DE1791191B2

DE1791191B2 - Gerät zur Ermittlung der Blutflußge schwindigkeit

Info

Publication number: DE1791191B2
Application number: DE1791191A
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Fahrbach
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1968-09-28
Filing date: 1968-09-28
Publication date: 1974-01-31
Also published as: US3675192A; FR2019105A1; DE1791191C3; GB1254918A; DE1791191A1; NL6914651A

Description

1

quenzabständen Δ f eine mittlere Frequenz /_mlUeI nach der Beziehung

/mittel =

errechnet.

Der erfindungsgemäßen Lösung gingen umfangreiche Untersuchungen und Überlegungen voraus, weshalb die bekannten Geräte unrichtige Meßergebnisse liefern. So wurde beispielsweise gefunden, daß die bekannten Geräte bei rein turbulenter Strömung gut mit den wirklichen Werten übereinstimmende Meßergebnisse liefern. Auf Grund dieser Tatsache und des Umstandes, daß bei rein turbulenter Strömung fast über den gesamten Gefäßquerschnitt annähernd gleiche Geschwindigkeit herrscht, wurde die Auffassung bestätigt, daß während einer Pulsation offensichtlich im Gefäß nicht reine Turbulenz herrscht und daß die Fehlmessungen der bekannten Geräte diesem Umstand nicht Rechnung tragen. Genauere Untersuchungen bestätigten, daß sich während einer Pulsation das Strömungsprofil (Geschwindigkeitsverteilung über dem Gefäßquerschnitt) des strömenden Blutes tatsächlich dauernd wandelt. Der erfindungsgemäßen Lösung lag ausgehend davon die Erkenntnis zugrunde, daß genauere Messungen nur dann möglich sind, wenn diese Gegebenheit auch meßtechnisch berücksichtigt wird. Die Erfassung und ausreichend genaue Auswertung des momentanen Strömungsprofils schien jedoch nur mit unvertretbar großem Aufwand möglich zu sein.

Das Wesen der Erfindung liegt darin, mit der erfindungsgemäßen Lösung dennoch einen technisch relativ wenig aufwendigen Weg für die quantitative genaue Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit bei sich rasch und beträchtlich stark ändernden Strömungsprofilen gefunden zu haben. Die erfindungsgemäße Lösung trägt nämlich auf einfachste Weise der Tatsache Rechnung, daß bei einer Strömung mit beliebigem Strömungsprofil von jedem strömenden Teilchen eine der Geschwindigkeit dieses Teilchens entsprechende Doppier-Frequenzverschiebung verursacht wird, daß der Ultraschallempfänger also ein Frequenzgemisch empfangen wird, wobei die von stehenden Teilchen reflektierte Frequenz der Sendefrequenz entsprechen und die vom schnellsten Teilchen reflektierte Frequenz die größte Abweichung von der Sendefrequenz zeigen wird. Entsprechend der Mengs von Teilchen gleicher Geschwindigkeit wird daher die von diesen Teilchen reflektierte Energie eine bestimmte Spitzenintensität aufweisen. Durch die Aufspaltung unmittelbar der empfangenen Echosignale oder der Dopplersignale in einzelne Frequenzkomponenten mittels einer Vielzahl von Filtern sowie mit den erfindungsgemäß vorgesehenen Peak-Detektoren ist es einmal möglich, die Spitzenintensität einzelner Frequenzkomponenten aus dem jeweiligen Frequenzgemisch zu ermitteln. Zum anderen ergibt sich aus der nachfolgenden Verrechnung der ermittelten Werte in de^r erfindungsgemäßen Recheneinrichtung nach der beschriebenen Weise ein gewichteter Mittelwert der Frequenz, der für Frequenzanteile aus dem Dopplersigna! unmittelbar und für Frequenzanteile aus dem ursprünglichen Empfangssignal nach Abzug von der Sendefrequenz ein sofortiges exaktes Maß für die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Blutes abgibt. Unter »mittlerer Geschwindigkeit« wird dabei verstanden die auf den Querschnitt des Gefäßes bezogene Durchflußmenge pro Zeiteinheit.
Die Verwendung von Filtern zur Aufspaltung des Spektrums empfangener Ultraschallwellen ist an sich durch die USA.-Patentschrift 3 121 856 vorbekannt. Bei dem dort beschriebenen Gerät handelt es sich jedoch einerseits nur um ein einfaches Sonarsystem

ίο zum Erfassen der Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung nicht medizinischer Objekte, d. h. nicht um ein Gerät zum Messen der Geschwindigkeit strömenden Blutes. Andererseits dienen die im Gerät nach der USA.-Patentschrift verwendeten Filter lediglich zur Verbesserung des Nutzsignal-Rausch-Verhältnisses bei den empfangenen Ultraschallsignalen, nicht jedoch zur Aufspaltung eine^ empfangenen Frequenzgemiscues in einzelne Frequenzkomponenten zum Zwecke einer nachfolgenden Spitzenwertmessung de-

ao ren Intensität mittels " eak-Detektoren sowie einer anschließenden speziellen Verrechnung der Spitzenwerte sowie der Resonanzfrequenzen der Filter und gegebenenfalls auch deren Frequenzabstände zu einer mittleren Frequenz, die ein exaktes Maß für die mitt-

*5 lere Blutflußgeschwindigkeit abgeben soll. Das Gerät nach der USA.-Patentschriift unterscheidet sich demnach sowohl aufgaben- als auch lösungsmäßig vom vorliegenden Erfindungsgegenstand.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dienen als Multiplikationsglieder zur Multiplikation der Spitzenintensitäten mit den Resonanzfrequenzen der zugehörigen Filter vorzugsweise Proportionalitätsglieder, die jeweils auf einen der Resonanzfrequenz des zugehörigen Filters proportionalen Wert einstellbar sind. Als Proportionalitätsglieder sinci hierbei zweckmäßig einstellbare Potentiometer verwendet. In einer weiteren vorteilhrften Ausgestaltung der Erfindung ist außerdem am Ausgang der Recheneinrichtung ein Anzeige- oder Registriergerät für die der mittleren Blutflußgeschwindigkeit proportionale Größe angeschlossen. Schließlich ist es zweckmäßig, zur Ermittlung bestimmter Frequenzkomponenten unmittelbar innerhalb des Frequenzspektrums der Dopplersignale bei einem erwarteten Frequenzspektrum von / = 6000 Hz vorzugsweise zwölf Filter zu verwenden, deren Resonanzfrequenzen sich jeweils um einen bestimmten, vorzugsweise gleichbleibenden Betrag von Δ f = 500 Hz voneinander unterscheiden. Die Ermittlung der Frequenzkomponenten aus dem Dopplersignal ist hierbei von Vorteil, weil sich die erforderlichen Resonanzfilter genauer auf kleine Frequenzen abstimmen lassen als auf von der Sendefrequenz nur wenig verschiedene Frequenzen.

Einzelheiten und weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend an Hand eines AusführungsbeispieLs an 2 Figuren erläutert. Es zeigt
F i g. 1 ein Blockschaltbild der Erfindung,
Fig. 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild der Erfindung.

In diesen Blockschaltbildern ist gezeigt, daß der Ultraschall-Sende-Empfänger 1 vom Hochfrequenzgenerator 2 mit der Frequenz/_s (= 5 MHz) versorgt wird. Der Ultraschall-Sende-Empfänger nimmt die vom nicht dargestellten beschallten Blutgefäß zuriick-

kehrenden Echos (j_F) unterschiedlicher Frequenz auf und gibt sie an das Differenzglied (Demodulator) 3 weiter, welches die Differenz /p = /_e — f_s bildet. Am Ausgang des Differenzgliedes wird also ein Frequenz-

gemisch anstehen, dessen Intensitätsverteilung die dukte werden einerseits alle dem Summierglied 7 zuForm haben kann, wie sie in den beiden graphischen geführt und andererseits einzeln in weiteren MultiDarstellungen am Ausgang des Differenzgliedes 3 in pliziergliedern 8 α... 8 η jeweils mit der Resonanzfreder F i g. 1 dargestellt ist. Die geringste Frequenz quenz /„, /&.../„ der entsprechenden zugehörigen Re- (J_n — o) rührt dabei von den langsamsten (stehen- 5 sonanzfilter multipliziert. Die dort erhaltenen Proden) Blutkörperchen im untersuchten Gefäß her, und dukte werden einem zweiten Summierglied 9 zugedie obere Grenzfrequenz Jd max stammt von den führt, welches über das Dividierglied 10 mit dem erschnellsten Blutkörperchen. Die graphischen Darstel- sten Summierglied 7 verbunden ist. Am Ausgang 11 lungen zeigen also die Intensität S der einzelnen Fre- des Dividiergliedes kann dann eine der mittleren Gequenzen des Frequenzgemisches. Dieses Frequenzge- io schwindigkeit ν proportionale Größe abgenommen misch wird den Filtern 4 α, 4 b, 4 c... 4 η zugeführt, und gegebenenfalls einem Anzeige- oder Registrierderen Resonanzfrequenz sich jeweils um den gleichen gerät zugeführt werden.

Betrag Δ f unterscheidet und beim Ausführungsbei- Die oben angegebene Gleichung für j_DmHM kann

spiel, welches zwölf Resonanzfilter vorsieht, vereinfacht werden, wenn — wie geschehen — der

Δ /=500 Hz beträgt. In den Figuren sind der Über- »s Frequenzabstand der Filter jeweils gleich groß ge-

sichtlichkeit wegen nur die ersten drei und das letzte wählt ist, so daß

Filter dargestellt (4a, 4b, 4c... 4n); das gleiche gilt _{Γ Β} , . _n

für die später noch beschriebenen Glieder 5a, Sb, /d mittel = £(S„...« ■ /ο... η) : ΣS₀

5c. ..Sn; 6a, 6b, 6c...6n; 8a, 8b, 8c. ..8n; 12a, ι« \ [«

12b, 12c... 12η sowie/, _{6 c}...„. Durch die Peak- ao ist.

Detektoren5a, Sb, Sc...Sη wird festgestellt, welche Dementsprechend können, wie in Fig.2 gezeigt,

Amplitude die durch die Filter ausgewählte Frequenz die nur in F i g. 1 vorhandenen Multiplizierglieder

aus dem Frequenzgemisch hat. Es ist leicht einzu- 6a...6η entfallen. Die Multiplizierglieder 8a.. .8n

sehen, daß die der mittleren Geschwindigkeit ν im nach Fig. 1 können durch Potentiometer (Span- _s

Blutgefäß entsprechende mittlere Dopplerfrequenz as nungsteiler) 12 s... 12 η ersetzt werden, deren einge- ;

stellter Wert lediglich ein Maß für die Größe der ein- »

Σ (S η · fa η) Δ/ zelnen Resonanzfrequenzen /„ „ der Filter sein «

, _ a ""·" ■"·■·" _muß

/Dmittei — ■ „ Gemäß dieser Vereinfachungen sind also in

Σ So... η · Δ/ 3o F i g. 2 die Peak-Detektoren einerseits direkt mit dem *

ersten Summierglied 7 und andererseits über die Po- ;_

ist, wobei S₀ .„ die von den Peak-Detektoren er- tentiometer 12 a.. .12η mit dem zweiten Summier- t

mittelten Intensitäten bestimmter, von den Resonanz- glied 9 verbunden. Dem Divisionsglied 10 ist ein zur I

filtern ausgewählter Frequenzen sind, /„ „ die je- Eichung bestimmtes, als Potentiometer ausgebildetes i

weilige Frequenz des zugehörigen Resonanzfilters be- 35 Einstellglied (nicht dargestellt) zugeordnet. f

deutet und Δ j den Frequenzabstand der einzelnen Auch diese verhältnismäßig einfache Schaltung ι

Filter angibt, der jeweils gleich groß gewählt ist. nach F i g. 2 ermöglicht die fortlaufende Ermittlung |

fo mittel ^{ist aber} gleichzeitig das Maß für die gesuchte der bisher nicht erfaßbaren momentanen mittleren *

mittlere Geschwindigkeit v. Dieser Gleichung wird Geschwindigkeiten von strömenden Medien mit sich f.

durch die weitere Schaltung Rechnung getragen, in- 40 ändernden Geschwindigkeitsprofilen. Das erfindungs- i

dem die von den Peak-Detektoren jeweils gelieferte gemäße Gerät ist nicht nur für seinen speziellen Ver- ·

Ausgangsgröße in Multipliziergliedern6α, 6b, 6c... wendungszweck — der Ermittlung der Blutflußge-

6 η mit dem Frequenzabstand Δ f der einzelnen Reso- schwindigkeit — geeignet, sondern universell für die

nanzfilter multipliziert wird. Die so ermittelten Pro- Messung strömender, insbesondere flüssiger Medien.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 bleibenden Betrag von Λ f = 500 Hz voneinander „ .. . unterscheiden. Patentansprüche:

1. Gerät zur Ermittlung der Blutflußgeschwin- 5

digkeit in Blutgefäßen mittels der Ultraschall-

Dopplereffekt-Methode, mit einem Ultraschall-Sender sowie einem Empfänger für die Aufnahme
des am strömenden Blut reflektierten Ultraschalls

und unter Verwendung einer Vielzahl von Filtern io Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gemit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen zum rät zur Ermittlung der Blutflußgeschwindigkeit in Erfassen von bestimmten Frequenzkomponenten Blutgefäßen mittels der Ultraschall-Dopplereffektentweder innerhalb des Frequenzspektrums des Methode, mit einem Ultraschall-Sender sowie einem reflektierten Ultraschalls oder bei sofortiger Dif- Empfänger für die Aufnahme des am strömenden ferenzbildung zwischen Sende- und Empfangsfre- 15 Blut reflektierten Ultraschalls und unter Verwendung quenz innerhalb des Frequenzspektrums des Dif- einer Vielzahl von Filtern mit unterschiedlichen Referenzsignals sowie mit Mitteln zur Bestimmung sonanzfrequenzcn zum Erfassen von bestimmten Freeiner der Blutflußgeschwindigkeit proportionalen quenzkomponenten entweder innerhalb des Frequenz-Größe aus den jeweils erfaßten Frequenzkompo- spektrums des reflektierten Ultraschalls oder bei sonentea, dadurch gekennzeichnet, daß ao fortiger Differenzbildimg zwischen Sende- und Empjedem Filter (4) ein Peak-Detektor (5) nachge- fangsfrequenz innerhalb des Frequenzspektrums des schaltet ist, der den Spitzenwert (S_a „) der In- Differenzsignals sowie mit Mitteln zur Bestimmung tensität der am jeweiligen Filterausgang anfallen- einer der Blutflußgeschwindigkeit proportionalen den Frequenzkomponenten mißt, und daß den Größe aus den jeweils erfaßten Frequenzkompo-Peak-Detektoren 5 eine Multiplizier-, Summier- as nenten.

sowie Dividierglieder (6 a... 6n, 7, 8 a.... 8«, 9, Ein bekanntes Gerät zur Ermittlung der Blutfluß-10) enthaltende Recheneinrichtimg nachgeschal- geschwindigkeit mittels der Ultraschall-Dopplereffekttet ist, die aus den gemessenen Spitzenintensi- Methode (britische Patentschrift 1 127116) arbeitet täten (S_a . „), den Resonanzfrequenzen (/„... „) in der Weise, daß die von einem piezoelektrischen der zugehörigen .Tilter (4) sowie bei gegebenen- 30 Schwinger ausgesandte Uitraschallenergie bestimmter falls unterschiedlich großen Frequenzabständen Frequenz (f_s) auf das zu untersuchende Blutgefäß gezwischen den Resonanzfrequenzen der einzelnen richtet wird und daß die an dem strömenden Blut Filter auch aus den unterschiedliden Frequenz- reflektierte Ultraschallenergie von einem Ultraschallabständen A f eine mittlere Frequenz/_miUel nach empfänger, der identisch sein kann mit dem piezoder Beziehung 35 elektrischen Sendeschwinger, aufgenommen wird,

welcher seine elektrischen Ausgangssignale einer

η Schaltung zur weiteren Verarbeitung zuführt. Diese

Σ(5_α..._η -fa...η)df Schaltung enthält ein Glied zur BiHung der Diffe-

/mittei = ——;; renz (j_D) zwischen der empfangenen Frequenz (f_E)

Σ S_a ... η · Af 4o und der Sendefrequenz (J.) sowie ein Glied zur Um-

" Setzung der Differenzfrequenz (f_D) in eine dieser Fre-

errechnet. <■ quenz proportionale Ausgangsgleichspannung, die ein

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Maß für die zu ermittelnde Blutflußgeschwindigkeit zeichnet, daß als Multiplikationsgüeder (9 a.. .Sn darstellt. Die mit solchen bekannten Geräten ermit- oder 12 a ... 12 n) zur Multiplikation der Spitzen- 45 telten Flußgeschwindigkeiten weichen von der wirkintensitäten (S₀... „) mit den Resonanzfrequenzen liehen Geschwindigkeit häufig derart weit ab — ins-(/„...„) der zugehörigen Filter (4 a... 4 n)Propor- besondere werden bäufig zu geringe Werte getionalitätsglieder dienen, die jeweils auf einen der messen — daß diese Geräte für die quantitative BeResonanzfrequenz des zugehörigen Filters pro- Stimmung der Blutflußgeschwindigkeit in der Medizin portionalen Wert einstellbar sind. 50 nicht gut brauchbar sind.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekenn- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, zeichnet, daß die Proportionalitätsglieder als ein- ein Gerät zu schaffen, welches unter Beibehaltung der stellbare Potentiometer (12a... 12n) ausgebildet Meßmethode mittels Ultraschall-Dopplereffekt gesind, nauere Meßwerte liefert und damit für die Anwen-

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 55 dung in der Medizin brauchbar wird.

dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-

(11) der Recheneinrichtung (6a.. .6/j, 7, 8a... löst, daß bei einem Gerät der eingangs genannten Art

8n, 9, 10) ein Anzeige- oder Registriergerät für jedem Filter ein Peak-Detektor nachgeschaltet ist, der

die der mittleren Blutflußgeschwindigkeit (v) pro- den Spitzenwert (S₀ „) der Intensität der am jewei-

portionale Ausgangsgröße angeschlossen ist. 60 ligen Filterausgang anfallenden Frequenzkomponen-

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ten mißt, und daß den Pcak^Detektoren eine MuI tidadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung be- plizier-, Summier- sowie Dividierglieder enthaltende stimrnter Frequenzkomponenten unmittelbar in- Recheneinrichtung nachgeschaltet ist, die aus den generhalb des Frequenzapektfums der Doppler- messenen Spitzenintensitäten (S_0-4 „),den Resonanzsignale bei einem erwarteten Frequenzspektrum 65 frequenzen (/„... „) der zugehörigen Filter sowie bei von / = 6000 Hz vorzugsweise zwölf Filter ver- gegebenenfalls unterschiedlich großen Frequenzabwendet sind, deren Resonanzfrequenzen sich je- ständen zwischen den Resonanzfrequenzen der einweils um einen bestimmten, vorzugsweise gleich- zelnen Filter auch aus den unterschiedlichen Fre-