DE3873742T2

DE3873742T2 - Verfahren und geraet zum nicht eindringenden pruefen der elastizitaet von weichen biologischen geweben.

Info

Publication number: DE3873742T2
Application number: DE8888108905T
Authority: DE
Inventors: Viktor Ponomarjev; Goran Popovic; Armen Sarvazyan; Akivo Vexler; Dusan Vucelic
Original assignee: INST OF BIOLOG PHYSICS OF; INST OF GENERAL AND PHYSICAL C
Current assignee: INST OF BIOLOG PHYSICS OF; INST OF GENERAL AND PHYSICAL C
Priority date: 1988-02-19
Filing date: 1988-06-03
Publication date: 1993-01-28
Anticipated expiration: 2008-06-04
Also published as: BR8900698A; GR3006246T3; DK75389A; JPH0221840A; AU621341B2; YU47190B; FI886048A; NO890496L; PL277821A1; IE890137L; AR242898A1; US4947851A; EP0329817B1; KR920006032B1; AU3000089A; TR24539A; DE3873742D1; YU32588A; HUT52623A; IS3423A7

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Prüfung der elastischen Eigenschaften weicher biologischer Gewebe. Es liefert die Erfindung insbesondere eine akustische Vorrichtung und ein ebensolches Verfahren, um ohne inneren Eingriff die Geschwindigkeit von akustischen Oberflächenwellen in Geweben zu messen, und damit eine Möglichkeit zur Bestimmung der elastischen Scher-Eigenschaften zwecks medizinischer Diagnose zu schaffen.
Die viskoelastischen Eigenschaften von biologischen Geweben hängen direkt mit ihrer Struktur zusammen. Man hat gefunden, dass die volumetrischen Eigenschaften von Geweben im wesentlichen durch ihre molekulare Zusammensetzung bestimmt sind, während die Scher-Elastizität charakteristisch für Strukturenniveaus ist. Physiologische Vorgänge in einem Organismus können Strukturänderungen in seinem Gewebe hervorbringen, welche durch die Messung von elastischen Scher-Eigenschaften festgestellt werden können.
Die Verfahren zum Prüfen der viskoelastischen Eigenschaften von Geweben beruhen im wesentlichen auf nich zerstörungsfreien Messungen, die an einzelnen Prüfstücken durchgeführt werden. So hat Maxwell beispielsweise die Torsionsschwingungen eines als Zylinder ausgeschnittenen und an einem Ende befestigten Prüflings verwendet (Maxwell B., ASTM Bull, No.215, 76, 1956). Das Scherungsmodul wurde durch die Messung der Kraft, welche notwendig ist um am anderen Ende des Zylinders eine gegebene Deformation zu erreichen, bestimmt. Das Intervall der verwendeten Frequenzen ging von 0,001 bis 200 kHz.
Zur Messung der körperlichen-elastischen Eigenschaften, d.h. der Ultraschall Geschwindigkeit und der volumenmässigen Kompressibilität von Materialien, wurde eine grosse Anzahl von Methoden entwickelt, welche hochfrequente, in drei Dimensionen fortschreitende akustische Wellen verwenden. So wurde beispielsweise bei Verwendung einer dieser Methoden (Nole A.W., Mowry S.C. J. Acoust. Soc. Amer., 20, 432, 1948) die Schallgeschwindigkeit bestimmt, und zwar aufgrund einer Messung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit eines akustischen Impulses im Prüfling, welcher selbst zwischen dem Ultraschall-Transducer und einem Reflektor in einer Flüssigkeit eingetaucht ist.
Eine Methode für das nichtzerstörende Prüfen der volumetrisch elastischen Eigenschaften von Geweben ist das Verfahren und die Vorrichtung zur nichtzerstörerischen Ueberwachung von Eigenschaften eines lebendigen Gewebes, welche mit seiner Viskoelastizität zusammenhängen (Benjamin Gavish, European Patent EP 0 135 325 A2, U.S. patent No.4580574, T.1065). Das Gerät umfasst ein Paar von im wesentlichen parallel ausgerichteten und beabstandeten Piezotransducern, von denen der eine bezüglich des anderen justierbar ist, um ein Stück lebendigen Gewebes zwischen beiden einführen und festhalten zu können. Ein Transducer wird mit einem Hochfrequenz-Generator verbunden und der andere wird über einen Verstärker und einen Demodulator mit einer Signalanalyse-Vorrichtung verbunden. Die Frequenz und die Ultraschall-Resonanzschwingung, die im Gewebe erregt wird, sowie die Amplitude dieser Schwingungen sind für die viskoelastischen Eigenschaften des Gewebes charakteristisch.
Dieses Prüfverfahren für Gewebe ermöglicht es, gewisse physiologische Vorgänge festzustellen, insbesondere Veränderungen in der Mikro-Blutzirkulation. Da jedoch die volumetrischen elastischen Eigenschaften geprüft werden sollen, und diese sich fallweise nicht um mehr als einige Prozent verändern, wäre die Präzision eines solchen Verfahrens nicht sehr hoch, wenn man sie mit der Präzision von Verfahren vergleicht, welche die Scher-Elastizität verwenden, denn letztere kann sich in gewissen Fällen um einige hundert Prozent in Abhängigkeit des physiologischen Zustandes des Gewebes verändern. Das Verfahren umfasst keinerlei Massnahme um die Kraft zu kontrollieren, mit welcher die Transducer auf den zwischen ihnen befindlichen Gewebeprüfling gepresst werden. Solch ein Druck beeinflusst jedoch die Eigenschaften des Prüflings und erhöht den Messfehler noch mehr. Des weiteren kann diese Technik auf viele Teile des Körpers nicht angewandt werden, weil es oft schwer ist, von entgegengesetzten Seiten an das zu prüfende Gewebe heranzukommen.
Eine der wichtigen Charakteristiken, die mit der Struktur eines lebendigen Gewebes zusammenhängt, kann mit diesem Verfahren nicht bestimmt werden, nämlich seine Anisotropie, d.h. der Unterschied zwischen in verschiedenen Richtungen gemessenen mechanischen Eigenschaften.
Die Möglichkeiten elastische Scher-Eigenschaften biologischer Gewebe zu prüfen, wurden in folgender Publikation untersucht (V.A. Passechnik, A.P. Sarvazyan: Ueber die Möglichkeit Modelle der Muskelkontraktion durch eine Messung der viskoelastischen Eigenschaften des sich zusammenziehenden Muskels zu untersuchen -- Studia Biophysica, Berlin, Band 13, 1969, Heft 2, 5.143 - 150). In dieser Arbeit wurden Aenderungen der elastischen Eigenschaften eines isolierten Muskels während seiner Kontraktion untersucht. Niederfrequente akustische Schwingungen (450 bis 1200 Hz) wurden in einer Probe angeregt, und zwar mittels eines im Biegemodus arbeitenden Piezotransducer, und in einer gewissen Entfernung durch einen ebensolchen Piezotransducer empfangen. Die Spannung des Muskels wurde in verschiedenen Kontraktionsstufen gemessen. Das Scher-Elastizitätsmodul wurde bestimmt, indem die Amplitude und die Phase des empfangenen Signals gemessen wurden.
In einer anderen Methode zur Bestimmung der Scher-Elastizität von Geweben (R.O.Potts, D.A.Christman, E.M. Buras : Die dynamischen mechanischen Eigenschaften der menschlichen Haut in vivo, J. Biomechanics, Vol. 16, No.6, S. 365 - 372, 1983) wurden die Scher-Schwingungen im Gewebe durch einen "Recorder" (eine Schneiddose für Phonographe), welcher mit seiner Kontaktspitze in Berührung mit der Oberfläche des Gewebes ist, erzeugt. Ein mit einer Nadel versehener Tonwiedergabekopf wurde als Empfänger benützt. Die Messungen wurden in einem Frequenzgebiet von 200 - 1000 Hz durchgeführt.
Die Schneiddose wurde mit einem weisses Rauschen erzeugenden Tongenerator angeregt. Die charakteristischen Frequenzen wurden mittels eines Spektralanalysegerätes bestimmt. Die gemessenen Parameter waren die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Scherwellen und ihre Dämpfung. Die Autoren der genannten Arbeit kamen zum Schluss, dass in dem durch besagtes Verfahren untersuchten niederfrequenten Gebiet die im Gewebe erzeugten mechanischen Wellen Scherwellen sind, und nur in der Oberflächenschicht des Gewebes, d.h. in der Haut, auftreten, und dass es deshalb nur in diesem Gebiet möglich ist, eine selektive Messung der Hautelastizität durchzuführen; bei höheren Frequenzen ist die Messung jedoch wegen der geringen Eindringtiefe der Oberflächenwellen schwieriger. Ueber diese Schlussfolgerung lässt sich streiten. Da die Geschwindigkeit von Scherwellen in weichen Geweben etwa 5 bis 50 m/s betragen kann, sollte die Wellenlänge in einem Frequenzbereich um 1 kHz herum etwa 5 bis 50 mm betragen.
Da die Eindringtiefe von Oberflächenwellen nicht viel geringer als eine Wellenlänge sein kann, können unter der Haut liegende Strukturelemente, und in gewissen Fällen sogar Knochenmaterial, die Fortpflanzung von Wellen in diesem Bereich beeinflussen, und es scheint deshalb der selektive Bezug dieser Methode auf Messungen in der Haut eher zweifelhaft.
Die Autoren dieser Methode (R.O. Potts et al) berücksichtigen nicht eine Eigenheit der Oberflächenwellen wie etwa die Abhängigkeit der Geschwindigkeit und der Dämpfung einer Oberflächenwelle von der Fortpflanzungsrichtung bezüglich des Verschiebungsvektors einer tangentialen Schwingung, die durch einen Sender an der Oberfläche des Gewebes angeregt wird. Ausserdem wurde die Anisotropie nicht erwähnt, welche eine wichtige Eigenschaft der Scherelastizität in biologischen Geweben (insbesondere der Haut) ist.
Des weiteren beschreibt das US-Patent 4,522,071 einen Apparat zur Bestimmung der Spannung in einem Material durch Verwendung von Ultraschall-Scherwellen, die orthogonal zu ihrer Fortpflanzungsrichtung polarisiert sind. Wie dort erwähnt wird, ist diese Methode jedoch im wesentlichen unempfindlich gegenüber Anisotropien und Mikrostrukturen im geprüfen Material. Der Apparat ist demnach nicht geeignet, um die Struktur eines lebendigen Gewebes zu bestimmen, insbesondere wegen der engen Beziehung zwischen dieser Struktur und der Anisotropie des Gewebes.
Die Struktur von Geweben unterliegt in vielen klinischen Situationen gewissen Aenderungen. Die Strukturänderungen sind eng mit Aenderungen der viskoelastischen Eigenschaften der Gewebe verquickt. Verglichen mit den Scher-Eigenschaften, sind die volumetrischen elastischen Eigenschaften nicht besonders von der Struktur und ihrer Anisotropie abhängig, so dass die Bestimmung der Scher- Eigenschaften für die klinische Medizin und die Diagnose sich als wertvoller erweisen wird. Deshalb will die Erfindung ein Verfahren liefern, um die Scher-Eigenschaften eines Gewebes in einer vorgegebenen Richtung ohne inneren Eingriff und mit hoher Empfindlichkeit zu messen.
Fig. 1 zeigt das Prinzip des Verfahrens.
Fig. 2 ist ein Querschnitt der Sonde (a) und der Einheit zum Standardisieren der Kraft mit welcher die Sonde auf das Gewebe gepresst wird (b).
Fig. 3 zeigt die Anordnung der Transducer mit ihren Kontaktspitzen.
Fig. 4 ist ein Schaltungsdiagramm.
Fig. 5 ist das Zeitdiagramm des Messzyklus.
Die allgemeine Idee des Verfahrens ist wie folgt: Die bimorphen, im Biegemodus arbeitenden, Uebertragungsund Empfangs-Piezotransducer mit an ihrem Ende angebrachten Kontaktspitzen werden in mechanischem Kontakt mit dem zu untersuchenden Material gebracht. Ein auf den Sender übertragener elektrischer Impuls erzeugt in der Nähe der Kontaktspitze des Senders eine gedämpfte Tangentialschwingung mit einer Frequenz im Intervall von 0,5 bis 30 kHz, in Abhängigkeit des Aufbaus des Transducers und der Eigenschaften des Materials. Die sich fortpflanzende mechanische Schwingung erzeugt im Empfänger ein elektrisches Signal. Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit wird bestimmt indem die Zeit gemessen wird, die ein aus tangentialer Verformung bestehender Impuls braucht, um die Entfernung zwischen dem Sender und dem Empfänger zurückzulegen. Die Geschwindigkeit und die Dämpfung einer Scher- Welle hängt von dem Winkel zwischen der Fortpflanzungsrichtung und der Richtung des Ausschlages der durch den Sender erzeugten tangentialen Schwingung ab. Die sich längs des Ausschlagsvektors fortpflanzende Welle hat die maximale Geschwindigkeit und die kleinste Dämpfung. Dies ist der Grund, warum der Sender und der Empfänger wie in Figur 1 gezeigt angebracht sind, wobei 1 und 2 die als Sender und als Empfänger verwendeten, im Biegemodus arbeitenden, bimorphen Piezotransducer sind. Der Ausschlagsvektor beider Transducer fällt mit der Verbindungsgeraden zwischen den Kontaktspitzen A und B zusammen.
In der bevorzugten Ausführung umfasst das Gerät zur Geschwindigkeitsmessung eine Sonde mit einem Sende- und zwei Empfangs-Piezotransducer, wobei die Empfangs-Transducer symmetrisch bezüglich des Senders angebracht sind, wie in Figuren 2a und 3 gezeigt. Die Verwendung von zwei Empfängern anstatt eines einzigen gestattet es, die empfangenen akustischen Signale differenziell zu verstärken; dies ist deshalb wichtig, weil das von den Empfängern empfangene Signal schwach ist.
Die drei Piezotransducer 1, 2, und 3, mit ihren Kontaktspitzen 4, 5, und 6, sind wie in den Figuren 3 und 2a gezeigt auf der Sonde montiert, und zwar mittels akustischer Verzögerungsleitungen 7 und 8, die als hohle, dünnwandige, metallische Schäfte ausgebildet sind. Die Länge der Schäfte ist gross genug, um das vom Sender zu den Empfängern übertragene Signal beim Durchgang durch die Sonde um ein mehrfaches der Zeit zu verzögern, die es zur Uebertragung im betreffenden Medium braucht. Die Transducer 1, 2 und 3 sind mittels dämpfender, elastischer Zwischenlagen in den Schäften 7 und 8 befestigt, wobei sich alle innerhalb eines Schutzgehäuses 12 befinden, welches gleichzeitig als Druckfühler zum Standardisieren der Kraft, mit welcher die Sonde auf das Material gedrückt wird, dient. Das Gehäuse 12 wirkt auf einen Drei-Stellung Schalter (Fig. 2b), der folgende Teile aufweist : Ein Nadelkontakt 13, eine Feder 14, einen unbeweglichen rohrförmigen Kontakt 15, der mittels einer isolierenden Zwischenschicht aus Plastik im Sockel 15 befestigt ist, eine bewegliche Kontaktplatte 16, die im Ruhezustand durch die Feder 17 an den Kontakt 15 gepresst wird, und durch eine isolierende Platte von der Feder getrennt ist.
Im Ruhezustand ist dieser Schalter offen. Im Betrieb kann er nur dann geschlossen werden, wenn die die Feder 17 komprimierende Kraft, d.h. die Kraft mit welcher die Sonde auf das Material gepresst wird, gross genug ist, um die Nadel 13 in Kontakt mit der Platte 16 zu bringen, aber nicht gross genug ist, um den Kontakt zwischen der Platte 16 und dem rohrförmigen Kontaktstück 15 zu unterbrechen. Entsprechend dem Gesagten ist die untere Grenze der Kraft durch die Feder 14 bestimmt, die durch eine Verschiebung des Sockels 9 innerhalb des äusseren Gehäuses 10 eingestellt wird, während die obere Grenze durch die Feder 17 eingestellt wird, welche durch die Schraube 18 komprimiert ist. Das zulässige Kräfteintervall kann fast so klein gemacht werden, wie die Hysteresis der Reibung innerhalb der Kontakteinheit. Es muss jedoch gross genug sein, um mit Leichtigkeit von Hand eingehalten werden zu können.
Das Gehäuse 12 und die Transducer sind so angeordnet, dass innerhalb des zulässigen Kräfteintervalls die Kontaktspitzen 4, 5 und 6 eine feste Lage nahe der Ebene der Arbeitskante der Sonde einnehmen.
Besagter Schalter steuert die Funktion der elektronischen Einheit (siehe Fig. 4a), die folgende Teile aufweist : den Eingangsverstärker 19, den Clip 20, die bistabile Einheit 24 (Typ 74121), das Flip-Flop 23, den Impulsgenerator 21, die Verzögerungseinheit 22, die Verarbeitungseinheit 25 und die Anzeigeeinheit 26. Der Impulsgenerator 21 erzeugt die Impulse zur Biegungs- Deformation des als Sender arbeitenden Piezotransducers; eine Pause von 30 ms zwischen den Impulsen trennt die elementaren Messzyklen (siehe Fig. 5). Wenn alle Spitzen der Sonde in Kontakt mit dem Material gebracht worden sind, werden die zwei gegenphasigen elektrischen Signale, die in den Empfängern erzeugt werden, zu den Eingängen des Differentialverstärkers 19 geführt. Gleichzeitig setzt der Impuls des Generators 21 den Flip-Flop 23 über die kalibrierende Verzögerungseinheit 22; der Flip-Flop 23 steuert die Zählung in der Verarbeitungseinheit 25. Das Ausgangssignal des Verstärkers 19 wird durch den Schwellwertbegrenzer 20 derart beschränkt, dass Impulse mit steilen Flanken entstehen, wie in Fig. 5 gezeigt. Die vordere Flanke des ersten Impulses entspricht der vom Empfänger zuerst empfangenen Front der akustischen Wellen (Ereignis M in Fig. 5), und die hintere Flanke entspricht dem ersten Durchgang der Welle durch Null, seit dem nichtangeregten Zustand (Ereignis N). Da die Front einer akustischen Welle sehr glatt und schwer mit hinreichender Sicherheit bestimmbar ist, wird anstatt dessen das Ereignis N verwendet, um die Uebertragungszeit des akustischen Impulses zwischen dem Sender und dem Empfänger zu messen. Die hintere Flanke des mit diesem Ereignis verbundenen Impulses U20 setzt über die bistabile Einheit 24 den Flip-Flop 23 neu, und unterbricht damit die Zählung in der Verarbeitungseinheit 25.
Die Verarbeitungseinheit 25 führt eine Mittelung von mehreren Uebertragungszeit-Messungen der akustischen Impulse durch, und wandelt die mittlere Uebertragungszeit in eine Impulsgeschwindigkeit. Diese Einheit besteht aus einem Frequenzteiler 28, der durch den Zähler 31 über die UND Schaltung 27 gesteuert wird, den Zeit-Geschwindigkeitswandler 29, den Takter 30, den Zähler 36, die bistabilen Einheiten 32 und 35, und das NICHT element 33. Eine mögliche Ausführung der Wandlungseinheit 29 ist in der Fig. 4c gezeigt.
Zusammen mit dem Zähler 37 speichert der Frequenzteiler 28 die Gesamtzahl der Zeitimpulse während mehrerer Prüfperioden; der Zähler 28 teilt diese Anzahl durch die Anzahl Prüfungen. Der Zyklus des Zählers 31 beträgt das Doppelte der Anzahl Prüfperioden; während der ersten Hälfte des Zyklus ist sein Ausgangssignal hoch, und bewirkt (über das Tor 27) die Zählung in den Zählern 28 und 37. Wenn das Ausgangssignal von 31 niedrig ist, wird die Zählung unterbrochen, und die mittlere Zeitdauer ist in 37 gespeichert. Gleichzeitig geht das Ausgangssignal des Inverters 33 auf HOCH, und aktiviert daher die Zählung im Pufferspeicher 36, und zwar über eine bestimmte, durch den Zeitgeber 34 bestimmte Dauer. Der Zähler 36 zählt die Ausgangssignale des voreinstellbaren, abziehenden Zählers 38, welcher ständig läuft, und den von 37 stammenden Wert jedesmal lädt, wenn seine Zählung auf Null herunterkommt; derart werden Impulse geliefert, deren Frequenz der Kehrwert der in 37 gespeicherten Zeit ist. Der Zeitgeber 34 führt diese Impulse zum Zähler 36; er ist einstellbar um, zusammen mit der einstellbaren Verzögerungseinheit 22, eine Kalibrierung der Impulsgeschwindigkeiten zu ermöglichen. Der in 36 aufsummierte Wert der Geschwindigkeit wird durch die Anzeigeeinheit 26 angezeigt. Am Ende des Prüf/Anzeige-Zyklus geht das Ausgangssignal von 31 wieder auf HOCH, und setzt damit über die bistabilen Einheiten 32 und 35 die Zähler 28, 37, und 36 neu, wobei auch über das Tor 27 eine Zählung aktiviert wird.
In Uebereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wurde der Prototyp gebaut, um die Möglichkeiten des vorgeschlagenen Verfahrens durch verschiedene Experimente zu belegen. Tabelle 1 zeigt wie die Geschwindigkeit einer Oberflächenwelle auf der Haut des menschlichen Körpers variieren kann. Tabelle 1. Geschwindigkeit einer Scher-Welle, (m/s) Stirn Wange Brust Fingerspitze Schienbein
Ein weiteres Beispiel ist die Messung der Elastizität der menschlichen Haut vor und nach einer Cryomassage. In einer Gruppe von Frauen, die von einem Kosmetiker aufgrund ihrer besonders dünnen Gesichtshaut ausgewählt wurden, lag die vor der Cryomassage gemessene Geschwindigkeit der Oberflächenwelle im Bereicht von 20,2 m/s. Unmittelbar nach der Cryomassage lag die Geschwindigkeit im Bereich von 60 m/s; sie kehrte nach etwa zehn Minuten zum ursprünglichen Wert zurück. Es konnte gezeigt werden, dass die Relaxationsgeschwindigkeit der Hautelastizität nach der Cryomassage für den besonderen Hauttypus spezifisch ist.
Ein weiteres Beispiel ist die Untersuchung der Scher-Elastizität der Muskeln während ihrer Kontraktion. In einem isolierten, ruhenden Froschmuskel war die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Scher-Welle längs der Fibern etwa 10 m/s. Während des Zusammenziehens erreichte sie 35 m/s. Der Variationsbereich der Geschwindigkeit der Scher-Wellen in ein und demselben biologischen Gewebe übersteigt oft 100 Prozent, während er im Fall von in das Innere eindringenden Wellen einige Prozent beträgt.
Man sieht, dass die Erfindung Mittel zum Prüfen der Gewebe liefert, die sowohl für die Art des Gewebes wie für seinen physiologischen Zustand hochempfindlich sind, und für eine medizinische Diagnose äusserst wertvoll sein können, etwa bei der Diagnose pathologischer Zustände der Haut oder für eine Unterscheidung zwischen normalen und pathologischen Geweben im Verlauf einer chirurgischen Operation.
Die Versuche zeigten auch, dass gewisse Eigenheiten der bevorzugten Ausführungsform vorteilhaft und sogar notwendig sind. Es soll insbesondere bemerkt werden, dass aus vielen verschiedenen Gründen die Kraft, mit welcher die Sonde auf ein Gewebe gedrückt wird, den mechanischen Zustand der Gewebe ändert, und die Ergebnisse der Messung stark beeinflusst. Die vorgeschlagene Charakteristik einer Beschränkung der Kraft macht diesen Fehler fast konstant und gestattet es, ihn bei der Kalibrierung zu berücksichtigen.
Die andere wichtige Charakteristik ist die Verwendung von zwei Empfängern anstatt eines einzigen. Abgesehen davon, dass es die Empfindlichkeit erhöht, wird es verwendet, um den Fehler zu reduzieren, der während eines manuell durchgeführten Anpressens der Sonde auftritt, und zwar wegen zufälligen Aenderungen der relativen Stellung des Sende- und der zwei Empfangs-Transducer. Dabei muss berücksichtigt werden, dass die die Transducer tragenden Schäfte gleichzeitig als akustische Verzögerungsleitungen dienen, und daher im wesentlichen biegsam sein müssen. Der grösste Fehler tritt dann auf, wenn der Sender in Richtung eines der Empfänger verschoben wird; in diesem Fall erhält dieser Empfänger das Signal etwas früher als erwartet, und dasselbe Signal erreicht den anderen Empfänger erst später. Der Empfang der Signale wird durch ihren ersten Nulldurchgang festgestellt; sofern der Schaft klein ist, ist der Nullpunkt der Summe des verzögerten Signals und des Signals, welches vorzeitig ankommt, nur leicht verschieden vom erwarteten Nullpunkt. Diese Verschiebung kann in folgender Weise grob abgeschätzt werden:
A sin (ωt+ψ) = A&sub1; sin ( ωt+ψ) + A&sub2;sin (ωt-ψ) (4)
Dabei ist :
A die Amplitude des resultierenden Signals; A&sub1; und A&sub2; sind die Amplituden der Signale bei den Empfängern; ψ ist die Phasenverschiebung des resultierenden Signals, welche infolge der asymmetrischen Stellung der Kontaktspitzen der Empfänger auftritt, und ±ψ sind die Phasenverschiebungen der summierten Signale.
Die Gleichung (4) kann auf folgende Weise umgeschrieben werden :
A sin (ωt+ψ) = A&sub1; sin ωt+arctan (A&sub1;A&sub2;/A&sub1;+A&sub2;) tanψ) (5).
Im kleinen Verschiebungsbereich des Senders bezüglich der Mittelstellung zwischen den Empfängern, kann die Amplitude des empfangenen Signales als eine lineare Funktion der Entfernung betrachtet werden, und man kann daher Gleichung (5) folgendermassen umformen :
sin (ωt+ψ) sin ωt + arc tan (ΔR/Rotanψ) (6).
Dabei ist :
Ro die halbe Entfernung zwischen den Kontaktspitzen der als Empfänger wirkenden Piezotransducer; ΔR = L-Ro ist die Verschiebung des Senders bezüglich der Kontaktspitzen der Empfänger.
Nimmt man folgende Werte an : f = 5 kHz, Ro = 3 mm, c= 40 m sec&supmin;¹, ΔR = 0,3 mm, wobei f die Arbeitsfrequenz und c ein Mittelwert der Geschwindigkeit der Oberflächenwelle in der menschlichen Haut ist, und berücksichtigt man die Werte dieser Parameter in (6), dann kann Gleichung in (6) folgendermassen neu geschrieben werden:
sin (ωt+ψ) sin (ωt + ΔR/R ψ)
Man sieht, dass die Verwendung von zwei Piezotransducern für den Empfang anstatt eines einzigen den durch Aenderungen der Entfernung zwischen den Kontaktspitzen des Senders und der Empfänger bedingten Fehler etwa um den Faktor (ΔR/R) reduziert, d.h. dass für die oben angegebenen Parameterwerte der Fehler eines Gerätes mit einem doppelten Empfänger zehnmal kleiner ist, als derjenige einer mit nur einem Empfänger bestückten Ausführung.
Ein weiterer Vorteil der bevorzugten Ausführungsform besteht darin, dass die Sonde überall am Körper auf die Oberfläche des Gewebes angepresst werden kann, ohne dieses zwischen die Transducer zu klemmen, oder auf irgendeine andere Weise festzuhalten.

Claims

1. Verfahren, für die ohne inneren Eingriff durchführbare akustische Prüfung der Elastizität weicher biologischer Gewebe mittels Uebertragung und Empfang von akustischen Oberflächenwellen, die folgenden Schritte umfassend :

- Anpressen einer Sonde auf die Gewebe-Oberfläche, wobei die Sonde voneinander beabstandete, im Biegemodus arbeitende Sende- und Empfangs-Piezotransducer (1, 2, 3) aufweist, die so angeordnet sind, dass ihre Spitzen (4, 5, 6) in einer Linie liegen und mit einer in einem gewählten Intervall liegenden Kraft gegen das Gewebe gedrückt werden; Versorgen des Sende-Transducers (1) mit einem elektrischen Impuls, um ihn zu einer Biegeschwingung anzuregen, und um im Gewebe eine zur Gewebeoberfläche tangentielle, gedämpfte Schwingung zu erzeugen, so dass der Fortpflanzungsvektor der Schwingungen an der Gewebeoberfläche mit der Fortpflanzungsrichtung der Schwingung sowie mit der Verbindungslinie zwischen den Kontaktspitzen (4, 5, 6) übereinstimmt;

- Empfang, am Orte des Empfängers (2, 3) und mit demselben, der Schwingung die in Richtung der induzierten Verformung auftritt;

- Bestimmung der zwischen dem Senden und dem Empfang des sich entlang der Gewebeoberfläche fortpflanzenden Impulses verstrichenen Zeit;

- Umwandlung dieser Zeit in die Geschwindigkeit der Oberflächenwelle, wobei diese Geschwindigkeit für die Elastizität des geprüften Gewebes in der Wellenfortpflanzungsrichtung massgebend ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Zeit zwischen Aussenden und Empfang des akustischen Impulses in dem Augenblick beginnt, wo die Tangentialverschiebung des mit dem Sender in Kontakt befindlichen Gewebes zum ersten Mal ihre Ruhelage wieder durchquert, und in dem Augenblick aufhört, wo das im Empfänger erzeugte Signal erstmals wieder auf Null zurückkehrt.

3. Vorrichtung, um ohne inneren Eingriff die Elastizität weicher biologischer Gewebe akustisch durch die Uebertragung und den Empfang von akustischen Oberflächenwellen zu prüfen, mit einer Sonde, die folgende Teile aufweist :

- einen Sende- und zwei Empfangspiezotransducer (1 und 2, 3), die bimorph im Biegemodus arbeiten, mit Kontaktspitzen (4 und 5, 6) ausgerüstet sind, und mittels länglicher, als akustische Verzögerungsleitungen wirkender Schäfte (7, 8) derart auf dem Sondenkörper montiert sind, dass die Verschiebungsvektore der Biege- Schwingungen im Sendetransducer und in den beiden Empfangstransducern (1, 2, 3) mit der Verbindungslinie zwischen den Kontaktspitzen (4, 5, 6) übereinstimmen; mit

- einer Einheit zur Einschränkung des Kräfte- Intervalles, mit dem die Piezotransducer (1, 2, 3) gegen das zu prüfende Gewebe gepresst werden; sowie mit

- Schaltkreisen, die mit den Transducern (1, 2, 3) und der kräftebeschränkenden Einheit verbunden sind, inklusive

- Mittel (21), um dem Sende-Piezotransducer (1) einen elektrischen Impuls zuzuführen, um im Gewebe eine gedämpfte Schwingung zu erzeugen, die tangential zur Gewebeoberfläche verläuft, derart, dass der Auslenkvektor der Schwingungen und ihre Fortpflanzungsrichtung mit der die Kontaktspitzen (4, 5, 6) verbindenden Linie zusammenfallen,

- Mittel (25), um die Zeit zu bestimmen die akustische Impulse brauchen, um über das Gewebe vom Sender (1) zu den Empfängern (2, 3) zu gelangen, sowie um diese Zeit in eine Impuls-Geschwindigkeit zu verwandeln, und

- Anzeigemittel (28), um den Wert der Geschwindigkeit anzuzeigen, welche die Elastizität des Gewebes in der Fortpflanzungsrichtung angibt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitzen der Empfangstransducer starr miteinander verbunden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zur Einschränkung der Kraft ein die Transducer (1 - 3) enthaltendes, hohles Gehäuse (12) aufweist, das einen Teil der Sonde bildet und eine Oeffnung besitzt, durch welche hindurch die Transducer (1 - 3) die Gewebeoberfläche erreichen können; eine Feder (14), die das Gehäuse (12) an seinem der Oeffnung entgegengesetzten Ende trägt und die an einem Sockel (9) befestigt ist, der einstellbar in einem, den Hauptkörper der Sonde bildenden, äusseren Gehäuse (10) befestigt ist; einen, drei Stellungen aufweisenden und durch das Gehäuse (12) betätigten elektrischen Schalter; eine am gleichen Ende des Gehäuses (12) wie die Feder (14) befestigte, bewegliche Kontaktnadel (13); einen durch den Sockel (9) befestigten, unbeweglichen Kontakt (15); einen zweiten beweglichen Kontakt (16), der mittels einer einstellbaren Feder (17) in Kontakt mit dem unbeweglichen Kontakt (15) gehalten wird, und zwar derart, dass wenn die Kraft, mit der die Transducer gegen das Gewebe gepresst werden, innerhalb des zulässigen Intervalls liegt, die Feder (14) zwischen dem Sockel (9) und dem Gehäuse (12) genügend komprimiert wird um die bewegliche Kontaktnadel (13) in Kontakt mit dem zweiten beweglichen Kontakt (16) zu bringen, dass wenn besagte Kraft ihre obere Grenze überschreitet, eine weitere Kompression der Feder (14) sowie der einstellbaren Feder (17) stattfindet, und zwar derart, dass der Kontakt zwischen dem zweiten beweglichen Kontakt (16) und dem unbeweglichen Kontakt (15) unterbrochen wird; wenn jedoch die Kraft kleiner als die untere Grenze ist, dann wird die das Gehäuse (12) tragende Feder (14) nicht genügend komprimiert, um der am Gehäuse (12) befestigten beweglichen Kontaktnadel (13) ein Erreichen des zweiten beweglichen Kontaktes (16) zu gestatten; demnach zeigt das Schliessen des beschriebenen Schalters an, dass die auftretende Kraft im zulässigen Intervall liegt.