DE2555134C2 - Gerät für Strömungsmessungen nach der Ultraschall-Doppler-Methode - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät für Strömungsmessungen nach der Ultraschall-Doppler-

^S Methode, bestehend aus Applikator mit Uliraschallschwinger nebst Trägerteil sowie einem daran anzuschließenden Dopplergerät für die Doppler-Strömungsanzeige und Mitteln zur Berücksichtigung des Ultraschall-Einstrahlwinkels in die Strömung, wobei dem Applikator ein mechanischer Winkelstellungsindikiuor zugeordnet ist, der auf unterschiedliche Winkelstellungen des Applikators anspricht und der einen mechanisch/elektrischen Wandler zur Erzeugung von elektrischen Winkelsignalen entsprechend den erfaßten

'•5 Winkelstellungen und einen Differenzbildner für die Winkelsignale umfaßt.

Bei Strömungsmessungen an strömenden Medien interessiert vor allem die Strömungsgeschwindigkeit oder auch der Volumenstrom, der sich jedoch bei

4& bekannter Strömungsgeschwindigkeit und bekanntem Sirömungsquerschnitt 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 Mediur.i 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 Ah zu

ho der Einstrahlwinkel (λ) eliminiert wird. Hin weiteres Gerät zur winkelunabhängigen Messung der Blutnußgeschwindigkeit ist ferner auch durch die DT-AS 23 41 47b vorbekannt, wo mittels zweier in einem bestimmten Abstand nebeneinander angeordneter Sender/Empfän-

<>i ger 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 «d/, der Laufgeschwindigkeit c des Ultraschalls und dem Abstand der beiden Sender/Empfänger a ein Winkelkorrekturwert nach der Beziehung

A -~ I 'cos χ =

4-

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 Erfindung wird erfindungsgemäß dadrrch gelöst, daß der Winkclstellungsindikator ein Winkelsignal bei Senkrechleinstrahlung in das strömende Medium, was durch Aufsuchen des Minimum:; der Dopplerströmungsanzeige erfolgen kann, erzeug! 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 « bezeichnet, so ergibt sich ein Differenzsignal, das proportional 90° — « ist). Dieses Winkelsignal kann dann unmittelbar zur Korrektur der Dopplersignale im Sinne der Gewinnung einer winkelunabhängigen Strömungsanzeige verwendet werden. Zur Direktermittlung des Differenzsignals sollte dabei in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung der Wandler Teil einer Meöbrückenschaltung 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 Signaldiffcrenzbildung 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 verVellbare 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 Zugausüburig angreift. Der mechanisch/ elektrische Wandler sollte dabei ein zug- oder biegeempfindlicher Widerstand, z. B. Dehnungsmeßstreifen, sein, der zur Zug- oder Biegebeanspnichung in Proportionalität zur Drehbewegung des Drehgliedes vorzugsweise über eine Zugfeder einerseits am Drehglied und andererseits am Applikatorgehäuse befestigt ist.

Geräte der eingangs genannten Art sind an sich bereits aus der US-PS 37 77 740 vorbekannt. Diese Geräte sind jedoch speziell Ultraschall-Doppler-Gerate, mit denen sich durch Abtastung eines Gefäßsystems mittels eines Ultraschailwandlers durch Aufzeichnung der erhaltenen Dopplersignale auf dem Bildschirm einer Elektronenstrahlröhre ein Gefäßbild nach

ίο Art der Angiographie ergibt. Dam't nun die einzelnen Dopplersignale im Sichtbild koordinatengerecht entsprechend den Ortskoordinaten der betreffenden Gcfäßstelle im Körper aufgezeichnet werden, wird mittels Winkelgebern (Sinus- oder Kosinus-Potentiometer) die Ortskoordinate der Ultraschallabtastbewegung kontinuierlich winkelmäßig erfaßt und als entsprechendes Winkelsignal der Elektronenstrahlröhre zur Ablenkung des Elektronenstrahls in koordinalengerechter Weise übermittelt. Beim Gegenstand der US-PS 37 77 740 wird also im Gegensatz zu vorliegender Erfindung nicht winkelunabhängig gemessen; vielmehr soll gerade in Abhängigkeit von eingestellten Winkeln die Koordinate für die Dopplersignalwinkel getreu auf dem Bildschirm der Elektronenstrahlröhre übertragen werden. Hierzu wird dann also nicht die Winkelstellung bei Senkrechleinstrahlung in das strömende Medium gemessen, wie es vorliegende Erfindung fordert; vielmehr wird im Gegenteil jede Winkelstellung in drei Raumkoordinaten bezüglich einer Horizontalen gemessen.

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 Fi g. 1.

In der F i g. 1 ist mit 1 ein Ultraschall-Doppler-Appli-

■1° kator und mit 2 ein Dopplergerät für die Doppler-Strömungsanzeige bezeichnet Der Applikator 1 besteht aus einem Trägerteit 3 (Applikatorgehäuse) für einen Ultraschallschwinger 4 (piezoelektrisches Kristallplättchen). Das Trägerteil 3 weist einen inneren Hohlraum 5 auf. In diesem Hohlraum 5 befindet sie h 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 IO im Applikatorgehäuse 3 aus dem Innenraum 5 nach außen geführt ist. An einem weiteren Punkt ti 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, seit.. Im Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 ist der Applikator 1 mit dem

<>o Schwinger 4 über ein Koppelgel 16 an der Hautobcrfläche 17 eines Patienten, z. B. am Oberarm des Patienten, so angekoppelt, daß im Betriebszustand die Sende/ Empfangskeule 18 des Ultraschallschwingcrs 4 auf ein unter der Hautoberfläche verlaufendes Blutgefäß 19

''s ausgerichtet ist. Der Einstrahlwinkel des Ultraschalls in das Blutgefäß 19 ist hierbei mit λ bezeichnet. Der Winkel β bezeichnet den Winkel zwischen der Normalen bei Senkrechteiiislrahlung von Ultraschall in

das Blutgefäß 19 und der gezeichneten Schrägstellung des Applikators 1.

Im Ausführungsbeispiel nach der Fi 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 dei Dopplersignale sowie einem Niederfrequenzverstärkei 26 für die Dopplersignale. Die am Ausgang de: Niederfrequenzverstärkers 26 anfallenden Dopplersi gnale können mittels eines Lautsprechers 27 hörbai gemacht werden. Der Niederfrequenzverstärker 26 is ferner über einen weiteren Ausgang mit einei Verarbeitungsschaltung 28 verbunden, die beispielswei se entsprechend jener der DT-PS 17 91 191 aufgebau ist und die aus den empfangenen niederfrequenter Dopplersignalen einen gewichteten Mittelwert f dei Dopplerfrequenz ermittelt. Die Verbindungsleitunger 21 und 22 schalten hingegen den Dehnmeßstreifen 14 als veränderbaren Widerstand in eine aus weiterer Widerständen 29 bis 31 sowie einer Spannungsquelle 31 bestehende ohmsche Widerstandsmeßbrücke. Von der 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° — « ist, nach der Beziehung sin (90° -(X) = COSiX den Cosinus des Einstrahlwinkels erreicht, und den so errechneten cos-Wert auf ein Dividierglied 36 gibt, dem über einen zweiten Ein^ung das Ausgangssignal für die mittlere Frequenz / der Schaltung 28 zur Bildung eines Quot.enten

κ L-

COS Λ

zugeleitet wird. Dieser Quotient stellt jedoch mit k = c/2k wobei cdie Ultraschallaufgeschwindigkeit und f_u die Ultraschallsendefrequenz abgeben, den unmittelbaren Meßwert für die mittlere Blutflußgeschwindigkeit ~v in der Blutader 19 dar. Das Anzeigegerät 37 dient zur Anzeige des so ermittelten Geschwindigkeitswertes v.

Die Funktionsweise des Ausführungsbcispiels nach der F i g. 1 ergibt sich im Hinblick auf die Ermittlung des l-instrahlwinkels sowie die nachfolgende Winkelkorreknir am Dopplersignal wie folgt:

Zuerst wird durch Abtastung der Körperoberfläche iin drei oder vier hintereinanderliegenden Punkten bei entsprechender akustischer Hörbarmachung der Dopplersignale der ungefähre Verlauf des Blutgefäßes 19 unter der Hautoberfläche ermittelt. Die Verbindungslinie /wischen den Abtastpunkten wird mittels eines Kreidestriches auf der Haut 17 markiert. Anschließend wird der /ichdraht 9 in Richtung dieses Striches auf der Haut siriiff aufgelegt und z. B. mittels Heftpflaster fixiert. Nun beginnt die eigentliche Winkelmessung. Hierzu wird be 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 Blutge faß 19 gerichtet (gestrichelte Strahlstellung 18'). In die ser Stellung, d. h. im Doppleranzeigeminimum, win. dann über den Drehknopf 32 das Potentiometer verstell

ίο in der Weise, daß das Brückenausgangssignal Null wird (Brücke ist abgestimmt). Anschließend wird be weiterhin straff gehaltenem Drahtbügel 9 der Applika tor 1 beispielsweise in die dargestellte Kippstellung gebracht. Das Kippen des Applikators 1 bei gestrafftem

ι j 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

jo 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 Winke! β nun auf den eigentlichen Einstrahlwinkei α des Ultraschalles in das Blutgefäß 19 um, so ergibt sich die eingezeichnete Beziehung Ab=r · (90° — λ). 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 proportiona 90°-λ ist. Im Sinus/Cosinusbildner 35 ergibt sich hieraus durch sin (90°—a) = cos« der erwünschte Korrekturwert für den Einstrahlwinkel bei der Doppler signalanzeige.

Beim Ausführungsbeispiel nach der F i g. 1 erhält mar also eine Zugbelastung bzw. entsprechende Wider Standsänderung des Meßstreifens 14, die 90°— 0 unmittelbar proportional ist. Erst durch sin-Umrech nung im Glied 35 ergibt sich dann der erwünschte cos σ des Einstrahlwinkels. Dieser cos α läßt sich jedoch durch einfache Modifikation des Kipp/Drehumsetzer des Applikators nach der Fig. 1 auch unmittelbar ohne Zuschaltung eines Sinusgliedes ermitteln. Wie in Fig.: dargestellt, verläuft der Ziehfaden für die Zugfeder i': nebst Dehnmeßstreifen 14 bis zum Ankoppelpunkt nich entlang dem Radumfang wie beim Ausführungsbeispie

nach der Fig. 1, sondern entlang einer den Umfang de Rades schneidenden Verbindungsgeraden 40 (fü Kippstellung des Appiikators 1 bei Senkrechteinstrah lung in das Gefäß 19). Wird nun der Applikator in dii Kippstelking mit dem Einstrahlwinkei λ gebracht, s< entspricht die Wegänderung für den Ziehfaden um dumit für Zugfeder und Dehnungsmeßstreifen nich mehr dem Bogenelement Ab wie in Fig I, sondert einem Wegstück v=r.sin (90°-λ). Am Dehnung*

mellslirilVn 14 ι.τμ'ΐΗΐ sich (lemn.ii.-li rinc Widerstandsänderung. cliL¹ proportional dem im ί^ι·ιι' \). d.h. proportional /u cm ν ist. Heim Aiisfühningsbeispicl riiu-li der [ig..? erfolgt die cos \ Bildung nicht iiuf eleklronischein Wege im Doppleigeräl 2. sondern mechanisch inn Kipp/Drehiimsct/er des Applikutors. Beim Applikiitiir nach der Γ ι g. 2 ist ferner in weiterer Modifikation der Dnihlbiigel 9 .im Rad fi Ober eine

Kupplung 41 angekoppelt, die zum Aufsuchen des Minimums der Strönuingsan/eige, /.. B. durch Knopfdruck, gelöst werden kann. Dies erleichtert die Handhabung des Applikators beim Aufsuchen der Senkrechteinstrahllage und vermeidet Vorwinkel am Rad β, die aufgrund der sich hierbei ergebenden MeÜstreifenvorspannung an der Widerstandsmeßbrükke abgeglichen werden müssen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Geriii für Strömungsmessungen nach der Ultraschall-Doppler-Methode, bestehend aus Applikator mit LJItraschallschwinger nebst Trägerieil sowie einem daran anzuschließenden Dopplergerät für die Doppler-Strömungsanzeige und Mitteln zur Berücksichtigung des Ultraschall-Einsirahlwinkels in die Strömung, wobei dem Applikator ein mechanischer Winkelslellungsindikaior zugeordnet ist, der auf unterschiedliche Winkelstellungen des Applikators anspricht und der einen mechanisch/elektrischen Wandler zur Erzeugung von elektrischen Winkelsignalen entsprechend den erfaßten Winkelstellungen und einen Differenzbildner für die Winkelsignale umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelstellungsindikator (6, 9) ein Winkelsigna! bei Senkrechteinstrahlung in das strömen de Medium, was durch Aufsuchen des Minimums der Dopplerströmungsanzeigc erfolgen kann, erzeugt und anschließend in einer beliebigen Schrägstellung des Applikators das hierbei erhaltene Winkelsignal vom Winkelsignal aus der Senkrechtstellung subtrahiert wird.

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/Drehjmsetzer 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 Drehglied (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.