DE2823392C3 - Einrichtung zum Messen der Bewegungsrichtung und/oder der Geschwindigkeit von Ultraschallreflektoren - Google Patents

Description

Ultraschallsende- und -empfangsanordnung vorgesehen ist, deren Sende- und Empfangsrichtungen sich etwa an der MeQsteüe am Ultraschallreflektor schneiden, und zwar besteht dieses Gerät aus einem einzigen Ultraschallsender und einem einzigen Ultraschallemp- ·"> fänger. Hierbei verläuft die Empfangsrichtung unter einem spitzen Winkel zur Senderichtung, und die Geschwindigkeit des Ultraschallreflektors, zum Beispiel des strömenden Blutes, wird in bekannter Weise aus der Frequenz der ausgesandten Ultraschallschwingungen, in der gemessenen Dopplerfrequenz, der Schaliausbreitungsgeschwindigkeit und dem Einfallswinkel des Ultraschalls berechnet. Hierbei ergeben sich jedoch se'nr ungenaue Werte der Geschwindigkeit, weil vor allem der Einfallswinkel bei Messungen im mensch- ιί liehen cder tierischen Körper nicht genau bekannt ist und nur ganz grob abgeschätzt werden kann. Zudem verändert sich dieser Einfallswinkel durch unwillkürliche Bewegungen des Menschen oder Tieres, an dem die Messungen vorgenommen werden. Infolgedes- jo sen eignet sich ein solches Gerät praktisch nicht für quantitative Messungen der Geschwindigkeit der Grenzflächen, sondern nur zur Bestimmung der Qualität der Bewegung über der Zeit.

Auch eine Positionsbestimmung mit Winkelgebern, 2· wie sie in »Ultrasonic visualization of the arterial lumen«. Surgery 72 (1972), Seite 253, vorgeschlagen wird, erbringt demgegenüber keine wesentliche Verbesserung, da eine kontinuierliche Korrektur des Meßsignals nicht möglich ist, weil der Meßwinkel aus einer graphischen Darstellung ermittelt werden muß.

Auch das auf der Tagung »Ultraschall-Doppler-Diagnostik in der Angiologie« im Juni 1977 vorgeschlagene Verfahren ist mit einem prinzipbedingten Meßfehler von einem verhältnismäßig großen Grad behaftet. r>

Eine demgegenüber wesentlich verbesserte Meßgenauigkeit läßt sich mit einem Gerät für die Messung der Geschwindigkeit von in Leitungen strömenden Medien, z. B. von Blut in seinen Gefäßen, mittels Ultraschall nach der Doppler-Effekt-Methode erreichen, wie es in der DE-PS 17 98 104 beschrieben ist. Dieses Gerät arbeitet auch mit einem Abnehmer, welcher ein Ultraschall-Sende-Empfangs-System aufweist und mit einer Einrichtung zum Erfassen der Differenzfrequenz jeweils zwischen der Frequenz der ·τ> ausgesendeten und der Frequenz der empfangenen Ultraschallschwingungen versehen ist, wobei die relativ gute Meßgenauigkeit dadurch erzielt wird, daß das System einen ersten Sendeschwinger, der vorzugsweise auch als Empfänger für die von ihm ausgesandten und -,<> am strömenden Medium reflektierten Ultraschallschwingungen dient, und einen zweiten Sendeschwinger mit entsprechendem Empfänger enthält, die so angeordnet sind, daß die Senderichtungen der Schwinger einen Winkel von 90° bilden. Dadurch wird es nämlich τ, möglich, mittels des Doppler-Effekts die Geschwindigkeit unabhängig vom Einfallswinkel der UltraschaH-schwingungen zu ermitteln, da sich diese Geschwindigkeit lediglich aus den beiden Dopplerfrequenzen, die von den beiden Empfängern gemessen werden, der _h0 Frequenz der ausgesandten Ultraschallschwingung und der Schallausbreitungsgeschwindigkeit berechnen läßt. Dadurch wird die Anbringung der Meßsonde hinsichtlich des Meßwinkels völlig unkritisch, und auch eine Bewegung des Gefäßes während der Messung, die eine (,-> Veränderung des Einfallswinkels bewirkt, bleibt ohne Einfluß auf die Messung.

Dieses zuletzt erwähnte Gerät erlaubt aber, weil die Senderichtungen der beiden Ultraschallsender einen Winkel von 90° miteinander bilden müssen, Messungen nur in einem eingeschränkten Meßwinkelbereich, wobei durch den großen Winkel von 90° Schwierigkeiten bei der Einstellung beider Senderichtungen in einem Meßpunkt auftreten.

Da es oft schwierig ist, an die in den meisten Fällen nur sehr schwer zugänglichen Organe, Blutgefäße oder dergleichen heranzukommen, an denen Messungen im lebenden menschlichen oder tierischen Körper vorgenommen werden sollen, ist es in hohem Maße wünschenswert, und in vielen Fällen sogar Voraussetzung für eine erfolgreiche Messung, daß die Sende- und Empfangsrichtungen nur einen verhältnismäßig kleinen, spitzen Winkel miteinander bilden.

Ein solcher verhältnismäßig geringer Winkel wurde unter der Bezeichnung »Rechnergestützte Stereo-Doppler-Sonometrie zur Meßwinkelermittlung« auf dem Symposion »Ultraschall-Doppler Diagnostik in der Angiologie« im Juni 1977 vorgeschlagen. Ein Gerät, das auf dieser Stereo-Doppler-Sonometrie basiert ist in näheren Einzelheiten in der Arbeit »Mathematische und technologische Aspekte der Stereo-Dojtpier-Sonometrie« beschrieben, die auf dem Symposion »Herz-Kreislaufsystem« im Oktober 1977 vorgetragen wurde und in der Zeitschrift »Biomedizinische Technik«, 22 (1977), Seiten 307/308, abgedruckt worden ist. Auf dem zuletzt erwähnten Symposion wurde weiterhin über »Erste Erfahrungen mit der Stereo-Doppler-Sonometrie bei der in vivo Anwendung« berichtet.

Im einzelnen ist bei dem Gerät, das ir? der vorstehend genannten Zeitschrift »Biomedizinische Technik« beschrieben ist und nach der Stereo-Doppler-Sonometrie arbeitet, ein erster Ultraschallsender, der auch als Ultraschallempfänger betrieben werden kann, unter einem ersten Winkel cc und ein zweiter Ultraschallsender, der ebenfalls als Ultraschallempfänger betrieben werden kann, unter einem zweiten Winkel β zur Bewegungsrichtung vorgesehen, wobei der Winkel γ, den diese beiden Ultraschall-Sender-Empfanger i.titeinander einschließen und der gleich ß—a ist, ein beliebiger, möglichst spitzer Winkel sein kann, wobei natürlich ein kleiner Wert von γ aus den oben dargelegten Gründen zu bevorzugen ist. Ein solches Gerät arbeitet mit hoher Meßgenauigkeit und ermöglicht trotzdem Messungen an vielen Stellen, die für das Gerät nach der oben erwähnten DE-PS 17 98 104 praktisch unzugänglich sind.

Die Schwierigkeiten, die bei dem zuletzt genannten Gerät auftreten, ergeben sich daraus, daß bei diesem Gerät zur Vermeidung von Interferenzen ein Chopper-Betrieb der Ultraschallsender erforderlich ist, w enn man eine praktisch kontinuierliche Messung des Einfallswinkels « oder der Geschwindigkeit durchführen will, was ".< hohem Maße erwünscht ist, und zwar ergeben sich insbesondere folgende Schwierigkeiten:

(a) Um die Meßsonde optimal einstellen zu können, isi es wünschenswert, einen Kopfhörer zu verwenden, durch den man die beiden Dopplerfrequenzen, die sich ergeben, hören kann. Jedoch führt der Chopper-Betrieb wegen des schnellen Hin- und Herschaltens dazu, daß man im Kopfhörer nicht mehr die Dopplerfrequenzen, sondtrn praktisch nur noch die Schaltfrequenz des Choppers hört.

(b) Auch bei der Signalaufbereitung kommt es zu Schwierigkeiten, weil die hinter dem Freauenz-Soannunes-Wandler erforderlichen Filter in

der üblichen und einfachen Form nicht anwendbar sind, da die Filierzeitkonstanien größer sind, als es den erforderlichen Chopperfrequen/.en entspricht. Diese Grenzfrequenzen können bei den erwähnten Filtern höchstens Werte in der Größenordnung von 17 Hz erreichen und sind aber im allgemeinen geringer. Es ist jedoch nicht möglich, die Chopperfrequenz auf derart geringe Werte herabzusetzen, vielmehr muß diese bei Messungen am lebenden menschlichen Körper mindestens 100 Hz und bei entsprechenden Tierunlersuchungen bei noch höheren Werten von bis zu etwa 300 M/. liegen, was jeweils von der Pulsfrequenz abhängt,
(c) Der Chopper Betrieb führt zu Synchronisationsschwierigkeiten /wischen dem Betrieb der eigentlichen Meßeinrichtung und des daran angeschlossenen Rechners und hat zur Folge, daß eine solche Synchronisation entweder aufwendig oder zum Teil überhaupt nicht möglich ist. /.um Beispiel läßt sich bei rein analoger Verarbeitung der rvießwene eine Synchronisation gar nicht oder nur unter allergrößten Schwierigkeiten und Aufwendungen erzielen.

•Vifgabc der Krfindung ist es. eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der die vorstehend erwähnten Schwierigkeiten, die sich aus dem Chopper-Bctncb ergeben, ausgeschaltet werden und die trotzdem genaue, kontinuierliche Messungen auch an verhältnismäßig schwer zugänglichen Stellen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst. daß die Meßeinrichtung eine mit dem einen Ultraschallempfängcr und dem kontinuierlich sendenden Ultraschallsender verbundene erste Ultraschalldopplcrfrequenz-Meßcinrichtung sowie eine mit dem anderen l.'ltraschallempfänger und dem Ultraschallsender verbundene /weite Ultraschalldopplerfrequenz-Meßcinnchtung sowie eine beiden Ultraschalldopplerfrequcnz Meßeinrichtungen nachgeschaltetc. den Quotienten aus den beiden Dopplerfrequenzen bildende DiMsionsstufe aufweist.

W u.iirHf nämhrh erfunden, dad. wenn man nur einen ein/igen IJItraschailsendcr benutzt, wodurch die Vermeidung eines Chopper Betriebs ermöglicht wird. die Sendenchtung dieses Ultraschallsenders für die Ermittlung des zu messenden Winkels unerheblich ist und infolgedessen in das Meßergebnis nicht eingeht.

leder Wet eines Quotienten der beiden Dopplerfrequenzen, den man am Ausgang der Divisionsstufe erhält. entspricht einem ganz bestimmten Winkel zwischen der Bewegungsrichtung des Ultraschallreflektors, an dem die Messung vorgenommen wird, und der Empfangsrichtung von einem der Ultraschallempfänger. Diesem Winkel, der nachstehend auch als Meßwinkel bezeichnet wird, entspricht bei einer bestimmten Ultraschalldopplerfrequenz, die an dem einen der beiden Ultraschallempfänger auftritt, eine bestimmte Geschwindigkeit des Ultraschallreflektors.

Zur Ermittlung des Meßwinkels aus dem am Ausgang der Divisionsstufe erhaltenen Quotienten kann an die Divisionsstufe ein Abrufspeicher zur Ausgabe eines den Winkel zwischen der Bewegungsrichtung und der Empfangsrichtung von einem der Ultraschallempfänger repräsentierenden Signals angekoppelt sein. Da jedem Quotienten ein ganz bestimmter Wert des Meßwinkels zugeordnet ist. sofern der Winkel zwischen den beiden Empfangsrichtungen und die Schallausbreitungsgeschwindigkeit unverändert bleiben, kann man in dem Abrufspeicher ein Quasikontinuum von möglichen Quotientenwerten und diesen zugeordneten Mcßwinkelwerten speichern, so daß beim Eingeben eines bestimmten Quolicntcnwerts aus dem Speicher der diesem jeweils entsprechende Meßwinkelwert abgerufen wird.

In ähnlicher Weise ist es, wenn man die Geschwindigkeit des Ultraschallreflektors, zum Beispiel des Blutes oder einer sonstigen Grenzfläche, erhalten will, möglich, die Einrichtung nach der Erfindung so auszubilden, daß an die Dtvisionsstufe ein Abrufspeicher zur Ausgabe eines den Quotienten aus einem Korrekturfaktor und dem Cosinus des Winkels zwischen der Bewegungsrichtung des Ultraschallreflektors und der Empfangsrichtung von einem der Ultraschallempfänger repräsentierenden Signals angekoppelt ist; und daß der Ausgang des Abrufspeichers an einen elektronischen Rechner angeschaltet ist. an den auch der Ausgang einer der ueiuLMi Ulli (iviiuiMuuppic-rircqucn/-Meßeinrichtungen angekoppelt ist. Auf diese Weise kann man. ausgehend von dem zuletzt genannten Quotienten und der einen Ultraschalldopplerfrequenz, mittels des Rechners am Ausgang desselben ein Signal erhalten, das der Geschwindigkeit des Ultraschallreflektor s. /um Beispiel des Blutes, proportional ist.

Damit dieses Signal außerdem noch eine Information über die Richtung der Geschwindigkeit enthält, kann man so .'orgehen. daß eine Phasenmeßeinrichtung an die Ultraschalldopplerfrequenz-Meßeinrichiungen an jeweils einer solchen Stelle angekoppelt ist. an der das Meßsignal noch als Frcquenzsignal vorliegt, also noch nicht gleichgerichtet ist. wobti der Ausgang der Phasenmeßeinrichtung an eine Vorzeichenstcueranordnung zum Steuern des Ausgangssignals des elektronischen Rechners angeschlossen ist.

Bevorzugt verläuft die Senderichtung des Ultraschallsenders, die vorzugsweise in der gleichen Ebene wie die Empfangsrichtung liegt, zwischen den Empfangsrichtungen der beiden Ultraschallempfänger, welche bevor zugt einen spitzen Winkel miteinander einschließen.

Obwohl die .Senderichtung oder, genauer gesagt, die beiden Winkel, unter denen die Senderichtung zu der jeweiligen Empfangsrichtungen verläuft, unerheblich ist ist es aus Raumgründen zu bevorzugen, den Ultraschall sender etwa in der Mitte zwischen den beider Ultraschallempfängern anzuordnen, so daß also die Senderichtung des Ultraschallsenders gleich det Winkelhalbierenden des Winkels ist, unter dem die Empfangsrichtungen der beiden Ultraschallempfängei zueinander verlaufen.

Die Erfindung, insbesondere das ihr zugrundeiegen de Prinzip, wird nachstehend an Hand eines besonder· bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahm« auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert: es zeigt

F i g. 1 eine erste Ausführungsform einer Meßeinrich tung nach der Erfindung, und

F i g. 2 und 3 eine zweite Ausführungsform einei Meßeinrichtung nach der Erfindung in näherei Einzelheiten, und zwar ist der Teil der Einrichtung, de in F i g. 2 dargestellt ist mit dem in F i g. 3 gezeigten Tei an den Stellen verbunden, die jeweils mit den gleichet römischen Ziffern versehen sind.

Das Prinzip der Erfindung sei zunächst an Hand der ii den F i g. 1 und 2 veranschaulichten, prinzipielle! Anordnung des verwendeten Ultraschallsenders 1 um der beiden, ihm zugeordneten Ultraschaüernpfänger 2,; erläutert.

Nimmt man, damit das eigentliche Prinzip der Erfindung, das weiter unten dargelegt ist, besser versländlich wird, zunächst an, daß in Übereinstimmung mit der bisher bekannten Stereo-Doppler-Sonometrie der Ultraschallsender 1 nicht vorhanden sei und stattdessen einmal der Ultraschallempfänger 3 ils Ultrasdiallsender mit der Ultraschallfrequenz /'betrieben wird und sich am Ultraschallempfänger 2, der nachstehend auch als Meßsonde bezeichnet wird, die Doppierfrequenz AfMergibt, wenn sich der Meßpunkt 4 mit der Geschwindigkeit ν längs der gestrichelten Linie und in Richtung des Pfeils 5 bewegt, während sich im umgekehrten Fall, wenn also der Ultraschallempfänger 2 als Ultraschallsender betrieben wird, am Ultraschallempfänger 3, der nachstehend auch als Referenzsondc bezeichnet ist, die Dopplerfrequenz AfR ergibt, dann besteht zwischen der Geschwindigkeit ν und der jeweiligen Dopplerfrequenz folgende Beziehung:

1/.	W	C	I/	R	C
CHS	\	2/ " "'	cos	I'	' 2/

worin « der Winkel zwischen der Sende- bzw. Empfangsrichtung 6 der Meßsonde und der Richtung der Geschwindigkeit ν ist, während β der Winkel zwischen der Sende- bzw. Empfangsrichtung 7 der Referenzsonde und der Richtung der Geschwindigkeit ν ist, und worin weiter cdie Schallausbreitungsgeschwindigkeit und /"die Frequenz des vom jeweiligen Sender ausgestrahlten Ultraschalls bedeuten.

Aus den beiden unter (1) angegebenen Gleichungen erhält man die nachstehende Gleichung

Ι/Λ/
l/K

CHS \

ens ,;

und wenn man weiterhin den Zwischen winkel }·, d. h. den Winkel, welchen die beiden Sende- bzw. Empfangsrichtungen 6, 7 miteinander einschließen, einführt, der. wie sich ohne weiteres aus der Zeichnung entnehmen läßt, gleich ß—tx ist, dann erhält man λ aus der folgenden Beziehung

arc lg

cos -· -

sin

ι/ R XfM

131

Dieses Meßprinzip, welches dasjenige der üblichen Stereo-Doppler-Sonometrie ist, setzt bei kontinuierlicher Messung aber einen Chopper-Betrieb voraus, wenn man unerwünschte Interferenzen vermeiden will. Geht man infolgedessen gemäß dem Vorschlag der Erfindung so vor, daß die Meß- und Referenzsonde jeweils ausschließlich als Ultraschallempfänger 2 bzw. 3 betrieben werden, und daß beispielsweise zwischen ihnen ein Ultraschallsender 1 vorgesehen ist, dessen Senderichtung 8 mit der Richtung der Geschwindigkeit ν den Winkel Φ einschließt, dann ergeben sich für die Geschwindigkeit folgende Beziehungen:

C =

cos Φ

..JL..

cos Φ

f'M \	C
COS Λ /	' If
fJL\	C
cos rl J	If

(4)

(5)

fänger 2. also an der Meßsonde, und CR die Fimpfangsfrequenz am Ultraschallempfänger 3. also an der Referenzsonde, bedeuten. Aus diesen beiden Gleichungen erhält man die Beziehung:

IR I Λ/

cos,.

COS \

Da unter den hier zugrunde liegenden Bedingungen die jeweilige Empfangsfrequenz C der jeweiligen Dopplerfrequenz ^/proportional ist, also die Beziehungen

/W- I/.W: IR

\IR

in denen CM die Empfangsfrequenz am Ultraschallempgelten. kann man den Meßwinkel « aus der obigen Gleichung (3) berechnen, worin jetzt AfM und AfR die an der Meß- bzw. der Referenzsonde auftretenden Dopplerfrequenzen sind, wenn die ursprüngliche Frequenz /"von dem Ultraschallsender 1 ausgestrahlt wird.

wie sich aus dieser obigen Ableitung ergibt, ist also die Größe des Winkels Φ für die Ermittlung des Meßwinkels λ unerheblich, so daß die Position des Ultraschallsenders 1 frei gewählt werden kann; und als diese Position wird zweckmäßigerweise eine symmetrisclie Position zu den beiden UltraschaHempfängern 2 gewählt, um gleiche Empfangsintensitäten sicherzustellen und Parallaxenprobleme bei der Messung möglichst gering zu halten. Die beiden Dopplerfrequenzen AfM und AfR werden in üblicher, bekannter Weise in Spannungssignale umgeformt, die den Dopplerfrequenzen proportional sind, und diese Spannungssignale stehen zur weiteren Signalverarbeitung zur Verfügung. Gleichlaufdifferenzen der beiden Empfangskanäle sowie geräteinterne Änderungen des Verstärkungsfaktors werden durch ein Eichsignal von z.B. 1000 Hz eliminiert.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist im einzelnen folgendermaßen aufgebaut.

Der Ultraschallsender 1 ist an einen Ultraschallgenerator 10 angekoppelt, der ferner an eine erste und zweite Dopplerfrequenz-Meßeinrichtung 9, 9a angekoppelt ist, von denen die erstere an den UltraschallemnfäniTpr 5 und riic vwpitp an Hen I lltrasrhallpmnfänger 3 angeschlossen ist. Die beiden Dopplerfrequenz-Meßeinrichtungen 9, 9a können z. B. je einen Demodulator 11, 12 und einen Frequenz-Spannungswandler 13, 14 aufweisen (siehe Fig. 2). Der Ausgang jedes der beiden Frequenz-Spannungswandlers 13 bzw. 14 ist bei der Ausführungsform nach F i g. 1 jeweils an einen Analog-Digitalwandler 15. 16 angeschlossen, der die jeweils gewonnenen Analogwerte in Digitalwerte umwandelt, die dann in einen Prozeßrechner 17 eingegeben werden, dessen Ausgang mit einer Anzeigeund/öder Registriereinrichtung 18 zur Anzeige und/oder zum Registrieren der Dopplerfrequenzen, des Meßwinkels und der Geschwindigkeit sowie gegebenenfalls anderer, interessierender Größen, die aus den eigentlichen Meßwerten abgeleitet werden können, verbunden ist

Es sei noch erwähnt, daß in den Zeichnungen mit sein der Geschwindigkeit ν proportionaler Wert bezeichnet isL

Bei den beiden Ausführungsformen nach den F i g. 1 und 2 sind die Ausgänge der beiden Demodulatoren 11, 12, an denen die jeweilige Dopplerfrequenz noch als Frequenzsignal verfügbar ist, an eine Höreinrichtung 19, z. B. einen Kopfhörer, angeschlossen, so daß der

Benutzer der Einrichtung die Dopplerfrequenzen direkt hört und damit die Gesamtmeßsonde, welche den Ultraschallsender 1 und die beiden Ultraschallempfänger 2,3 enthält, optimal einstellen kann. Zusätzlich dazu ist in der Ausführungsform nach F i g. 2 noch ein Zwei-Kanal-Oszilloskop 20, ebenfalls zur optimalen Einstellung der Meßsonden, an die Ausgänge der Frequenz-Spannungswandler 13,14 angeschlossen.

Das am Ausgang des Frequenz-Spannungswandlers 13 erhaltene Signal, das auch als Meßsignal bezeichnet wird, und das am Ausgang des Freq enz-Spannungv wandlers 14 erscheinende Signal, das auch als Referenzsignal bezeichnet wird, können auf einen Analog-Zwischenspeicher 21 gegeben und bei Bedarf diesem Speicher wieder entnommen werden.

Die Ausfühmngsform nach den Fig. 2 und 3 ist gegenüber derjenigen nach F i g. 1 insofern etwas vereinfacht, als die eigentlichen Rechnerschaltungen auf ein Minimum herabgesetzt sind, und zwar auf eine DivisioMssiuie 2i, die an die Ausgänge der Frequen/.-Spannungswandler 13, 14 angeschlossen ist und in der der Quotient aus den beiden Dopplerfrequenzen gebildet wird; und auf einen verhältnismäßig einfachen elektronischen Rechner 22, der zwei Eingänge aufweist, von denen der eine an den Ausgang des Frequenz-Spannungswandlers 13 und der andere über einen Digilal-Analogwandler 23 an einen Digitalspeicher 24 angekoppelt ist, aus dem er über den Digital-Analogwandler 23 ein dem Kehrwert des cos λ proportionales Signal erhält. Am Ausgang 25 des Rechners 22 steht ein der Geschwindigkeit ν proportionales Signal zur Verfugung, das über eine Vorzeichensteuerungseinrichtung 26, die auch als »Strömungsrichtungsschalter« bezeichnet werden könnte, in seinem Vorzeichen so eingestellt wird, wie es der Richtung der Geschwindigkeit ν (entweder in Richtung des Pfeils 5 oder entgegengesetzt zur Richtung des Pfeils 5) entspricht, so daß man schließlich am Ausgang 27 ein Signal S in Abhängigkeit von der Zeit erhält, welches nicht nur der Geschwindigkeit ν proportional ist, sondern durch sein Vorzeichen auch noch die Richtung dieser Geschwindigkeit anzeigt.

Das in der Divisionsstufe 21 gewonnene Signal wird

über dpn Analog-DigitaLvanHIpr ?R nicht nur in rlpn Digitalspeicher 24 gegeben, sondern auch in einen weiteren Digitalspeicher 29, der an seinem Ausgang 30 den Wert des Meßwinkels α liefert, und in einen Digitalspeicher 31, der an seinem Ausgang 32 den Wert des cos λ liefert.

Damit die beiden zuletzt erwähnten Werte am Ausgang 33 bzw. 34 als Analogsignale entnommen werden können, ist jeweils zwischen die beiden Ausgänge 30,33 bzw. 32, 34 ein Digital-Analogwandler 35 bzw. 36 geschaltet.

Am Ausgang 37, der direkt mit dem Ausgang des Demodulators 1* verbjnden ist, s'eht schließlich die Dopplerfrequenz A(M als Frequenzsignal zur Verfugung.

> Die Digitalspeicher 24, 29 und 31 sind sog. ROM-Einheiten, die alle als Adresse den Quotienten aus den beiden Dopplerfrequenzen erhalten, während sie als Daten an ihren Ausgängen jeweils die bereits erwähnten Werte, wie sie im übrigen auch in den

in Kästchen der Fig. 3 angegeben sind, abgeben, die in ihnen vorher gespeichert wurden.

Abschließend sei noch erwähnt, daß der Stcucrungseingang der Vorzeichensteueranordnung 26 mit dem Ausgang einer Phasenmeßeinrichtung 38 verbunden ist,

ι , deren beide Eingänge an die Ausgänge der Demodulatoren 11,12 angeschlossen sind.

Wie man sieht, sind verschiedenste Lösungen möglich, indem die zur Verfugung stehenden Signale entweder nach Zwischenspeicherung oder direkt nach

.mi drei verschiedenen Arten weiierverarueiiei weiden können.

(a) Digitale Weiterverarbeitung: nach Analog-Digitalwandlung können Meß- und Referenzsignal paral-

_<-, IeI entsprechend der Gleichung (3) errechnet werden, und der somit ermittelte Meßwinkel kann in die Gleichung (4) eingesetzt und damit ν errechnet werden

(b) Es ist auch eine rein analoge Verarbeitung möglich. in (c) Hybride Lösung.· zunächst kann die Division in

einem Analogbaustein durchgeführt werden, und dann erfolgt die Analog-Digitalwandlung des so ermittelten Wertes, der als Adresse in einem ROM dient. Zu jeder Adresse gehört ein Datum, das r> mathematisch der Formel

2/ · cos %

entspricht; dieser Wert kann über einen Digital-Analogwandler umgewandelt und mit dem Meßsignal multipliziert werden, so daß auf e'ese Weise das Meßsignal entsprechend dem jeweiligen Meßwinkel λ durch die Multiplikation korrigiert wird. Darüber hinaus kann man über eine Zusatzschaltung den durch die erste Division ermittelten Wert zur Anzeige des aktuellen Meßwinkels χ ausnutzen. Die Anzeige der ermittelten Werte kann entweder über eine Wiedergabeeinrichtung oder direkt über einen Schreiber erfolgen, so daß man im letzteren Falle die zeitlichen Änderungen beobachten kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Messen der Bewegungsrichtung und/oder der Geschwindigkeit von Ultraschall- ι reflektoren, insbesondere von strömendem Blut in seinen Gefäßen sowie von Blutgefäßwandbewegungen, wie z. B. Herzwand- und Herzklappenbewegungen, mit einer Ultraschallsende- und -empfangsanordnung, die einen einzigen Ultraschallsender und ι u zwei Ultraschallempfänger umfaßt, wobei sich die Empfangsrichtungen etwa an der Meßstelle am Ultraschallreflektor schneiden und die beiden Ultraschallempfänger wie auch der Ultraschallsender mit einer Meßeinrichtung verbunden sind, π dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung eine mit dem einen Ultraschallempfänger (2) und dem kontinuierlich sendenden Ultraschallsender (1) verbundene erste Ultraschalldopplerfrequenz-Meßeinrichtung [9aJ sowie eine mit dem 2» anderen Ultraschallempfänger (3) und dem Ultraschallsender (1) verbundene zweite UltraschalldoppIerfrequenz-Meßeinrichtung (9) sowie eine beiden Ultraschalldopplerfrequenz-Meßeinrichtungen (9a, 9) nachgeschaltete, den Quotienten aus r. den beiden Dopplerfrequenzen bildende Divisionsstufe (21) aufweist

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Senderichtung (8) des Ultraschallsenders (1), die vorzugsweise in der gleichen Ebene so wie die Empfangsrichtungen (6, 7) liegt, zwischen den Empfangsrichtungen (6, 7) der beiden Ultraschallempfä.-.ger (2, 3), welche bevorzugt einen spitzen Winkel (γ) miteinander einschließen, verläuft.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch π gekennzeichnet, daß die Ser-isrichtung (8) des Ultraschallsenders (1) gleich der Winkelhalbierenden des Winkels (γ) ist, unter dem die Empfangsrichtungen (6, 7) der beiden Ultraschallempfänger (2,3) zueinander verlaufen. 4»

4. Einrichtung nach Anspruch I₁2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß an die Divisionsstufe (21) ein Abrufspeicher (29) zur Ausgabe eines den Winkel («) zwischen der Bewegungsrichtung (S) und dci Empfangsrichtung (6) von einem der Ultraschall- ·»-» empfänger (2) repräsentierenden Signals angekoppelt ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß an die Divisionsstufe (21) ein Abrufspeicher (24) zur Ausgabe eines den Quoti- vi enten aus eitlem Korrekturfaktor und dem Cosinus des Winkels (α) zwischen der Bewegungsrichtung (5) und der Empfangsrichtung (6) von einem der Ultraschallempfänger (2) repräsentierenden Signals angekoppelt ist; und daß der Ausgang des ->> Abrufspeichers (24) an einen elektronischen Rechner (22) angekoppelt ist, an den auch der Ausgang einer der beiden Ultraschalldopplerfrequenz-Meßeinrichtungen(ll, <3) angekoppelt ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn- mi zeichnet, daß die Demodulatoren (11, 12) der Ultraschalldopplerfrequenz-MelileinriGhtungen an eine Phasenmeßeinrichtung (38) angekoppelt sind, deren Ausgang an eine Vorzexhensteuerungseinrichtung (26) des elektronischen Rechners (22) μ angeschlossen ist.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen der Bewegungsrichtung und/oder der Geschwindigkeit von Ultraschallreflektoren, insbesondere von strömendem Blut in seinen Gefäßen sowie von Blutgefäßwandbewegungen, wie zum Beispiel Herzwand- und Herzklappenbewegungen; mit einer Ultraschallsende- und -empfangsanordnung, die einen einzigen Ultraschallsender und zwei Ultraschallempfänger umfaßt, wobei sich die Empfangsrichtungen etwa an der Meßstelle, am Ultraschallreflektor schneiden und die beider Ultraschallempfänger wie auch der Ultraschallsender mit einer Meßeinrichtung verbunden sind.

Eine Einrichtung, die in der vorgenannten Art aufgebaut ist, ist aus der deutschen Auslegeschrift 15 16 609 bekannt, und zwar arbeitet diese Sonaranlage nach dem Meßprinzip einer Ortsbestimmung eines Ultraschallreflektors durch Messung der Laufzeit und der Empfangsrichtung von Ultraschallimpulsen. Bei Anwendung dieses bekannten Meßprinzips werden sämtliche Ultraschallreflektoren erfaßt, die sich innerhalb des von der Anlage erfaßten, räumlichen Bereichs befinden, gleichgültig, ob es sich um ruhende oder in Bewegung befindliche Ultraschallreflektoren handelt. Dieses Meßprinzip ist aber nicht allgemein anwendbar, da es einen freien Raum oder ein im wesentlichen homogenes Medium erfordert, in dem sich nur einzelne Ultraschallreflektoren befinden. Sind hingegen noch viele andere Ultraschallreflektoren in dem durch die Meßeinrichtung erfaßten Bereich vorhanden, die an sich uninteressant sind, wie das zum Beispiel beim Messen der Bewegungsrichtung und/oder der Geschwindigkeit von strömendem Blut in seinen Gefäßen sowie von Blutgefäßwandbewegungen, wie zum Beispiel Herzwand- und Herzklappenbewegungen, der Fall ist, dann ist es wegen der Vielzahl von störenden, zusätzlichen Ultraschallreflektoren praktisch unmöglich, mit einer Sonaranlage der deutschen Auslegeschrift 15 16 609 die sich bewegenden Ultraschallreflektoren von der Vielzahl der ortsfesten Ultraschallreflektoren zu unterscheiden, so daß es nicht möglich ist, mit dieser Sonaranlage Messungen der vorgenannten Art durchzuführen.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 18 06 437 ist ein Ultraschalldurchflußmeßgerät zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums bekannt, das zwei Ultraschallsender und zwei Ultraschallempfänger aufweist, die zwei Umlaufsignalschleifen bilden, <n denen Impulsfolgen umlaufen, deren Differenz der Impulsfolgefrequenzen ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist, da die in diesen Umlaufsignalschleifen erzeugten Ultrascha'limpulse unter verschiedenen Richtungen durch das strömende Medium hindurchgeschickt werden. Dieses Gerät ermöglicht es auch, mittels einer Differenzierschaltung die Strömungsrichtung zu bestimmen. Da dieses Gerät nur Messungen an dem strömenden Medium selbst gestattet, ist es damit nicht möglich, die Bewegung von Grenzflächen, also Blutgefäßwandbewegungen, zu messen.

Auf Grund dieser Verhältnisse sind in der Medizin zum Nachweis der Bewegung von Grenzflächen, wie zum Beispiel der Herzwand, der Membran der roten Blutkörperchen etc., Ultraschalldopplerfrequenz-Meßgeräte Üblich, und die für diesen Zweck verwendeten, bekannten Geräte arbeiten, obwohl sie alle auf dem Dopplereffekt basieren, nach unterschiedlichen Meßprinzipien.

Eines der einfachsten Ultraschall-Doppler-Meßgeräte ist zum Beispiel in der Zeitschrift »Control« vom Januar 1966, Seite 13 beschrieben, bei dem eine