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Die
Erfindung betrifft ein elektronisches Stethoskop des Typs, der einen
Vibrationswandler, einen Verstärker
und eine Kopfhörereinrichtung
umfasst.
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Stethoskope
werden von Ärzten
benutzt, um Geräusche
vom Organismus abzuhorchen, insbesondere von Herz und Lunge. Die
Phänomene,
die abgehorcht werden, senden Schall mit Frequenzen von unter 16
Hz bis etwa 8 kHz aus, aber während des
Durchtretens von Gewebe und Haut tritt eine erhebliche Tiefpassfilterung
auf. Die Haut wirkt wie ein Sender solcher Signale, die anschließend zugänglich sind.
Die Konstruktion des Stethoskops stellt sicher, dass zu einer Zeit
nur eine kleine Fläche
der Haut abgehorcht wird und dass Geräusche im Raum außerhalb
gedämpft
werden, und dadurch wird das Signal-Rausch-Verhältnis etwas verbessert. Ärzte trainieren
die Verwendung von Stethoskopen aktiv, und dadurch kann ihre Fähigkeit,
Signale in den Umgebungsgeräuschen
zu unterscheiden, um etwa 15 dB steigen. Dies findet weltweit statt,
und man kann sagen, dass ein Stethoskop ein universelles Werkzeug ist.
Sein Wert und/oder seine Leistung für die Benutzer sind aufgrund
der technischen Entwicklung der Gesellschaft jedoch gesunken. Erhöhte Maschinengeräusche, insbesondere
in Krankenhäusern,
bewirken in der Praxis, dass die Signale unter oder höchstens
an der Untergrenze des menschlichen Hörvermögens liegen. Es kann noch hinzugefügt werden, dass
immer mehr junge Leute zu der Zeit, zu der sie eine medizinische
Ausbildung anfangen, unter Gehörverlusten
leiden, und daher hat das akustische Stethoskop in der Praxis seine
Leistungsgrenze erreicht.
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Es
ist schon lange erkannt worden, dass ein herkömmliches akustisches Stethoskop
in seiner Signalübertragung
viele lineare Verzerrungen einführt, insbesondere
wegen der Möglichkeit
von stehenden Wellen in den langen Schläuchen. Dies kann anders durch
die Feststellung ausgedrückt
werden, dass die schlechte Pulsantwort eine starke Verzerrung der zeitlichen
Wiedergabe der Signale verursacht. Herkömmlicherweise gibt es verschiedene
Konstruktionen von Stethoskopen, und sie haben alle ihre individuelle
charakteristische Übertragungsfunktion,
und man kann durch Verändern
eines akustischen Stethoskops bis zu einem gewissen Grad eine genauere Wiedergabe
eines gegebenen akustischen Phänomens
erhalten. Die Verlässlichkeit
des Arztes bei der Verwendung von Stethoskopen ist allgemein jedoch so
groß,
insbesondere bei Verwendung des Stethoskops, an das sie sich gewöhnt haben,
dass das Problem der Pulsantwort nicht als Hindernis für die Verwendung
von akustischen Stethoskopen betrachtet worden ist.
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Aus
diesem Grund war es nicht attraktiv, ein elektronisches Stethoskop
zu verwenden, obwohl es die Möglichkeit
aktiver Verstärkung
bis zu jedem gewünschten
Grad bietet. Obwohl es darüber
hinaus stark verbesserte Möglichkeiten
zum Anpassen der Empfindlichkeit eines Vibrationswandlers an den
Körper
gibt, an dem gemessen wird, und obwohl Kopfhörer mit einer hohen Dämpfung als
bessere Isolatoren gegen Umgebungslärm dienen können als übliche Ohrstücke eines
herkömmlichen
Stethoskops, trifft ein elektronisches Stethoskop immer noch auf
Widerstand, insbesondere, weil es aufgrund des breiteren Frequenzbandes
und des daraus folgenden größeren Rauschgehalts
nicht "so klingt
wie früher". Die Fähigkeit,
Phänomene
zu unterscheiden, die vom Arzt mühsam
erlernt wurde, ist nicht mehr hilfreich. Dokument US-A-4 598 417
offenbart ein elektronisches Stethoskop umfassend eines Vibrationswandler,
einen Verstärker
und eine Kopfhöreranordnung.
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Es
wurde erkannt, dass ein Bedarf nach Verstärkung bestimmter Frequenzbereiche
relativ zu denen besteht, die durch ein akustisches Stethoskop effektiv
wiedergegeben werden. Eine bekannte Konstruktion eines elektronischen
Stethoskops wird in
US 5 003
605 beschrieben, das elektronisch ein Anheben dieser breiteren
Frequenzbereiche durchführt und
eine Frequenzwandlung für
sehr niedrigfrequente Bereiche durchführt. Auf diese Weise wird bestimmten
Phänomenen
eine verbesserte Klarheit gegeben. Darüber hinaus ist das Stethoskop
mit Elektroden und elektrokardiographischen Schaltungen für die Erkennung
des QRS-Komplexes verbunden, damit Signale, die die elektrische
Aktivität
des Herzes wiedergeben, gleichzeitig mit den Herztönen an das Ohr
gebracht werden können,
so dass die zeitliche Beziehung der Töne im Verhältnis zum Herzzyklus bewertet
werden kann.
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Mit
der Erfindung wurde erkannt, dass es möglich ist, ein deutlich verbessertes
Stethoskop zu erhalten, das sowohl den Vorteil einer größeren Verstärkung als
auch kenntnisreicher Analyse durch einen Arzt aufweist, der nicht
durch veränderte
Klangcharakteristik verwirrt wird, solange in den Signalweg eines
ansonsten linearen elektronischen Stethoskops ein Filter mit einer
Pulsübertragungsfunktion geschaltet
ist, die mindestens einem bekannten akustischen Stethoskop entspricht.
Das bedeutet, dass zeitliche Beziehungen nun wiedergegeben werden,
als ob sie durch das genannte akustische Stethoskop übertragen
werden. Dadurch wird auf sehr vorteilhafte Weise eine Wechselwirkung
zwischen Mensch und Hilfsgerät
erzielt. Durch einen A/B-Vergleich zwischen dem linearen Geräusch und
dem simulierten Stethoskopgeräusch
können
bestimmte Phänomene
erkannt werden, die in der herkömmlichen
Stethoskopie nicht so klar waren. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit,
dass es Ärzten
gestattet wird, während
simultaner Auskultation das selbe Phänomen zu erörtern, da durchaus mehrere
Kopfhörer
mit dem selben Verstärker
mit Filter verbunden werden können.
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Mit
dem Zugang zu moderner Technik ist es offensichtlich, dass eine
digitale Filterung verwendet wird, weil sie eine Neuprogrammierung
ohne langwierige Kalibration erlaubt. Dies eröffnet auch Möglichkeiten
dafür,
dass man das elektronische Stethoskop Filterübertragungsfunktionen speichern
lässt, die
den bekannten Haupttypen von Stethoskopen entsprechen (kleiner und
großer
Schallkopf, mit oder ohne Membran), damit der Arzt, der es benutzt,
nur die Filterfunktion auswählen
muss, die dem Typ von Stethoskop am besten entspricht, an dem dieser
bestimmte Arzt die beste Ausbildung hat – oder die nach der herkömmlichen
Lehre als die für
die Aufgabe am besten geeignete ermittelt wird. In dieser Hinsicht
ist es auch denkbar, dass das Filter durch digitale Signalverarbeitung
an das Signal angepasst wird, wodurch eine echte Verbesserung im
Signal-Rausch-Verhältnis
erhalten wird.
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Bei
der Verwendung von digitaler Signalverarbeitung weist das Stethoskop
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung Mustererkennungsmittel für das akustische Signal zur
adaptiven Verringerung von Geräuschen
aus der Umgebung sowie zur Unterdrückung von wiederholten Signalen
in dem auskultierten Signal auf. Hierdurch kann z.B. der Klang von Herzschlägen verringert
werden, wenn Lungen auskultiert werden, oder das Herzgeräusch der
Mutter kann verringert werden, während
eine fötale
Auskultation durchgeführt
wird.
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Auf ähnliche
Weise stellt eine weitere Ausführungsform
einen Bezug zu dem Herzgeräusch her,
indem die Mustererkennungsmittel zum Eliminieren bzw. Verstärken von
Teilen von wiederholten Signalen in dem abgehörten Signal verwendet werden. Dadurch
wird es möglich,
Geräusche
aufgrund von Krankheiten im Herz und den umgebenden Arterien zu
diagnostizieren, und es wird eine "Fensterfunktion" ermöglicht,
durch die nur ein Teil eines Herzzyklus abgehorcht wird, z.B. die
Systole. Entsprechend kann man mit der Atmung synchronisieren, wenn eine
Untersuchung der Atemwege/Lungen durchgeführt wird.
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Dadurch,
dass mit der Erfindung realisiert wurde, dass es möglich und
extrem vorteilhaft ist, eine Signalverarbeitung auf dem Weg vom
Wandler zum Ohr durchzuführen,
wird auf ähnliche
Weise die Möglichkeit
eröffnet,
dass eine weitere Signalverarbeitung vom Stethoskop durchgeführte Analysen
verbessern kann. Als Beispiel kann erwähnt werden, dass das elektronische
Stethoskop der individuellen Gehörschädigung des
Arztes angepasst werden kann, indem diese z.B. objektiv gemessen
und in eine Übertragungsfunktion
umgewandelt wird, die in dem elektronischen Stethoskop gemäß der Erfindung
gespeichert ist. In dieser Verbindung können durchaus dynamische Begrenzungen
enthalten sein, so dass ein bestimmter Schalldruck, möglicherweise nur
in bestimmten Frequenzbändern,
nicht überschritten
wird. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass das Geräusch so nah am Gehörgang wie
möglich
zum Ohr gebracht wird, weil es dadurch keinen weiteren Einfluss
auf das Signal gibt, dass in früheren
Stadien korrigiert wurde. Im Fall von A/B-Vergleichen zwischen kompensiertem
und nicht-kompensiertem Geräusch
ist eine solche dynamische Begrenzung ähnlich wichtig.
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Im
Hinblick darauf, störende
Geräusche während der
Bewegung des messenden Wandlers des Stethoskops von einem Ort zum
anderen zu vermeiden, möglicherweise
beim Reiben auf der Haut, ist das Stethoskop gemäß der Erfindung mit einer automatischen
Verstärkungssteuerung
versehen, so dass die Empfindlichkeit des Ohrs erhalten wird, weil es
nicht plötzlichen
starken Geräuschen
ausgesetzt ist.
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Da
die Konstruktion von digitalen Filtern so flexibel ist, wird es
einfach und ökonomisch
vertretbar, für
jedes Ohr eines Arztes eine individuelle Einstellung so durchzuführen, dass
es zwei Kanäle
oder ein Multiplexkanal mit Filtern vorgesehen ist. Davon abgesehen
sind nur zwei Wandler und zwei Vorverstärker erforderlich, um ein stereophones
elektronisches Stethoskop zu erhalten, da die Wandler so auf einem
zu untersuchenden Körper
platziert werden können,
dass die Klangerzeugung durch die Kopfhörer räumlich erscheint.
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Eine
weitere Verbesserung der Funktionalität des elektronischen Stethoskops
kann in einer freihändigen
Ausführung
bestehen. Dies wird in vorteilhafter Weise dadurch erreicht, dass
eine drahtlose (Hochfrequenz-, Niedrigfrequenz- oder optische) Verbindung
zwischen dem Wandlerteil und dem Kopfhörerteil eingerichtet wird.
Auf diese Weise wird auch ein Mithören ermöglicht, da ein anderer Hörer nur
seinen eigenen Kopfhörer
mit Empfänger
für die drahtlose
Verbindung mitbringen muss. Abhängig vom
Grad der persönlichen
Signalverarbeitung, die im elektronischen Stethoskop durchgeführt werden soll
(siehe oben), wird die Schnittstelle zwischen dem, was in dem zentralen
Senderteil sein soll, und dem, was in dem Kopfhörer sein soll, beim Plauen des
Systems ausgewählt.
Damit ein System vollständig
ist, ist es auch relevant, einen Sprachkanal einzuführen, d.h.
ein Mikrofon mit Verstärker
und Sender, in den die Umgebung und die selbst mit Kopfhörern ausgerüsteten Ärzte sprechen,
so dass die Sprache auf drahtlose Weise mit den Kopfhörern gekoppelt ist,
wodurch es möglich
wird, mit den Ärzten
zu kommunizieren oder wenigstens Notrufe abzusetzen, obwohl sie
durch die Kopfhörer
vollständig
von der Außenwelt
isoliert sind.
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Vollständiger Freihandbetrieb
ist nur möglich,
wenn das Wandlerteil allein auf der Haut des Patienten verbleiben
kann. Besonders aus neonatalen Abteilungen ist es bekannt, Gurte
zu verwenden, aber dies erzeugt nur eine Nähe, aber nicht notwendigerweise
einen sicheren und gleichmäßigen Kontakt
mit der Haut. In Verbindung mit der Erfindung stellte es sich als
vorteilhaft heraus, das Wandlerteil durch Unterdruck von einer kleinen
Vakuumpumpe festzuhaften, wodurch auch eine kalibrierte Ausdehnung
der Haut erhalten wird, so dass ein besser reproduzierbarer Kontakt
erhalten wird. Wahlweise kann es in Verbindung mit einem Beschleunigungswandler
ein besonderer Vorteil sein, einen doppelseitigen Klebestreifen
zu verwenden. Entsprechend kann ein getrenntes Wandlerteil so entworfen
werden, dass es unter einer Blutdruckmessmanschette gehalten wird.
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Eine
solche Verbesserung in der Reproduzierbarkeit ist eine Voraussetzung
dafür,
ein sinnvolles Ergebnis zu erhalten, wenn ein Geräusch gespeichert
wird, das während
einer Untersuchung bestimmt wurde, um es später mit einem entsprechenden
Geräusch
zu vergleichen. Dieses Geräusch kann
gemäß den Anforderungen
zyklisch wiederholt werden, so dass schwach wiedergegebene Merkmale
einfacher identifiziert werden können.
Im Hinblick auf A/B-Vergleiche kann eine Reihe solcher Geräusche elektronisch
gespeichert werden. Es ist durchaus denkbar, ein individuelles,
feststehendes Geräusch
eines Patienten auf einem Medium zu speichern, das der Akte beigefügt wird
und das bei einer späteren
Untersuchung erneut abgespielt werden kann, damit ein konkreter
Vergleich und damit eine genauere Bewertung einer Entwicklung durchgeführt werden
kann, obwohl vielleicht mehrere unabhängige Ärzte die Untersuchungen durchführen. Dieses Geräusch kann
gleichermaßen
im Stethoskop selbst gespeichert und durch Eingeben eines Kodes
abgerufen werden. Es wäre
besonders relevant, das ungefilterte Geräusch, das während des Vergleichs der gleichen
Filterung wie das direkte Geräusch
unterzogen wird, gemäß dem grundlegenden
Prinzip der Erfindung als direktes Geräusch im Stethoskop zu speichern.
Entsprechend kann es zweckdienlich sein, dass das Stethoskop einen
Speicher für
eine Anzahl von Standard geräuschen
enthält,
die für
die Identifikation und/oder Charakterisierung eines neuen Geräusches abgerufen
werden können.
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Für den Fall,
dass es wünschenswert
ist, den Übergang
von einem bestimmten Stethoskop zum elektronischen Stethoskop für den einzelnen
Arzt besonders unproblematisch zu gestalten, kann sein oder ihr
privates Stethoskop gemessen werden, um seine Übertragungsfunktion zu erhalten,
wonach eine ihr eng entsprechende Filterfunktion eingerichtet und
in dem elektronischen Stethoskop gespeichert wird. Ein allmähliches "Verlernen" der festen Gewohnheiten
kann erreicht werden, indem auch eine Reihe von entsprechenden Filterfunktionen
mit allmählich
weniger ausgeprägten
Resonanzen und Antiresonanzen gespeichert wird, die alle als allmählicher Übergang
zur linearen Verstärkung
gesehen werden. Indem ein Trainingsprogramm durchgeführt wird,
ist es möglich,
eine vollständige
Gewöhnung
an die alleinige Verwendung linearer Verstärkung zu erreichen.
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Die
Erfindung wird detaillierter mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben,
in der
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1 eine
typische Übertragungsfunktion eines
herkömmlichen
Stethoskops zeigt,
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2 ein
Blockdiagramm des grundlegenden Prinzips eines Stethoskops gemäß der Erfindung zeigt.
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In 1 ist
eine verallgemeinerte Übertragungsfunktion
für einen
weit verwendeten Stethoskoptyp gezeigt, d.h. ein Trichter mit zwei
Auslässen
und einzelnen Schläuchen
an jedes Ohr. Es wird deutlich werden, dass es ausgeprägte Resonanzen
und Antiresonanzen gibt, die abgesehen von einer Amplitudenverzerrung
auch eine Verzögerungsverzerrung entstehen
lassen, die die Bestimmung von Schwankungen schwierig macht.
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In 2 ist
ein Blockdiagramm für
ein elektronisches Stethoskop gemäß der Erfindung gezeigt. Ein
Vibrationswandler 1 wird zum Übertragen des Signals von der
Hautoberfläche
zur Vorrichtung verwendet. Es kann eine beliebige Art von Wandler
sein, wie z.B. ein Mikrofon oder ein Beschleunigungsmesser, d.h.
Empfindlichkeit auf Position, Geschwindigkeit oder Beschleunigung.
Ein Vorverstärker 2 führt Impedanzumwandlung
durch, und in dem Verstärker 3 findet
eine Preemphasis (Integration im Fall eines Beschleunigungsmessers)
statt. Es kann auch eine Preemphasis in Abhängigkeit von der Dicke von
Fett- und anderem Gewebe durchgeführt werden, das zwischen der
Schallquelle (z.B. dem Herz) und dem Wandler platziert ist. Die
Wahl des Wandlers erfolgt auf Basis von Überlegungen bezüglich Signal-Rausch-Verhältnis und
der gewünschten
Preemphasis (Vor-Anhebung). Die Einheit 4 enthält einen Analog-Digital-Wandler
(A/D-Wandler), ein digitales Filter und einen Digital-Analog-Wandler (D/A-Wandler),
damit ein gefiltertes Signal an den Ausgangsverstärker 6 gegeben
werden kann. Wie gezeigt, wird darüber hinaus ein direktes Signal
von dem Vorverstärker 3 zugeführt, damit
zwischen dem in 4 gefilterten Signal und dem ungefilterten Signal
ein A/B-Vergleich vorgenommen werden kann. Bevor ein solcher Vergleich
durchgeführt
wird, kann ein Lautstärkeausgleich
zwischen den beiden Kanälen
stattfinden, so dass das Ohr durch den Vergleich keine zu großen Anpassungsprobleme
hat. Von dem Ausgangsverstärker
wird das verstärkte
Signal an einen oder mehrere Kopfhörer gegeben, die nur als ein
Lautsprecher 7 gezeigt sind.
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Um
in der Lage zu sein, zwischen mehreren Übertragungsfunktionen für das Filter
schalten zu können,
entweder von unterschiedlichem Aussehen oder prinzipiell von der
gleichen Art, aber weniger ausgeprägt, sind im Speicher 5 Tabellen
der Filterkoeffizienten gespeichert, die benötigt werden, um die gewünschte Übertragungsfunktion
für das
digitale Filter zu erhalten. Eine solche Auswahl von Koeffizienten
gehört
zum allgemeinen Wissen des Fachmanns. Es ist offensichtlich, dass
andere Arten von digitalen Filtern ausgewählt werden können, bei
denen die bestimmenden Parameter auf andere Weise als durch das
Speichern von Koeffizienten gespeichert werden. Eine der erwähnten Übertragungsfunktionen
kann nicht als repräsentative Übertragungsfunktion
eines Stethoskoptyps erhalten werden, sondern als Ergebnis einer
konkreten Messung an einem individuell ausgewählten Stethoskop.
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Beispiel
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Ein
Littman-Classic-II-Stethoskop wurde mit zwei Verfahren gemessen.
Einerseits wurden die mechanischen Dimensionen gemessen, und die
elektroakustische Äquivalenzschaltung
wurde in der Situation entwickelt, in der das Stethoskop in Kontakt
mit der Haut war, als der Sender und die Ohrstücke im Ohrkanal eingeführt waren.
Andererseits wurde eine Einheit in einem akustischen Standardmessaufbau nach
Bruel & Kjær mit einem
Kipposzillator und einem Filter und einem Plotter gemessen. In 3 ist die
gemessen Übertragungsfunktion
gezeigt. Auf Basis einer Berechnung der Übertragungsfunktion durch das
elektroakustische Äquivalent
wurden die Filterkoeffizienten für
ein digitales Filter gemäß der Standardpraxis
für die
ersten Resonanzpeaks in der Übertragungsfunktion
berechnet. Diese Koeffizienten sind in Tabelle 1 wiedergegeben.
Die Koeffizienten werden in einer programmierbaren Speichereinrichtung
Typ27C512 (Pos. 5 in 2) gespeichert und werden in
einer digitalen Signalverarbeitungseinrichtung Typ ADSP2101 (Pos.
4 in 2) verwendet. Es wird davon ausgegangen, dass
die detaillierten Signalverbindungen zwischen den Einrichtungen
dem Fachmann bekannt sind. Hierdurch wird die in 4 wiedergegebene Übertragungsfunktion
erhalten. Auf den Frequenzachsen werden unterschiedliche Einheiten
verwendet, weil die digitale Signalverarbeitung bei einer Taktfrequenz
durchgeführt
wurde, die von der abwich, die bewirken würde, dass die beiden diskutierten Übertragungsfunktionen
sich auf identische Frequenzbereiche beziehen würden. In den Figuren wurde
dieser konstante Faktor berücksichtigt,
und Pfeile zeigen die Korrespondenz zwischen Resonanzen und Antiresonanzen
in der gemessenen Übertragungsfunktion
und der durch digitale Signalverarbeitung erhaltenen.
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In
einer vollständig
analogen Weise kann das digitale Filter erweitert werden, um die
Resonanzen und Antiresonanzen mit einer kleineren Amplitude zu umfassen,
wobei der Filtergrad größer ist.
Die Verwendung der elektroakustischen Äquivalenzschaltung als Basis
führt direkt
zu der Möglichkeit, dass
eine korrekte Pulsantwort erhalten werden kann, und eine akustische
Messung, die auch die Phasenfunktion umfasst, kann auf entsprechende Weise
verwendet werden.