DE2319724B2 - Geraet zum erfassen der geschwindigkeit stroemender medien - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zum Erfassen der Geschwindigkeit strömender Medien, insbesondere von Blut in seinen Gefäßen, nach der Uliraschall-Doppler-Effekt-Methode, mit einem Ultraschall-Sende-Empfangssystem zur Abstrahlung von Ultraschall in das Medium und Aufnahme des am Medium reflektierten Ultraschalls, einem Dopplerdiskriminator zum Ermitteln der aus der Frequenzverwerfung zwischen ausgesendetem und empfangenem Ultraschall resultierenden Dopplersignale sowie mit Mitteln für die Gewinnung eines gewogenen Frequenzmittelwerte&des Dopplersignal-Frequenzspektrums.

Im Strömungsprofil strömender Medien, insbesondere von Blut in seinen Gefäßen, treten im allgemeinen verschiedenartige Geschwindigkeitskomponenten mit stark variierenden Intensitäten auf. Hieraus resultiert, daß bei Geschwindigkeitsmessungen nach der Doppier-Effekt-Methode nicht Dopplersignale mit einer einzigen Frequenz, sondern Dopplersignale mit einem relativ breitbandigen Frequenzspektrum empfangen werden.

Will man nun aus diesem Frequenzspektrum die mittlere Flußgeschwindigkeit des Mediums ermitteln, so genügt es nicht, die Frequenzkomponente mit der höchsten Intensität herauszusieben. Vielmehr muß zur Vermeidung von fehlerhaften Meßergebnissen das gesamte empfangene Doppler-Frequenzspektrum zur Geschwindigkeitsermittlung herangezogen werden.

Durch die DT-OS 17 91 191 ist ein Gerät der eingangs genannten Art bekannt, bei dem zur Berücksichtigung de* gesamten empfangenen Spektrums die Amplituden von mehreren ausgewählten Frequenzen innerhalb des Frequenzspektrums der reflektierten Ultraschall-Welle oder innerhalb des Frequenzspektrums der Dopplersignale ermittelt werden und aus den so ermittelten

Amplituden und den zugehörigen Frequenzen durch eine Recheneinrichtung nach der Formel

/d.

J-1/

1 f

ein gewogener Mittelwert der ausgewählten Frequenzen errechnet wird, wobei S₄... „ = die von Peak-Detektoren ermittelten Intensitäten bestimmter von Resonanzfiltem ausgewählter Frequenzen sind, f_a...„= die jeweilige Frequenz des zugehörigen Resonanzfilters bedeutet und Af den Frequenzabstand der einzelnen Filter angibt, der vorzugsweise jeweils gleich groß gewählt ist.

Dieser gewogene Mittelwert der Frequenz ergibt zwar ein relativ gutes Maß für die tatsächliche mittlere Flußgeschwindigkeit des Mediums. Nachteilig bei diesen Geräten ist jedoch der für die Ermittlung des Geschwindigkeitswertes erforderliche hohe technische Aufwand an Schaltungselementen (Vielzahl von Resonanzfiltern, Amplitudenmessern, Recheneinrichtung sowie zugehörige Abgleichglieder etc.).

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gerät der eingangs genannten Art aufzubauen, bei dem sich bei wesentlich geringerem technischem Aufbau noch exaktere Meßergebnisse erreichen lassen als mit herkömmlichen Geräten, z. B. mit dem Gerät nach der genannten DT-OS.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Dopplerdiskriminator Bewichtungsglieder zur Erzeugung eines in Abhängigkeit von der Frequenz mit der Quadratwurzel der jeweiligen Frequenz bewichteten Amplitudenverlaufs im Frequenzspektrum der Dopplersignale sowie Mittel zum getrennten Erfassen der Energieinhalte der so in der Amplitude bewichteten sowie in der Amplitude nicht bewichteten Dopplersignal-Frequenzspektren zugeordnet sind.

Beim Gerät nach der Erfindung werden nicht mehr wie bisher aus dem Frequenzspektrum der empfangenen Ultraschallwellen bzw. der Dopplersignale zuerst einzelne Frequenzen selektiert, die Intensitäten dieser Frequenzanteile gemessen und dann nach entsprechender rechnerischer Bewichtung der gemessenen Intensitäten mit den Faktoren /j,..._n und/oder Af in separaten Rechengliedern wiederum an Hand von elektronischen Rechengliedern die Summenanteile

Σ s_fl...„-,i/

des Mittelwertes /bm/i/e/ errechnet. Vielmehr wird beim Gegenstand der Erfindung unter Vermeidung einer Vielzahl aufwendiger Resonanzfilter (beim bekannten Gerät sind mindestens zwölf scharf abgestimmte Bandpässe erforderlich) mit nachgeschalteten Intensitätsdetektoren (zwölf Peak-Detektoren) sowie einer entsprechenden aufwendigen Anzahl von zugehörigen separaten elektronischen Verrechnungsgliedern (Multipükationsgüeder) für f_a...„ und/oder Af das Frequenzspektrum, z.B. f\cu), wobei ω = 2πΙ'= Kreisfrequenz, sofort mit \Γώ zu ][ω ■ ί\ώ) bewichtet. Bei nachfolgender Energieintegration, was im Gegensatz zum Gerät nach rW DT-OS an Stelle mittels aufwendiger elektrischer Addierglieder, mit einfachsten elektronischen Schaltungselementen, ζ. B. Quadrierglied mit nachfolgendem ÄC-Glied, durchführbar ist, ergibt sich dann automatisch das Integral

—— Jo, -IF(Oi)P doi,
2π I

wobei B die Spektrumbandbreite darstellen soll. Dieses ίο Integral stellt jedoch nichts anderes dar als die Gemeinform der Summe

für 4/gegen Null. Wird dieses Energieintegral durch das weitere in ähnlich einfacher Weise zu erhaltende Energieintegra) des nicht bewichteten Spektrums

-s—ψ- Jl F(oi)|² dm

dividiert, so gewinnt man sofort die gewogene mittlere Frequenz /O_m,„_e;und damit wie erwünscht das Maß für die mittlere Mediumflußgeschwindigkeit, z. B. Blutflußgeschwindigkeit Die Division kann mittels Rechenschieber vorgenommen werden. Zweckmäßiger ist es jedoch, die elektrische Division mittels eines einfachen elektronischen Dividiergliedes anzuwenden. Das Gerät nach der Erfindung ist nicht nur technisch weniger aufwendig als das bekannte Gerät. Es ergeben sich

τ,ο zusätzlich noch exaktere Meßergebnisse, weil bei entsprechend exakter Approximation der Wurzelcharakteristik das bewichtete Energieintegral geschlossen über die gesamte Spektrumbandbreite gelöst wird im Gegensatz zum Bekannten, wo das Spektrum lediglich in eine endliche Summe von Spektrumanteilen aufgelöst ist. Ferner können auch keine Verfälschungen des Meßergebnisses durch unvermeidbare Ein- und Ausschwingvorgänge auftreten, weil das System im Gegensatz zu den Bandpaßfiltern des bekannten Gerätes nicht selektiv, sondern breitbandig arbeitet. Hierdurch ist auch eine raschere Signalverarbeitung gewährleistet.

Die Bewichtung des Amplitudenverlaufs im Frequenzspektrum der Dopplersignale läßt sich in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung am einfachsten mit Frequenzfiltern mit einer angenähert nach einer Quadratwurzel verlaufenden Frequenzcharakteristik durchführen. Da sich niederfrequente Signale leichter verarbeiten lassen als hochfrequente Signale, ist

so es von Vorteil, die Bewichtung im niederfrequenten Bereich, d. h. im Dopplersignal selbst, durchzuführen.

Hierbei sollten also die Frequenzfilter am Ausgang des Dopplerdiskriminators angeschaltet sein.

Eine besonders einfache Ausführungsform, bei der als Bewichtungsglieder zueinander parallele Hochpässe, vorzugsweise ftC-Hochpässe, vorgesehen sind, ergibt sich, wenn die Eckfrequenzen und die Leitwerte, der jeweiligen Hochpässe angenähert nach Potenzgesetzen gestuft sind (f=f_oaⁿ für Eckfrequenzen, wobei /₀ eine vorwählbare Grundeckfrequenz und /7 = 0, 1, 2 etc. bedeutet und y=yo(\fä)" für die Leitwerte wobei y₀ einen vorwählbaren Grundleitwert und η wieder O, 1, 2 etc. bedeutet). Dabei können für ein vorgegebenes Frequenzband, z.B. zwischen 100 Hz und 12KHz, die Eckfrequenzen und/oder die entsprechenden Leitwerte zu den Bandenden hin von der Stufung nach dem Potenzgesetz geringfügig abweichen. Bei angenähert nach dem Potenzgesetz gestuften Eckfrequenzen

können die Leitwerte noch zweckmäßig zu den Bandenden hin gegenüber dem Potenzgesetz etwas angehoben sein. Ein besonders gutes ι/ω-Verhalten der Frequenzcharakteristik ergibt sich — wie praktische Ausführungsformen gezeigt haben — schon bei der .s Verwendung von nur insgesamt fünf zueinander parallelen /?C-Seriengliedern, deren Eckfrequenzen mit dem Faktor 5,53" gestuft werden, wobei /J=I für eine vorgewählte Grundeckfrequenz und n=2,3,4,5 für die folgenden nächsthöheren vier Eckfrequenzen und die Leitwerte, bezogen auf einen Grundleitwert, entsprechend mit dem Grundfaktor 2,35" sowie in der stufenweisen Aufeinanderfolge noch zusätzlich mit einem Korrekturfaktor 1,4; 0,93; 0,91; 0,93; 1,4 behaftet werden. Wird nach einem derartigen Ausbildungsschema der Bewichtungsglieder bei einer Grundeckfrequenz von ca. 35,85 kHz im ersten ÄC-Serienglied der ohmsche Widerstand zu 71,428 kO und die Kapazität zu 62,15 nF, im zweiten ÄC-Serienglied der ohmsche Widerstand zu 45,66 kü. und die Kapazität zu 17,589 nF, im dritten ÄC-Serienglied der ohmsche Widerstand zu 19,88 VD. und die Kapazität zu 7,308 nF, im vierten ÄC-Serienglied der ohmsche Widerstand zu 8,27 VQ. und die Kapazität zu 3,177 nF sowie schließlich im fünften ÄC-Serienglied der ohmsche Widerstand zu 2,337 VD. und die Kapazität zu 2,034 π F gewählt, so ergibt sich für eine Bandbreite des Dopplersignalspektrums von lOOHz bis 12 kHz in der Frequenzcharakteristik der insgesamt fünf ÄC-Serienglieder eine Abweichung vom j/cu-Verlauf, die lediglich maximal +0,65% beträgt. Eine derartige geringfügige Abweichung gegenüber dem idealen Verlauf ist im Hinblick auf die zu erzielende Meßgenauigkeit (Flußgeschwindigkeit) praktisch vernachlässigbar klein.

An Hand dreier Figuren wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben und seine Wirkungsweise erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gerätes im Prinzipschaltbild,

F i g. 2 eine Ausführungsform der Bewichtungsglieder als Parallelschaltung von insgesamt fünf ÄC-Seriengliedern,

Fig.3 ein Diagramm im logarithmischen Maßstab, das schematisch die Herausbildung der yS-Frequenzcharakteristik aus der Überlagerung der Leitwertverläufe der einzelnen Serienglieder in Abhängigkeit von der Frequenz aufzeigen soll.

In der F i g. 1 ist mit 1 ein Ultraschall-Applikator mit einem Sendeschwinger 2 und einem Empfangsschwinger 3 (piezoelektrische Kristallplättchen) bezeichnet Der Sendeschwinger 2 wird von einem Hochfrequenzgenerator 4 gespeist Die vom Empfangsschwinger 3 aufgenommenen, an einem strömenden Medium, im vorliegenden Falle Blut, reflektierten Ultraschallwellen werden in einem Empfangsverstärker 5 verstärkt und anschließend in einer aus einer Gleichrichteranordnung 6 sowie einem Tiefpaß 7 (ca. 12 kHz Grenzfrequenz) bestehenden Demodulationseinrichtung demoduliert

Das am Ausgang der Demoduliereinrichtung anfallende Frequenzspektrum F (ω) stellt das Dopplersigna] dar. Dieses Dopplersignal F(co) wird einerseits über eine Frequenzfilteranordnung 8 mit der Frequenzcharakteristik ι/ω einem Quadrierglied 9 sowie einem nachfolgenden Integrator 10, der hier als aktiver ÄC-Tiefpaß ausgeführt ist, zugeleitet Andererseits wird das Dopplersignal F(a>) auch gleichzeitig auf ein weiteres Quadrierglied 11 mit nachgeschaltetem Integrator 12, der in ähnlicher Weise wie der Integrator 10 aus einem aktiven ÄC-Tiefpaß besteht, gegeben. An den Ausgängen dieser Integratoren ist ein Dividierglied 13 zur Bildung des Quotienten aus den Ausgangssignalen des Integrators 10 und des Integrators 12 angeschaltet Ein Anzeigegerät 14 dient zur Anzeige des Ausgangssignals des Dividiergliedes 13.

In der Fig. 2 sind mit 15 bis 19 fünf zueinander parallele /?C-Serienglieder bezeichnet. Im Serienglied 15 besitzt hierbei der Widerstand /?i den Wert 71,428 kn und die Kapazität C, den Wert 62,15 nF. Im Serienglied 16 ist der Widerstand R2 zu 45,66 V.O. und die Kapazität C₂ zu 17,589 nF gewählt. Der Widerstandswert R) des Seriengliedes 17 beträgt 19,88 kQ und der Kapazitätswert C₃ = 7,308 nF. Die Widerstände R₄ bzw. Rs der Glieder 18 bzw. 19 sind zu 8,27 kO bzw. 2,337 VD gewählt und die Kapazitäten C₄ bzw. C₅ haben einen Wert von 3,177 nF bzw. 2,034 nF. Das Zweipolverhalten der Serienglieder 15 bis 19 wird durch einen nachgeschalteten Operationsverstärker 20 mit Rückkoppelwiderstand Ä.. in das Spannungsübersetzungsverhältnis eines Vierpols überführt.

In der Fig.3 ist im logarithmischen Maßstab der Verlauf des Leitwertes des ÄC-Seriengliedes 15 in Abhängigkeit von der Kreisfrequenz ω mit 21 angedeutet. Entsprechend sind die Leitwertverläufe der weiteren Serienglieder 16 bis 19 mit 22, 23, 24 bzw. 25 bezeichnet. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß die Überlagerung sämtlicher dieser Leitwertverläufe 21 bis 25 im Bereich der Eckfrequenzen einen wellenförmigen Verlauf aufweist. Bei der gewählten Dimensionierung der ÄC-Elemente in den einzelnen Seriengliedern nach F i g. 2 nähert sich diese Wellenkurve mit sehr großer Genauigkeit (+ 0,65%) an einen j/ω-Verlauf (gestrichelte Linie 26) an.

Die Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels nach den F i g. 1 bis 3 ergibt sich wie folgt:

Zu Beginn der jeweiligen Messung wird der Applikator 1 mit seinen Schwingern 2 bzw. 3 in Richtung auf das zu vermessende strömende Medium, z. B. Blut, ausgerichtet. Der Sendeschwinger 2 strahlt Ultraschallwellen in das Medium ein. Die am Medium reflektierten Wellen werden im Empfangsschwinger 3 in entsprechende elektrische Signale umgewandelt Diese Signale werden im Empfangsverstärker 5 verstärkt und in der Demodulationseinrichtung 6, 7 demoduliert. Das anfallende Dopplerfrequenzspektrum F(w) wird im Bewichtungsglied 8 mit -\[ω zu

fa-1F (_ω)|

bewichtet Bei der nachfolgenden Quadratur des so bewichteten Spektrums ergibt sich

und durch die nachfolgende Integration der Energieinhalt des so bewichteten Spektrums zu

—L-fa>\F(a,)?da,.

£jl 1. B

Entsprechend fällt am Ausgang des Integrators 12 der Energieinhalt des nicht bewichteten Frequenzspektrums ,

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen an. Durch die nachfolgende Division im Dividierglied 13 ergibt sich der erwünschte gewogene Mittelwert der Frequenz fp mittet, der am Anzeigegerät 14 unmittelbar als Flußgeschwindigkeit v_mittci angezeigt wird.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Gerät zum Erfassen der Geschwindigkeit strömender Medien, insbesondere von Blut in seinen Gefäßen, nach der Ultraschall-Doppler-Effekt-Methode, mit einem Ultraschall-Sende-Empfangssystem zur Abstrahlung von Ultraschall in das Medium und Aufnahme des am Medium reflektierten Ultraschalls, einem Dopplerdiskriminator zum Ermitteln der aus der Frequenzverwerfung zwischen ausgesendetem und empfangenem Ultraschall resultierenden Dopplersignale sowie mit Mitteln für die Gewinnung eines gewogenen Frequenzmittelwertes des Dopplersignal-Frequenzspektrums, dadurch gekennzeichnet, daß dem Dopplerdiskriminator (6, 7) Bewichtungsglieder (8) zur Erzeugung eines in Abhängigkeit von der Frequenz (ω) mit der Quadratwurzel der jeweiligen Frequenz (j/ω) bewichteten Amplitudenverlaufs im Frequenzspektrum [f{ü))] der Dopplersignale sowie Mittel (9, tO bzw. 11,12) zum getrennten Erfassen der Energieinhalte der so in der Amplitude bewichteten sowie in der Amplitude nicht bewichteten Dopplersignal-Frequenzspektren zugeordnet sind.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bewichtung des Amplitudenverlaufs im Frequenzspektrum [1\ω)] der Dopplersignale Frequenzfilter (15 bis 19) mit einer angenähert nach einer Quadratwurzel verlaufenden Frequenzscharakteristik vorhanden sind.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzfilter (15 bis 19) am Ausgang des Dopplerdiskriminatots (6,7) angeschaltet sind.

4. Gerät nach Anspruch 2 oder 3, wobei als Bewichtungsglieder zueinander parallele: Hochpässe, vorzugsweise ÄC-Hochpässe, vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Eckfrequenzen und die Leitwerte der jeweiligen Hochpässe (8) angenähert nach Potenzgesetzen gestuft sind (T= /Oa" für Eckfrequenzen, wobei fa eine vorwählbnre Grundeckfrequenz und n = 0, 1, 2 etc. bedeutet, und y-yn (\lä)" für die Leitwerte, wobei y<> ein vorwählbarec Grundleitwert und n=0,1,2 etc. bedeutet).

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für ein vorgegebenes Frequenzband, z. B. zwischen 100 Hz und 12 kHz, die Eckfrequen;:en und/oder die entsprechenden Leitwerte zu den Bandenden hin von der Stufung nach dem Potenzgesetz geringfügig abweichen.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei angenähert nach dem Potenzgesetz gestuften Eckfnquenzen die Leitwerte zu den Bandenden hin gegenüber dem Potenzgesetz ar gehoben sind.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Bewichtungsglieder fünf zueinarder parallele KC-Serienglieder (15 bis 19) vorhanden sind, deren Eckfrequenzen mit dem Faktor 5,53" gestuft sind, wobei n=1 für eine vorgewählte Grundeckfrequenz und /7 = 2,3,4,5 für die folgerden nächsthöheren vier Eckfrequenzen und deren Leitwerte (y), bezogen auf einen Grundleitwert, entsprechend mit dem Grundfaktor 235" sowie in der stufenweisep. Aufeinanderfolge noch zusätzlich mit dem Korrekturfaktor 1,4; 0,93; 0,91; 0,93; 1,4 behaftet sind.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet, daß den Bewichtungsgliedern (8) ein Operationsverstärker (20) mit ohmschem Rückkoppelwiderstand (R_v) nachgeschaltet ist

9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erfassen des Energieinhalts des in der Amplitude bewichteten Dopplersignal-Frequenzspektrums den Bewichtungsgliedern (8) ein Quadrierglied (9) mit nachfolgendem Integrator (10), vorzugsweise ein aktiver ÄC-Tiefpaß, nachgeschaltet ist

10. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erfassen des Energieinhalts des in der Amplitude nicht bewichteten Dopplersignal-Frequenzspektrums auch am zugehörigen Signalausgang des Dopplerdiskriminators (6, 7) ein Quadrierglied (11) mit nachfolgendem Integrator (12), vorzugsweise aktiver RC-Tiefpaß, angeschaltet ist.

11. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch ein Dividierglied (13) zur Bildung des Quotienten aus dem Energieinhalt des in der Amplitude bewichteten Dopplersignal- Frequenzspektrums und dem Energieinhalt des nicht bewichteten Dopplersignal-Frequenzspektrums sowie eine dem Dividierglied (13) nachgeschaltete Anzeige- und/oder Registriereinrichtung (14) für den Quotienten.