DE2530964C2

DE2530964C2 - Vorrichtung zur Gewinnung eines ein bewegliches Element charakterisierenden Signals

Info

Publication number: DE2530964C2
Application number: DE2530964A
Authority: DE
Inventors: Leslie Christchurch Kay
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-07-15
Filing date: 1975-07-11
Publication date: 1984-11-15
Also published as: JPS5143880A; DE2530964A1; US4052977A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung eines ein in einem lebenden Körper befindliches bewegliches Element charakterisierenden Signals nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Es ist — beispielsweise aus der DE-OS 20 39 453 — bekannt, eine Information über ein sich bewegendes Medium mittels reflektierter Ultraschallwellen unter Nutzung des Doppler-Effektes zu gewinnen, Insbesondcre auch ist es aus dem Aufsatz von Satomura, Ultrasonic Doppler Method for the Inspection of Cardiac Functions, in: The Journal of the Acoustical Society of America, Band 29, Nr. 11 aus November 1957 bekannt, den Doppler-Effekt zur Prüfung von Herzfunktionen zu nutzen und die gewonnene Information über ein Mittel zur Erzeugung eines akustischen Ausgangssignals darzustellen.

Die von Satomura vorgeschlagene Vorrichtung zur Untersuchung des Herzens ist lediglich darauf gerichtet, Bewegungen der Herzkomponenten durch Verwendung der durch solche Bewegungen erzeugten Doppler-Signale zu messen. Dabei werden Ultraschallwellen übertragen, die eine konstante Frequenz aufweisen und daher nur sehr begrenzt zur Gewinnung von Informationen geeignet sind, da das erzeugte Signal lediglich durch die Geschwindigkeit des zu untersuchenden Elementes bestimmt wird.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, welche weiter ei-

M nc Information über die Positionsveränderungen des beweglichen Klemenlcs und dessen Bewegung liefert.

KrfindungsgemaU wird diese Aufgabe gelost (.lurch die im kennzeichnenden Teil des lliiupianspruchs ge-

nannten Merkmale.

Die Unteransprüche kennzeichnen vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Weitere Merkmaie und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert ist Dabei zeigt

F i g. 1 ein schematisches Schaltdiagramm eines Ausführungsbeispieles einer Vorrichtung nach der Erfindung;

F i g. 2 die Anwendung der Vorrichtung (von der nur ein Teil gezeigt ist) zur Erzeugung eines Klangmusters, welches eine Information bezüglich der Bewegung einer Herzklappe enthält;

F i g. 3 eine graphische Darstellung, bei der die Frequenz der übertragenen Wellenenergie über die Zeit aufgetragen ist;

F i g. 4 eine graphische Darstellung, in der das Klangmuster, welches von dem bereits genannten Schwebungssignal abgeleitet ist, gegen die Zeit aufgetragen ist, wobei dieses Audiosignal die Information bezüglich der Bewegung der untersuchten Herzklappe enthält;

F i g. 5 einen Teil der graphischen Darstellung von F i g. 3 in vergrößertem Maßstab, wobei der zeitliche Zusammenhang zwischen dem übertragenen Signal und dem empfangenen Signal oder Echo aufgezeichnet ist;

F i g. 6 einen Teilausschnitt der graphischen Darstellung von F i g. 3 in vergrößertem Maßstab, wobei die Ableitung der Steigung der Linie, welche die Frequenz des empfangenen Signales repräsentiert, wenn das Element sich von dem Empfänger entfernt, gezeigt ist;

F i g. 7 eine graphische Darstellung ähnlich F i g. 6, wobei das Element sich jedoch dem Empfänger nähert; und

Fig.8 einen Ausschnitt aus einer graphischen Darstellung, welcher demjenigen von F i g. 4 ähnlich ist und in vergrößertem Maßstab die Frequenz eines charakteristischen Klangmusters zeigt, weiches von einem sich bewegenden Element empfangen wird, das sich von der Empfängerstation mit abnehmender Geschwindigkeit (Verzögerung) entfernt.

Die im folgenden beschriebene Vorrichtung kann zutreffend als Ultraschall-Stethoskop zum Abhorchen der mechanischen Bewegung (verglichen mit den Schwingungstönen, die im menschlichen Körper durch eine derartige Bewegung hervorgerufen werden) eines unzugänglichen Körperelementes bezeichnet werden, beispielsweise der Herzwandung und/oder einer mitralen Herzklappe. Bei der Anwendung des Ultraschall-Steihoskops werden gewobbelte Ultraschallwellen (welche Druckwellen sind) durch einen Breitbandwandler über ein geeignetes, zum Welleneintriti verwendbares Körpergewebeteil auf den untersuchten Abschnitt aufzugeben. Weilerhin werden die durch den untersuchten Abschnitt reflektierten Wellen mittels eines geeigneten Ultraschallwandlers, ebenfalls wiederum mittels eines Breitbandwandlers, aufgenommen.

Der Mittelwert der Übertragungsfrequenz wird so gewählt, daß sich bei der Reflexion durch das sich bewegende Körperclement eine Frequenzverschiebung infolge des Dopplereffektes ergibt, welche groß genug ist, um in dem erzeugten Ausgangssignal aufgefunden zu werden. Die Grolle der Wobbeifrequenz wird weiterhin so ausgewählt, daß sie ausreicht, um das kürzeste cm wickelte Audiosignal (bei maximalem Bereich) für eine Zeit aufrechtzuerhalten, die es dem Benutzer des Gerätes ermöglicht. Änderungen der Frequenz sowohl infolge zyklischer Verschiebung des sieh bewegenden Elementes um seine Mittellage als auch infolge der Bewegung des Elementes (Doppelverschiebung) wahrzunehmen. Die mittlere Frequenz kann wenigstens 1 MHz betragen, wobei der bevorzugte Bereich 1 bis 10 MHz beträgt Das Ausmaß der Wobbeifrequenz kann wenigstens 03 Oktaven ausmachen. Entscheidend ist dabei, daß das Audiosignal, welches durch eine bestimmte Wobbeifrequenz entwickelt wird, für wenigstens 10 ms und vorzugsweise langer aufrechterhalten bleibt

ίο Die empfangene Wellenenergie (umgewandelt in ein elektrisches Signal) wird weiterverarbeitet indem das elektrische Signal mit dem ausgesandten Signal multipliziert und das resultierende komplexe Signal, welches die Summe und die Differenz der Frequenzen enthält durch Filter geleitet wird, welche nur die Differenzfrequenz hindurchlassen, um so ein Klangmuster zu erzeugen, welches eine Information bezüglich der Position und Bewegung (nämlich Geschwindigkeit und Beschleunigung) des sich bewegenden Körperelementes, im folgenden kurz als Element bezeichnet enthält. Vorzugsweise wird die Form, in der das Klangmuster entwickelt wird, an die dynamischen Frequenzcharakteristiken des menschlichen Hör-Nervensystemes angepaßt wenigstens soweit wie möglich, wodurch es dem Beobachter möglich ist zwischen verschiedenen Klangmustern zu unterscheiden, beispielsweise zwischen einem Klangmuster, das für ein gesundes Herz charakteristisch ist, und einem Klangmuster, das für einen unnormalen oder krankhaften Zustand des Herzens spricht. Einer der Grundgedanken der Erfindung besteht darin, die außerordentliche Fähigkeit des Gehörsinns dazu zu verwenden, komplexe Schallmuster variierender Frequenz zu unterscheiden, anstatt nur die Positionsänderung eines nicht zugänglichen Elementes zu beobachten, beispielsweise eines Körperteiles, wobei gepulste Druckwellen, wie Ultraschallwellen, sowie eine visuelle Anzeige verwendet werden, deren Koordinaten Verschiebung einerseits und Zeit andererseits sind.
Wegen der Dopplerverschiebung der Frequenz, die bei der Reflexion der Druckwellen von dem beweglichen Element auftritt, entsteht die Frequenz des Audio-Ausgangssignales als Resultierende des statischen Bereiches oder Ortes des Elementes, der Verschiebung oder der Änderung des Ortes oder des Bereiches, welehe während der vorgegebenen Frequenzwobbelung oder während des gegebenen Frequenzbereiches auftritt, und der Dopplerverschiebung der Frequenz. Hieraus resultiert ein Klangmuster, welches für eine bestimmte Position oder einen bestimmten Bereich und für eine bestimmte Bewegungsart charakteristisch ist und subjektiv durch den Gehörsinn analysiert werden kann.

Da die Modulation des gesendeten Signales oder die Variation der Zyklusfrequenz so gewählt werden können, daß ein weiter Wobbeibereich erfaßt wird (der Quotient aus /ö, der mittleren Frequenz, dividiert durch Af, die Bandbreite, kann charakteristischerweise etwa 2 betragen) ist das empfangene Signal am hochfrequenten Abschnitt seines Spektrums deutlich stärker dopplerverschoben als an seinem niederfrequenten Abschnitt.

Das Ausmaß der Frequenzverschiebung wird im Audioau.^ang dadurch verstärkt, daß eine hohe Sendeoder Trägerfrequenz verwendet wird. Die Dopplervcrschiebung, ausgedrückt als absolute Frequenzänderung,

tv> hängt von der Anzahl von Wellenlängen ab, die auf eine Sirecke fallen, welche die Quelle in einer vorgegebenen Zeit zurücklegt. Wird also eine hohe Trägerfrequenz (kleine Wellenlänge) verwendet, so steigt die absolute

Dopplerverschiebung an. Dieser absolute Wert wird aufrechterhalten, nachdem durch Verarbeitung die Differenzfrequenz erzeugt worden ist. Eine Dopplerverschiebung von 200 Hz auf einem ausgestrahlten Signal von 2 MHz läßt sich sehr leicht erreichen und wird direkt in das Audioband als eine Verschiebung von 200 Hz auf dem Ausgangssignal, welches etwa 2000 Hz charakteristischer als Frequenz aufweisen kann, umgesetzt.

Die Erzeugung der Ausgangssignale unterschiedlicher Frequenz, gemessen zwischen dem gesendeten Signal und dem empfangenen Signal, kann eine Schwebungsfrequenzänderung von typischerweise 400 Hz pro cm Eindringtiefe der Wellenenergie in das Körpergewebe bewirken. Dementsprechend kann ein untersuchtes Körperelement, beispielsweise eine Herzklappe, die sich in einer Tiefe von 5 cm unter der Haut befindet, zu folgendem Klangmusler führen:

1. Ein Audiosigna.! mit einer mittleren Frequenz von 2 kHz;

2. eine Änderung der Signalfrequenz von angenommen ±400 Hz um die Hauptfrequenz, wenn sich die Herzklappe zwischen ihren beiden Extremstellungen bewegt;

3. eine Überlagerung über diese Änderung von bis zu, angenommen, ±200 Hz, zurückzuführen auf die Geschwindigkeitsänderung der Klappe; und

4. eine zusätzliche Änderung wegen der Dopplerverschiebung der Frequenz, die durch die Änderung in der einfallenden Wellenlänge der ausgesendeten Wellenenergie moduliert wird.

Ein charakteristisches Klangmuster läßt sich auf diese Weise bei einem Bewegungszyklus der mitralen Klappe erzeugen, welches charakteristisch ist entweder für die normale Bewegung oder für eine in irgendeiner Form gestörte Bewegung. Es ist daher möglich, Unregelmäßigkeiten zu diagnostizieren. Die Rhythmusänderung des Herzens hat eine Dauer in der Größenordnung von 0,8 Sekunden. Geringfügige Änderungen im Klangmuster während dieser Periode können leicht und sinnvoll unterschieden werden. Das menschliche Ohr ist bezüglich Horrhythmusänderungen sehr empfindlich und kann Änderungen wahrnehmen, die durch visuelle Überprüfung nicht leicht entdeckt werden können, wobei dann also visuell eine bestimmte Anzeige abgelesen werden würde, wie eine sich ändernde Linie oder ein ähnliches Bild auf dem Schirm eines Kathodenstrahloszillographen. Wegen des charakteristischen Klangmusters, welches durch jede Bewegung des Korperelem<?ntes verursacht wird, ist es möglich, daß zwei oder mehr sich bewegende Elemente gleichzeitig abgehorcht werden, vorausgesetzt, daß sie sich in verschiedenen Bereichen (Tiefen) befinden. Die Frequenzmuster der Körperelemente ändern sich wegen der zyklischen Positionsänderungen sowie wegen der Dopplerverschiebung, wobei diese Änderungen um verschiedene Mittelfrequenzen stattfinden, je nach der Tiefe, in der die Körperelemente sich befinden. Wenn die Bewegungsarten der Körperelemenie verschieden sind, gibt dies Anlaß zu weiteren Unlerscheidungsmöglichkeiten zwischen den beiden Klangmustern.

Die Umwandlung des elektrischen Ausgangssignales der Differenzfrequenz in einen Audioausgang eliminiert die Notwendigkeiit einer kostspieligen visuellen Anzeigevorrichtung oder Speichereinrichtung, die sich durch eine Miniatur-Hörhilfe, wie einen Kopfhörer, und/oder ein tragbares Bandgerät als Aufzeichnungsvorrichtung ersetzen lassen.

Die Vorrichtung kann daher leicht tragbar ausgebildet sein und läßt sich daher durch den praktischen Arzt ebenso wie durch den Spezialisten gut verwenden.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung gezeigt, welche zwei Breitband-Ultraschallwandler 10 bzw. 11 aufweist, die als Sender bzw. als Empfänger arbeiten.

to Der Eingang zum Sender-Ultraschallwandler wird von einer frequenzgewobbelten Einheit 12 (einem Oszillator) abgeleitet, der einen Leistungsverstärker 12,7 beaufschlagt, welcher wiederum mit dem Sender-Ultraschallwandler in Verbindung steht.

Auf der Empfängerseite wird das durch den Ultraschallwandler 11 gelieferte elektrische Signal auf einen Ultraschall-Filterverstärker 14 und dann auf eine Einrichtung 13 (oder eine andere Schaltung, die ein Differenzfrequenzsignal erzeugt) aufgegeben, welche ein Referenzsignal von der Senderseite vorteilhafterweise zwischen der Einheit 12 und dem Leistungsverstärker 12a empfängt.

Das in der Einrichtung 13 erzeugte Ausgangssignal wird durch einen Tiefpaß-Filterverstärker 15 geleitet, um die Summenfrequenzen und die Frequenz der Einheit 12 zur Erzeugung des frequenz-gewobbelten Sendersignals abzuschneiden. Der Ausgang des Filterverstärkers 15 wird auf einen Audio-Wandler 16, etwa einen Kopfhörer oder Lautsprecher, oder auf ein Band oder ein anderes Aufzeichnungsgerät gegeben, welches dann zum Betreiben des Audio-Wandlers 16 verwendet werden kann.

Die Frequenz der durch die Einheit 12 erzeugten Trägerwelle, welche durch den Sender-Ultraschallwandler 10 ausgestrahlt wird, kann vorteilhafterweise zwischen 2 MHz und 5 MHz liegen, obwohl auch höhere oder niedrigere Frequenzen verwendet werden können, je nach der erwarteten Geschwindigkeit, mit der sich das untersuchte Körperelement bewegt, und nach der Tiefe der durchzuführenden Untersuchung oder in Abhängigkeit von der Tiefe, in welcher das zu untersuchende Körperelement liegt.

Wie diagrammartig in. F i g. 2 dargestellt ist, wo das Verfahren und die Vorrichtung zur Erzeugung eines Signales verwendet werden, welches für die Bewegung einer Herzklappe charakteristisch ist, werden die Empfänger- und Sender-Ultraschallwandler 10, 11 mit der Haut auf dem Brustkorb der zu untersuchenden Person in Kontakt gebracht. Die Ankopplung erfolgt dabei durch herkömmliche Verfahren, die in der medizinischen Praxis bereits üblich sind.

Ein Teil des Körpers der zu untersuchenden Person ist schematisch bei 17 gezeigt. Rippen des Brustkorbes bei 18, das Herz bei 19 und eine Klappe, nämlich eine mitrale Herzklappe, bei 20.

Der Sender-Ultraschallwandler wird vorzugsweise so angeordnet, daß sich ein verhältnismäßig enges Strahlungs- oder Polardiagramm ergibt, wie bei 21 gezeigt Der Wandler wird dabei derart angeordnet, daß die Strahlungskeule sich zwischen zwei Rippen 18 erstreckt damit sie mehr oder weniger symmetrisch auf die Herzklappe 20 auftrifft Es ist natürlich klar, daß in bestimmten Fällen auch eine Einheit verwendet werden kann, welche die beiden Ultraschallwandlcr 10 und 11 umfaßt.

b5 Der Sendcr-Ultraschallwandler 10 kann eine Strahlungskeule oder ein Polardiagramm aufweisen, welches breiter ist, wie schematisch bei 22 gezeigt Auch der Ultraschallwandler 10 wird so angeordnet daß dieses

Polardiagramm zwischen einem Rippenpaar 18 liegt.

Die Trägerwelle wird vorzugsweise sägezahnmoduliert, wobei die Einhüllende eine Reihe von mit zeitlichem Abstand angeordneten Anstiegsflanken und abrupten Abfallflanken der Dauer T aufweist, wie graphisch in Fig. 3 dargestellt. Die Wobbeifrequenz erstreckt sich über einen Frequenzbereich, der um ein Mehrfaches größer ist als das Audiofrequenzband, welches am Ausgang, nämlich am Lautsprecher oder Kopfhörer 16, gebildet wird.

Die tatsächliche Frequenzwobbelung läßt sich wie folgt bestimmen: Die Laufzeit τ(Fig.5) für die Ultraschallwellen, welche diese auf dem Hinweg benötigen, sowie die Laufzeit auf dem Rückweg durch das Körpergewebe können in der Größenordnung von !00 Mikrosekunden liegen. Dies wird als Verzögerungszeit genommen, die zur Erzeugung eines Ausgangssignales der Einrichtung 13 von 5000 Hz erforderlich ist unter Erzeugung eines entsprechenden Klangmusters in dem Audio-Wandler 16. Um dem Benutzer eine akzeptable Tonqualität des erzeugten Audiosignals zu gewährleisten, sollte das Audiosignal wenigstens 10 Millisekunden, vorzugsweise länger, dauern. Das Verhältnis zwischen einer derartig verlängerten Periode von beispielsweise 50 Millisekunden und der Ausbreitungsperiode beträgt 500. Dementsprechend sollte die Wobbelfrequenz, um einen Ausgang zu erhalten, dessen Tonqualität unterschieden werden kann, 5000 · 500 = 2,5 MHz betragen. Dies ergibt sich aus der Beziehung Af = f_a (Tr) mit der Annahme, daß rgegenüber Tklein ist, also (T — τ) näherungsweise = T. Für alle kleineren Werte des Hin- und Rückweges wird τ kleiner und die Dauer (T — r) des Audiosignals in jeder Periode langer.

Während jeder Periode von 50 Millisekunden kann sich der untersuchte Körperabschnitt, beispielsweise die Mitralklappe, nur geringfügig bewegen oder aber, wenn das Element sich zu dem Zeitpunkt der ablaufenden Periode in einem Zustand befindet, der einen rasch sich ändernden Teil des Bewegungszyklus darstellt, seine Position deutlich mit relativ hoher Geschwindigkeit ändern. Während jeder der 50 Millisekunden dauernden Periode des kompletten Bewegungszyklus des Körperelementes, welcher im Falle einer Herzklappe charakteristischerweise 0,8 Sekunden umfassen kann, ändert sich die Ausgangsdifferenzfrequenz, die in der Einrichtung 13 erzeugt und an dem Audio-Wandler 16 hörbar gemacht wird, entsprechend der Position und der Geschwindigkeit des untersuchten Körperelementes. Dementsprechend wird dem Benutzer durch den Audio-Wandler 16 ein Audiosignal zur Verfugung gestellt, des-Sen rfcqücnz Sien wsiircHvj ucr £*yf\.*uSzc!t »es un^er suchten Körperelementes ändert.

Wenn das untersuchte Element stationär wäre, so würde die Differenzfrequenz, die in der Einrichtung 13 erzeugt wird, und dementsprechend das Audiosignal am Kopfhörer oder Audiowandler 16 eine konstante Frequenz haben, abhängig von dem Laufweg der Wellen durch das Körpergewebe, gemessen vom Sender-Ultraschallwandler 10 zum untersuchten Körperelement und zurück zum Sender-Wandler 11. Dieser Fall ist schematisch durch die strichpunktierten Linien 24a bis 24c/ in F i g. 4 repräsentiert die in jedem von vier aufeinanderfolgenden Frequenzdurchläufen der Trägerwelle auftreten. Wenn jedoch, bei einem bestimmten Frequenzdurchlauf eine Positionsänderung auftritt, beispielsweise eine solche, die zu einer Abnahme des Laufweges führt, so steigen die Frequenz des Ausganges und des Klanemusters an. Wenn das Element sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit in Richtung auf den Empfängerwandler bewegt, so ergibt sich eine Dopplerverschiebung (Anwachsen) der Frequenz am Empfänger. Hierdurch ergibt sich eine weitere Abnahme der Differenz zwischen der Referenzfrequenz (abgeleitet von der Einheit 12) und der empfangenen Frequenz. Die beiden Effekte sind also additiv und erzeugen eine Gesamt-Abnahme in der hörbaren Audiofrequenz an dem Audio-Wandler 16. Wenn das untersuchte Körperelement sich

ίο in einer Richtung bewegt, welche eine Vergrößerung des Laufweges bewirkt, so sind die Positionsänderung und die Geschwindigkeitsänderung wiederum additiv und erzeugen ein Anwachsen in der resultierenden Audiofrequenz.

!n F i g. 4 ist als Beispie! eine Änderung der Audiofrequenz über vier aufeinanderfolgende Perioden von 50 Millisekunden gezeigt. Die gestrichelten Linien 23a bis 23c/ repräsentieren einen annähernd linearen Anstieg in der Frequenz des erzeugten Audiosignales, entsprechend einer konstanten Bewegungsgeschwindigkeit des untersuchten Körperelementes in einer Richtung, durch welche der Laufweg verlängert wird (dabei wird angenommen, daß nur ein Körperelement untersucht wird, um die Darstellung zu vereinfachen). Der Beitrag zur Frequenzverschiebung, welcher durch den Dopplereffekt hervorgerufen wird, ist am höheren Ende des Frequenzdurchlaufes größer als am niedrigen Ende, da die Dopplerverschiebung als die Anzahl von Wellenlängen, die in der Einheitszeit durch das untersuchte Körperelement zurückgelegten Distanz unterzubringenden Wellenlängen betrachtet werden kann, wobei also die Zyklusanzahl um so höher ist, je größer die Trägerfrequenz ist. Da die Dopplerverschiebung der Frequenz als direkte Addition oder Subtraktion im Ausgang der Einrichtung 13 sowie am Lautsprecher oder Kopfhörer auftritt, ergibt sich ein abrupter Abfall am Übergang zwischen aufeinanderfolgenden Perioden von 50 Millisekunden.

Die Einheit 15 kann, wie ausgeführt, einen Tiefpaß-Filterverstärker aufweisen, um unerwünschte Summenkomponenten zu eliminieren, die im Mischer erzeugt werden. Ebenso lassen sich mitte!» der Einheit 15 unerwünschte Frequenzkomponenten ausfiltern, die auf Steuerung im Körpergewebe in Tiefen zurückzuführen sind, die sich von derjenigen oder denjenigen, die interessieren, unterscheiden, wobei diese Streuung natürlich auftritt, wenn die Ultraschallwellen durch die genannten Gewebeteile hindurchgehen.

Das im Audio-Wandler 16 erzeugte Klangmuster

so weist also eine variierende Frequenz auf, wobei ein abfüllender Ton eine Bswe^CT"r?^CT in Richtun** auf den Empfänger und ein ansteigender Ton eine Bewegung von dem Empfänger weg anzeigt, wobei die Geschwindigkeit der Frequenzänderung die Beschleunigung charakterisiert, die bei diesen Bewegungen auftritt

Unter Bezugnahme auf die F i g. 6 und 7 ist anzumerken, daß die Ableitung der Frequenz des empfangenen Signales am Empfängerwandler, d. h. also das Druckwellensignal, welches dort in ein entsprechendes elektrisches Signal derselben Frequenz umgewandelt wird, durch die Gleichung gegeben ist:

(statischer Bereich I)

(Dopplerverschiebung)

wobei

f_a(t) = die zeitveränderliche Audiofrequenz,
m = Änderungsrate der ausgesendeten Fre

quenz während des linearen Durchlaufes ^r> Hz/Sek.,

r(t) = Zeitveränderungsbereich zum sich bewegenden Element,
■;-. φ) = momentane Radialgeschwindigkeit des

sich bewegenden Elementes, positiv für ; wachsendes rft),

.'■;' Ft = Frequenz der einfallenden Welle des Elementes infolge der Ausstrahlung, und
c = Geschwindigkeit der Schallausbreitung

L-:: im Gewebe sind.

Die beiden Terme auf der rechten Seite der Glei-' ν. chung müssen addiert werden, wenn die Einhüllende der

Frequenzwobbelung oder des Frequenzdurchlaufes des f Sendersignales mit zeitlichem Abstand angeordnete ge-

|/ rade Hochabschnitte aufweist, wobei die dazwischenlie-

'■■', genden Abschnitte eine abrupte Umkehr bewirken, wie

*f als Beispiel in F i g. 3 dargestellt.

■ i Unter diesen Bedingungen erzeugen, wie sich aus den

K F i g. 6 und 7 ergibt, die Verschiebung, welche das unter-

■;■: suchte Element während eines Frequenzdurchlaufes erleidet, und der Dopplereffekt gemeinsam Änderungen in der Differenzfrequenz wächst an, wenn das Element ; sich vom Empfänger entfernt, und verkleinert sich, wenn

■.-■ das Element sich dem Empfänger nähert.

Si Der Einfachheit halber ist in den F i g. 3, 4, 6 und 7

■i( angenommen worden, daß das untersuchte Element sich

Vl mit konstanter Geschwindigkeit bewegt.

,$ In der Praxis enthält jedoch die periodische Beweis gung eines Elementes, wie der Mitralklappe eines

c£ menschlichen Herzens, Beschleunigungs- und Verzöge-

f-| rungskomponenten zu unterschiedlichen Zeitpunkten.

ft Hierdurch ergibt sich eine Differenzfrequenz, die sich

;|ϊ auf wesentlich komplexere Art ändert, wie in F i g. 8

lsi dargestellt.

jpj In den Fig.6 und 7 repräsentiert die ausgezogene

'|| Linie die Senderfrequenz, die strichpunktierte Linie die

g. Frequenz, die von einem untersuchten Element empfangt; gen werden würde, wenn es sich nicht bewegte, die

f| kurzgestrichelte Linie die Frequenz, die von einem EIe-

i'l ment empfangen würde, wenn die Verschiebung be-

e| rücksichtigt werden würde, die infolge der Elementbe-

U wegung aufgetreten wäre, wobei jedoch die Frequenz-

i)| änderung infolge des Dopplereffektes nicht berücksich-

fe tigt ist, und die langgestrichelte Linie diejenige von dem

Ü untersuchten Element empfangene Frequenz, welche

Sg sich ergibt, wenn sor/ohl die Verschiebung als auch der

if Dopplereffekt berücksichtigt werden.

In Fig.8 wird dieselbe Bezeichnungsweise verwendet, mit der Ausnahme, daß die dort dargestellten. Frequenzen Differenzfrequenzen sind, die sich ergeben, indem das empfangene Signal in der Einrichtung 13 verarbeitet wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen ω

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Gewinnung eines ein in einem lebenden Körper befindliches bewegliches Element charakterisierenden Signals, mit mit Kupplungseinrichtungen zur Kopplung an den zu untersuchenden Körper versehenen Wandlern zum Übertragen von Schallwellenenergie durch den Körper hindurch auf das sich bewegende Element reflektierter Schallwellenenergie, einer Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Sendesignals zum Speisen der Wandler, einer Einrichtung zum Empfangen eines von den Wandlern ankommenden elektrischen Empfangssignales, welches in Abhängigkeit von dtr aufgenommenen reflektierten SchallwelLnenergie bildbar ist, und einer einen Teil der Empfangseinrichtung bildenden Einrichtung zum Behandeln des elektrischen Empfangssignales mit einem gegebenen Frequenzsignal zur Bildung eines elektrischen Ausgangssignales mit der Differenzfrequenz zwischen dem vorliegenden elektrischen Sendersignal und dem elektrischen Empfangssignal, welches zur Umwandlung in ein Ausgangs-Audiosignal auf einen Ausgangs-Audiowandler aufgebbar ist, gekennzeichnet durch eine Einheit (12) zum Wobbein der Frequenz des elektrischen Sendersignales in jedem aus einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Zyklen in einer derartigen Weise und über einen derartigen Frequenzbereich, daß das Differenzfrequenz-Ausgangssignal im hörbaren Bereich liegt und ein Klangmuster erzeugt, welches bei Aufgabe auf den Audio-Wandler (16) akustisch unterscheidbare Frequenzveränderungen erzeugt, die mit den Positionsveränderungen des beweglichen Elementes und der Bewegung desselben korreliert sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (13) zum Behandeln des elektrischen Empfangssignales so geschaltet ist, daß sie als gegebenes Frequenzsignal ein Signal erhält, welches von der Einheit (12) zur Erzeugung des frequenz-gewobbelten elektrischen Sendersignales stammt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (12) zur Erzeugung des frequenz-gewobbelten Sendesignals eine von einer sägezahnförmigen Hüllkurve derart definierte Wobbeifrequenz erzeugt, daß eine Verlagerung des sich zyklisch um eine mittlere Position bewegenden zu untersuchenden Elementes und die Bewegung des Elementes jeweils das Gesamtfrequenzband des hörbaren Ausgangssignals des Audio-Wandlers (16) verbreitern.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (12) zum Erzeugen des frequenz-gewobbelten elektrischen Sendersignals eine Frequenzvariation derartigen Ausmaßes erzeugt, daß an der Bereichsgrenze der Vorrichtung (welche die kürzest-mögliche Dauer des Audio-Ausgangssignals am Audio-Wandler (16) bewirkt) die Dauer des Ausgangssignals hinreichend lang ist, um dem Benutzer eine Unterscheidung zwischen verschiedenen Klangmustern für unterschiedliche Bewegungscharakteristiken des untersuchten Körperelementcs zu gestalten.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausmaß der lreuuenzvariation derart ist, daß das Verhältnis der Dauer der Frequenzwobbelung, maßgebend für das Klangmuster, zur Übergangs- oder Durchlaufzeit, welche das gesendete und reflektierte Signal im Körpergewebe benötigt, im maximalen Bewegungsbereich des sfch bewegenden Körperelementes wenigstens 100 beträgt.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (12) zum Erzeugen des frequenz-gewobbelten elektrischen Sendersignals zum Erzeugen eines mittleren Frequenzwertes eingerichtet ist, der hinreichend groß ist, daß die Doppelverschiebung der Frequenz im Ausgangssignal des Audio-Wandlers (16) einen erkennbaren Unterschied gegenüber dem Frequ.?nzmuster, welches sonst nur auf die Positionsverschiebung des sich bewegenden Elementes während jedes Frequenzdurchlaufes zurückzuführen ist, aufweist

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert der Frequenz des elektrischen Seiidersignals wenigstens 1 MHz beträgt.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Frequenzwert im Bereich von 1 bis 10 MHzliegt.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (12) zum Erzeugen des frequenz-gewobbelten Sendersignals eine derartige Wobbelfrequenz bewirkt, daß der höchste Frequenzwert wenigstens V] Oktav höher ist als der niedrigste Wert.