DE3689698T2

DE3689698T2 - Blutgeschwindigkeitsmesser nach dem Ultraschall-Doppler-Prinzip.

Info

Publication number: DE3689698T2
Application number: DE3689698T
Authority: DE
Inventors: Masam Kawabuchi; Yasuhiro Nakamura
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1985-05-20
Filing date: 1986-05-20
Publication date: 1994-07-21
Anticipated expiration: 2006-05-21
Also published as: US4848356A; EP0202920A3; EP0202920A2; US4848355A; EP0202920B1; DE3689698D1

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Doppler-Blutströmungsmesser, der bei der Messung der Geschwindigkeit der Blutströmung an einer beliebigen Position innerhalb des Körpers eines Patienten auf medizinischem Gebiet benutzt wird.
In letzter Zeit wird der Ultraschalldoppler-Blutströmungsmesser auf dem medizinischen Gebiet eingesetzt zur Verwendung in dem Herz-Kreislauf-System. Sein Betrieb beruht auf dem Prinzip, daß die in den Körper gesendete Ultraschallwelle eine Frequenzänderung erfährt infolge des Dopplereffekts, der auftritt, wenn die Welle durch eine sich bewegende Substanz wie strömendes Blut reflektiert wird, und durch Anzeigen der Dopplerfrequenzverschiebung entsprechend der Geschwindigkeit der Blutströmung kann die Verteilung der Blutströmungs-Geschwindigkeit in dem Körper leicht von der Oberfläche des Körpers her beobachtet werden. Derartige Ultraschall-Doppler- Blutströmungsmesser werden beispielsweise in IEEE, Trans. S.U., SU-17 (3), Seite 170, 1970 beschrieben.
Mit Bezug auf Fig. 1 wird der übliche Ultraschall-Doppler-Blutströmungsmesser nachstehend beschrieben. In diesem Schaubild ist Bezugszeichen 101 ein Ultraschallsende- und Empfangsmittel (Sonde), welches Ultraschallimpulse von einer ultraschallsende/Empfangs-Ebene 101a aus in den Körper sendet und ein Echosignal empfängt, das infolge der akustischen Impedanz reflektiert wird, und das allgemein aus piezoelektrischem Material besteht. Bezugszeichen 2 ist eine Ansteuerschaltung, welche die Ansteuerspannung zur Erzeugung von Ultraschallimpulsen erzeugt, die von der Sonde 101 aus gesendet werden, mit Zeitgabe durch externe Auslösung und Frequenz von externem Takt, und die Sonde 101 ansteuert; 103 ist eine Sendezeitgabe-Schaltung, welche die Zeitvorgaben für die Ansteuerschaltung 102 ergibt, um eine Ansteuerspannung als Trigger zu erzeugen; 104 ist ein Phasendetektor, um die Phase des durch die Sonde 101 empfangenen Echosignals zu erfassen; 105 ist eine Referenzsignal-Erzeugungsschaltung, um eine Referenz für die Frequenz und die Phase des Referenzsignals zu erzeugen, die beim Erfassen der Phase des Sendesignals und des Echosignals der Steuerschaltung 102 durch den Phasendetektor 104 dient; 106 ist eine Torsignal-Erzeugungsschaltung, welche ein Torsignal zu dem Zeitpunkt erzeugt, der einer Fortpflanzungszeit der Ultraschallwelle bis zu aber Sende/Empfangs-Ebene der Sonde 101 und der erwünschten Position entspricht; 107 ist ein Analogschalter, der das durch den Phasendetektor 104 erfaßte Phasensignal während des Intervalls des durch die Torsignal-Erzeugerschaltung 106 erzeugten Torsignals durchlaufen läßt; 108 ist ein Integrationskreis, der das durch den Analogschalter 107 hindurchtretende Phasensignal integriert, die Summe der Phasensignale bestimmt und die Sendung und den Empfang wiederholt, um ein Doppler-Verschiebungssignal zu erhalten; 110 ist ein Abtast/ Halte-Kreis, der das integrierte Resultat hält zur Zurückstellung, bis das Resultat der nächsten Integration erhalten ist, vor der Integration durch die Integrierschaltung 108; 111 ist ein Hochpaßfilter, welches Signale von weniger als einigen Hundert Hz von dem in der Integrierschaltung 108 erhaltenen Doppler-Verschiebungssignal entfernt; 112 ist ein Frequenzanalysator, der die Frequenz des durch das Hochpaßfilter 111 hindurchtretenden Doppler-Verschiebungssignals analysiert, und 113 ist eine Anzeigeeinheit, welche das Ergebnis des Frequenzanalysators 112 anzeigt.
Mit Bezug auf das in Fig. 2 gezeigte Zeitablaufdiagramm wird der Betrieb des Ultraschalldoppler-Blutströmungsmessers nachstehend beschrieben. In der Sendezeitgabe-Schaltung 103 werden Triggersignale T mit konstanten oder willkürlichen Intervallen erzeugt (a) und werden an die Ansteuerschaltung 102 angelegt. Der Ansteuerkreis 102 steuert die Sonde 101 mit Triggersignalen T im Antriebsimpuls TX (b) an und Ultraschallimpulse werden von dieser Sonde 101 in den Körper gesendet. Die Ultraschallimpulse pflanzen sich innerhalb des Körpers fort und werden durch die in ihrer akustischen Impedanz unterschiedlichen Teile reflektiert und kehren zur Sonde 101 zurück, wo sie als Echosignale E (c) empfangen werden. Die Echosignale E werden mit einer Verzögerungszeit td nach to vom Auslösesignal T erhalten, entsprechend der reziproken Fortpflanzungszeit der Ultraschallwelle von der Sende/Empfangs-Ebene 101a der Sonde 101 zu dem Reflexionspunkt des ausgesendeten Ultraschallimpulses, und, da die Echosignale von einem sich bewegenden Reflexionskörper sich immer mit der reziproken Fortpflanzungszeit ändern, ändert sich auch td. Unter der Annahme, daß die Veränderung der Fortpflanzungszeit sich innerhalb der Periode des Triggersignals T mit Δtd ändert und die Echosignal-Intensität A ist, wird das durch den n-ten Sende/Empfangs-Vorgang erhaltene Echosignal E in der nachfolgenden Gleichung ausgedrückt:
E = A cos {ω(td + n·$td)} (1)
Das wird orthogonal erfaßt durch das nachstehend zu besprechende Referenzsignal R (d) durch den Phasendetektor 104. Das Referenzsignal ist als Vx und Vy aufnehmbar, wenn auch nicht gezeigt, welche Referenzsignale von gleicher Amplitude, jedoch mit gegenseitig um 90º verschiedener Phase sind, vom Zeitpunkt to des Triggersignals T, und werden wie folgt ausgedrückt:
Vx = cos ωtd
Vy = sin -td (2)
Durch den Phasendetektor 104 werden die nachfolgenden Signale durch Multiplizieren von Vx, Vy der Gleichung (2) mit E nach Gleichung (1) erhalten.
E·Vx = (A/2)·{cos(ωnΔtd) + sin(2ωt + ωnΔd)}
E·Vy = (A/2)·{sin(2ωt + ωnΔtd) - sin(ωnDTd)} (3)
Zwei Signale C (e) nach Gleichung (3), die in dem Phasendetektor 104 erhalten werden, werden in der Integrierschaltung 108 integriert durch Anschalten des Analogschalters 107 in dem Zeitraum von t1 bis t2 des durch die Torsignal-Erzeugerschaltung 106 erzeugten Torsignals G (f). Das Signal das in Gleichung (3) ausgedrückte C (e), ist zusammengesetzt aus zwei Signalkomponenten (ωnΔtd) und (2ωt + ωnΔtd), und das erstere enthält den Zeitparameter t nicht und ist ein Gleichstromsignal, während das letztere ein Hochfrequenzsignal ist mit der doppelten Frequenz der Sendefrequenz. Deswegen wird durch Hindurchleiten durch die Integrationsschaltung 108 die letztere Komponente beseitigt und das als Ergebnis an der Integrations-Endzeit t2 erhaltene Doppler-Verschiebungssignal X, Y ist dann wie folgt:
X = (A/2)·K·tG·cos(ωnΔtd) (4)
Y = (A/2)·K·tG·sin(ωnΔtd) (4)
wobei K eine durch die Schaltungskonstante des Integrationskreises 108 bestimmte Konstante und tG eine Zeitlänge des Torsignals G ist. Das Torsignal G soll an die Zeit von t1 bis t2 angepaßt sein, wenn das Echosignal von einer gewünschten Position des Körpers empfangen wird, und die zum n-ten Mal empfangenen Integrations-Ergebnisse X, Y enthalten die gesamte Echosignal-information zwischen t1 und t2 (g). Die Spannungswerte der Integrations-Ergebnisse X, Y werden durch die nächsten Abtast/Halte-Kreise 110 gehalten, wie durch die gestrichelte Linie (h) angezeigt, bis das nächste n+1-fache Integrations-Ergebnis erhalten wird. Der Integrationskreis 108 wird zurückgesetzt, wenn die Haltezeit des Abtast/ Halte-Kreises 110 vorbei ist.
Das so erhaltene Integrations-Ergebnis ist eine Gleichspannung, wie sich aus Gleichung (4) ergibt, wenn es nur einmal gesendet und empfangen wird; wenn jedoch die Sendung und der Empfang bei jeder Periode T des Auslösesignals wiederholt werden, wächst n, und X, Y hält an sich zu ändern unter Aufrechterhaltung einer Phasendifferenz von 90º. Das ist ein orthogonales Dopplersignal, wenn man beispielsweise annimmt, daß X ein Realteilsignal und Y ein Imaginärteilsignal ist. Sowohl X wie Y werden als diskrete Information bei jeder Periode T erhalten und die nachfolgende Beziehung wird eingerichtet zwischen der Verzögerungszeitgröße Δtd, die sich in einem Intervall T von dem n-ten Sendeempfang zum n+1-ten Sendeempfang verändert.
Δtd = (2vT)/C (5)
Deshalb wird aus den Gleichungen (4) und (5) die Abweichungsfrequenz fd der Doppler-Verschiebungssignale X, Y wie folgt ausgedrückt:
fd = (2·v·f·cosR)/C (6)
wobei C die Geschwindigkeit der Schallfortpflanzung in dem Körper, F die Referenzsignal-Frequenz (die im allgemeinen gleich der Frequenz des ausgesendeten Ultraschallimpulses ist) und R der durch die Bewegungsrichtung der reflektierenden Substanz und der Ultraschallwellen-Laufrichtung gebildete Winkel ist. Wenn in dem Körper ein Echosignal von der Blutströmung eingefangen wird, ist, da die Reflexions-Intensität der Blutströmung sehr gering ist, die Amplitude des Doppler-Verschiebungssignals extrem schwach, während die Blutströmungs-Geschwindigkeit schnell ist, so daß die Abweichungsfrequenz fd hoch wird. In den Körpergeweben wie den inneren Geweben des Körpers, ist die Reflexions-Intensität A hoch, die Bewegung ist langsam durch die interne Körperbewegung oder dergleichen und die Abweichungsfrequenz fd ist sehr gering. Mit Durchlauf durch das Hochpaßfilter 111 wird nur das Doppler-Verschiebungssignal von der Blutströmung mit kleiner Amplitude und hoher Frequenz erhalten. Um das Doppler-Verschiebungssignal von dem Körpergewebe zu beseitigen, ist es sehr wichtig, den Dynamikbereich des Frequenzanalysators 112 zu dehnen, und dieser wird allgemein bei 100 bis 1 kHz festgesetzt. Bei dem Frequenzanalysator 112 werden die Doppler-Verschiebungssignale X, Y frequenzanalysiert und die Richtung der Blutströmung wird aus der Phasenbeziehung der beiden Signale bestimmt und in der Anzeigeeinheit 112 als Blutströmungsmuster angezeigt.
Im Vergleich mit dem in Fig. 3(A) gezeigten Auslösesignal T ist das Echosignal E grob unterteilt in den sehr intensiven Abschnitt b von den Körpergeweben, die als nahezu stillstehend erscheinen, wie in Fig. 3(b) gezeigt und dem schwachen Abschnitt von der Blutströmung, bei der sich das Blut immer bewegt. Um die Blutströmungs-Geschwindigkeit zu messen, ist es notwendig, den Abschnitt der schwachen Echosignale von der Blutströmung mit hohem Verstärkungsfaktor zu verstärken und mit dem schwachen Echosignal von der Blutströmung allein wird das Realteilsignal Xa und das Imaginärteilsignal Ya, das nur Wechselstrom-Komponenten enthält, in der Integrations- Schaltung 108 mit einer Amplitude bis zur Amplitudengrenze V des Integrationskreises erhalten (c). Wenn die Festsetzung des Meßpunktes bei dem intensiven Echosignal-Abschnitt b vom Körpergewebe ist, bleibt die Phasendifferenz des Referenzsignals R und des Echosignals E immer konstant oder ändert sich nur sehr langsam, und am Ausgang des Integrationskreises 108 treten die Gleichstrom-Komponente oder die Wechselstrom-Komponente des Realteil-Signals Xb und des Imaginärteil-Signals Yb mit sehr geringer Änderungsrate auf (d). Bei der tatsächlichen klinischen Anwendung können, da der von der Sonde 101 ausgesendete Ultraschallstrahl eine gewisse Verbreiterung besitzt, wenn ein Blutgefäß mit kleinerem Durchmesser als dem Strahldurchmesser eingefangen wird, oft gleichzeitig Echosignale von der Blutströmung und dem Körpergewebe vorhanden sein, und üblicherweise wird die Auswirkung des Körpergewebes mit Hilfe eines Bandfilters 111 beseitigt. Wenn jedoch z. B. eine relativ flache Meßstelle beobachtet wird, werden das Realteil-Signal Xa und das Imaginärteil-Signal Ya über das Realteil-Signal Xb bzw. das Imaginärteil-Signal Yb überlagert, so daß sich Xc und Yc ergibt (e). Wegen der Amplitudenbegrenzung V des Integrationskreises 108 wird jedoch der durch die schraffierte Fläche angezeigte Abschnitt abgeschnitten und die Wellenform verzerrt. Wenn die Gleichstrom- Komponente klein ist und keine Sättigung verursacht wird, ist es möglich, die Gleichstrom-Komponente durch das übliche Hochpaßfilter 111 zu beseitigen, wenn jedoch die Blutströmung in relativ oberflächlich gelegenen Halsschlagadern oder in tief gelegenen feinen Blutgefäßen gemessen wird, werden die Echosignale von dem Körpergewebe und den Blutgefäßen infolge der Verteilung des Ultraschallstrahls besonders intensiv sein und die Gleichstrom-Komponente wächst besonders an. Als Ergebnis wird der Integrationskreis 108 nur durch diese Gleichstrom-Komponente gesättigt und es erscheint kein Doppler-Verschiebungssignal. Wenn deshalb die Gleichstrom-Komponente durch das Hochpaßfilter 111 entfernt wird, kann das Doppler-Verschiebungssignal nicht erhalten werden, und das Resultat der Frequenzanalyse enthält unnötige Frequenz-Komponenten oder das Resultat der Analyse ist nicht eindeutig. Wenn eines der beiden Doppler-Verschiebungssignale X oder Y gesättigt wird, kann keine Information über die Richtung der Blutströmung erhalten werden, was klinisch ein ernsthaftes Problem darstellte.
Die Änderung der Zeit tG bei der das Torsignal G EIN ist, beeinflußt die Abschaltefrequenz fc und die Niederfrequenz- Komponente vermindert sich, wenn die Torlänge länger wird, so daß die erhaltene Blutströmungs-Information sich in Abhängigkeit von der Torimpulslänge an der gleichen Stelle ändert. Allgemein wird die Frequenz des Hochpaßfilters 111 durch den Arzt vor dem Einsatz festgesetzt in Abhängigkeit von dem Diagnosezustand, und die festgesetzte Frequenz wird an der Betriebstafel oder Anzeigeeinheit der Vorrichtung gezeigt, jedoch beeinflußt die Abschaltefrequenz fc des Integrationskreises die Abschaltfrequenz des Hochpaßfilters, und die angezeigte eingestellte Frequenz ist dann nicht mehr korrekt: so wird in Abhängigkeit von der Torlänge sich die erhaltene Information unterscheiden und die angezeigte festgesetzte Frequenz ist nicht korrekt und die Genauigkeit der Diagnosedaten wird herabgesetzt, die Reproduzierbarkeit verschlechtert und das Diagnose-Ergebnis kann sich in Abhängigkeit von der Torimpulslänge unterscheiden, was ebenfalls ernsthafte Probleme bereitete.
US 4 255 977 zeigt ein Gerät, das ein gepulstes Doppler-Velozimeter 7 und eine phasenstarre Schleife PLL enthält, die in erster Linie aus einem spannungsgesteuerten Oszillator VCO, einem auf Phase ansprechenden Detektor, einem Tiefpaßfilter mit großer Bandbreite und einem Tiefpaßfilter mit schmaler Bandbreite besteht. Bei diesem Gerät wird ein Doppler-Verschiebungssignal von einem lebenden Körper durch das gepulste Doppler-Velozimeter erfaßt und die Phase des Doppler-Verschiebungssignals und die Phase des durch den VCO erzeugten Signals werden durch den auf Phase ansprechenden Detektor verglichen. Dann wird die Phasendifferenzspannung zwischen diesen beiden Signalen extrahiert, entweder durch das Tiefpaßfilter mit großer Bandbreite oder das Tiefpaßfilter mit schmaler Bandbreite, und wird benutzt, um die Frequenz des durch den VCO erzeugten Signals zu steuern. Deswegen wird die Frequenz des durch den VCO erzeugten Signals bei der Frequenz des Doppler-Verschiebungssignals gehalten, und so kann ein vernünftig hohes Signal/Rausch-Verhältnis erreicht werden, so daß die Messung der Blutströmung an einer Position tief in dem lebenden Körper möglich wird. Weiter sind die beiden Bandpaßfilter mit großer bzw. schmaler Bandbreite in diesem Dokument Tiefpaßfilter, die vorgesehen sind, um einen stabilisierten Betrieb der PLL sicherzustellen. Mit Hilfe des auf Phase ansprechenden Detektors wird das Phasendifferenzsignal zwischen dem durch das Impulsdoppler-Velozimeter abgeleiteten Doppler-Verschiebungssignal und dem Signal vom VCO extrahiert und dadurch der VCO so gesteuert, daß seine Oszillations-Frequenz gleich der Doppler-Verschiebungsfrequenz ist.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Ultraschall-Doppler- Blutströmungsmesser, der umfaßt ein Ultraschall-Sendemittel, das ausgelegt ist, Ultraschallimpulse in den Körper eines Patienten auszusenden, ein Ultraschall-Empfangsmittel, das ausgelegt, im Inneren des Körpers reflektierte Echosignale zu empfangen, Ansteuerschaltung, dazu ausgelegt, Ultraschallimpulse durch das Ultraschall-Sendemittel senden zu lassen, Sendezeitgabe-Schaltung, zum ausgeben von Signalen ausgelegt, um die Zeitgabe der Ansteuerschaltung zu steuern, einen Phasendetektor, der ausgelegt ist, die Phase des durch das Ultraschall-Empfangsmittel erhaltenen Echosignals zu erfassen, Referenzsignal-Erzeugungsschaltung zum Ausgeben eines Referenzsignals an den Phasendetektor, damit es dort bei der Erfassung der Frequenz und der Phase des durch das Sendemittel ausgesendeten Sendesignals und des Echosignals als Referenz dient, Torsignal-Erzeugungsschaltung, ausgelegt, ein Torsignal zu einem Zeitpunkt zu erzeugen, der dem Echosignal von einer bestimmten Position entspricht, Steuermittel, das auf das Torsignal reagiert und angepaßt ist, das Phasensignal von dem Phasendetektor während des Torsignals durchzulassen und eine Integrations-Schaltung, ausgelegt, ein Doppler- Verschiebungssignal durch Integrieren des durch das Steuermittel hindurchtretenden Phasensignals zu erhalten; dadurch gekennzeichnet, daß es weiter umfaßt Gleichstrom-Gegenkoppel- Schaltung, die dazu ausgelegt ist, die Gleichstrom-Komponenten und die Komponenten mit ultraniedriger Frequenz des Dopplerverschiebungs-Ausgangssignals von der Integrations- Schaltung gegenzukoppeln, so daß es an den Eingang der Integrations-Schaltung angelegt wird.
Die Erfindung hat deshalb das Ziel, die vorher diskutierten Probleme nach dem Stand der Technik zu beseitigen, und ein primärer Vorteil dieser Erfindung ist, daß ein Ultraschall- Doppler-Blutströmungsmesser geschaffen wird, der fähig ist, die Frequenz nur der Blutströmung zu analysieren und eine genaue Blutströmungs-Information zu erhalten durch Entfernen der durch die Echosignale der Körpergewebe erzeugten Gleichstrom-Komponenten von den von der Integrations-Schaltung gelieferten Realteil- und Imaginärteil-Ausgangssignalen.
Ein anderer Vorteil dieser Erfindung ist, daß ein Ultraschall-Doppler-Blutströmungsmesser geschaffen wird, der fähig ist, genau zu diagnostizieren durch Benutzung der Blutströmungs-Information und der Hochpaßfilter-Charakteristiken, die dann vollständig frei von Auswirkungen der Torbreite sind.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, das einen üblichen Doppler-Blutströmungsmesser zeigt;
Fig. 2 ist ein Zeitablaufdiagramm, das den Betrieb dieses Strömungsmessers zeigt;
Fig. 3 ist eine integrierte Wellenform, die unter Benutzung des gleichen Strömungsmessers erhalten wurde;
Fig. 4 ist ein Blockschaltbild, das eine der Ausführungen eines Ultraschall-Doppler-Blutströmungsmessers nach dieser Erfindung darstellt;
Fig. 5(a) ist ein praktisches Schaltbild von einer Ausführung der wichtigsten Teile des gleichen Strömungsmessers; Fig. 5(b) ist ein Zeitablaufdiagramm, das den Betrieb dieser gleichen Schaltung in Fig. 5(a) zeigt, Fig. 5(c) ist ein praktisches Schaltbild einer anderen Ausführung der wichtigsten Teile des gleichen Strömungsmessers, Fig. 5(d) ist ein Zeitablaufdiagramm, das den Betrieb der Schaltung aus Fig. 5(c) zeigt, und Fig. 5(e) ist ein Schaubild, das die Frequenzmerkmale der Schaltungen in Fig. 5(a) und (c) zeigt;
Fig. 6 ist ein Schaubild zum Vergleichen der integrierten Wellenformen dieser Erfindung mit denen des Standes der Technik;
Fig. 7 ist ein Blockschaltbild, das einen Ultraschall-Doppler-Blutströmungsmesser einer anderen Ausführung dieser Erfindung zeigt;
Fig. 8 zeigt Frequenzmerkmale der Gleichstrom-Gegenkoppel-Schaltung und der Integrations-Schaltung des gleichen Strömungsmessers, wobei (a) ein Frequenzcharakteristik-Diagramm der Gleichstrom-Gegenkoppel-Schaltung und (b) ein Frequenzcharakteristik-Diagramm der Integrations-Schaltung mit angelegter Gegenkopplung ist;
Fig. 9(a) und (b) sind praktische Schaltbilder, die die Integrations-Schaltung, die Gleichstrom-Gegenkoppelschaltung und die Gleichkoppel-Verstärkungssteuerschaltung bei einer weiteren, unterschiedlichen Ausführung des erfindungsgemäßen Ultraschalldoppler-Blutströmungsmessers zeigen; und
Fig. 10(a) ist ein praktisches Schaltbild, das die Integrations-Schaltung, die Gleichstrom-Gegenkoppelschaltung und Gegenkoppel-Verstärkungssteuerschaltung in noch einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Ultraschall-Doppler-Blutströmungsmessers zeigt, und Fig. 10(b) ist eine Betriebsablauf-Darstellung von (a).

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Fig. 4 ist ein Blockschaltbild eines Ultraschall-Doppler-Blutströmungsmessers nach einer Ausführung dieser Erfindung. Der Ultraschalldoppler-Blutströmungsmesser dieser Erfindung besitzt eine Gleichstrom-Gegenkoppelschaltung 9 zur Gegenkopplungs-Zurückführung der Gleichstrom-Komponente und der Komponente mit ultraniedriger Frequenz des orthogonalen Signals, das durch die Integrations-Schaltung oder die Abtast/Halte- Schaltung bei dem vorbeschriebenen üblichen Ultraschall-Doppler-Blutströmungsmesser zu dem Eingang der Integrations- Schaltung mittels eines Analogschalters zurückführt.
Es bedeutet Bezugszeichen 1 ein Ultraschallsende- und Empfangsmittel (von hier ab Sonde genannt), das von seiner Ultraschallsende/Empfangsebene 1a einen Ultraschallimpuls in den Körper aussendet, das infolge der Differenz der akustischen Impedanz reflektierte Echosignale empfängt und das allgemein aus piezoelektrischem Material besteht. Die Sonde l kann entweder vom Sende/Empfangs-Kombinationstyp sein oder es können separate Sende- und Empfangsgeräte sein. Bezugszeichen 2 ist eine Ansteuerschaltung, welche die Sonde 1 durch Erzeugung der Ansteuerspannung zum Erzeugen von Ultraschallimpulsen anregt, welche von der Sonde 1 ausgesendet werden, mit der Frequenz eines externen Takts und der Zeitgabe durch ein externes Auslösesignal. Bezugszeichen 3 ist ein Sende- Zeitgabesignal, das die Zeitpunkte für die Ansteuerschaltung 2 ergibt, an denen die Ansteuerschaltung die Ansteuerspannung als Auslösesignal erzeugt. Bezugszeichen 4 ist ein Phasendetektor, der die Phase des durch die Sonde 1 empfangenen Echosignals erfaßt. Bezugszeichen 5 ist eine Referenzsignal-Erzeugungsschaltung, die ein als Referenz für Frequenz und Phase dienendes Referenzsignal erzeugt beim Erfassen der Phase des Sendesignals und des Echosignals der Ansteuerschaltung 2 mittels des Phasendetektors. Bezugszeichen 6 ist eine Torsignal-Erzeugerschaltung, die ein Torsignal zu einer der Fortpflanzungszeit der Ultraschallwelle bis zu der Sende/Empfangs-Ebene 1a der Sonde 1 und einer gewollten Stelle entsprechenden Zeit erzeugt. Bezugszeichen 7 ist ein Analogschalter, der das Phasensignal und die Gleichstrom-Gegenkoppelspannung durchzulassen veranlaßt, die durch den Phasendetektor 4 während der Zeit durchgelassen wird, in der das Torsignal durch die Torsignal-Erzeugerschaltung 6 erzeugt wird. Bezugszeichen 8 ist eine Integrations-Schaltung, welche das durch den Analogschalter 7 hindurchtretende Phasensignal integriert und die Summe der Phasensignale bestimmt, Sendung und Empfang wiederholt und Doppler-Verschiebungssignale ableitet. Bezugszeichen 10 ist eine Abtast/Halte-Schaltung, die das integrierte Resultat hält zum Rückstellen, bis das nächste Integrations-Ergebnis erhalten wird vor der Integration durch die Integrations-Schaltung 8. Bezugszeichen 9 ist eine Gleichstrom-Gegenkoppel-Schaltung, die die Gleichstrom-Komponente und die Komponente mit ultratiefer Frequenz des von der Integrations-Schaltung 8 oder der Abtast/Halte-Schaltung 10 zu der Integrations-Schaltung 8 zugelieferten Signals über den Analogschalter 7 gegenkoppelt. Bezugszeichen 11 ist ein Hochpaßfilter, das Signale mit weniger als einige 100 Hz aus dem Doppler-Verschiebungssignal beseitigt, das in der Integrations-Schaltung 8 erhalten wird. Bezugszeichen 12 ist ein Frequenzanalysator, der die Frequenz des durch das Hochpaßfilter 11 hindurchtretende Doppler-Verschiebungssignals analysiert. Bezugszeichen 13 ist schließlich eine Anzeigeeinheit, um die Resultate des Frequenzanalysators 12 anzuzeigen.
Der Betrieb dieser Ausführung wird nachfolgend beschrieben. Bei dieser Ausführung wird das Echosignal ebenfalls orthogonal erfaßt entsprechend dem anhand des üblichen Beispiels in Fig. 1 und 2 erklärten Vorgangs, und wird nach der Frequenzanalyse angezeigt. Hier wird der Integrations-Schaltung 8 die Gleichstrom-Komponente des Realteil-Signals X und des Imaginärteil-Signals Y nach Integration wieder gegenkoppelnd angelegt, und arbeitet als Hochpaßfilter im ultratiefen Frequenzbereich.
Fig. 5(a), (c) zeigen Beispiele von praktisch ausgeführten Schaltungen des Analogschalters 7, der Integrations-Schaltung 8, der Abtast/Halte-Schaltung 10 und der Gleichstrom- Gegenkoppel-Schaltung 9, wie sie in der Ausführung in Fig. 4 gezeigt sind, und Fig. 5(b), (d) bezeichnen Signal-Wellenzüge an den jeweiligen Klemmen der Fig. 5(a), (c). Die Schaltung in (a) oder (c) erfordert jeweils ein System für das Realteil-Signal X und auch für das Imaginärteil-Signal Y, von denen jedoch nur eins im Schaubild dargestellt ist. Die Schaltungen in (a) und (c) erzeugen exakt die gleiche Wirkung. Als eine erste Ausführung wird der Betrieb der Schaltung (a) erklärt mit Bezug auf Fig. 5(b). Die Integrations- Schaltung 8 in Fig. 4 besteht, wie in Fig. 5(a) gezeigt, aus einem invertierenden Verstärker OP&sub1; mit einem Verstärkungsgrad von -A1, einem Widerstand R&sub1; und einem Kondensator C&sub0; und besitzt zwei Eingangsklemmen, d. h. eine Klemme Ej, an welche das Ausgangssignal des Phasendetektors 4 (siehe Fig. 4) angelegt wird, und Efo, an welches eine Gleichstrom-Gegenkoppelspannung der Gleichstrom-Gegenkoppelschaltung 9 angelegt wird, und die Signale beider Klemmen werden unmittelbar vor dem Analogschalter 7 addiert und werden integriert, wenn der Analogschalter 7 EIN ist. Der Analogschalter 7 wird in dem Zeitraum von t&sub1; bis t&sub2; des Torsignals G angeschaltet, und die Signale werden während der Zeit tg integriert, und eine Wellenform, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist, wird an der Eingangsklemme (Ausgangsklemme der Integrations- Schaltung) Efj der Gleichstrom-Gegenkoppel-Schaltung 9 erhalten. Die Abtast/Halte-Schaltung 10 besitzt einen Gewinn von -A und tastet von t&sub2; an, wenn die Integration vorbei ist, bis zur Zeit tω und hält die Abtastung nach t&sub3;. Nach dem Halten schaltet die Integrations-Schaltung vor der nächsten Aussendung und dem nächsten Empfang den Analogschalter 7' an, um C&sub0; während der Zeit von t&sub3; bis t&sub4; zu entladen, mittels eines RESET-Signals, und wird zurückgesetzt. An der Ausgangsklemme E&sub0; der Abtast/Halte-Schaltung 10 erscheint, wie in dem Diagramm gezeigt, mit einer Periode T ein Dopplersignal und wird an das nächste Hochpaßfilter 11 (siehe Fig. 4) angelegt. Andererseits bildet die Gleichstrom-Gegenkoppel-Schaltung 9 ein Tiefpaßfilter mittels des invertierenden Verstärkers OP&sub3;&sub1; des Kondensators Cf und des Widerstands Rf und die Gleichstromkomponenten und die Komponenten mit ultratiefer Frequenz werden von dem an Ef j anliegenden Signal der Integrations-Schaltung extrahiert und gegengekoppeit durch den Widerstand R&sub2;. Der invertierende Verstärker OP&sub2; besitzt einen Verstärkungsfaktor von -Af und ist dazu bestimmt, die Phase zu invertieren. Deswegen steigt, je tiefer die Frequenz des Ausgangssignals der Integrations- Schaltung wird, die Gegenkopplungsgröße umso mehr an, und das Integrations-Ergebnis wird kleiner. Eine solche Eingangs/Ausgangs-Charakteristik der Schaltung kann wie folgt erhalten werden:
Gleichung (7) betrifft die Beziehung zwischen der mittleren Spannung li des Ausgangssignals des Phasendetektors innerhalb der Torzeit tg, die an der Eingangsklemme Ei anliegt, der Gleichstrom-Gegenkoppelspannung ef0, die an der Eingangsklemme Ef0 anliegt, und dem Ausgangssignal lfi der Integrations-Schaltung, und Gleichung (8) betrifft das Ausgangssignal efi der Integrations-Schaltung und die Gleichstrom-Gegenkoppelspannung ef0, die an dem Gegenkoppelkreis 9 anliegt. In Gleichung (8) ist ω die Frequenz des Doppler-Ver schiebungssignals, das der Integrations-Schaltung zugeliefert wird, und (tg/K + tω)/T ist das Einschaltverhältnis des Doppler-Verschiebungssignals, das diskret in jeder Periode T existiert und in der Integrationszeit von t1 bis t2, wobei sein Wert kleiner als 1 ist, um das Einschaltverhältnis in dieser Zeitdauer zu korrigieren, da es bis lfi im Übergangszustand ist. Aus den Gleichungen (7), (8) wird der Gewinn Av der Schaltung in Fig. 5(a) wie folgt:
Nebenbei gesagt, wird die -3 dB Unterbereich-Abschaltfrequenz fc in Gleichung (9) wie folgt ausgedrückt:
Der Wert von fc sollte bei einer Frequenz gewählt werden, die es zuläßt, das von der Blutströmung kommende Doppler- Verschiebungssignal ausreichend durchzulassen und das von innerer Bewegung des Körpers kommende Doppler-Verschiebungssignal zu sperren, und bei einem gewöhnlichen Ultraschallimpuls-Doppler-Blutströmungsmesser mit einer Ultraschallimpulsfrequenz von etwa 2 bis 7 MHz sollte sie entsprechend mit 50 bis 500 Hz ausgewählt werden.
Als eine zweite Ausführung wird der Betrieb der Schaltung in Fig. 5(c) nachstehend erklärt unter Bezug auf (d). Der prinzipielle Aufbau und der Betrieb sind gleich wie in der ersten Ausführung, die in (a) erklärt ist, jedoch wird das Ausgangssignal der Abtasthalte-Schaltung 10 an die Integrations-Schaltung angelegt, während bei der ersten Ausführung in (a) das Ausgangssignal der Integrations-Schaltung an den Eingang der Integrations-Schaltung über den Analogschalter 7 angelegt mittels der Gleichstrom-Gegenkoppel-Schaltung 9. Nebenbei wird der in der ersten Ausführung benutzte invertierende Verstärker OP2 nicht benötigt, da die Abtast/Halte- Schaltung 10 diese Funktion in dieser Ausführung erfüllt. Die Eingangs- und Ausgangs-Charakteristiken dieser Schaltung werden wie folgt erhalten:
Die Gleichungen (11) und (12) entsprechen jeweils den Gleichungen (7) bzw. (8), von denen der Gewinn Av der Schaltung in Fig. 5(c) wie folgt ausgedrückt wird:
Dabei wird die -3 dN Unterbereich-Abschaltfrequenz fc in Gleichung (13) wie folgt ausgedrückt:
Der Wert von fc wird in der gleichen Weise wie in Fig. 5(a) bestimmt, und Fig. 5(e) beschreibt die Frequenz-Charakteristiken der Schaltungen in Fig. 5(a) und (c). Wie in dem Diagramm gezeigt, können nur die Auswirkungen der Körpergewebe beseitigt werden, und eine Frequenz fc, die frei von schädlichen Effekten bei der Erfassung der Dopplerverschiebung von der Blutströmung entsteht, kann ausgewählt werden, so daß nur die Wechselstrom-Komponenten, welche Doppler-Verschiebungssignale sind, den nachfolgenden Schaltungen zugeliefert werden, ohne Integration der Gleichstrom-Komponenten. Damit sind die bei den orthogonalen Signalen X, Y auftretenden Doppler-Verschiebungssignale, die frei von Gleichstrom-Komponenten sind, vollständig frei von Einflüssen, wenn Signale von den Körpergeweben gleichzeitig in den Echosignalen empfangen werden.
Fig. 6 zeigt den Ausgangs-Wellenzug der Integrations-Schaltung 8 dieser Ausführung und nach dem Stand der Technik. Die durchgezogene Linie betrifft diese Erfindung, und die gestrichelte Linie zeigt den Stand der Technik, während die schraffierten Bereiche des Wellenzuges durch Sättigung abgeschnitten sind. Wie in dem Schaubild gezeigt, wird bei der Ausführung dieser Erfindung die Amplitudenbegrenzung gedehnt und es tritt keine Auswirkung der Gleichspannung auf, so daß sehr feine Blutgefäße gemessen werden könne, ohne die integrations-Schaltung 8 zu sättigen, und die Amplitude des Doppler-Verschiebungssignals kann Gebrauch von der Amplitudengrenze V bis zum maximalen Ausmaß machen.
Wie vorstehend erklärt, kann durch den Ultraschalldoppler- Blutströmungsmesser dieser Erfindung bei diesem einfachen Schaltungs-Aufbau die Frequenz der Blutströmung für sich analysiert werden, da die Komponenten mit Gleichstrom und die mit ultratiefen Frequenzen des von der Integrations-Schaltung erhaltenen Doppler-Verschiebungssignals gegengekoppelt werden durch die Gleichstrom-Gegenkoppel-Schaltung, wenn ein Echosignal ohne Zeitänderung von dem Körpergewebe gleichzeitig mit einem Echosignal von der Blutströmung eingefangen wird, und keine andere Anzeige als die Blutströmung erscheint an dem Blutströmungsmuster der Anzeigeeinheit, so daß eine genaue Information über die Blutströmungsrichtung erhalten werden kann.
Fig. 7 ist ein Blockschaltbild eines Ultraschall-Doppler- Blutströmungsmessers in einer anderen Ausführung dieser Erfindung. Diese Ausführung enthält eine Gegenkoppel-Verstärkungs-Steuerschaltung, welche den Gegenkoppelgewinn der Gleichstrom-Gegenkoppel-Schaltung 9 in der Zusammensetzung nach Fig. 4 steuert in Abhängigkeit von der Torbreiten- Information, die bei der Torsignal-Erzeugerschaltung 7 eingestellt ist. Der andere Aufbau und der Betrieb sind gleich wie in Fig. 4.
Das Hochpaßfilter der Integrations-Schaltung 8 besitzt die in Fig. 8(b) gezeigten Merkmale, jedoch wird durch Dehnen der Torzeit tG die Dauer des Anliegens des Rückkoppelsignals an der Integrations-Schaltung 8 ausgedehnt, und die gleiche Wirkung erzielt, als ob der Gewinn der Gleichstrom-Gegenkoppel-Schaltung 9 erhöht würde; wodurch die Charakteristik 1 in Fig. 8(a) in Richtung P verschoben wird, so daß sie Charakteristik 2 wird, wodurch sich in der Integrations- Schaltung die Charakteristik 2 nach (b) ergibt. Um die Frequenz-Charakteristik der Integrations-Schaltung 8 bei Kurve 1 zu halten, wenn die Torbreite sich dehnt, wird der Gewinn der Gleichstrom-Gegenkoppel-Schaltung 9 abgesenkt, um in Richtung P' zu korrigieren. Oder aber wird durch Absenken der Abschaltfrequenz der Gleichstrom-Gegenkoppel-Schaltung 9 und Korrigieren der Charakteristik in Richtung Q' der Anstieg des Gewinns der Gleichstrom-Gegenkoppel-Schaltung 9 infolge der Expansion der Torbreite aufgehoben, so daß die Abschaltfrequenz fc konstant gehalten werden kann. Wenn in gleicher Weise die Gatebreite verkürzt wird, genügt es, die Charakteristik der Gleichstrom-Gegenkoppel-Schaltung 9 in Richtung P oder Q zu korrigieren. Die Gegenkoppelgewinn- Steuerschaltung 14 ist für eine derartige Korrektur verantwortlich und sie steuert den Verstärkungsgrad Δf der gesamten Gleichstrom-Gegenkoppel-Schaltung 9 entsprechend der festgesetzten Torbreite, d. h. der Zeit tG, in der der Analogschalter 7 EIN ist durch eine Bestimmung nach der folgenden Gleichung:
Afocl/tg . . . (15)
Fig. 9(a), (b) betreffen eine Ausführung des Schaltungsaufbaus zum Korrigieren der vorher erwähnten Abschaltfrequenz, worin a) ausgelegt ist, den Gewinn der Gleichstrom-Gegenkoppel-Schaltung 9 mittels eines Verstärkers 9a mit variablem Gewinn entsprechend Gleichung (15) zu korrigieren, während (b) für die Änderung der Abschaltfrequenz der GleichStrom-Gegenkoppel-Schaltung (9) bestimmt ist und in diesem Fall der Widerstand Rf geändert wird. In Fig. 8(a) bewegt sich, wenn die Gatebreite erhöht wird, die Charakteristik 1 in Richtung P und wird korrigiert durch Bewegen in Richtung Q' durch Absenken der Abschaltfrequenz. Außerdem ist es auch möglich, durch Verändern des Kondensators Cf oder des Widerstands R&sub2; zu korrigieren.
Fig. 10(a) bezieht sich auf eine weitere unterschiedliche Ausführung, in der 14a ein Analogschalter ist, um das in die Gleichstrom-Gegenkoppel-Schaltung 9 eingeführte Doppler-Verschiebungssignal ein- und auszuschalten, und die Gegenkoppelgewinn-Steuerschaltung 14 die Zeitlänge tf steuert, in der der Analogschalter 14a EIN ist durch die Torweite tg. Fig. 10(b) zeigt die Steuerzeitgabe des Analogschalters 14a. Sein Betrieb ist nachstehend beschrieben. Wie bei den vorangehenden Ausführungen wird das am Ausgang E0 auftretende Doppler- Verschiebungssignal von seinen Komponenten mit ultratiefer Frequenz in dem Gleichstrom-Gegenkoppel-Signal 9 extrahiert und mit umgekehrter Phase zurückgespeist, jedoch an dem Eingang der Gleichstrom-Gegenkoppelschaltung, wo der Analogschalter 14a angeschlossen ist und durch Steuern des Einschaltverhältnisses tf/T des in Abhängigkeit von der Torbreite tG durch die Gegenkoppelgewinn-Steuerschaltung 14 erzeugten Gewinnsteuersignals Gf wird der gesamte Gewinn der Gleichstrom-Gegenkoppel-Schaltung 9 verändert und korrigiert.
Damit wird durch den hier vorgestellten Ultraschalldoppler- Blutströmungsmesser nach diesen Ausführungen durch Anwenden eines Gewinns, der von der Gatebreite abhängt, bei der Gleichstrom-Gegenkoppelschaltung durch die Gegenkoppel-Gewinnsteuerschaltung die Abschaltfrequenz-Integrationsschaltung konstant gehalten, ohne Rücksicht auf die Torbreite und eine von den Auswirkungen des Doppler-Verschiebungssignals von den Körpergeweben befreite Messung der Blutströmungsrate kann unter den gleichen Umständen ohne Rücksicht auf die Gatelänge bewirkt werden, und ihr klinischer Effekt ist außerordentlich bemerkenswert.

Claims

1. Ultraschall-Doppler-Blutströmungsmeßgerät, welches umfaßt ein Ultraschall-Sendemittel (1), das ausgelegt ist, Ultraschallimpulse in den Körper eines Patienten zu senden, ein Ultraschall-Empfangsmittel (1), das ausgelegt ist, aus dem Inneren des Körpers reflektierte Echosignale zu empfangen, Antriebsschaltung (2), die ausgelegt ist, das Senden von Ultraschallimpulsen durch das Ultraschall-Sendemittel (1) zu veranlassen, Sendezeitgabe- Signalschaltung (3), die ausgelegt ist, Signale zum Steuern der Zeitgabe der Ansteuerschaltung (2) auszugeben, einen Phasendetektor (4), der angeordnet ist, die Phase von durch das UltraSchall-Empfangsmittel (1) empfangenen Echosignalen zu erfassen, Referenzsignal-Erzeugungsschaltung (5), ausgelegt zur Ausgabe eines Referenzsignals zu dem Phasendetektor, das bei der Erfassung der Frequenz und der Phase des durch das Sendemittel (1) gesendeten Sendesignals und des Echosignals als Referenz dient, Torsignal-Erzeugungsschaltung (6), ausgelegt zum Erzeugen eines Torsignals zu einer dem Echosignal von einer bestimmten Position entsprechenden Zeit, auf das Torsignal reagierendes Steuermittel (7), dazu ausgelegt, das Phasensignal von dem Phasendetektor (4) während des Torsignals durchzulassen, und Integrations-Schaltung (8), ausgelegt zum Erzielen eines Doppler-Verschiebungssignals durch Integrieren des durch das Steuermittel (7) hindurchtretenden Phasensignals; dadurch gekennzeichnet, daß es weiter umfaßt Gleichstrom-Rückkoppel-Schaltung (9), ausgelegt zum Gegenkoppeln der Gleichstrom-Komponenten und der Komponenten mit ultraniedriger Frequenz des Dopplerverschiebungs-Ausgangssignals von der Integrations-Schaltung (8) in solcher Weise, daß es an den Eingang der Integrations-Schaltung (8) angelegt wird.

2. Ultraschall-Doppler-Blutströmungsmeßgerät nach Anspruch 1, bei dem die Gegenkoppel-Schaltung (9) so ausgelegt ist, daß das Gegenkoppel-Signal zu der Eingangsklemme des Steuermittels (7) zurückgespeist wird.

3. Ultraschall-Doppler-Blutströmungsmeßgerät nach Anspruch 1, bei dem das Ultraschall-Sendemittel (1) und das Ultraschall-Empfangsmittel (1) durch eine Ultraschallsonde (81) gebildet ist.

4. Ultraschall-Doppler-Blutströmungsmeßgerät nach Anspruch 1, welches weiter umfaßt eine Abtast/Halte-Schaltung, die so angeordnet ist, daß sie zeitweilig das in der Integrations-Schaltung (8) erzielte Integrations-Ergebnis hält.

5. Ultraschall-Doppler-Blutströmungsmeßgerät nach Anspruch 4, bei dem die Gegenkoppel-Schaltung (9) ausgelegt ist, das Gegenkoppelsignal entweder von dem Ausgangssignal der Integrations-Schaltung oder dem Ausgangssignal der Abtast/Halte-Schaltung abzuleiten.

6. Ultraschall-Doppler-Blutströmungsmeßgerät nach Anspruch 1, welches weiter umfaßt eine Gegenkoppel-Gewinnsteuerschaltung, die angeordnet ist, den Gewinn der Gegenkoppelschaltung entweder proportional zu der Periode der Ultraschallimpulse oder umgekehrt proportional zu der Periode des durch die Torsignalschaltung erzeugten Torsignals zu steuern.

7. Ultraschall-Doppler-Blutströmungsmeßgerät nach Anspruch 1, bei dem die Gleichstrom-Gegenkoppel-Schaltung umfaßt ein Tiefpaß-filter, welches weitere Integrations-Schaltung enthält.

8. Ultraschall-Doppler-Blutströmungsmeßgerät nach Anspruch 1, bei dem die Gleichstrom-Gegenkoppel-Schaltung umfaßt ein Tiefpaß-filter, welches weiter Integrations-Schaltung und einen gewinnvariablen Verstärker zum Steuern des Gewinns enthält.

9. Ultraschall-Doppler-Blutströmungsmeßgerät nach Anspruch 1, bei dem die Gleichstrom-Gegenkoppel-Schaltung umfaßt ein Tiefpaß-filter, welches weitere Integrations-Schaltung enthält, und eine Zeitkonstanten-Steuerschaltung, die ausgelegt ist, die Zeitkonstante der weiteren Integrations-Schaltung zu steuern.

10. Ultraschall-Doppler-Blutströmungsmeßgerät nach Anspruch 1, bei dem die Gleichstrom-Gegenkoppel-Schaltung umfaßt ein Tiefpaßfilter, welches weitere Integrations-Schaltung und eine Zerhacker-Schaltung enthält, die ausgelegt ist, den Eingang der weiteren Integrations-Schaltung an- nd abzuschalten.

11. Ultraschall-Doppler-Blutströmungsmeßgerät nach Anspruch 1, bei dem das Steuermittel ein Analogschalter ist.