, c die Schallausbreitungs-Umschaltvorrichtung zugeordnet ist, welche ab- 60 geschwindigkeit und 7/ den Einfallswinkel des Ultrawechselnd den Schwingungsgenerator mit dem schalls bedeutet. Af ist ein Maß für die zu bestimmende einen und anderen Sendeschwinger verbindet. Geschwindigkeit, da alle anderen Größen bekannt

8. Gerät nach einem der vorhergehenden An- sind. Aus der obigen Gleichung für Af geht hervor, sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedem daß bei senkrechtem Einfall der Sendeenergie (φ — 90°: Sendeschwinger (4 bzw. 5) ein eigener, neben dem 65 cos </ ---· 0) keine Messung möglich ist und daß für die Sendeschwinger angeordneter Empfaii^schwinger Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung eine genaue zugeordnet ist. Bestimmung und ein genaues Einhalten des Winkels ψ

9. Gerät nach einem der Ansprüche I bis 7, Voraussetzung ist. Diese Voraussetzung kann in der