DE69305619T2 - Ultraschallmessgerät mit Regelung des Verstärkungsfaktors - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Ultraschallmessgeräte, die folgende Bestandteile umfassen: -einen Wandler, um Ultraschallimpulse in einer vorgegebenen Wiederholfrequenz auszusenden und um reflektierte Echos durch eine Mehrzahl von Grenzflächen zu empfangen, -einen Sendeschaltkreis, um die Sendung der Ultraschallimpulse zu steuern, -einen Empfangsschaltkreis zur Erzeugung eines Echosignals, das für die durch jeden Impuls erzeugten Echos repräsentativ ist, -Mittel zur Steuerung der Verstärkung, um die Amplitude der Echosignale zu steuern, und -Verarbeitungsmittel, um die Echosignale zu empfangen und zu verarbeiten.
• Die Erfindung ist in medizinischen Anwendungen verwendbar und kann zum Beispiel in Ultraschallmessgeräten benutzt werden, die die zeitliche Bewegung der Position der vorderen und hinteren Wandungen eines Blutgefässes verfolgen, um die Veränderungen des Innendurchmessers und der Dicke der Wandungen des Blutgefässes in Abhängigkeit von der Zeit zu bestimmen. Obwohl die Erfindung im Rahmen dieser Anwendung im folgenden beschrieben wird, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, und dass sie zum Beispiel für die Messung der Dicke der Cornea-Linse oder für nicht-invasive Messungen anderer Körperorgane benutzt werden kann. Die Erfindung kann ebenfalls in nicht-medizinischen Anwendungen benutzt werden, welche die Messung der Wandungsdicke und/oder des Innendurchmessers erfordern, wie dies bei der nicht-destruktiven Prüfung von Röhren der Fall ist.
• Die Figur 1 zeigt schematisch eine herkömmliche Art, wie die Position der Wandungen eines Blutgefässes gemessen wird. Diese Figur zeigt einen Ultraschallwandler 1, der auf der Haut einer Person plaziert ist. Der Wandler 1 befindet sich vor einer im Querschnitt dargestellten Arterie 3. Der Wandler 1 wird von einem elektronischen Schaltkreis gesteuert, um einen Ultraschallimpuls 4 auszusenden, um Ultraschallechos zu empfangen, die aus der Reflexion dieses Impulses an den Grenzflächen Arterien-Gewebe und Arterien-Blut resultieren, und um ein Echosignal als Antwort auf diesen zu erzeugen. Je nach der Frequenz des Ultraschallwandlers kann dieses Echosignal vier unterschiedliche Echos 5,6,7 und 8 oder nur zwei Echos umfassen, entsprechend einer Kombination aus den Echos 5 und 6 bzw. einer Kombination aus den Echos 7 und 8 .
• Die Bewegung jeder Grenzfläche ist folgendermassen bestimmt. Die Bewegung jeder Grenzfläche sendet einen Impuls 4 mit einer Wiederholfrequenz aus, die im allgemeinen zwischen 10 Hz und 5 kHz liegt. Um der Position der Echos zu folgen, die durch den Wandler nach einer von der Position jeder Grenzfläche abhängigen Verzögerung festgestellt werden, wird ein zeitliches Fenster mit bestimmter Dimension benutzt, um einen Zeitintervall, während dem die Echos erwartet werden, zu bestimmen. Das Fenster wird nach jedem Zyklus angepasst, damit die Echos im Zentrum dieses Fensters festgestellt werden, falls die Grenzflächen unbeweglich waren.
• Die Kenntnis der zeitlichen Position jeder Grenzfläche sowie die Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Impulses im Blut und im Gewebe erlaubt es, die Variation des Innendurchmessers und die Variation der Dicke der vorderen und hinteren Wandungen des Blutgefässes 3 in Abhängigkeit von der Zeit zu bestimmen, indem der Intervall gemessen wird.
• Die Figur 1 ist eine schematische Darstellung. In der Praxis sind die Echos, resultierend aus der Reflexion eines Impulses an den vorderen und hinteren Wandungen des Blutgefässes 3, nicht so sauber, sondern weisen eine viel kompliziertere Form auf, wie dies in Figur 2 durch die elementaren Echos Eant und Epost wiedergegeben wird. Diese Deformation rührt daher, dass der Ultraschallimpuls Gewebe unterschiedlicher Natur durchläuft und dass die Grenzfläche zwischen der Wandung eines Blutgefässes und dem umgebenden Gewebe nicht so klar definiert ist, wie zum Beispiel die Grenzfläche zwischen einer Metallplatte und der umgebenden Luft.
• Insbesondere auf dem medizinischen Gebiet kann demgemäss die diese Echos verursachende Position der Grenzflächen nicht direkt und automatisch aus der Form des Echosignals bestimmt werden.
• Verschiedene Techniken können benutzt werden, um die Position beweglicher Grenzflächen festzustellen.
• Gemäss einer ersten Technik wird die Position der Grenzflächen von Hand bestimmt. Der Benutzer stellt das Echosignal auf einem Oszilloskop oder auf anderen Anzeigemitteln dar und wählt einen bestimmten Punkt auf dem Echosignal, auf welchem sich der Echoverfolger festlegen muss. Eine zweite Technik besteht darin, das Echosignal aufzubereiten, um das Rauschen zu unterdrücken, indem nur der Teil des Signals beibehalten wird, der aus der Reflexion des Ultraschallsignals an fünf Grenzflächen herrührt. Gemäss dieser Technik werden die zu verarbeitenden Echosignale zuerst in Realzeit digitalisiert und gespeichert und dann später verarbeitet.
• Die Schweizerische Patentanmeldung Nr. 2'871/91 = EP-A-534'217 beschreibt eine dritte Technik, gemäss der ein Ultraschallmessgerät einen ersten Ultraschallimpuls in Richtung eines Blutgefässes sendet und das Echosignal umwandelt, welches aus den durch den Wandler in einer Serie von Digitalwerten (wghrend der Öffnung des zeitlichen Fensters hervorgerufen) festgestellten und anschliessend gespeicherten Echos hervorgerufen wird. In einer Initialisierungsetappe werden diese gespeicherten Digitalwerte verarbeitet, damit in jedem elementaren Echosignal ein Referenzpunkt ausgewählt und für jedes elementare Echo die zeitliche Position jeder dieses elementare Echo erzeugenden Grenzfläche bestimmt werden kann, und dass für jedes elementare Echo der zeitliche Intervall zwischen der Position des Referenzpunktes dieses elementaren Echos und der zeitlichen Position der durch die Verarbeitung erhaltenen Grenzfläche berechnet werden kann.
• Parallel zu dieser Verarbeitung läuft eine Assimilierungsphase ab, gemäss welcher die aus der Auffindung der Echosignale späterer Impulssignale stammenden Digitalwerte verarbeitet werden, um die zeitliche Position der aus jedem Echosignal herrührenden Referenzpunkte zu verfolgen. Darauf folgt dann eine Akquisitionsphase, während welcher die zeitliche Position jeder Grenzfläche verfolgt und gespeichert wird, entsprechend jedem elementaren Echo der Echosignale, die aus den der Assimilierungsphase nachfolgenden Ultraschallimpulsen stammen. Schliesslich werden die während der Akquisitionsphase gespeicherten Angaben während einer Verwertungsetappe dazu verwendet, dem Benutzer Informationen wie die Durchmesseranzeige des Blutgefässes in Abhängigkeit von der Zeit zu liefern.
• Es ist zu bemerken, dass die exakte Analyse der Form jedes Echosignals und im speziellen der Form seiner elementaren Echos ein wichtiger Teil der oben beschriebenen Techniken ist.
• Jedoch, wie dies in der Figur 2 dargestellt ist, wird die Genauigkeit dieser Analyse dadurch gestört, dass das elementare Echo Epost gewöhnlich eine geringere Amplitude als das elementare Echo Eant hat.
• Dieser Unterschied resultiert einerseits aus der Tatsache, dass die hintere Wandung des Blutgefässes 3 weiter vom Wandler 1 entfernt ist als die vordere Wandung, und andererseits resultiert der Unterschied aus Anpassungsfehlern des Wandlers 1 mit den reflektierenden Oberflächen des Blutgefässes 3. Aus der vorhergehenden Tatsache resultiert, dass sich die Echos ausserhalb der empfindlichen Zone des Wandlers reflektieren können.
• Folglich ist es wünschenswert, ein Ultraschallmesssystem zu erstellen, das einerseits anpassbare Eigenschaften liefert, um die Amplitude eines ersten elementaren Echosignals zu optimieren, und das andererseits modifiziert werden kann, um für ein zweites elementares Echo in optimale Bedingungen gebracht zu werden.
• Das amerikanische Patent 4 451 797 beschreibt einen automatischen Verstärkungs-Kontroller (AVK) für ein impulsartiges System, das in der nicht-destruktiven Überwachung von Schlauchwandungen benutzt wird. In diesem Kontrollsystem mittels Ultraschall, das in diesem Dokument beschrieben wird, sendet ein Wandler einen Ultraschallimpuls aus und empfängt die Echos, die aus den nahen und entfernten Oberflächen des Schlauches stammen. Ein Verstärker AVK ist mit dem Wandler verbunden und erzeugt ein Echosignal, das für die durch den Wandler erhaltenen Echos repräsentativ ist. Im Anschluss an das Aussenden des Impulses wird eine erste Schaltung mit dem Ausgang des Verstärkers AVK verbunden. Wenn das von der proximalen Schlauchwandung stammende Echo erhalten wird, wird die Signalgrösse des Echos mit einer Referenzspannung verglichen, und der Unterschied wird zur Anpassung der Verstärkung des Verstärkers AVK benutzt. Die Amplitude des Echosignalteiles, der dem aus der proximalen Wandung stammenden Echo entspricht, wird somit optimiert.
• Nach dem Empfang des aus der proximalen Wandung stammenden Echosignals, aber noch vor dem Empfang des aus der distalen Wandung stammenden Echosignals, wird eine zweite Schaltung mit dem Ausgang des Verstärkers AVK verbunden. Wenn dieses letzte Echo durch den Wandler empfangen wird, wird die Echosignalgrösse mit einer unterschiedlichen Referenzspannung verglichen. Der Unterschied wird gebraucht, um die Verstärkung des Verstärkers AVK einer neuen Stufe anzupassen. Die Amplitude des Echosignalteiles, der dem aus der distalen Wandung stammenden Echo entspricht, wird somit ebenfalls optimiert.
• In diesem automatischen Verstärkungs-Kontroller wird die Verstärkung jedes Echosignals (aus einem einzigen Ultraschallimpuls stammend) zwischen dem Empfang des Echos der proximalen Wandung und dem Echo der distalen Wandung angepasst. Dieser Typus der Verstärkungsanpassung ist jedoch in zahlreichen Anwendungen nicht möglich, wie dies der Fall ist, wenn die zeitliche Bewegung der Position der Wandungen eines Blutgefässes verfolgt wird.
• Auf Grund von den kapazitiven und induktiven Eigenschaften, verbunden mit jeder Schaltung zur Verstärkungssteuerung, ist eine gewisse Anpassungszeit notig, wenn die Verstärkung eines Signals abgeändert werden muss. Experimentell hat es sich gezeigt, dass für zahlreiche Verstärkerschaltungen eine Anpassungszeit von mehreren Mikrosekunden erforderlich ist. Die Ultraschallwellen breiten sich in einer Person in einer Geschwindigkeit in der Grössenordnung von 1'540 Meter pro Sekunde aus. Während die Oberschenkelarterien oder die Kopfschlagader einen Durchmesser von ungefähr 1 cm haben, können andere menschliche Arterien Durchmesser von 4 mm haben, sodass in diesem letzten Fall die elementaren Echos Eant und Epost einzig durch 5,2 µsec für eine unbewegliche Arterie getrennt sind. Da die Arterien der Patienten nicht unbeweglich sind, sondern sich in Wirklichkeit zwischen den aus dem Wandler stammenden Impulsen bewegen, ist die Zeit zwischen dem berechneten Zeitpunkt, an welchen die Verstärkung des Wandlers angepasst werden muss, und dem tatsächlichen Zeitpunkt, zu welchem das aus der hinteren Wandung des Blutgefässes 3 stammende Echo erhalten wird, geringer als die weiter oben erwähnte Zeit. Es ist also zu bemerken, dass - bei Gebrauch dieses weiter oben beschriebenen Systems zur Steuerung der Verstärkung - die zur Verfügung stehende Zeit zwischen den elementaren Echos, während der die Amplitude des Echosignals verändert werden kann, ungenügend ist.
• Die Erfindung hat demgemäss zum Ziel, ein Ultraschallmessgerät, das die Nachteile des Standes der Technik behebt, zu liefern.
• Zu diesem Zweck liefert die vorliegende Erfindung ein Ultraschallmessgerät, umfassend: -einen Wandler zum Aussenden eines Ultraschallimpulses in einer vorgegebenen Wiederholfrequenz und zum Empfangen der von einer Mehrzahl von Grenzflächengruppen reflektierten Echos, -einen Sendeschaltkreis zum Steuern der Aussendung der Ultraschallimpulse, -einen Empfangsschaltkreis zum Erzeugen eines Echosignals, das für die von jedem der Impulse erzeugten Echos repräsentativ ist, wobei jedes der Echosignale einen ersten Teil entsprechend den von einer ersten Gruppe von Grenzflächen ausgehenden Echos und einen zweiten Teil entsprechend den von einer anderen Gruppe von Grenzflächen ausgehenden Echos umfasst, -Mittel zur Steuerung der Verstärkung zum Steuern der Amplitude jedes Echosignals, -Verarbeitungsmittel zum Empfangen und Verarbeiten der Echosignale, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungsmittel zur Verarbeitung des ersten Teils eines ersten Echosignals und eines zweiten Teils eines späteren Echosignals angepasst sind, wobei die Mittel zur Steuerung der Verstärkung zum Anpassen der Amplitude des ersten Echosignals an einen ersten Wert und der Amplitude des späteren Echosignals an einen zweiten Wert angepasst sind, sodass sowohl die Amplitude des ersten Teils des ersten Echosignals als auch die Amplitude des zweiten Teils des späteren Echosignals in den Verarbeitungsmitteln optimiert werden.
• Sowohl die Amplitude des elementaren Echos Eant als auch die Amplitude des elementaren Echos Epost können also auf diese Art optimiert werden, was eine hinreichende Anpassungszeit für die Steuerungsmittel dieser Amplitude zulässt.
• Die nachfolgende Beschreibung nimmt näher im einzelnen auf die verschiedenen Eigenschaften des Ultraschallmessgerätes der vorliegenden Erfindung Bezug. Um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, wird in der nachfolgenden Beschreibung auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen das Ultraschallmessgerät in einer bevorzugten Ausführungsform illustriert wird, Bezug genommen. Selbstverständlich beschränkt sich das Ultraschallmessgerät der vorliegenden Erfindung nicht auf die bevorzugte Ausführungsform, die in den Zeichnungen illustriert wird, in welchen:
• - die bereits beschriebene Figur 1 das Messprinzip der Position von den Grenzflächen der vorderen und hinteren Wandungen eines Blutgefässes mittels Ultraschall zeigt;
• - die bereits beschriebene Figur 2 die zeitliche Form eines Echosignals, das zwei durch die vorderen und hinteren Wandungen eines Blutgefässes erzeugte elementare Echos zeigt;
• - die Figur 3 eine schematische Ausführungsform eines Ultraschallmessgerätes gemäss der vorliegenden Erfindung zeigt; und
• - die Figur 4 ein Schaltkreisschema einer Ausführungsform des Empfangsschaltkreises des Ultraschall-messgerätes der Figur 3 zeigt.
• In Bezug auf Figur 3, sieht man jetzt ein Ultraschallmessgerät 20, umfassend: einen Ultraschallwandler 21, einen Sendeschaltkreis 22, einen Empfangsschaltkreis 23, einen Schaltkreis zur Steuerung der Verstärkung 24, einen Eingangs-/Ausgangsschaltkreis 25, Verarbeitungsmittel 26 und Anzeigemittel 27. Der Ultraschallwandler 21 sendet eine Ultraschallwelle aus und empfängt Echos, die aus der Reflexion dieser Ultraschallwelle stammen.
• Der Sendeschaltkreis 22 liefert einen elektrischen Impuls, der durch den Wandler in ein entsprechendes Ultraschallsignal umgewandelt wird. Der Sendeschaltkreis 22 beinhaltet ebenfalls einen Taktgeber (nicht dargestellt), der ein Signal liefert, das die Wiederholfrequenz des durch den Wandler 21 gesandten Abfragesignals bestimmt. Die zentrale Frequenz der Ultraschallimpulse wird gemäss der gewünschten Anwendung gewählt. Sie kann sich zum Beispiel zwischen 2 und 20 MHz befinden.
• Der Empfangsschaltkreis 23 empfängt das vom Wandler 21 gelieferte elektrische Signal, welches den durch den Wandler 21 empfangenen Ultraschallechos entspricht. Der Empfangsschaltkreis beinhaltet drei kaskadegeschaltete Verstärkerstufen 28, 29 und 30. Eine bessere Signalverstärkung als die, welche mit einer einzigen ähnlichen Verstärkerstufe erhalten wird, wird also erreicht (obwohl in anderen Ausführungsformen eine einzige Verstärkerstufe benutzt werden kann). Das vom Wandler 21 erhaltene Signal wird durch jede dieser Stufen 28, 29 und 30 in einer aufeinanderfolgenden Weise verstärkt, und das resultierende Echosignal wird durch die Verarbeitungsmittel 26 empfangen.
• Die Verarbeitungsmittel beinhalten einen Analog- Digital-Wandler 31, Berechnungsmittel 32 und Speicherungsmittel 33. Das durch den Empfangsschaltkreis 23 gelieferte Echosignal wird durch den Analog-Digital-Wandler 31 empfangen und anschliessend dem Berechnungsmittel 32 geliefert. Der Analog-Digital-Wandler 31 kann ein Produkt vom Typ STR 8100 der Gesellschaft SONIX Inc (Springfield, VA, USA) sein, bei dem es sich um einen Analog-Digital-Wandler mit 8 Bits handelt, der bis zu 108 Umwandlungen pro Sekunde realisieren kann. Die Rechneranordnung 32 umfasst einen Echofolger, der in herkömmlicher Weise verwendet wird, um die zeitliche Position jedes Elementarechos einer Gruppe von Elementarechos des Echosignals zu verfolgen, relativ zu dem ausgesandten Ultraschallsignal. Diese zeitliche Position, d.h. schliesslich die Verzögerung jedes Elementarechosignals bezüglich des ausgesandten Ultraschallimpulses, ändert sich mit dem Abstand zwischen dem Ultraschallwandler und der beweglichen Grenzfläche, an welcher der Ultraschallimpuls reflektiert wird.
• Um diese Verfolgung zu realisieren, empfängt der Echoverfolger ein Taktsignal, das von dem Taktgeber des Sendeschaltkreises 22 erzeugt wird, und liefert ein Verzögerungssignal an den Analog-Digital-Wandler 31, um zu einem angemessenen Zeitpunkt mit der Digitalisierung des Echosignals anzufangen. Der Echoverfolger kann vom Typ der Extremwertauffindung (positiv oder negativ) des digitalisierten Echosignals sein. Dieser Extremwert ist nicht der korrekte Wert für das Darstellen der Bewegung der beweglichen Wandungen, da die Distanz zwischen zwei Abtastpunkten gleich c/(2.f) ist, worin c = 1540 m/s die Geschwindigkeit der Ultraschallwellen in dem Medium ist und f die Abtastfrequenz, die zwischen 50 und 100 MHz liegt. Somit kann die Echoverlagerung nur in annähernder Weise verfolgt werden.
• Nach einer Variante könnte der Echoverfolger vom Auffindungstyp "crossover" sein, wie derjenige, welcher in den Patenten EP-A-337 297 und EP-A-356 629 beschrieben ist.
• Die Berechnungsmittel 32, die vorteilhafterweise ein Mikroprozessor vom Typ 80386 oder 80486 sind, verarbeiten das Messverfahren des Gerätes 20 in Verbindung mit den Speichermitteln 33. Als Teil dieses Verfahrens senden die Berechnungsmittel 32 einen digitalen Wert zu den Mitteln zur Steuerung der Verstärkung 24 aus. Dieser digitale Wert entspricht der gewünschten Verstärkung des Empfangsschaltkreises 23. Der Empfangsschaltkreis 23 beinhaltet einen Digital-Analog-Wandler 34 und einen Verstärkungssignalschaltkreis 35. Der Digital-Analog-Wandler 34 empfängt den digitalen Wert, der aus den Berechnungsmitteln 32 stammt, und liefert ein analoges Signal, entsprechend dem Verstärkungssignalschaltkreis 35, der dann angemessene Signale auf die Eingänge der Verstärkungssteuerung jeder Verstärkerstufe 28, 29 und 30 abgibt.
• Diverse periphere Geräte können ebenfalls hinzugefügt werden, wie Anzeigemittel 27, der Eingangs/Ausgangsschaltkreis 25 und Druckermittel (nicht dargestellt). Der Eingangs/Ausgangsschaltkreis erlaubt einem Benutzer, das Funktionieren eines Messgerätes 20 zu kontrollieren, zum Beispiel mittels einer Tastatur oder mittels anderer Eingabemitteln für den Benützer. Der Eingangs/Ausgangsschaltkreis 25 kann auch mit dem Taktgeber des Sendeschaltkreises 22 verbunden werden, um die Wiederholfrequenz des aus den Berechnungsmitteln 32 stammenden Taktsignals zu kontrollieren. Er kann auch dazu dienen, eine Synchronisation mit anderen Messvorrichtungen vorzunehmen, wie einem Sphygmomanometer, einem Plethysmographen oder einer Dopplersonde, um den Blutdruck und die Blutgeschwindigkeit zu messen.
• Die Figur 4 zeigt ein Schaltkreisschema einer Ausführungsform des Empfangsschaltkreises 23 und der Mittel zur Steuerung der Verstärkung 24. Die Verstärkerstufe 28 beinhaltet einen Amplitudenbegrenzer 50, einen Signalverstärker 51 und einen Spannungsfolger 52. Auf ähnliche Weise enthält die Verstärkerstufe 29 einen Amplitudenbegrenzer 53, einen Signalverstärker 54 und einen Spannungsfolger 55, während die Verstärkerstufe 30 einen Amplitudenbegrenzer 56, einen Signalverstärker 57 und einen Spannungsfolger 58 beinhaltet.
• Das aus dem Wandler 21 stammende elektrische Signal wird auf einen Anschluss 59 der Verstärkerstufe 28 empfangen und wird einem Signaleingang 60 des Verstärkers 51 übertragen. Der Begrenzer 50 schützt den Verstärker 51, indem die Spitze des beim Eingang 60 gelieferten elektrischen Signals.abgeschnitten wird, falls dessen Amplitude eine vorgegebene Grenze überschreitet. Der Verstärker 51 hat ebenfalls einen Verstärkereingang 61, um das Verstärkungsniveau des auf seinen Signaleingang 60 erhaltenen Signals anzupassen.
• Der Verstärker 51 hat einen mit dem Spannungsfolger 52 verbundenen Ausgang 62, um den Ausgang mit hoher Impedanz des Verstärkers 51 dem Eingang mit tiefer Impedanz der folgenden Verstärkerstufe 29 anzupassen. Der Ausgang des Spannungsfolgers 52 ist mit dem Eingang der Verstärkerstufe 29 verbunden, wobei dessen Ausgang mit dem Eingang der folgenden Verstärkerstufe 30 verbunden ist. Die Verstärkerstufen 29 und 30 sind funktionell identisch mit der ersten Verstärkerstufe 28 und ihre Betriebsart wird hier nicht im einzelnen beschrieben werden.
• Beide Verstärker 54 und 57 haben einen Verstärkereingang, der wie der Verstärkereingang 61 des Verstärkers 51 der Verstärkerstufe 28 das Verstärkungsniveau des Eingangssignals bestimmt. Diese Verstärkereingänge werden durch den Digital-Analog-Wandler 34 mittels des Verstärkerschaltkreises 35 versorgt. Die Berechnungsmittel 32 liefern dem Digital- Analog-Wandler 34 einen digitalen Wert auf einen Datenbus mit 8 Bits 63. Dieser digitale Wert entspricht der gewünschten Verstärkung des Empfangsschaltkreises 23 und wird durch den digital-analogen Schaltkreis auf den Eingängen 64 empfangen. Der digitale Wert wird in eine entsprechende analoge Spannung auf dem Ausgang 65 umgewandelt.
• Der Verstärkungssignalschaltkreis 35 umfasst einen einsatzfähigen Verstärker 66 und einen Spannungsteilerschaltkreis 67. Der einsatzfähige Verstärker 66 ist auf herkömmliche Weise wie ein Spannungsfolger gestaltet, so dass die Spannung auf seinem Ausgang die gleiche ist wie die, die auf dem Ausgang 65 des Digital-Analog-Wandlers 34 erscheint. Der Spannungsteilerschaltkreis 67 hat zwei Ausgänge 68 und 69. Der erste liefert ein Verstärkersignal am Verstärkereingang der Verstärker 51 und 54, während der letztere ein Verstärkersignal am Verstärkereingang des Verstärkers 57 liefert.
• Die Übertragungseigenschaften des Spannungsteilerschaltkreises 35 sind je nach seinen Ausgängen 68 und 69 verschieden. Wenn dem Verstärker 66 ein Signal mit geringem Niveau geliefert wird, wobei nur angezeigt wird, dass ein geringes Verstärkungsniveau dem Signal auf dem Anschluss 59 gegeben werden muss, liefert der Ausgang 69 dem Verstärker 57 ein Verstärkersignal mit einem geeigneten Niveau, während der Ausgang 68 den Verstärkern 51 und 54 nur ein minimales Verstärkersignal liefert. Da das Signal auf dem Anschluss 59 hauptsächlich durch den Verstärker 57 verstärkt wird, ist die Gesamte Harmonische Distorsion des Signals, das aus den zwei vorhergehenden Verstärkerstufen und somit aus dem Empfangsschaltkreis als solchen stammt, beschränkt.
• Das aus dem Ausgang 69 stammende Verstärkungssignal nimmt mit dem benötigten Verstärkungsniveau des Signals zu, bis dieses letztere nicht mehr durch die Verstärkerstufe 30 allein geliefert werden kann. Wenn ein höheres Verstärkungsniveau nötig ist, ruft der Spannungsteilerschaltkreis 67 eine Zunahme des aus dem Ausgang 68 stammenden Verstärkungssignalniveaus hervor. Die Signalverstärkung durch die Verstärker 51 und 54 in Verbindung mit dem Verstärker 57 liefern das geeignete Signalverstärkungsniveau.
• Die Betriebsart des Ultraschallmessgerätes 20 wird nun zum Bestimmen des zeitlichen inneren Durchmessers und der Dicke der Wandungen des Blutgefässes 3 beschrieben werden.
• Vor dem Beginn der Messungen als solche wählt der Benutzer die Parameter des Gerätes, wie die Wiederholfrequenz und den Wandlertypus, d.h. die zentrale Frequenz des Ultraschallimpulses. Diese Parameter können mittels einer mit dem Eingangs/Ausgangsschaltkreis 25 verbundenen Tastatur oder automatisch durch die Bearbeitungsmittel 30 je nach der vom Benutzer gewählten Anwendung ausgewählt werden. Zum Beispiel im Falle der Messung des Innendurchmessers und der Wanddicke eines Blutgefässes liegt die Wiederholfrequenz in der Grössenordnung von 10 Hz bis 5 kHz für die Messung der Kopfschlagader. Die Dauer der dem Analog-Digital-Wandler 26 übertragenen Verzögerung wird ebenfalls angepasst, entweder von Hand oder automatisch, damit die elementaren Echos der Echosignale in das zeitliche Fenster plaziert werden können und damit jedes Echo korrekt durch den Echofolger verfolgt werden kann.
• Die Anzeigemittel 27 können dazu verwendet werden, dem Benutzer bei der Wahl dieser Parameter zu helfen. Indem die Dauer des Verzögerungssignals, welches zum Beginnen der Digitalisierung des Echosignals zum Analog-Digital-Wandler 31 gesandt wird, angepasst wird, kann eine Spur der elementaren Echos Eant und Epost (digitalisiert) angezeigt werden, um dem Benutzer beim korrekten Einstellen des Ultraschallwandlers 21 in Bezug auf das Blutgefäss behilflich zu sein.
• Um die Amplitude der durch die Bearbeitungsmittel erhaltenen Echos zu optimieren, liefern die Berechnungsmittel 32 dem Digital-Analog-Wandler 34 einen auf dem Bus ausgewählten digitalen Wert. Dieser digitale Wert, der einer optimierten Amplitude des ersten elementaren Echos Eant entspricht, wird in eine analoge Spannung umgewandelt und durch den Verstärkungssignalschaltkreis 35 benutzt, um die Verstärkung jeder Verstärkerstufe 28, 29 und 30 anzupassen. Nach dem Aussenden des aus dem Wandler 21 stammenden Ultraschallimpulses beauftragen die Berechnungsmittel 32 nach einer ausgewählten Verzögerung den Analog-Digital-Wandler 31 dazu, mit dem Digitalisieren des Echosignals zu beginnen. Die Berechnungsmittel 32 verarbeiten jeden digitalen Wert des digitalisierten Echosignals, einschliesslich der zeitlichen Einlagerung in die Speicherungsmittel 33, bis zu einem gewählten Punkt zwischen den elementaren Echos Eant und Epost.
• Zwischen der diesem Punkt entsprechenden Zeit und dem Aussenden des nächsten aus dem Wandler 21 stammenden Ultraschallimpulses liefern die Berechnungsmittel 32 einen anderen digitalen Wert auf dem Datenbus 68. Dieser digitale Wert entspricht einem optimierten Wert der Amplitude des zweiten elementaren Echos Epost. Wie dies weiter oben soeben beschrieben wurde, beginnt der Analog-Digital-Wandler 31 die Digitalisierung des aus diesem späteren Ultraschallimpuls stammenden Echosignals nach der ausgewählten Verzögerung. Allerdings hat das aus dem Ausgang des Empfangsschaltkreises 23 stammende analoge Signal eine Amplitude, die jetzt in Bezug auf das zweite elementare Echo Epost optimiert ist. Die Berechnungsmittel 22 behandeln die digitalen Werte dieses zweiten Echosignals entweder zu dem Zeitpunkt, der dem gewählten Punkt auf dem oben erwähnten ersten Echosignal entspricht, oder nach diesem Zeitpunkt .
• Zusammenfassend wird also die Amplitude des elementaren Echos Eant in einem ersten Echosignal optimiert. Die Amplitude des elementaren Echosignals Epost wird dann in einem zweiten Echosignal optimiert. Ein Teil des ersten Echosignals, welches das elementare Echo Eant beinhaltet, und ein Teil des zweiten elementaren Echosignals Epost werden durch die Berechnungsmittel bearbeitet. Auf diese Weise wird tatsächlich ein "composite" Echosignal geschaffen, in welchem die Amplitude der zwei elementaren Echos optimiert wird.
• Der Zeitpunkt, zu dem die Berechnungsmittel die Bearbeitung des ersten Echosignals abbrechen, und der Zeitpunkt, zu dem sie die Verarbeitung des zweiten Echosignals anfangen, können durch den Benutzer gewählt werden. Auf praktische Art wird das "composite" Echosignal dem Benutzer durch die Anzeigemittel 27 gezeigt, um eine passende Auswahl dieser Zeitpunkte zuzulassen. Die Verstärkungen der ersten und zweiten Echosignale können ebenfalls auf diese Art gewählt werden. In anderen Ausführungsformen jedoch können diese Zeitpunkte und diese Echosignalverstärkungen automatisch durch die Berechnungsmittel 32 gewählt werden. Für das Ausführen der vorliegenden Erfindung können verschiedene Varianten benutzt werden. Der Analog-Digital-Wandler 31 beispielsweise, kann die Digitalisierung nur eines ausgewählten Teils des ersten im elementaren Echo Eant enthaltenen Echosignals und nur eines anderen ausgewählten Teils des zweiten das elementare Echo Epost enthaltenden Echosignals ausführen.
• Ausserdem können die Berechnungsmittel 32 dazu fähig sein, alle digitalen Werte der ersten und zweiten Echosignale zu verarbeiten. Die ersten und zweiten Echosignale können zum Beispiel zusammen durch die Anzeigemittel 27 angezeigt werden. Allerdings würde dies in den Speicherungsmitteln 33 mehr Speicherraum als nötig in Anspruch nehmen und dies könnte beim Benutzer zu Verwirrungen führen.
• In einer anderen Ausführungsform kann die Amplitude der Echosignale modifiziert werden, indem die Amplitude des vom Wandler 21 ausgesandten Ultraschallimpulses angepasst wird. Eine solche Lösung kann in medizinischen Anwendungen unerwünscht sein, denn stärkere Ultraschallimpulse könnten beim Patienten Schaden hervorrufen.
• Der Benutzer kann also zur Messung der Position der Grenzflächen des Blutgefässes fortschreiten, indem er das Gerät 20 zum Durchführen des Messverfahrens benutzt, das in der schweizerischen Patentanmeldung Nr. 2871/91 beschrieben wird. Dieses Messverfahren wird nicht im einzelnen beschrieben werden, aber kann in folgende drei Etappen unterteilt werden: eine Initialisierungsetappe, eine Assimilierungsetappe und eine Verarbeitungsetappe. Im Verlauf der Initialisierungsetappe werden die auf die Speicherungsmittel 33 übertragenen und dort aufgespeicherten digitalen Werte verarbeitet, um einen Referenzpunkt in jedem elementaren Echo des Echosignals auszuwählen. Man bestimmt für jedes elementare Echo die zeitliche Position jeder Grenzfläche, die dieses elementare Echo hervorruft, und man berechnet für jedes elementare Echo den Zeitintervall zwischen der Position des Referenzpunktes dieses elementaren Echos und der zeitlichen Position der durch die Verarbeitung erhaltenen Grenzfläche.
• Parallel zu dieser Verarbeitung läuft die Assimilierungsphase ab, während der die digitalen Werte, resultierend aus der Auffindung der aus den späteren Ultraschall impulsen stammenden Echosignale, verarbeitet werden, um die zeitliche Position der aus jedem Echosignal stammenden Referenzpunkte zu verfolgen.
• Danach folgt die Akquisitionsphase, während der die zeitliche Position jeder Grenzfläche, die jedem elementaren Echo jedes Echosignals entspricht und die aus den der Akquisitionsphase nachfolgenden Ultraschallimpulsen resultiert, verfolgt und gespeichert wird. Schliesslich ereignet sich eine Verwertungsetappe, während der die in der Akquisitionsphase gespeicherten Daten benutzt werden, um dem Benutzer Informationen wie die Anzeige des Blutgefässdurchmessers in Abhängigkeit von der Zeit zu liefern.
• Es versteht sich, dass der Fachmann die Erfindung in Zusammenhang mit der Auffindung anderer von verschiedenen Grenzflächen empfangenen Echogruppen (für welche unterschiedliche Verstärkungen zur Optimierung deren Amplituden benotigt werden) benutzen kann, und dass diese Erfindung nicht beschränkt ist auf Anwendungen, die das Aufsuchen elementarer Echos betreffen, und zwar im Auffinden von aus Blutgefässwandungen stammenden Echos, wie dies soeben beschrieben wurde.
• Schliesslich ist zu verstehen, dass verschiedene Abänderungen und Zusätze am Ultraschallgerät ausgeführt werden können, ohne sich vom Umfang der vorliegenden Erfindung, welcher durch die beiliegenden Patentansprüche definiert wird, zu entfernen.

Claims (8)

1. Ultraschallmeßgerät, umfassend:

- einen Wandler (21) zum Aussenden eines Ultraschallimpulses in einer vorgegebenen Wiederholfrequenz und zum Empfangen der von einer Mehrzahl von Grenzflächen-Gruppen reflektierten Echos:

- einen Sendeschaltkreis (22) zum Steuern der Aussendung der Ultraschallimpulse;

- einen Empfangsschaltkreis (23) zum Erzeugen eines für die von jedem der Impulse erzeugten Echos repräsentativen Echosignals, wobei jedes der Echosignale einen ersten Teil entsprechend den von einer Gruppe von Grenzflächen ausgehenden Echos und einen zweiten Teil entsprechend den von einer anderen Gruppe von Grenzflächen ausgehenden Echos umfaßt,

- Mittel zur Steuerung der Verstärkung (24) zum Steuern der Amplitude jedes Echosignals,

- Verarbeitungsmittel (26) zum Empfangen und Verarbeiten der Echosignale,

dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsmittel (26) zur Verarbeitung eines zusammengesetzten Echosignals, das den ersten Teil eines ersten Echosignals in Kombination mit dem zweiten Teil eines späteren Echosignals umfaßt, ausgebildet sind,

wobei die Mittel zur Steuerung der Verstärkung (24) zum Anpassen der Amplitude des ersten Echosignals an einen ersten Wert während der Dauer des ersten Echosignals und der Amplitude des späteren Echosignals an einen zweiten Wert während der Dauer des späteren Echosignals ausgebildet sind, um die Amplitude des ersten Teils des ersten Echosignals und des zweiten Teils des späteren Echosignals in dem zusammengesetzten Echosignal, das von den Verarbeitungsmitteln verarbeitet wird, zu optimieren.

2. Ultraschallmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfangsschaltkreis (23) eine Verstärkerschaltung (28, 29, 30) mit einstellbarem Verstärkungsfaktor umfaßt,

wobei letztere von den Mitteln zur Steuerung der Verstärkung (24) gesteuert wird.

3. Ultraschallmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung (28, 29, 30) eine Mehrzahl von kaskadegeschalteten Verstärkerstufen aufweist.

4. Ultraschallmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß eine oder mehrere der Verstärkerstufen (28, 29, 30) einen Verstärker (51, 54, 57) umfaßt, der jeweils einen Signaleingang (61a), einen Verstärkungseingang (61b) und einen Ausgang umfaßt, wobei jeder der Verstärkungseingänge (61b) mit den Mitteln zur Steuerung des Verstärkungsfaktors (24) verbunden ist.

5. Ultraschallmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerstufen (28, 29, 30) ferner einen mit dem Signaleingang verbundenen Begrenzer (50, 53, 56) sowie einen mit seinem Ausgang verbundenen Spannungsfolger umfassen.

6. Ultraschallmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Steuerung des Verstärkungsfaktors (24) einen Digital-Analog-Wandler (34) und eine Verstärkungssignalversorgung (35) umfassen,

wobei der Digital-Analog-Wandler (34) von den Verarbeitungsmitteln (26) einen für eine ausgewählte Echosignalamplitude repräsentativen digitalen Wert erhält und der Verstärkungssignalversorgung (35) ein der ausgewählten Amplitude entsprechendes analoges Signal abgibt.

7. Ultraschallmeßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungssignalversorgung (35) einen ersten Ausgang (68) zum Versorgen einer oder mehrerer vorangehender Stufen (28, 29) der Verstärkerstufen und einen zweiten Ausgang zum Versorgen einer oder mehrerer nachfolgender Stufen (30) der Verstärkerstufen aufweist, wobei bei geringen Echosignalsverstärkungsniveaus der zweite Ausgang ein größeres Verstärkungssignal abgibt als der erste Ausgang, um die Gesamte Harmonische Distorsion des Empfangsschaltkreises (23) zu reduzieren.

8. Ultraschallmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsmittel (26) einen Analog-Digital-Wandler (31) umfassen, um die Echosignale in digitale Werte zu digitalisieren, und Berechnungsmittel (32) zum Manipulieren der digitalen Werte.