DE69324569T2 - Bilddarstellung mit akustischen mitteln - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein akustisches Abbilden der Morphologie der Luftwege von Säugern und betrifft insbesondere das nichtinvasive Erhalten eines Signals, das die Querschnittsfläche eines Luftweges (z. B. oral, nasal oder pulmonal) eines Untersuchungsobjektes (z. B. eine Person oder ein Tier) wiedergibt, wobei elektroakustische Wandler verwendet werden.
• Eine eindimensionale Abbildung der Querschnittsfläche eines Luftweges als eine Funktion der axialen Lage längs des Luftweges kann aus den Schallreflexionen bestimmt werden, die von einem einzelnen elektroakustischen Wandler gemessen werden, der in einer von der Öffnung der Luftwege entfernten Lage angeordnet ist. Diese Abbildung bezieht sich auf die Flächenabstandsfunktion und wird durch A(x) dargestellt, wobei x die axiale Lage längs des Luftweges bezeichnet.
• Die Kenntnis der Flächenabstandsfunktion A(x) ist zum Beispiel für die Diagnose von mit den oralen Luftwegen, Kehlkopf, Lungenluftwegen und nasalen Luftwegen verbundenen Säugerkrankheiten nützlich. Diese Krankheiten schließen die obstruktive Schlafapnoe, Asthma, obstruktive Lungenerkrankungen, Luftröhrenstenose und Abweichungen der Nasenscheidewand ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
• Eine genaue Information über die Flächenabstandsfunktion ist auch bei der Untersuchung des Wachstums der Luftwege und dessen Störungen, sowie Folgeerscheinungen der bronchopulmonalen Displasie bei Kindern, nützlich.
• Ein Ansatz für die Verwendung eines einzelnen elektroakustischen Wandlers bei der akustischen Abbildung wird im US-Patent Nr. 4,326,416 mit dem Titel ACOUSTIC PULSE RESPONSE MEASURING beschrieben, welches am 27. April 1982 an Jeffrey J. Fredberg erteilt wurde. In allen vorher beschriebenen Ansätzen mit einem einzelnen Wandler gibt es eine versteckte Beschränkung. Die damit verbundenen Theorien nehmen implizit an, daß, wenn erst einmal eine Ausbreitung nach links erfolgt ist, die Schallrückläufer auf keine Reflexionsstellen innerhalb des Wellenrohres treffen, dem man unterstellt, daß es eine reflexionslose Übertragungsleitung ist, es darf keine nach rechts laufenden sekundären Wellen und keinen akustischen Widerhall innerhalb des Wellenrohres geben. Da jedoch der Lautsprecher eine unvermeidbare und größere Reflexionsstelle für die Wellenausbreitung nach links darstellt, muß der den Lautsprecher von dem Aufnahmewandler trennende Abstand größer sein, als die interessierende maximale Eindringtiefe; dies gewährleistet, daß sekundäre Reflexionen vom Lautsprecher erst dann am Aufnahmewandler eintreffen, nachdem die Datenerfassung vervollständigt wurde. Als ein Ergebnis dieser Abstandsbeschränkung haben die vormals in der Literatur beschriebenen bildgebenden Geräte für die Abbildung von Luftwegen eine Länge von 1 bis 2 Metern oder mehr (Brooks et al., Reproducibility and Accuracy of Airway Area by Acoustic Reflection, J. Appl. Physiol.: Respirat. Environ. Exercise Physiol. 57(3): 777-787, 1984; D'Urzo et at., Effect of CO&sub2; concentrations on Acoustic Inferences of Airway Area, J. Appl. Physiol. 60 : 398-401, 1986); und einige haben ein Länge von 5 Metern (Fredberg J.J. et al., Airway Area From Acoustic Reflections Measured at the Mouth, J. Appl. Physiol.: Respirat. Environ. Exercise. Physiol. 48(5): 749-758, 1980).
• Ein Ansatz mit zwei Wandlern wird in einem Artikel von M.R. Schroeder mit dem Titel "Determination of the Geometry of the Human Vocal Tract by Acoustic Measurements" im J. Acoust. Soc Am. 41(4), 1002-10 (1967) beschrieben. Jedoch wurde, wie bei dem Ansatz mit einem einzelnen Mikrophon, das Verfahren von Schroeder mit zwei Mikrophonen niemals erfolgreich in einer kleinen, kompakten, handhaltbaren, leichtgewichtigen Arbeitsvorrichtung ausgeführt und tatsächlich gelang niemals die Rekonstruktion der Luftwege von Mensch oder Tier.
• Die US-A-4,326,416 zeigt die Messung der Schallimpulsanwort bei Verwendung eines bildgebenden Kopfes für die akustische Abbildung von Bereichen der internen Morphologie der Atemwege eines Säugers, einschließlich des Menschen, welcher ein Schallrohr zum Übertragen von Schallenergie und Empfangen von reflektierter Schallenergie, wobei das Rohr ein erstes Ende innerhalb der Kammer und ein offenes zweites Ende aufweist, wobei das zweite Ende des Schallrohres derart ausgestaltet ist, daß es eine Verbindung des Schallrohrs mit einer in die Atemwege führenden Mündung herstellt, einen Abgabewandler, um in das Schallrohr Schallenergie abzugeben, wobei sich eine einfallende Welle nach außen durch das offene zweite Ende ausbreitet, mindestens einen Schalldruckwellen erfassenden Wandler, der in dem Schallrohr an einer zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Schallrohrs liegenden Stelle angebracht ist, um durch das offene Ende in dem Schallrohr empfangene Reflexionen der einfallenden Welle zu erfassen und ein Signal zu erzeugen, und Mittel, welche mit dem die Schallwellen erfassenden Wandler verbunden sind, um die umgewandelten Echosignale einem Prozessormittel zur Umsetzung der Echosignale in Schallabbildungssignale, welche für die Morphologie einer Stelle innerhalb der Atemwege des Säugers charakteristisch sind, zuzuführen, umfaßt. Jedoch wurde der obige bildgebende Kopf niemals erfolgreich in einer kleinen, kompakten, handhaltbaren, leichtgewichtigen Arbeitsvorrichtung ausgeführt.
• Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen leichtgewichtigen, kompakt ausgeführten bildgebenden Kopf für die akustische Abbildung von Bereichen der internen Morphologie der Atemwege eines Säugers, anzugeben.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Die vorliegende Erfindung basiert auf einem neuen Verfahren mit zwei Wandlern und einer damit verbundenen neuen Theorie, die die praktische Anwendung der Rekonstruktion von Luftwegen durch Schallreflexionen erlaubt. Weil diese Theorie den Widerhall innerhalb des Wellenrohres explizit enthält und keine nicht überlappenden Zeitfenster für die einfallenden und reflektierten Wellen verlangt, wird die oben beschriebene Abstandsbeschränkung unnötig und erlaubt die Anordnung des Lautsprechers oder Abgabewandlers in der Nähe der Aufnahmewandler.
• Als solche erlaubt die Theorie die Fertigung einer praktischen Miniaturvorrichtung, deren Gesamtlänge anstelle von Metern nur wenige Zentimeter beträgt. Die Vorrichtung kann die Atemwege von Säugern, einschließlich der nasalen, oralen und pulmonalen Hohlräume, abbilden.
• In einer Anordnung für die akustische Abbildung der internen Morphologie von Bereichen der Atemwege eines Säugers, einschließlich des Menschen, liegt die Verbesserung in einem leichtgewichtigen, leicht zu handhabenden, handhaltbaren akustischen bildgebenden Kopf, der zerklüftet, gänzlich von Hand tragbar und während des Abbildungsvorgangs von einer Bedienperson bedienbar ist, welcher Kopf umfaßt:
• A. ein zerklüftetes, handhaltbares Gehäuse
• 1. mit einem länglichen Körper, der definiert ist durch
• a) ein oberes Ende,
• b) ein Bodenende,
• c) eine Außenwand, welche sich zwischen dem oberen Ende und dem Bodenende erstreckt, und
• d) eine Innenkammer,
• 2. mit einer durch das obere Ende des Gehäuses verlaufenden Öffnung, welche eine fließende Kommunikation zwischen der Innenkammer und der Außenseite des Gehäuses ermöglicht, und
• 3. mit integriert ausgebildeten Fingerhalterungen sowie einer die Handfläche haltenden Vertiefung in der Außenwand, so daß das Umgreifen des Gehäuses mit einer menschlichen Hand vereinfacht wird,
• B. ein in der Öffnung angebrachtes Schallrohr zum Übertragen von Schallenergie und Empfangen von reflektierter Schallenergie, wobei das Rohr ein erstes Ende innerhalb der Kammer und ein offenes zweites Ende außerhalb des Gehäuses aufweist, wobei das zweite Ende des Schallrohres derart ausgestaltet ist, daß es eine Verbindung des Schallrohrs mit einer in die Atemwege führenden Mündung herstellt,
• C. einen Abgabewandler, der in der Kammer angebracht ist und mit dem ersten Ende des Schallrohres gekoppelt ist, um in das Schallrohr Schallenergie abzugeben, wobei sich eine einfallende Welle nach außen durch das offene zweite Ende ausbreitet,
• D. mindestens einen Schalldruckwellen erfassenden Wandler, der in dem Schallrohr an einer zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Schallrohrs liegenden Stelle angebracht ist, um durch das offene Ende in dem Schallrohr empfangene Reflexionen der einfallenden Welle zu erfassen und ein Signal zu erzeugen,
• E. wenigstens teilweise innerhalb der Kammer angeordnete Mittel, welche mit dem die Schallwellen erfassenden Wandler verbunden sind, um die umgewandelten Echosignale einem Prozessormittel zur Umsetzung der Echosignale in Schallabbildungssignale, welche für die Morphologie einer Stelle innerhalb der Atemwege des Säugers charakteristisch sind, zuzuführen.
• Die Erfindung liefert in einer relativ kleinen und tragbaren Vorrichtung Signale, die für die Morphologie der Luftwege repräsentativ sind. Die Erfindung kann zum Zwecke der Diagnose und Sichtung in einem abgeschlossenen Bereich, wie einem Labor, einem Arztbehandlungsraum, einem Arbeitsplatz und an der Bettseite verwendet werden.
• Die Fig. 1 zeigt im Querschnitt einen Seitenriß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kopfes.
• Die Fig. 2 zeigt ein kombiniertes Block-Bild-Diagramm, welches die Bedienung des in der Fig. 1 gezeigten Kopfes veranschaulicht.
• Die Fig. 3 stellt ein Bruchstück der Außenwand des Gehäuses für die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kopfes der Fig. 1 dar, und zeigt ein repräsentatives Steuerfeld.
• Die Fig. 4 zeigt ein elektrisches Schaltungsdiagramm für die in der Fig. 1 gezeigte Ausführungsform des Kopfes.
• Die Fig. 5 zeigt ein Teilstück der Seitenansicht einer wegwerfbaren erfindungsgemäßen Nasen-Kopplungsanordnung, die in Verbindung mit der Fig. 1 verwendet wird.
• Die Fig. 6 zeigt die in der Fig. 5 gezeigte Kopplungsanordnung von oben.
• Die Fig. 7 zeigt eine alternative Form für die Kopplungsöffnung in der Anordnung von Fig. 5.
• Fachleute werden durch das Lesen der nun folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, in Verbindung mit den beifügten Zeichnungen der Fig. 1-7, den Wert der Erfindung erkennen.
• Betrachtet man zuerst die Fig. 1, einen quergeschnittenen Seitenriß, dann ist dort eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen akustischen bildgebenden Kopfes 10 für die Abbildung der internen Morphologie von Bereichen der Atemwege eines Säugers, einschließlich eines Menschen, zu sehen. Der Kopf 10 umfaßt ein handhaltbares Gehäuse 12 mit einem länglichen Körper 14, der durch ein oberes Ende 16 und ein Bodenende 18 mit einer ebenen Fläche 19, wodurch der Kopf in aufrechter Stellung auf eine flache Oberfläche gestellt werden kann, definiert ist. Das Gehäuse 12 weist eine Außenwand 20 auf, die sich zwischen den Enden 16, 18 erstreckt und eine geschlossene Innenkammer 22 definiert. Die Wand 20 enthält vorteil haft integriert ausgebildete Fingerhalterungen 24 und eine Vertiefung 26 zum Greifen mit der Handfläche. Die Außenfläche der Wand 20 kann eine Reibungsfläche sein, um das Halten und die Bedienung des Kopfes 10 durch eine einzelne menschliche Hand zu erleichtern. Das Gesamtgewicht des Kopfes 10 ist so gering, daß dieser gut zu bedienen und zu handhaben ist. Der Kopf 10 ist von der Bedienperson durch Halten mit der Hand voll tragbar. Eine Öffnung 28 durchsticht das Ende 16 des Gehäuses 12. In der Öffnung 28 ist das Ende 34 eines Schallrohres 30 angebracht, welches ein geschlossenes erstes Ende 32 innerhalb der Kammer 22 und ein offenes Ende 34 außerhalb des Gehäuses 12 aufweist. Das Ende 34 des Schallrohres 30 enthält eine Rippe 36, die den Umfang des Endes 34 umfaßt, und als Mittel zur Kopplung eines Adapters an das Schallrohr 30 wirkt, welcher in Form einer Kopplungsanordnung 80 zum Anpassen an die Mündung der abzubildenden Atemwege eines Säugers vorliegt. Das Schallrohr 30 durchquert im wesentlichen die Kammer 22 und seine Größe gibt die Gesamtgröße des Gehäuses 12 vor. Das Schallrohr 30 hat zum Beispiel vorteilhaft einen Durchmesser von ca. 2,0 bis ca. 4,0 cm, vorzugsweise ca. 1,2 cm und weist eine Länge von ca. 5 bis ca. 40 cm, am meisten bevorzugt 5 bis 20 cm, auf. Das Ende 32 des Rohrs 30 wird verschlossen, indem daran ein Lautsprecher oder Abgabewandler 38 angebracht werden, die nach Versorgung mit Energie, Schallenergie in das Innere des Schallrohres 30 abgeben, wobei sich eine einfallende Schallwelle nach außen durch das offene Ende 34 des Rohres 30 ausbreitet. Wenn zur Abbildung durch die Kopplungsanordnung 80, der Kopf 10 an eine Mündung des Atemweges gekoppelt wird, tritt die sich ausbreitende Schallwelle in den Atemweg ein, schlägt gegen anatomische Merkmale im Weg und wird durch das Ende 34 wieder zurück in das Innere des Schallrohres 30 reflektiert, wo sie ein vorübergehendes Wellenfeld innerhalb des Rohres 30 bildet. Dieses Wellenfeld ist für die Morphologie der Atemwege repräsentativ. Zwei voneinander beabstandete Druckwandler 40, 42 (wie Mikrophone von Endevco Reihe 8510B) werden an dem Schallrohr angebracht, wobei ihr Drucksensor mit der Innenwand des Schallrohres 30 bündig ist, um parasitäre Schallreflexionen zu vermindern. Die Wandler 40, 42 werden vorteilhaft voneinander mit einem Abstand von ca. 1,0 bis ca. 15 cm getrennt, und beide haben von dem Ende 34 des Schallrohres 30 einen Abstand von wenigstens ca. 2,0 cm. Wenn der Kopf 10 nur für die Abbildung von relativ flachen Hohlräumen verwendet werden soll, d. h. daß Hohlräume der inneren Atemwege abgebildet werden sollen, die dem Wandler nahe sind (meistens ca. 2 bis 3 cm), wie etwa der Nasenvorhof, dann muß nur einer der Wandler 40, 42 vorliegen oder aktiv sein. Jedoch, wenn nur einer der Wandler 40, 42 verwendet wird, um die reflektierten Schallwellen zu erfassen, ist es notwendig, den Kopf 10 für jede Abbildung zu eichen, wie weiter unten noch ausführlicher dargelegt wird. Um eine eindimensionale, im wesentlichen verlustlose Schallwelle in das Schallrohr 30 zu übertragen, wird der Abgabewandler 38 durch ein elektrisches Signal mit Energie versorgt, welches über den Leiter 48 übertragen wird, der nach außen zu in einem in der Wand 14 des Gehäuses 12 angebrachten Steckanschluß und in einem Verstärker 52 enden kann, wie im weiteren noch ausführlicher dargelegt wird. Jeder der Wandler 40, 42 wird jeweils durch separate elektrische Leiter 54, 56 angeschlossen, die auch in in der Wand 14 des Gehäuses 12 angebrachte Steckanschlüsse 58, 59 enden können. Die Anschlüsse 58, 59 können zur Verbindung mit außerhalb des Kopfes 10 angeordneten Signal verarbeitende Mittel verwendet werden, wie im weiteren noch ausführlicher dargelegt wird.
• In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Kopfes 10 sind die Anschlüsse 50, 58 über ein Anschlußkabel mit einem Signalprozessor, einschließlich einem Hostcomputer (nicht gezeigt in der Fig. 1), welcher von dem Kopf 10 entfernt angeordnet ist, verbindbar. Bei dieser Ausführungsform wird die Bedienweise unter Bezugnahme auf die Fig. 2 wie folgt dargelegt. Die Fig. 2 zeigt ein kombiniertes Block-Bild-Diagramm, das die Bedienung eines bildgebenden Systems unter Verwendung des erfindungsgemäßen Kopfes 10 veranschaulicht.
• In der Fig. 2 enthält eine vereinfachte Anordnung als Abgabewandler 38 einen Lautsprecher, wie das Modell MDR 434. Das Schallrohr 30 weist eine Länge L auf. Der erste Aufnahmewandler wird bei x = 0 angeordnet, wobei x die axiale Lage längs des Rohrs 30 angibt, der zweite Aufnahmewandler wird angrenzend zu dem Luftweg (z. B. ein oraler, nasaler oder pulmonaler Luftweg) des Säugers bei x = L angeordnet. Der Wandler 38 gibt eine eindimensionale, im wesentlichen verlustlose Schallwelle in das Rohr 30, in Richtung auf x = L hin ab. Die abgegebene einfallende Welle läuft durch das Rohr 30 und in den Luftweg. Eine reflektierte Welle, oder Echo, die repäsentativ für die Gradienten der akustischen Impedanz im Luftweg ist, läuft dann, in Richtung auf den Abgabewandler 38, zurück in das Rohr 30. Die Aufnahmewandler 40 und 42 erfassen einzeln und zusammen die mit dem Echo verbundenen Druckwellen und liefern zur Verarbeitung durch den Mikrocomputer 60 umgewandelte elektrische Signale, die für die einfallenden und reflektierten Wellen repräsentativ sind.
• Der Mikrocomputer 60 erzeugt ein digitales Probesignal, das durch einen D/A-Wandler 62 in ein analoges Signal umgewandelt und durch den Verstärker 52 verstärkt wird, um den Abgabewandler 38 zur Abgabe der einfallenden Probeschallwelle anzusteuern. Die umgewandelten Ausgaben aus den Aufnahmewandler 40 und 42 werden durch den Vorverstärker 66 bandpaßgefiltert und dann durch den A/D-Wandler 68 in digitale Signale umgewandelt. Der Mikrocomputer 60 speichert diese digitalen Signale in seinem RAM-Speicher.
• Der Mikrocomputer 60 verarbeitet die gespeicherten digitalen Signale, um ein Ausgabesignal A(x) zu liefern, d. h. eine eindimensionale Abbildung der Querschnittsfläche des Luftweges als eine Funktion der axialen Lage x längs des Luftweges. Der Computer 60 verarbeitet diese Signale vorzugsweise entsprechend dem Ware-Aki-Algorithmus ("Continuous and Discrete Inverse Scattering Problems in a Stratified Elastic Medium. I. Plane Waves at Normal Incidence", J. Acoust. Soc. Am., 54, 4, 911-921, 1969), um die Flächenabstandsfunktion A(x) aus der Impulsantwort des Luftweges h(t) zu erhalten. Die Beziehung zwischen dem Druckfeld und h(t) kann wie folgt abgeleitet werden. Das Druckfeld innerhalb der Röhre im Bereich 0 ≤ x ≤ L kann beschrieben werden, als die Überlagerung von zwei eindimensionalen Wellen, die sich zwar mit der gleichen Wellengeschwindigkeit aber in entgegengesetzter Richtung ausbreiten, gegeben durch
• p(x, t) = pr(x, t) + p&sub1;(x, t) (1)
• wobei t die Zeit, pr die sich nach rechts ausbreitende einfallende Welle (d. h. von x = 0 nach x = L) und p, die sich nach links ausbreitende reflektierte Welle (d. h. von x = L nach x = 0) ist.
• Die Druckbedingungen bei x = 0 und x = L sind gegeben durch
• p&sub1;(L, t) = pr(L, t) * h(t) (2)
• und
• pr(0, t) = p&sub1;(0, t) * s(t) (3)
• wobei s(t) die Impulsantwort des Lautsprechers ist und * die Faltungsoperation bezeichnet. Vorausgesetzt die Ausbreitungsverzögerung in einer Richtung beträgt t = L/v, wobei v die Schallgeschwindigkeit ist, dann gilt die folgende Beziehung:
• p&sub1;(0, t) = p&sub1;(L, t-τ) (4)
• pr(L, t) = pr(0, t-τ) (5)
• Die Gleichungen (1) bis (5) können durch im Stand der Technik wohlbekannte mathematische Verfahren (z. B. Fouriertransformation und Algebra) miteinander kombiniert werden, um dann zu ergeben
• h(t) * {p(0, t) - p(L, t-τ)} = p(L, t+τ) - p(0, t) (6)
• und h(t) * s(t) = δ(t-2τ) (7)
• Die Gleichung (7) zeigt, daß sich beide Wellen mit einer gleichen, von Null verschiedenen, Verzögerung ausbreiten. In der Gleichung (7) bezeichnet das Symbol δ die wohlbekannte Impulsfunktion, welche manchmal Deltafunktion genannt wird. Die Gleichung (6) macht die Beziehung zwischen dem Druckfeld und h(t) kenntlich. Die Gleichung (6) kann durch Approximation in einer Riemann-Summe disktretisiert werden, wobei sich ergibt
• h(nΔt) = {1/p(0, 0)} {p(L,(m+n)Δt) - p(0, nΔt)}
• { h((n-k)Δt)/p(0, 0)} {p(0, kΔt) - p(L, (k-m)Δt)} (8)
• wobei Δt die Dauer der Probenentnahme der Zeitdiskretisierung, n der Satz ganzer Zahlen 1, 2, 3 usw. ist; m ist eine ganze Zahl dergestalt, daß τ = mΔt, p(0, 0) den ersten von Null verschiedenen Druckwert bei x = 0 bezeichnet, k ist der Summationsindex und die obere und untere Summationsgrenze sind jeweils k = 1 und k = n.
• In einer kurzen Zusammenfassung: der Mikrocomputer 60 verarbeitet die gespeicherten digitalen Signaldaten, die für die umgewandelten Signale aus den beabstandeten Wandlern 40, 42 repräsentativ sind, gemäß Gleichung (8), um dann ein Signal zu bilden, das der Impulsantwort des Luftweges h(t) entspricht. Der Mikrocomputer 60 verarbeitet dann das Signal h(t) entsprechend dem Ware-Aki-Algorithmus, um dann ein Signal A(x) zu liefern, das der Morphologie des Luftweges entspricht. Das Signal A(x) kann dann im Speicher des Mikrocomputers 60 gespeichert werden, um zukünftig wieder aufgerufen werden zu können, wenn Vergleiche mit darauf folgenden Abbildungen erwünscht sind.
• Die Wellenausbreitung im Rohr 30 kann als verlustlos angesehen werden. Die frühen Teile der umgewandelten Drücke bei x = 0 und x = L sind dann identisch mit Ausnahme der Verzögerungszeit t. Der Mikrocomputer 60 kann die Ausbreitungsverzögerung bestimmen, indem die mittleren quadratischen Abweichungen zwischen dem umgewandelten Signalen im frühen Teil ihres jeweiligen Überganges minimalisiert werden. Die relative Ausbeute der Wandler kann auf ähnliche Weise bestimmt werden. Um eine ausreichende Zeitauflösung zu erhalten, interpoliert der Mikrocomputer 60 vorzugsweise die umgewandelten Signale, um so eine effektive Dauer für die Probenentnahme von 0,75 us (d. h. Δt = 0,75 us) zu erzielen.
• Die Gleichung (8) erfordert es vorzugsweise, daß die Ausbreitungsverzögerung ein ganzzahliges Vielfaches der Probenentnahmedauer t ist, d. h. τ = mΔt. Vorzugsweise werden die digitalisierten umgewandelten Signale vom Mikrocomputer 60 derart interpoliert und wieder aufgenommen, daß die Verzögerungszeit 24 Zeitschritten entspricht, d. h. τ = 24Δt. Dieser Wert für die Ausbreitungsverzögerung entspricht einem schrittweisen räumlichen Inkrement von ca. 0,2 cm.
• In der Angabe von h(Δt) entsprechend der Gleichung (8) ist, um Stabilität zu erhalten, der erste von Null verschiedene Druckwert p(0, 0) vorzugsweise größer als ein minimaler Schwellenwert. Die Druckwerte, die vor diesem ersten Schwellendruck vorkommen, werden um eine erste Näherung von h(t) zu erhalten, anfänglich vernachlässigt. Um Fehler, die durch die Schwelle eingeführt werden können, zu deakzentuieren, ist es vorteilhaft, ein korrigiertes, durch eine erhöhte Stabilität und Genauigkeit charakterisiertes, h(t) anzugeben, indem die erste Näherung von h(t) mit den digitalisierten Druckwerten, die vor dem ersten von Null verschiedenen Druck (d. h. die Druckwerte, die anfänglich vernachlässigt wurden) vorkommen, gefaltet wird. Der Mikrocomputer 60 filtriert dann vorzugsweise die Abfolge der diskreten Werte h(nΔt), welche die Impulsantwort des Luftweges h(t) darstellt, mit einem digitalen, linear-phasischen Filter mit endlicher Impulsantwort (FIR-Filter) im Bandpaßbereich von 0,01 kHz bis 9 kHz, um das physiologische Rauschen durch Unsteifheiten der Luftwegewände, Instabilität der Impulsantwort h(t) und die mit akustischen Quermoden verbundenen Artefakte abzuschwächen.
• Der Mikrocomputer 60 verarbeitet dann das korrigierte Signal h(Δt) entsprechend dem Ware- Aki-Algorithmus, um ein Ausgangssignal zu liefern, das der Flächenabstandsfunktion A(x) des graphisch dargestellten Luftweges entspricht.
• Der Mikrocomputer 60 (wie Compuadd Modell 320 mit einem 80386 Mikroprozessor von Intel der mit 20 MHz arbeitet) wird an ein Wandlermodul gekoppelt, das einen 12-bit Analog- Digital (A/D)-Wandler 68 mit einer typischen Entnahmezeitdauer von 24,0 us und einen 12 bit Digital-Analog (D/A)-Wandler 62, der an einen an die Wandler 40 und 42 gekoppelten Vorverstärker 66, typischerweise mit einem Bandpaßfilter mit einem Durchlaßbereich von 0,1 kHz bis 10,0 kHz (wie Tektronix Modell AM 502) gekoppelt ist, aufweist. Der D/A-Wandler 62 ist durch den Verstärker 52 an den Wandler 38 gekoppelt.
• Wie bereits oben erwähnt wurde, kann wenn der erfindungsgemäße Kopf 10 zur Abbildung von relativ flachen Körperhohlräumen nahe der an den Kopf 10 zu koppelnden Mündung verwendet werden soll, zum Beispiel an den Nasenvorhof bis zu einer Tiefe von ca. 1 bis 3 cm, man einen Kopf 10 verwenden, bei dem nur einer der Wandler 40, 42 vorhanden oder aktiv ist. In diesem Fall kann die Beziehung zwischen dem Druckfeld und h(t) wie im US-Patent 4,326,416 dargestellt, abgeleitet werden. Wie ebenso oben bereits erwähnt wurde, ist es mit nur einem tätigen Aufnahme- oder Erfassungswandler notwendig, das Gerät zu eichen. Dieses Eichverfahren wird auch in dem US-Patent 4,326,416 voll beschrieben. Ein Vorteil der bevorzugten Vorrichtung der Erfindung mit zwei Wandlern (Mikrophone) ist die Befreiung von dem Erfordernis des Eichverfahrens.
• Der Mikrocomputer 60 kann auch an die Eingabestationen eines Anzeigemoduls (in der Fig. 1 oder 2 nicht gezeigt) zur Sichtanzeige der von den Wandlern 40, 42 umgesetzten Signale elektronisch angebunden werden. Alternativ oder zusätzlich können die umgesetzten Signale einem herkömmlichen Drucker für eine gedruckte Aufzeichnung der Abbildungsergebnisse eingegeben werden. Eine gleichzeitige Sichtanzeige der umgesetzten Signale ist für die Bedienperson vorteilhaft und erlaubt es dieser ein bevorzugtes Bedienverfahren durchzuführen. Den Fachleuten ist klar, daß ein handbetätigtes Gerät zur Verwendung in der Bildgebung, zum Beispiel der Nasenwege eines Säugers, eine ruhige Hand der Bedienperson und einen ruhigen Untersuchungspatienten erfordert, um übereinstimmend gute und reproduzierbare Signaldaten zu erhalten. Eine geringe unpassende Bewegung seitens der Bedienperson oder des Patienten kann falsche Daten erzeugen. Die erfahrene Bedienperson kann es auf einer Sichtanzeige erkennen, wenn nichtkonsistente Signale und konsistente Signale, die während Zeitperioden in denen eine Reihe von über den Kopf ausgebreiteten Wellen reflektiert werden und der gewünschten Abbildung entsprechen, erfaßt und verarbeitet werden. Tatsächlich muß die Bedienperson den Kopf 10 in bestimmte Stellungen bringen, um konsistente und reproduzierbare Signale zu erhalten (zum Beispiel wenn eine gute Kopplungsabdichtung zwischen der Mündung und dem Kopf 10 schwer zu erzielen ist). Um dieses Problem zu bewältigen, wird der Kopf 10 vorzugsweise in einem "Vorimpuls"-Modus verwendet, um die guten Signale von den falschen, d. h. inkonsistenten Signalen auszusortieren. Dies erfolgt durch die Verwendung eines "Ringpuffers", wobei der Mikroprozessor 60 programmiert ist, nur die letzten 10 von 10 plus X von dem A/D-Wandler 68 empfangenen Signalen im RAM-Speicher abzuspeichern (zu erst hinein, zuerst heraus). Diese letzten 10 Signale können einer Probenentnahmedauer von ca. 2 Sekunden entsprechen. Wenn die Bedienperson die durch den Mikroprozessor 60 umgesetzten und ausgegebenen Signale als konsistent betrachtet, kann die Bedienperson die Aufnahme neuer Signale anhalten, um die letzten 10 konsistenten Signale im Speicher des Mikroprozessors zur Speicherung und zum zukünftigen Wiederaufrufen zu behalten. Auf diese Weise werden die nützlichen Signale für ein späteres Wiederaufrufen gespeichert.
• Bei einer am meisten bevorzugten Ausführungsform des Kopfes 10 der Erfindung werden die Kabel für die elektrische Energieversorgung und/oder Verbindung zwischen dem Kopf 10 und den Signal verarbeitenden Komponenten des oben beschriebenen bildgebenden Systems beseitigt. Das bildgebende System befindet sich dann in dem einzelnen, handhaltbaren, in sich abgeschlossenen Gerät der Erfindung. Bezieht man sich wieder auf Fig. 1, ist erkennbar, daß ein miniaturisiertes Prozessormittel 100 in der Kammer 22 angebracht ist und den Vorverstärker 66, D/A-Wandler 62 und A/D-Wandler 68 mit Mikrocomputer 60 enthält. Diese Miniaturisierung wird durch die Integration des Computerschaltkreises in ein bis drei Chips ermöglicht. Eine wiederaufladbare Batterie, wie ein Batterie Größe AAA, wird vorteilhaft in der Kammer 22, proximal zum Ende 18 des Gehäusebodens angebracht und enthält einen Sockel 104 zur elektrischen Wiederaufladung durch Verbindung mit einer Wechselstrom-Wandsteckdose. Der Batteriesatz 102 wird als Energiequelle mit dem Prozessormittel 100 und dem Abgabewandler 38 elektrisch verbunden, und wird durch den unten beschriebenen Schalterstromkreis gesteuert (Verschaltung ist in der Fig. 1 nicht gezeigt; siehe Fig. 4). Die Anschlüsse 101, 103 bestehen für die Verbindung des Mittels 100 mit dem Monitor einer Sichtanzeige zur Beobachtung und/oder Drucker, um eine gedruckte Aufzeichnung der umgesetzten Signale zu erhalten.
• In der Fig. 3 wird ein Teil der Außenseite der Wand 14 des Gehäuses 12 mit einem Steuermittel 108 für die Energieversorgung und Bedienung des Kopfes 10 gezeigt, welches in einer der Fingerhalterungen 24 angeordnet ist, um die einhändige Betätigung des Kopfes 10 zu erleichtern. Der Kürze wegen, ist ein Schalter 109 in einer angrenzenden Fingerhalterung 24 angeordnet, wobei dieser verwendet werden kann, um Funktionen wie START DATENAUFNAHME; STOP DATENAUFNAHME; DATENANZEIGE; AUSWÄHLEN DATEN ZUR ANZEIGE; SPEICHERN DATEN; WIEDERAUFRUFEN DATEN ZUR ANZEIGE; VER- GLEICH NEUER DATEN MIT WIEDERAUFGERUFENEN DATEN, usw. zu steuern. Jede und alle dieser (und weiterer) Funktionen können durch fingerbetätigte Schalter gesteuert werden. Aus Gründen der Klarheit der Zeichnung ist die für diese Steuerfunkionen notwendige elektrische Verschaltung in der Fig. 1 nicht dargestellt, diese ist jedoch herkömmlicherweise bekannt und kann von den Fachleuten für elektrische Verschaltungen ausgeführt werden.
• Die Fig. 4 zeigt ein Verschaltungsdiagramm für die oben beschriebene bevorzugte Ausführungsform des Kopfes 10, der in sich vollständig abgeschlossen ist.
• Die Fig. 5 zeigt in einem Teilstück der Seitenansicht eine sterilisierbare, wegwerfbare Nasen- Kopplungsanordnung 80 mit einem Eingabeende 82, das an das Ausgabeende des Rohres 30 befestigt ist, sowie einem Ausgabeende 84 zum Einfügen in ein Nasenloch. Der Kanal 85 auf der innenseitigen Wand der Kopplungsanordnung 80 paßt zu der Rippe 36 auf dem Ende 34 des Rohres 30 und nimmt diese für eine sichere, abnehmbare Befestigung auf. Der Kanal 85 und die Rippe 36 wirken zusammen, um ein Mittel zur Befestigung des Endes 34 des Schallrohres 30 an der Kopplungsanordnung 80 zu bilden. Weitere Befestigungsmittel sind den Fachleuten bekannt, wie der sogenannte "Bajonett-Verschluß", Schrauben, Reibungssitz, Stecker-Hülsen-Verbindung und dergleichen. Die Nasen-Kopplungsanordnung 84 kann Ausgabeenden 84 einer unterschiedlichen Größe für ein dicht anliegendes Eingreifen in die Innenseite von Nasenlöchern unterschiedlicher Größe aufweisen. Ihre innere Paßfläche ist derart ausgeführt, daß eine Impedanzanpassung mit einer maximalen Übertragung der Schallenergie vorliegt.
• Die Fig. 6 stellt die in der Fig. 5 gezeigte Kopplungsanordnung 80 von oben dar und zeigt, daß die Einfassung oder Rand 94 des Endes 84 relativ dünn sein kann, d. h. in der Größenordnung von ca. 0,5 bis ca. 1,5 mm in einheitlicher Dicke für einen Abstand von ca. 10 mm vom Rand 94 in Richtung auf das Ende 82, um ein komfortables Anpassen innerhalb des Nasenloches zu erleichtern und um es zu ermöglichen ca. 10 mm von der Länge der Anordnung 80 abzuschneiden. Dort wo eine größere Strukturstabilität und eine geringere Flexibilität erwünscht ist, kann die Dicke der Wand 87 unterhalb des Abstandes von 10 mm vom Rand 94 in Richtung auf das Ende 82 zunehmen. Die Wand 87 der oval geformten Anordnung 80 (wie in der Fig. 6 von oben ersichtlich ist) verjüngt sich von dem Ende 82 nach innen gerichtet zu dem Ende 84 mit einer nach innen gerichteten Neigung von ca. 10 bis 15º zur Senkrechten. In ähnlicher Weise kann es wegwerfbare Kopplungsanordnungen mit Ausgabeenden 84 einer unterschiedlichen Größe für eine dicht anliegende Kopplung an andere Mündungen von Luftwegen einer unterschiedlichen Größe, einschließlich des Mundes, geben.
• Die bevorzugte Kopplungsanordnung 80 kann aus einer Vielzahl von Materialien, die ihrem Wesen nach sowohl flexibel, als auch nicht flexibel sind, gefertigt werden.
• Vertreter derartiger Materialien gibt es im großen Bereich der synthetischen und natürlichen Polymerharze, die vorzugsweise Eigenschaften aufweisen, die den Durchgang der Schallwellen durch die Anordnung 80 von und durch das Rohr 30 nicht hemmen. So wird die Anordnung 80 vorteilhaft aus Polycarbonatharzen, Polyvinylchlorid, Polyvinylalkohol, ABS-Harze, Polystyren, Polyurethan, Polytetrafluoroethylen, natürlichem Gummi und ähnliche Harze gefertigt. Ein bevorzugtes Material zur Abdichtung beim Eingreifen in eine zu verwendende Mündung ist ein flexibler Polysilikongummi. Markierungen, wie die Linie 86, können auf der Anordnung angeordnet werden, um die Tiefe des gewünschten Einfügens in das Nasenloch anzuzeigen, wobei die Eindringtiefe vorzugsweise höchstens 2 bis 3 mm beträgt. Dies ist vorteilhaft, um eine genaue Abbildung zu gewährleisten. Ebenso können Schriftmarkierungen 88 auf der Anordnung 80 angeordnet werden, die anzeigen, wo die Anordnung 80 abgeschnitten werden kann, um sie einem größeren Nasenloch anzugleichen. Eine vertikale Rippe oder Markierung auf der Axiallinie der Anordnung 80 kann auf der Außenseite des Körpers der Anordnung 80 als ein Bezugszeichen oder Markierung angeordnet werden, um es zu erleichtern, die Anordnung 80 in einer Stellung in der Nase des Patienten anzusetzen, sie dann zu entfernen, und für darauffolgende Abbildungen wieder in der gleichen Stellung anzusetzen. Es ist zu bemerken, daß die Anordnung 80 auch intern mit einem Filter 90 ausgestattet werden kann, welcher den Durchtritt der Schallwellen nicht hemmt, aber den Durchtritt von Fluiden, wie Schleim aufhält.
• Wie in der Fig. 6 gezeigt, ist die Öffnung der Anordnung 80 am Ende 84, wie definiert durch die Wand 87, rund (oval). Die Form der Öffnung kann jede zirkuläre Form annehmen, einschließlich perfekt rund, länglich, oder in der Form einer Rennbahn mit einer größeren Abmessung in einer Richtung. Die Fig. 7 zeigt eine bevorzugte zirkuläre Form für die Öffnung einer Anordnung 80 am Ende 84. Die Geometrie des Endes 84 der Anordnung 80 paßt vorzugsweise zur Geometrie der anzukoppelnden Mündung ohne jegliche Beeinträchtigung des Nasenvorhofes.
• Zum Beispiel kann das Rohr 30 (Fig. 1) einen Durchmesser von 1,2 cm und eine Länge von 10 cm aufweisen. In diesem Fall sind die beiden Wandler vorzugsweise um 3,0 cm voneinander getrennt, jedoch ist der Wandler 18 immer noch 2,0 cm von der Öffnung des Luftweges befindlich angeordnet. Bei dem Rohr mit 10 cm Länge wird die Verzögerungszeit τ entsprechend sieben Zeitschritten, d. h. τ = 7Δt, eingestellt. Dieser Wert für die Verzögerungszeit entspricht einem schrittweisen räumlichen Inkrement von ca. 0,2 cm.
• Ebenso kann ein anderer Algorithmus als der Ware-Aki-Algorithmus verwendet werden, um die Flächenabstandsfunktion A(x) des Luftweges aus h(t) einheitlich zu bestimmen. Ebenso können andere Algorithmen als die obige Gleichung (8) verwendet werden, um aus dem Druckfeld h(t) zu bestimmen.

Claims (10)

1. Bildgebender Kopf (10) zur akustischen Abbildung von Bereichen der internen Morphologie der Atemwege eines Säugers, einschließlich eines Menschen, umfassend:

A. ein zerklüftetes, handhaltbares Gehäuse (12)

1. mit einem länglichen Körper (14), der definiert ist durch

(a) ein oberes Ende (16),

(b) ein Bodenende (18),

(c) eine Außenwand (20), welche sich zwischen dem oberen Ende (16) und dem Bodenende (18) erstreckt, und

(d) eine Innenkammer (22),

2. mit einer durch das obere Ende (16) des Gehäuses verlaufenden Öffnung (28), welche eine fließende Kommunikation zwischen der Innenkammer (22) und der Außenseite des Gehäuses (12) ermöglicht, und

3. mit integriert ausgebildeten Fingerhalterungen (24) sowie einer die Handfläche haltenden Vertiefung (26) in der Außenwand (20), so daß das Umgreifen des Gehäuses (12) mit einer menschlichen Hand vereinfacht wird,

B. ein in der Öffnung (28) angebrachtes Schallrohr (30) zum Übertragen von Schallenergie und Empfangen von reflektierter Schallenergie, wobei das Rohr (30) ein erstes Ende (32) innerhalb der Kammer (22) und ein offenes zweites Ende (34) außerhalb des Gehäuses (12) aufweist, wobei das zweite Ende (34) des Schallrohrs (30) derart ausgestaltet ist, daß es eine Verbindung des Schallrohrs (30) mit einer in die Atemwege führenden Mündung herstellt,

C. einen Abgabewandler (28), der in der Kammer (22) angebracht und mit dem ersten Ende (32) des Schallrohrs (30) gekoppelt ist, um in das Schallrohr (30) Schallenergie abzugeben, wobei sich eine einfallende Welle nach außen durch das offene zweite Ende (34) ausbreitet,

D. mindestens einen Schalldruckwellen erfassenden Wandler (40, 42), der in dem Schallrohr (30) an einer zwischen dem ersten Ende (32) und dem zweiten Ende (34) des Schallrohrs (30) liegenden Stelle angebracht ist, um durch das offene Ende (34) in dem Schallrohr (30) empfangene Reflexionen der einfallenden Welle zu erfassen und ein Signal zu erzeugen, und

E. wenigstens teilweise innerhalb der Kammer (22) angeordnete Mittel (54, 56), welche mit dem die Schallwellen erfassenden Wandler (40, 42) verbunden sind, um die umgewandelten Echosignale einem Prozessormittel (60, 100) zur Umsetzung der Echosignale in Schallabbildungssignale, welche für die Morphologie einer Stelle innerhalb der Atemwege des Säugers charakteristisch sind, zuzuführen.

2. Bildgebender Kopf (10) nach Anspruch 1, der weiterhin eine auf dem zweiten Ende (34) des Schallrohrs (30) angebrachte Kopplungsanordnung (80) zum Koppeln des bildgebenden Kopfs (10) mit einer Mündung in den Atemwegen umfaßt.

3. Bildgebender Kopf (10) nach Anspruch 2, wobei die Kopplungsanordnung (80) aus einem Polysiloxangummi gefertigt ist.

4. Bildgebender Kopf (10) nach Anspruch 1, wobei das Schallrohr (30) eine Länge zwischen ca. 5 cm und ca. 40 cm, vorzugsweise zwischen ca. 5 cm und 10 cm, aufweist.

5. Bildgebender Kopf (10) nach Anspruch 1, wobei der bildgebende Kopf (10) zwei Druckwellen erfassende Wandler (40, 42) umfaßt, welche voneinander mit einer Entfernung von ca. 1 bis 15 cm beabstandet sind.

6. Bildgebender Kopf (10) nach Anspruch 1, weiterhin umfassend

Mittel (102), die mit dem Abgabewandler (38) verbunden sind, um den Abgabewandler (38) mit Energie zu versorgen, und

Mittel (66, 68, 60; 100), um das erzeugte Signal des Wandlers in ein Ausgabesignal umzusetzen, welches für die Morphologie einer Stelle innerhalb der Atemwege des Säugers charakteristisch ist.

7. Bildgebender Kopf (10) nach Anspruch 6, wobei das Prozessormittel (100) auf dem Gehäuse (12) angebracht ist.

8. Bildgebender Kopf (10) nach Anspruch 6, weiterhin umfassend eine Energiequelle (102) zum Versorgen des Abgabewandlers (38) mit Energie, welche in dem Gehäuse (12) angebracht ist.

9. Bildgebender Kopf. (10) nach Anspruch 1, der weiterhin ein Anzeigenmittel zum graphischen Anzeigen eines durch das Ausgabesignal erzeugten Bildes umfaßt.

10. Bildgebender Kopf (10) nach Anspruch 6, wobei Steuermittel (108, 109) für das Prozessormittel (100) auf dem Gehäuse (12) an Stellen angeordnet sind, welche für den Handgriff der Bedienperson zugänglich sind.