DE3512053A1

DE3512053A1 - Geraet zur messung pulsierender teilstrukturen in einem lebenden koerper

Info

Publication number: DE3512053A1
Application number: DE19853512053
Authority: DE
Inventors: Morten Lund Benthin; Philip Ingemar Dahl; Gerhard Mauritz Malmö Gennser; Kjell Olov Torgny Höllviksnäs Lindström
Original assignee: TELTEC ELECTRONIC EQUIPMENT AB
Current assignee: TELTEC ELECTRONIC EQUIPMENT AB
Priority date: 1984-04-02
Filing date: 1985-04-02
Publication date: 1985-10-31
Also published as: US4660564A; FR2563991B1; GB8507512D0; FR2563991A1; GB2156985A; GB2156985B

Description

Gerät zur Messung pulsierender Teilstrukturen in einem lebenden Körper

Gerät zur Messung pulsierender Teilstrukturen in einem lebenden Körper.

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung beweglicher Teilstrukturen in einem lebenden Körper, bestimmt zum Zusammenwirken mit einem Ultraschall - Scanner, der einen Ultraschallkopf mit einer Vielzahl von Ultraschall - Sendereinheiten aufweist, sowie zur Erzeugung von Pulsschlagdiagrammen, welche die Bewegungen eines pulsierenden Gefässes in einem lebenden Körper wiedergeben.

Derartige Geräte dienen zur Ultraschall - Diagnostik und registrieren in Zusammenarbeit mit einem Ultraschall - Scanner Änderungen des Abstandes zwischen Grenzflächen unterschiedlichen akustischen Scheinwiderstandes mit Hilfe der Messung von an der Teilstruktur, z.B. einem Blutgefäß, reflektiertem Ultraschall.

Es ist seit langem bekannt, daß stationäre und bewegliche Teilstrukturen in einem lebenden Körper mit Hilfe verschiedener Typen von Ultraschall - Scannern beobachtet werden können.Es sind Ultraschall - Scanner anwendbar, die mit einem Abtastkopf (Ultraschall - Wandler) versehen sind, der eine lineare Anordnung von Ultraschall - Sendern enthält, die jeweils einen oder mehrere Ultraschall -(Quarz)Kristalle aufweisen und sequentiell zur Abgabe eines Ultraschall - Strahlimpulses aktiviert werden, deren Echos mit einem gemeinsamen Ultraschall - Empfänger aufgenommen werden. Mit einem solchen Scanner erhält man ein zweidimensionales, auf einem Schirm darstellbares bewegtes Bild eines tiefliegenden Bereiches in einem lebenden Körper, das zwar sichere Informationen betreffend die Beweglichkeit der gezeigten Teilstruktur des Körpers liefert, aber keine klare Darstellung der tatsächlichen Bewegungen.

In dem Aufsatz "A DUAL HIGH-RESOLUTION 2-DIMENSIONAL ULTRASOND SYSTEM FOR MEASURING TARGET MOVEMENTS" von G.Gennser, K.Lindström, P.Dahl, M.Benthin et al in RECENT ADVANCES IN ULTRASOND DIAGNOSIS 3, PROCEEDINGS OF THE 4TH EUROPEAN CONGRESS IN ULTRASONICS IN MEDICIN, Dubrovnik May 1981, ist beschrieben, wie mit

Hilfe eines Ultraschall-Kopfes mit linear angeordneten Vielfach-Ultraschall-Sendern die momentanen Innenabmessungen zwischen zwei definierten Oberflächen einer beweglichen, z.B. pulsierenden Struktur in einem lebenden Körper, wie z.B. der Aorta eines menschlichen Fötus, gemessen werden können. Bei Durchführung dieser Messungen in kurzen Zeitabständen, d.h. zwischen den einzelnen Anzeigen einer horizontalen Linie, erhält man an vielen Punkten während eines Pulsschlags eine Abmessungsanderung, so daß ein Pulsschlag- oder PuIs-Wellendiagramm für einen Abschnitt eines pulsierenden Gefäßes oder einer Vene gezeichnet werden" kann. Im vorletzten Absatz auf Seite 73 dieses Aufsatzes ist angeführt, daß zwei Markierungen vorgesehen seien; es ist jedoch festzustellen, daß diese an zwei Stellen auf der gleichen, als Meßlininie benutzten Horizontallinie angeordnet sind, sodaß hier zwei Markierungen einer der im folgenden beschriebenen verlängerten Markierungen entsprechen. Die in diesem Aufsatz beschriebene Methode hat sich als äußerst wertvoll zur Lieferung sichtbarer Bilder von Bewegungen, besonders von pulsierenden Teilstrukturen in einem lebenden Körper, wie z.B. einem Blutgefäß, erwiesen. Der Aufsatz ist indessen nur in Bezug auf die Bewegung in einer einzigen Richtung informativ, d.h. die Änderung des Durchmessers senkrecht durch e^ne Teilstruktur als Funktion der Zeit. Diese Information gibt nur ein begrenztes Bild vom Zustand der gemessenen beweglichen Teilstruktur, weil diese - insbesondere wenn es ein Blutgefäß ist zum Teil eine Pulswelle in eine Richtung quer zu derjenigen leitet, in der die Durchmesseränderung angezeigt wird und zum Teil Änderungen in dieser Querrichtung erfahren kann, die das mit der bekannten Methode erhaltene Pulsschlag-Diagramm in hohem Maße davon abhängig macht, für welche Teilstruktur die Messungen durchgeführt werden. Dieser Umstand gilt besonders für Arterien und vor allem für ältere Menschen, bei denen relativ häufig unterschiedlich starke Verengungen dieser Gefäße zu finden sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß Durchmesseränderungen der beweglichen Teilstrukturen in mehr als einer Richtung indizierbar sind.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch

- eine Steuereinrichtung, welche die Ultraschall-Sendereinheiten in einer für den Ultraschall-Scanner normalen Reihenfolge nacheinander aktiviert und zwischen jeder Aktivierung einer der Ultraschall-Sendereinheiten für den Ultraschall Scanner nacheinander wenigstens zwei ausgewählte Meßlinien aktiviert, deren jede eine entsprechende Ultraschall- Sendereinheit repräsentiert;

- eine Gefäßwand-Anzeigeeinrichtung zum Empfang des als Reaktion aud die Aktivierung der genannten ausgewählten Ultraschall-Sendereinheiten erhaltenen Signals, die für jede Meßlinie mit jeder Abtastung dazu vorgesehen ist,zwei Gefäßgrenzflächen zu suchen und die Änderung in diesen Gefäßgrenzflächen in Bezug auf eine vorhergehende Anzeige der Meßlinie zu berechnen und

- eine Recheneinrichtung, die für jede Meßlinie, ausgewählt für das pulsierende Gefäß aufgrund der von der Gefäßwand-Anzeigeeinrichtung erhaltenen Information, ein Pulsschlag-Diagramm berechnet und dieses auf einer Anzeigeeinheit darstellt.

Gemäß einer Ausbildung der Erfindung enthält die Gefäßwand-Anzeigeeinrichtung zwei Einheiten, deren eine dazu bestimmt ist, für alle Meßlinienabtastungen die dem Meßkopf für das geprüfte Gefäß nächstliegende Grenzfläche zu untersuchen, und deren andere dafür vorgesehen ist, für alle Meßlinienabtastungen die vom Meßkopf am weitesten entfernte Grenzfläche zu untersuchen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Gefäßwand-Anzeigeeinrichtung dazu bestimmt, unter zwei Bedingungen zu arbeiten, nämlich einer Einstellungs- bzw. Abgleich-

bedingung, bei der die Suche nach Signalteilen in im Ultraschall-Kopf von jeder Meßlinie registrierten Echosignalen, welche die Gefäßwände repräsentieren, stattfindet und die Daten des Pulsschlagdiagramms nicht aufbereitet sind, sowie einer Betriebsbedingung, bei der für jede Meßlinie die Anzeigeverschiebung von Signalteilen im Echosignal, die Gefäßwände anzeigend, berechnet wird und als Grundlage für die Berechnung des Pulsschlagdiagramms durch die Recheneinrichtung dient.

Nach einer weiteren Fortentwicklung der Erfindung ist das erfindungsgemäße Gerät zur Messung der Pulswellenrate (-geschwindigkeit) in Gefäßen geeignet. Die Unterschiede zwischen den Kurvenformen der Pulsschlag-Diagramme, die auf unterschiedlichen Lagen eines Blutgefäßes beruhen, können ebenfalls Informationen über die Natur der Gefäßschädigung liefern. Auf diese Weise können Informationen bezüglich vollständig neuer physiologischer Parameter wie z.B. der abschnittsweisen Pulswellengeschwindigkeit und damit der örtliehen Elastizitätseigenschaften des Gefäßsystems gewonnen werden.

In herkömmlichen Ultraschallgeräten zur Messung von Pulswellengeschwindigkeiten in Blutgefäßen, die heute eine Doppler-Methode benutzen, muß der Ultraschall-Kopf äußerst genau positioniert sein, damit ein unveränderliches und reproduzierbares Meßergebnis erzielt wird. Auf dieser Technik basierende Messungen gehen als Ausgangspunkt auch von einem mittleren Durchmesser des betreffenden Gefäßes aus, was Anlaß zu verschiedenen Fehlern gibt. Im Gegensatz hierzu ist es bei Verwendung des erfindungsgemäßen Gerätes möglich, Veränderungen der Pulswellengeschwindigkeit, die gewöhnlich mit der Zeit in ein und derselben Person an unterschiedlichen Stellen auftreten, sehr einfach und schnell festzustellen, weil das erfindungsgemäße Gerät relativ unempfindlich dagegen ist, ob der Ultraschall-Kopf exakt an der richtigen Position angeordnet ist oder nicht, insbeson-

dere, wenn die gewählten Meßstellen verhältnismäßig weit entfernt sind. Dieser Vorteil macht das erfindungsgemäße gerät besonders geeignet für die regelmäßige Untersuchung großer Bevölkerungsgruppen .

Die erfindungsgemäße automatische Einstellung der Meßfläche auf eine gegebene Teilstruktur in tiefen Bereichen, dargestellt auf einem dem Ultraschall-Scanner zugeordneten Schirm, ergibt ein einfach handhabbares Instrument. Ohne dessen Hilfe wäre es für eine Bedienungsperson äußerst schwierig, wenn nicht praktisch unmöglich, die Meßflächen für zwei oder mehr Meßorte auszurichten. Früher wurde diese Einstellung der Meßfläche getrennt in verschiedenen Grenzflächen bewirkt, anstatt - wie mit der vorliegenden Erfindung - auf eine Teilstruktur mit spezifischen Eigenschaften einzustellen und es der Automatik zu überlassen, die Grenzflächen der Teilstrukturen zu suchen.

Seitdem die Pulswellen in Arterien betreffenden Daten eine Fülle an Informationen bezüglich der Herzgefäß-Funktionen enthalten, ist die nichteingreifende (nichtoperative) Messung dieser Puse von besonderem Interesse im Hinblick auf den menschlichen Fötus, an dem natürlich keine direkten Messungen vorgenommen werden können. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Messungen am menschlichen Fötus beschränkt, sondern kann mit großem Vorteil z.B. für Messungen an der Halsschlagader von Erwachsenen zur Erkennung von Arteriosklerose im Frühstadium eingesetzt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren im einzelnen beschrieben, wobei

Fig.l einen Ultraschall-Kopf veranschaulicht, der an der

Haut eines Körpers befestigt ist, von dem ein Teil bis zu einer gegebenen Tiefe im Querschnitt gezeigt ist; Fig.2 die Reihenfolge illustriert, in der die automatische Einstellung bewirkt wird;

Fig.3 ein Signalbild ist, in dem die Stellen gezeigt sind, an denen die Einstellung erfolgt;

Fig.4 zwei Pulsschlagkurven zeigt, die von dem erfindungsgemäßen Gerät aufgezeichnet wurden und zwei Methoden zur Bestimmung der Zeitverschiebung zwischen diesen Kurven erläutern;

Fig.5 eine schematische Blockdarstellung einer Anwendungsform des erfindungsgemäßen Gerätes ist;

Fig.6 eine schematische Blockdarstellung einer alternativen Ausbildung eines Teils des in Fig.5 dargestellten Gerätes ist; Fig.7 schematisch eine Ausführungsform veranschaulicht, die mit einem Doppler-Ültraschall-Meßgerät zusammenwirkt, und Fig.8 ein Reliefdiagramm ist, das mittels einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Gerätes herstellbar ist.

Fig.l veranschaulicht in schematischer Darstellung wie die Erfindung dem Operator erscheint, der einen das erfindungsgemäße Gerät enthaltenden Ultraschall-Scanner bedient. Ein Ultraschall-Abtastkopf 1, der zweckmäßigerweise mit einer linearen Anordnung von Ultraschall-Sendern und einem gemeinsamen Ultraschall-Empfänger ausgestattet ist, ist angrenzend an die Haut eines lebenden Körpers angeordnet, der in der Figur im Schnitt dargestellt ist bis zu der Tiefe, für die der Ultraschall-Scanner zur Lieferung zweidimensionaler Anzeigen der Struktur in dem Körper eingestellt ist-- . itte bis zu dieser Tiefe sind mit der Mehrheit von Ultraschall-Scannern möglich. Der Ultraschall-Kopf 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel 64 Sender auf, deren jeder einen oder mehrere Ultraschall-(Quarz)Kristalle enthalten kann. Auf diese Weise ist es möglich, 64 sogenannte Betrachtungslinien für die Struktur in einem tiefen Bereich des Körpers unterhalb des Kopfes 1 auf einem Bildschirm aufzuzeichnen. Das auf dem Schirm erzeugte Bild hat substantiell das gleiche Aussehen wie der in Fig.l gezeigte Schnitt durch den Körper. In Fig.l sind vier Betrachtungslinien dargestellt, nämlich die beiden äußersten Linien 2,3 und zwei dazwischenliegende Linien A und B. Mit Hilfe eines mit dem erfindungsgemäßen Gerät ausgestatteten Ultraschall-Scanners ist es für den Anwender möglich, eine bestimmte Teilstruktur in der auf dem Schirm dargestellten

Struktur, so z.B. ein Blutgefäß 4 auszuwählen, eine enge Markierung 5 wie in Fig. 2a gezeigt an einer ausgewählten Stelle dieser Teilstruktur 4 anzubringen und die zu benutzenden Meßlinien A und B zu merkieren, worauf das erfindungsgemäße Gerät jede Markierung auf entsprechenden Meßlinien durch Abtastung in beiden Richtungen entlang den Meßlinien von der Tiefe, in der die Markierung plaziert ist, automatisch verlängert. Fig. 2b zeigt die Markierung 5 während der tatsächlich eingestellten Sequenz und Fig. 2c die Markierung 5, wenn sie auf die Grenzflächen 6,7 eingestellt sind, welche die Gefäßwand repräsentieren. Als Alternative für den Operator bei der Auswahl der Meßlinien kann das Gerät so konstruiert sein, daß es automatisch Meßlinien mit einem festen gegenseitigen Abstand auswählt, wobei die Markierung auf der zweiten Linie auch der ersten folgt.

Fig. 3 zeigt ein vergrößertes Signalbild desjenigen Signalteils im Ultraschall-Empfänger, an dem die Festlegung der Markierungsbreite erfolgt ist. Wie ersichtlich erhält man dabei ein relativ gleichförmiges Signalbild entlang einer Meßlinie von einem homogenen Bereich, der in Fig. 3 das Innere eines Gefäßes repräsentiert. Das Signalbild weist jedoch an Verbindungspunkten homogener Bereiche an Zellwänden eine vielfachperiodische Schwingung auf. Da üblicherweise Störsignalteile auch im homogenen Bereich vorkommen, erfolgt die Einstellung der Markierung nicht direkt, wenn sie auf einen schwingenden Signalteil trifft, sondern aufgrund eines Nulldurchgangs im Anschluß an den Durchgang einer vorbestimmten Anzahl (zweckmäßigerweise drei) von Perioden. In Fig. 3 sind die Nulldurchgänge an den Rückflanken einer Vielzahl von Perioden in dem Signalbild angrenzend an den das Gefäß repräsentierenden Bereich mit Pfeilen bezeichnet und die Einstellung erfolgt hier am dritten Nulldurchgang auf jeder Seite der Gefäßfläche. Selbstverständlich können für diesen Zweck anstatt der Rück- auch die Vorderflanken gewählt werden.

Fig. 1 zeigt, daß der Anwender zumindest zwei Markierungen

5A und 5B an ausgewählten Stellen in einem Blutgefäß anordnen kann. Der damit erreichte Vorteil wird weiter unten erläutert.

Fig. 4 veranschaulicht ein Pulsschlag-Diagramm für zwei Markierungen 5A und 5B, die dem Anwender auf einem getrennten Schirm, z.B. einem Oszilloskopschirm, angezeigt oder mittels eines Schreibers kontinuierlich aufgezeichnet werden können. Fig. 5 ist eine schematische Blockdarstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Gerätes zusammen mit ΙΟ einem handelsüblichen, zweidimensionalen Ultraschall-Scanner 8, der einen Ultraschall-Kopf vom Lineartyp, auch Wandler genannt, enthält und in Echtzeit sowie Betriebsart B arbeitet.

Ein Echtzeit-Scanner liefert ein Bild von dem geprüften Subjekt durch Aussenden von Ultraschall-Pulsen in das Subjekt durch den Wandler. Diese Pulse werden im Subjekt reflektiert und die empfangenen Echos als zweidimensionale Bilder auf einem Bildschirm wiedergegeben.

Der Wandler dieser Ausführungsform ist ein linearer Wandler mit einer großen Anzahl von in einer Reihe angeordneten Kristallen. Man erhält das zweidimensionale Bild durch Ansteuerung dieser Kristalle, entweder einzeln nach einander oder in spezifischen aufeinanderfolgenden Gruppen mit gegeneinant.er versetzten Abtastzeilen. Wenn das erfindungsgemäße Gerät in Betrieb gesetzt wird, wird ein Schirmbild erzeugt und die zu den ausgewählten Meßlinien gehörende Kristalle bzw. Kristallgruppen werden angesteuert. Erfindungsgemäß wird hierbei die interne Steuerung der Horizontallinien, die sogenannten Betrachtungslinien, ausgeschaltet. Anstatt dessen wird ein Linien-Datenprozessor 9 mit dem Ultraschall-Scanner 8 über geeignete Anschlüsse 10 zur Steuerung der Horizontallinien verbunden. Der Linien-Datenprozessor 9 prüft die Meßreihenfolge und welche Horizontal- oder Betrachtungslinie auf dem Schirm 11 in diesem Augenblick zu zeigen ist. Der Datenprozessor 9 stellt auch sicher, daß

die Markierungen 5A und 5B (siehe Fig. 1) die örtliche Lage der Meßlinien A und B in dem Subjekt anzeigen. Die Markierungen können vom Anwender vor Beginn der Messungen mit Hilfe einer Fernsteuerungseinheit 13 mit Handeinstellung oder einem Einstellgerät 14 bewegt werden.

Zur Erzielung der höchstmöglichen Auflösung des Pulsdiagramms ist es zweckmäßig, die Meßlinien, d.h. die Betrachtungslinien, abzufragen, an welcher Stelle sich die Markierungen 5A und 5B zwischen den einzelnen Anzeigen einer neuen Betrachtungslinie befinden, obwohl die Linien ohne Anzeige der Meßlinien auf dem Schirm 11 ständig abgetastet werden. Auf diese Weise wird das auf dem Schirm 11 gezeigte Ultraschallbild nach dem Einschalten des erfindungsgemäßen Bildes in etwas stärkerem Maße flimmern, weil die Bildfrequenz geringer ist, d.h. ein Drittel des Normalwertes bei zwei ausgewählten Markierungen; die Bildqualität ist dadurch allerdings praktisch nicht wesentlich beeinträchtigt.
Die Reihenfolge der Betrachtungslininien ist damit:

Linie Ο,Α,Β, Linie Ι,Α,Β, Linie 2,A,B,.... Linie 63,A,B, Linie Ο,Α,Β usw. Das Bild kann alternativ auch durch Sprungabtastung erzeugt werden, womit die Abtastreihenfolge

Linie Ο,Α,Β, Linie 2,A,B, Linie 62,A,B, Linie Ι,Α,Β,

Linie 3,A,B, Linie 63,A,B, usw. ist.

Selbstverständlich können auch mehr als zwei Linien mit Markierungen 5 versehen sein, wobei allerdings mit steigender Anzahl markierter Linien die Bildfrequenz auf dem Schirm 11 und die höchste abtastbare Geschwindigkeit der Teilstruktur geringer werden.

Ein Synchrongenerator 12 versorgt andere Einheiten des Kreises, die für den Beginn jeder Linienabtastung, wie z.B. der Abtastung einer Betrachtungs- und Meßlinie, eine Anzeige benötigen, mit der Zeitsteuerung des Linien-Datenprozessors 9. Der Anwender kann die Meßlinien A und B auf gewünschte Stel-

len auf dem Subjekt mit Hilfe der Fernsteuerungseinheit 13 einrichten, an die die Handbedienungseinrichtung 14 angeschlossen ist, und die als Meßlinien benutzten Linien werden auf dem Schirm 11 mit zwei Markierungen abgebildet. Der Linien-Datenprozessor 9 stellt sicher, daß diese Markierungen an der richtigen Stelle auf dem Schirm 11 erscheinen und daß "Echoabtast-Datenprozessoren" 15,16 darüber informiert werden, von welcher Meßlinie in diesem Moment gesendet wird.

Zu Beginn einer Meßfolge informiert der Anwender die Echoabtast-Datenprozessoren 15,16, von welchem Punkt des Schirms 11 eine weitere Echoabtastung erfolgen soll, d.h. nachdem der Anwender die anfänglich punktförmigen Markierungen 5A und 5B in einer gewünschten Tiefe, z.B. an einigen zentralen Stellen in einem Blutgefäß, plaziert hat. Anschließend erfolgt durch Drücken des "Search" - Schlüssels oder- Knopfes auf der Handbedienungseinrichtung 14 eine Vielzahl von Meßfolgen, bei denen ständig die Meßlinien abgetastet werden und die Echoabtast-Datenprozessoren 15,16 feststellen, ob ein Signalteil, der eine Gefäßwand an zeigt, an der Markierung vorhanden ist, und - falls keine derartige Signalkomponente vorliegt - die Markierung nach außen weiterbewegt. DerOd-Echoabtast-Datenprozessor 15 tastet die dem Ultraschall-Kopf für beide Meßlinien A und B nächstliegende Gefäßwand ab und der β-Echoabtast-Datenprozessor 16 tastet den Teil der Gefäßwand ab, der für beide Meßlinien A und B am tiefsten liegt, d.h., daß der OC-Datenprozessor 15 innerhalb der Struktur und der β-Datenprozessor 16 außerhalb davon sucht. Während dieser Suchsequenz erfolgt keine Berechnung des Fm·· schlagdiagrammes. Die punktförmigen Markierungen 5A und 5B werden während der Suchsequenz über einige Meßfolgen ausgedehnt, bis die Echoabtast-Datenprozessoren 15,16 bei der Analyse der von den Meßlinien abgeleiteten Signale Gefäßwände repräsentierende Signalkomponenten finden, worauf sie auf den vorzugsweise dritten Nulldurchgang einstellen (einrasten).

Sind zwei Echoabtast-Datenprozessoren 15,16 vorgesehen, von denen der eine für beide Meßlinien A und B auf die vordere

Gefäßwand und der andere auf die hintere Gefäßwand einstellt, ist es möglich, mehr als zwei Markierungen auf der gleichen Teilstruktur zu wählen, ohne die Hardware für eine spezielle Anpassung an diese Wahl zu benötigen. Wenn andererseits die Bewegungen einer großen Zahl beweglicher Teilstrukturen in der geprüften Struktur gleichzeitig zu untersuchen sind, so z.B. bei zwei untereinander liegenden Blutgefäßen, sind zwei Echoabtast-Datenprozessoren für jede solche Teilstruktur nötig. 10

Jeder Echoabtast-Datenprozessor 15 und 16 wirkt mit einem zugehörigen Zähler 17 und 18, einem zugehörigen RAM-Adresszähler 21 und 22, sowie einem zugehörigen RAM-Speicher 23 und 24 zusammen.
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Fig. 6 zeigt eine von der in Fig. 5 verschiedene Ausbildung der einzelnen Kopplungsarten zwischen Verzögerungszähler, RAM-Adresszähler, RAM-Speicher und den Kreisen, die angeben, was in den RAM-Speicher einzugeben ist.

In der Ausführung nach Fig. 5 erfahren die Echoabtast-Datenprozessoren 15 und 16 von der Fernsteuereinheit 13 zu Beginn einer Meßreihe, von welchem Punkt auf dem Schirm 11 aus eine neue Suche nach Echos erfolgen soll, worauf die Datenprozessoren von ihren zugehörigen RAM-Speichern fortlaufend die neuesten Werte der Positionen der von den Teilstrukturen kommenden Echos erhalten, die die Grundlage für Entscheidung und Abtastung bildet. Für jeden Echoabtast-Datenprozessor mit Peripheriegerät(en) speichert der Echoabtast-Datenprozessor 15,16 die Werte einer neuen Suche für beide Linien A und B in dem Verzögerungszähler 17,18 , der bei jedem Suchvorgang vom Zeitpunkt des Aussendens eines Ultraschall-Pulses für eine Meßlinie bis Null zurückzählt. Wenn Null erreicht ist, liefert der betreffende Verzögerungszähler 17, 18 einen Puls, dessen Position auf der bestimmten Linie dem Ultraschall-Scanner durch ein Signal angezeigt wird, das dem Eingang eines mit dem Anschluß 10 verbundenen Z-Modus-Anzeiger 19 zugeführt wird und den zugehörigen RAM-

Adresszähler 21,22 aktiviert. In der Ausbildung nach Fig. 5 wird das von dem A/D-Wandler 20 umgewandelte Signal in den RAM-Speicher 23 bzw. 24 eingegeben. Jeder RAM-Adresszähler 21 und 22 ist eingeschränkt auf die Aufwärtszählung ab einer vorbestimmten Adressenanzahl im Anschluß an die Aktivierung durch seinen zugehörigen Verzögerungszähler 17 bzw. 18, womit nur ein begrenzter Teil des A/D-umgesetzten Signals in den damit verbundenen RAM-Speicher 23 bzw. 24 eingeschrieben wird, nachdem der Z-Modus-Anzeiger 19 die Indikation 06 -oder β-Markierung an einem seiner Eingänge erhalten hat.

Wenn das Signal in Echtzeit in den entsprechenden RAM-Speicher 23 bzw. 24 eingegeben ist, können die Echoabtast-Daten-Prozessoren direkt, d.h. in Quasi-Echtzeit, die Position der Echos analysieren, um zu berechnen, wie weit sie sich von der Position entfernt haben, in der sie sich in der unmittelbar vorhergehenden Übertragung auf der gleichen Linie befunden haben. Dieser Wert wird einem Ergebnis-Datenprozessor übermittelt, der dann Berechnungen der Bewegung der Teilstruktur durchführt, die teilweise in einen D/A-Wandler 26 eingespeichert werden, wonach das Analogsignal von einem Schreiber aufgezeichnet oder einem Bildschirm sichtbar gemacht' tfird. Der D/A-Wandler 26 kann das vom Ergebnis-Datenprozessor 25 erhaltene Digitalsignal auch über eine externe Einheit zur weiteren Verarbeitung weiterleiten. Es ist außerdem möglich, ein externes Datenverarbeitungssystem 27 zusätzlich zum Ergebnis-Datenprozessor 25 oder anstatt dessen zuzuschalten, mit dem die Speicherung in einem Massenspeicher hoher Speicherkapazität zur späteren Analyse der erhaltenen Meßwerte erfolgen kann.

Wenn nur ein externes Datenverarbeitungssystem und kein Ergebnis-Datenprozessor vorhanden ist, kann jeder Echoabtast-Datenprozessor 15 und 16 für die Berechnung der Verschiebungen in der Gefäßwand zur Aktivierung eines entsprechenden zugehörigen Verzögerungszählers 17 und 18 an einer vorgesehenen Stelle der nächstfolgenden Meßlinie programmiert

werden.

Fig. 6 gibt eine alternative Ausbildung der Schaltungsteile in Fig. 5 wieder, welche die Elemente 15,17,20,21,23 oder 16, 18,20,22,24 umfassen. Die Tatsache, daß der Anwender nur an den Nulldurchgängen des Videosignals, wie aus Fig. 3 evident, interessiert ist, kann für Zwecke der Signalverarbeitung benutzt werden. Das Videosignal, d.h. das nichtdetektierte Ultraschall-Signal, wird dem Eingang eines bistabilen D-Flip-Flop 28 zugeführt und Steuer- (Takt-) Impulse einer passenden Frequenz, z.B. 70 MHz, auf dessen Steuereingang gegeben.

Das Videosignal mit ausgefiltertem Gleichstromanteil variiert um die Null-Linie. Das Flip-Flop 28 erhält am Eingang ein Binärsignal mit dem Wert 1 bei positivem Videosignal und eines mit dem Wert 0, wenn das Videosignal Null oder negativ ist. Das entsprechend dem Steuersignal aus dem Eingangssignal gebildete Ausgangssignal wird dem Steuereingang einer Halteschaltung 29 zugeführt, die, wenn sich das Signal des Flip-Flop 28 vom Wert 1 auf 0 ändert, das Signal im RAM-Zähler an einem Signaleingang der Halteschaltung anlegt und den Wert dieses Signals hält, bis das Ausgangssignal des Flip-Flop 28 sich erneut von 1 auf 0 ändert. Das Ausgangssignal der Halteschaltung 29 ist das in diesem Augenblick in ihm gespeicherte Signal, welches später im RAM-Speicher 32 mit einem passenden Steuersignal, z.B. 70/8 MHz, eingespeichert wird.

Wie in der Schaltung gemäß Fig. 5, erhält der Verzögerungszähler 30 ein Trigger- oder Anstoß- Signal von dem Echoab- tast-Datenprozessor und zählt von einem von diesem erhaltenen Wert auf Null zurück, wobei dieser Wert für jede Meßreihe auf den neuesten Stand gebracht wird. Wenn der Verzögerungszähler 30 auf Null zurückgezählt hat, liefert er einen Impuls zum Triggereingang des RAM-Adress-Zähler 33, der mit der gleichen Taktfrequenz wie die des D-Flip-Flop 28 aufwärts zu zählen beginnt.

Das Ausgangssignal des RAM-Adress-Zählers 33 repräsentiert stets den Zeitpunkt, zu dem der Echoabtast-Datenprozessor bis Null zurückgezählt hat. Dieser Beginn des neuen Suchvorgangs ist so gewählt, daß er auf einen passenden Zeitpunkt vor demjenigen fällt, zu dem die Position der Gefäßwand während der vorangehenden Abtastung derselben Meßlinien fest bestand. Der Ausgang des Zählers 33 ist mit dem Signaleingang der Halteschaltung 29 verbunden, sodaß die nacheinander darin gespeicherten Informationen die Zeiten der Nulldurchgänge des Videosignals repräsentieren, zu denen ein neuer Suchvorgang beginnt.

Der Ausgang des RAM-Adress-Zählers 33 ist zusammen mit den Linien mit den drei bits geringster Bedeutung auch mit dem einen Eingang eines Multiplexers 34 verbunden, an dessen anderem Eingang der Adressbus des Echoabtast-Datenprozessors angeschlossen ist. Beim Einlesen in den RAM-Speicher verbindet der Multiplexer 34 den Ausgang des Zählers 33 mit dem Adresseingang des RAM-Speichers 32. Der Echoabtast-Datenprozessor 31 führt den Multiplexer 34 auf seinen DS-Eingang ( DS = Data Select ) um auszuwählen, welcher dieser Eingänge in jedem Einzelfall mit seinem Ausgang verbunden werden soll. Der RAM-Speicher 32 ist taktgeregelt bei einer Taktfrequenz, die das Steuersignal dem RAM-Adress-Zähler mit mehreren durch einen geradzahligen Faktor, z.B. 8, geteilten Elementen angepaßt, wobei die Taktfrequenz für den Speicher 32 z.B. 70/8 MHz beträgt. Das Videosignal ist so mit der höheren Pulsfrequenz von z.B. 70 MHz im D-Flip-Flop 28 synchronisiert, die negativen Nulldurchgänge halten dem RAM-Adress-Wert in der Halteschaltung 29 und jeder gehaltene Wert wird in den RAM-Speicher mit der niedrigeren Taktfrequenz von 70/8 MHz eingelesen.

Damit wird in diesem Fall nicht das tatsächliche Ultraschall-Signal in den Speicher eingelesen, sondern die Zeitpositionen der negativen Nulldurchgänge in Relation zu dem neuen

vorher dem Verzögerungszähler übermittelten Suchzeitpunkt. Der Nulldurchgang, bei dem das System einrastet, kann durch kontinuierliches Wechseln des neuen Suchzeitpunktes in eine bestimmte Zelle des RAM-Speichers eingeschrieben werden. Wenn der Nulldurchgang, d.h. die Teilstruktur, wandert (sich bewegt), ändert sich der Wert in diesem RAM-Element. Diese Wertänderung wird zur Messung des Ausmaßes einer solchen Bewegung verwendet und mit dieser Wertänderung ändert sich auch der Wert im Verzögerungszähler zwischen den einzelnen Abtastungen der betreffenden Meßlinien. Der Wert im Verzögerungszähler wird in den Ergebnis-Datenprozessor 25 für jede Prozessoperation eingespeist. Die Signalvorbereitung ist dann zwischen den einzelnen Ultraschall-Meßpulsen ungestört ermöglicht.

Jeder RAM-Speicher 32 hat ein solches Speicherelement und für jede Teilstruktur wie das vorgenannte Blutgefäß sind zwei RAM-Speicher vorgesehen. Es können bis zu vier Meßlinien ausgewählt werden, ehe das Flackern des auf dem Schirm 11 dargestellten Bildes zu störend wird, sofern nicht eine Abtast-Konvertertechnik benutzt wird; nichtsdestoweniger ergibt sich das beste Resultat, wenn die Anzahl der Meßlinien auf zwei beschränkt ist. Aus den vom Echoabtast'-Datenprozessor erhaltenen Werten errechnet der Ergebnis-Datenprozessor 25 (siehe Fig. 5) fortlaufen, d.h. für jede Meßfolge, die Abstände zwischen den gleichzeitig bei zwei gegenüberliegenden Wänden der untersuchten Teilstruktur vorgenommenen Messungen; das Ergebnis dieser Berechnungen wird in die Anzeigeeinheit 261 eingespeist. Auch Herztöne eines zu untersuchenden Patienten können aufgenommen, dem Ergebnis-Datenprozessor zugeführt und gleichzeitig auf dem Schirm 261 aufgezeichnet werden um einen Zeitbezugspunkt zu erhaten. Vor der Signalaufzeichnung auf dem Schirm 261 wird die Gleichstromkomponente automatisch vom Signal abgezogen, sodaß das Signal derart verstärkt werden kann, daß sein Variationsbereich so klar wie möglich darstellbar ist.

Wie in Fig. 4 illustriert, sind die beiden Kurven A, und B,, welche die zwei Markierungen A und B repräsentieren, zueinander in der Zeit versetzt. Dieser Versatz ist durch Bewegung des Blutdruck-Pulses entlang dem Blutgefäß bei einer bestimmten Geschwindigkeit £ verursacht, die sich aus dem Verhältnis des Abstandes Δχ zwischen den Meßlinien zum Zeitversatz /^t zwischen den Kurven A und B, d,h. c =Δ x/^t ergibt.

Infolge der Tatsache, daß das Gefäß, an dem Messungen vorgenoxnmen werden, im allgemeinen nicht auf seiner ganzen Länge vollkommen homogen ist, insbesondere bei älteren Menschen, können die Kurven A, und B, wesentlich unterschiedliche Formen aufweisen, die auf der anderen Seite wichtige medizinische Informationen betreffend unterschiedliche Arten von Gefaßwandveranderungen liefern. Als Ergebnis hiervon stößt man leicht auf Schwierigkeiten bei der Definition des Zeitversatzes zwischen den Kurven A-, und B, , der zur Berechnung der Pulswellengeschwindigkeit £ benutzt wird. Fig. 4 gibt zwei verschiedene Möglichkeiten an, diesen Zeitunterschied zu bestimmen. Die einfachste Methode, die genannte Zeitdifferenz unter technischem Aspekt zu ermitteln, besteht darin, den Zeitunterschied zwischen den Fronten zweier Pulsschlagkurven A, und B, zu bestimmen. Der Genauigkeitsgrad, mit dem eine solche Messung ausgeführt werden kann, ist jedoch durch jede vorkommende Rauschüberlagerung reduziert, wenn die Messung nur an einem einzelnen Kurvenpunkt erfolgt.

Eine befriedigendere Methode besteht darin, eine Nachbildung der ersten Pulswellenform entlang einer Zeitachse zu verschieben und die Position zu bestimmen, bei der die integrierten, quadrierten Differenzen zwischen der versetzten Wellenform oder Kurve und der zweiten Pulsschl'agkurve einschließlich des Rauschens ein Minimum ist. Dies ist gleichbedeutend mit dem gleichzeitigen Vergleich aller Punkte der beiden Well^fenformen um eine Lösung zu finden, die die beste Übereinstimmung ergibt.

Beide vorstehend beschriebenen Methoden liefern die Zeitdifferenz t_Rx; - t ,. in Fig. 4.

Zusätzliche Probleme sind jedoch, wie bereits erwähnt, durch die Tatsache geschaffen, daß die Pulswelle während der Ausbreitung entlang dem untersuchten Gefäß häufig beträchtlich die Form ändert. Dafür gibt es verschiedene Gründe, deren wichtigste die folgenden sind:

a) eine Geschwindigkeitsstreuung, d.h. unterschiedliche Frequenzanteile der Pulswelle breiten sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus;

b) frequenzabhängige Dämpfung der sich ausbreitenden Pulswellen;

c) nicht lineares Elastizitätsverhalten der Gefäße mit zunehmender Ausdehnung;

d) die Wirkungen zunehmender Steifheit der Arterien mit wachsender Entfernung vom Herzen zusammen mit der Verengung der Gefäße in den Verzweigungen; und

e) die Grundspannung von Gefäßen kann sich während der Schreibzeit verändern.

Dies erschwert eine genaue Abschätzung des Zeitunterschiedes zwischen zwei Pulswellen. Das Problem ist demjenigen ähnlich, das beim Gebrauch von Indikatoren oder Markierungsgeräten, wie z.Bp. Farbstoffen, Radioisotopen, Wärme und Salzlösungen, auf dem Gebiet medizinischer physiologischer Untersuchungen. Wenn eine Indikationssubstanz das System durchsetzt, wird die Vielzahl von darin enthaltenen Teilchen entsprechend der Entfernung von den Einführungsstellen entlang dem Gefäßsystem gestreut und ist daher auch zum Zeitpunkt des Eintreffens am Meßort gestreut. In derartigen Fällen ist das erhaltene Signal abhängig von einer Art "Schwerpunkts"-Berechnung. Das gleiche Berechnungsprinzip kann für die zwei Kurvenformen A, und B-, benutzt werden zur Berechnung der mittleren Durchlaufzeit ( MTT = mean traverse time ) von Pulswellen entsprechend der Formel

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^tc _Tc(t).dt

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wobei c(t) die radiale Dehnung eines Gefäßes als Funktion der Zeit ist. Dies ergibt eine Berechnung, die alle Teile der Pulswellenform mit einbezieht und daher automatisch und mit begrenzter Rauschempfindlichkeit gerechnet werden kann. t_A und t_ß in Fig. 4 wurden mit dieser Methode erhalten.

Die starke Wechselwirkung zwischen Pulswellenform und Elastizitatseigenschaften des Gefäßes und des umgebenden Gewebes sollte nicht nur als Nachteil gesehen werden.

Vielmehr können aus der exakten Analyse von Differenzen zwischen den angezeigten Pulsformen A, und B, viele nützliche Informationen über normale und pathologische Zustände abgeleitet werden. Als Beispiele können erwähnt werden:

a) die Geschwindigkeitsdispersion wurde in hydraulischen Modellen theoretisch und experimentell untersucht, wobei herausgefunden wurde, daß sie eine Folge der Viskosität der Flüssigkeit innerhalb des Rohrs und der viskosen Komponenten in den zäh-elastischen Wänden ist.

b) die sichtbare Verbreiterung der Pulswellenform bei der Ausbreitung entlang dem Gefäß ist häufig nicht von der Geschwindigkeitsstreuung abhängig, sondern vielmehr von der Folge differentieller Dämpfung der Frequenzanteile der Pulswelle. Aus der Standardgleichung für die Pulswelle A = A₀»exp(-k· x) ergibt sich, daß der Dämpfungskoeffizient k frequenzabhängig ist. Er wächst häufig linear mit der Frequenz, d.h. k =OC«f, worin 06 konstant und :£ die Frequenz ist. Die Abschätzung von Od kann ein wichtiger Parameter für die quantitative Unterscheidung von normalem und pathologischem Gefäßgewebe sein.

c) die Pulswellengeschwindigkeit ist abhängig vom Blutdruck. Es ist bewiesen, daß die Wellengeschwindigkeit entfernter arterieller Segmente proportional mit dem diastolischen Druck ansteigt. Nichtinvasive Druck-

■ft H . * _i(

überwachung kann gemäß der Erfingung mit Hilfe des Zeitunterschiedes zwischen den Kurven A, und B, und durch Vergleich ihrer Kurvenformen kontinuierlich erfolgen. Auf diese Weise kann der Blutdruck ohne Eingriff gemessen werden durch Benutzung der gegenüber derjenigen von Bramwell & Hill modifizierten Ableitung der Pulswellengeschwindigkeit c = k«V^AP/ _v , oder umgeformt

wo Δ P der Absolutwert des Blutdrucks, d.h. die Differenz von systolischem und diastolischem Blutdruck, k eine Konstante, V das Volumen und AV die Volumensanderung ist. Der Ergebnis-Datenprozessor 25 führt diese Berechnung aus für die erhaltenen Kurvenformen A, und B, und speist mit dem Ergebnis dieser Rechnung eine externe Einheit über den externen Bus von der Einheit 26.

Die errechnete Pulswellengeschwindigkeit £ kann auch zur Berechnung der Gefäßelastizität benutzt werden durch die Verwendung der Formal von Moens

c = ic

^{c k}l D-d

worin E die detektierte Gefäßelastizität, a. die Dicke der Gefäßwand, D die Blutdichte, d der innere Druckmesser des Gefäßes im diastolischen Zustand und k, und £ Konstanten sind. Der Ergebnis-Datenprozessor 25 berechnet d aus der Differenz zwischen den Werten der Positionen von äußerer und innerer Gefäßwand jeweils zu einem Zeitpunkt mit einem Minimalwert im Pulsdiagramm, wie z.Bp. t und t„ in Fig. 4, für eine der Meßlinien A oder B, wobei diese Werte in den RAM-Speichern 23 und 24 (Fig. 5) gespeichert sind. Die Elastizität E des Gefäßes wird dann nach folgender von der obigen abgeleiteten Formel berechnet
35

E =

k,·g«a

Wie in der Einleitung erwähnt werden Doppler-Ultraschall-Messungen häufig für Zwecke der Strömungsmessung benutzt. Dabei verwendet die Methode als Ausgangspunkt einen mittleren Durchmesser des betreffenden Gefäßes, was Anlaß zu gewissen Fehlern gibt. Wie in Fig. 7 dargestellt, kann ein Doppler-Ultraschall-Messer 35 neben dem Ultraschall-Abtastkopf 1 unter einem Winkel SL angeordnet sein, so daß sein ausgesandtes Signal sich entlang der Linie C zum gleichen Teil des Blutgefäßes 4 hin ausbreitet wie die eine Meßlinie A. Das vom Doppler-Ultraschall-Messer 35 abgeleitete Signal kann dem Ergebnis-Datenprozessor 25 in Fig.6 (nicht dargestellt) eingespeist werden. Eine Fehlerreduzierung ist erreichbar durch Verwendung des Doppler-Verfahrens gleichzeitig mit einem Gefäßdurchmesser-Meßverfahren. In diesem Falle wird das Doppler-Ultraschall-Meter 35 zur Aktivierung mit einem Synchronisiersignal zur gleichen Zeit getriggert wie eine Meßlinie abgetastet wird, so daß das Doppler-Ultraschall-Meter 35 zur Messung aktiviert wird anstatt die Linie B direkt im Anschluß an die Abtastung der Meßlinie A zu messen. Das im Doppler-Ultraschall-Meter 35 erhaltene Signal wird dem Ergebnis-Datenprozessor 25 zugeführt, der zudem Informationen über den Durchmesser des Gefäßes zu diesem Zeitpunkt bekommt. Mit Hilfe dieser beiden Angaben berechnet der Ergebnis-Datenprozessor 25 die Durchflußgeschwindigkeit zu diesem Zeitpunkt und den Mittelwert der Strömung über eine Pulsperiode; außerdem kann mit Hilfe eines gespeicherten WertesΔρ des Pulsdrucks die Gefäßspannung in diesem Moment mittels der Formel berechnet werden

R„ _n =^AP/FR Vessel '

wobei R , die Gefäßspannung,Δρ der absolute Wert des Pulsdrucks und FR (Flow Rate) die Durchflußgeschwindigkeit ist.

Nach dem Vorhergehenden liefert der Ultraschall-Scamv ständig ein neues "Echtzeit"-Bild der Meßumgebung, die ιυ·. eine zur klinischen Arbeit benutzte Ultraschall-Meßeinrichtung erforderlich ist. Die Markierungslinie A ist im einzelnen auf dem Schirm 11 dargestellt, so daß der Anwender sofort sehen kann, wo die Messung des Gefaßdurchmessers stattfindet. An einer getrennten Anzeigeeinheit (nicht dargestellt) wird der für die Doppler-Ultraschall-Messung der Blutströmung mit dem Doppler-Ultraschall-Meter 35 benutzte sample-Umfang gezeigt.

Unglücklicherweise bestehen gewisse naturgesetzlich bedingte Grenzen:
1) Die benötigte Zeit zum Senden eines Ultraschall-Pulses bis zur Tiefe R im Körper und bis zum Erhalt eines Echos beträgt t = * /c, wo c die Ultraschall-Geschwindigkeit in dem betreffenden Gewebe ist (normalerweise 1540 ^m/s). Wenn der nächste Puls unmittelbar nach der Rückkehr des vorhergegangenen Pulses aus der Tiefe R gesendet wird, beträgt die maximale Pulswiederholungsfrequenz ρ = /t oder ^C/2R. Um einen praktischen Wert zu bekommen, wird angenommen, daß R = 10 cm beträgt; dann wird ρ = /2·0,1 = 7700 Pulse/s (dies ist vereinfacht, da der Dopplerpuls einen längeren Weg zurücklegen muß). Diese Ultraschall-Pulse sollen sowohl für die Bilderzeugung, als auch für die Messung des Gefäßdurchmessers und der Blutströmung genügen. Als Folge davon wird praktisch die vorstehend beschriebene periodische Abfolge der Übertragungs-Pulse angewandt, d.h. a) für das Bild b) für Gefäßmessungen c) für Doppler-Ultraschall-Messung etc.

Für jede Nutzfläche erhält man dann 7700/3 ft*2570 Pulse/s. Bezüglich der Bilder sind 10 Bilder/s mit je 257 Horizontalzeilen denkbar. Dies ist vermutlich voll akzeptabel, insbesondere im Hinblick auf die Tatsache, daß in der Praxis das Bild durch Verwendung eines schnellen Wiederholungs-Bildspeichers still, d.h. flimmerfrei ge-

■ -Vl-

halten werden kann.

2) Es können 2570 Gefäßmessungen je Sekunde durchgeführt werden. Hier ergibt sich ein Konflikt: Normalerweise ist es wünschenswert, die höchstmögliche Ultraschall-Frequenz zu benutzen, um eine gute räumliche Auflösung, d.h. ein scharfes Bild, zu erhalten. Dies begrenzt jedoch die maximale Abtastgeschwindigkeit des phasenstarren Systems. In der Praxis ist es allerdings möglich, eine ausreichend hohe Abtastgeschwindigkeit für Gefäßpulsationen (Pulsschlag) durch Wahl einer Ultraschall-Frequenz von 3-7 MHz zu erhalten.

3) Doppler: Es ist bekannt, daß Ultraschall-Doppler-Pulse eine begrenzte sogenannte Bereichsgeschwindigkeit v»R = ^c /8»f aufweist, wobei ν die maximale Radialgeschwindigkeit, R die Entfernung und f die benutzte Ultraschall-Frequenz ist. Für f = 5 MHz und R= 0,1m ergibt sich daraus ν = ¹⁵⁴⁰'/0,1·8·5»10⁶a*0,6 ^m/s.

Dies reicht für den klinischen Gebrauch nicht aus. In diesem Fall ist es möglich, den Trick zu benutzen, die Ultraschall-Frequenz z.B. auf 1 MHz zu erniedrigen, wodurch die Bereichsgeschwindigkeit auf 3 /s ansteigt (gewünschter Wert: wenigstens 1,5-2 ^ra/s).

Schließlich kann die Meßgrenze für die Blutströmungsgeschwindigkeit erweitert werden durch Erhöhung des Winkelst,zwischen Ultraschall-Wandler und Blutgefäß von normalerweise 45° auf etwa 60° (.für größere Winkel wird das Signal-Rausch-Verhältnis drastisch schlechter, bei 90° ist eine Messung unmöglich).

Das Problem mit dieser Ultraschall-Frequenz liegt jedoch darin, daß der resultierende Ultraschall-Strahl viel zu breit und unspezifisch wird. Praktische Versuche haben indessen gezeigt, daß mittels eines fokussierten Wandlers oder Senders im Betriebsbereich eine Strahlweite erreichbar ist, die zumindest gleich gut ist wie ein herkömmli-

eher nichtfokussierter Sender bei höherer Frequenz (5 MHz).

Vorstehend sind Möglichkeiten beschrieben worden, gleichzeitig eine begrenzte Anzahl, wie z.B. zwei oder drei Pulsschlag-Diagramme zu erzeugen und außerdem, wie das erfindungsgemäße Gerät mit Hilfe dieser Diagramme in der Lageist, die mittlere Durchflußgeschwindigkeit in einem untersuchten Gefäß zwischen den ausgewählten Meßlinien zu berechnen und wie darüber hinaus das Gerät mit Hilfe der Kurvenformen andere Gefäßeigenschaften zu berechnen. Zusätzlich ist es möglich, auf bestimmte Gefäßeigenschaften zu schließen, ob beispielsweise innerhalb des Untersuchungsbereiches die Gefäßwand eine Verdickung o.a. aufweist. Zur Erzielung größtmög-1icher Genauigkeit bei der Verwendung zweier Meßlinien A und B sollten diese relativ weit auseinander liegen, sodaß ΔΧ groß ist.

Bei diesen derzeit für Gefäßwanduntersuchungen z.B. der HaIs-Schlagader benutzten Methoden ist u.a. die Tatsache nutzbar, daß örtliche Veränderungen in der Gefäßwand örtlich unterschiedliche Pulswellengeschwindigkeiten bewirken, derart, daß diese bei einem dickeren Abschnitt größer, ist. Dadurch kann in vorteilhafter Weise ein veränderter Teil einer untersuchten Arterie direkt lokalisiert werden, eine Möglichkeit, die bei einer Weiterentwicklung der Erfindung in vollem Umfang ermöglicht ist. Wenn sich bei der Untersuchung eines Patienten ergibt, daß die zwei Kurvenformen A-, und B, in Fig. 4 gleich sind, besteht Grund zur Annahme, daß das untersuchte Gefäß keine besonderen Veränderungen zwischen den Meßstellen erlitten hat. In diesem Fall sind keine weiteren Prüfungen nötig.

Wenn andererseits ein hohes Maß an Unterschiedlichkeit zwisehen den Kurvenformen A, und B, besteht, wie z.B. in Fig. 4 dargestellt, rechtfertigt dies sehr wohl, die Gründe hierfür näher zu untersuchen.

Demgemäß kann der Anwender in Übereinstimmung mit einer Weiterentwicklung der Erfindung das Gerät mittels der Einheit wieder einstellen und erhält damit ein Reliefdiagramm entsprechend dem in Fig. 8. In Fig. 8a ist eine Vielzahl von Puls· diagrammen gleichzeitig auf einem Bildschirm dargestellt, die miteinander durch eine gemeinsame Zeitachse 36 verknüpft sind, die vorzugsweise schräg verläuft und in dem in Fig. 8 illustrierten Fall nach den Vorderflanken der Impulse angeordnet ist, jedoch selbstverständlich auch plaziert sein kann. Die Herztöne des Patienten können z.B. aufgezeichnet und als Zeitreferenz benutzt werden.

Wie bereits erwähnt, ist eine vorteilhafte Wirkung hinsichtlich des Bildes auf dem Schirm des Ultraschall-Scanners 8 und der tatsächlichen Auflösung der Pulsschlag-Kurven durch die Verwendung von mehr als zwei oder drei Meßlinien erzielt. Wenn der Anwender demgemäß einen Knopf, bezeichnet mit "ReIiefdiagramm", auf der Einheit 14 drückt, instruiert die Fernsteuereinheit 13 den Ergebnis-Datenprozessor 25, den Linienprozessor 9 aufzufordern, zwei oder drei Meßlinien relativ nahe beieinander in dem Bildteil auf dem Schirm 11 zu plazieren, indem die ersten Betrachtungslinien in einem Bild gezeichnet sind. In einer ersten Meßreihe wird ein Pulsschlagdiagramm für mindestens eine Pulsschlagperiode in der vorbeschriebenen Weise geschrieben. Die so erhaltenen Diagramme, die eine Periode des Pulstaktes wiedergeben und berechnete gegenseitige Zeitabstände aufweisen, werden in einen Speicher des Ergebnis-Datenprozessors eingegeben. Die Diagramme können gleichzeitig auch auf dem Bildschirm 226 aufgezeichnet werden. Anschließend verschiebt der Ergebnis-Datenprozessor 25 die Meßlinien auf dem Schirm 11 zu den nächsten zwei oder drei Betrachtungslinien mit den gleichen gegenseitigen Abständen wie die ersten Meßlinien und mit demselben Abstand zwischen der letzten Meßlinie in der ersten Pulsschlag-Meßreihe und der ersten Meßlinie in der zweiten Pulsschlag-

Meßreihe, schreibt die Pulsschlag-Diagramme mit der gleichen Zeitreferenz wie beim ersten Diagramm der ersten Pulsschlag-Meßreihe im Anschluß an die Einstellung der Markierungen und das Einspeichern dieser Pulsschlag-Diagramme zusammen mit den Diagrammen der ersten Pulsschlag-Meßreihe in einen entsprechenden Speicher und die Aufzeichnung dieser Diagramme auf dem Schirm 261. Der Ergebnis-Datenprozessor 25 verschiebt dann erneut Meßlinien auf dem Schirm 11 etc., und zeichnet weiter Pulsschlag-Diagramme verschiedener Pulsschlag-Meßreihen auf, bis die Meßlinien den gesamten benutzten Schirm 11 bedecken. Die auf dem Schirm 261 geschriebenen Diagramme werden entsprechend dem Fortschreiten des Meßvorgangs fortlaufend benutzt.

Wie bereits angeführt, beträgt eine herkömmliche Anzahl von Betrachtungslinien für ein Ultraschall-Bild 64. Es ist jedoch nicht nötig, eine derart große Zahl von Meßlinien zu haben, es kann jede dritte oder vierte Betrachtungslinie als Meßlinie gewählt werden, wobei die Pulsschlag-Diagramme relativ schnell geschrieben werden können. Da die getrennten, ein Reliefdiagramm bildenden Pulsschlagdiagramme paarweise oder zu dreien bei einer Geschwindigkeit, die höchstens der halben Periode des Pulses der untersuchten Person entspricht, geschrieben werden, ist die Wahl der Anzahl von ausgewählten Meßlinien eine Frage des Ausgleichs zwischen einer gewünschten Linienteilung des Relief-Diagramms und der Zeit für die Aufzeichnung des Diagramms als ganzes. Fig. 8 veranschaulicht in etwas übertriebener Form das Erscheinungsbild eines Relief-Diagramms mit einer Einschnürung, die annähernd im Zentrum der untersuchten Gefäßfläche angeordnet ist. Dadurch sind die getrennten aufgezeichneten Pulsschlag-Diagramme im Zentrum der Einschnürung weniger dicht als an deren Seiten. Die Pulsschlag-Diagramme A-,und B, in Fig. 4 sind im einzelnen in Fig. 8 dargestellt. Zusätzlich wurde die Zeitdifferenz t_R.p - t_A.e gezeigt, um das Verhältnis zwischen den Pulsschlag-Kurven in Fig.8 und denen in Fig.4 zu verdeutlichen.

Im Bereich der Erfindung sind darüberhinaus noch viele Abwandlungen möglich.

Claims

Patentansprüche

1. Gerät zur Messung beweglicher Teilstrukturen innerhalb eines lebenden Körpers, bestimmt zum Zusammenwirken mit einem Ultraschall-Scanner (8), der einen Ultraschall-Kopf (1) mit einer Vielzahl von Ultraschall-Sendereinheiten aufweist, sowie zur Erzeugung von Pulsschlagdiagrammen, welche die Bewegungen eines pulsierenden Gefäßes in einem lebenden Körper wiedergeben, gekennzeichnet durch

- eine Steuereinrichtung (9), welche die Ultraschall-Sendereinheiten in einer für den Ultraschall-Scanner (8) normalen richtigen Reihenfolge nacheinander aktiviert und zwischen jeder Aktivierung einer der Ultraschall-Sendereinheiten für den Ultraschall-Scanner (8) nacheinander wenigstens zwei ausgewählte Meßlinien (A,B) aktiviert, deren jede eine entsprechende Ultraschall-Sendereinheit repräsentiert;

- eine Gefäßwand-Anzeigeeinrichtung (15,25) zum Empfang des * als Reaktion auf die Aktivierung der genannten ausgewählten I Ultraschall-Sendereinheiten erhaltenen Signals, die für *■ jede Meßlinie (A,B) mit jeder Abtastung dazu vorgesehen ist, zwei Gefäßgrenzflächen zu suchen und die Änderung in diesen Gefäßgrenzflächen in Bezug auf eine vorhergehende Anzeige der Meßlinie zu berechnen und

- eine Recheneinrichtung (25), die für jede Meßlinie (A,B), ausgewählt für das pulsierende Gefäß aufgrund der von der Gefäßwand-Anzeigeeinrichtung (15,25) erhaltenen Information, ein Pulsschlagdiagramm berechnet und dieses auf einer Anzeigeeinheit (261) darstellt.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gefäßwand-Anzeigeeinrichtung (15,25) zwei Einheiten (15,17,21,23 und 16,18,22,24) enthält, deren eine dazu bestimmt ist, für alle Meßlinienabtastungen die dem Meßkopf (1) für das geprüfte

Gefäß nächstliegende Grenzfläche zu untersuchen, und deren andere dafür vorgesehen ist, für alle Meßlinienabtastungen die vom Meßkopf (1) am weitesten entfernte Grenzfläche zu untersuchen.
5

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gefäßwand-Anzeigeeinrichtung (15-25) dazu bestimmt ist unter zwei Bedingungen zu arbeiten, nämlich einer Einstellungsbzw. Abgleichbedingung, bei der die Suche nach Signalteilen in im Ultraschall-Kopf (1) von jeder Meßlinie registrierten Echosignalen, welche die Gefäßwände repräsentieren, stattfindet und die Daten des Pulsschlagdiagramms nicht aufbereitet sind,sowie einer Betriebsbedingung, bei der für jede Meßlinie (A,B)die Anzeigeverschiebung von Signalteilen im Echosignal, die Gefäßwände anzeigend, berechnet wird und als Grundlage für die Berechnung des Pulsschlagdiagramms durch die Recheneinrichtung (25) dient.

4. Gerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Einheit eine Echoabtastungseinheit (15,16) und einen nichtpermanenten (leistungsabhängigen) Speicher (23,24) aufweist, wobei die Echoabtastungseinheit (15,16) für jede Meßreihe den als neuer Suchpunkt bezeichneten Zeitpunkt für jede Meßlinienabtascung markiert, zu dem eine Binärdarstellung des Echosignals für die Meßlinie in den nichtpermanenten Speicher (23,24) eingelesen zu werden beginnt, und daß der genannte Zeitpunkt von der Information abhängt, die in einer vorhergehenden Meßreihe in den nichtpermanenten Speicher (23,24) eingelesen wird.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nur Zeitpunkte für Flanken, Vorder- oder Rückflanken- Nulldurchgänge des Echosignals für jede Meßlinie (A,B) zur Speicherung in dem nichtpermanenten Speicher (23,24) mit einer Speicherperiode vorgesehen sind, die wesentlich

größer ist als die Nulldurchgangsdauer, und daß der neue Suchpunkt sich mit Änderungen des in einer vorgegebenen Zelle des nichtpermanenten Speichers (23,24) enthaltenen Wertes ändert.

6. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdifferenz At zwischen den Pulsschlagdiagrammen für ein zwei Meßlinien in dem untersuchten Körper kreuzendes Gefäß mittels einer Recheneinheit (25) berechnet wird, in die die Entfernung zwischen den Ultraschallsendern für die ausgewählten Meßlinien im Meßkopf (1) eingegeben ist und die die

Λ ν-

Pulswellengeschwindigkeit c = / , im untersuchten Körper errechnet.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdifferenz t als die Zeitdifferenz zwischen den Vorderflanken der Pulsschlagdiagramme innerhalb einer Pulsschlagperiode berechnet wird.

8. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdifferenz t als die Zeitdifferenz zwischen "Schwerpunktsberechnungen" ("centroid calculations") für jede der Kurvenformen in den resultierenden Pulsschlagdiagrammen berechnet wird.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung (25) den Pulsdruck ρ gemäß der Formel

berechnet, wobei

V das Volumen des Gefässes,AV dessen Änderung und K eine Kon stante ist.

10. Gerät nach Anspruch 9 zur Messung des Gefäßtonus (der Gefäßspannung), dadurch gekennzeichnet, daß der Wert ρ des Puls-

drucks in einem Speicher der Recheneinheit (25) eingespeichert wird und daß ein Doppler-Ultraschall-Strömungsmesser (35) neben dem Ultraschall-Kopf (1) und auf das untersuchte Blutgefäß ausgerichtet angeordnet sein kann, daß die Steuereinheit (9) einstellbar ist, um zwischen den einzelnen Aktivierungen der Ultraschall-Sendereinheiten in für den Ultraschall-Scanner (8) normalen Reihenfolge, eine ausgewählte Meßlinie (A) zu aktivieren, die die Ultraschall-Sendereinheiten und den Doppler-Ultraschall-Strömungsmesser

(35) repräsentiert,

daß die Recheneinrichtung (25) den momentanen Gefäßdurchmesser auf der Basis der Meßlinienabtastung und der Strömung entsprechend dem vom Doppler-Ultraschall-Strömungsmesser (35) erhaltenen Signal und der genannten Messung des Gefäßdurchmessers errechnet,

daß die Durchschnittsströmung (FLOW) für eine Pulsperiode berechnet ist, und

daß der Gefäßtonus R„ _;..„ nach der Formel

Gefäß

^RGefäß ⁼ /FLOW

berechnet ist.

11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Doppler-Ultraschall-Strömungsmessers (35) im Bereich zwischen 0,5 und IMHz gewählt ist.

12. Gerät nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Doppler- Ultraschall-Strömungsmesser (35) derart angeordnet ist, daß der Winkel (US) zwischen seiner Ausrichtung und dem Blutgefäß größer ist als 45° aber nicht größer als 60°.

13. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Ultraschall-Scanners (8) im Bereich zwischen 3 und 7 MHz gewählt ist.

" "*'* " *~ 35 Ί 2053

14. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung (25) die Gefäßelastizität E gemäß der Formel

Kj-g'a

berechnet, wobei a. die Stärke der Gefäßwand, D die Blutdichte, d der Innendurchmesser des Gefässes in einer diastolischen Periode und K, sowie c[ Konstanten sind.

15. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung (25) derart gesteuert sein kann, daß die Steuereinrichtung (9) die Ultraschall- Sendereinheiten automatisch veranlaßt, in aufeinanderfolgender Reihenfolge wirksam zu werden, wobei in jeder Periode der Reihenfolge die wenigstens eine Pulsschlagperiode des untersuchten Gefässes umfaßt, Messungen auf einer begrenzten Anzahl von durch die Recheneinrichtung (25) ausgewählten Meßlinien mit Positionen auf dem Schirm (11) erfolgen und in jeder Periode der Reihenfolge die Meßlinien wechseln, derart, daß am Ende der genannten aufeinanderfolgenden Reihenfolge Messungen entlang einer Vielzahl von in gleichen Abständen nebeneinander verlaufenden Meßlinien erfolgt sind, und daß die Recheneinrichtung (25) Pulsschlag-Diagramme für das Gefäß berechnet, wobei jede Meßlinie mit einem vorausbestimmten Zeitbezug abgetastet wird und alle Pulsschlag- Diagramme gleichzeitig auf der Anzeigeneinheit (261) als Reliefdiagramm dargestellt sind.