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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen der
Strömungsgeschwindigkeit von Blut, wobei von einer Folge von N aufeinanderfolgenden
echographischen Signalen ausgegangen wird, mit einem Austaster von festen Echos an
M Stellen, mit nachgeschalteter Meßeinheit für die Geschwindigkeit durch Korrelation-
Summierung-Interpolation von N-M+1 unabhängigen Signalen, die der
Festechoaustaster aussendet.
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Die Erfindung findet besonders vorteilhafte Anwendung im allgemeinen
Bereich der echographischen Untersuchung von Blutströmungen in Gefäßen, und
insbesondere im Bereich der Visualisierung derartiger Strömungen.
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Aus der europäischen Patentanmeldung 0 225 667 ist eine Meßanordnung
eingangs erwähnter Art bekannt, in der die Meßeinheit aus einem Speicher, in dem die
N-M+1 unabhängigen Signale gespeichert sind, einem Korrelator zur Lieferung der N-
M-Zwischenkorrelationsfünktionen der gespeicherten N-M+1-Signale, einem Addierer,
der die Funktion der mittleren Zwischenkorrelation gibt, und einer
Interpolationsschaltung besteht, die die Bestimmung des Höchstwertes der mittleren
Zwischenkorrelationsfünktion ermöglicht, was auch mit Korrelationsspitze bezeichnet
wird, deren Position direkt mit der gesuchten Strömungsgeschwindigkeit
zusammenhängt. Es läßt sich tatsächlich dabei bemerken, daß die Anordnung nach dem
Stand der Technik die Tatsache ausnutzt, daß die aufeinanderfolgenden durch ein
Bewegungstarget retrodiffundierten Ultraschallsignale, wenn die Emission in der
Wiederholungszeit T wiederholt wird, durch folgende Gleichung miteinander verknüpft
sind:
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Sn+1(t) = Sn(t-τ)
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Das bedeutet, daß das Signal n+1 die Replik des Signals n vor einer Zeitverschiebung
von nahezu τ ist. Letztgenanntes stellt die erforderliche zusätzliche Zeit der
Ultraschallwelle zum Durchlaufen der Strecke Wandler-Target-Wandler von einer
Triggerung zum anderen dar. Mit anderen Worten:
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τ = 2VT/C
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worin V die Targetgeschwindigkeit und C die Schallgeschwindigkeit ist. Es ist
ersichtlich, daß eine Messung von τ die gesuchte Geschwindigkeitsmessung V
ermöglicht.
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Die Zwischenkorrelationsfunktion zwischen Sn(t) und dem definierten
Wert Sn+1(t) an einem breiten Fenster W, durch die Gleichung:
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Cn,n+1(to,u) = to+W/toSn+1(t+u) Sn(t)dt
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bestätigt, daß
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Cn,n+1(to,u) =Cnn(to,u-τ).
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Die Zeit to ist mit der Untersuchungstiefe z mit to = 2z/C verknüpft.
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Die Funktion Cnn(to,u) ist eine Autokorrelationsfünktion und ist hierdurch
maximal bei u=o.
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Auf diese Weise kann eine Messung der Zeitverschiebung τ und also die
Geschwindigkeit V bei der Suche erfolgen, für welchen Parameter u die Funktion
Cn,n+ 1(to,u) maximal ist. Wenn dieser Höchstwert für den Wert uo von u erhalten
wird, läßt sich τ unter Verwendung der Gleichheit uo = τ und V = uoC/2T ableiten.
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Die beschriebene Anordnung in der erwähnten europäischen
Patentanmeldung erwähnt zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Blut und zu
ihrer Visualisierung einen entscheidenden Beitrag. Es sei allerdings bemerkt, daß die
Genauigkeit des erhaltenen Ergebnisses von der Anzahl der
Zwischenkorrelationsfunktionen abhängig ist, von der der Mittelwert, d.h. N-M für die
bekannte Anordnung genommen wird. Zum Verringern der Zahl der Messungen ist es
also vorteilhaft, die Anzahl N der zu bearbeitenden Signalen gleichzeitig zu erhöhen,
oder die Anzahl der Punkte M des Festechoaustasters zu verringern.
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In der Praxis ist es im wesentlichen kaum möglich, M auf weniger als 3
oder 4 zu reduzieren. Bekanntlich ist die Verwendung einer Anordnung zum
Festechoaustasten vor einer Geschwindigkeitsprofilschätzung durch die große
Reflexionskraft der Gefäßwände unabkömmlich, die 40 dB der Reflexionskraft des
Blutes (weiße Blutkörperchen) übersteigen kann. Die einfachste Ausführung des
Festechoaustasters ist die mit zwei Punkten, der aus einer um eine
Wiederholungsperiode parallel zu einer Verzögerungsleitung gleich Null verzögerte
Leitung besteht. Diesen Leitungen sind Gewichtungskoeffizienten, jeweils ± 1,
zugeordnet, die nach der Gewichtsbestimmung von einem Addierer addiert werden. Das
bekannte Filter verwirklicht also den Unterschied zwischen zwei aufeinanderfolgenden
echographischen Leitungen, die grundsätzlich zu einer quasi kompletten Verringerung
der durch die festen Gewebe erzeugten Echos führt. Jedoch hat diese Technik auch den
großen Nachteil, daß sie ebenfalls die den schwachen Strömungsgeschwindigkeiten
entsprechenden Signale abschwächt. Beispielsweise läßt sich nachweisen, daß die oben
genannte Filterbeantwortung abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit derart ist, daß
für eine Wiederholungsfrequenz von 5 kHz und eine Emissionsfrequenz von 5 MHz ein
Signal entsprechend v = 5 cm/s um 30 dB geschwächt wird. Hierdurch wird die
Messung der Strömungsgeschwindigkeit an den Stellen, an denen sie am schwächsten
sind, d.h. nahe bei den Gefäßwänden erschwert, wenn nicht ganz ausgeschlossen. Also
ist die Bekanntheit mit diesen Geschwindigkeiten besonders wichtig für das Studium und
die medizinische Diagnostik der Arterien zum Beispiel. Deshalb wird bevorzugt, einen
Echoaustaster mit mindestens 3 Punkten zu verwenden, wie er in der europäischen
Patentanmeldung 0 298 569 beschrieben wird, die das vollige Freimachen von Echos
aus den festen Geweben ohne wesentliche Reduzierung der aus den Strömungen mit
geringer Geschwindigkeit entstandenen Signale ermöglicht.
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Es läßt sich daraus schließen, daß die einzige Möglichkeit zum Erhöhen
der Genauigkeit der Messung das Vergrößern der Anzahl von N aufeinanderfolgenden
Signalen ist, um zu einer Schätzung der Geschwindigkeit zu kommen. Jedoch ist es
klar, daß diese Lösung als direkte Folge die Verringerung des Meßtaktes hat oder des
Bildtaktes bei einer Visualisierung, der mit 1/NT angegeben wird.
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Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung
eingangs erwähhter Art zu verwirklichen, die das Erhalten einer besseren
Meßgenaugikeit ohne Änderung des Taktes, oder was auf dasselbe herauskommt, das
Verbessern des Meßtaktes ohne Verringerung der Genauigkeit zu ermöglichen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Anordnung erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, daß die Meßeinheit einerseits NF parallele Bearbeitungswege, die je ein
Filter, wobei die NF Filter untereinander ganz dekorreliert sind, einen Speicher für
N-M+1 gefilterte Signale und einen Korrelator zur Lieferung von N-M
Zwischenkorrelationsfünktionen enthalten, und andererseits einen Addierer enthält, der
den Mittelwert der NF(N-M) erhaltenen Zwischenkorrelationsfunktionen und eine
Interpolationsschaltung enthält, die für die mittlere Zwischenkorrelationsfünktion zur
Lieferung einer Schätzung der gesuchten Geschwindigkeit dient. Der wesentliche
technische Effekt, auf dem sich die Erfindung basiert, liegt also in der Multiplikation
um den Faktor NF der Anzahl unabhängiger Zwischenkorrelationsfünktionen, von denen
bei der Berechnung der mittleren Zwischenkorrelationsfunktion ausgegangen wird. Dies
wird dadurch ermöglicht, daß die Filteroperationen zeitlichen Zusammenhlinge zwischen
den Signalen aufrechterhalten und daher zu denselben Korrelationsergebnissen führen.
Die Unabhängigkeit der Zwischenkorrelationsfunktionen, die auf den parallelen Wegen
einer abweichenden Behandlung erhalten wird, wird durch das Unterdrücken der
Korrelation zwischen den NF Filtern gewährleistet. Auf diese Weise wird für dieselbe
Meßfrequenz 1/NT eine Geschwindigkeitsschätzung erhalten, deren Genauigkeit um den
Faktor NF verbessert wird. Umgekehrt wenn 1/NoT der Meßtakt der bekannten oben
beschriebenen Anordnung ist, die dieselbe Genauigkeit wie die erfindungsgemäße
Anordnung liefert, wird das Verhältnis zwischen N und No durch folgende Gleichung
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gegeben: NF(N-M)=NoM
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also: N = (No-M)/NF+M
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worin No = 15, M = 3 und NF = 6 sind, wobei N = 5 beträgt, was einem Gewinn
um den Faktor 3 im Meßtakt entspricht. Es sei jedoch bemerkt, daß bei der
Vergrößerung der Anzahl Von NF parallelen Bearbeitungswegen ein begrenzter Wert für
N gleich M erhalten wird.
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Die Wahl der NF Filter wird durch die Idee der künstlichen
Verwirklichung von Np piezoelektrischen verschiedenen Wandlern bei der Ausführung
Von verschiedenen Filterungen in einem einzigen Wandler geführt, ohne daß dabei aus
dem Auge gelassen wird, daß die Auflösung des Signals nicht herabgesetzt wird. Weiter
ist dafür gesorgt, daß in einem besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel Fe
die Abtastfrequenz der Anordnung ist, jedes Filter durch das Intervall ]0,Fe/2] durch
eine Modulbeantwortung gleich 1 und eine willkürliche Phase und für die Nullfrequenz
durch eine Nullbeantwortung definiert wird. Jedes der NF Filter wird also durch seine
zufallsbedingte Phasenverteilung gekennzeichnet. Es läßt sich ebenfalls bemerken, daß
dieser Filtertyp das Frequenzband der Signale aufrechterhält.
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Schließlich läßt sich auf bekannte Weise ein besonderer Betrieb unter
Verwendung der Korrelation mit der Bezeichnung "1 Bit" verwenden, und dabei
speichert jeder Speicher das Vorzeichen der vom entsprechenden Filter ausgegebenen
N-M+1 Signale. In diesem Fall hat die Zwischenkorrelationsfunktionsspitze die Form
eines gleichschenklichen Dreiecks Die Bekanntheit dieser Form ermöglicht es, wenn
vom hochsten Punkt und von seinen zwei Nachbarn ausgegangen wird, durch lineare
Interpolation die Korrelationsspitze ganz wieder herzustellen und also die Lage uo
seines Höchstwerts genau zu bestimmen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeiclinung näher erläutert. Es
zeigen
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Fig. 1 den Schaltplan einer erfindungsgemäßen Meßanordnung,
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Fig. 2a und 2b die Frequenzbeantwortung und die Phase der in der
Anordnung nach Fig. 1 benutzten Filter,
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Fig. 3 einige Beispiele zeitlicher Beantwortungen von Filtern, die eine
Frequenzbeantwortung entsprechend der nach Fig. 2 aufweisen.
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In Fig. 1 ist schematisch eine Meßanordnung für die
Strömungsgeschwindigkeit von Blut dargestellt, wobei von einer Folge von N
aufeinanderfolgenden echographischen Signalen Sn(t) ausgegangen wird, wobei sich n
mit einem Schritt von 1 stufenweise zwischen 1 bis N ändert. Diese echographischen
Signale entstammen einer Sende/Empfangseinheit 100 (nicht dargestellt), die aber auf
klassische Weise einen piezoelektrischen Wandler enthält, die in periodischen
Ultraschallimpulsfolgen mit einer Wiederholungsperiode T die elektrischen
Anregungssignale umsetzt, die er aus einer Sendestufe empfängt. Eine Empfangsstufe
liefert an ihren Ausgang die echographischen Signale Sn(t), die auf der Abtastfrequenz
Fe abgetastet werden, und dem piezoelektrischen Wandler durch das untersuchte
Medium zugeführt werden. Die Geschwindigkeitsmeßanordnung nach Fig. 1 enthält
einen Festechoaustaster 200 mit M Punkten, die aus der Sequenz von N
echographischen Signalen Sn(t) eine Sequenz unabhängiger N-M+1 Signale di(t) und
Beispiele von Komponenten mit starker Amplitude aus den festen Gefäßwanden liefert.
Nach obiger Angabe ist ein Beispiel eines Festechoaustasters mit M = 3 Punkten, der
sich für die erfindungsgemäße Anordnaung eignen würden, in der europäischen
Patentanmeldung 0 298 569 gegeben.
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Wie in Fig. 1 dargestellt, ist dem Festechoaustaster 200 eine Meßeinheit
300 für die Geschwindigkeitsmessung V der betreffenden Blutströmung durch
Korrelation-Summierung-Interpolation der N-M+1 unabhängigen und vom
Festechoaustaster ausgegebenen Signale di(t) entsprechend der allgemeinen Beschreibung
in der europäischen Patentanmeldung 0 225 667 nachgeschaltet. Wie aus Fig. 1
ersichtlich ist, enthält die Meßeinheit 300 zunächst NF parallele Bearbeitungswege mit
der Bezeichnung 310j, wobei j = 1, 2...NF. Jede der Bearbeitungswege enthält ein
Filter 311j, dessen Antwort H(f) abhängig von der Frequenz f in Fig. 2a und 2b
schematisch dargestellt ist: das Modul H(f) beträgt 0 bei f = 0 und 1 der Frequenz 0
auf der Frequenz Fe/2, wobei Fe die Abtastfrequenz ist, während die Phase ∅(f) im
selben Intervall eine zufallsbedingte Funktion nachstehender Frequenz ist
∅(f)=Ran(f)
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Einige Beispiele zeitlicher Beantwortungen h(t) von Filtern dieser Art sind in Fig. 3
dargestellt. Die vier dargestellten Filter in dieser Figur haben die Eigenschaft, daß sie
untereinander ganz dekorreliert sind, wodurch die vollkommene Unabhängigkeit von NF
Bearbeitungswegen gegeneinander gewährleistet ist, und diese Eigenschaft ist dabei
wesentlich zum Gewährleisten der Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Anordnung. Die
durchgeführte Operation in den Filtern 311j ist eine Faltung, die aus dem ankommenden
Signal di(t) am Ausgang das Signal dji(t) der folgenden Gleichung ergibt:
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dji(t) = di(t)x hj(t)
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Anschließend enthält der Bearbeitungsweg 310j einen Speicher 312j zum Speichern der
Werte der N-M+1 gefilterten Signale dji Berechnen der N-M
Zwischenkorrelationsfunktionen mit einem Korrelator 313j, wobei die
Zwischenkorrelationsfunktionen wie folgt definiert werden:
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Cjii(to,u-τ) = Cji,i+1(to,u) = to+Wtodji+1(t+u) dji(t)dt.
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Die zum Bestimmen der Zwischenkorrelationsfunktionen benutzten Signale dji(t)
können auf den einzigen Vorzeichen der Signale selbst begrenzt werden. Dieses
Verfahren vereinfacht weitgehend die Korrelationsbereehnungen und die Größe der
Speicher 312j bei der Messung, bei der die bearbeiteten Signale nur ein Wort von 1 Bit
einnehmen.
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Die Filterung durch die Filter 311j beeinflußt nicht die
Korrelationsergebnisse, weil die Faltung die zeitlichen Verhältnisse zwischen Signalen
nicht ändert, anders angegeben:
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to+Wtodji+1(t+u) dji(t)dt = to+Wtodi+1(t+u) di(t)dt
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abhängig von der Größe von j.
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Diese Eigenschaft ermöglicht das wirksame Erhalten von NF(N-M) unabhängigen
Zwischenkorrelationsfunktionen, deren Mittelwert durch einen Addierer 320 ausgeführt
wird. Durch die Impedanz der Korrelationsfunktionen ergibt die mittlere
Korrelationsfünktion
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C(to,u-τ) = Σi,j Cjii(to,u-τ)
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eine durch NF geteilte Varianz ².
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Die Funktion C(to,u-τ) wird schließlich auf klassische Weise durch einen Interpolator
330 bearbeitet, der die Schätzung V der gesuchten Geschwindigkeit durch die
Berechnung der Position uo = τ = 2VT/C der Korrelationsspitze berechnet, deren
Höhe CMax ebenfalls mit Rücksicht auf die Verwendung in einer Auswertungsschaltung
340 des geschätzten Geschwindigkeitswerts V gemessen wird.
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Die Auswertung der Geschwindigkeitsmessung ist unabkömmlich. Also ist
außerhalb der Strömungsgebiete das Signal aus dem Festechoaustaster 200 im
wesentlichen ein Schallsignal. Das auf diese Weise gefundene Ergebnis aus der
erfindungsgemäßen Anordnung ist keine Anzeige für eine Geschwindigkeit gleich Null,
und es muß dieses Ergebnis ausgewertet werden. Deshalb wird mit zwei Gleichungen
gearbeitet. Einerseits wird die örtliche Energie E des Ausgangssignals des
Festechoaustasters berechnet:
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Anschließend wird E mit einer Schwelle Eo verglichen. Wenn das Ergebnis dieses
Vergleichs positiv ist, geht man auf den Vergleich des Höchstwerts CMax der
Korrelationsspitze einer zweiten Schwelle E&sub1; über. Die Geschwindigkeitsschätzung V
wird nur ausgewertet, wenn CMax höher ist als E&sub1;.
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Die auf diese Weise ausgewertete Geschwindigkeit wird zur
Visualisierung auf klassische Weise durch eine Einheit 400 (nicht dargestellt) behandelt,
die eine Einrichtung zum Speichern, zum Umsetzen der Abtastung und für die
Farbcodierung enthält.