DE2423318A1 - Verfahren zur messung einer fluessigkeitsstroemung - Google Patents

Verfahren zur messung einer fluessigkeitsstroemung

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Description

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Dipl.-Ing. E. Tergau
Patentanwalt Nürnberg, den 13.Mai 1974
The Commonwealth of Australia c/-The Department of Health, of Alexander Building, Phillip, Australien
Verfahren zur Messung einer Flüssigkeitsströmung.
Die Erfindung bezieht sich auf die Technik der Ultraschall-Echoskopie von Gegenständen und insbesondere auf eine Erweiterung der bekannten Technik der Ultraschall-Echoskopie, um aufschlußreichere Informationen von den zu untersuchenden Gegenständen zu erhalten. Sie ist insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf den Erhalt von Daten in der medizinischen Diagnostik bei Anwendung dieser Technik gerichtet.
Die Ultraschall-Echoskopie liefert Informationen über einen zu untersuchenden Gegenstand, die in Form eines Ultraschall-Echogramms dargestellt werden können. Ein solches Echogramm besteht aus der Aufzeichnung akustischer Widerstandsunstetigkeiten oder reflektierender Flächen im Gegenstand. Es wird dadurch erhalten, daß ein kurzer Impuls von Ultraschallenergie im Frequenzbereich von 1 bis 30 MHz, der z.B. von einem elektroakustischen Wandler .erzeugt wird, in den zu untersuchenden Gegenstand gerichtet wird, wo irgendwelche akustische Widerstandsunstetigkeiten im Gegenstande einen Teil der Energie in Form eines Echos reflektieren. Dieses Echo wird z.B. von einem Wandler empfangen, in ein elektri-
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sches Signal umgewandelt und als ein Echogramm in einem Kathodenstrahloszillographen, auf einem Film, einer Karte od.dgl. aufgezeichnet.
Das Echogramm kann entweder eine eindimensionale oder eine zweidimensionale Darstellung bilden, und in beiden Fällen ist die Information in der Lage und Größe des dargestellten Echos enthalten. Bei einer eindimensionalen Darstellung wird die Lage entlang einer Grundlinie dazu verwendet, um die Entfernung von der reflektierenden Fläche anzuzeigen, während die Größe des Echos beispielsweise als eine Ablenkung von der Grundlinie oder als eine Intensitätsänderung dargestellt wird. Bei einer zweidimensionalen Darstellung wird die Lage entlang einer Grundlinie dazu verwendet, um die Entfernung von der reflektierenden Fläche wie bei einer eindimensionalen Darstellung anzuzeigen, und die Richtung der Grundlinie wird dazu verwendet, um die Richtung der Ausbreitung der akustischen Energie darzustellen. Die zweidimensionale Darstellung wird durch Änderung dieser Ausbreitungsrichtung der akustischen Energie und durch die Einführung einer ähnlichen, aber nicht notwendigerweise identischen Bewegung der Grundlinie der Darstellung erhalten. Die Größe des Echos wird wie für eine eindimensionale Darstellung aufgezeichnet, z.B. als eine Ablenkung der Grundlinie oder als eine Intensitätsänderung.
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Die Technik der Ultraschall-Echoskopie wird in der medizinischen Diagnostik verwendet, um Informationen über die Anatomie von Patienten zu erhalten-r Die Anwendung dieser Technik ist jetzt in weitem Umfang erforscht und z.B. von D.E.Robinson beschrieben in "Proceeding of the Institution of Radio and Electronics Engineers, Australia, Vol.31,No.11, Seiten 385 bis 392, November 1970; "The Application of Ultrasound in Medical Diagnosis". Wie in diesem Aufsatz ausgeführt wird, kann die Ultraschall-Echoskopie dazu verwendet v/erden, Darstellungen herzustellen, die anatomischen Querschnitten ähneln, die sich klinisch als nützlich erwiesen haben, wenn die gewünschten Informationen körperliche Abmessungen, Organformen, Strukturen od.dgl. betreffen. Die Ultraschall- Echographie hat sich als besonders wertvoll erwiesen als ein diagnostisches Hilfsmittel beim Unterleib und bei der Gebärmutter während der Schwangerschaft, beim Auge, bei der Brust, beim Gehirn, bei der Lunge, bei der Niere, bei der Leber und beim Herzen, also in Bereichen mit weichem Gewebe mit wenig Knochen und Luft. Im allgemeinen wird diese Technik als Ergänzung anderer Techniken angesehen, um ein vollständigeres Bild vom Zustand der Patienten zu gewinnen, jedoch besonders bei Schwangerschaften kann die Ult-raschall-Echoskopie an Stelle von Röntgenstrahlen nützlich sein, die entweder keine genügende Information ergeben oder gefährlich sein können. Bei der medizinischen Anwendung wird ein Impuls von Ultraschall-Energie in einen Patienten in
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einer bekannten Richtung übertragen, und Echos werden von reflektierenden Flächen innerhalb des Körpers erhalten. Die zeitliche Verzögerung zwischen einem übertragenen Impuls und dem erhaltenen Echo hängt von der Entfernung des Übertragers von der reflektierenden Fläche ab, und die so erhaltene Entfernungsinformation kann in einer geeigneten Weise zur Auswertung und klinischen Verwendung als eine eindimensionale Entfernungsanzeige oder als ein zweidimensionaler Querschnitt dargestellt werden, wie vorher beschrieben worden ist.
Wenn ein Ultraschallimpuls in ein Medium übertragen wird, werden Echos mit verschiedenen Zeitverzögerungen erhalten, und diese Zeitverzögerungen sind proportional zu den Abständen des Wandlers, der die Impulse erzeugt, von den Flächen, vorausgesetzt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit konstant ist. In weichen Geweben des menschlichen Körpers ist die Schallgeschwxndxgkeit etwa konstant, und pulsierender Ultraschall bietet eine geeignete Methode zur Messung der Entfernung einer besonderen Struktur von der Wandleroberfläche ohne Unannehmlichkeiten für den Patienten. Diese Information kann in vielerlei Weise verwendet werden.
Bei der einfachsten Darstellungsform, der "A-Methode", werden die Echos als Ablenkungen einer Kurve eines Oszillographen dargestellt, auf dem die Entfernung entlang der Zeitachse dargestellt ist. Diese Methode ist klinisch
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nützlich, wenn die Quelle der verschiedenen dargestellten Echos positiv festgestellt werden kann. Es ist möglich, den Abstand zweier Echos oder zwischen dem erregenden Impuls und einem Echo genau zu messen, aber es kann nicht möglich sein, die Quelle der Echos festzustellen. Es konnte die Größe des Kinderkopfes innerhalb der Gebärmutter, die Tiefe des Auges und der Blase gemessen und die Mittellinie im Gehirn festgestellt werden. Ähnliche Informationen können durch die "B-Methode" dargestellt werden, bei der ein ' Querschnittsbild durch Bewegung des Wandlers um den zu untersuchenden Gegenstand und durch Darstellung dieser Bewegung erhalten wird. Eine Aufzeichnung nach der "B-Methode" kann entweder durch Einfach- oder Mehrfachabtastung erhalten werden. Hierbei wird die Bewegung des Wandlers ausgewählt, so daß keine Überlagerung von Sichtlinian aus verschiedenen Richtungen auftritt. Linear- und Sektorabtastung sind übliche Beispiele der Einfachabtastung. Bei der Mehrfachabtastung wird die Bewegung des Wandlers ausgewählt, so daß eine Überlagerung verschiedener Sichtlinien auftritt, wobei eine Kombination von Linear- und Sektorabtastung ein typisches Beispiel der Mehrfachabtastung ist.
Wenn sich die interessierende reflektierende.Fläche bewegt, kann ihre Lage mit der Zeit ("M-Methoda") durch Verwendung der B-Methode dargestellt werden, wobei die Zeitgrundlinie
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um einen rechten Winkel in ihre Richtung geschwenkt werden kann, so daß die Bewegungen des Echos rückwärts und vorwärts entlang der Zeitgrundlinie dargestellt werden· Dies wird dazu -verwendet, um die pulsierenden Bewegungen der verschiedenen Teile des Herzens und des Gehirns zu zeigen. Wenn die B-Methode verwendet wird, aber die Kurve auf dem Schirm so verläuft, daß sie die Sichtlinie des Wandlers darstellt, und dann der Wandler um den Patienten herumgeführt wird und die Zeitgrundlinie auf dem Schirm dieser Bewegung folgt, wird eine zweidimensionale Anzeige der Widerstandsunstetigkeiten erhalten. Eine zweidiraensionale Darstellung wurdsbei der Gebärmutter während der Schwangerschaft, beim Unterleib, beim Äuge und bei der Brust verwendet.
Bine Verbindung des Wandlers mit dem Patienten kann durch Hautkontakt oder durch Verwendung eines Wasserverzögerungsbades erreicht werden. Wenn ein Wasserverzögerungsbad verwendet wird, muß die Entfernung des Wandlers von der Hautoberfläche größer als die größte verwendete Eindringtiefe ■ sein, um Zweideutigkeiten auf Grund von Vielfachreflexion asu, vermeiden. Im allgemeinen ergibt der Haut*tkontakt eine größere Bequemlichkeit für den Patienten und Echogramme von geringerer Klarheit, während das Wasserverzögerungsbad für den Patienten unbequemer ist und qualitativ bessere Echogramme liefert.
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Um die Verringerung der Energie des Ultraschallimpulses wegen der Dämpfung innerhalb des zu untersuchenden Gegenstandes, z.B. des Körpergewebes, zu kompensieren, wird die Verstärkung des Empfängers im allgemeinen vergrößert, wenn das Impulsecho von tiefer liegenden reflektierenden Flächen innerhalb des Gegenstandes erhalten wird. Diese Art der Verstärkung szunähme wird im allgemeinen als "Zeitverstärkungskompensation" oder ZVK bezeichnet. In manchen Empfängern folgt auf diese ZVK-Verstärkung eine nicht lineare Druckverstärkung, um weiterhin die Größe des Echos so zusammenzupressen, daß sie in einem Sichtgerät vollständig aufgezeichnet werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, bei dem die Technik der Ultraschall-Echoskopie für die Messung einer Flüssigkeitsströmung in Gefäßen, z.B. in entfernten, unzugänglichen Rohren, in einem überprüften Gegenstande verwendet werden kann. Diese Aufgabe wird .gemäß der Erfindung durch folgende Verfahrensschritte gelöst:
a) Übertragung von Impulsen mit Ultraschallenergie in den Gegenstand und Empfang von Echos dieser Impulse mit Ultraschallenergie, die durch akustische Widerstandsunstetigkeiten im Gegenstand reflektiert werden,
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um.die Abmessungen und die Richtung des Gefäßes im Gegenstande zu bestimmen.
b) Bestimmung der Frequenzveränderung der Echos der Impulse mit Ultraschallenergie, die in diesen Gegenband übertragen werden und durch die Flüssigkeitsströmung in dem Gefäß verursacht werden,
c) "Die gemessene Frequenzveränderung wird in Beziehung gesetzt zu den ermittelten Abmessungen und der Richtung des Gefäßes, um ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit im Gefäß zu erhalten.
Wie oben beschrieben wurde, werden Ultraschall-Echoskope der B-Methode laufend dazu verwendet, Querschnittsaufzeichnungen von elektroakustischen Widerstandsunstetigkeiten im zu untersuchenden Gegenstande durchzuführen, Insbesondere ist es möglich, Gefäße, die Flüssigkeiten enthalten, aufzuzeichnen und die Abmessungen und Richtungen dieser Gefäße in bezug auf den prüfenden Ultraschallstrahl zu ermitteln· Bei medizinischen Anwendungen sind Arterien und Venen Beispiele für solche Gefäße· Dopplersysteme werden laufend verwendet, um die Frequenzveränderung in Echos zu messen, die durch die Strömung in den Gefäßen verursacht wird, wobei die Veränderung proportional der Strömungsgeschwindigkeit und der Richtung des auf das Gefäß gerichteten Strahles ist.
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Bei einem Ausführungsbeispiel bezieht sich die Erfindung auf die kombinierte Verwendung der B-Methode und der Dopplertechnik zur quantitativen Messung der Strömung im Gefäß. Bei einer typischen Anwendung wird zuerst ein elektroakustischer Wandler bei der B-Methode verwendet, um eine Querschnittsaufzeichnung zu erhalten, durch die die Gefäße in dem geprüften Gegenstand umrissen werden. Aus dieser Aufzeichnung wird eine Sichtlinie ausgewählt, die das gewählte Gefäß schneidet, und das Gerät wird auf die Doppler arbeitsweise umgeschaltet, um die Prequenzveränderung entlang dieser Sichtlinie zu messen. Es ist möglich, daß derselbe elektroakustische Wandler für beide Arbeitsweisen verwendet werden kann, aber die vorliegende Erfindung umfaßt auch den Gebrauch von mehr als einem elektroakustischen Wandler, der in geeigneter Weise angeordnet ist, um die Messungen durchzuführen· Die Erfindung umfaßt auch den Gebrauch einer jeden kontinuierlichen oder Impuls-Doppler-Arbeitsweise, wobei die letztere dazu benutzt werden kann, um das Abfließen fehlerhafter Signale in andere Gefäße zu verringern, die entlang der gewählten Sichtlinie liegen, wobei der Bereich des Impuls-Doppler-Systems eingestellt wird, um ein Signal entweder vom ganzen ausgewählten Gefäß oder von Teilen dieses Gefäßes aufzunehmen. Die vorliegende Erfindung umfaßt gleichzeitig auch die Arbeitsweise der B-Methode und des Dopplersystems. Die Strömung im ausgewählten Gefäß kann dann von beiden Arten
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von Daten erhalten werden, nämlich die Richtung und der Querschnittsbereich des Gefäßes von dem Querschnittssystem der B-Methode und die Frequenzdaten vom Dopplersystem·
Die Erfindung ist in Fig.l dargestellt, die ein Echogramm nach der B-Methode von dem untersuchten Gegenstand zeigt. Eine Außenlinie 1 bildet die äußere Umgrenzung des untersuchten Teiles, und ein Rohr 2 nimmt die strömende Flüssigkeit auf, deren Strömung gemessen werden soll· Ein Echogramm nach der B-Methode erlaubt die Messung des Durchmessers des Gefäßes, das gemessen werden soll· Es wird erwartet, daß unter manchen Umständen mehrere Echogramme in verschiedenen Höhen verwendet werden können, um die volle dreidimensionale Geometrie des Gefäßes zu bestimmen. Die Doppler-Messung wird entweder gleichzeitig oder entsprechend der Messung nach der B-Methode entlang einer gewählten Sichtlinie 3 durchgeführt, die mit dem Rohr 2 einen Winkel A bildet· Falls notwendig, wird ein Bereichsanzeiger 4 bei der Impuls—Doppler-Arbeitsweise verwendet, um den Bereich der Impuls-Doppler-Messung durch das Rohr 2 hindurch festzulegen. Dann ergibt sich aus den Frequenzdaten die Durchschnittsgeschwindigkeit V, wobei berücksichtigt wird, ob die kontinuierliche oder Impuls-Doppler-Arbeitsweise verwendet wird, die Strömungsart im Gefäß, nämlich laminar, turbulent, und der Neigungswinkel des Gefäßes gegenüber der ausgewählten Sichtlinie. Bei laminarer Strömung ist
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z.B. die Durchschnittsgeschwindigkeit V der Strömung gegeben durch
V = CAf
2fo cos A
wobei C die Schallgeschwindigkeit im Medium, ^ f die durchschnittliche Dopplerfrequenzdifferenz und fo die Ultraschallträgerfrequenz ist. Die Strömungsgeschwindigkeit F ist dann gegeben durch
F m D2V
4 ' wobei D der Durchmesser des Rohres 2 ist.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die Erfindung zusätzliche nützliche Daten ermöglicht, die bei der Ultraschallprüfung von Gegenständen erhalten werden können.
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Claims (6)

P atentansprüche:
1. Verfahren zur Ultraschallüberprüfung eines Gefäßes in einem überprüften Gegenstand, um eine quantitative Messung der Strömungsgeschwindigkeit im Gefäß zu erhalten, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
a) Übertragung von Impulsen mit Ultraschallenergie in den Gegenstand und Empfang von Echos dieser Impulse mit Ultraschallenergie, die durch akustische Widerstandsunstetigkeiten im Gegenstand reflektiert werden, um die Abmessungen und die Richtung des Gefäßes im Gegenstand zu bestimmen.
b) Bestimmung der Frequenzveränderung der Echos der Impulse mit Ultraschallenergie, die in diesen Gegenstand übertragen werden und die durch die Flüssigkeitsströmung in dem Gefäß verursacht wird.
c) Die gemessene Frequenzveränderung wird in Beziehung gesetzt zu den ermittelten Abmessungen und der Richtung des Gefäßes, um ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit im Gefäß zu erhalten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger elektroakustischer Wandler verwendet wird, um die Echos in beiden Verfahrensschritten(a) und(b) zu erhalten.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß voneinander unabhängige elektroakustische Wandler verwendet
werden, um die Echos in den Verfahrensschritten (a) and (b) zu erhalten.
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4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt (a) vor dem Verfahrensschritt (b) durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die im Verfahrensschritt (a) bestimmte Richtung dazu benutet wird, um eine das Gefäß schneidende Sichtlinie&uszuwählen, und daß die Frequenzänderung im Verfahrensschritt (b) entlang dieser Sichtlinie bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,- dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte (a) und (b) gleichzeitig durchgeführt werden.
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