DE2509568C2 - Vorrichtung zur Durchführung von Querschnittsmessungen an von Flüssigkelten durchströmten Leitungen Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung von Querschnittsmessungen an von Flüssigkeiten durchströmten Leitungen, insbesondere an Blutgefäßen, nach der Ultraschall-Doppler-Methode, unter Verwendung eines Ultraschall-Sende/Empfangssystems, eines Dopplergerätes zum Erfassen der Leistung von Dopplersignalen sowie eines Dividierglie

des für erfaßte Dopplersignalleistungen.

In der medizinischen Gefäßdiagnostik dienen Querschnittsmessungen beispielsweise an Blutgefäßen zur Ermittlung insbesondere des Blutvolumenstromes sowie der Aderelastizität

Man kann die Querschnittsfläche von Blutgefäßen bekanntlich dadurch messen, daß mittels klassischer Methoden, z. B. Angiographie oder Ultraschall-A-Scan, der Durchmesser des Gefäßes bestimmt und daraus unter Annahme eines kreisförmigen Gefäßquerschnittes die Querschnittsfläche berechnet wird. Die klassischen Methoden haben jedoch den Nachteil, daß sich der Querschnitt lediglich als Mittelwert darstellen läßt. Pulsationen werden jedoch nicht miterfaßt, so daß eine Messung des phasischen Blutflußstromes bzw. auch eine Elastizitätsbestimmung der jeweiligen Adern unmöglich ist

Durch die DT-OS 18 12 017 ist nun eine Anordnung vorbekannt, mit der sich mittels der Ultraschall-Doppler-Methode die Innenabmessung von Gefäßen kontinuierlich ermitteln läßt. Diese Vorrichtung umfaßt insgesamt zwei in einem bestimmten Abstand nebeneinander angeordnete Ultraschall-Sender/Empfängei, die zu gleicher Zeit Ultraschall auf das zu untersuchende Gefäß, z. B. Blutgefäß, abstrahlen, wobei sich die Sende/Empfangskeule jedes Senders/Empfängers in Richtung auf das Gefäß stark verbreitert. Der Abstand zwischen den beiden Sendern/Empfängern ist dabei so gewählt, daß sich deren Sende/Empfangskeulen im Bereich des angezielten Gefäßes etwas überlappen, wobei die Sende/Empfangskeule des einen Senders/ Empfängers mit der einen seitlichen Begrenzung das vorausgesetzt kreisrunde Gefäß gerade tangiert und ansonsten das Gefäß ganz durchsetzt, während die Sende/Empfangskeule des anderen Senders/Empfängers das Gefäß mit der entsprechenden Keulenbegrenzung schneidet, also das Gefäß nur zum Teil durchschallt. Auf Grund dieser unterschiedlich starken Beschallung ergeben sich an den Ausgängen eines Dopplergerätes, das den beiden Sendern/Empfängern nachgeschaltet ist, entsprechend unterschiedliche D'jpplersignalleistungen. Aus dem Verhältnis der unterschiedlich starken Dopplersignalleistungen, das beispielsweise mittels eines dem Dopplergerät nachgeschalteten Dividiergliedes ermittelt wird, läßt sich dann mit Hilfe eines Rechners in Verbindung mit weiteren Verrechnungsgrößen, wie dem Abstand der beiden Sender/Empfänger sowie dem öffnungswinkel deren Sende/Empfangskeulen, der Radius des Gefäßes an der durchschallten Stelle nach einer Berechnungsformel, z.B. gemäß Anspruch 9 der DT-OS 18 12 017, errechnen. Aus dem Radius kann dann die Kreisquerschnittsfläche des Gefäßes ermittelt werden.

Die Vorrichtung nach der DT-OS 18 12 017 erfaßt zwar Querschnittsänderungen eines Gefäßes kontinuierlich, so daß sich in Verbindung mit einem beispielsweise ebenfalls mittels der Ultraschall-Doppler-Methode (z. B. DT-AS 17 91 191) ermittelten Mittelwert ν der Strömungsgeschwindigkeit ein Maß für den phasischen Blutstrom erhalten läßt. Aus der Beobachtung der Querschnittsschwankungen läßt sich außerdem noch eine ungefähre Aussage über die Elastizität der jeweiligen Gefäßwandung abgeben. Die Vorrichtung nach der DT-OS hat jedoch zwei wesentliche Nachteile. Einerseits ist sie technisch sehr aufwendig, da zur Durchführung der relativ komplizierten Rechenoperationen, entsprechend komplizierte und teure Rechenglieder notwendig sind. Sie ist andererseits speziell

hinsichtlich Volumenstrom- bzw. Elastizitätsmessungen auch im Meßergebnis recht unsicher, da zum einen die Verifizierung der geometrischen Voraussetzungen, wie z. B. kreisrunder Gefäßquerschnitt, tangential Berührung der Gefäßwandung durch die Keulenbegrenzung s der Schallkeule eines Senders/Empfängers usw. in der Praxis oft nicht gegeben bzw. schwer einzuhalten ist und zum anderen bei sich stark verbreiterndem Schallfeld kein Zielvorgang und damit auch keine Ausblendung störender Effekte, die z.B. auch von miterfaßten ι ο benaihbarten Gefäßen herrühren, möglich ist Damit ergeben sich unvermeidlich Meßfehler bereits bei der Querschnittsbestimmung noch vor Ermittlung des eigentlicher. Volumenstromes bzw. auch der Aderelastizität, die diese Werte bereits an dieser Stelle verfälschen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche Vorrichtung zur Durchführung von Querschnittsmessungen aufzubauen, die die Nachteile der bekannten Meßeinrichtungen insgesamt nicht aufweist, die also bei geringstem technischen Aufwand ein hinreichend genaues Maß für Leitungsquerschnitte einschließlich deren Änderungen und damit auch für den phasischen Volumenstrom bzw. die Leitungselastizität abgibt

Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß ein einziger Ultraschall-Sender/Empfänger zur Abstrahlung von Ultraschall in die Flüssigkeit und zum Empfang des an der Flüssigkeit reflektierten Ultraschalls vorhanden ist, daß dem Dopplergerät eine Einrichtung zugeordnet ist zur Bildung der Leistung des Dopplersignals mit sämtlichen Amplitudenschwankungen einerseits sowie eines zeitlichen arithmetischen Mittelwerts der Leistung ohne wesentliche Schwankungen andererseits und daß das Dividierglied an dieser Einrichtung zum Zwecke der Bildung des Quotienten aus diesen Leistungen angeschaltet ist

Bei geringstem technischen Aufwand ermöglicht die Erfindung nunmehr die Ermittlung der prozentualen Schwankung einer Leitungsquerschnittsfläche. Hierdurch werden die Schwankungen in stärkerem Maße als bisher gegenüber der mittleren Querschnittsanzeige hervorgehoben, so daß sich bereits aus diesem Grunde ein exakteres Maß für Volumenstrom und Leistungselastizität ermitteln läßt Da ledigiich ein einziger Sender/Empfänger vorgesehen ist, ergeben sich ferner, insbesondere bei stark gebündelter Sende/Empfangscharakteristik, bessere Anzielmöglichkeiten und damit auch ein von Störungen weitgehend befreiter Signalempfang. Die Messung erfolgt ferner unabhängig von der jeweiligen Leitungsquerschnittsform, so daß bisherige Ungenauigkeiten aus dieser Richtung das Meßergebnis nicht beeinflussen können. Unproblematisch ist auch der Einfluß der Proportionalitätskonstanten zwischen tatsächlichem Strom und gemessener Leistung auf das gesamte Meßergebnis. Bekanntlich ist diese Proportionalitätskonstante unter anderem abhängig von der ausgesandten Ultraschall-Energie, der Empfangsempfindlichkeit des Ultraschallempfängers, der Ultraschall-Dämpfung auf dem Hin- und Rückweg zur bzw. von der Flüssigkeit, dem Energieverlust durch die Streuung an den Flüssigkeitsteilchen und der Größe des Signalgewinnungsgebietes. Da an Stelle von zwei nebeneinander anzuordnenden Sendern/Empfängern lediglich ein einziger Sender/Empfänger zur Durchführung der Messung verwendet ist, ergeben sich sowohl für Gesamtleistung als auch den arithmetischen Mittelwert gleiche Proportionalitätskonstanten. Bei der nachfolgenden Leistungsdivision hebt sich somit die Proportionalitätskonstante und damit auch die Wirkung der oben angeführten Einflußgrößen auf die Messung heraus.

Da das primäre Meßergebnis die prozentuale Schwankung der jeweiligen Leistungsquerschnittsfläche ist, muß zur Bestimmung des Gesamtstromes die relative Änderung mit dem beispielsweise klassisch, vorzugsweise durch Ultraschall-A-Scan, gewonnenen Mittelwert des Querschnittes und dem Mittelwert der Strömungsgeschwindigkeit multipliziert werden, wozu vorzugsweise am Ausgang des Leistungsdividiergliedes ein entsprechendes elektronisches Multiplizierglied angeschaltet ist Die Leistungselastizität hingegen sollte bevorzugt unmittelbar aus der prozentualen Schwankung der Querschnittsfläche ermittelt werden, beispielsweise dadurch, daß das Ausgangssignal des Leistungsdividiergliedes in einem weiteren Dividierglied durch eine beispielsweise mittels Manschette, Drucksonde od. dgl. gemessene relative Leitungsdruckänderung dividiert wird. Zur Ermittlung der unterschiedlichen Dopplersignalleistungen sollten vorzugsweise auf unterschiedliche Grenzfrequenzen abgestimmte Frequenzfilter, z. B. bei der Blutflußmessung ein 30-Hz- und ein O,3-Hz-Tiefpaß in Parallelformation, verwendet werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles an Hand der Zeichnung in Verbindung mit den Unteransprüchen.

In der Figur, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Prinzipaufbau zeigt, ist mit 1 ein Ultraschall-Doppler-Applikator bezeichnet, der ein Trägerteil 2, z. B. aus Kunststoff, umfaßt, an dessen Applikationsfläche ein Ultraschallschwinger 3 (dünnes piezoelektrisches Metallplättchen) angeordnet ist. Der Schwinger 3 arbeitet als Ultraschall-Sender und Empfänger. An Stelle nur eines Schwingers können auch deren zwei (z. B. unmittelbar nebeneinander angeordnet) vorhanden sein, von denen der eine als Sender und der andere als Empfänger arbeitet.

Der Applikator 1 ist zum Zwecke der Blutstrommessung bzw. zum Erfassen der Aderelastizität auf der Körperoberfläche 4 eines Patienten aufgesetzt so, daß die Sende/Empfangskeule 6 des Schwingers 3 ein im Gewebe 5 unter der Haut 4 liegendes pulsierendes Blutgefäß 7 voll erfaßt

Die elektrische Steuer- bzw. Verarbeitungseinrichtung umiaßt einen Hochfrequenzschwingungserzeuger 8, der im Sendetakt dem Schwinger 3 Hochfrequenzschwingungen zu dessen Erregung zuleitet. Zum Empfang der am strömenden Blut des Gefäßes 7 reflektierten Ultraschallsignale (Echosignale) dient ein Empfangsverstärker 9, dem ein mit einem Demodulator 10 für die Demodulation der empfangenen Ultraschallimpulse und einem Leistungsbildner 11 (Quadrierglied) zur Bildung der Dopplersignalleistung versehenes Dopplergerät nachgeschaltet ist. Auf das Dopplergerät 10,11 folgen in Parallelformation zwei Tiefpässe 12 und 13, von denen der erste (12) speziell für die Blutflußmessung eine Grenzfrequenz von etwa 30 Hz und der zweite (13) eine Grenzfrequenz von etwa 0,3 Hz aufweist. Der 30-Hz-Tiefpaß bildet die uopplersignal ■ leistung Pg mit praktisch sämtlichen Amplitudenschwankungen. Der 0,3-Hz-Tiefpaß ermittelt hingegen einen zeitlichen arithmetischen Mittelwert Pu der Leistung ohne wesentliche Schwankungen.

Die beiden Tiefpässe sind ausgangsseitig an die beiden Eingänge eines Leistungsverhältnisbildners 14 für die Leistungen Pound Pm angeschaltet Am Ausgang

dieses Verhältnisbildners 14 liegen schließlich ein Multiplizierglied 15 sowie ein Dividierglied 17. Das Multiplizierglied 15 multipliziert hierbei das Leistungsverhältnissignal PgIPm des Verhältnisbildners 14 mit dem mittleren Querschnittswert F des Gefäßes 7 und einem Mittelwert Fder Blutflußgeschwindigkeit. Dieses Produkt stellt dann den Wert des Blutvolumenstromes an der Meßstetle im Blutgefäß 7 dar. Zur Anzeige des Volumenstromwertes <? dient ein Anzeigegerät 16. Das Dividierglied 17 ermittelt hingegen den Quotienten aus dem Leistungsverhältnissignal des Verhältnisbildners 14 und einer beispielsweise mittels Manschette, Drucksonde od. dgl. erfaßten relativen Blutdruckänderung Δ P/P. Dieser Quotient gibt ein Maß für die Aderelastizität an der Meßstelle ab find kann mittels eines Anzeigegerätes is 18 angezeigt werden. _

Die Ermittlung des Flächenwertes F sollte im vorliegenden Anwendungsbeispiel vorzugsweise mittels Ultraschall-A-Scan erfolgen. Hierzu arbeitet der Sender/Empfänger 1 gemäß der Figur im Impulsbetrieb und eine am Empfangsverstärker 9 angeschaltete Impuls-Zeitabstandsmeßeinrichtung, die z. B. in üblicher Weise eine bistabile Kippstufe 19 mit Zeitmeßglied 20 für die Dauer der Kippstufenimpulse umfassen kann, ermittelt den Zeitabstand zwischen den beiden Aderwand-Echoimpulsen der Ader 7 als Maß für den mittleren Aderdurchmesser d. Durch Umrechnung in einem Rechenglied 21 nach der Beziehung F= n('d/2)² ergibt sich dann der erwünschte mittlere Flächenwert. Der Mittelwert der Blutflußgeschwindigkeit V ergibt sich hingegen am Ausgang einer Doppler-Geschwindigkeitsmeßeinrichtung 22, die beispielsweise entsprechend jener der DT-AS 17 91 191 ausgebildet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Durchführung von Querschnittsmessungen an von Flüssigkeiten durchströmten Leitungen, insbesondere an Blutgefäßen, nach der Ultraschall-Doppler-Methode, unter Verwendung eines Ultraschall-Sende/Empfangssystems, eines Dopplergerätes zum Erfassen der Leistung der Dopplersignale sowie eines Dividiergliedes für erfaßte Dopplersignalleistungen, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Ultraschall-Sender/Empfänger (1) zur Abstrahlung von Ultraschall (6) in die Flüssigkeit (7) und zum Empfang des an der Flüssigkeit reflektierten Ultraschalls vornanden ist, daß dem Dopplergerät (10, 11) eine Einrichtung (12,13) zugeordnet ist zur Bildung der Leistung (Pc) des Dopplersignals mit sämtlichen Amplitudenschwankungen einerseits sowie eines zeitlichen arithmetischen Mittelwertes (Pm) der Leistung ohne wesentliche Schwankungen andererseits und daß das Dividierglied (14) an dieser Einrichtung (12, 13) zum Zwecke der Bildung des Quotienten (PcIPm) aus diesen Leistungen angeschaltet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Bildung der unterschiedlichen Dopplersignalleistungen auf unterschiedliche Grenzfrequenzjen abgestimmte Frequenzfilter (12,13) für die Dopplersignale umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für Blutflußmessungen zwei Tiefpässe verwendet sind, von denen ein erster (12) eine Grenzfrequenz bei vorzugsweise 30 Hz und ein zweiter (13) eine Grenzfrequenz bei vorzugsweise 0,3 Hz aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzfilter (12, 13) einem Dopplersignal-Leistungsbildner (11) im Dopplergerät in Parallelformation nachgeschaltet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Volumenstromes (Q) der Flüssigkeit (7) dem Dividierglied (14) ein Multiplizierglied (15) zur Multiplikation des Leistungsverstärkersignals (Pc/Pm) mit einem mittleren Querschnittsflächenwert (F) und der mittleren Strömungsgeschwindigkeit fv} nachgeschaltet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit Mitteln zum Erfassen der relativen Leitungsdruckänderung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Leitungselastizität (E) dem Dividierglied (14) ein weiteres Dividierglied (17) zur Bildung des Quotienten aus Leistungsverhältnissignal (PcIPm) und relativer Leitungsdruckänderung

(A P/P) nachgeschaltet ist.