DE2555134B1

DE2555134B1 - Geraet fuer stroemungsmessungen nach der ultraschall-doppler-methode

Info

Publication number: DE2555134B1
Application number: DE19752555134
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl-Ing Hassler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-12-08
Filing date: 1975-12-08
Publication date: 1977-05-05
Also published as: GB1551345A; DE2555134C2; FR2334957A1; AT369547B; US4127842A; JPS5271277A; JPS587289B2; FR2334957B1; ATA575976A; NL7609350A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät für Strömungsmessungen nach der Ultraschall-Doppler-Methode, bestehend aus Applikator mit Ultraschallschwinger nebst Trägerteil sowie einem daran anzuschließenden Dopplergerät für die Doppler-Strömungsanzeige und Mitteln zur Berücksichtigung des Ultraschall-Einstrahlwinkels in die Strömung.

Bei Strömungsmessungen an strömenden Medien interessiert vor allem die Strömungsgeschwindigkeit oder auch der Volumenstrom, der sich jedoch bei bekannter Strömungsgeschwindigkeit und bekanntem Strömungsquerschnitt durch Produktbildung leicht errechnen läßt. Bei sämtlichen dieser Messungen ergibt sich jedoch der Nachteil, daß die als Maß für die jeweilige Strömungsgeschwindigkeit verwendete Frequenz der empfangenen Dopplersignale nicht — wie eigentlich erwünscht — allein von der Strömungsgeschwindigkeit, sondern auch vom Einstrahlwinkel des Ultraschalls in das strömende Medium abhängig ist. Durch die DT-PS 17 98 104 ist nun bereits ein Gerät für die winkelunabhängige Messung insbesondere der Blutflußgeschwindigkeit vorbekannt, bei dem durch Einstrahlung von Ultraschall aus zwei einen Winkel von 90° bildenden Senderichtungen und nachfolgender Verrechnung der beiden aus den zueinander senkrechten Richtungen erhaltenen unterschiedlichen Dopplerfrequenzen

Af\ und Ak zu Aft²+An²=k² · (sin²iX+cos²Ä)

der Einstrahlwinkel (<x) eliminiert wird. Ein weiteres Gerät zur winkelunabhängigen Messung der Blutf Iußgeschwindigkeit ist ferner auch durch die DT-AS 23 41 476 vorbekannt, wo mittels zweier in einem bestimmten Abstand nebeneinander angeordneter Sender/Empfänger die Zeitdifferenz zwischen dem Eintreffen des am strömenden Medium reflektierten Ultraschalls am ersten und zweiten Sender/Empfänger bei gleichzeitig erfolgter Abstrahlung von Ultraschall in das Medium gemessen und aus der gemessenen Zeitdifferenz At, der Laufgeschwindigkeit c des Ultraschalls und dem Abstand der beiden Sender/Empfänger a ein Winkelkorrekturwert nach der Beziehung

errechnet wird.

Beide Geräte ermöglichen zwar exakte winkelunabhängige Messung, haben jedoch den Nachteil, daß die Winkelunabhängigkeit mit einem relativ hohen elektronischen Verarbeitungsaufwand erkauft werden muß.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Gerät der eingangs genannten Art anzugeben, das mit technisch einfacheren Mitteln die winkelunabhängige Strömungsmessung erlaubt

Die Aufgabe wird erfindunggemäß gelöst mit einem dem Applikator zugeordneten, auf unterschiedliche Winkelstellungen des Applikators ansprechenden mechanischen Winkelstellungsindikator mit zugehörigem mechanisch/elektrischen Wandler zur Erzeugung von elektrischen Winkelsignalen entsprechend den erfaßten Winkelstellungen und einem Differenzbildner für die Winkelsignale.

Das Gerät nach der Erfindung erlaubt die Bestimmung des Einstrahlwinkels oder einer davon abhängigen Größe mit einfachsten technischen Mitteln in der Weise, daß zuerst ein Winkelsignal bei Senkrechteinstrahlung von Ultraschall in das strömende Medium ermittelt wird, was bekanntlich durch Aufsuchung des Minimums der Doppler-Strömungsanzeige erfolgen kann, und anschließend in einer beliebigen Schrägstellung des Applikators das hierbei erhaltene Winkelsignal vom Winkelsignal aus der Senkrechtstellung subtrahiert wird. Das Differenzsignal stellt dann ein unmittelbares Maß für die Winkelabweichung der Ultraschallstrahlrichtung von der Senkrechten und damit auch ein Maß für den Einstrahlwinkel des Ultraschalls in das Medium selbst dar (wird der Einstrahlwinkel mit oc bezeichnet, so ergibt sich ein Differenzsignal, das proportional 90° —oc ist). Dieses Winkelsignal kann dann unmittelbar zur Korrektur der Dopplersignale im Sinne der Gewinnung einer wjiikelunabnängigen Strömungsanzeige verwendet werden! Zur Direktermittlung des Differenzsignals sollte dabei in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung der Wandler Teil einer Meßbrückenschaltung sein, die bei Winkelsignalen aus Applikatorstellungen, bei denen sich ein Minimum der Strömungsanzeige ergibt, abgestimmt ist und die durch Winkelsignale, die sich bei dazu unterschiedlichen Applikatormeßstellungen ergeben, im Sinne der Signaldifferenzbildung verstimmt wird. Der Winkelstellungsindikator selbst kann ein sich aufgrund Schwerkraft gegenüber der Fallinie selbsttätig verstellender ohmscher, kapazitiver oder induktiver Winkelgeber sein. Als ohmscher Winkelgeber kommen dabei neben gewichtsbelasteten Widerstandsdrehpotentiometern auch z. B. sogenannte Flüssigkeitspotentiometer mit beispielsweise Quecksilber als Flüssigkeitsschleifer in Betracht. Als kapazitiver Winkelgeber eignen sich gewichtsbelastete Drehkondensatoren und als induktiver Winkelgeber ineinander verstellbare Spulen, von denen eine mit einem Gewicht belastet ist. Ein technisch besonders einfacher Aufbau eines Winkelstellungsindikators bei kleinster Raumbeanspruchung ergibt sich jedoch bei Einsatz eines mechanischen Kipp/Drehumsetzers, der Kippbewegungen des Applikators in entsprechende Drehbewegungen eines Drehgliedes umsetzt, wobei als Drehmomenterzeuger für das Drehglied ein am Applikationsort zu befestigendes Ziehelement, wie z. B. Drahtbügel od. dgl., dient, das am Drehglied bei Kippbewegungen des Applikators im Sinne einer Zugausübung angreift. Der mechanisch/ elektrische Wandler sollte dabei ein zug- oder biegeempfindlicher Widerstand, z. B. Dehnungsmeßstreifen, sein, der zur Zug- oder Biegebeanspruchung in Proportionalität zur Drehbewegung des Drehgliedes vorzugsweise über eine Zugfeder einerseits am Drehglied und andererseits am Applikatorgehäuse befestigt ist.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Anhand der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele und der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 ein Gerät im Prinzipaufbau mit Ultraschall-Applikator im Längsschnitt,

F i g. 2 eine Modifikation des Applikators des Gerätes gemäß F ig. 1.

In der F i g. 1 ist mit 1 ein Ultraschall-Doppler-Applikator und mit 2 ein Dopplergerät für die Doppler-Strömungsanzeige bezeichnet. Der Applikator 1 besteht aus einem Trägerteil 3 (Applikatorgehäuse) für einen Ultraschallschwinger 4 (piezoelektrisches Kristallplättchen). Das Trägerteil 3 weist einen inneren Hohlraum 5 auf. In diesem Hohlraum 5 befindet sich ein Rad 6, das an einer Achse 7 drehbar gehaltert ist. An diesem Rad 6 ist in einem Punkt 8 nahe dem Radumfang ein Drahtbügel 9 befestigt, der über einen Durchführschlitz 10 im Applikatorgehäuse 3 aus dem Innenraum 5 nach außen geführt ist. An einem weiteren Punkt 11 am Radumfang, der dem Angriffspunkt für den Drahtbügel 8 in etwa diametral gegenüberliegt, greift ferner über einen Ziehfaden 12 eine Zugfeder 13 mit zugehörigem Dehnmeßstreifen 14 an. Das andere Ende des Dehnmeßstreifens ist in einem Punkt 15 am Applikatorgehäuse fixiert. Der Dehnmeßstreifen 14 kann hierbei auch unmittelbar auf den Windungen der Zugfeder 13 angebracht, z. B. aufgeklebt, sein. Im Ausführungsbeispiel nach der F i g. 1 ist der Applikator 1 mit dem Schwinger 4 über ein Koppelgel 16 an der Hautoberfläche 17 eines Patienten, z. B. am Oberarm des Patienten, so angekoppelt, daß im Betriebszustand die Sende/ Empfangskeule 18 des Ultraschallschwingers 4 auf ein unter der Hautoberfläche verlaufendes Blutgefäß 19 ausgerichtet ist. Der Einstrahlwinkel des Ultraschalls in das Blutgefäß 19 ist hierbei mit cc bezeichnet. Der Winkel β bezeichnet den Winkel zwischen der Normalen bei Senkrechteinstrahlung von Ultraschall in das Blutgefäß 19 und der gezeichneten Schrägstellung des Applikators 1.

Im Ausführungsbeispiel nach der F i g. 1 ist ferner der Applikator 1 über Anschlußleitungen 20 bis 22 (die in praktischer Ausführung z. B. über ein gemeinsames Mehrfachkabel verlaufen) mit dem Dopplergerät 2 verbunden. Die Leitung 20 deutet dabei die Anschlußleitung für den Anschluß des Ultraschallschwingers 4 am Speise- und Empfangsteil im Dopplergerät an. Der Speiseteil besteht aus einem Hochfrequenzoszillator 23, der im Takt der gewünschten Ultraschallsendefrequenz dem Ultraschallschwinger 4 Hochfrequenzimpulse zu dessen Erregung zuleitet. Der Empfangsteil besteht aus einem Empfangsverstärker 24 für die Ultraschall-Echosignale, einem Dopplerdemodulator 25 zum Erhalt der Dopplersignale sowie einem Niederfrequenzverstärker 26 für die Dopplersignale. Die am Ausgang des Niederfrequenzverstärkers 26 anfallenden Dopplersignale können mittels eines Lautsprechers 27 hörbar gemacht werden. Der Niederfrequenzverstärker 26 ist ferner über einen weiteren Ausgang mit einer Verarbeitungsschaltung 28 verbunden, die beispielsweise entsprechend jener der DT-PS 17 91 191 aufgebaut ist und die aus den empfangenen niederfrequenten Dopplersignalen einen gewichteten Mittelwert / der Dopplerfrequenz ermittelt. Die Verbindungsleitungen 21 und 22 schalten hingegen den Dehnmeßstreifen 14 als veränderbaren Widerstand in eine aus weiteren Widerständen 29 bis 31 sowie einer Spannungsquelle 31' bestehende ohmsche Widerstandsmeßbrücke. Von den

genannten Widerständen ist dabei der Widerstand 31 ein ohmsches Widerstandspotentiometer, das mittels eines Drehknopfes 32 verstellbar ist. Der Brückenmittenausgang führt zu einem Verstärker 33 für das an diesem Ausgang anfallende Brückensignal, der ausgangsseitig wiederum mit einem Zeigeranzeigegerät 34, das auch in Winkelgraden geeicht sein kann, für die Anzeige des Brückensignals verbunden ist. Ferner ist am Ausgang des Verstärkers 33 ein Sinus/Cosinusbildner 35 angeschaltet, der aus dem Ausgangssignal des Verstärkers 33, das proportional 90° -α ist, nach der Beziehung sin (90° —α)=cos α den Cosinus des Einstrahlwinkels erreicht und den so errechneten cos-Wert auf ein Dividierglied 36 gibt, dem über einen zweiten Eingang das Ausgangssignal für die mittlere Frequenz / der Schaltung 28 zur Bildung eines Quotienten

K-

cos«

zugeleitet wird. Dieser Quotient stellt jedoch mit k= c/24 wobei c die UltraschaUaufgeschwindigkeit und fo die Ultraschallsendefrequenz abgeben, den unmittelbaren Meßwert für die mittlere Blutflußgeschwindigkeit Vin der Blutader 19 dar. Das Anzeigegerät 37 dient zur Anzeige des so ermittelten Geschwindigkeitswertes v.

Die Funktionsweise des Ausführungsbeispiels nach der F i g. 1 ergibt sich im Hinblick auf die Ermittlung des Einstrahlwinkels sowie die nachfolgende Winkelkorrektur am Dopplersignal wie folgt:

Zuerst wird durch Abtastung der Körperoberfläche an drei oder vier hintereinanderliegenden Punkten bei entsprechender akustischer Hörbarmachung der Dopplersignale der ungefähre Verlauf des Blutgefäßes 19 unter der Hautoberfläche ermittelt. Die Verbindungslinie zwischen den Abtastpunkten wird mittels eines Kreide-Striches auf der Haut 17 markiert. Anschließend wird der Ziehdraht 9 in Richtung dieses Striches auf der Haut straff aufgelegt und z. B. mittels Heftpflaster fixiert. Nun beginnt die eigentliche Winkelmessung. Hierzu wird bei Doppleranzeige im Lautsprecher 27 der Applikator 1 so lange leicht gekippt, bis die Doppleranzeige ein Minimum durchläuft Bei Durchlauf des Minimums ist jedoch der Ultraschall-Sende/Empfangsstrahl 18 des Ultraschallschwingers 4 unmittelbar senkrecht auf das Blutgefäß 19 gerichtet (gestrichelte Strahlstellung 18')· In dieser Stellung, d.h. im Doppleranzeigeminimum, wird dann über den Drehknopf 32 das Potentiometer verstellt in der Weise, daß das Brückenausgangssignal Null wird (Brücke ist abgestimmt). Anschließend wird bei weiterhin straff gehaltenem Drahtbügel 9 der Applikator 1 beispielsweise in die dargestellte Kippstellung gebracht. Das Kippen des Applikators 1 bei gestrafftem Bügel 9 bewirkt jedoch, daß sich der Angriffspunkt 8 des Bügels 9 am Rad 6 aus der gestrichelten Stellung (Lage bei Senkrechteinstrahlung) in Richtung des Drehpfeiles 38 in die gezeichnete Stellung bewegt. Hierdurch wird also das Rad 6 in Richtung des Drehpfeiles 38 gedreht. Dies wiederum bewirkt, daß auf der Gegenseite der Angriffspunkt 11 für den Ziehfaden 12 mit Feder 13 und Dehnmeßstreifen 14 entsprechend dem Pfeil 39 um das Bogenelement Ab nach unten verschoben wird.

Hierdurch wird auf die vorher völlig entlastete Zugfeder 13 ein Zug ausgeübt, der wiederum eine entsprechende Dehnung des Dehnungsstreifens 14 bewirkt. Diese Dehnung des Dehnungsstreifens 14 wird nun als Widerstandsänderung der Widerstandsmeßbrücke 29 bis 31 im Dopplergerät 2 mitgeteilt, die daraufhin verstimmt wird und an ihrem Brückenausgang ein der Brückenverstimmung entsprechendes elektrisches Spannungssignal liefert. Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, entspricht jedoch die Winkeldrehung des Rades 6 exakt dem Auskippwinkel β des Ultraschallapplikators 1 aus der Normalen. Rechnet man den Winkel β nun auf den eigentlichen Einstrahlwinkel α des Ultraschalles in das Blutgefäß 19 um, so ergibt sich die eingezeichnete Beziehung Ab=r ■ (90°— α). Da die Dehnungsänderung des Dehnungsmeßstreifens 14 und damit auch dessen Widerstandsänderung unmittelbar proportional zur Drehwinkeländerung Ab des Rades 6 ist, ergibt sich am Ausgang des Brückenverstärkers 33 ein Spannungssignal, das unmittelbar proportional 90°—α ist. im Sinus/Cosinusbildner 35 ergibt sich hieraus durch sin (90°—α)=cos α der erwünschte Korrekturwert für den Einstrahlwinkel bei der Dopplersignalanzeige.

Beim Ausführungsbeispiel nach der F i g. 1 erhält man also eine Zugbelastung bzw. entsprechende Widerstandsänderung des Meßstreifens 14, die 90° -α unmittelbar proportional ist. Erst durch sin-Umrechnung im Glied 35 ergibt sich dann der erwünschte cos α des Einstitahlwinkels. Dieser cos α läßt sich jedoch durch einfache Modifikation des Kipp/Drehumsetzers des Applikators nach der F i g. 1 auch unmittelbar ohne Zuschaltung eines Sinusgliedes ermitteln. Wie in Fi g. 2 dargestellt, verläuft der Ziehfaden für die Zugfeder 13 nebst Dehnmeßstreifen 14 bis zum Ankoppelpunkt nicht entlang dem Radumfang wie beim Ausführungsbeispiel nach der Fi g. 1, sondern entlang einer den Umfang des Rades schneidenden Verbindungsgeraden 40 (für Kippstellung des Applikators 1 bei Senkrechteinstrahlung in das Gefäß 19). Wird nun der Applikator in die Kippstellung mit dem Einstrahlwinkel α gebracht, so entspricht die Wegänderung für den Ziehfaden und damit für Zugfeder und Dehnungsmeßstreifen nicht mehr dem Bogenelement Ab wie in Fig. 1, sondern einem Wegstück x=r · sin (90°— cc). Am Dehnungsmeßstreifen 14 ergibt sich demnach eine Widerstandsänderung, die proportional dem sin (90°—α), d.h. proportional zu cos «, ist Beim Ausführungsbeispiel nach der Fig.2 erfolgt die cos α-Bildung nicht auf elektronischem Wege im Dopplergerät 2, sondern mechanisch am Kipp/Drehumsetzer des Applikators. Beim Applikator nach der F i g. 2 ist ferner in weiterer Modifikation der Drahtbügel 9 am Rad 6 über eine Kupplung 41 angekoppelt, die zum Aufsuchen des Minimums der Strömungsanzeige, z.B. durch Knopfdruck, gelöst werden kann. Dies erleichtert die Handhabung des Applikators beim Aufsuchen der Senkrechteinstrahllage und vermeidet Vorwinkel am Rad 6, die aufgrund der sich hierbei ergebenden Meßstreifenvorspannung an der Widerstandsmeßbrükke abgeglichen werden müssen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gerät für Strömungsmessungen nach der Uitraschall-Doppler-Methode, bestehend aus Applikator mit Ultraschallschwinger nebst Trägerteil sowie einem daran anzuschließenden Dopplergerät für die Doppler-Strömungsanzeige und Mitteln zur Berücksichtigung des Ultraschall-Einstrahlwinkels in die Strömung, gekennzeichnet durch einen dem Applikator (1) zugeordneten, auf unterschiedliche Winkelstellungen des Applikators ansprechenden mechanischen Winkelstellungsindikator (6, 9) mit zugehörigem mechanisch/elektrischem Wandler (14) zur Erzeugung von elektrischen Winkelsignalen entsprechend den erfaßten Winkelstellungen und einen Differenzbildner (29 bis 3Γ) für die Winkelsignale.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (14) Teil einer Meßbrückenschaltung (29 bis 31') ist, die bei Winkelsignalen aus Applikatorstellungen, bei denen sich ein Minimum der Strömungsanzeige ergibt, abgestimmt ist und die durch Winkelsignale, die sich bei dazu unterschiedlichen Applikatormeßstellungen ergeben, im Sinne der Signaldifferenzbildung verstimmt wird.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelstellungsindikator ein sich aufgrund Schwerkraft gegenüber der Fallinie selbsttätig verstellender ohmscher, kapazitiver oder induktiver Winkelgeber ist.

4. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelstellungsindikator ein mechanischer Kipp/Drehumsetzer ist, der Kippbewegungen des Applikators (1) in entsprechende Drehbewegungen eines Drehgliedes (6) umsetzt, und daß als Drehmomenterzeuger für das Drehglied (6) ein am Applikationsort zu befestigendes Ziehelement (9), wie z. B. Drahtbügel, dient, das am Drehglied (6) bei Kippbewegungen des Applikators (1) im Sinne einer Zugausübung angreift.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als mechanisch/elektrischer Wandler ein zug- oder biegeempfindlicher Widerstand (14), z. B. Dehnungsmeßstreifen, dient, der zur Zug- oder Biegebeanspruchung in Proportionalität zur Drehbewegung des Drehgliedes über eine Zugfeder (13) einerseits am Drehglied (6) und andererseits am Applikatorgehäuse (3) befestigt ist.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Drehglied ein Rad (14) oder eine Trommel dient.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Ziehelement (9) und Wandler (14) am oder in der Nähe des Umfanges des Rades (6) an diametral gegenüberliegenden Angriffspunkten (8 bzw. 11) angreifen.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (14) über einen Ziehfaden (12) am Rad angekoppelt ist, der bis zum Ankoppelpunkt entlang dem Radumfang verläuft.

9. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (14) über einen Ziehfaden (12) am Rad angekoppelt ist, der entlang einer den Umfang des Rades schneidenden Verbindungsgeraden (40) verläuft

10. Gerät nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehglied (6) über eine lösbare Kupplung (41) mit dem Ziehelement (9) verbunden ist.

11. Gerät nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Drehgläed (6) sowie mechanisch/elektrischer Wandler (14) als Baueinheit im Innern eines Applikatorgehäuses (3) mit Durchführschlitz (10) für das am Applikationsort zu befestigende Teil des Ziehelementes (9) angeordnet sind.