DE3329134A1

DE3329134A1 - Vorrichtung zur messung von querschnitten an objekten, insbesondere an koerperteilen

Info

Publication number: DE3329134A1
Application number: DE19833329134
Authority: DE
Inventors: Friedhelm 5206 Neunkirchen-Seelscheid Baisch; Hans Dipl.-Ing. Dr. 5300 Bonn Hohlweck; Gernold 5202 Hennef Plath
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt Fuer Luft und Raumfahrt EV 5000 Koeln; Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1983-08-12
Filing date: 1983-08-12
Publication date: 1985-02-28
Also published as: GB8420251D0; FR2550622B1; GB2144855A; US4635198A; FR2550622A1; JPH0346049B2; GB2144855B; JPS6060506A; DE3329134C2

Description

VON KREISLER SCHONWALD EISHOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING WERNER

Anmelder in:

Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft und Raumfahrt e.V.

Linder Höhe
5000 Köln 90

PATENTANWÄLTE

Dr.-Ing. von Kreisler 11973

Dr.-Ing. K. Schönwald, Köln Dr.-Ing. K. W. Eishold, Bad Soden Dr.J.F.Fues,Köln Dipl.-Chem. AIeIc von Kreisler, Köln Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln Dipl.-Ing. G. Selting, Köln Dr. H.-K. Werner, Köln

DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF

D-5000 KÖLN 1

11. August 1983 Sg/rk

Vorrichtung zur Messung von Querschnitten an Objekten, insbesondere an Körperteilen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Querschnitten an Objekten, insbesondere an Körperteilen, mit mindestens drei verteilt um den Umfang des Körperteiles anzuordnenden Schallköpfen, die Schwingerkörper zum Senden bzw. Empfangen von Ultraschallwellen enthalten und die paarweise Entfernungsmeßeinrichtungen zur Messung von Seitenlängen des von den Meßköpfen gebildeten Polygons bilden, und mit einer Recheneinrichtung zur Bestimmung des Flächeninhalts des Polygons und/oder des Körperteiles.

Es ist bekannt, am menschlichen Körper Schallköpfe anzubringen, um Längenmessungen durchzuführen (Aviation, Space, and Environmental Medicine, April 1982, s. 375 bis 378 und Mai 1983, S. 458 bis 463). Hierbei wird t'einer der Schallköpfe mit einer Ultraschallfrequenz elektrisch erregt, so daß er Ultraschallsignale aussendet, die von dem anderen Schallkopf

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empfangen werden. Aus der Laufzeitdifferenz zwischen Senden und Empfangen wird der Abstand der beiden Schallköpfe bestimmt. Der Ausdruck "Schall" soll generell alle Schwingungen umfassen, die sich durch Molekülbewegung in einem Medium fortpflanzen, also auch Ultraschallwellen.

Zur Bestimmung des Querschnitts von Gliedmaßen des menschlichen Körpers ist es bekannt, drei Schallköpfe Um₁ die entsprechende Extremität , z.B. den Unterschenkel,herum abzuordnen. Zwei der Schallköpfe haben einen, relativ geringen Abstand, der als bekannt angenommen wird. Bei der Messung wird vorausgesetzt, daß diese beiden einander relativ nahe benachbarten Schallköpfe einen vorgegebenen konstanten Abstand voneinander haben, der bekannt ist und bei der Berechnung des Flächeninhalts des zwischen den Schallköpfen gebildeten Dreiecks zugrunde gelegt wird. Die Berechnung der anderen Schenkel des ,Dreiecks erfolgt durch Aussenden von Ultraschallwellen von demjenigen Schallkopf, der der kurzen Seite des Dreiecks gegenüberliegt. Die beiden anderen Schallköpfe empfangen diese Signale. Auf diese Weise wird mit Hilfe von zwei Meßstrecken und einer als vorbekannt angenommenen Seitenlänge des Dreiecks durch Rechnung der Flächeninhalt des Dreiecks ermittelt. Diese bekannte Vorrichtung hat den Nachteil, daß die als konstant angenommene kurze Seitenlänge des Dreiecks tatsächlich nicht konstant ist. Konstant ist vielmehr das Umfangssegment der Bandlänge zwischen den beiden Schall-

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köpfen, nicht aber der kürzeste Abstand zwischen diesen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß bei der bekannten Vorrichtung zwei der Schallköpfe relativ nahe beieinander liegen müssen, was zur Folge hat, daß das von den Schallköpfen gebildete Dreieck in der Regel ein stumpfwinkliges Dreieck ist, das nur einen sehr geringen Teil der Querschnittsfläche des zu messenden Körperteiles ausfüllt. Die Messung ist daher relativ ungenau.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine exakte Ausmessung der Seitenlängen des Polygons ermöglicht.

Eine erste Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß , ^i _e Schallköpfe zum Senden und zum Empfangen von Ultraschallwellen ausgebildet sind, daß die Schwingerkörper aus winkelförmigen Platten bestehen, deren beide Schenkel mit ihrer schwingenden Fläche jeweils einem Schenkel des Schwingerkörpers eines anderen Schallkopfes zugewandt sind, und daß eine Schalteinrichtung vorgesehen ist, die mindestens zwei Schallköpfe zwischen Senden und Empfangen umschaltet, derart, daß alle zwischen den Schallköpfen gebildeten Meßstrecken gemessen werden.

Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, die Länge jeder der Meßstrecken, die zwischen, den Schallköpfen gebildet werden, zu messen. Dieses allgemeine Prinzip läßt sich jedoch nicht ohne weiteres verwirklichen, weil Ultraschallwellen mit einer gewissen Rieht-

wirkung ausgesandt werden. Ein piezoelektrischer Schwingerkörper, der mit einer elektrischen Spannung erregt wird, sendet die eine aus mehreren Keulen bestehende Richtcharakteristik in Bezug auf die schwingende Fläche aus» Dies bedeutet, da.ß jeder Schwingerkörper hauptsächlich nur in einer Richtung senden kann, so daß. seine Signale nur von einem der beiden anderen Schallköpfe empfangen werden können. Da die Schallköpfe aber im Polygon angeordnet sind, besteht jeder Schwingerkörper aus einer winkelförmigen Platte, die bei Erregung Schallsignale in zwei unterschiedliche Richtungen aussendet. Auf diese Weise ist es möglich, einen einzigen Schwingerkörper zum Senden zu benutzen und die von diesem Schwingerkörper i_{n V}erschiedene Richtungen ausgesandten Signale mit zwei Schallköpfen zu empfangen. Alternativ besteht aber auch die Möglichkeit, nur denjenigen Schwingerkörper auf Empfang zu schalten, der das Signal des einen Schenkels des erregten Schwingerkörpers empfängt, so daß von allen winkelförmigen Schwingerkörpern stets einer auf Senden und mindestens ein anderer auf Empfangen geschaltet ist. Auf diese Weise erfolgt eine zyklisch umlaufende Messung der Längen der drei Meßstrecken etwa nach Art eines Multxplexverfahrens.

Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung ist vorgesehen, daß alle Schallköpfe zum Senden und zum Empfangen von Ultraschallwellen ausgebildet sind, und daß jeder Schallkopf einen Schwingerkörper als Sendeschwinger und einen Schwingerkörper als Empfangsschwinger enthält, wobei der Sendeschwinger mit seiner schwingenden Fläche der schwingenden Fläche des Empfangsschwingers eines anderen Schallkopfes zugewandt ist.

Hierbei enthält jeder Schallkopf zwei funktionell und elektrische voneinander getrennte und hinsichtlich ihrer räumlichen Anordnung zueinander abgewinkelte Schallkörper. Mit einer derartigen Vorrichtung ist es prinzipiell möglich, die Längen aller Meßstrecken gleichzeitig zu messen,weil alle Schwingerkörper unabhängig voneinander betrieben werden können und jeweils zwei Schwingerkörper, die in unterschiedlichen Schallköpfen angeordnet sind, als Sender und Empfänger eine Meßstrecke bilden.

Bei beiden Varianten der Erfindung senden die Schallköpfe stark gerichtete bzw. gebündelte Ultraschallimpulse aus, die von einem anderen Schallkopf empfangen werden. Die Schallköpfe enthalten in jedem Fall zwei schwingfähige Schenkel, die entweder einen einzigen Schwingerkörper oder zwei voneinander funktionell getrennte Schwingerkörper bilden. Jeder der Schenkel ist mit seiner schwingenden Fläche einem Schenkel eines anderen Schallkopfes zugewandt. Für die räumliehe Anordnung der beiden Schenkel gibt es verschiedene Möglichkeiten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Scheitelpunkte der von den Schenkeln gebildeten Schwingerkörper dem Körperteil zugewandt. Dies hat zur Folge, daß die Ultraschallwellen, die von den beiden Schenkeln erzeugt werden, in auseinanderlaufende Richtungen ausgesandt werden, ohne sich auf ihrem Weg zu dem anderen

Schallkopf zu kreuzen. Es besteht daher auch die Möglichkeit, mehrere T.änaenmessuncren mit Ultraschall gleichzeitig durchzuführen.

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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die von den Schwingerkörpern gebildeten Scheitelpunkte dem Körperteil abgewandt sind, und daß die Längenmessungen der zwischen den Schallköpfen gebildeten Meßstrecken unter Vermeidung von Schallwellenüberschneidungen in mindestens zwei nacheinanderfolgenden Meßphasen erfolgen. Auf diese Weise erfolgt die Entkopplung dadurch, daß die Messungen zu unterschiedlichen Zeiten durchgeführt werden. Obwohl die Wege der Ultraschallsignale einander kreuzen, stören sich die Signale nicht.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Schallkopf, der bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 verwendet wird,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels und

Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen der Schallköpfe, die bei dem zweiten Ausführungsbeispiel verwendet werden.

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In Fig. 1 ist mit 10 der Querschnitt eines Körperteiles eines menschlichen oder tierischen Körpers bezeichnet. Es handelt sich beispielsweise um einen Querschnitt einer Extremität (Arm oder Bein), die nicht kreisrund ist.

Um das Körperteil 10 sind verteilt drei Schallköpfe SK1, SK2, SK3 angeordnet. Jeder der Schallköpfe SK1 bis SK3 kann wechselseitig als Ultraschallsender und Ultraschallempfänger betrieben werden. Zur Be-Stimmung der Länge der Meßstrecke MS1 zwischen den Schallköpfen SK1 und SK2 wird der Schallkopf SK1 als Sender betrieben, während der Schallkopf SK2 als Empfänger betrieben wird. Zur Messung der Länge der Meßstrecke MS2 zwischen den Schallköpfen SK2 und SK3 wird der Schallkopf SK2 als Sender betrieben, während der Schallkopf SK3 als Empfänger betrieben wird. Zur Messung der Länge der Meßstrecke MS3 zwischen den Schallköpfen SK3 und SK1 wird der Schallkopf SK3 als Sender und der Schallkopf SK1 als Empfänger betrieben. Die Messungen dieser drei Meßstrecken MS1 bis MS 3 erfolgen zeitlich nacheinander .

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch den Schallkopf SK1 dargestellt. Die Schallköpfe SK2 und SK3 sind in gleicher Weise ausgebildet. In einem topfförmigen Gehäuse 13 aus Kunststoff, z.B. Polyvinylchlorid, ist ein Schwingerkörper 14 aus piezoelektrischem Keramikmaterial untergebracht. Der Schwingerkörper 14 besteht aus zwei unter einem stumpfen Winkel zueinander verlaufenden, einstückig ineinander übergehenden Schenkeln 15,16. Der Scheitelpunkt 17 des Schwingerkörpers 14 ist dem Körperteil 10 bzw. der Haut 18, gegen die der Schallkopf 14 gesetzt wird, zugewandt. Der Schwingerkörper 14 ist so angeordnet, daß die durch den Scheitelpunkt 17 hindurchgehende Symmetrieachse bzw. Winkelhalbierende rechtwinklig zur Oberfläche der Haut 18 verläuft. Die dem Körperteil 10 zugewandten schwingenden Flächen 19 der Schenkeil5 und 16 bilden einen Winkel α von 240°. Dies bedeutet, daß der von den rückwärtigen Flächen der Schenkel 15 und 16 eingeschlossene Winkel 120° beträgt.

In das Gehäuse 13 führt ein Koaxialkabel 20 hinein, das mit seiner Seele 21 an die schwingenden Flächen 19 und mit seiner Abschirmung 22 an die Rückseite des Schwingerkörpers 14 angeschlossen ist. über das Koaxialkabel 20 können elektrische Schwingungen auf den piezoelektrischen Schwingerkörper 14 übertragen werden, wodurch diese Schwingungen in Ultraschallwellen umgesetzt werden, welche von den schwingenden Flächen 19 abgestrahlt werden. Wenn andererseits eine der schwingenden Flächen 19 ein Ultraschallsignal empfängt, wird

dieses in dem Schwingerkörper 14 in elektrische Signale umgesetzt, die über das Koaxialkabel 20 zu einem Empfänger geleitet werden.

In dem Gehäuse 13 ist der Schwingerkörper 14 in einen erhärteten Kleber 27 eingebettet, der das Innere des Gehäuses 13 ausfüllt. Das Gehäuse 13 stützt sich mit einem Rand 13" auf einem Klebering 23 ab, der aus Papier besteht und zu beiden Seiten mit einer Klebebeschichtung versehen ist. Der Klebering 23 ist mit seiner ünterseite auf die Haut 18 aufgeklebt und hält das Gehäuse an dieser fest. Der Klebering 2 3 weist eine Mittelöffnung 24 auf, durch die die von dem unteren Rand 22 umschlossene Kammer 25 in Verbindung mit der Oberfläche der Haut 18 steht. Die Kammer 25 enthält ein Ankopplungs-Gel,das die Ultraschallsignale besonders gut leitet. Die Kammer 25 ist durch die Bodenwand 26 des Gehäuses begrenzt. Gegen die Bodenwand 26 stößt der Scheitelpunkt 17 des Schwingerkörpers 15.

Die Koaxialkabel 20, die zu den einzelnen Schallköpfen SK1 bis SK3 führen, sind in Fig. 1 jeweils mit 20-1, 20-2 und 20-3 bezeichnet. Diese Kabel führen zu einer Schalteinrichtung 28, die aus Gründen der Einfachheit als mechanische Schalteinrichtung dargestellt, in der Praxis jedoch elektronisch ausgebildet ist. In der Schalteinrichtung 28 werden die einzelnen Leitungen wechselseitig an die elektrische Sendeeinrichtung 29 und die Empfangseinrichtung 30 so angeschlossen, daß jeweils einer der Schallköpfe als Sender und ein anderer Schallkopf als Empfänger betrieben wird. Dadurch werden

die Meßstrecken MS1 bis MS3 nacheinander gemessen. Die Auswertung der Signale der Sendereinrichtung 29 und der Empfangseinrichtung 30 erfolgt in einem Steuer-., gerät 31 bzw. in einem Rechner. In dem Rechner wird ferner aus den drei Meßstrecken MS1, MS2 und MS3 der Flächeninhalt des Dreiecks ermittelt. Aus diesem Flächeninhalt kann dann die Querschnittsgröße des Körperteils 10 ermittelt werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fign. 3 und 4 enthalten die Schallköpfe SK1 bis SK3 jeweils zwei voneinander unabhängige Schwingerkörper, von denen der eine ein Sendeschwinger SS ist und der andere ein Empfängsschwinger ES ist. Die Schwingerkörper schließen einen Winkel α von 120° ein und ihre schwingenden Flächen sind der Haut 18 zugewandt. Beide Schwingerkörper SS und ES sind voneinander elektrisch und mechanisch entkoppelt.

Der Sendeschwinger SS ist an eine Koaxialleitung 33 angeschlossen, die ihm das Erregersignal zuführt, und der Empfangsschwinger ES ist an eine Leitung 34 angeschlossen, die das Empfangssignal abführt. In Fig. 3 sind die Leitungen, die das elektrische Sendesignal den Schallköpfen SK1 bis SK3 zuführen, jeweils mit 33-1 bis 33-3 bezeichnet, und die Leitungen, die von dem zugehörigen Schwingerkörper ES das Empfangssignal abführen, sind mit 34-1 bis 34-3 bezeichnet. In der Schalteinrichtung 28', der alle Leitungen 33-1 bis 33-3 und 34-1 bis 34-3 zugeführt werden, erfolgt die Steuerung so, daß der Schallkopf SK2 empfängt, wenn der Schallkopf SK1 sendet, der Schallkopf SK1 empfängt,

/Hf;

Wenn der Schallkopf SK3 sendet und der Schallkopf SK3 empfängt, wenn der Schallkopf SK2 sendet. Diese drei Meßphasen erfolgen zeitlich nacheinander, was durch die Schalteinrichtung 28' gesteuert wird.

Aus Fig. 3 ist ferner zu ersehen, daß die Meßstrecke MS1 zunächst die Meßstrecke MS3 und dann die Meßstrecke MS2 kreuzt. Dies liegt daran, daß die schwingenden Flächen 19 einen Winkel α von weniger als 180° einschließen, so daß die Meßstrecken sich überschneiden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung brauchen die Schallköpfe nicht durch ein Band miteinander verbunden zu sein, obwohl ein Band erforderlichenfalls zusätzlich angewandt werden kann. Es genügt, die Schallköpfe an einzelnen Stellen verteilt anzuordnen, die Längenmessungen vorzunehmen und anschließend die gewünschte Fläche zu berechnen.

Anstelle der dargestellten Anordnung von drei Schall- · köpfen können auch mehr als drei Schallköpfe vorgesehen werden, die über den Umfang des Körperteils verteilt angeordnet werden und die Eckpunkte eines Polygons bilden. Wenn vier Schallköpfe benutzt werden, beträgt bei dem Meßprinzip der Figuren 1 und 2 der Winkel α nicht 270°, sondern annähernd 240° und bei dem Meßprinzip der Figuren 3 und 4 beträgt der Winkel α· nicht 120°, sondern annähernd 90°. Auf diese Weise wird erreicht, daß jeweils zwei schwingende Flächen von Schwingerkörpern, die in benachbarten Schallköpfen angeordnet sind, einander zugewandt sind. Je größer die An-• zahl der verwendeten Schallköpfe ist, umso genauer ist

die Flächenmessung, weil das Polygon dann der Kontur des Körperteiles besser angepaßt wird.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf Querschnittsmessungen an Körperteilen des menschlichen oder tierischen Körpers, sondern sie bezieht sich auch auf Messungen des Querschnitts oder von Querschnittsänderungen an anderen Objekten aus Metall, Kunststoff, Holz und anderen Materialien.

Claims

ANSPRÜCHE

■"λ
.j Vorrichtung zur Messung von Querschnitten an Objekten, insbesondere an Körperteilen, mit mindestens drei verteilt um den Umfang des Körperteiles anzuordnenden Schallköpfen (SK1 bis Sk3) , die Schwingerkörper (14) zum Senden bzw. Empfangen von Ultraschallwellen enthalten und die paarweise Entfernungsmeßeinrichtungen zur Messung von Seitenlängen des von den Meßköpfen gebildeten Polygons bilden, und mit einer Recheneinrichtung zur Bestimmung des Flächeninhalts des Polygons und/oder des Körperteiles (10), dadurch gekennz eichnet , daß die Schallköpfe (SK1 bis SK3) zum Senden und zum Empfangen von Ultraschallwellen ausgebildet sind, daß die Schwingerkörper (14) aus winkelförmigen Platten bestehen, deren beide Schenkel (15,16) mit ihrer schwingenden Fläche (19) jeweils einem Schenkel des Schwingerkörpers eines anderen Schallkopfes zugewandt sind, und daß eine Schalteinrichtung (28) vorgesehen ist,die mindetens zwei Schallköpfe zwischen Senden und Empfangen umschaltet, derart, daß alle zwischen den Schallköpfen gebildeten Meßstrecken (MS1 bis MS3) gemessen werden.
2. Vorrichtung zur Messung von Querschnitten an Objekten, insbesondere an Körperteilen, mit mindestens drei verteilt um den Umfang des Körperteiles anzuordnenden Schallköpfen (SK1 bis SK3) , die Schwingerkörper (SS,ES) zum Senden bzw. Empfangen von Ultraschallwellen enthalten und die paarweise Entfernungsmeßeinrichtungen zur Messung von Seitenlängen des von den Meßköpfen gebildeten Dreiecks

bilden, und mit einer Recheneinrichtung zur Bestimmung des Flächeninhalts des Dreiecks und/oder des Körperteiles (10), dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schallkopf (SK1 bis SK3) einen Schwingerkörper (SS) als Sendeschwinger und einen Schwingerkörper (ES) als Empfangsschwinger enthält, wobei der Sendeschwinger mit seiner schwingenden Fläche(19)der schwingenden Fläche des Empfangsschwingers eines anderen Schallkopfes zugewandt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheitelpunkte (17) der Schwingerkörper (14) dem Körperteil (10) zugewandt sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Schwingerkörpern (SS, ES) gebildeten Scheitelpunkte (17) dem Körperteil (10) abgewandt sind, und daß die Längenmessungen der zwischen den Schallköpfen (SK1 bis SK3) gebildeten Meßstrecken (MS1 bis MS3) unter Vermeidung von Schallwellenüberschneidungen in mindestens zwei nacheinander folgenden Meßphasen erfolgen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der von den schwingenden Flächen (19) der Schenkel (15,16) gebildete Winkel (α) wenigstens annähernd 240° oder 270° beträgt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der von den schwingenden Flächen (19) der beiden Schwinger körper (SS ,ES) gebildete Winkel (α) wenigstens annähernd 120° oder 90° beträgt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Meßkopf (SK1 bis SK3) ein Kunststoffgehäuse (13) aufweist, in dem die bzw. der Schwingerkörper (SS,ES; 14) mit einem Kleber (27) gehalten sind bzw. ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Meßkopf (SK1 bis SK3) an seiner dem Körperteil (10) zugewandten Seite eine mit einem Ankopplungs-Gel gefüllte Kammer (25) aufweist.