Vorrichtung zur Messung der Funktion einer Lunge Device for measuring the function of a lung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.The invention relates to a device according to the preamble of claim 1.
Bei schweren Erkrankungen, bei Auftreten von akuten oder chronischen Atembeschwerden, insbesondere in Fällen von Lungenversagen, nach Unfällen oder nach operativen Eingriffen ist für einen Teil der Patienten eine weitere künstliche Beatmung auf einer Intensivstation notwendig. Die Zeiträume, in denen die Patienten auf künstlichen Beatmung angewiesen sind, können sich über Tage bis Wochen erstrecken.In the case of serious illnesses, acute or chronic breathing difficulties, especially in cases of lung failure, after accidents or after surgery, further artificial ventilation in an intensive care unit is necessary for some of the patients. The periods in which patients rely on artificial ventilation can extend from days to weeks.
Dabei kann es als Lungenkomplikation z. B. zu einer sogenannten Atelektase kommen. Darunter versteht man einen nicht mit Luft gefüllten Lungenabschnitt, verursacht meist durch einen lokalen Kollaps der Lunge. Die Lungenbläschen sind hier zusammengefallen bzw. mit Flüssigkeit gefüllt. Der betroffene Bereich der Lunge nimmt nicht mehr am Gasaustausch in der Lunge, der Atmung, teil. Zusätzlich zu der so verminderten und veränderten Lungenfunktion besteht bei einer lokalen Atelektase weiterhin ein deutlich erhöhtes Risiko für eine Pneumo- nie (Lungenentzündung). Eine Pneumonie stellt eine erhebliche Lebensbedrohung für einen geschwächten Patienten dar. Aus diesen und weiteren Gründen ist eine richtige und individuelle Anpassung der Beatmungsparameter wie Druck, Volumen, etc. zur Vermeidung solcher minderb elüfteter Lungenbereiche wichtig. Die Druck- bzw. Volumenbelastung der beatmeten Lunge darf dabei weder zu niedrig noch zu hoch eingestellt werden. Denn auch eine zu starke Beatmung schädigt erheblich die Lunge und den Kreislauf des Beatmungspatienten.
Eine Atelektase zeichnet sich im Röntgenbild durch eine Abschattung des betroffenen Lungensegmentes aus, weil die materielle Zusammensetzung der Atelektase anders, nämlich dichter, als die intakter Lungenbereiche ist. In Abb. la und Abb. lb sind frontale Röntgenaufnahmen einer intakten Lunge (Abb. la) und einer Lunge mit einer Atelektase im rechten unteren Lungenflügel (Abb. lb) gegenübergestellt. Zumeist ist bei postoperativen Beatmungspatienten einseitig ein unterer Lungenabschnitt (etwas seltener ein mittlerer Abschnitt) komplett betroffen.It can be a lung complication such. B. come to a so-called atelectasis. This is a section of the lung that is not filled with air, usually caused by a local collapse of the lungs. The alveoli here have collapsed or are filled with fluid. The affected area of the lungs no longer participates in gas exchange in the lungs, respiration. In addition to the reduced and changed lung function, there is still a significantly increased risk of pneumonia (pneumonia) with local atelectasis. Pneumonia is a significant life threatening for a weakened patient. For these and other reasons, correct and individual adaptation of the ventilation parameters such as pressure, volume, etc. is important to avoid such less ventilated lung areas. The pressure or volume load on the ventilated lungs must not be set too low or too high. Excessive ventilation also significantly damages the lungs and the circulation of the ventilation patient. An atelectasis is characterized in the X-ray image by shadowing the affected lung segment because the material composition of the atelectasis is different, namely denser than that of the intact lung areas. In Fig. La and Fig. Lb, frontal X-rays of an intact lung (Fig. La) and a lung with an atelectasis in the lower right lung (Fig. Lb) are compared. Most of the time, postoperative respiratory patients are unilaterally affected by a lower section of the lung (somewhat less often a middle section).
Deshalb werden in vielen Kliniken bei entsprechenden Risikopatienten, die an der künstlichen Beatmung angeschlossen sind, täglich Röntgenaufnahmen des Thorax gemacht. Die Röntgenaufnahmen haben neben der Strahlenbelastung für den Patienten auch den Nachteil, dass sie mit hohem apparativen und personellen Aufwand (mobiles Röntgengerät, Entwicklung der Filme) verbunden sind. Zudem kann mit dieser Methode bei ungünstigen Konstellationen eine lokale Lungenkomplikation 24 oder mehr Stunden unentdeckt bleiben und dabei schon zu weiteren Folgekomplikationen fuhren.For this reason, chest radiographs are taken daily in many clinics with appropriate high-risk patients who are connected to artificial ventilation. In addition to the radiation exposure for the patient, the x-ray images also have the disadvantage that they are associated with a high outlay in terms of apparatus and personnel (mobile x-ray device, development of the films). In addition, with unfavorable constellations, this method can leave a local lung complication undetected for 24 or more hours, which can lead to further complications.
Wünschenswert wäre also eine Vorrichtung, die zuverlässige, kontinuierliche, ortsauflösende und automatisierbare Messungen der Lungenventilation ermöglicht, die apparativ mit geringen Mitteln realisierbar ist, und den Patienten geringst möglich beeinträchtigt. Ansätze für eine solche Vorrichtung sind im Stand der Technik zwar zu finden, aber keine der Lösungsansätze hat sich in der Praxis besonders ausgezeichnet.It would therefore be desirable to have a device which enables reliable, continuous, spatially resolving and automatable measurements of lung ventilation, which can be implemented with little equipment, and which impairs the patient as little as possible. Approaches for such a device can be found in the prior art, but none of the approaches has particularly distinguished itself in practice.
Es ist z.B. die sogenannte Impedanztomografie bekannt. Bei dieser Technik, die beispielsweise im Artikel Hahn G, Sipinkova I, Baisch F, et al. "Changes in tho- racic impedance distribution under different ventilatory conditions. ", Physiol.
Meas. 1995, 16, A161-A173 beschrieben ist, werden auf den Körper des Patienten mehrere Elektroden aufgebracht. Über diese Elektroden wird eine Folge von Strommustern eingespeist. So wird beispielsweise über eine Elektrode ein Strom in den Körper hinein-, über eine andere Elektrode aus dem Körper wieder herausgeführt. Alle anderen Elektroden werden als Messelektroden verwendet, und die daran anliegende Spannung gemessen. Positiv an der Impedanztomographie ist, dass die verwendeten Ströme für den Patienten weitgehend unbedenklich sind. Weiterhin positiv ist, dass die Meßmethode über einen längeren Zeitraum ausführbar ist und eine Ortsauflösung erlaubt. Es können quasi kontinuierlich Querschnittsbilder der Lunge erzeugt werden. Nachteilig an dieser Methode ist allerdings die geringe Stabilität gegen Störungen und der große rechnerische Aufwand, aus den Messergebnissen auf physiologische Parameter zu schließen, z.B. die Lungendichte. Einer der Gründe dafür ist, dass die Ströme ungerichtet im Körper fließen. Ein weiterer Grund ist die geringe Dynamik des Nutzsignals, d.h. der geringe Signalkontrast beispielsweise zwischen dem Inspirations- und dem Expirationszustand der Lunge. Ein weiterer Grund ist die Schwierigkeit, die ablaufenden Prozesse adäquat mathematisch zu beschreiben. Die rechnerische Auswertung ist wenig stabil und führt nur unter der Einbeziehung von bestimmten Vorerwartungen zu einem Ergebnis. Weiterhin hat die Impedanztomografie als typischerweise 2-dimensionales Meßverfahren eine erhebliche Unscharfe in Richtung der Körperlängsachse. Die Rekonstruktion von Lungeneigenschaften in Richtung der Körperlängsachse ist nur mit einem erheblichen Mehraufwand möglich. Zudem wird mit Hilfe der Impedanztomografie, die den spezifischen elektrischen Widerstand mißt, nur indirekt auf den Luftgehalt des Gewebes geschlossen, und von hier aus wiederum nur indirekt auf die alveolare Ventilation. Weiterhin ist das Anbringen von vielen und qualitativ hochwertigen elektrischen Kontakten rund um den Thorax eines Intensivpatienten mit einem erheblichen Aufwand bezüglich elektrische Sicherheit und Qualität der Messtechnik verbunden. Bisher ist die Impedanztomographie als relativ störanfälliges und sehr sorg-
fältig durchzuführendes Verfahren noch nicht praxistauglich, insbesondere nicht im schnellen und zeitkritischen Umfeld einer Intensivstation.For example, so-called impedance tomography is known. In this technique, which is described, for example, in Hahn G, Sipinkova I, Baisch F, et al. "Changes in thoracic impedance distribution under different ventilatory conditions.", Physiol. Meas. 1995, 16, A161-A173, several electrodes are applied to the patient's body. A sequence of current patterns is fed in via these electrodes. For example, a current is fed into the body via one electrode and out of the body via another electrode. All other electrodes are used as measuring electrodes and the voltage applied to them is measured. The positive thing about impedance tomography is that the currents used are largely harmless for the patient. It is also positive that the measurement method can be carried out over a longer period of time and allows a spatial resolution. Cross-sectional images of the lungs can be generated almost continuously. Disadvantages of this method, however, are the low stability against disturbances and the great computational effort to infer physiological parameters from the measurement results, for example the lung density. One of the reasons for this is that the currents flow undirected in the body. Another reason is the low dynamics of the useful signal, ie the low signal contrast, for example, between the inspiratory and the expiratory state of the lungs. Another reason is the difficulty in adequately describing the running processes mathematically. The mathematical evaluation is not very stable and only leads to a result if certain previous expectations are included. Furthermore, as typically 2-dimensional measuring method, impedance tomography has a considerable blurring in the direction of the longitudinal axis of the body. The reconstruction of lung properties in the direction of the longitudinal axis of the body is only possible with considerable additional effort. In addition, with the help of impedance tomography, which measures the specific electrical resistance, only an indirect conclusion is drawn about the air content of the tissue, and from here again only an indirect conclusion about the alveolar ventilation. Furthermore, the attachment of many high-quality electrical contacts around the chest of an intensive care patient involves considerable effort in terms of electrical safety and quality of the measurement technology. So far, impedance tomography has been a relatively prone to failure and very process that is to be carried out is not yet practical, especially not in the fast and time-critical environment of an intensive care unit.
Weitere bekannte Vorrichtungen zur Messung der Lungenfunktion sind die Computertomographen auf Röntgenbasis und die Magnetresonanztomographen, die allerdings beide technisch sehr aufwendig und teuer im Betrieb sind. Weiterhin muß bei beiden nicht-mobilen Vorrichtungen der Patient Belastungen durch Transport etc. ertragen. Eine Dauerüberwachung bzw. kontinuierliche Messung über die Atemzyklen oder zumindest eine regelmäßige Messung ist mit diesen Vorrichtungen nicht praktikabel. Auch hier wird nur die allgemeine Dichte bzw. die mittlere Lufterfüllung des Lungengewebes bestimmt. Die genannten Computertomographen reagieren nicht spezifisch auf die Alveolen.Other known devices for measuring the lung function are the X-ray based computed tomographs and the magnetic resonance tomographs, both of which, however, are technically very complex and expensive to operate. Furthermore, with both non-mobile devices, the patient has to endure loads caused by transport, etc. A permanent monitoring or continuous measurement over the breathing cycles or at least a regular measurement is not practical with these devices. Here, too, only the general density or the mean air filling of the lung tissue is determined. The computer tomographs mentioned do not react specifically to the alveoli.
Nach einer althergebrachten Methode wird mit manueller Perkussion die Lunge überprüft. Das Verfahren basiert auf einem Abklopfen des Thorax durch einen Arzt. Aus den auf mehr oder weniger "dumpfen" bzw. "gedämpften" Klopfgeräuschen (Frequenzen unterhalb 1 kHz) wird dann auf den Lungenzustand geschlossen. Diese Methode ist sehr von der Erfahrung des durchführenden Arztes abhängig. Perkussion ist deshalb eine subjektive manuelle Methode, nicht genau reproduzierbar und insbesondere nicht als kontinuierlich-ortsauflösende Dauerüberwachung geeignet. Der Klang bei der Perkussion ändert sich etwas mit dem mittleren Luftgehalt des Lungengewebes, wobei aber insbesondere nicht direkt, sondern nur anhand von weiteren Vorkenntnissen und Annahmen des Arztes auf die Struktur (Lungenbläschen, Bronchien, Emphysem, Pneumothorax...) des Lungengewebes zu schließen ist.According to a traditional method, the lungs are checked with manual percussion. The procedure is based on a thorax tapping by a doctor. The lung condition is then deduced from the knocking noises (frequencies below 1 kHz) that are more or less "dull" or "damped". This method is very dependent on the experience of the performing doctor. Percussion is therefore a subjective manual method, not exactly reproducible and in particular not suitable as a continuous, spatially resolving continuous monitoring. The sound of the percussion changes somewhat with the mean air content of the lung tissue, although in particular not directly, but only on the basis of further previous knowledge and assumptions of the doctor to infer the structure (pulmonary alveoli, bronchi, emphysema, pneumothorax ...) of the lung tissue is.
Eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Lungenfunktion ist aus Technisches Messen 69 (2002) 4, Seite 194 ff "Akustische Diagnostik der Lunge " bekannt. Das Verfahren stellt eine objektiv-technische Umsetzung der manuellen
Perkussion dar. Es wird dort akustischer Hörschall im Frequenzbereich von unter 100 Hz bis 1 kHz über einen auf dem Brustkorb angebrachten Schallsender in den Körper eingestrahlt. Das Schallsignal wird dann von einem auf der gegenüberliegenden Körperseite angeordneten Schallempfänger aufgenommen. Die Methode ist technisch einfach und grundsätzlich geeignet für eine regelmäßge oder dauerhafte Funktionsprüfung der Lunge. Der Schall in diesem Verfahren breitet sich aufgrund der technischen Ausführung - wie auch bei der Perkussion - mit niedriger Geschwindigkeit 30 - 300 m/s im Lungengewebe aus. Dabei ist das Verfahren so konzipiert, dass die Schallfortleitung in der Lunge bevorzugt durch die luftgefüllten Lungenbereiche (Bronchiolen, Bronchien, ...) erfolgt. Insbesondere das Verschließen eines solchen röhrenartigen Schallkanals hat eine hohe Signaländerung zur Folge. Insgesamt reagiert das Verfahren auf eine Veränderung des allgemeinen Luftgehaltes der Lunge, ist aber nicht spezifisch oder selektiv bezüglich der alveolaren Ventilation bzw. der Befüllung und Entleerung der Lungenbläschen. Bedingt durch die Messmethodik ist das örtliche Auflösungsvermögen sehr begrenzt, weil nur relativ niedrige Frequenzen zur Anwendung kommen. Es sind tatsächlich und praktisch nur Frequenzen unterhalb von etwa 1 kHz verwendbar. Oberhalb von etwa 1 kHz ergeben sich nämlich nach dieser Methode so starke Schallabdämpfungen im Lungengewebe, dass eine sinnvolle Signalauswertung nicht mehr möglich ist. Weiterhin ergeben sich erhebliche Probleme mit der Schalleinkopplung. Die Sender und Empfänger nach diesem Verfahren sind für niedrige Frequenzen (typisch einige hundert Hz) konzipiert und in der Bauform entsprechend voluminös und sperrig. Zudem muss in dieser Methode darauf geachtet werden, dass der Schall zwischen den Rippen eingeleitet bzw. entnommen wird, weil die Rippen eine mechanische Versteifung und somit ein Schallhindernis darstellen.A generic device for measuring lung function is known from Technischen Messen 69 (2002) 4, page 194 ff "Acoustic Diagnostics of the Lung". The procedure represents an objective-technical implementation of the manual Percussion. Acoustic audible sound in the frequency range from below 100 Hz to 1 kHz is radiated into the body via a sound transmitter attached to the chest. The sound signal is then picked up by a sound receiver arranged on the opposite side of the body. The method is technically simple and basically suitable for a regular or permanent functional test of the lungs. Due to the technical design - as with percussion - the sound in this process spreads at a low speed of 30 - 300 m / s in the lung tissue. The method is designed in such a way that sound transmission in the lungs is preferably carried out through the air-filled lung areas (bronchioles, bronchi, ...). In particular, the closing of such a tubular sound channel results in a high signal change. Overall, the method reacts to a change in the general air content of the lungs, but is not specific or selective with regard to alveolar ventilation or the filling and emptying of the alveoli. Due to the measurement methodology, the local resolution is very limited because only relatively low frequencies are used. In fact, practically only frequencies below about 1 kHz can be used. Above about 1 kHz, this method results in such strong sound attenuation in the lung tissue that meaningful signal evaluation is no longer possible. There are also considerable problems with sound coupling. The transmitters and receivers using this method are designed for low frequencies (typically a few hundred Hz) and are correspondingly voluminous and bulky in design. In addition, in this method, care must be taken to ensure that the sound is introduced or removed between the ribs, because the ribs represent mechanical stiffening and thus an obstacle to sound.
Aus der US 6,443,907 ist ein nicht gattungsgemäßes Diagnoseverfahren bekannt, bei dem über den Atemweg hörbarer Schall in die Lunge eingestrahlt wird. Auch
hier breitet sich aufgrund der charakteristischen Ausführungsmerkmale der Schall mit niedriger Geschwindigkeit (typisch kleiner 300 m/s) im Lungengewebe und bevorzugt in den Luftröhren aus. Ein auf dem Brustkorb angeordneter Schallempfänger erfasst ein transmittiertes Schallsignal. Es wird dabei mit Schall mit Frequenzen bis maximal 2 kHz gearbeitet. Dabei ist gleichfalls nach dieser Methode bevorzugt und praktisch verwendbar nur der untere Frequenzbereich um einige hundert Hz. Wiederum ergeben sich für Frequenzen ab etwa 1 kHz so starke Abdämpfungen im Lungengewebe, dass eine brauchbare Signalauswertung nicht mehr gut möglich ist. Dem Patienten muß eine Schall-Zuleitung über die Atemwege verlegt werden, was eine störende Belastung darstellt. Auch bei dieser Vorrichtung fehlt eine Selektivität bezüglich der alveolaren Ventilation.US Pat. No. 6,443,907 discloses a diagnostic method of a non-generic type in which sound audible via the airway is radiated into the lungs. Also Here, due to the characteristic design features, the sound propagates at low speed (typically less than 300 m / s) in the lung tissue and preferably in the trachea. A sound receiver arranged on the chest records a transmitted sound signal. It works with sound with frequencies up to a maximum of 2 kHz. Likewise, only the lower frequency range around a few hundred Hz is preferred and practically usable according to this method. Again, attenuations in the lung tissue are so strong for frequencies from approximately 1 kHz that useful signal evaluation is no longer possible. A sound supply line must be routed to the patient via the respiratory tract, which is a disturbing burden. This device also lacks selectivity with regard to alveolar ventilation.
Auf der anderen Seite können mit gängigen Ultraschallsonografiegeräten (siehe z. B. "Der Radiologe", Springer-Verlag Heidelberg , Heft Band 38, Nummer 5, Mai 1998, Seiten: 364 — 369, 'Diagnostik pulmonaler Erkrankungen mit transthorakaler Sonographie") sehr aussagekräftige lokale Informationen zur Lunge gewonnen werden. Dabei wird ein etwa 1 cm2 großer Ultraschallsonogra- fiekopf unter Verwendung von Ultraschall-Gel auf eine Zwischenrippenposition aufgesetzt und ausgerichtet. Das Echo-Schallfeld bzw. Echo-Sichtfeld reicht bis zu wenige cm in die Lunge hinein und erlaubt an dieser Position sehr gute ergänzende Diagnosen zu Lungenerkrankungen. Sonografiegeräte arbeiten mit Ultraschall-Frequenzen von typischerweise größer 1 ?MHz. Bei diesen Frequenzen zeigt das Lungengewebe ein starkes Reflexions- bzw. Streuvermögen, die Dämpfung des Lungengewebes ist dabei unabhängig von der Ventilation nahezu konstant. Mit dieser Methodik ist nur ein sehr lokaler und oberflächlicher Teil der Lunge sichtbar, und dies nur bei sorgfältiger Positionierung und Ausrichtung des Schallkopfes zwischen den stark absorbierenden Rippen.
Schließlich ist aus der US 5,485,841 ein nicht-bildgebendes Diagnoseverfahren bekannt, das ebenfalls bei Frequenzen oberhalb 1 MHz arbeitet. Hier wird ebenfalls die stark streuende bzw. rückstreuende Eigenschaft des Lungengewebes ausgenutzt. Das Ultraschallsignal hat ebenfalls eine begrenzte Eindringtiefe in die Lunge. Dabei werden spektrale Veränderungen im Rückstreusignal bzw. Reflexionssignal von 1 — 10 MHz gemessen, die sich ergeben, je nachdem ob der Patient mehr oder weniger eingeatmet hat. Die spektralen Veränderungen sind allerdings nicht sehr stark, sie hängen hingegen sehr stark von der Positionierung und Ausrichtung des Senders ab, der unbedingt in den Rippenzwischenräumen anzuordnen ist.On the other hand, with common ultrasound ultrasound devices (see, for example, "Der Radiologe", Springer-Verlag Heidelberg, Issue Volume 38, Number 5, May 1998, pages: 364-369, 'Diagnostics of Pulmonary Diseases with Transthoracic Sonography') meaningful local information about the lungs can be obtained by placing and aligning an approximately 1 cm 2 ultrasound sonography head with the use of ultrasound gel on an intermediate rib position, with the echo sound field or echo field of view reaching up to a few cm into the lungs and allows very good additional diagnoses to lung diseases at this position. Sonography devices work with ultrasound frequencies of typically greater than 1? MHz. At these frequencies, the lung tissue shows a strong reflectivity or scattering power, the attenuation of the lung tissue is almost independent of ventilation with this methodology is only a very local and superficial part visible in the lungs, and only with careful positioning and alignment of the transducer between the highly absorbent ribs. Finally, from US 5,485,841 a non-imaging diagnostic method is known, which also works at frequencies above 1 MHz. The strongly scattering or backscattering property of the lung tissue is also exploited here. The ultrasound signal also has a limited depth of penetration into the lungs. Spectral changes in the backscatter signal or reflection signal of 1-10 MHz are measured, which result depending on whether the patient has inhaled more or less. The spectral changes are not very strong, however, they depend very much on the positioning and orientation of the transmitter, which must be arranged in the spaces between the ribs.
Bei den beiden letztgenannten Verfahren werden hohe Frequenzen größer 1 ?MHz verwendet, so daß hohe Schallgeschwindigkeiten größer 300 m s in der Lunge gemessen werden. Das starke Streu- bzw. Reflexionsvermögen (nicht die unmittelbare Absorption) der blasigen Lungenstruktur sind der begrenzende Faktor bezüglich der Eindringtiefe der Ultraschallstrahlung in das Lungengewebe. Die Lunge verhält sich demnach bei diesen hohen Schallfrequenzen eher reaktiv (streuend) denn resistiv (absorbierend). Die Dämpfung (resistive Eigenschaft) hängt bei den Frequenzen oberhalb 1 MHz nur schwach von der Ventilation ab.In the latter two methods, high frequencies greater than 1 MHz are used, so that high sound velocities greater than 300 ms are measured in the lungs. The strong scatter or reflectivity (not the direct absorption) of the blistered lung structure is the limiting factor with regard to the depth of penetration of the ultrasound radiation into the lung tissue. At these high sound frequencies, the lungs are more reactive (scattering) than resistive (absorbing). The damping (resistive property) depends only weakly on the ventilation at frequencies above 1 MHz.
Andererseits verhält sich das Lungengewebe bei niedrigen akustischen Frequenzen, z. B. bei 1 kHz, sehr resistiv (stark absorbierend, nicht streuend oder reflektierend) bei insgesamt niedriger Schallgeschwindigkeit von nur 30 - 300 m/s.On the other hand, the lung tissue behaves at low acoustic frequencies, e.g. B. at 1 kHz, very resistive (highly absorbent, non-scattering or reflective) with a low overall sound speed of only 30 - 300 m / s.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine kontinuierliche und ortsauflösende Messung der Lungenfunk- tion ermöglicht, einen geringen apparativen und personellen Aufwand im Betrieb z. B. auf der Intensivstation erfordert und den Patienten möglichst wenig beein-
trächtigt. Bevorzugt soll die Vorrichtung auch die Messung der alveolaren Ventilation erlauben.It is the object of the present invention to provide a device which enables a continuous and spatially resolving measurement of the pulmonary function, a low outlay in terms of apparatus and personnel in operation, e.g. B. requires in the intensive care unit and affects the patient as little as possible. adversely. The device should preferably also allow the measurement of the alveolar ventilation.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung nach dem Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a device according to claim 1. Further advantageous refinements of the invention are specified in the subclaims.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet mit Ultraschallschallsignalen im niederfrequenten Ultraschallbereich zwischen 5 und 1000 kHz, insbesondere mit Frequenzen zwischen 10 und 1000 kHz. Für die Messung wird ein Ultraschallsender, der Ultraschall in den Körper abstrahlt, auf dem Körper des Patienten angeordnet, bevorzugt auf dem Thorax oder auf dem Rücken. Ein Ultraschallempfanger, der ebenfalls auf dem Körper, z.B. auf dem Brustkorb, angeordnet ist, empfängt das Ultraschallsignal nach Durchlauf durch den Körper und durch einen Bereich der Lunge. Das empfangene Signal beinhaltet die gewünschten Informationen über die Lunge, da der Ultraschall auf seinem Weg durch den Körper mit der Lunge wechselwirkt, z.B. indem er im Lungengewebe gedämpft, reflektiert, verlangsamt, beschleunigt oder absorbiert wird.The device according to the invention works with ultrasonic sound signals in the low-frequency ultrasonic range between 5 and 1000 kHz, in particular with frequencies between 10 and 1000 kHz. For the measurement, an ultrasound transmitter, which emits ultrasound into the body, is arranged on the patient's body, preferably on the thorax or on the back. An ultrasound receiver, which is also on the body, e.g. arranged on the chest, receives the ultrasound signal after passing through the body and through an area of the lungs. The received signal contains the desired information about the lungs, since the ultrasound interacts with the lungs on its way through the body, e.g. by being dampened, reflected, slowed down, accelerated or absorbed in the lung tissue.
Es wurde nun festgestellt, dass in dem erfindungsgemäßen Frequenzbereich intakte Lungenbereiche und geschädigte Lungenbereiche sehr unterschiedlich mit dem Ultraschall wechselwirken. Es zeigt sich z.B., dass dem empfangenen Ultraschallsignal bei geeigneten Frequenzen der Rhythmus der Atmung aufgeprägt ist. Das empfangene Schallsignal ist bei diesen Frequenzen charakteristisch moduliert durch die Ventilation der Lunge. Lungenbereiche allerdings, die nicht an der Atmung teilnehmen, bewirken keine oder nur eine geringe Modulation. Aufgrund des unterschiedlichen Verhaltens, z.B. des unterschiedlichen Modulationsverhaltens, der unterschiedlichen Dämpfung oder Phasenverschiebung, eines unterschiedlichen Laufzeitverhaltens (die Schallgeschwindigkeit erhöht sich bei kolla-
biertem Lungegewebe signifikant), gelingt eine Unterscheidung zwischen intakten und geschädigten Lungenbereichen.It has now been found that in the frequency range according to the invention intact lung areas and damaged lung areas interact very differently with the ultrasound. It can be seen, for example, that the rhythm of breathing is impressed on the received ultrasound signal at suitable frequencies. At these frequencies, the sound signal received is characteristically modulated by ventilation of the lungs. However, areas of the lungs that do not participate in breathing cause little or no modulation. Due to the different behavior, e.g. the different modulation behavior, the different damping or phase shift, a different transit time behavior (the speed of sound increases with colla- lung tissue significantly), a distinction is made between intact and damaged lung areas.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung beinhaltet weiterhin eine Auswerte- und Steuereinrichtung, die vom Ultraschallempfanger ein elektrisches Signal erhält. Sie wertet z.B. die Signalintensitäten, Laufzeiten, Phasenverschiebungen oder dergleichen aus. Die gewünschte Information kann z.B. aus den absoluten Signalintensitäten oder dem Spektralverlauf extrahiert werden, sowie deren relativer Verschiebung im Rhythmus der Atmung.The device according to the invention also includes an evaluation and control device which receives an electrical signal from the ultrasound receiver. It evaluates e.g. the signal intensities, transit times, phase shifts or the like. The desired information can e.g. are extracted from the absolute signal intensities or the spectral curve, as well as their relative shift in the rhythm of breathing.
Für eine zuverlässige Messung der Lungenfunktion sollte über mehrere Atemzyklen gemessen werden. Eine Dauerüberwachung ist möglich, allerdings kann die Messung auch in geeigneten zeitlichen Abständen, z.B. stündlich, ausgeführt werden, z.B. jeweils für eine Dauer von wenigen Atemzyklen.For a reliable measurement of lung function, measurements should be taken over several breathing cycles. Continuous monitoring is possible, but the measurement can also be carried out at suitable time intervals, e.g. hourly, e.g. each for a period of a few breathing cycles.
Die festgestellte hervorragende Eignung von Ultraschall mit einer erfindungsgemäßen Frequenz für die Messung der Funktion der Lunge läßt sich erklären, wenn man davon ausgeht, daß gerade bei diesen Frequenzen eine besonders hohe, nahezu spezifische Wechselwirkung mit den Lungenbläschen erfolgt. Es handelt sich bei den verwendeten niedrigen Ultraschallfrequenzen, z. B. bei 10 kHz, vermutlich um Frequenzen, die gerade oberhalb der sehr starken Dispersion des Lungengewebes von niedriger Schallgeschwindigkeit (z. B. 30 m/s bei 1 kHz) zu hoher Schallgeschwindigkeit (z. B. mehr als 350 m/s bei 10 kHz) liegen. Experimentell kann festgestellt werden, dass typischerweise nur unterhalb von etwa 1 kHz und oberhalb von 5 bis 10 kHz bis hin zu MHz eine substantielle Schallfortleitung im Lungengewebe gelingt. Der geometrische Mittelwert dieser beiden Grenzfrequenzen liegt bei etwa 3,5 kHz. Etwa hier wäre ein Maximum der Dispersion und auch Dämpfung aufgrund von Resonanz oder Relaxation bei praktisch verschwindender Schallfortleitung zu erwarten.
Die Lungenbläschen sind in etwa 1 mm großen Trauben organisiert, die als akustisch einheitliche Luftblasen in einem wässrigen Gewebe aufgefaßt werden können. Nach der Minneart 'sehen Formel haben Luftblasen in Wasser spezifische Resonanzfrequenzen, bei denen sich der Wechselwirkungsquerschnitt mit Schall sehr stark erhöht (sehr starke Absorption oder Streuung). Für Blasen mit einem Durchmesser von 1 mm bei 100 kPa Druck im Wasser ergibt sich rechnerisch eine Frequenz maximaler Absorption oder Streuung von etwa 3,5 kHz. Die sehr hohe Dispersion des Lungengewebes zwischen 1 und 10 kHz kann daher als spezifischer Effekt der zahlreichen Lungenbläschen verstanden werden.The outstanding suitability of ultrasound with a frequency according to the invention for measuring the function of the lungs can be explained if it is assumed that a particularly high, almost specific interaction with the alveoli occurs at these frequencies. It is the low ultrasonic frequencies used, for. B. at 10 kHz, presumably around frequencies that just above the very strong dispersion of the lung tissue from low speed of sound (z. B. 30 m / s at 1 kHz) to high speed of sound (z. B. more than 350 m / s 10 kHz). It can be determined experimentally that typically only around 1 kHz and above 5 to 10 kHz up to MHz can substantial sound transmission in the lung tissue be achieved. The geometric mean of these two cutoff frequencies is around 3.5 kHz. Around here, a maximum of dispersion and also damping due to resonance or relaxation with practically disappearing sound propagation would be expected. The pulmonary alveoli are organized in grapes about 1 mm in size, which can be understood as acoustically uniform air bubbles in an aqueous tissue. According to the Minneart ' see formula, air bubbles in water have specific resonance frequencies at which the cross-section of interaction with sound increases very strongly (very strong absorption or scattering). For bubbles with a diameter of 1 mm at 100 kPa pressure in water, the calculated maximum frequency of absorption or scattering is about 3.5 kHz. The very high dispersion of the lung tissue between 1 and 10 kHz can therefore be understood as a specific effect of the numerous pulmonary alveoli.
Die erfindungsgemäß gewählte und in der Lunge ausbreitungsfähige Arbeitsfre- quenz im niedrigen Ultraschallbereich ab typischerweise 5-10 kHz liegt gerade oberhalb der starken Dispersion, und ist deshalb sehr wirksam. Bei diesen niedrigen Ultraschallfrequenzen ist nämlich auch noch der resistive Anteil der Streuung präsent, d.h. die mit der Ventilation variable Schallabdämpfung, und nicht nur der bei MHz-Frequenzen bekannte starke reaktive Anteil. Deshalb lassen sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sehr gut und sehr dynamisch auch ventilationsabhängige Dämpfungen (Schallabsorptionen) im Lungengewebe messen, und nicht nur die bekannten Ultraschalleffekte Reflexion und Streuung.The working frequency selected in accordance with the invention and capable of spreading in the lungs in the low ultrasound range from typically 5-10 kHz is just above the strong dispersion and is therefore very effective. At these low ultrasonic frequencies, the resistive part of the scatter is still present, i.e. the sound absorption variable with ventilation, and not just the strong reactive component known at MHz frequencies. Therefore, with the device according to the invention, ventilation-dependent attenuations (sound absorption) in the lung tissue can also be measured very well and very dynamically, and not only the known ultrasound effects of reflection and scattering.
Es ergeben sich darüber hinausgehende methodische Vorteile. Bei den erfindungsgemäßen Frequenzen ist die Vorrichtung relativ unempfindlich gegenüber den Rippen. Das Empfangssignal des Empfängers wird - anders als nach dem bisherigen Stand der Technik - nicht wesentlich durch Rippen behindert oder gestört. Weiterhin ist die Verwendung kleinerer Sender und Empfänger möglich. Das erlaubt kompakte, weiche und flache Sender- Εmpfangssysteme, die dem Einsatz im intensivmedizinischen Umfeld besonders gut genügen können.
Schließlich kann bei den niedrigen Ultraschallfrequenzen auf den Einsatz von Ultraschall-Gel verzichtet werden.There are also methodological advantages. At the frequencies according to the invention, the device is relatively insensitive to the ribs. The received signal of the receiver - unlike in the prior art - is not significantly impeded or disturbed by ribs. Smaller transmitters and receivers can also be used. This enables compact, soft and flat transmitter reception systems that can be used particularly well in intensive care settings. Finally, the use of ultrasound gel can be dispensed with at the low ultrasound frequencies.
Da in der Lunge unterhalb der Abmessungen der Lungenbläschen keine wesentlichen weiteren akustischen Inhomogenitäten mehr auftreten, ist auch oberhalb von wenigen 10 kHz keine erhebliche akustische Dispersion mehr zu erwarten und zu beobachten. Es ergibt sich durch das Dispersionsmaximum um 3, 5 kHz eine untere Grenze von 5 bis 10 kHz. Wenn man noch näher mit den Ultraschallfrequenzen an das Dispersionsmaximum herangehen will, sind verstärkt geeignete technische Maßnahmen zu treffen, mit den dann schwächeren Signalintensitäten zuverlässige Messungen zu erhalten. Solche Maßnahmen stehen aber im Stand der Technik zur Verfügung. Bis hinauf zu 1 MHz zeigt sich keine signifikante Diskontinuität, die Schallgeschwindigkeit steigt langsam zu noch höheren Werten an. Der erfindungsgemäße Ultraschall unterscheidet sich in seinen physikalischen Eigenschaften - beispielsweise hohe Schallgeschwindigkeit - und in seiner spezifischen Wechselwirkung mit der Lunge grundlegend von den akustischen Schallphänomenen bei noch tieferen Frequenzen - hier beispielsweise signifikant niedrigere Schallgeschwindigkeit - nach dem oben diskutierten Stand der Technik.Since there are no further significant acoustic inhomogeneities in the lungs below the dimensions of the alveoli, significant acoustic dispersion can no longer be expected and observed even above a few 10 kHz. The dispersion maximum around 3.5 kHz results in a lower limit of 5 to 10 kHz. If you want to get even closer to the dispersion maximum with the ultrasound frequencies, suitable technical measures have to be taken to obtain reliable measurements with the weaker signal intensities. Such measures are available in the prior art. There is no significant discontinuity up to 1 MHz, the speed of sound slowly increases to even higher values. The ultrasound according to the invention differs fundamentally in its physical properties - for example high speed of sound - and in its specific interaction with the lungs from the acoustic sound phenomena at even lower frequencies - here, for example, significantly lower speed of sound - according to the prior art discussed above.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann z.B. in Reflexion gemessen werden. Es kann insbesondere auch ein einziger Ultraschallwandler gleichzeitig als Ultraschallsender und -empfänger verwendet werden, z.B. intermittierend.In the device according to the invention, e.g. can be measured in reflection. In particular, a single ultrasound transducer can also be used simultaneously as an ultrasound transmitter and receiver, e.g. intermittently.
Bisherige Untersuchungen haben ergeben, dass der Frequenzbereich, in dem die Vorrichtung arbeitet, auf 100 - 500 kHz oder einem Teilbereich davon eingeschränkt werden kann. In diesem Bereich verhalten sich intakte und geschädigte Lungenbereiche unterschiedlich, und diese Unterschiede lassen sich in einem Ultraschallsignal der genannten Frequenz gut herauslesen. Allerdings ergeben sich
Probleme durch Streuung des Meßsignals an der Lunge, die bei tieferen Frequenzen weniger stark auftritt.Previous investigations have shown that the frequency range in which the device operates can be restricted to 100-500 kHz or a subrange thereof. Intact and damaged lung areas behave differently in this area, and these differences can be read out well in an ultrasound signal of the frequency mentioned. However, surrender Problems due to scattering of the measurement signal on the lungs, which occurs less strongly at lower frequencies.
In Alternative dazu kann die Vorrichtung nach Anspruch 3 auch in einem Frequenzbereich von 10 - 200 kHz oder einem Teilbereich davon arbeiten, nach Anspruch 4 vorteilhaft in einem Frequenzbereich von 10 - 50 kHz oder einem Teilbereich davon, und nach Anspruch 5 in einem Frequenzbereich von 10 - 30 kHz .Alternatively, the device according to claim 3 can also operate in a frequency range from 10 to 200 kHz or a sub-range thereof, advantageously according to claim 4 in a frequency range from 10 to 50 kHz or a sub-range thereof, and according to claim 5 in a frequency range from 10 - 30 kHz.
Bei den unteren Ultraschallfrequenzen etwa ab 5 oder 10 kHz und endend bei etwa 100 kHz lassen sich günstig die stark ausgeprägten resistiven Effekte (Dämpfung in Abhängigkeit von der Ventilation) z. B. in Transmission vermessen. Die Dämpfung des Lungengewebes variiert stark mit der lokalen Ventilation, bzw. der alveolaren Ventilation. Weiterhin gelingt hier eine Messung der Laufzeit bzw. der Schallgeschwindigkeit. Bei Frequenzen ab etwa 50 kHz gelingt eine schärfere Messung der Laufzeiteffekte (Schallgeschwindigkeit) und eher reaktive Effekte haben die Oberhand (Reflektivität, Echosignal für Tiefenprofile, Streuung des Lungengewebes). Wegen der kürzeren Wellenlängen ist hier eine höher auflösende Tomografie möglich.At the lower ultrasonic frequencies from about 5 or 10 kHz and ending at about 100 kHz, the strong resistive effects (damping depending on ventilation) can be favorably reduced. B. measured in transmission. The damping of the lung tissue varies greatly with the local ventilation or the alveolar ventilation. Furthermore, the transit time and the speed of sound can be measured here. At frequencies from around 50 kHz, the runtime effects (speed of sound) can be measured more sharply and more reactive effects have the upper hand (reflectivity, echo signal for depth profiles, scattering of the lung tissue). Because of the shorter wavelengths, higher-resolution tomography is possible here.
Zu noch höheren Frequenzen (200 kHz, 500 kHz, 1 IVIHz) setzen zunehmend störende Effekte aufgrund der stark absorbierenden und streuenden Knochenstrukturen (Rippen, Brustbein, Wirbelsäule) und des zunehmend benötigten Ultraschallgels ein. Die einzelnen Wandler werden zunehmend positions- und ausrichtungsempfindlich, die Eindringtiefe der Ultraschallstrahlung nimmt wegen Streuung stark ab, der Aufwand zur Gewinnung tief reichender und ortsauflösenden Informationen über die Lunge nimmt zu.At even higher frequencies (200 kHz, 500 kHz, 1 IVIHz) there are increasingly disturbing effects due to the strongly absorbing and scattering bone structures (ribs, sternum, spine) and the increasingly required ultrasound gel. The individual transducers are becoming increasingly sensitive to position and orientation, the depth of penetration of the ultrasound radiation decreases sharply due to scattering, the effort required to obtain in-depth and spatially resolving information about the lungs increases.
Die Vorrichtung kann z.B. in Transmissionsstellung messen. Sie kann auch in Reflexion messen. Mit Vorteil werden allerdings die Merkmale des Anspruch 6 vorgesehen, weil dadurch eine gute räumliche Zuordnung zu einer Lungenano-
malie gelingt. Unter gebogener Transmission wird dabei verstanden, daß das Signal auf einer gebogenen Bahn vom Sender durch den Körper zu einem Empfänger gelangt. Bei einer Anordnung gemäß Anspruch 6 ändert das Ultraschallsignal seine Richtung dabei um fast 180 °.The device can measure, for example, in the transmission position. It can also measure in reflection. Advantageously, however, the features of claim 6 are provided, because this enables a good spatial allocation to a lung nano- malie succeeds. Bent transmission is understood to mean that the signal travels from the transmitter through the body to a receiver on a curved path. In an arrangement according to claim 6, the ultrasonic signal changes its direction by almost 180 °.
Vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruch 7 vorgesehen. Die Anordnung von Sender und Empfänger ist so vorzunehmen, dass der Ultraschall die zu untersuchende Lunge durchdringen kann. Bevorzugt wird man also sowohl Sender als auch Empfänger auf dem Oberkörper des Patienten in unmittelbarer Nähe zur Lunge anbringen. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die Eigenschaft des Herzens als guter Leiter für Ultraschall der oben genannten Frequenzen dadurch nutzbar zu machen, dass der Sender oder der Empfänger in Herznähe am Körper angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine einfache, radiale und ortsbestimmte Transmission des jeweiligen Lunganabschnittes erreicht werden.. Auch bei Anordnung auf der Wirbelsäule besteht ein guter Zugang zum Herzen. In dieser Geometrie kann des Herz als radial abstrahlendes Ultraschall-Zentrum wirken und besonders gut eine Messung in Transmissionsanordnung erfolgen, bei der also Sender und Empfänger auf unterschiedlichen, insbesondere gegenüberliegenden Körperseiten angeordnet. Es könnte aber auch über den Bauchraum als Schallleiter eingestrahlt werden.The features of claim 7 are advantageously provided. The transmitter and receiver must be arranged so that the ultrasound can penetrate the lung to be examined. It is therefore preferred to mount both the transmitter and the receiver on the patient's upper body in the immediate vicinity of the lungs. It has proven to be advantageous to utilize the property of the heart as a good conductor for ultrasound of the abovementioned frequencies in that the transmitter or receiver is arranged on the body near the heart. In this way, a simple, radial and location-specific transmission of the respective lung section can be achieved. Even when arranged on the spine, there is good access to the heart. In this geometry, the heart can act as a radially radiating ultrasound center and a measurement can be carried out particularly well in a transmission arrangement in which the transmitter and receiver are arranged on different, in particular opposite sides of the body. However, it could also be radiated in through the abdominal cavity as a sound conductor.
Die Vorrichtung kann grundsätzlich auch mit nur einem Ultraschallwandler arbeiten. Er kann auch mit einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfanger arbeiten. Vorteilhaft sind aber die Merkmale des Anspruch 8 vorgesehen. Bei geeigneter Verteilung der Empfanger ergibt sich eine verbesserte Ortsauflösung, weil jeder Empfänger ein Ultraschallsignal empfängt, das unterschiedliche Lungenbereiche durchlaufen hat. Es kann dadurch gegebenenfalls genauer lokalisiert werden, an welcher Stelle z.B. eine Atelektase vorliegt.
Das Ultraschallsignal könnte z.B. ein Sinus-, Sweep-, oder ein Rauschsignal sein, es könnte z.B. schmalbandig ausgebildet sein. Mit Vorteil werden aber die Merkmale des Anspruch 9 vorgesehen. Ein Rauschsignal in den ggf. schwach hörbaren Ausläufern wird z.B. vom Patienten als akustisch weniger störend empfunden als z.B. ein Sweepsignal. Impulssignale sind hingegen bei der Auswertung z.B. nach Laufzeiten vorteilhaft, insbesondere wenn zwischen mehreren Sendern oder Empfängern sequentielle gewechselt wird. Breitbandige Einstrahlung ist gegenüber schmalbandigen Signalen vorzuziehen, da bei schmalbandiger Einstrahlung das Risiko bestünde, dass gerade bei dieser Frequenz kein oder nur ein geringer Unterschied zwischen intakter und geschädigter Lunge feststellbar ist. Es lässt sich nur grob vorhersehen, bei welcher Frequenz Unterschiede vorteilhaft auszumachen sind, weil dies patientenspezifisch ist. Man kann feststellen, dass optimale Frequenzen z.B. bei Erwachsenen und Kindern, bei Männern und Frauen, bei Trainierten und Untrainierten variieren können. Bei Verwendung breitbandigen Rauschens bzw. von breitbandigen Impulsen ist zuverlässig gewährleistet, dass für jeden Patienten ein geeigneter Frequenzbereich für die Auswertung erfasst ist.In principle, the device can also work with only one ultrasonic transducer. It can also work with an ultrasound transmitter and an ultrasound receiver. However, the features of claim 8 are advantageously provided. With a suitable distribution of the receivers, there is an improved spatial resolution because each receiver receives an ultrasound signal that has passed through different lung areas. In this way, it can be localized more precisely, for example, at which point, for example, an atelectasis is present. The ultrasound signal could, for example, be a sine, sweep, or a noise signal, it could be narrow-band, for example. However, the features of claim 9 are advantageously provided. A noise signal in the weakly audible foothills, for example, is perceived by the patient as less acoustically disturbing than, for example, a sweep signal. In contrast, pulse signals are advantageous in the evaluation, for example, according to transit times, in particular if sequential switching is carried out between several transmitters or receivers. Broadband radiation is preferable to narrowband signals, since there is a risk of narrowband radiation that there is no or only a slight difference between intact and damaged lungs at this frequency. It can only be roughly predicted at which frequency differences can advantageously be identified, because this is patient-specific. It can be seen that optimal frequencies can vary, for example in adults and children, in men and women, in the trained and untrained. When using broadband noise or broadband pulses, it is reliably ensured that a suitable frequency range is recorded for the evaluation for each patient.
Die Sender und Empfänger können z.B. einzeln am Körper des Patienten angebracht sein. Für eine schnellere Befestigung sind die Merkmale des Anspruch 10 vorteilhaft. Es müssen dann nur ein oder wenige Träger angebracht werden statt der mehreren Empfänger. Bei Anordnung auf einem Träger sind die Empfänger zudem gleichbleibend relativ zueinander positioniert, während eine Ortszuordnung bei Einzelbefestigung schwieriger erreichbar und fehleranfällig ist. Auch die Verkabelung kann vereinfacht werden.The transmitters and receivers can e.g. individually attached to the patient's body. The features of claim 10 are advantageous for faster attachment. Only one or a few carriers then have to be attached instead of the multiple receivers. When arranged on a carrier, the receivers are also constantly positioned relative to one another, while a location assignment with individual fastening is more difficult to achieve and prone to errors. The wiring can also be simplified.
Die Befestigung des Trägers kann z.B. durch Kleben oder eine andere im Stand der Technik bekannte Methode erfolgen. Mit Vorteil werden aber die Merkmale des Anspruch 1 1 verwirklicht. Ein Gürtel kann dem Patienten schnell angelegt
werden, und lässt sich auch über eine längere Zeit angenehm tragen. Die auf dem Gürtel verteilten Empfänger sind nach Anlegen des Gürtels in der vorgesehenen und definierten Weise am Körper, z.B. um den Thorax herum verteilt. Der Gürtel kann z.B. elastisch ausgebildet sein.The carrier can be fastened, for example, by gluing or another method known in the prior art. However, the features of claim 1 1 are advantageously realized. A belt can be put on the patient quickly and can be worn comfortably for a long time. After the belt is put on, the receivers distributed on the belt are distributed around the body in the intended and defined manner, for example around the thorax. The belt can be elastic, for example.
Zur Verringerung von gegenseitigen Störungen der Empfänger sind die Merkmale des Anspruch 12 vorgesehen. Der zwischen den Empfängern am Körper anliegende Gürtel verringert mögliche gegenseitige Beeinflussungen. Ein geeignetes Material ist nach Anspruch 13 z.B. ein Polymerschaum.To reduce mutual interference between the receivers, the features of claim 12 are provided. The belt that lies against the body between the receivers reduces possible mutual interference. A suitable material according to claim 13 is e.g. a polymer foam.
Da der Gürtel im medizinischen und klinischen Bereich eingesetzt wird, sind die Merlαnale des Anspruch 14 vorteilhaft vorgesehen. Alternativ dazu könnte der Gürtel auch als Einwegartikel hergestellt sein oder mit einer austauschbaren sterilen Folie belegt sein.Since the belt is used in the medical and clinical fields, the merlαnale of claim 14 are advantageously provided. As an alternative to this, the belt could also be manufactured as a disposable item or covered with an exchangeable sterile film.
Der Träger und der oder die darauf angeordneten Sender und/oder Empfänger können z.B. fest miteinander verbunden sein. Mit den Merkmalen des Anspruch 15 wird vorteilhaft erreicht, dass die Ultraschallwandler z.B. auf verschiedenen Gürteln befestigt werden können, die z.B. nach der Patientengröße ausgewählt sind. Weiterhin können so einzelne Wandler bei Fehlfunktion oder Beschädigung ausgetauscht werden. Schließlich können Gürtel und Empfänger dadurch auch getrennt desinfiziert oder sterilisiert werden. Der Gürtel könnte aber auch als Einwegartikel ausgebildet werden.The carrier and the transmitter and / or receiver arranged thereon can e.g. be firmly connected. With the features of claim 15 it is advantageously achieved that the ultrasonic transducers e.g. can be attached to different belts, e.g. selected according to patient size. Furthermore, individual converters can be replaced in the event of malfunction or damage. Finally, the belt and receiver can also be disinfected or sterilized separately. The belt could also be designed as a disposable item.
Wenn die Vorrichtung mehrere Empfänger aufweist, können vorteilhaft die Merkmale des Anspruch 16 vorgesehen sein. Eine solche Anordnung ermöglicht eine besonders gute räumliche Eingrenzung möglicher Lungenschädigungen, und kann für eine bildliche Darstellung der Messergebnisse ausgenutzt werden, z.B. durch geeignete zeitliche und räumliche Ansteuerung der Sender und Empfänger.
Mit Vorteil sind die Merkmale des Anspruch 17 vorgesehen. Die Empfänger liegen dadurch besser und mit höherem Anpressdruck am Körper an.If the device has several receivers, the features of claim 16 can advantageously be provided. Such an arrangement enables a particularly good spatial limitation of possible lung damage and can be used for a visual representation of the measurement results, for example by suitable temporal and spatial control of the transmitter and receiver. The features of claim 17 are advantageously provided. As a result, the receivers fit better against the body and with higher contact pressure.
Zum Beispiel kann die Auswerte- und Steuereinrichtung nach den Merkmalen des Anspruch 18 arbeiten. Sie erhält dann in schneller Abfolge Informationen zu verschieden Lungenbereichen, und kann daraus z.B. ein Gesamtlungenbild errechnen und auf einem dafür vorgesehenen Display anzeigen.For example, the evaluation and control device can operate according to the features of claim 18. It then receives information on different lung areas in quick succession, and can e.g. calculate an overall lung image and show it on a display provided for this purpose.
Mit den Merkmalen des Anspruch 19 lassen sich vorteilhaft Schnittansichten der Lunge erzeugen. Die Schnittebene in den Ansichten entspricht dabei der Ebene der Empfänger. Die Ortsauflösung kann dadurch vorteilhaft gesteigert werden.With the features of claim 19, sectional views of the lungs can advantageously be generated. The section level in the views corresponds to the level of the recipient. The spatial resolution can thereby advantageously be increased.
Im Grundsatz können Sender und Empfänger in ihrer Funktion auch vertauscht sein. Wenn also vorhergehend von einer bestimmten Anordnung der Empfänger und von einem einzelnen Sender die Rede war, so kann stattdessen auch eine Mehrzahl von Sendern verwendet werden, z.B. in gleicher Anordnung wie oben für die Empfänger beschrieben, und ein einzelner Empfänger.In principle, the function of the transmitter and receiver can also be interchanged. If, therefore, a particular arrangement of the receivers and a single transmitter was previously discussed, a plurality of transmitters can also be used instead, e.g. in the same arrangement as described above for the receiver, and a single receiver.
Vorteilhaft sind die Merlαnale des Anspruch 20 vorgesehen, wobei die mehreren Ultraschallsender gleichzeitig senden, und wie ein Sender wirken. Der Vorteil besteht darin, daß mögliche Kontakt- oder Abschwächungsprobleme an der Ultraschalleinkoppelstelle verringert werden, wenn z.B. drei parallel betriebene Ultraschallsender gleichzeitig in unmittelbarer Nähe zueinander verwendet werden. Hierdurch wird eine großflächige, sichere und reproduzierbare Schalleinkopplung gefördert. Sinngemäß können auch parallel betriebene und räumlich dicht angeordnete Empfänger zu einem Empfangskanal zusammengefasst sein, um z. B. bei höheren Frequenzen auftretende Störungen aufgrund von Rippen in jeder Anlageposition sicher umstrahlen zu können. Bevorzugt werden die mehreren Sender
als Baueinheit ausgebildet und in unmittelbarer Herznähe oder an der Wirbelsäule angeordnet.Advantageously, the merlαnale of claim 20 are provided, the plurality of ultrasound transmitters transmitting simultaneously and acting like a transmitter. The advantage is that possible contact or attenuation problems at the ultrasound coupling point are reduced if, for example, three ultrasound transmitters operated in parallel are used simultaneously in close proximity to one another. This promotes large-scale, safe and reproducible sound coupling. Analogously, receivers operated in parallel and spatially densely arranged can also be combined to form a reception channel in order, for. B. interference occurring at higher frequencies due to ribs in any system position. The multiple transmitters are preferred designed as a structural unit and arranged in the immediate vicinity of the heart or on the spine.
Die elektronische oder physische Verkopplung bzw. phasenangepasste Parallelschaltung von mehreren Sendern und Empfängern kann über Beugungseffekte für eine Richtungssteuerung oder Tiefenauflösung des Schallfeldes herangezogen werden. Mit Hilfe einer numerischen und phasengenauen Verrechnung mehrerer Sender- oder Empfängersignale kann eine sogenamite Ultrasc all-Tomografie realisiert werden.The electronic or physical coupling or phase-adapted parallel connection of several transmitters and receivers can be used via diffraction effects for directional control or depth resolution of the sound field. A so-called Ultrasc all tomography can be implemented with the aid of numerical and phase-accurate calculation of several transmitter or receiver signals.
Bevorzugt sind die Merlαnale nach Anspruch 21 vorgesehen, um eine gute Ultraschalleinleitung in den Körper zu gewährleisten. Denn ein Luftspalt z.B. zwischen Ultraschallsender und Körper stellt eine Impedanzgrenzschicht mit Impedanzsprung dar, der zu Intensitätsverlust durch Reflexion führt, xPreferably, the Merlαnale are provided according to claim 21, in order to ensure good ultrasound introduction into the body. Because an air gap e.g. between the ultrasound transmitter and the body represents an impedance boundary layer with an impedance jump, which leads to loss of intensity due to reflection, x
Die Einkopplung des Ultraschalls in den Körper läßt sich weiter verbessern mit den Merkmalen des Anspruch 22 Denn der akustische Übergang von einem harten Wandler in den Thorax wird erheblich beeinflußt durch den Anpressdruck und die Feuchtigkeit der Grenzfläche. Entsprechende Effekte sind aus der bildgebenden Ultraschalltechnik bekannt. Dort wird standardmäßig Ultraschallgel verwendet, um einen reproduzierbaren und reflexionsarmen Schallübergang zu gewährleisten. Insbesondere mit mehreren Wandlern wäre die Verwendung von Ultraschallgel sehr umständlich. Zudem trocknet das Gel aus und erschwert so die Möglichkeit einer langfristigen Anwendung. Zwar bewirkt die vorgeschlagene Kopplungsschicht, z.B. in Form einer weich-elastischen Beschichtung, eine gewisse Signaldämpfung des Ultraschalls, aber mindert sehr stark den Einfluß von Anpressdruck und Feuchtigkeit auf die Übertragungsfunktion der Grenzfläche. Die Schicht kann nur auf den Wandlern oder auch auf die ganze Auflagefläche des Gürtels aufgebracht sein. Es könnten auch Sender oder Empfänger mit
einem harten Oberflächenprofil verwendet werden, bei denen die hervorstehenden Strukturen als Schallbrücken den nötigen Anpressdruck auf dem Körper für guten schallleitenden Kontakt aufweisen, denn der lokale Anpressdruck nahe den hervorstehenden Strukturen ist vielfach größer als bei einer glatten und flächigen Auflage. Deshalb entsteht eine geringere Abhängigkeit von Anpressdrücken und Feuchtigkeit zur Schallvermittlung. Auf Dauer könnte der Patient diese Strukturen aber als unangenehm oder gar schmerzhaft empfingen.The coupling of the ultrasound into the body can be further improved with the features of claim 22, because the acoustic transition from a hard transducer into the thorax is significantly influenced by the contact pressure and the moisture of the interface. Corresponding effects are known from ultrasound imaging technology. Ultrasound gel is used there as standard to ensure reproducible and low-reflection sound transmission. The use of ultrasound gel would be very cumbersome, in particular with several transducers. In addition, the gel dries out, making it difficult for long-term use. Although the proposed coupling layer, for example in the form of a soft-elastic coating, causes a certain signal damping of the ultrasound, it very much reduces the influence of contact pressure and moisture on the transfer function of the interface. The layer can only be applied to the transducers or also to the entire contact surface of the belt. It could also use transmitters or receivers a hard surface profile, in which the protruding structures as sound bridges have the necessary contact pressure on the body for good sound-conducting contact, because the local contact pressure near the protruding structures is often greater than with a smooth and flat support. Therefore, there is less dependence on contact pressure and moisture for sound transmission. In the long run, however, the patient could experience these structures as uncomfortable or even painful.
Die Merkmale des Anspruch 23 ewirken eine weitere vorteilhafte Verbesserung der Anlage der so ausgebildeten Ultraschallwandler.The features of claim 23 effect a further advantageous improvement of the system of the ultrasound transducers designed in this way.
Da die Vorrichtung im medizinischen, teilweise sogar im intensiv-medizinischen Bereich eingesetzt werden soll, muß sie auch Sterilitätsanforderungen erfüllen. Die mit dem Körper in Berührung kommenden Teile der Vorrichtung könnten daher z.B. als Einmalartikel ausgebildet werden, was aber aus Kostengründen nachteilig ist. Vorteilhaft sind daher Merkmale des Anspruch 24vorgesehen. Eine Alternative dazu stellen die Merlαnale des Anspruch 25 dar.Since the device is to be used in the medical, and in some cases even in the intensive medical field, it must also meet sterility requirements. The parts of the device that come into contact with the body could therefore e.g. be trained as a disposable item, which is disadvantageous for cost reasons. Features of claim 24 are therefore advantageously provided. The Merlαnale of claim 25 represent an alternative.
Es können grundsätzlich beliebige der im Stand der Technik bekannten Typen von Ultraschallwandlern verwendet werden. Im Hinblick auf Zuverlässigkeit und Kosten sind aber vorteilhaft die Merlαnale des Anspruch 26vorgesehen.In principle, any of the types of ultrasonic transducers known in the prior art can be used. With regard to reliability and costs, however, the merlαnale of claim 26 are advantageously provided.
Die Vorrichtung weist vorteilhaft die Merlαnale des Anspruch 27 auf, um Ergebnisse der Messungen z.B. nach Auswertung und Umwandlung in eine intuitiv interpretierbare Darstellung speichern zu können. Dadurch können z.B. zeitliche Entwicklungen der Lunge nachvollzogen und archiviert werden. Die Speicherung kann z.B. dauerhaft erfolgen, um die gespeicherten Daten später erneut bearbeiten, betrachten oder zu Vergleichszwecken heranziehen zu können. Bevorzugt sind weiterhin die Merkmale des Anspruch 31 vorgesehen. Die gespeicherten
Daten können z.B. auch überspielt werden auf Speicher außerhalb der Vorrichtung, z.B. einem Krankenhausspeicher, um in der Patientenakte abgelegt zu werden. Der verwendete Speicher kann z.B. eine auswechselbares Speicher edium sein, oder ein Computerspeicher, der an die Vorrichtung mittels eines Datenkabels angeschlossen wird.The device advantageously has the features of claim 27 in order to be able to save results of the measurements, for example after evaluation and conversion into an intuitively interpretable representation. In this way, for example, temporal developments in the lungs can be tracked and archived. The storage can be permanent, for example, in order to be able to edit, view or use the stored data later for comparison purposes. The features of claim 31 are preferably also provided. The saved For example, data can also be transferred to memory outside the device, for example a hospital memory, in order to be stored in the patient file. The memory used can be, for example, a removable memory or a computer memory which is connected to the device by means of a data cable.
Vorteilhaft weist die Vorrichtung die Merlαnale des Anspruch 28 auf, ixm bei Feststellung einer definierten Situation, z.B. einer Gefährdungssituation, die Aufmerksamkeit des medizinischen Personals oder allgemein des Anwenders der Vorrichtung zu erregen. Es können dann z.B. weitere Untersuchungen veranlaßt oder ein Arzt gerufen werden. Es kann mit dem Alarmsignal aber z.B. auch eine Fehlfunktion, eine nur noch kurze Zeit gesicherte Stromversorgung oder dergleichen angezeigt werden.The device advantageously has the merits of claim 28, ixm when a defined situation is determined, e.g. a dangerous situation to attract the attention of medical personnel or the user of the device in general. Then e.g. further examinations can be arranged or a doctor called. However, the alarm signal can e.g. a malfunction, a power supply that is only secured for a short time, or the like are also displayed.
Mit den vorteilhaften Merlαnalen des Anspruch 29 kann die Vorrichtung leicht transportiert werden, z.B. von Patienten oder von Notfallmedizinern mit sich geführt werden. Die Vorrichtung kann dann z.B. während laufender Messungen vom Patienten getragen werden, insbesondere mit den vorteilhaften Merkmalen des Anspruch 30, mit denen eine Unabhängigkeit von Stromnetzen erreicht wird. Die Stromversorgung kann über beliebige im Stand der Technik bekannte Stromspeicher oder -erzeuger erfolgen, z.B. Batterien, Akkumulatoren, Solarzellen, Brennstoffzellen etc.With the advantageous Merlαnalen of claim 29, the device can be easily transported, e.g. carried by patients or by emergency physicians. The device can then e.g. are carried by the patient during ongoing measurements, in particular with the advantageous features of claim 30, with which independence from power grids is achieved. The power supply can take place via any current storage or generator known in the art, e.g. Batteries, accumulators, solar cells, fuel cells etc.
Die Darstellung der Meßergebnisse kann beliebig sein. Um eine intuitrve und leichte Ablesung zu ermöglichen sind die Merkmale des Anspruch 32 vorgesehen. Diese Darstellung ist der gebräuchlichen Darstellung in der Computertomographie ähnlich.
Nachfolgend wird die Erfindung durch Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielhaft und schematisch dargestellt. Es zeigen:The measurement results can be displayed in any way. In order to enable an intuitive and easy reading, the features of claim 32 are provided. This representation is similar to the usual representation in computer tomography. The invention will be explained in more detail below by describing some exemplary embodiments. The invention is shown by way of example and schematically in the drawings. Show it:
Fig. la, lb: Röntgenaufnahmen einer intakten Lunge (la) und einer Lunge mit teilweiser Atelektase,Fig. La, lb: X-rays of an intact lung (la) and a lung with partial atelectasis,
Fig. 2: ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfmdungsgemäßen Vorrichtung, die Empfänger und Sender sind dabei bevorzugt im Seiten- und Rückenbereich angebracht,2: a first embodiment of a device according to the invention, the receivers and transmitters are preferably attached in the side and back area,
Fig. 3 : ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, auch hier sind die Empfänger und Sender bevorzugt im Seiten- und Rückenbereich angebrachtFig. 3: a second embodiment of a device according to the invention, here too the receivers and transmitters are preferably mounted in the side and back area
Fig. 4: ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfmdungsgemäßen Vorrichtung,4: a third embodiment of a device according to the invention,
Fig. 5: eine Schnittansicht durch die Vorrichtung gemäß Fig. 4,5: a sectional view through the device according to FIG. 4,
Fig. 6a - f: spektrale Darstellungen von Transmissions- und Reflexionsmessungen zwischen verschiedenen Sendern und Empfängern der Vorrichtung nach Fig. 4,6a-f: spectral representations of transmission and reflection measurements between different transmitters and receivers of the device according to FIG. 4,
Fig. 7: ein Beispiel für eine bildliche Darstellung von mit der Vomchtung nach Fig. 4 durchgeführten Messungen,7: an example of a pictorial representation of measurements carried out with the device according to FIG. 4,
Fig. 8: eine Schnittansicht durch ein Handgerät gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, und8: a sectional view through a hand-held device according to a further exemplary embodiment of the invention, and
Fig. 9 a-c eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung der gemessenen Spektren.9 a-c show a basic illustration to explain the measured spectra.
In Fig. la ist eine ventrale Röntgenaufnahme einer intakten Lunge 1, 2 einer erwachsenen Person dargestellt. Fig. lb zeigt in einer gleichartigen ventralen Aufnahme eine geschädigten Lunge 3, 4. Im linken unteren Lungenflügel 3 zeigt sich eine Atelektase 5 als heller Fleck, weil dieser Lungenbereich eine andere, näm-
lieh eine dichtere Gewebestruktur aufweist, als die intakten Lungenbereiche, die sich als dunkle Schatten vom umgebenden Gewebe und Skelett abzeichnen.A ventral x-ray image of an intact lung 1, 2 of an adult person is shown in FIG. 1b shows a damaged lung 3, 4 in a similar ventral image. In the lower left lung 3 an atelectasis 5 is shown as a light spot, because this lung area is another, namely has a denser tissue structure than the intact areas of the lungs, which appear as dark shadows from the surrounding tissue and skeleton.
Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Messung der Lungenfunktion. Es sind vier Ultraschallwandler 21 über dem unteren Bereich des linken Lungenflügels 1 und zwei über dem unteren Bereich des rechten Lungenflügels 2 eines zeichnerisch dargestellten Patienten 22 auf dessen Thorax 23 angeordnet, z.B. angeklebt. Die nur wenige cm großen elektro-akustischen Sender und Empfänger 21 (zusammenfassend als Wandler bezeichnet) sind äußerlich ähnlich gängigen EKG-Elektroden ausgebildet, das heißt sie sind von flacher Bauart und liegen gut auf dem Körper 22 auf.Figure 2 shows a first embodiment of a device for measuring the lung function. Four ultrasound transducers 21 are arranged above the lower area of the left lung 1 and two above the lower area of the right lung 2 of a patient 22 shown on the chest 23, e.g. glued. The electro-acoustic transmitters and receivers 21 (only collectively referred to as transducers), which are only a few cm in size, are designed on the outside to be similar to common EKG electrodes, that is to say they are of flat design and lie well on the body 22.
Über Steuer- und Signalleitungen 24 sind die Wandler 21 an eine Steuer- und Auswerteeinheit 25 angeschlossen, die jeden der Wandler 21 ansteuern kann, und von den Wandlern 21 ein elektrisches Signal zurückgeliefert bekommt, das einem vom Wandler 21 aufgenommenen Ultraschallsignal entspricht. Für die Messung der Lungenfunktion wird eines, mehrere oder alle der Wandler 21 zum Senden eines Ultraschallsignals angesteuert. Das Signal dringt durch die Haut in den Körper 22 und in die Lunge 1, 2 ein, und wird auf seinem Weg durch den Körper 22 von den verschiedenen Gewebestrukturen teilweise reflektiert. Das reflektierte Signal wird von den gleichen Wandlern 21, die das Ultraschallsignal ausgesandt haben, wieder aufgenommen, und ein elektrisches Signal an die Steuer- und Auswerteeinrichtung 25 übertragen. Die Auswerteeinrichtung 25 errechnet aus den erhaltenen elektrischen Signalen, ob und welcher der Lungenbereiche 1, 2 unterhalb eines der Wandler 21 eine abnorme Wechselwirkung mit dem eingestrahlten Ultraschallsignal zeigt, z.B. dadurch, dass ein ungewöhnlicher hoher Anteil von Ultraschall einer bestimmten Frequenz oder innerhalb eines bestimmten Frequenzfensters transmittiert bzw. reflektiert worden ist. Wenn keine Auffälligkeit festgestellt wird, kann die untersuchte Lunge 1, 2 als intakt gelten. Wird
eine Auffälligkeit festgestellt, so kann diese einem der Wandler 21 zugeordnet und damit der Ort der Lungenanomalie näher eingegrenzt werden. Diese Messung kann z.B. über viele Stunden fortgesetzt werden. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 25 kann aber auch in definierten zeitlichen Abständen automatisch oder durch eine Bedienperson ausgelöst eine Messung durchführen, die sich z.B. über mehrere Atemzyklen erstreckt.Via control and signal lines 24, the transducers 21 are connected to a control and evaluation unit 25, which can control each of the transducers 21 and receives an electrical signal from the transducers 21 that corresponds to an ultrasound signal picked up by the transducer 21. For the measurement of the lung function, one, several or all of the transducers 21 are controlled to send an ultrasound signal. The signal penetrates through the skin into the body 22 and into the lungs 1, 2, and is partially reflected on its way through the body 22 by the various tissue structures. The reflected signal is picked up again by the same transducers 21 that have emitted the ultrasound signal, and an electrical signal is transmitted to the control and evaluation device 25. The evaluation device 25 calculates from the electrical signals obtained whether and which of the lung areas 1, 2 below one of the transducers 21 shows an abnormal interaction with the irradiated ultrasound signal, for example by an unusually high proportion of ultrasound of a certain frequency or within a certain frequency window has been transmitted or reflected. If no abnormality is found, the examined lungs 1, 2 can be considered intact. Becomes If an abnormality is found, it can be assigned to one of the transducers 21 and the location of the lung anomaly can thus be narrowed further. This measurement can be continued for many hours, for example. However, the control and evaluation device 25 can also carry out a measurement automatically or triggered by an operator at defined time intervals, which, for example, extends over several breathing cycles.
Das in Figur 3 gezeigte Ausführungsbeispiel einer weiteren Vomchtung zur Messung der Lungenfunktion unterscheidet sich von dem vorhergehenden Beispiel dadurch, dass jeweils 2 Wandler auf einem gemeinsamen Träger 31 angeordnet sind, und eine kompakte und flache Funktionsgruppe bilden. Die Wandler sind auf der dem Patientenkörper 22 zugewandten Seite des Trägers angeordnet, sie können ansonsten den in Figur 2 gezeigten identisch entsprechen. Der Träger 31 ist mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung 25 über Leitungen 24 verkabelt, die innerhalb des Trägers 31 weiter zu den nicht dargestellten Wandlern verlaufen. Gegenüber dem im Zusammenhang mit Figur 2 erläuterten Meßvorgang ergeben sich bei dieser zweiten Meßvorrichtung keine Unterschiede. Allerdings bewirkt der Träger 31, der auch zwischen den Wandlern auf dem Thorax 23 aufliegt und schallisolierende Eigenschaften im von den Wandlern ausgesendeten Spektralbereich hat, dass sich benachbarte Wandler weniger gegenseitig stören, dass also z.B. benachbarte Wandler nicht jeweils auch das vom Nachbarn ausgestrahlte Ultraschallsignal messen, welches z.B. an der Körperoberfläche reflektiert wird, ohne tiefer in den Körper 22 einzudringen. Die Wandler können z.B. auf Piezotechnologie basieren, und in einem Frequenzbereich von 10-50 kHz arbeiten. Sie können z.B. ein breitbandiges Signal abstrahlen. Körperschallfrequenzen oberhalb 10 kHz sind vom Menschen in der Regel nicht wahrnehmbar, so dass der Patient und auch das medizinische Personal nicht durch das Meßsignal gestört wird.
In Figur 4 weist die Vorrichtung zur Messung der Lungenfunktion einen Gürtel 41 auf, an dessen dem Körper zugewandten Seite in einer Arrayanordnung mehrere Ultraschallempfanger 21 in drei Reihen um den Körper 22 umlaufend und in mehreren Spalten angebracht sind. Diese Empfänger 21 befinden sich überwiegend auf dem Rücken und dem seitlichen Thoraxbereich des Patienten 22, und sind durch weiße Kreisflächen angedeutet. Ein zentraler Ultraschallsender 42 befindet sich in unmittelbarer Nähe zum Herzen 43. Er strahlt in Richtung des Herzens 43 ein Ultraschallsignal ab. Vom Herzen 43 aus durchdringt das Ultraschallsignal die beiden Lungenflügel 1, 2 und erreicht schließlich die Empfänger 21, an denen das ankommende Signal gemessen, in elektrische Signale umgewandelt und über eine Steuer- und Datenleitung 24 an die Auswerte- und Steuereinrichtung 25 weitergegeben wird. Die Signale werden dort verarbeitet und ggf. angezeigt. Der zentrale Sender 42 ist in diesem Ausführungsbeispiel im Gürtel 41 untergebracht. Er kann aber auch getrennt davon, z.B. auf einem eigenen Träger, angeordnet sein. Das kann z.B. für die getrennte Positionierung des Senders 42 und der Empfänger 41 von Vorteil sein, wobei der Sender auch als Sendeeinheit mit mehreren einzelnen Sendern ausgebildet sein kann, die gemeinsam oder unabhängig voneinander ein Ultraschallsignal erzeugen und in den Körper einstrahlen.The exemplary embodiment shown in FIG. 3 of a further device for measuring the lung function differs from the previous example in that two transducers are arranged on a common carrier 31 and form a compact and flat functional group. The transducers are arranged on the side of the carrier facing the patient's body 22; they can otherwise correspond identically to those shown in FIG. 2. The carrier 31 is wired to the control and evaluation device 25 via lines 24 which run further inside the carrier 31 to the converters (not shown). Compared to the measuring process explained in connection with FIG. 2, there are no differences in this second measuring device. However, the carrier 31, which also rests on the thorax 23 between the transducers and has sound-insulating properties in the spectral range emitted by the transducers, has the effect that adjacent transducers interfere less less, that is to say, for example, neighboring transducers do not also each measure the ultrasound signal emitted by the neighbor, which is reflected on the body surface, for example, without penetrating deeper into the body 22. The transducers can be based on piezo technology, for example, and can operate in a frequency range of 10-50 kHz. For example, you can emit a broadband signal. Structure-borne noise frequencies above 10 kHz are generally not perceivable by humans, so that the patient and also the medical staff are not disturbed by the measurement signal. In FIG. 4, the device for measuring the lung function has a belt 41, on the side facing the body of which, in an array arrangement, a plurality of ultrasound receivers 21 are arranged in three rows around the body 22 and in several columns. These receivers 21 are predominantly located on the back and the lateral thoracic area of the patient 22 and are indicated by white circular areas. A central ultrasound transmitter 42 is located in the immediate vicinity of the heart 43. It emits an ultrasound signal in the direction of the heart 43. From the heart 43, the ultrasound signal penetrates the two lungs 1, 2 and finally reaches the receivers 21, at which the incoming signal is measured, converted into electrical signals and passed on to the evaluation and control device 25 via a control and data line 24. The signals are processed there and displayed if necessary. The central transmitter 42 is accommodated in the belt 41 in this exemplary embodiment. However, it can also be arranged separately, for example on its own carrier. This can be advantageous, for example, for the separate positioning of the transmitter 42 and the receiver 41, the transmitter also being able to be designed as a transmitter unit with a plurality of individual transmitters which, together or independently, generate an ultrasonic signal and radiate it into the body.
Abb. 5 zeigt einen horizontalen Schnitt durch eine Vorrichtung gemäß der Figur 4, wobei der Schnitt durch die untere der Reihen von Empfängern 21 in Figur 4 verläuft. Der Gürtel 41 trägt auf seiner Innenseite Ultraschallempfanger 21, die z.B. lösbar befestigt sein können, und die in gutem schallleitenden Kontakt auf dem Patientenkörper 22 aufliegen. Der zentrale Ultraschallsender 42 ist ebenfalls auf der Innenseite des Gürtels befestigt. Sämtliche Wandler 21, 42 liegen flach bzw. etwas erhaben auf der Körperoberfläche auf und senden/empfangen im wesentlichen senkrecht durch die Körperoberfläche. Die beiden dunklen sichelförmigen Bereiche 1 und 2 entsprechen dem linken bzw. rechten luftgefüllten Lun-
genflügel. Der Weg des Ultraschallsignals führt vom Sender 42 über das Herz 43 durch einen der Lungenflügel 1, 2 zu einem der Empfänger 21.FIG. 5 shows a horizontal section through a device according to FIG. 4, the section running through the lower of the rows of receivers 21 in FIG. 4. The belt 41 carries ultrasound receivers 21 on its inside, which can be detachably attached, for example, and which rest on the patient's body 22 in good sound-conducting contact. The central ultrasound transmitter 42 is also attached to the inside of the belt. All transducers 21, 42 lie flat or somewhat raised on the body surface and transmit / receive essentially vertically through the body surface. The two dark crescent-shaped areas 1 and 2 correspond to the left and right air-filled lungs genflügel. The path of the ultrasound signal leads from the transmitter 42 via the heart 43 through one of the lungs 1, 2 to one of the receivers 21.
In Alternative dazu kann der zentrale Erfassungs- bzw. Eϊnspeisepunkt auch an der dorsalen Wirbelsäule oder auf dem Bauchraum vorgesehen werden.Alternatively, the central point of entry or entry can also be provided on the dorsal spine or on the abdomen.
In nicht gezeigter Weise kann der Gürtel 41 zwischen den Wandlern 21 auf dem Körper aufliegen und dadurch gerade bei Messung in Reflexion parasitären Ultraschall unterdrücken. Darunter wird derjenige Schallanteil verstanden, der nicht in den Körper eindringt und dann zum Empfänger reflektiert wird, sondern z.B. direkt vom Sender zum Empfänger gelangt.In a manner not shown, the belt 41 can rest on the body between the transducers 21 and thereby suppress parasitic ultrasound, especially when measured in reflection. This is understood to mean the proportion of sound that does not penetrate the body and is then reflected to the receiver, but e.g. directly from the sender to the receiver.
In den Figuren 4 und 5 hat die Vorrichtung einen Sender und eine Mehrzahl von Empfängern. Die Vorrichtung kann aber auch mit einem Empfänger und mehreren Sendern arbeiten, oder mit mehreren Sendern und mehreren Empfängern.In Figures 4 and 5, the device has a transmitter and a plurality of receivers. However, the device can also work with one receiver and several transmitters, or with several transmitters and several receivers.
Die Figuren 6a - 6f zeigen zwischen verschiedenen Sendern und Empfängern der in Figur 5 gezeigten Vorrichtung gemessene Ultraschall Signalverläufe. Eingestrahlt wurde dabei immer mit einem breitbandigen Rauschsignal. In den Spektren ist die Signalintensität aufgetragen, kodiert durch die Helligkeit, wobei dunkle Bereich eine niedrige Signalintensität (entspricht einer starken Strahlab- schwächung beim Durchgang durch die Lunge) und helle ?Bereiche eine hohe Signalintensität bedeuten, in Abhängigkeit von der Meßzeit x-Achse) und der Frequenz (y- Achse).FIGS. 6a-6f show ultrasound signal profiles measured between different transmitters and receivers of the device shown in FIG. A broadband noise signal was always used. The signal intensity is plotted in the spectra, coded by the brightness, whereby dark areas indicate a low signal intensity (corresponds to a strong beam attenuation when passing through the lungs) and bright areas indicate a high signal intensity, depending on the measuring time x-axis) and the frequency (y-axis).
Figur 6a zeigt den Signalverlauf, wie er gemessen wurde zwischen dem zentralen Sender 42 und dem Ultraschallempfanger 52, Figur 6b bei Messung am Empfänger 56, Figur 6c bei Messung am Empfänger 51, und Figui- 6d aufgenommen mit Empfänger 55. Figur 6e zeigt ein Spektrum, das gemessen wurde in bogenförmi-
ger Transmission, wobei der Wandler 52 als Sender und der Wandler 54 als Empfänger arbeitet. Schließlich zeigt Spektrum 6f eine ebenfalls bogenförmige Transmissionsmessung mit Wandler 51 als Sender und Wandler 53 als Empfänger. Bei den verschiedenen Messungen hat der Ultraschall jeweils unterschiedliche Bereiche der Lunge durchlaufen.FIG. 6a shows the signal curve as it was measured between the central transmitter 42 and the ultrasound receiver 52, FIG. 6b when measured at the receiver 56, FIG. 6c when measured at the receiver 51, and FIG. 6d recorded with the receiver 55. FIG. 6e shows a spectrum that was measured in arcuate ger transmission, wherein the converter 52 works as a transmitter and the converter 54 as a receiver. Finally, spectrum 6f also shows an arcuate transmission measurement with transducer 51 as transmitter and transducer 53 as receiver. During the different measurements, the ultrasound passed through different areas of the lungs.
Es ist gut erkennbar, daß in dem dargestellten Frequenzbereich bis 22 kHz bei leichter Atemtätigkeit (d. h. normale und gleichmäßige Atmung in Ruhe in Liegeposition) das empfangene Ultraschallsignal deutlich im Takt der Atemfrequenz moduliert ist. Beim Ausatmen verringert sich die Abschwächung (helle Bereiche 61), beim Einatmen erreicht die Empfänger nur noch ein sehr schwaches Signal (dunkle Bereiche 62). Die Signalmodulation bzw. Nutzsignaldynamik ist sehr groß gegenüber dem Stand der Technik und erreicht durchaus Werte von 30 dB.It can be clearly seen that in the frequency range shown up to 22 kHz with light breathing activity (i.e. normal and even breathing at rest in a lying position) the received ultrasound signal is clearly modulated in time with the breathing frequency. When you exhale, the attenuation decreases (light areas 61), when you inhale, the receiver only reaches a very weak signal (dark areas 62). The signal modulation or useful signal dynamics is very large compared to the prior art and definitely reaches values of 30 dB.
Unterhalb von etwa 8 kHz ist in allen Spektren eine etwa gleichbleibende Schwärzung erkennbar, was einer gleichbleibend geringen Signalintensität entspricht. Der Schall dieser Frequenz wird beim Durchgang durch die Lunge weitgehend unabhängig von der Atembewegung sehr stark gedämpft. Bei ganz niedrigen Frequenzen, also am unteren Ende der Spektren, sind Bereiche 61 geringerer Abschwächung auszumachen, die vermutlich auf trachealen Schall oder umgehenden Luftschall mit niedriger Schallgeschwindigkeit entsprechend dem Stand der Technik zum Klopfschall zurückzuführen sind. Unterhalb 5 kHz spricht man auch schon von Hörschall.Below approximately 8 kHz, approximately constant blackening can be seen in all spectra, which corresponds to a consistently low signal intensity. The sound of this frequency is largely attenuated as it passes through the lungs, regardless of the breathing movement. At very low frequencies, that is to say at the lower end of the spectra, areas 61 of lower attenuation can be identified, which are presumably attributable to tracheal sound or immediate airborne sound with low sound speed in accordance with the prior art for knocking sound. Below 5 kHz one speaks of audible sound.
In einem bestimmten Frequenzfenster allerdings, das von Spektrum zu Spektrum leicht variiert und etwa zwischen 10 und 20 kHz liegt, ist ein Einfluß der Atemtätigkeit auf die Abschwächung des Ultraschallsignals erkennbar. Im Rhythmus der Atmung wechseln sich dunkle 62 und helle Bereiche 63 ab. Die Modulation im Takt der Atmung ist auch aus der einfachen, das heißt nicht frequenzaufgelös-
ten Intensitätsdarstellung 64 des Signals jeweils am oberen Rand der Spektren erkennbar.In a certain frequency window, however, which varies slightly from spectrum to spectrum and is approximately between 10 and 20 kHz, an influence of respiratory activity on the attenuation of the ultrasound signal can be seen. Dark 62 and light areas 63 alternate with the rhythm of breathing. The modulation in time with the breath is also simple, that is, not frequency-resolved. th intensity representation 64 of the signal can be seen in each case at the upper edge of the spectra.
Bei den in Figur 6 verwendeten Frequenzen handelt es sich jeweils um niederfrequenten Ultraschall mit hoher Schallgeschwindigkeit. Hier werden - nahe der starken Dispersion - starke resistive Effekte beobachtet, die stark mit der lokalen Ventilation variieren. Eine Schallreflexion im klassischen Sinne tritt hier nicht dominant auf.The frequencies used in FIG. 6 are low-frequency ultrasound with high speed of sound. Here - close to the strong dispersion - strong resistive effects are observed, which vary greatly with the local ventilation. A sound reflection in the classic sense does not occur dominantly here.
Es kann bei diesen Signalen in hier nicht dargestellter Weise eine Messung der Laufzeit bzw. der Änderung der Schallgeschwindigkeit erfolgen. Die hohe Schallgeschwindigkeit in diesem Frequenzbereich variiert aufgrund der Nähe zu der maximalen Dispersion deutlich mit der Ventilation.With these signals, the transit time or the change in the speed of sound can be measured in a manner not shown here. The high speed of sound in this frequency range varies significantly with ventilation due to its proximity to the maximum dispersion.
Unterhalb von etwa 10 kHz nimmt die Dämpfung stark zu und die Schallleitung im Lungengewebe nimmt ab. Durch Erhöhung der Messsensitivität und Schallstärke könnte auch unterhalb 10 kHz gemessen werden. Es würde aber die subjektive Geräuschbelästigung von Patient und Personal zunehmen, weshalb hier nur Frequenzen oberhalb 10 kHz eingesetzt wurden.Below about 10 kHz, the attenuation increases sharply and the sound conduction in the lung tissue decreases. By increasing the measurement sensitivity and sound level, measurements could also be made below 10 kHz. However, the subjective noise pollution of patient and staff would increase, which is why only frequencies above 10 kHz were used here.
Die gezeigten Spektren eignen sich noch nicht in optimaler Weise für eine unmittelbare Darstellung. Daher kann die Auswerte- und Steuereinheit 25 die erhaltenen Messungen auswerten, speichern und auf einem Display zur Anzeige bringen, z.B. in der in Figur 7a und 7b gezeigten, aus der Computertomographie geläufigen Darstellungsweise.The spectra shown are not yet optimally suitable for immediate display. Therefore, the evaluation and control unit 25 can evaluate the measurements obtained, save them and display them on a display, e.g. in the representation shown in FIGS. 7a and 7b and familiar from computer tomography.
Durch Ansteuerung bestimmter Wandler 21 kann gezielt ein bestimmter Lungenbereich beschallt werden, und zwar mit einem Gürtel 41 der Fig. 4 sowohl in der Körperlängsachse als auch im umlaufenden Winkel um den Körper aufgelöst.
Durch eine automatische, schnelle und sequentielle Abfrage und Auswertung der Wandler 21 , 42 des Gürtels 41 läßt sich in mehreren Schnittbildem, die den drei horizontalen Ebenen entsprechen, in denen die Wandler 21 angeordnet sind, ein quasi 3-dimensionaler Beatmungszustand der Lunge ermitteln und dynamisiert von Atemzug zu Atemzug darstellen.By activating certain transducers 21, a specific area of the lungs can be irradiated in a targeted manner, specifically by means of a belt 41 in FIG. Through an automatic, fast and sequential query and evaluation of the transducers 21, 42 of the belt 41, a quasi 3-dimensional ventilation state of the lungs can be determined and dynamized in several sectional images corresponding to the three horizontal planes in which the transducers 21 are arranged from breath to breath.
Eine vorteilhafte Darstellungsform ist in Fig. 7 wiedergegeben. Fig. 7a stellt die Lunge im geleerten, Fig. 7b im gefüllten Zustand dar. Jeweils einer der drei horizontalen Reihen von Wandlern 21 des Gürtels 41 entsprechend wird die Lunge in drei horizontalen Schnittebenen 71, 72, 73 dargestellt. Innerhalb jeder Schnittebene 71, 72, 73 wiederum sind veränderliche Anzeigesegmente 74, 75, 76, 77, 78, 79 jeweils einem der Schallwege zu den Empfängern 51 bis 56 zugeordnet. Anzeigesegment 74 z.B. entspricht dem Schallweg von Sender 42 zum Empfänger 51.An advantageous form of representation is shown in FIG. 7. Fig. 7a shows the lungs in the empty, Fig. 7b in the filled state. In each case corresponding to one of the three horizontal rows of transducers 21 of the belt 41, the lungs are shown in three horizontal sectional planes 71, 72, 73. Within each section plane 71, 72, 73, in turn, variable display segments 74, 75, 76, 77, 78, 79 are each assigned to one of the sound paths to the receivers 51 to 56. Display segment 74 e.g. corresponds to the sound path from transmitter 42 to receiver 51.
Die Anzeigesegmente folgen dem Atemrh?ythmus durch Änderung ihrer Farbe oder Helligkeit, die der gemessenen Schallabschwächung entspricht, also mit der gemessenen Schallintensität in einem vorgegebenen Frequenzbereich skaliert. Diese Darstellung ist der gebräuchlichen Darstellung in der Computertomographie ähnlich und gestattet dem Klinikpersonal oder einer anderen Bedienperson eine intuitive Ablesung der Lungenfunktion. Bei einer lokalen Atelektase oder einer Lungenfehlfunktion wird das Schallsignal typischerweise nicht mehr signifikant im Atemzyklus variieren und gleichzeitig einen deutlich anderen Grundpegel aufzeigen. Solch ein gefährdetes Lungensegment wäre über diese Art der Darstellung leicht aufzufinden.The display segments follow the breathing rhythm by changing their color or brightness, which corresponds to the measured sound attenuation, ie scaled with the measured sound intensity in a predetermined frequency range. This representation is similar to the usual representation in computer tomography and allows the clinic staff or another operator to read the lung function intuitively. In the case of local atelectasis or a lung malfunction, the sound signal will typically no longer vary significantly in the breathing cycle and at the same time show a significantly different basic level. Such an endangered lung segment would be easy to find using this type of representation.
Unter Einbeziehung von phasenstarrer Verrechnung mehrerer Empfänger - oder Sendersignale ist eine echte Tomografie erzielbar, dabei kann in hier nicht dargestellter Weise die Anzeige entsprechend Fig 7 zusätzlich auch ein radiales Tie-
fenprofil erhalten. Somit wäre eine vollständig 3-dimensionale Rekonstruktion der Lunge gegeben. Alternativ zu einer Tomografie können auch echte Echosignale bei etwas erhöhter Frequenz von z. B. 50 - 150 kHz für eine Tiefeninformation und somit vollständig 3-dimensionale Rekonstruktion herangezogen werden.A real tomography can be achieved with the inclusion of phase-locked calculation of several receiver or transmitter signals. In a manner not shown here, the display according to FIG. received profile. This would result in a completely 3-dimensional reconstruction of the lungs. As an alternative to tomography, real echo signals can also be used at a somewhat increased frequency of e.g. B. 50 - 150 kHz can be used for depth information and thus completely 3-dimensional reconstruction.
In Abb. 8 ist eine Vorrichtung zur Messung der Lungenfunktion in Ausbildung als Handgerät 81 dargestellt. Dabei basiert diese Ausführungsform auf den gleichen schon oben beschriebenen Meßprinzipien. Das Handgerät kann insbesondere ambulant zur kurzfristigen lokalen Prüfung der Lunge dienen. Der Ultraschallgeber 82 mit einem Sender 42 ist dabei durch eine Steuer- und Datenleitung 83 mit dem Hauptgerät 84 verbunden, in dem die Steuerungs- und Auswertungsmittel untergebracht sind. Die am Hauptgerät 84 seitlich ausgebildete Auflageeinrichtung 85 nimmt ein Array von vier Empfängern 21 auf, von denen nur zwei in der Seitendarstellung gezeigt sind. Die Auflageeinrichtung 85 ist aus einem schalldämpfenden Material und von typisch bis zu 20 cm Durchmesser. Auf ihrer Kontaktseite ist eine weiche Einkoppelbeschichtung 86 vorgesehen. Am Hauptgerät 84 ist ein von außen ablesbares Display 87 zur Anzeige der Meßergebnisse angeordnet. Ohne den zusätzlichen Ultraschallgeber 82 kann mit dem Handgerät z.B. auch in Reflexion oder - z.B. bei niedrigerer Frequenz — in bogenförmiger Transmission gemessen werden.Fig. 8 shows a device for measuring lung function in training as a handheld device 81. This embodiment is based on the same measuring principles already described above. The handheld device can be used on an outpatient basis for short-term local examination of the lung. The ultrasound transmitter 82 with a transmitter 42 is connected by a control and data line 83 to the main device 84, in which the control and evaluation means are accommodated. The support device 85 formed on the side of the main device 84 accommodates an array of four receivers 21, only two of which are shown in the side view. The support device 85 is made of a sound-absorbing material and is typically up to 20 cm in diameter. A soft coupling coating 86 is provided on its contact side. A display 87, which can be read from the outside, is arranged on the main device 84 for displaying the measurement results. Without the additional ultrasonic transmitter 82, e.g. also in reflection or - e.g. at lower frequency - can be measured in arcuate transmission.
Anhand der in den Figuren 9a bis 9c gezeigten Prinzipdarstellungen soll nachfolgend beschreiben werden, wie sich die empirisch festgestellten rhythmischen Veränderungen eines Ultraschallsignales erfindungsgemäßer Frequenz erklären lassen. Es sind jeweils horizontale Schnitte durch einen menschlichen Oberkörper gezeigt. Die dunkelgrauen Pfeile stellen den Weg eines Ultraschallsignales dar, wobei die Pfeildicke die Intensität des Ultraschallsignales angibt. Das sich im Körper ausbreitende Ultraschallsignal ist mit dunkelgrauen Pfeilen angedeutet,
das aus dem Körper austretende Signal mit schwarzen Pfeilen. Die auf der Au- ßenumfangsfläche des Körpers anliegenden Sender bzw. Empfänger sind zur Vereinfachung hier weggelassen, sie könnten z.B. genau wie in Fig. 5 gezeigt angeordnet sein.The principle representations shown in FIGS. 9a to 9c are used to describe below how the empirically determined rhythmic changes in an ultrasound signal of the frequency according to the invention can be explained. Horizontal sections through a human torso are shown. The dark gray arrows represent the path of an ultrasound signal, the arrow thickness indicating the intensity of the ultrasound signal. The ultrasound signal propagating in the body is indicated by dark gray arrows, the signal emerging from the body with black arrows. The transmitters or receivers which rest on the outer circumferential surface of the body are omitted here for the sake of simplicity, for example they could be arranged exactly as shown in FIG. 5.
In Fig. 9a wird ein Ultraschallsignal in das Herz eines Patienten eingestrahlt. Von dort breitet sich das Signal mit geringer werdender Intensität radial nach außen aus und dringt auch in die beiden Lungenflügel des Patienten ein. Nach Durchlaufen der Lunge tritt ein Signal aus dem Körper aus, und kann durch entsprechende Ultraschallempfanger gemessen werden.9a, an ultrasound signal is radiated into the heart of a patient. From there the signal spreads radially outwards with decreasing intensity and also penetrates into the patient's two lungs. After passing through the lungs, a signal emerges from the body and can be measured by appropriate ultrasound receivers.
In den Lungen sind mit weißen Kreisflächen Lungenbläschen angedeutet, die Alveolar-Trauben. In Fig. 9a ist die Lunge im ausgeatmeten Zustand gezeigt, das heißt die Alveolen haben einen etwas kleineren Durchmesser (hier übertrieben dargestellt). In der Praxis wird man eine Verteilung an Alveolendurchmessern haben. Das Grundprinzip trifft aber gleichwohl auf alle Alveolen zu.In the lungs, the alveolar grapes are indicated by white circles. 9a shows the lungs in the exhaled state, that is to say the alveoli have a somewhat smaller diameter (exaggerated here). In practice you will have a distribution of alveolar diameters. However, the basic principle applies to all alveoli.
In Fig. 9b ist die Lunge im eingeatmeten Zustand gezeigt. Der Durchmesser der Alveolen hat sich dadurch vergrößert, und mit dieser Größenänderung auch den Wechselwirkungsquerschnitt mit dem Ultraschallsignal. Gegenüber der Fig. 9a wird ein größerer Teil des eingestrahlten Signals abgeschwächt z.B. durch Absorption, das heißt das den Körper in Fig. 9b verlassende Signal ist von geringerer Intensität als bei der in Fig. 9a skizzierten Situation. Die vorgenannte Erläuterung gilt für Frequenzbereiche, in denen die Wechselwirkung mit gefüllten Alveolen aufzufinden ist. Andere Frequenzen, bei denen eine solche Wechselwirkung mit den Alveolen kaum stattfindet, zeigen entsprechend auch kaum Änderungen beim Ein- und Ausatmen. Änderungen können dann aber z.B. aus einer atmungsmodulierten Lungendichte resultieren.
In Fig. 9c ist die Lunge nach Fig. 9b gezeigt, das heißt im eingeatmeten Zustand, wobei im linken Lungenflügel (ventral in Körperrichtung betrachtet) eine Lungenanomalie vorliegt, z.B. eine Atelektase, die als dunkelgraue Kreisfläche mit darin angeordneten kleineren hellgrauen Kreisflächen dargestellt ist, die die Alveolen in diesem Lungenbereich schematisiert andeuten. Die Anomalie dieses Lungenbereiches äußert sich dadurch, daß bei Einatmung die darin befindlichen Alveolen nicht belüftet werden, und daher ihren Durchmesser nicht verändern. Der Bereich bleibt statisch während der Atemzyklen. Für das aus dem Körper austretende Signal bedeutet das, daß der Ultraschallsignalanteil, der den geschädigten Lungenbereich durchläuft, weniger stark oder überhaupt nicht mit dem Atemrhythmus moduliert, angedeutet durch die im Bereich der Anomalie aus dem Körper austretenden Pfeile, die gegenüber den entfernt von der Anomalie aus dem Körper austretenden Pfeilen intensitätsstärker sind. Auf dem Körper aufliegende Empfänger werden also in der Nähe der Anomalie eine geringe oder gar keine Signalmodulation feststellen, während entfernt davon angebrachte Empfänger eine höhere Modulationstiefe messen werden. Gleichermaßen trifft dies auch auf das Laufzeitverhalten des Ultraschallsignales zu oder andere Parameter, die von der Art des Lungengewebes und dessen Änderung beim Atmen beeinflußt werden. Auch diese Parameter können für die Auswertung der Messungen herangezogen werden.In Fig. 9b the lung is shown in the inhaled state. As a result, the diameter of the alveoli has increased, and with this change in size, the interaction cross section with the ultrasound signal. Compared to FIG. 9a, a larger part of the irradiated signal is attenuated, for example by absorption, that is to say the signal leaving the body in FIG. 9b is of a lower intensity than in the situation outlined in FIG. 9a. The above explanation applies to frequency ranges in which the interaction with filled alveoli can be found. Other frequencies, at which such an interaction with the alveoli hardly takes place, show hardly any changes when inhaling and exhaling. Changes can then result, for example, from a breath-modulated lung density. 9c shows the lungs according to FIG. 9b, that is to say in the inhaled state, with a lung abnormality present in the left lung (viewed ventrally in the body direction), for example an atelectasis, which is shown as a dark gray circular area with smaller light gray circular areas arranged therein, which schematically indicate the alveoli in this area of the lungs. The abnormality of this area of the lungs manifests itself by the fact that the alveoli inside are not aerated when inhaled and therefore do not change their diameter. The area remains static during breathing cycles. For the signal emerging from the body, this means that the portion of ultrasound signals that passes through the damaged lung area modulates less or not at all with the rhythm of breathing, indicated by the arrows emerging from the body in the area of the anomaly, compared to those away from the anomaly arrows emerging from the body are more intense. Receivers resting on the body will therefore notice little or no signal modulation in the vicinity of the anomaly, while receivers located away from it will measure a greater depth of modulation. This also applies to the transit time behavior of the ultrasound signal or other parameters that are influenced by the type of lung tissue and its change during breathing. These parameters can also be used to evaluate the measurements.
In den gezeigten Beispielen könnte dort wo Empfänger angeordnet sind auch Sender angeordnet sein, und umgekehrt dort wo Sender gezeigt sind auch Empfänger angebracht sein. Die Meßanordnung ist prinzipbedingt umkehrbar.
In the examples shown, transmitters could also be arranged where receivers are arranged, and vice versa where receivers are shown, receivers could also be arranged. The measuring arrangement is reversible in principle.