DE3132988C1 - Verfahren zur Messung von Strömungsparametern, die mittels Ultraschall-Puls-Doppler-Verfahren gewonnen werden, sowie Gerät zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

• Bei den Geräten des Standes der Technik spricht man deswegen vom sog. »Blinden Fleck« bei dem keine eindeutigen Meßverhältnisse vorliegen.
• Prinzipiell wären Möglichkeiten denkbar, mit denen verhindert werden könnte, daß der »Blinde Fleck« im interessierenden Meßwerteinzugsgebiet liegt. Speziell für die Geschwindigkeitsmessung könnte zu diesem Zweck die Pulswiderholfrequenz verändert werden.
• Wenn man diese Frequenz zu höheren Werten umschaltet, rückt der »Blinde Fleck« näher an die Wandleroberfläche heran und gibt dadurch den gewünschten Tiefenbereich frei. Das heißt, daß für einen solchen Fall Geräte mit variabler Pulswiderholfrequenz konstruiert werden müßten. Dadurch ergibt sich allerdings ein erhöhter elektronischer Aufwand. Die Anforderungen an die Filter steigen, weil nicht nur Polstärken mit hoher Dämpfung für die Pulswiderholfrequenz und deren Oberwellen realisiert werden müssen, sondern auch eine höhere frequenzunabhängige Sperrdämpfung.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren sowie entsprechende Geräte anzugeben, bei denen mit einfachen Mitteln die störenden Einflüsse des »Blinden Flecks« umgangen werden können.
• Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ultraschall-Laufstrecke veränderbar und der jeweils vorliegenden räumlichen Lage des Doppler-Signal-Einzugsgebietes anpaßbar ist Puls-Doppler-Geräte, die nach diesem Verfahren arbeiten, können prinzipiell mechanisch oder elektronisch gesteuert werden. Im ersten Fall ist der Sende-Empfangs-Wandler im Applikator axial verschiebbar ausgebildet, während im zweiten Fall eine Vielzahl von Sende-Empfangs-Wandlern in axialer Richtung innerhalb des Applikators angeordnet sind, die von einer Steuereinrichtung unabhängig voneinander aktivierbar sind.
• Erfindungsgemäße Geräte sind vergleichsweise leicht aufzubauen, so daß sich der Gesamtaufwand in Grenzen hält.
• Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den weiteren Unteransprüchen.
• Es zeigt F i g. 1 ein erläuterndes Impulsdiagramm, F i g. 2 ein erstes mechanisch gesteuertes Ultraschall-Puls-Doppler-Gerät und Fig 3 und 4 entsprechende elektronisch gesteuerte Geräte.
• In Fig. 1 ist in der ersten Zeile das Signal zum Testen des Senders eines üblichen Ultraschall-Doppler-Gerätes dargestellt. Die Schaltfrequenz beträgt f, wobei die Schaltsignale a, b... die Breite Haben. Dabei gilt als Nebenbedingung Wird die Schallgeschwindigkeit C im zu messenden Medium als bekannt vorausgesetzt, so läßt sich aufgrund des Zeitabstandes tE des Empfangssignals a' vom Sendesignal a die Tiefe z des Signaleinzugsgebietes entsprechend bestimmen. Dies ist in der zweiten Zeile dargestellt Eine Doppeldeutigkeit ergibt sich, wenn Echos auf einen Sendeimpuls in der Zeit zwischen zwei weiteren Sendeimpulsen ankommen können Als Grenzfrequenz für die Pulswiederholfrequenz gilt daher: Ein sogenannter »Blinder Fleck« liegt nun in dem Bereich vor, in dem sich Sende- und Empfangssignale überlappen, da beim Sendevorgang vom Wandler praktisch keine Echosignale empfangen werden. Wenn man davon ausgeht, daß die Schallgeschwindigkeit c einerseits sowie die Pulswiederholfrequenz fp andererseits vorgegeben sind, kann es vorkommen, daß bei variierender Tiefe z des interessierenden Signaleinzugsgebietes, beispielsweise bei schräg verlaufendem Blutgefäß, im Bereich des sog. »Blinden Flecks« gemessen werden muß. Dies kann mit den erfindungsgemäßen Geräten nach F i g. 2 bis 4 erfolgen.
• In den Fig. 2 bis 4 bedeuten 1, III und V jeweils den Applikator sowie II, IV und VI das zugehörige Steuerteil.
• In der F i g. 2 ist mit 1 ein Hohlzylinder als Applikatorgehäuse bezeichnet. Frontseitig ist der Hohlzylinder mit einer Folie 2 als akustisches Fenster abgeschlossen. Im Hohlzylinder 1 ist ein Kolben 5 verschiebbar angeordnet, der an seiner Stirnfläche einen runden Wandler 6 von konventionellen Aufbau trägt Der Kolben 5 ist mit Dichtringen 7 und einer Feder 8 in den Zylinder 1 eingepaßt, wobei die Feder 8 den Kolben 5 in den Zylinder 1 hineindrückt Im Hohlzylinder 1 wird zwischen Fenster 2 und Stirnfläche des Wandlers 6 ein längenveränderbarer Hohlraum 9 gebildet, der eine Wasserfüllung enthält.
• Am Hohlzylinder 1 ist ein rohrförmiger Ansatz 3 angebracht, von dem ein Schlauch 4 zu dem Steuerteil II führt. Das Steuerteil II besteht wiederum aus einem Hohlzylinder 11 mit frontalem Ansatzteil 12 für den Schlauch 4. Im Hohlzylinder 11 ist ein Kolben 15 eingepaßt, der mittels eines Stellgetriebes 16 verschiebbar ist, so daß ein weiterer veränderbarer Hohlraum 19 gebildet ist Zur Verstellung kann beispielsweise ein Drehrad 17 dienen.
• Der Hohlraum 19 im Hohlzylinder 11 enthält ebenfalls eine Wasserfüllung. Über den Schlauch 4 stehen die Kolbenzylindersysteme des Applikators 1 und des Steuerteils II miteinander in Fluid-Verbindung.
• Durch Verschiebung des Kolbens 15 im Steuerteil II läßt sich das Wasservolumen im Applikatorteil verändern und damit eine axiale Verschiebung des Wandlers 6 gegenüber dem akustischen Fenster 2 erreichen. Wenn der Applikator 1 über ein Koppelmittel extern an einer Körperoberfläche angekoppelt ist, so ergibt sich dann die geforderte Verschiebung der Laufstrecke zum einen Betrag +Azgegenüberder auszumessenden Strömung im Körper.
• Durch die Feder 8 im Applikatorteil wird ein Wechsel zwischen Druck und Sog vermieden, so daß die Folie 2 des akustischen Fensters immer konkav nach außen gewölbt bleibt. Dadurch kann bei unelastischer Folie 2 das Rad 17 bzw. das Stellgetriebe 16 des Steuerteiles in Tiefeneinheiten geeicht werden.
• Aufgrund der Anbringung der Stellelemente am Bedienungsteil des Gerätes werden Erschütterungen durch die Bedienung und dadurch eventuell entstehende Störgeräusche auf ein Minimum gesenkt In der Fig. 3 sind an einem Dämpfungskörper 20 eine Vielzahl von plättchenförmigen Einzelwandlern hintereinander angeordnet, von denen die Wandler 21 bis 25 angedeutet sind. Jedes der Wandlerplättchen 21 bis 25 ist mit Kontakten 31 bis 35 über Zuleitungen 41 bis 45 an ein Steuergerät IV angeschlossen. Die Zuleitungen bilden außerhalb des Applikators ein gemeinsames Kabel 49. An der Steuereinheit IV sind entsprechende Schalter 51 bis 55 angedeutet, mit denen jeweils eines der Wandlerelemente 21 bis 25 aktiviert werden kann.
• Durch Anwahl der aktiven Plättchen im Applikator kann also der Abstand zum Signaleinzugsgebiet 9+dz in Sprüngen entsprechend der Plättchendicke eingestellt werden. Die Umschaltung in der Steuereinheit IV oder VI kann dabei durch vorgegebene Programmfunktionen erfolgen.
• In der Fig.4 ist ein der Fig.3 entsprechender Applikator derart aufgebaut, daß auf einem Dämpfungskörper 60 einzelne Wandlerplättchen 61 bis 63 unter Zwischenlage von schalleitenden Plättchen 64 und 65 angeordnet sind. Die schalleitenden Scheiben haben eine geringe Schalldämpfung und einen akustischen Wellenwiderstand in der Größenordnung der Piezo-Keramik der Wandler. Dabei bedeuten 71 bis 76 wiederum die elektrischen Kontakte an den Wandlerelementen 61 bis 63 sowie 81 bis 86 Zuleitungen und 91 bis 93 Schalter an einer Steuereinheit VI. Mit 89 ist das gemeinsame Kabel bezeichnet.
• Die Steuereinheiten IV und VI bei den Geräten nach F i g. 3 und 4 sind über die Andeutung der Schalter nicht weiter ausgeführt. Sie können beispielsweise in Form eines Drehschalters realisiert sein, mit dem das Einzugsgebiet bei einer Messung durchgetastet wird, wodurch ein gegebenenfalls vorliegender »Blinder Fleck« erkannt und ein günstiger Bereich der Wasservorlaufstrecke ausgewählt werden kann. Eine solche Signalkontrolle kann - wie bereits oben angedeutet -auch automatisch erfolgen.
• Wenn die Länge ZA der Ultraschall-Laufstrecke zur Ausschaltung des »Blinden Flecks« verändert wird, ist in der Auswerteschaltung des Doppler-Gerätes die Empfangszeit tentsprechend Gl (1) zu modifizieren. Hierfür kann das Steuerteil II nach F i g. 2 bzw. die Steuereinheiten IV oder VI nach Fig. 3 oder 4 mit einem Signalerzeuger gekoppelt sein, welcher die Wegänderung +dZ erfaßt. Fiese Wegänderung wird nach GI (1) für die zugehörige Empfangszeit berücksichtigt, mit der in der Auswerteschaltung ein Zeittor für Empfang gesteuert wird.
• Sowohl bei der mechanisch als auch bei der elektronisch angesteuerten Problemlösung ergibt sich insgesamt ein einfacher Aufbau des Gerätes, was für die Praxis von Bedeutung ist

Claims (12)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Messung von Strömungsparametern, die mittels Puls-Doppler-Verfahren erfaßbar sind, wobei gepulster Ultraschall unter vorgegebenem Winkel in ein schalleitendes Medium mit diskreten Bereichen strömender Flüssigkeit eingeschallt und die Echosignale gemessen und wenigstens hinsichtlich der Frequenzverschiebung ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Laufstrecke (YA) veränderbar (+Az) und der jeweils vorliegenden räumlichen Lage des Doppler-Signaleinzugsgebietes anpaßbar ist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Laufstrecke (zea) derart eingestellt wird, daß die gepulsten Sendesignale zeitlich nicht mit empfangenen Echosignalen zusammenfallen.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Ultraschall-Laufstrecke (wobei Erfassung eines Signaleinzugsgebietes automatisch erfolgt
4. 4. Ultraschall-Puls-Doppler-Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Sende-Empfangs-Wandler für Ultraschall, der in einem Applikator angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sende-Empfangs-Wandler (6) im Applikator (I) bei Aufrechterhaltung der akustischen Ankopplung axial verschiebbar ist
5. 5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der- Applikator (I) ein zylindrischer Hohlkörper (1) mit akustischem Fenster (2) an seiner Frontfläche ist, in dem ein den Sende/Empfangs-Wandler (6) tragender Kolben (5) verschiebbar eingepaßt ist, wobei der zwischen akustischem Fenster (2) und Stirnfläche des Wandlers (6) bestehende Raum (9) mit Flüssigkeit gefüllt ist und mit einem externen Steuergerät (II) in Fluid-Verbindung steht.
6. 6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Applikator (I) der Kolben (5) mit Sende/Empfangs-Wandler (6) unter Federspannung eingepaßt ist.
7. 7. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das akustische Fenster durch eine aufgrund des Flüssigkeitsdruckes konkav gewölbte Membran (2) gebildet ist.
8. 8. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (II) als Flüssigkeitsreservoir (19) aus einem zylinderförmigen Hohlkörper (11) mit Kolben (15) besteht, wobei der Kolben (15) mittels eines Stellgliedes (16, 17) definiert verschiebbar ist.
9. 9. Ultraschall-Puls-Doppler-Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Applikator (III, V) eine Vielzahl von Ultraschall-Sende-Empfangs-Wandlern (21-25, 61-63) in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind, die von einer Steuereinrichtung (IV, VI) unabhängig voneinander aktivierbar sind.
10. 10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen Sende/Empfangs-Wandlern (61-63) Abstandselemente (64-65) angeordnet sind, welche eine geringe Schalldämpfung aufweisen und an den akustischen Wellenwiderstand der Sende/Empfangs-Wandler (61-63) angepaßt sind.
11. 11. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (21-25, 61-63) auf einem Dämpfungskörper (20, 60) angebracht sind.
12. 12. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (IV, VI) Stellmittel zum Durchtakten der einzelnen Wandler aufweist, mit Idenen die für ein vorgegebenes Signalerzeugungsgebiet geeignete Ultraschall-Laufstrecke (z+212) einstellbar ist.

    Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung von Strömungsparametern, die mittels Puls-Doppler-Verfahren erfaßbar sind, wobei gepulster Ultraschall unter vorgegebenem Winkel in ein schalleitendes Medium mit diskreten Bereichen strömender Flüssigkeit eingeschallt und die Echosignale gemessen und wenigstens hinsichtlich der Frequenzverschiebung ausgewertet werden, sowie auf ein Gerät zur Durchführung dieses Verfahrens.

    Ultraschall-Doppler-Verfahren werden in der medizinischen Diagnostik insbesondere zur nichtinvasiven Bestimmung von Strömungsparametern von Blutgefäßen in körperinternen Organen, beispielsweise des Herzens, verwendet. Dabei interessieren insbesondere die Strömungsgeschwindigkeit und in Verbindung mit dem Gefäßquerschnitt der Volumenstrom.

    Bei solchen Messungen treten Probleme durch die relativ große Entfernung vom externen Applikator zum körperinternen Organ auf. Speziell bei Puls-Doppler-Geräten ist nämlich der meßbare Geschwindigkeitsbereich um so kleiner, in je größerer Körpertiefe das Signaleinzugsgebiet (»Sample-Volume«) liegt, wenn Doppeldeutigkeiten bezüglich der Tiefenlage des Signaleinzugsgebietes vermieden werden sollen. Diese Bereichsbegrenzung läßt sich durch eine Analyse des Zeit- und Frequenzbereiches beim Puls-Doppler-Verfahren verstehen.

    Obige Problematik bei Puls-Doppler-Verfahren ist beispielsweise im Zeitschriftenartikel »IEEE Transactions on Sonics & Ultrasonics«, Vol. SU 28, 2 (März 1981), S.69-75 abgehandelt. Es wäre prinzipiell speziell für eine Geschwindigkeitsmessung auch eine Dauerschallmessung möglich. Allerdings wird aus signalverarbeitungstechnischen Gründen und zur Erfassung weiterer Strömungsparameter die gepulste Schalleinstrahlung bevorzugt. Der Aufbau eines solchen Gerätes zur Geschwindigkeitsmessung mit Ultraschall ist beispielsweise aus der DE-AS 23 41 476 bekannt.

    Grundsätzlich ist also bei solchen Geräten der ausmeßbare Tiefenbereich nach oben hin durch die Untergrenze der Pulswiederholfrequenz wegen der sonst auftretenden Doppeldeutigkeiten begrenzt. Daneben stört die Tatsache, daß bei Verwendung eines einzigen Sende-Empfangs-Wandlers durch den gepulsten Sendevorgang Bereiche entstehen, in denen wegen großer Signaldynamik aus praktischen Gründen keine Echosignale empfangen werden können. Dadurch kann man die Tiefenlage des Signaleinzugsgebietes nicht kontinuierlich verschieben. In der Praxis heißt dies, daß eine vorgegebene Struktur nicht immer eindeutig vermessen werden kann.