DE3742091C2 - Ultraschall-Dopplereffekt-Blutflußmesser mit kontinuierlichen Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Dopplereffekt- Blutflußmesser mit kontinuierlichen Wellen.

Blutflußmesser werden in großem Maße, im Bereich medizinischer Instrumente, bei der Diagnose eines lebenden Körpers verwendet, und sie können das Volumen und die Verteilung des Blutstromes messen, der in den Blutgefäßen fließt, ohne das Blutgefäß zu exponieren oder aufzuschneiden.

Zwei bekannte Arten von Blutflußmessern verwenden einen elektromagnetischen Effekt und eine Ultraschallwelle, und diese Typen von Blutflußmessern haben im wesentli­ chen dieselbe Struktur wie diejenige eines Flußmes­ sers, welcher als industrielle Einrichtung verwendet wird. In einem Blutflußmesser, welcher eine Ultra­ schallwelle verwendet, wird im allgemeinen der Doppler-Effekt zur Messung des Blutstromvolumens verwendet. Das heißt, das Blutstromvolumen kann durch Bestrahlung mit der Ultraschallwelle und durch Messen der Frequenzverschiebungsgröße zwischen einer gesende­ ten Welle und einer reflektierten Welle erhalten werden.

Es gibt zwei Typen von Ultraschallwellen, die in diesem Bereich verwendet werden, eine Impulswelle und eine kontinuierliche Welle (CW).

Aus der US-PS 46 08 993 ist ein Ultraschall-Blutflußmesser mit Pulswellendopplereffekt (PWD) bekannt, bei dem impulsartige Ul­ traschallwellen von der Ultraschallsonde erzeugt werden und die Abtastfrequenz durch die Zahl der Impulse bestimmt ist, die pro Sekunde von der Sonde erzeugt werden. Da der Abtastbetrieb bei diesem Verfahren direkt nach der Ausgabe der Sonde durchgeführt wird, ist in dem abgetasteten Signal viel Rauschen enthalten.

Die vorliegende Erfindung betrifft Ultraschall-Dopplereffekt- Blutflußmesser mit kontnuierlichen Wellen (Ultraschall-CW-Blut­ flußmesser).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Ultraschall-Doppler-Effekt-Blutflußmesser mit kontinuierlichen Wellen zu schaffen und ein hochqualitatives Doppler-Signal zu erreichen, welches ein verbessertes Signal/Rauschen-Verhältnis (S/N) hat, bei gleichzeiti­ ger Reduzierung thermischen Rauschens.

Diese Aufgabe ist durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausfüh­ rungsbeispiels und in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm eines konventionellen Ultraschall-CW-Blut­ flußmessers, welcher den Doppler-Effekt ausnutzt;

Fig. 2 eine Ansicht zur Erklärung einer Fre­ quenzverschiebungsgröße in Fig. 1;

Fig. 3 eine Ansicht zur Erklärung einer Grenzfrequenz in Fig. 1;

Fig. 4 ein prinzipielles Blockdiagramm eines Ultraschall-CW-Blutflußmessers mit Doppler-Effekt gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 eine Ansicht zur Erklärung einer Grenz­ frequenz in Fig. 4;

Fig. 6 ein detailliertes Schaltungsdiagramm gemäß einer Ausführungsform der vorlie­ genden, in Fig. 4 gezeigten Erfindung,

Fig. 7 eine Ansicht zur Erklärung einer Relation zwischen einer Steuerspannung und einer Grenzfrequenz; und

Fig. 8 ein schematisches Blockdiagramm eines Ultraschall-CW-Blutflußmessers mit Doppler-Effekt gemäß einer Ausführungs­ form der vorliegenden Erfindung.

Vor Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen wird zunächst ein herkömmlicher Ultraschall-CW-Blutflußmesser mit Doppler-Effekt (im folgenden Doppler-Blutflußmesser genannt) beschrieben.

In Fig. 1 zeigen Bezugszeichen 1 eine Haupttaktquelle, 2 einen ersten Frequenz-Teiler, 3 einen Sende­ verstärker, 4 einen Empfangsverstärker, 5 einen Fühler, 6 einen Quadraturdetektor, 7 einen Hochpaßfil­ ter, 8 einen Tiefpaßfilter, 9 eine zentrale Verarbei­ tungseinheit, 10 einen zweiten Frequenz-Teiler, 11 einen Analog-zu-Digitalconverter, 12 einen schnellen Fourier-Transformationseinheit, 13 eine Anzeigeschaltung und 14 eine Kathodenstrahlröhre.

Der Meßfühler ist von einem Ultraschallwandler vom gespaltenen Typ gebildet, bestehend aus einem Sende­ element 5a und einem Empfangselement 5b. Der Meßfühler 5 wird mit einem lebenden Körper (gebogene Linie) in Berührung plaziert, wenn der Blutfluß darin gemessen wird. Die Haupttaktquelle 1 erzeugt ein Haupttaktsignal und das Haupttaktsignal wird durch den Frequenz-Teiler 2 geteilt. Das geteilte Frequenzsignal fc(sin) wird dem Sendeelement 5a über einen Sendeverstärker 3 zugeführt. Das Sendeelement 5a wandelt das geteilte Frequenzsignal, d. h. das elektrische Sendesignal, in ein Ultraschallsignal um, und dieses Ultra­ schallsignal wird dann auf den lebenden Körper übertragen. Ein Ultraschallsignal, welches von dem Blutgefäß reflektiert wird, wird durch das Empfangsele­ ment 5b empfangen, welches das reflektierte Ultra­ schallsignal in ein elektrisches Empfangssignal umwandelt. Das elektrische Empfangssignal wird über den Empfangsverstärker 4 in den Quadraturdetektor 6 eingegeben. In dem Quadraturdetektor 6 wird das elek­ trische Empfangssignal durch ein Überlagerungs-Detek­ tionsverfahren, basierend auf den erzeugten Signalen fc(sin) und einem orthogonal erzeugtem Signal fc(cos) detektiert, die beide von dem Frequenz-Teilen 2 eingegeben werden. Wenn die Differenz zwischen dem übertragenen Signal und dem Empfangssignal zu null geschoben wird, kann man die Doppler-Detektionssignale (ª und b) von dem Quadraturdetektor 6 erhalten. In diesem Fall sind die Ausgangssignale ª und b zueinander orthogonal, und deshalb werden die Signale ª und b verwendet, um zwischen den Plusseiten-Frequenzkom­ ponenten und den Minusseiten-Frequenzkomponenten zu unterscheiden. Die Quadraturdetektion wird zur Messung des Blutstromes verwendet, der zu dem Meßfühler 5 hin und von dem Meßfühler 5 fortfließt. Ein Quadratur- Detektionssignal (Doppler-Detektionssignal) wird in den Hochpaß-Filter 7 eingegeben, und die unteren Frequenzkomponenten werden durch diesen Filter weggeschnitten. Eine Grenzfrequenz des Filters 7 wird basierend auf der Position, die auf dem lebenden Körper zu vermessen ist, entschieden. Das heißt, die Grenzfrequenz wird so eingestellt, daß die unteren Frequenzkomponenten, die hauptsächlich durch Vibration der Wand des Blutgefäßes verursacht werden, eliminiert werden.

Herkömmlicherweise ist ein Hochpaß-Filter 7 durch eine Vielzahl von Filtereinheiten gebildet, und jede der Filtereinheiten wird durch Analogschalter gesteuert, die durch eine zentrale Prozessoreinheit neu ausgewählt werden.

Ein Analogsignal, welches durch den Hochpaßfilter 7 hindurchgetreten ist, wird in den Tiefpaßfilter 8 eingegeben. Eine Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 8 wird in Übereinstimmung mit einer Abtast­ frequenz Fs eingestellt, welche in den Analog-zu- Digital-(A/D)-Konverter 11 eingegeben wird, und unnötige Frequenzkomponenten werden durch den Tiefpaßfilter 8 eliminiert. Die Abtastfrequenz Fs wird von einem zweiten Frequenz-Teiler 10 erzeugt. Der Tiefpaßfilter 8 besteht aus einer Vielzahl von Filtereinheiten, und jede der Filtereinheiten ist von einer zentralen Prozessor-Einheit 9 in Übereinstim­ mung mit der Abtastfrequenz Fs ausgewählt, welche in den A/D-Konverter 11 eingegeben wird. Ein Signal, welches von dem A/D-Konverter 11 umgesetzt worden ist, wird in die schnellen Fourier-Transformationseinrichtung (FET) 12 eingegeben und von den Zeitbereichsignalen zu den Frequenzbereichsignalen umgewandelt. Das Frequenz­ energiespektrum des Doppler-Signals wird auf der Anzeigevorrichtung (CRT) 14 durch die Anzeigeschaltung 13 für eine Intensitätsmodulation angezeigt.

In Fig. 2 bezeichnet die Ordinate eine Intensität (Amplitude), und die Abszisse bezeichnet die Frequenzverschiebungsgröße. Die Frequenzverschie­ bungsgröße entspricht der Geschwindigkeit und der Verteilung des Blutstroms. Die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 8 ist im allgemeinen durch die Hälfte der Abtastfrequenz Fs, basierend auf dem "Nyquist Theorem" bestimmt. Obwohl der Anzeigebereich auf der Kathodenstrahlröhre zwischen -Fs/2 und Fs/2 in bezug auf die Mittenfrequenz "0" wird, wenn das Frequenzzentrum von "0" durch den Null-Verschiebungs­ wert Zr aufgrund einer schnelleren Blutstromge­ schwindigkeit verschoben wird, ändert sich in diesem Fall der neue Anzeigebereich zu zwischen (-Fs/2 + Zr) und (Fs/2+Zr). Anfänglich wird der Null-Ver­ schiebungs-Wert Zr manuell eingestellt und durch die CPU 9 gesteuert, durch Ändern einer ausgelesenen Startadresse von dem Frequenzspektrum, welches durch den FET 12 analysiert wurde. In Fig. 2 bezeichnen ba und bc Blutsignale, und ns bezeichnet ein Rauschsignal. Wie aus der Zeichnung klar hervorgeht, kann das Blutsi­ gnal ba auf der Kathodenstrahlröhre dargestellt werden, weil dieses Signal ba innerhalb der Erstreckung der Grenzfrequenz Fs/2 des Tiefpaßfilters 8 existiert. Das Blutsignal bc kann auf der Kathodenstrahlröhre nicht angezeigt werden, weil dieses Signal bc außerhalb der Grenzfrequenz Fs/2 existiert.

In Fig. 3 wird die Grenzfrequenz des Tiefpaßfil­ ters 8 neu auf dieselbe Frequenz wie die Abtastfrequenz Fs eingestellt. Das heißt, die neue Grenzfrequenz Fs wird bestimmt auf der Basis, daß der maximale Wert des Null-Verschiebungswertes Zr zwischen Fs/2 und -Fs/2 verändert werden kann. Deshalb kann das Signal zwischen -Fs und Fs durchgelassen werden.

In diesem Falle können die Signalkomponenten, wie es durch die Pfeile gezeigt ist, zwischen Fs/2 und Fs zu dem Bereich zwischen -Fs/2 und 0 gefaltet werden, und die Signalkomponente zwischen -Fs/2 und 0 können ebenfalls auf den Bereich zwischen Fs/2 und Fs gefaltet werden. In ähnlicher Weise können die Signalkomponenten zwischen -Fs und -Fs/2 zu dem Bereich zwischen 0 und Fs/2 gefaltet werden. Die obige Faltung kann auf der Basis eines "Faltungsphänomens" des FET 12 in der Abtastfrequenz Fs durchgeführt werden. Es ist zu beachten, daß: das "Faltungsphänomen" ist ein gut bekanntes Analyseverfahren, das bei der Fourier-Transformation ausgeführt wird. Deshalb kann eine detaillierte Erklärung derselben in dieser Be­ schreibung ausgelassen werden. Die Signalkomponenten in dem Bereich zwischen -Fs/2 und Fs/2 können unter Verwendung der Null-Verschiebungsfunktion und unter Verwendung von "Faltungsphänomenen" detektiert werden.

Umgekehrt, wenn die Null-Verschiebung nicht vorgenommen wird, werden die unnötigen Signalkomponenten zwischen -Fs und -Fs/2, und zwischen Fs/2 und Fs ebenfalls eingegeben werden. Deshalb wird das thermische Rauschen (schräge Linie in Fig. 3) ebenfalls im Doppler-Signal überlagert, so daß das Signal/Rauschen-Verhältnis verschlechtert wird. In diesem Fall hängt das thermi­ sche Rauschen von den Widerstandskomponenten der Wandler 5a und 5b ab, und dieses Rauschen ist den Widerstandskomponenten eigen und kann nicht eliminiert werden.

Ein Ultraschall-CW-Doppler-Blutflußmesser gemäß der vorliegenden Erfindung wird im folgenden detailliert erklärt.

In Fig. 4 ist 8A ein Tiefpaßfilter gemäß der vorlie­ genden Erfindung und ein detailliertes Schaltungsdia­ gramm als eine Ausführungsform ist in Fig. 6 dargestellt. Das Bezugszeichen 15 ist eine Frequenz­ steuerschaltung (FCC) gemäß der vorliegenden Erfindung, und ein detailliertes Blockdiagramm als eine Ausfüh­ rungsform ist ebenfalls in Fig. 6 dargestellt. Der neue Tiefpaßfilter 8A ist anstelle des herkömmlichen Tiefpaßfilters 8 in der Fig. 1 vorgesehen. Ferner ist die Frequenzsteuerschaltung 15 zwischen der CPU 9 und den Tiefpaßfiltern 8A vorgesehen. Die Grenzfre­ quenz Fm des Tiefpaßfilters 8A ist variabel und wird durch ein Steuersignal Fn von der Frequenzsteuerschal­ tung 15 gesteuert, basierend auf dem Null-Verschie­ bungswert Zr und der Abtastfrequenz Fs der kontinuierlichen Welle (CW). Das heißt, obwohl ein primäres Element, welches die Beschneidefrequenz bestimmt, lediglich durch den CW-Doppler-Abtastfrequenz Fs bei dem herkömmlichen Verfahren gegeben ist, ist es durch die CW-Doppler-Abtastfrequenz Fs und den Null-Verschiebungswert Zr in der vorliegenden Erfindung gegeben.

In Fig. 5 ist die Grenzfrequenz Fm wie folgt angegeben.

Fm = Fs/2 + |Zr|

wobei |Zr| ist ein absoluter Wert des Null-Verschiebungswertes. Wie aus der obigen Formel hervorgeht, ist die Grenzfrequenz Fm variabel, abhängig von dem Null-Verschiebungswert Zr in dem Bereich zwischen Fs/2 und Fs. Das thermische Rauschen kann von der Grenzfrequenz Fm eliminiert werden, wie es durch die geneigte oder gebogene Linie darge­ stellt ist. Obwohl der Tiefpaßfilter in Fig. 8A nur durch eine Kanalseite dargestellt ist, sind in Fig. 6 tatsächlich zwei Kanäle notwendig, weil die Ausgänge des Quadraturdetektors 6 die orthogonalen Signale ª und b sind. Die andere Kanalseite ist jedoch fortgelassen, um die Erklärung zu vereinfachen. R1 bezeichnet einen Eingangswiderstand, R2 und R3 integrierende Schaltungs­ widerstände, R4 und R5 Rückkopplungswiderstände, C1 und C2 Integrationsschaltungskondensatoren, C3 einen Rückkopplungskondensator, 80 einen Operationsverstärker (OP), 81 und 83 spannungsgesteuerte Abschwächer (PA), und 82 und 84 Pufferverstärker (BUF). Jeder spannungsgesteuerte Abschwächer 81, 83 besteht aus einem variablem Widerstand, und der Eingangsstrom ist entsprechend der Verstärkung abgeschwächt, welche der Steuerspannung von der Frequenzsteuerschaltung 15 entspricht. Die Fre­ quenzsteuerschaltung 15 besteht aus Registern 150 und 151, einem löschbaren, programmierbaren Festwertspei­ cher (EPROM) 152, und einem Digital/Analog (D/A)-Konverter 153. Jedes Register 150, 151 speichert temporär den Null-Verschiebungswert Zr, welches 6 Bit hat, und die CW-Doppler-Abtastfrequenz Fs, welche 6 Bit hat, beide werden von der CPU 9 zugeführt. Das EPROM 152 speichert eine digitale Spannung, um die Grenz­ frequenz Fm in dem Tiefpaßfilter 8A, die den Null-Verschiebungswert Zr und der CW-Doppler-Abtast­ frequenz Fs entspricht, einzustellen. Der D/A-Konverter 153 wandelt die digitale Spannung, die 8 Bit hat, zu einer analogen Spannung um, und gibt sie zu den spannungsgesteuerten Abschwächern 81 und 83 ab.

Die Erklärung dieser Schaltung wird im Detail anhand der Fig. 7 gegeben.

In Fig. 7 bezeichnet die Ordinate G einen Verstärkungsfaktor und die Abszisse Fm die Grenzfrequenz. Der Tiefpaßfil­ ter 8A umfaßt zwei Stufenintegrationsschaltungen, von denen jede mit den Abschwächern (81 und C1, 83 und C2) verbunden ist. Jede der Integrationsschaltungen wird durch die Rückkopplungsschleifen durch die Rückkopp­ lungswiderstände R4 und R5 gesteuert. Die Integrations­ schaltung hat gewöhnlich eine Filterfunktion und deshalb hat auch der Tiefpaßfilter 8A die Filterfunk­ tion des Hindurchlassens niedrigen Frequenzen, basierend auf der Steuerung der Eingangsspannung für die Abschwächer 81 und 83.

Der Null-Verschiebungswert Zr und die CW-Doppler-Abtastfrequenz Fs werden an einer Kontroll­ tafel (nicht dargestellt) von Hand eingestellt. Die CPU 9 setzt diese Werte in die Register 150 und 151. Die Grenzfrequenz Fm wird, basierend auf der obigen Formel, für den Wert Zr und die Frequenz Fs in dem EPROM 152 eingestellt. Das EPROM 152 gibt die digitale Spannung ab, welche der Grenzfrequenz Fm ent­ spricht, und die abgegebene digitale Spannung wird in dem D/A-Konverter 153 in den analogen Wert umgewandelt. Die analoge Spannung wird von den spannungsgesteuerten Abschwächern 81 und 83 als die Steuerspannung Vc abgegeben.

Deshalb wird, wie es in Fig. 7 dargestellt ist, der Verstärkungsfaktor G auf einen konstanten Wert G1 gesteuert, wenn die Steuerspannung Vc erhöht wird, wie es durch den Pfeil angezeigt ist. Die Grenzfrequenz Fm wird, in Übereinstimmung mit der Änderung der Steuerspannung Vc, zu den Frequenzen Fm₁, Fm₂ und Fm₃ geändert. Da es möglich ist, den Durchlaßbereich entsprechend dem Null-Verschiebungswert Zr und der CW-Doppler-Abtast­ frequenz Fs in dem Tiefpaßfilter 8A einzustellen, ist es dementsprechend auch möglich, das Doppler-Signal, welches das Verbesserte Signal/Rauschen-Verhältnis hat, zu erhalten, aus welchem unnötiges thermisches Rauschen eliminiert worden ist.

Dementsprechend ist dieses unnötige thermische Rauschen nicht in dem Doppler-Detektionssignal auf der Anzei­ geröhre enthalten, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, und die Null-Verschiebungsfunktion kann aufrechterhal­ ten werden, und deshalb ist es möglich, die Blutstrom­ geschwindigkeit und -verteilung leicht zu messen, um eine sehr präzise Diagnose des lebenden Körpers zu erzielen.

Obwohl die Frequenzsteuerschaltung 15 bei dem obigen Ausführungsbeispiel in einer Stufe außerhalb der CPU 9 vorgesehen ist, ist es auch möglich, dieselbe Funktion wie diese Schaltung in der CPU 9 einzufügen. Ferner ist es möglich, eine Vielzahl von Filtern vorzusehen, welche der Abtastfrequenz Fs entsprechen, anstelle des Tiefpaßfilters 8A, welcher die Grenzfrequenz ändern kann.

In Fig. 8 ist die Frequenzsteuerschaltung 15 in Reihe zwischen der CPU 9 und dem Tiefpaßfilter 8A angeschlos­ sen, wie es in Fig. 4 erklärt wurde. Da auf die Opera­ tionen dieses Blockdiagramms oben Bezug genommen wurde, wird die Erklärung hier fortgelassen.

Claims (2)

1. Ultraschall-Dopplereffekt-Blutflußmesser mit kontinuierlichen Wellen mit:
Wandlereinrichtungen, die ein Sendeelement und ein Empfangselement haben, wobei das Sendeelement ein elektrisches Sendesignal in ein Ultraschallsignal wandelt, um einen lebenden Körper zu bestrahlen, und das Empfangselement ein reflektiertes Ultraschallsignal in ein elektrisches Empfangssignal wandelt;
Detektoreinrichtungen, die mit den Wandlereinrichtungen verbunden sind, um orthogonal das elektrische Empfangssignal zu empfangen und ein Doppler-Detektionssignal auszugeben;
Tiefpaß-Filter, die mit den Detektoreinrichtungen verbunden sind, um hohe Frequenzkomponenten von dem Doppler-Detektionssignal über einer Grenzfrequenz abzuschneiden, und ein analoges Signal auszugeben;
Konvertereinrichtungen (11), die mit dem Tiefpaß-Filter verbunden sind, um das analoge Signal mit einer Abtastfrequenz in ein digitales Signal umzuwandeln;
Transformationseinrichtungen (12), die mit den Konvertereinrichtungen verbunden sind, um unter Verwendung einer Fouriertransformation (FET) ein Doppler-Frequenzspektrum zu erhalten, und um ein neues Dopplerfrequenzspektrum durch Verschieben der Zentralfrequenz des Doppler-Frequenz-Spektrums zu erhalten; sowie
Steuereinrichtungen (15), die mit dem Tiefpaß-Filter verbunden sind, um die Grenzfrequenz des Tiefpaß-Filters in Übereinstimmung mit der Abtastfrequenz (Fs) und den Null-Verschiebungswert der Zentralfrequenz des Doppler-Frequenzspektrums zu ändern.

2. Ultraschall-Dopplereffekt-Blutflußmesser mit kontinuierlichen Wellen nach Anspruch 1, bei dem die Steuereinrichtungen umfassen; ein erstes Register zur temporären Speicherung des Null-Verschiebungswertes; ein zweites Register zum temporären Speichern der Abtastfrequenz (Fs), einen löschbaren, programmierbaren Festwertspeicher, der die Grenzfrequez einstellt, basierend auf dem Null-Verschiebungswert und der Abtastfrequenz (Fs), und einen digitalen Wert der Grenzfrequenz speichert; und einen Digital/Analog-Konverter zum Konvertieren des digitalen Wertes in eine analoge Spannung.