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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren
zum Erfassen von an einem Fluidstrom reflektierten Ultraschall-Signalen nach
dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. dem Oberbegriff des
Patentanspruches 10.
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Derartige
gattungsgemäße Vorrichtungen bzw.
Verfahren werden in der medizinischen Ultraschall-Diagnostik eingesetzt,
um mit Hilfe der reflektierten Ultraschall-Dopplersignale und insbesondere Änderungen
derselben Rückschlüsse auf
etwa den Blutfluß in
einem Blutgefäß und Fremdkörper in
diesem treffen zu können.
Bekannt ist, daß insbesondere
Embolien od.dgl. Fremdkörper
sich durch ein gegenüber
einem umgebenen Fluidmedium (Blut) stark unterschiedliches Reflektionsverhalten
des eingebrachten Ultraschall-Signals auszeichnen, so daß diese
Besonderheiten zur Embolie-Erkennung ausgenutzt werden.
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Zum
Stand der Technik gehören
dabei Vorrichtungen, die durch geeignete Demodulation des empfangenen,
reflektierten Dopplersignals und nachfolgende akustische Ausgabe
einem Bediener – etwa einem
behandelnden Arzt – eine
akustische Möglichkeit
bereitstellen, einen Embolus zu erkennen; dies äußert sich durch ein charakteristisches
Geräusch.
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Darüber hinaus
sind aus dem Stand der Technik Geräte bekannt, die ein an einem
Blutstrom reflektiertes Ultraschall-Signal auch zur optischen Darstellung
und Auswertung aufbereiten; hierzu gehören etwa die Produkte, die
die Anmelderin unter der Kennzeichnung "MULTI-DOP" anbietet.
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Derartige
Vorrichtungen zeichnen sich dadurch aus, daß ein empfangenes, am Blutfluß eines Gefäßes reflektiertes
Ultraschall-Signal demoduliert und nachfolgend mittels einer digitalen
Bildverarbeitung so aufbereitet wird, daß etwa auf einem Überwachungsmonitor
eine spektrale Darstellung des Ultraschall (Bewegungs-) Signals über der
Zeit erhältlich ist.
Speziell vorgesehene Prozessoren führen diesbezüglich die
notwendigen Schritte zur Bilderzeugung, insbesondere eine Fourier-Transformation
der Empfangsdaten, durch. Ein entsprechender Fremdkörper würde sich
dann entsprechend visuell auf dem Bildschirm darstellen lassen.
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Im
praktischen Betrieb hat es sich jedoch als nützlich herausgestellt, die
Erkennung von Fremdkörpern
im Blutstrom präziser
vorzunehmen und insbesondere auch Embolien von sog. Artefakten,
nämlich
Signalstörungen
einer Ultraschall-Sonde,
wie sie etwa durch Bewegungen derselben entstehen, unterscheidbar
zu machen: Genau wie eine Embolie führt nämlich ein Artefakt zu einer
charakterischen Signalveränderung
eines optischen oder akustischen Ausgabesignals der Vorrichtung
und würde – im Falle
eines Artefakt – die
Diagnosegenauigkeit verschlechtern und für unnötige Ablenkung des Bedieners
sorgen.
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Die
spezielle Aufgabe der Unterscheidung eines Embolus od.dgl. Fremdkörpers im
Blutstrom von einem Artefakt wurde im Stand der Technik auf verschiedenen
Wegen versucht. So macht sich etwa die Lehre der
US 5,103,827 die Eigenschaft eines
Artefakten (gegenüber
eines Embolus) zugute, daß bei einem
Artefakt in der Bilddarstellung ein bidirektionales Spektralsignal
entsteht, welches durch geeignete schaltungs- und signalverarbeitungstechnische
Maßnahmen
von einem unidirektionalen Embolussignal unterschieden werden kann.
Allerdings ist eine solche Lösung,
bedingt durch die notwendigen, variablen Schwellen zur Unterscheidung
und den dadurch bewirkten Aufwand nur bedingt geeignet, einen einfachen
und komfortablen Weg zur Embolus-Unterscheidung anzubieten.
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Auch
Möhring
et al. beschreiben gemäß
US 5,348,015 verschiedene
Wege, einen Artefakt von einem Embolus zu unterscheiden. Insbesondere
schlagen die Erfinder hier vor, eine mehrkanalige Vorrichtung, die
zudem auf verschiedenen Frequenzen betrieben wird, zur Embolus-Detektion
und – unterscheidung
zu verwenden: Da nämlich
die Ultraschall-Reflektionseigenschaften
insbesondere eines Embolus frequenzabhängig sind, ist hierdurch ein
sicherer Weg geschaffen, diesen etwa von einem (davon unbeeinflußten) Artefakten
zu unterscheiden. Allerdings ist die in der
US 5,348,015 beschriebene Vorrichtung äußerst aufwendig,
macht neben mehreren Sende- und Empfangskanälen (d.h. jeweils getrennt
erforderlich sind Signalerzeugung, -empfang und -demodulation) auch
spezielle, für
einen Mehrfrequenzbetrieb geeignete Sonden erforderlich und bietet
darüber
hinaus steuerungs- und softwaretechnische Schwierigkeiten.
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Aus
der
US 5,544,657 ist
eine Vorrichtung bekannt, mit welcher ein Doppler-Reflexionssignal zur
Messung des Fluidflusses bzw. dessen Geschwindigkeit im Gefäß in verbesserter
Weise verarbeitet werden kann.
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Ferner
ist aus der
US 5,441,051 eine
Vorrichtung zur Embolie-Detektion in einem Fluidstrom in einem Gefäß bekannt,
wobei jedoch hier die Emboluserkennung auf Amplitudenbasis erfolgt,
d.h. durch Untersuchung maximaler Amplituden eines Signalabschnitts.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine einfach und mit geringem
Aufwand aufzubauende Vorrichtung zum Erfassen von an einem Fluidstrom
reflektierten Doppler-Ultraschall-Signalen zu
schaffen, welche einen zuverlässigen
Weg zur Unterscheidung zwischen einem Embolus und einem Artefakt
anbietet, und welche bereits auf der Basis eines einkanaligen Sendesignals
eines einzelnen vorbestimmten Frequenzbereiches mit wenig Hardware-Aufwand
betreibbar ist.
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Ferner
ist ein entsprechendes Verfahren zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches
1 sowie das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 10
gelöst.
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Vorteilhaft
ermöglicht
die erfindungsgemäße Erfassung
der Mehrzahl der diskreten Signalzustände in Form von Signalamplituden
das Feststellen der Reflektion am Fluidstrom von mehreren vorbestimmten
Tiefen im Gefäß, und zwar
innerhalb einer einzelnen (etwa durch eine Pulswiederholfrequenz
des Sendesignals bestimmten) Signalperiode. Reflektierte Signale,
die zeitlich aufeinanderfolgend erfaßt und in diskrete Signalwerte
umgesetzt werden, entsprechen einer jeweiligen, laufzeitbedingten
Eindringtiefe und bieten somit eine Information über das Vorliegen bzw. Nicht-Vorliegen
eines Fremdkörpers
in diesen jeweiligen Tiefen (bezogen auf die Sonde).
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Da
zudem charakteristisch für
einen Embolus (gegenüber
einem Artefakt) ist, daß der
Embolus als Bestandteil des Blutstroms sich kontinuierlich mit dem
Blutfluß durch
das Gefäß bewegt,
während
der Artefakt stationär
und unbeweglich bleibt, ist hiermit ein Weg gefunden worden, um
signaltechnisch eine zuverlässige
und dennoch einfache Unterscheidung vorzunehmen. Wird nämlich erfindungsgemäß über eine
Mehrzahl von Signalperioden festgestellt, daß sich ein charakteristisches
Reflektionssignal (nämlich
etwa das eines Embolus) mit dem Blutstrom bewegt, also bezogen auf
aufeinanderfolgende Signalperioden eine jeweils andere Signaltiefe
einnimmt und zu einem veränderlichen
Zeitpunkt auftritt, handelt es sich um einen (beweglichen) Embolus.
Demgegenüber
wird ein Artefakt daran zu erkennen sein, daß dieser eben dieses charakteristische
Bewegungsverhalten nicht zeigt.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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So
ist besonders bevorzugt die erfindungsgemäße Ultraschalleinheit empfangsseitig
einkanalig ausgebildet, also mit lediglich einer Sonde für einen einzelnen
Frequenzbereich, einem Sondenanschluß, einem Vorverstärker und
nur einem Demodulator. Daher bietet es sich insbesondere auch an,
die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit herkömmlichen,
einkanaligen Dopplervorrichtungen zu benutzen, deren Empfangssignal
dann lediglich in der erfindungsgemäßen Weise zusätzlich analysiert
und zum Erhalten der Embolus-Unterscheidungsinformation
verarbeitet wird.
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Weiter
vorteilhaft bietet es sich an, die erfindungsgemäße Doppler-Ultraschallüberwachung
gepulst mit Puls-Wiederholfrequenzen zwischen etwa 3 und 20 kHz
auszuführen,
wobei dann jeweils innerhalb einer solchen Periode die erfindungsgemäße Analyse
des reflektierten Empfangssignals erfolgt.
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Auch
ist es besonders bevorzugt, die erfindungsgemäße, zeitlich gesteuerte Erfassung
mehrerer Eindringtiefen im Rahmen derselben Empfangsperiode einstellbar
auszugestalten, also etwa durch Wahl der Ansteuerungszeiten für ein jeweiliges
Detektorelement. Auf diese Weise läßt sich dann die Vorrichtung
jeweiligen Überwachungszwecken
und Gefäßverhältnissen
anpassen.
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Auch
ist es besonders bevorzugt, auf dem Bildschirm eine visuelle Kennzeichnung
eines gefundenen Embolus vorzunehmen, etwa im Rahmen einer – konventionellen – visuellen
Blutflußdarstellung. Insbesondere
nämlich
zur Unterscheidung von Artefakten kann dann auf einen Blick festgestellt
werden, ob eine visuell auffällige
Abweichung in der Darstellung tatsächlich auf einem Embolus beruht.
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Alternativ
ist es möglich,
auf dem Bildschirm eine Mehrzahl von (Doppler) Flußdarstellungen
vorzunehmen, die weiter bevorzugt in einer tiefenmäßig abgestuften
Weise abgebildet sind. Dem Benutzer wird so eine simultane Erkennbarkeit
von jeweiligen Beobachtungstiefen in einem Gefäß angeboten, wodurch dieser
dann auch bereits visuell die Bewegung eines Embolus durch die jeweiligen
Tiefenebenen hindurch wahrnehmen kann.
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Schließlich liegt
es im Rahmen der Erfindung, die Ultraschall-Erfassungsvorrichtung
empfangsseitig auch mehrkanalig vorzunehmen. Zwar wird hierdurch
ein etwas höherer
Aufwand erzeugt, die jeweiligen Empfangskanäle können jedoch durch eine geeignete,
zeitlich versetzte Ansteuerung in derselben Weise genutzt werden
wie die weiterbildungsgemäß vorgesehene
einkanalige Ausbildung.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand
der Figuren; diese zeigen in
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1:
ein Blockschaltbild mit den wesentlichen Funktionskomponenten der
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Embolie-Detektion gemäß einer ersten,
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung;
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2:
ein Signaldiagramm eines reflektierten Dopplerimpulses ("burst"), aufgelöst in n
vorbestimmte Erfassungszonen;
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3:
ein Blockschaltbild mit einer Detailansicht der Dopplerelektronik
bzw. des Embolie-Detektionsmoduls aus 1;
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4:
ein Blockschaltbild mit einer Detailansicht des Signal-Aufbereitungs-Moduls
gemäß 1 und
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5:
eine Schemaansicht in Form verschachtelter Flußdiagramme zum Verdeutlichen
des Steuerablaufs bzw. der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte beim
Durchführen
der Embolie-Detektion.
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Eine
Ultraschall-Doppler-Elektronik 10 zur Überwachung und Ableitung von
Blutfluß-Signalen
in Blutgefäßen ist
mit einer für
einen jeweiligen Anwendungszweck vorgesehenen bzw. angepaßten Ultraschallsonde 12 verbunden.
Diese Ultraschallsonde wird zum Aussenden bzw. Empfangen von Ultraschallsignalen
für die
Gefäßbeobachtung
verwendet, die üblicherweise
im Bereich zwischen 1 und 16 MHz erzeugt werden.
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Derartige
Ultraschallsonden, zusammen mit einer angepaßten Ultraschall-Dopplerelektronik,
sind aus dem Stand der Technik bekannt; so werden beispielsweise
von der Anmelderin DWL Elektronische Systeme GmbH unter der Kennzeichnung "Multidop" verschiedene Ultraschall-Dopplersysteme
produziert und vermarktet.
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Derartige
bekannte Systeme weisen zudem eine der Ultraschall-Dopplerelektronik 10 nachgeschaltete
Signalaufbereitung 14 auf, die üblicherweise das am zu beobachtenden
Blutgefäß bzw. dem darin
fließenden
Blutstrom reflektierte Ultraschall-Empfangssignal einer digitalen
Auswertung – üblicherweise
einer Fourier-Transformation – unterzieht
und ein damit gewonnenes Bild auf einer visuellen Ausgabeeinheit 16 in
Form eines Bildschirms und/oder eines Druckers ausgibt. Zur ergänzenden, akustischen Überwachung
durch einen Benutzer und insbesondere zur Erkennung von Embolien
ist auch schon bereits ein herkömmliches,
bekanntes Doppler-System mit einer Audio-Ausgabeeinheit 18 versehen.
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Erfindungsgemäß und vorteilhaft
ist zusätzlich
die in 1 schematisch gezeigte Ausführungsform der Erfindung mit
einem Embolie-Detektionsmodul 20 verbunden, welches in
der nachfolgend im Detail zu beschreibenden Weise mit der Doppler-Elektronik 10 zusammenwirkt
und – über das
Blutfluß-Überwachungssignal hinaus – eine Untersuchung
und Erkennung vornimmt, ob eine im Doppler-Blutflußsignal
enthaltene Dopplerkomponente tatsächlich eine aufgabengemäß zuverlässig zu
erkennende Embolie ist, oder ob es sich vielmehr um einen – etwa auf
eine Sondenbewegung selbst zurückzuführenden – Artefakt
handelt.
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Die
vorliegend beschriebene Ausführungsform
der Erfindung basiert hinsichtlich des beschrittenen Weges zur Embolie-Detektion auf dem
Ansatz, anstatt eines (hardware-) aufwendigen Mehrkanalsystems,
bei welchem die Empfangsseite des Ultraschall-Dopplers mehrfach
parallel realisiert ist, auf einer schnellen und effizienten, unmittelbaren
Auswertung des von (lediglich) einer Dopplersonde empfangenen Ultraschall-Signals.
Dieses impulspaketförmige
Ultraschall-Empfangssignal, "burst" genannt, ist schematisch
in der 2 dargestellt.
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Diesbezüglich ist
die Ultraschall-Dopplerelektronik so eingerichtet, daß diese – impulsförmigen – Empfangssignale
kontinuierlich und periodisch empfangen werden, wobei die Impulslänge eines
solchen Empfangs-burst in etwa der Periodendauer der (Sende-) Impuls-Wiederholfrequenz
(PRF = Pulse Repetition Frequency) entspricht: Bei einer PRF von 10
KHz (üblicherweise
liegt dieser Wert zwischen etwa 4 und etwa 16 KHz) werden also 10.000
Impulse pro Sekunde empfangen, die jeweils eine Signallänge τ von 100 μs besitzen.
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Der
erfindungsgemäß gewählte Ansatz
beruht nun darauf, dieses vom Ultraschall-Doppler empfangene Rohsignal
mit Hilfe von einer Mehrzahl von abgegriffenen (quantifizierten
bzw. gesampleten) Signalwerten zu untersuchen und aus dem Verlauf bzw.
Verhalten dieser aufeinanderfolgenden Einzelwerte dann auf das Vorliegen
eines Embolus zu schließen.
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Der
zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 in 2 liegende
Zeitraum τ ist
nicht nur die Gesamt-Signaldauer eines burst, darüber hinaus
beschreibt er zusätzlich
den maximalen (Eindring-) Tiefenunterschied zwischen einem zum Zeitpunkt
t1 in einer ersten Tiefe reflektierten Signal und einem zum Zeitpunkt
t2 in einer – laufzeitbedingt
größeren – zweiten
Tiefe reflektierten Signal: Bezogen auf die Position der Ultraschall-Sonde 12 entspricht
eine jeweilige Eindringtiefe dem Doppelten der Signallaufzeit (Hin-
und Rückweg)
des Ultraschall-Signals. Damit entspricht die in der 2 gezeigte
Hüllkurve
des Bursts einem durch das Ultraschall-Signal erfaßten Tiefenbereich
zwischen der ersten, geringen Eindringtiefe (Empfangszeitpunkt t1)
und der zweiten, maximalen Eindringtiefe (Empfangszeitpunkt t2).
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In
der nachfolgend zu beschreibenden Weise wird dieser Zeit- bzw. Tiefenabstand
(entsprechend Zeitdifferenz τ)
in n vorbestimmte Abschnitte unterteilt, die dann einen jeweiligen
Tiefenabschnitt markieren. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 3 ist
n = 32.
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Erfindungsgemäß werden
nunmehr die reflektierten Empfangssignale zu jedem dieser 32 Zeitpunkte
im Intervall τ erfaßt und ausgewertet,
wobei es sich erfindungsgemäß herausgestellt
hat, daß eine
Embolie (entgegengesetzt zu einem Artefakt) dann vorliegt, wenn
eine punktuelle Änderung
(Erhöhung)
des Doppler-Signals zwischen benachbarten Signalabschnitten des
Bursts sich über
zeitlich aufeinanderfolgende Bursts voranbewegt bzw. eine jeweils
(anhand der jeweiligen Laufzeit festzustellende) Tiefe des Embolie-Effekts sich mit
der Zeit verändert.
(Dies beruht auf der Erkenntnis, daß ein etwa durch Sondenbewegung
erzeugter, störender
Artefakt ein gleichbleibendes, orts- unveränderliches Störsignal
darstellt, während
der aufgabengemäß zu unterscheidende
Embolus sich mit dem Blutfluß im Gefäß fortbewegt,
so daß er
zu einem nachfolgenden Zeitpunkt, also z.B. während späterer Bursts, an veränderten
Eindringtiefen festzustellen ist).
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Angestoßen wird
diese Art der Embolus-Detektion durch eine ansonsten bekannte, spektrale Auswertung
des Doppler-Signals,
welche – als
Ergebnis der eingangs skizzierten (Fast-) Fourier-Transformation – eine mit
einer Amplitudeninformation versehene, periodische Spektrallinie
des Doppler-Signals erzeugt, und das Übersteigen eines Amplituden-Schwellwertes
die erfindungsgemäße Embolie-Detektion
aktiviert.
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3 zeigt
als Detailansicht ein genaueres Blockschaltbild der Doppler-Elektronik 10 (oberer
Bereich der 3) bzw. der Embolie-Detektoreinheit 20 (unterer
Bereich der 3) gemäß 1.
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Die
Sonde 12 wird einerseits von einem Sendemodul 22,
im dargestellten Ausführungsbeispiel
für den
Bereich von 2 MHz eingerichtet, angesteuert, welches wiederum ein
Takt- und Aktivierungssignal von einer digitalen Doppler-Steuerung 24 empfängt. Andererseits – empfangsseitig – ist der
Sonde 12 ein Vorverstärker 26 nachgeschaltet,
welcher seinerseits das Empfangssignal auf einen Eingangsmultiplexer 28 für die Embolie-Erkennung
sowie auf einen Mischer 30 für die herkömmliche Signalauswertung und
Bilderzeugung des Doppler-Signals
verteilt.
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In
einer ansonsten bekannten Weise ist dieses auf der Empfangsseite
einkanalig ausgebildete System dann mit einem dem Mischer 30 nachgeschalteten,
bevorzugt programmierbaren Hochpaßfilter 32, einem
weiter bevorzugt programmierbaren Verstärker 34 sowie einer
Sample und Hold-Schaltung 36 versehen, welche ausgangsseitig
ein für
eine nachfolgende (Fast-) Fourier-Transformation bestimmtes, analoges
Dopplersignal ausgibt. Darüber hinaus
ist am Ende dieser Signalkette zusätzlich ein Audiofilter 38 vorgesehen,
welches das Signal der Schaltung 36 für die über Audioleitungen 40 anzuschließende Audio-Ausgabeeinheit 18 (1)
zur ergänzenden,
akustischen Überwachung
bereitstellt.
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Zum
eigentlichen Zweck der Embolie-Erkennung und -unterscheidung wird
das vom Vorverstärker 26 dem
Eingangsmultiplexer 28 bereitgestellte Signal auf 32 Mischstufen 42i (i = 1... 32) verteilt, und zwar dergestalt,
daß die
Mischstufen 42i aufeinanderfolgend
mit dem vom Vorverstärker 26 ausgegebenen
Signal – einem
Doppler-Empfangsburst der in 2 gezeigten
Art – beaufschlagt
werden. Genauer gesagt ist jede Mischstufe 42 in der in 3 für 42l symbolisch gezeigten Art mit einem
gesteuerten Schalter 44 und einer nachgeschalteten Ladekapazität 46 versehen,
welche nach Aktivierung des Schalters 44 auf den momentan
anliegenden Signalpegel des Burst-Signals aufgeladen werden kann.
Die digitale Dopplersteuerung 24 nimmt diesbezüglich sowohl
die Steuerung des Multiplexers 28 als auch die sequentielle
Aktivierung der Mischstufen 42i durch die
symbolischen Schalter vor, wobei der dadurch realisierte Abtastzyklus
so eingestellt ist, daß eine Aktivierungszeit
zwischen zwei benachbarten Mischstufen gerade τ/n beträgt; im dargestellten Ausführungsbeispiel
bei 32 Mischstufen und einer PRF von 10 KHz also etwas mehr als
3 μs.
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Als
Ergebnis liegt dann ein auf 32 Einzelmischer verteiltes, über die
gesamte Periodendauer τ zeitversetzt
abgetastetes Burstsignal vor, welches dann mittels eines Ausgangsmultiplexers
auf eine gemeinsame Signalleitung (Embolie-Detektorleitung) 50 als
sequentielles, impulsmoduliertes Digitalsignal ausgegeben wird.
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Bei
der in 3 gezeigten Anordnung ist dabei der Eingangsmultiplexer 28,
der die weitere Signalverteilung für die einzelnen Mischstufen 42i übernimmt,
fakultativ: Insbesondere kann auch durch geeignete, sequentielle
Ansteuerung der Mischstufenschalter 44 das – an allen
Mischstufen parallel anliegende – Doppler-Rohsignal des Vorverstärkers 26 geeignet
sequentiell abgetastet werden.
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Eine
in der 3 gestrichelt gezeichnete Synchronisationsleitung 47 verbindet
die Digitalsteuerung 24 mit Hochpaß 32, Verstärker 34 und
Sample- und Holdschaltung 36; darüber hinaus ist für die Digitalsteuerung 24 eine
separate Aktivierungs-Steuerleitung 52 vorgesehen.
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Unter
Bezug auf die 4 wird im weiteren die der Doppler-Elektronik
bzw. der Embolie-Detektion in 1 allgemein
nachgeschaltete Signalaufbereitungseinheit 14 beschrieben.
Diese ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel
primär
als Verbindungs- bzw. Schnittstelleneinheit zwischen den Modulen 10 und 20 sowie
einem entsprechend programmierten PC als Ausgabe-Einheit 16 zu
verstehen und dient im wesentlichen dazu, die Doppler- und Detektionssignale
in geeigneter Weise für
den Benutzer aufzubereiten.
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Insbesondere
findet für
das Ausgangssignal der Sample- und Holdschaltung 36 sowie
für das analoge
Multiplexsignal auf der Embolie-Detektorleitung 50 eine
nachgeschaltete Digitalisierung in einem AD-Umsetzer 54 statt;
die so erzeugten Digitalsignale werden im Falle des Ausgangssignals
der Schaltung 36 per DMA (Direct Memory Access = direkter
Speicherzugriff) einer CPU 56 mit zugehörigem RAM über einen V53-Datenbus 58 zugeleitet; darüber hinaus
fließen
die Daten in einen Dual-Port-Ram 60.
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Als
weitere Bestandteile der Anordnung in 4 sind zwei
Adressdecoder 62, 64 vorgesehen, die mit einem
PC-Adressbus 64 verbunden und über einen Adressbuspuffer 66 und
eine PC-Busschnittstelle 68 an
einen entsprechend programmierten Personal-Computer als Ausgabemodul
angekoppelt sind. Ein PC-Datenbus 70 verbindet den Dual-Port-Ram 60 sowie
eine Schnittstelleneinheit 72, einen Digital-Analog-Konverter 74 sowie
eine Doppler-Steuereinheit 76 über einen Datenbuspuffer 78 ebenfalls
mit der PC-Busschnittstelle 68. Während die Schnittstelleneinheit 72 zwei
serielle Schnittstellen 80 und eine parallele Schnittstelle 82 zur
externen Steuerung und Kommunikation besitzt, ist der D/A-Konverter 74 mit
einem Analogausgang 84 verbunden, und ein Dopplerbus 86 sowie
ein Fußschalter 88 sind
aus der Steuerschaltung 76 herausgeführt.
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Die
Funktionsweise dieser Gesamtanordnung sowie das Verfahren zur Embolie-Erkennung und
-unterscheidung wird im weiteren anhand des in 5 gezeigten
Flußablaufdiagramms
unter Einbeziehung verschiedener Steuermodule, die bevorzugt als
Software-Module realisiert sind, jedoch auch in Hardware-Form vorliegen
können,
beschrieben:
Ein Kernmodul 100 ist für die Betriebssteuerung
der Vorrichtung im deaktivierten Zustand (offline) vorgesehen; in
einer offline-Eingabeschleife 102 und einer Tastaturauswertung 104 findet
diese Betriebssteuerung im Wechselspiel mit einem Online-Modul für einen
aktivierten Erfassungsbetrieb ("online") statt. Während einer
Online-Inputschleife 108 bzw. einer Online-Parameter-Steuerung 110 findet
der im rechten Abschnitt der 5 anhand
von Schritten S1 bis S7 gezeigte Detektor- und Unterscheidungsbetrieb für den Embolus
statt; die Module 108 und 110 wirken dabei unmittelbar
zusammen mit dem Dual-Port-Ram über
eine DP-Schnittstelle 112 sowie mit einem DSP- bzw. FFT
(Fast Fourier-Transformation) Coprozessor 114.
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Genauer
gesagt wird kontinuierlich während der
online-Inputschleife 108 eine FFT-berechnete Spektrallinie
mit einem vorhergehenden Wert verglichen (Schritt S1), wobei die
Schleife ohne weitere Aktion für
den nachfolgenden Wert geschlossen wird (S2), wenn ein aktueller
Amplitudenwert einer Spektrallinie bezogen auf seinen vorhergehenden
Vergleichswert gleich groß ist
oder nur einen Anstieg aufweist, der unterhalb eines vorbestimmten Schwellwertes
liegt. Dies bedeutet, daß die
Voraussetzungen zum Erfassen eines Embolus überhaupt nicht gegeben sind,
da kein Meßwert
in der FFT-Spektrallinie auftritt, welcher von seiner Amplitude
her auffällig
ist und dementsprechend eine Embolus-Überprüfung auslösen könnte.
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Wenn
demgegenüber
jedoch eine aktuelle Amplitude bezogen auf den Vergleichswert höher als ein
vorgegebener Schwellwert ist (S3), wird in Schritt S4 das im Zusammenhang
mit 3 beschriebene Verfahren zum in vorbestimmten
Tiefen abgestuften Untersuchen eines Doppler-Empfangsimpulses (Burst)
angestoßen:
Insbesondere wird durch Auslesen und Auswerten der entsprechenden,
im Speicher digital abgelegten Einzelwerte während Schritt S4 überprüft, ob einzelne
Sample-Werte aufeinanderfolgender Bursts jeweils eine gleiche oder
eine verschiedene Eindringtiefe (entsprechend einem Zeitversatz
im Rohsignal) widerspiegeln: Sollte sich bei aufeinanderfolgenden
Bursts dementsprechend das amplitudenstarke Signal in seiner Tiefe
mit einer jeweiligen Position in der Kaskade von n Mischern verändern, würde dies
auf eine Bewegung entlang des Blutgefäßes und mithin auf das Vorliegen
eines Embolus hindeuten; insbesondere würde dann für dieselben Mischstufen 42i bei aufeinanderfolgenden Bursts das
jeweilige Signal stärker
oder schwächer werden
(S5), jedoch nicht gleichbleiben.
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Wenn
demgegenüber
für aufeinanderfolgende
Rohsignale der Pegel einzelner Mischstufen i.w. unverändert bleibt
und sich insbesondere nicht entlang der Mischstufenkaskade bewegt
(S6), wird hierdurch auf das Vorliegen eines Artefakts geschlossen, und
es findet keine nähere
Darstellung des Embolus statt.
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Bei
Vorliegen eines Embolus hingegen wird dann in Schritt S7 eine entsprechende
Kennzeichnung bzw. Ausgabe auf der Ausgabe-Einheit veranlaßt, bevor
die Steuerschleife wieder zum Ausgangspunkt zurückkehrt.
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Auf
diese Weise ist es dann möglich,
ein herkömmliches,
bekanntes Ausgabebild eines Ultraschall-Dopplers – etwa die
kontinuierliche, endlose Anzeige von FFT-berechneten Spektren über der
Zeit mit farblich herausgehobenen Amplitudenabschnitten – um eine
Kennzeichnung zu ergänzen,
ob es sich bei einem jeweiligen auffälligen Abschnitt tatsächlich um
einen Embolus handelt. Eine solche Kennzeichnung wäre dann
entsprechend des oben geschilderten Ablaufes im Online-Modul 106 durchzuführen.
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Die
in 5 gezeigte Zustandssteuerung weist ferner eine
von der Tastaturauswertung 104 abhängige Doppler-Modul-Parametereinstellung 116 auf
(z.B. zum Einstellen von Leistungen, Eindringtiefen od.dgl.), darüber hinaus
ein Druckersteuermodul 118 sowie ein allgemeines Steuermodul 120.
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Schließlich ist
zur Datenerfassung ein Datenbank-Modul 122 mit entsprechenden
Eingabe- und Retrievalfunktionen für Meßwerte und Stammdaten vorgesehen,
und ein Dienstmodul 124 bietet mit einem Programm-Editor 126,
einem Konfigurierungs-Editor 128, einem Bezeichnungs-Editor 130 und
einem FFT-Editor 132 Unterstützungswerkzeuge zum manuellen
Eingreifen in die Steuerungssoftware an.
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Auf
die beschriebene Weise läßt sich
somit ein einkanaliger Ultraschall-Doppler mit einer zuverlässig arbeitenden
und nur sehr geringen Hardware-Aufwand bereitenden Embolie-Detektion
versehen, ohne daß etwa
mehrere Empfangskanäle
oder gar mehrere Frequenzbereiche gleichzeitig bereitgestellt und
ausgewertet werden müssen.
Vielmehr ist es durch die erfindungsgemäße Aufbereitung und Digitalisierung
des ursprünglichen
Rohsignals unmittelbar möglich,
diesem im Bedarfsfall tiefenweise abgestufte Amplitudeninformation
zu entnehmen, um daraus einen möglichen
Embolus von einem Artefakt unterscheiden zu können.
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Bei
der ansonsten geschilderten Methodik zum Aufbereiten des gemischten,
digitalisierten Doppler-Empfangssignals im Wege einer FFT und deren
eigentlicher Darstellung als Monitor- oder Druckbild handelt es
sich um herkömmliche,
bekannte Technologie, wie sie etwa in den eingangs erwähnten Produkten
der Firma DWL realisiert ist; zur ergänzenden Offenbarung sei auf
den eingangs zitierten, druckschriftlichen Stand der Technik verwiesen,
der insoweit als in die vorliegenden Unterlagen einbezogen gelten
soll.
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Die
vorliegende Erfindung ist im Grundsatz mit beliebigen Ultraschall-Doppler-Produkten
betreibbar, die sich zur Messung und Auswertung eines Blutflußsignals
eignen.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung ist es zudem möglich, die mittels der Mischerkaskade sequentiell
erfaßten,
verschachtelten Einzelsignale dergestalt auszuwerten, daß aus diesen
mit einer nachfolgenden, weiteren Signalauswer tung – z.B. einer
jeweiligen herkömmlichen
FFT-Transformation – eine
Mehrzahl von vollständigen
Bildschirmabbildungen erzeugbar ist, die jeweils eine bestimmte
Eindringtiefe in einem Blutgefäß repräsentieren.
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Auf
diese Weise läßt sich
dann mit nach wie vor sehr geringem Hardware-Aufwand etwa eine Bildschirmdarstellung
für einen
Benutzer des Doppler-Systems erreichen, welche eine Abfolge zahlreicher
Einzelfenster mit dem Signalverlauf auf einer jeweiligen Tiefe zeigt,
so daß hierdurch
dann etwa das Beobachten eines Embolus und dessen Bewegung durch
den Erfassungsbereich hindurch möglich
wird.
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Auch
liegt es im Rahmen des Fachmannes, eine geeignete Hardware-Plattform
für die
Realisierung der Erfindung zu schaffen. Während es sich besonders bevorzugt
angeboten hat, die FFT-Berechnungen auf einem herkömmlichen
Pentium-Prozessor
selbst vorzunehmen, liegt es im Belieben des Fachmannes, hierfür geeignete,
ggf. speziell eingerichtete Prozessoren zu benutzen. Auch liegt
es im Rahmen der Erfindung, diese auf beliebigen Software-Umgebungen
zu realisieren – etwa
in einem PC-Umfeld unter Benutzung gängiger Systemoberflächen und
Betriebssysteme, oder aber in anderen, proprietären Umgebungen oder spezifischen
Anlagen.
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Auch
ist es nicht notwendig in der in 2 gezeigten
Weise etwa die jeweiligen, diskreten Erfassungen gleichmäßig verteilt über die
gesamte Periodendauer vorzunehmen. Vielmehr bietet es sich an, unmittelbar
nach dem Ende eines Sendeimpulses (etwa zum Zeitpunkt t1 in 2)
eine gewisse Totzeit vorzusehen und erst nach Ablauf von dieser
dann das jeweilge sequentielle Abtasten des Signals vorzunehmen.
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Durch
geeignete Ansteuerung der beteiligten Schalter sind dann die jeweiligen
Abtastzeitpunkte vorwähl-
und einstellbar.