CH562451A5

CH562451A5 -

Info

Publication number: CH562451A5
Application number: CH233273A
Authority: CH
Original assignee: Hoffmann La Roche
Priority date: 1973-02-16
Filing date: 1973-02-16
Publication date: 1975-05-30

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung eines Geschwindigkeitsprofils eines fliessenden Fluids (wie einer Flüssigkeit, z. B. von Blut, oder eines Gases, z. B. von Luft), bei der das Fluid mit gepulsten Wellen bestrahlt wird und aus den empfangenen vom Fluid reflektierten Wellen Echosignale abgeleitet werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ultraschall-Doppelverfahren werden bereits seit einiger Zeit zur Messung von Durchflussgeschwindigkeiten verwendet.

Das Grundprinzip dieser Geräte ist das folgende:
Ultraschallwellen werden auf ein bewegtes Fluid eingestrahlt und die von Streuzentren reflektierten Wellen werden von einem Ultraschallwandler empfangen. Wenn sich das Fluid bewegt, so haben die empfangenen Wellen eine Frequenz, die verschieden von der Sendefrequenz ist. Die Grösse dieser Frequenzverschiebung, der sogenannten Doppler-Frequenzverschiebung, ist dabei proportional zur Geschwindigkeit des Fluids. Somit kann durch Messung der Doppler-Frequenzverschiebung die Durchflussgeschwindigkeit bestimmt werden.

Bei den einfachsten Doppler-Durchflussgeschwindigkeitsmessgeräten wird von einem Ultraschallwandler eine kontinuierliche Ultraschallwelle ausgesendet und das reflektierte Signal von einem zweiten Wandler empfangen (z. B. P.N.T.

Wells, Physical Principles of Ultrasonic Diagnosis > , Academic Press, London, New York 1969, pp. 193-209).

Dabei erhält man ein Spektrum von Doppler-Frequenzverschiebungen, die den verschiedenen Werten der Punktgeschwindigkeit des Fluids entlang des Ultraschallstrahles entsprechen. Die Information über die räumliche Verteilung dieser Punktgeschwindigkeiten geht dabei verloren.

Bei einem weiterentwickelten Gerät (z. B. P. Peronneau, J.

Hinglais, M. Pellet & F. Leger: Vélocimètre sanguin par effet Doppler à emission ultra-sonore pulsee , L'Onde Electrique, Vol. 50, Fasc. 5, 369-389, Mai 1970) wird eine gepulste Ultraschallwelle verwendet. Man betrachtet die reflektierte Welle nur während einer kurzen Zeit zu einem bestimmten Zeitpunkt nach dem Senden des Pulses. Das heisst, dass man nur das Echo von einem Punkt in einem bestimmten Abstand vom Ultraschallwandler betrachtet und man die Geschwindigkeit an einem bestimmten Punkt der Strömung erhält. Vielfach interessiert aber das Geschwindigkeitsprofil, d. h. die Geschwindigkeit als Funktion des Abstandes vom Wandler. Dieses Geschwindigkeitsprofil kann zwar mit dem soeben beschriebenen Gerät gemessen werden.

Dies ist aber sehr zeitraubend, da das Geschwindigkeitsprofil Punkt für Punkt gemessen werden muss.

In einem daraus weiterentwickelten Gerät (z. B. F.D.

McLeod, M. Anliker, A Multiple Gate Pulse Doppler Flowmeter > , 1971 IEEE Ultrasonics Symposium, Miami Beach, Florida.) werden auf der Empfangsseite n parallele Kanäle verwendet, und man erhält so ein Geschwindigkeitsprofil mit n Geschwindigkeitswerten. Es ist klar, dass ein solches Gerät sehr komplex wird, wenn man eine vernünftige Auflösung des Geschwindigkeitsprofils in zum Beispiel 1020 Geschwindigkeitswerte verlangt.

Allen bisher beschriebenen Verfahren ist gemeinsam, dass die Dopplerfrequenz dadurch erhalten wird, dass man das empfangene Signal mit einer Spannung mischt, die vom Sendeoszillator erhalten wird. Diese Spannung hat die Sendefrequenz.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches mit kleinerem apparativen und zeitlichen Aufwand die schnelle Ermittlung eines Geschwindigkeitsprofil eines Fluids ermöglicht.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung jeder Punktgeschwindigkeit des Geschwindigkeitsprofils mindestens eine Laufzeitdifferenz zwischen reflektierten Wellen, die durch verschiedene Sendeimpulse erzeugt werden und eine annähernd gleiche Laufzeit aufweisen, gemessen wird.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Messung eines Geschwindigkeitsprofils eines fliessenden Fluids, die einen Sender zur Bestrahlung des Fluids mit gepulsten Wellen und einen Empfänger, der die vom Fluid reflektierten Wellen empfängt und aus diesen abgeleitete Echosignale abgibt, enthält, gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Messung der Laufzeitdifferenz zwischen reflektierten Wellen, die durch verschiedene Sendeimpulse erzeugt werden und eine annähernd gleiche Laufzeit aufweisen.

Nähere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachstehenden an Hand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen.

Hierbei zeigt:
Fig. 1 Das Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchfüh- rung des erfindungsgemässen Verfahrens.

Fig. 2 Ein Diagramm zur Darstellung der gesendeten Signale und der Echosignale.

Fig. 3a Ein Diagramm zur allgemeinen Darstellung des Ausgangssignals der Vorrichtung der Fig. 1.

Fig. 3b Ein Diagramm zur Darstellung eines Sonderfalles der in Figur 3a dargestellten Funktion.

Fig. 4 Das Blockschaltbild einer ersten Variante der in Fig.

1 1 dargestellten Vorrichtung.

Fig. 5 Ein Diagramm zur Darstellung eines Einzelfalles der das Ausgangssignal der Vorrichtung der Fig. 4 darstellenden Funktion.

Fig. 6 Das Blockschaltbild einer zweiten Variante der in Fig.

1 1 dargestellten Vorrichtung.

Fig. 7 Das Blockschaltbild einer Variante der in Fig. 6 dargestellten Vorrichtung.

Fig. 8 Ein Vektordiagramm zur Darstellung eines Vektors, D(t), dessen zeitliche Drehung durch die Punktgeschwindigkeit Vx bestimmt ist.

Fig. 9 Ein Diagramm zur Darstellung der Funktion r act-T,I Flg. 10 Ein Diagramm zur Darstellung eines Sonderfalles des Ausgangssignals der in Flguren 6 und 7 dargestellten Vorrichtungen.

Fig. 11 Das Blockschaltbild einer dritten Variante der in Flug. 1 dargestellten Vorrichtung.

Fig. 12 Ein Diagramm zur Darstellung eines Sonderfalles des Ausgangssignals der in Fig. 11 dargestellten Vorrichtung.

Fig. 13 Das Blockschaltbild einer Variante der in Fig. 11 dargestellten Vorrichtung.

Fig. 14 Ein Diagramm zur Darstellung eines Sonderfalls des Ausgangssignals der in Fig. 13 dargestellten Vorrichtung.

Mit der in Figur 1 dargestellten Messeinrichtung wird ein Geschwindigkeitsprofil der durch ein Rohr 1 fliessenden Flüssigkeit 2 ermittelt.

Die Messvorrichtung besteht aus den folgenden Elementen.

Ein Ultraschallwandler 3 für Senden und Empfang, der eine günstige Lage zur Bestrahlung der fliessenden Flüssigkeit aufweist, und der mit einem gepulsten Sender 4 und dem Eingang zu einem Verstärker 5 verbunden ist.

Ein Mischer 7, der mit einem Referenzoszillator 8 und über den Begrenzer 6 mit dem Verstärker 5 verbunden ist. Ein Filter 9, der den Ausgang des Mischers 7 mit den Eingängen zu einer Verzögerungsleitung 10 und zu einem Phasenverschieber 11 verbindet. Ein Multiplikator 12, der mit den Ausgängen dieser beiden Einheiten und mit einem Tiefpassfilter 13 verbunden ist.

Die Funktionsweise dieser Messvorrichtung kann wie folgt erläutert werden.

Der gepulste Sender 4 (Fig. 1) erregt den Ultraschall- wandler 3 mit einem Signal a, das aus kurzen Pulsen der Kreisfrequenz QO besteht. Die Wiederholungsperiode dieser Pulse ist T. Das gesendete Signal a ist in der Figur 2a dargestellt. Der Ultraschallwandler sendet einen Ultraschallimpuls, der sich in der Flüssigkeit 2 mit einer Geschwindigkeit c fortpflanzt. Punkt P stellt ein Streuzentrum der schallstreuenden Flüssigkeit dar, Vdie Geschwindigkeit dieses Punktes und Vx die Projektion dieser Geschwindigkeit auf eine Achse, die parallel zur Schallfortpflanzungsrichtung liegt. Der Abstand zwischen P und dem Wandler ist x.

Das elektrische Signal, das dem Wandler während der Sendephase angelegt ist, ist ein kurzer Impuls mit der Kreisfrequenz QO. Während der Dauer dieses Sendeimpulses kann man das Signal a so schreiben: a=aO sinQOt (1) mit aO = Amplitude des Signals
Vom Punkt P der schallstreuenden Flüssigkeit empfängt der Ultraschallwandler ein Echosignal: a'=a10sinQ0(t-t) (2)
Dieses Signal ist in der Figur 2b dargestellt. Die Verzögerung T ist die Laufzeit des Schallimpulses auf der Strecke Wandler-P und zurück.

Diese Laufzeit ist gegeben durch:
EMI2.1

Wenn P sich bewegt, ist diese Laufzeit r zeitabhängig. Ihre Ableitung nach der Zeit kann man so schreiben:
EMI2.2

Das Echosignal a' wird dann verstärkt durch den Verstärker 5 und begrenzt durch den Begrenzer 6 in der Figur 1.

Die Phasenverschiebung des Verstärkers 4 und des Begrenzers 6 soll unabhängig von der Amplitude des Eingangssignals sein. In den folgenden Rechnungen wird angenommen, diese Phasenverschiebung sei null; diese Annahme begrenzt indessen die Gültigkeit der Rechnungsergebnisse nicht. Es wird auch angenommen, dass die Amplitude des vom Begrenzer abgegebenen Signals gleich 1 sei. Man hat dann a" = sinQO (t-r) (5)
Der Referenzoszillator 8 gibt ein Referenzsignal b mit einer Kreisfrequenz Q,: b = sin Qlt (6)
Auch hier ist es zweckmässig, für die Rechnung die Amplitude des Signals b gleich 1 zu wählen. Die Annahme, die Amplitude der Signale a" und b sei gleich 1, begrenzt die Gültigkeit der Rechnungsergebnisse nicht.

Die Signale a" und b werden zunächst in dem Mischer 7 gemischt. Am Ausgang dieser Mischstufe erhält man folgendes Signal:
EMI2.3

Dieses Signal d enthält zwei Frequenzbänder. Der Filter 9 lässt nur eines von diesen durch, z. B. das niedrigere Frequenzband. In diesem Fall erhält man am Ausgang des Filters ein Signal:
EMI2.4

Dieses Signal f wird am Eingang der Verzögerungsleitung 10 angelegt. Die Verzögerungszeit dieser Verzögerungsleitung ist gleich der Pulswiederholungsperiode T des gepulsten Senders. Am Ausgang dieser Verzögerungsleitung erhält man also ein verzögertes Signal:
EMI2.5

Durch die Schreibweise rt-r wird die Zeitabhängigkeit der Laufzeit r ausgedrückt.

Das Signal f wird ausserdem in einem Phasenschieber 11 um a phasengeschoben. Von diesem Phasenschieber erhält man also ein Signal:
EMI2.6

Die Signale h und m werden für alle ankommenden Echosignale auf diese Weise gebildet.

Kennzeichnend für das hier beschriebene Verfahren ist, dass einem gegebenen Sendeimpuls entsprechende Signal h mit einem dem nachfolgenden Sendeimpuls entsprechenden Signal m, im Multiplikator 12, multipliziert wird.

Am Ausgang dieses Multiplikators erhält man das Produkt: h.m=X7 (12)
EMI2.7

Der Tiefpassfilter 13 eliminiert das obere Frequenzband dieses Signals n. Wenn der Faktor 1/8 ausser Betracht gelassen wird, erhält man also am Ausgang des Tiefpassfilters ein Signal, in dem als Zeitvariable Grösse nur noch die Laufzeit auftritt:
EMI3.1
Wenn die Bewegung des Punktes P gleichförmig ist, kann man schreiben: Das heisst, nach 4):
EMI3.2

EMI3.3
Nach 14) und 16) kann man also schreiben:
EMI3.4
Figur 3a zeigt eine Darstellung der Gleichung (17).

Aus der Gleichung (17) ist ersichtlich, dass das Signal peine sinusförmige Funktion der Geschwindigkeit eines Punktes P einer schallstreuenden Flüssigkeit darstellt. Werden die Parameter QOW Q1, T und a so gewählt, dass die Bedingung
EMI3.5
mit K = ganze Zahl :°#0 erfüllt wird, dann erhält man nach (17) und (18): + p = - sin 2noT Vx (19)
Figur 3b zeigt die Darstellung der Gleichung (19), wenn die Bedingung (18) mit positiven Vorzeichen erfüllt wird. Aus dieser Darstellung ist es anschaulich, dass die Messvorrichtung der Figur 1 als flussrichtungsempfindlicher Flussgeschwindigkeitsmesser funktionieren kann, wobei die Messung nur für Geschwindigkeiten
EMI3.6
eindeutig ist.

Typische Worte von c, QO und T bei der Messung von Geschwindigkeitsprofilen in Arterien sind: c= 1500 mis QO =2-20 MHz T=vonca. 10 #cs bis einige 100
Da in dem bisher beschriebenen Verfahren das die Geschwindigkeitsinformation tragende Signal durch Bildung des Produktes von zwei anderen Signalen gewonnen wird, werden dieses und die daraus abgeleiteten Verfahren, hier kurz als multiplikative Verfahren bezeichnet.

Obwohl bisher nur die Berechnung der Geschwindigkeit eines einzigen Punktes P beschrieben worden ist, kann man mit diesem Verfahren ein ganzes Geschwindigkeitsprofil des fliessenden Fluids gewinnen, da die Verzögerungsleitung je nach ihrer Kapazität die aufeinanderfolgenden Echos einer Vielzahl von Reflektoren speichert, die entlang des Schallstrahls über die gesamte Breite des fliessenden Fluids verteilt sind. Dies ermöglicht, z. B. ein ganzes Geschwindigkeitsprofil auf dem Schirm eines Kathodenoszillographen darzustellen.

Dabei wird der KO-Strahl durch ein Ablenksignal geeigneter Dauer in der X-Richtung abgelenkt.

Unter Berücksichtigung der Bedingung (18) und durch geeignete Wahl der Werte von #c, Q1, T und o kann man zu verschiedenen Ausführungsformen der Messvorrichtung der Flgur 1 gelangen. Wenn z. B.
EMI3.7

dann erübrigt sich ein Phasenschieber
Eine andere Möglichkeit wäre z. B.:
EMI3.8
Man kann auch ohne Zwischenfrequenz arbeiten (Ql = dadurch könnte man auf Referenzoszillator 8, Mischer 7 und Filter 9 verzichten. In diesem Fall würde man die Bedingung (18) so schreiben:
EMI3.9
Alle bisher erwähnten Varianten der Messvorrichtung in der Fig. 1 bleiben für Q1 =o gültig.

Der Phasenschieber 11 in der Figur 1 kann auch an anderen geeigneten Stellen eingesetzt werden, z.B. vor oder nach der Verzögerungsleitung 10.

Eine wichtige Variante der Messvorrichtung der Figur 1 ist in der Figur 4 dargestellt. In dieser Variante werden die Signale h und m mittels zweier Begrenzer 14 bzw. 15 begrenzt.

Dadurch erhält der Multiplikator 12 rechteckige Signale h' und m', anstatt der sinusförmigen Signale h und m. Man kann beweisen, dass das Ausgangssignal p', am Ausgang des Tiefpass- filters 16, eine dreieckige Funktion von Vx ist. Diese Funktion ist in der Fig. 5, für die Fälle dargestellt, bei denen die Bedin- gung (18) erfüllt wird. Es ist daraus ersichtlich, dass in diesem Fall das Ausgangssignal p' praktisch eine lineare Funktion von Vx, in dem durch (20) definierten Bereich, ist.

In der Anordnung der Figur 4 können auch eine Vielzahl von Änderungen vorgenommen werden. So z.B., können die Begrenzer 14, 15 vor oder nach der Verzögerungsleitung 10 bzw. vor oder nach dem Phasenschieber 11, eingesetzt werden.

Figur 6 zeigt eine weitere Variante der Messvorrichtung der Figur 1. Hier wird die Phasenverschiebung mittels zweier Referenzsignale b und b' aus einem Referenzoszillator 17 erreicht. Diese Signale müssen die gleiche Frequenz haben und eine Phasenverschiebung a zueinander aufweisen.

Eine interessante Ausführung der in Figur 6 dargestellten Anordnung ergibt sich, wenn b und b' die Kreisfrequenz QO haben und eine Phasenverschiebung von z/2 zueinander aufweisen. In diesem Fall liefert der Referenzoszillator 17 also zwei Signale: b = sinQOt (27) b' = cos Qot Auch hier ist es zweckmässig, für die Rechnung die Amplituden gleich 1 zu wählen. Zunächst wird die Funktionsweise dieser Anordnung (Fig. 6) erläutert.

Das Signal a" wird mit b und b' im Mischer 18, beziehungsweise 19, multipliziert. An den Ausgängen dieser Mischer sind folgende Signale vorhanden:
EMI4.1
Diese Signale werden dann durch Tiefpassfilter 20 und 21 abfiltriert, das Frequenzband um 2Qo fällt weg und nur folgende Signale werden durchgelassen:
EMI4.2
Durch die Schreibweise tut wird die Zeitabhängigkeit der Laufzeit r ausgedrückt.

Diese beiden Signale f und g, die am Ausgang des Filters 20 und 21 vorhanden sind, werden dann durch die Verzögerungs (28) leitungen 22 und 23 verzögert. Auch hier ist die Verzögerungszeit gleich der Pulswiederholungsperiode T des Senders. An den Ausgängen der Verzögerungsleitungen sind folgende Signale vorhanden:
EMI4.3
Durch die Einführung von Ttn nach der Gleichung (16) in (30) erhält man:
EMI4.4
Man kann die Signale f und g als Komponenten eines Vektors D betrachten. h und i wären, in diesem Falle, die Komponenten des gleichen Vektors D, aber T Sekunden vorher, d.h.: D (t) = (f,g) (32) D#(t-T) (h,i)
Diese Vektoren sind in der Figur 8 dargestellt.

Die Ände rung des Vektors von Puls zu Puls kann als Drehung des Vektors aufgefasst werden. Die Drehung erfolgt mit der Kreis frequenz w, wobei
EMI4.5
Diese Kreisfrequenz w ist also proportional zur Punktgeschwin digkeit Vx. Die Ermittlung von w und dadurch von Vx kann mittels einer Rechnereinheit 24 in verschiedenen Formen durchgeführt werden.

Man kann z.B. die Geschwindigkeit mit Betrag und Richtung durch Bildung des Vektorproduktes
P = D (t) x D (t-T) (sqg gewinnen, wonach Pz#(t) x # (t - T) = (f,g) x (h,i) (55) und |P-|= fi - gh (36) Die Zwischenprodukte sind:
EMI4.6

EMI5.1
Am Ausgang der Rechnereinheit 24 erhält man in diesem Fall ein Signal
EMI5.2
Aus dieser Gleichung ist ersichtlich, dass auf diese Weise die Geschwindigkeit eines Punktes mit Betrag und Richtung (Vorzeichen) errechnet werden kann.

Das Diagramm der Figur 3b stellt auch die Funktion nach der Gleichung (40) dar.

Die algebraische Länge, P, von#kann auch durch Bildung des Skalarproduktes Xi (t). É(t-T) (41) ermittelt werden, wenn der Vektor E als
E(t"T) = (i, -h) (42) definiert wird.

Es gilt: D(t). E (t-T) = (f,g). (i,-h) = Si - hg - > (43)
Der Betrag und die Richtung der Geschwindigkeit könnten auch separat errechnet werden. Der Betrag zum Beispiel nach der Gleichung:
EMI5.3
da die Amplitude des Differenzvektors [ D(t) - D (t-T) ] proportional zum Winkel wT ist, solange wT klein genug bleibt.

Die Richtung (Vorzeichen) der Geschwindigkeit kann z. B.

durch Bildung eines Vektorproduktes oder mit einem Rich tungskomparator ermittelt werden, der die Richtung von [ i(t) - D(t-T)] mit der Richtung von D(t) oder i(t¯T) oder [ ss(t) + +D(t-T)] vergleichen kann. Figur 9 zeigt |D(t) --D(t-T)l in Funktion von Vx.

Es ist daraus ersichtlich, dass die Messung des Geschwindigkeitsbetrags nur für Geschwindigkeitsbeträge
EMI5.4

Die Referenzfrequenz (Frequenz der Signale des Oszillators 17) in der Anordnung der Figur 6 kann auch verschieden von der Sendefrequenz Q0 sein. Wenn die Referenzfrequenz gleich (QO+ AQ) ist, kann man zeigen, dass mit dem Verfahren nach der Gleichung (44) (Berechnung des Betrags) das folgende Ausgangssignal gewonnen wird:
EMI5.5
Für eine Geschwindigkeit Vx=o ergibt dieses Verfahren ein Ausgangssignal,
EMI5.6
Das Ausgangssignal I als Funktion der Geschwindigkeit Vx ist für dieses Verfahren in Figur 10 dargestellt.

Für Geschwindigkeitsprojektionen Vx, die zwischen
EMI5.7
liegen, gibt das Verfah
Die Gleichungen (29) und (30) zeigen, dass die Signale f und g bzw. h und i jeweils durch einen Sinus und einen Kosinus des gleichen Winkels dargestellt werden können. Man hat also:
EMI5.8
ren eine Information, die den Betrag und die Richtung von Vx enthält. Mit diesem Verfahren kann man dann die Richtung des Flusses ermitteln, ohne dass ein Vorzeichen separat gerechnet werden muss.

Demnach braucht man z.B. nur das Signal f durch eine Verzögerungsleitung zu speichern; die untere Verzögerungsleitung der Flgur 6 könnte vereinfacht werden, um nur das Vorzeichen von g, bzw. i zu übertragen, g und i könnte man nach den Gleichungen (47) errechnen.

Fig. 7 zeigt eine Variante der Anordnung der Fig. 6, welche nur eine Verzögerungsleitung 25 benutzt. In dieser Anordnung , wird das Signal a" verzögert, das verzögerte Signal a"' mittels
Mischer 28 und 29 mit b bzw. b' gemischt und die nieder frequenten Anteile der beiden Produkte, in diesem Fall die
Signale h und i, am Ausgang der Tiefpassfilter 30 bzw. 31 erhalten.

Fig. 11 zeigt eine weitere Variante der Messvorrichtung der Figur 1. Der wesentliche Unterschied liegt darin, dass man in dieser Anordnung, mittels eines Addierers 32, die Summe der Signale h und m bildet. Das Summensignal 6 ist
EMI6.1
Das Summensignal fi wird zu einem Gleichrichter 33 geführt, dessen Ausgangssignal r einem Filter 34 übertragen wird. Das Ausgangssignal s des Filters 34 kann man so ausdrücken:
EMI6.2
Unter Berücksichtigung der Gleichung (16) kann man schreiben:
EMI6.3
Erfüllt man die Bedingung
EMI6.4
mit K = ganze Zahl $ o, dahn erreicht man das in der Figur 10 dargestellte Ergebnis. d. h.
EMI6.5
Die Erfüllung der Bedingung
EMI6.6
führt zu dem in der Fig. 12 dargestellten Ergebnis, d. h.
EMI6.7

In diesem Fall aber erhält man nur den Betrag der Geschwindigkeit ohne ihre Richtung (Vorzeichen).

Figur 13 zeigt eine interessante Variante der in Figur 11 dargestellten Anordnung. Hier werden im Addierer 35 und 36, die Summe bzw. die Differenz der Signale h und m gebildet.

Die so gebildeten Signale (h+m) und (h - m) werden dann mit Gleichrichter 37 bzw. 38 gleichgerichtet und mit Tiefpassfilter 39 bzw. 40 gefiltert.

Wenn man für h und m gleiche Amplituden wählt, können die Ausgangssignale der Filter (39,40) so ausgedrückt werden:
EMI6.8
Der Ausgangsaddierer 41 bildet das Differenzsignal u=r-r' (57) Für die Fälle, bei denen die Bedingung gemäss der Gleichung (53) erfüllt wird, wird in Fig. 14 das Signal u in Funktion von Vx dargestellt. Obwohl die Segmente dieses Diagramms, z.B.

AB, eine grosse Linearität aufweisen, sind es, genau ausgedrückt, Segmente einer Sinusfunktion.

Die Anordnung der Figur 13 würde auch für verschiedene
Amplituden von h und m die Durchführung des erfindungsge mässen Verfahrens ermöglichen, dann aber wäre das Ausgangs signal durch eine andere Funktion dargestellt.

Verfahren bei denen das die Geschwindigkeitsinformation tragende Signal durch Bildung der Summe von zwei anderen Signalen gewonnen wird, werden hier kurz als additive Verfahren bezeichnet.

Alle oben beschriebenen Varianten und Sonderfälle der multiplikativen Verfahren können auch bei den additiven Verfahren angewendet werden.

Da in den obenerwähnten Verfahren oft eine Zwischenfrequenz (Ql-Qo) gebraucht wird, scheint es angebracht, hier einige Richtlinien zur Bestimmung dieser Zwischenfrequenz anzugeben.

Alle die obenerwähnten Verfahren funktionieren mit einer gepulsten Ultraschallquelle. Die gepulste Natur der empfangenen Echosignale erscheint (zwecks Vereinfachung der Darstel lung) in den oben ausgeführten Rechnungen nicht. Da die Ultraschallimpulse sehr kurz sind, ist das empfangene Spektrum ziemlich breit. So hat z. B., wenn die Impulse eine Dauer von 0,5 ¯es haben, das empfangene Spektrum eine Breite von ungefähr 2 MHzu. Man kann zeigen, dass, wegen dieser Verbreiterung des empfangenen Echospektrums, die Zwischenfrequenz (die Frequenz des Signals f in unseren Beispielen) nicht kleiner als die Hälfte der Bandbreite dieses Spektrums sein darf. Nur wenn diese Bedingung erfüllt wird, bleibt die gesamte (durch Anwendung des Dopplereffekts gewonnene) Geschwindigkeitsinformation eindeutig in der Phase des Signals f erhalten.

Will man mit einer Zwischenfrequenz arbeiten, die kleiner als die oben gegebene Grenzfrequenz ist, dann muss man mit zwei Projektionen der Phase auf zwei Achsen der Phasorebene arbeiten. Dies wird z.B. bei dem in Zusammenhang mit der Anordnung der Figur 6 beschriebenen Verfahren gemacht.

Zwar werden in diesem Fall die Echosignale mit einer Frequenz Qf = wodemoduliert, d. h. die Zwischenfrequenz ist gleich Null, aber es wird mit zwei um :r/2 zueinander phasenverschobenen Signalen moduliert, wodurch immer zwei Projektionen der verschiedenen Vektoren gewonnen werden, so dass die Phaseninformation erhalten bleibt.

Über die möglichen Änderungen und Verbesserungen zu dem hier beschriebenen Verfahren und zu den Vorrichtungen zu deren Ausführung kann man folgendes erwähnen:
In der Anordnung der Figur 1 könnte der Begrenzer 6 durch einen Verstärker mit automatischer Verstärkungseinstellung ersetzt werden.

In den Anordnungen der Figuren 11 und 13 könnte die Gleichrichtung durch andere nicht lineare Operationen ersetzt werden, z. B. durch quadratische Potenzierung.

Bei den additiven Verfahren können auch andere lineare Zusammensetzungen aus den verzögerten und nicht verzögerten Signalen angewandt werden.

In den oben beschriebenen Vorrichtungen (Figuren 1, 4, 11, 13) kann der Phasenschieber 11 durch einen Mischer und einen Filter ersetzt werden. Durch den Mischer wird das Produkt gebildet aus dem Signal a" und einem zweiten Referenzsignal b', das die gleiche Frequenz wie b hat und um a relativ zu b phasenverschoben ist. Durch den Filter wird eines der durch Mischung erzeugten Frequenzbänder gewonnen. Das Ausgangssignal des Filters kann dann das Ausgangssignal des Phasenschiebers 11 ersetzen.

Die Phasenverschiebung u, wenn sie nicht gleich Null ist, kann auch ohne den Phasenschieber 11 realisiert werden. Dafür genügt es, eine Verzögerungsleitung 0 anzuwenden, deren Verzögerungszeit leicht von der Pulswiederholungsperiode abweicht. So kann z. B. eine Phasenverschiebung von +5612 realisiert werden, wenn die Bedingungen
EMI7.1
und (Ql-Qo)T = 2 K nr (59) erfüllt werden, wobei:
T' = Verzögerungszeit der Verzögerungsleitung 10 T ==Pulswiederholungsperiode der Ultraschallimpulse
T" = Periode der angewendeten Zwischenfrequenz
EMI7.2

In allen oben beschriebenen Vorrichtungen könnten die Echosignale verstärkt, aber nicht begrenzt werden.

Im Falle der Vektorproduktmethode würde man am Ausgang des Addierers ein Signal erhalten, das nicht nur zur Geschwindigkeit Vx proportional ist, sondern auch zu |IDIZ:
EMI7.3

Ein zusätzliches System sollte dann noch gebaut werden, das das Ergebnis des Vektorproduktes durch |D|2I#$2 dividieren sollte.

Im Falle der Rechnung der Amplitude der Geschwindigkeit nach der Gleichung (46), muss man das Ergebnis der Differenz lD#(t) - D#(t-T)i noch durch l D l dividieren.

Alle obenerwähnten Operationen (Addieren, Mischung, Multiplikation, Filtrierung, Verzögerung, usw.) sind mittels analogen, digitalen oder hybriden Schaltungen durchführbar.

Die Verzögerung der Signale kann mit sehr verschiedenen Methoden realisiert werden. Zum Beispiel können die Signale, in einer digitalen Form, in einem Schieberegister gespeichert und wieder abgelesen werden. Für diese Speicherung könnte man auch Magnetspeicher, Halbleiter-Schreib-Lese-Speicher, digitale Eimerkettenspeicher oder ein digitales Ultraschall Verzögerungsglied benützen. Die Verzögerung könnte auch analog gemacht werden, zum Beispiel mit einem analogen Eimerkettenspeicher oder einer Ultraschall-Verzögerungsleitung.

Das in Zusammenhang mit der Anordnung der Figur 4 beschriebene Verfahren lässt sich mit einer besonders einfachen digitalen Anordnung durchführen.

Die Linearität der hier beschriebenen Methoden könnte durch Gebrauch von mehreren in Serie verbundenen Verzögerungsleitungen verbessert werden. Die gut bekannten Methoden der Digital-Filter-Technik könnten verwendet werden, um ein Multi- Verzögerungsleitungs- System zu bilden (siehe z. B.

H. Urkowitz: Analysis and Synthesis of Delay Line Periodic Filters , IRE Trans on Circuit Theory, Vol. CT-4, 41-53. June 1957).

Man könnte auch eine zweiteilige Messvorrichtung bauen.

Der erste Teil würde die Echos, die durch bewegliche Reflektoren zurückgesandt werden, von denjenigen, die durch fixe Gegenstände reflektiert werden, trennen, indem die Differenz zwischen den Echosignalen nacheinander folgender Sendeimpulse gebildet wird. Dadurch erhält man nur Signale, die den Echosignalen von sich bewegenden Punkten entsprechen. Der zweite Teil könnte aus einer der oben beschriebenen Anordnungen bestehen, welche die Geschwindigkeit Vx aus den vom ersten Teil abgegebenen Signalen ermitteln würde. Dieses Verfahren wäre vorteilhaft in Fällen, wo man feste Echos hat, die die Messung stören.

Obwohl in der vorstehenden Erläuterung die Streuzentren durch Punkte dargestellt worden sind, sind sie genauer genommen Zonen, die eine veränderliche Anzahl beweglicher Streuzentren enthalten. Deshalb weisen die empfangenen reflektierten Wellen nicht nur eine, die Geschwindigkeit einer dieser Zonen darstellende Dopplerfrequenz auf, sondern eine Anzahl anderer Dopplerfrequenzen, die die Bewegung der in der Zone enthaltenen Streuzentren darstellen und sich bei der Gewinnung eines Geschwindigkeitsprofils als Störsignale zeigen, die die Erkennung des Profils erschweren.

Wenn die Veränderungen des Profils über mehrere Messungen vernachlässigt werden können, kann das Signal-Geräusch-Verhältnis des die Geschwindigkeitsinformation tragenden Signals verbessert werden, indem die erhaltenen Punktgeschwindigkeitswerte mittels einer geeigneten Rechnereinheit über mehrere Messungen gemittelt werden, wodurch ein deutliches Profil gewonnen wird.

Ausser der Messung von Geschwindigkeitsprofilen in Fluiden könnte man mit einem einfachen zusätzlichen Rechengerät (analog oder digital) aus dem Geschwindigkeitsprofil eine Durchflussmenge berechnen. Man kann also eine Messeinrichtung dieser Art ergänzen und als Durchflussmessgerät benutzen.

Der Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung umfasst alle Anwendungen, in denen die räumliche Verteilung der Punktgeschwindigkeit eines Fluids und/oder dessen Durchflussmenge gemessen wird. Den medizinischen Anwendungen kommt eine besondere Bedeutung zu, denn durch Messungen von Geschwindigkeitsprofilen und Durchflussmengen kann man u. a. die Herzfunktion, den Zustand wichtiger Gefässe und die Funktion von künstlichen Herzklappen am besten beobachten und beurteilen.

Während bei den bisher bekannten Vorrichtungen ein vollständiges Messystem pro Punkt des ermittelten Geschwindigkeitsprofils erforderlich war, genügt bei der erfindungsgemässen Vorrichtung ein einziges Messystem zur Ermittlung eines ganzen Profils, wobei die Anzahl der ermittelten Punktgeschwindigkeiten prof Profil durch die Speicherungskapazität der verwendeten Verzögerungsleitung gegeben ist. Der zeitliche Aufwand wird dadurch reduziert, dass ein ganzes Profil mit nur zwei Wellenimpulsen gewonnen werden kann.

Im Gegensatz zu den konventionellen Dopplerverfahren (Zählung der Nulldurchgänge, wobei Atmjn ¯ 1/ A f)1/#f) ist der minimale Zeitaufwand pro Messung, At, nicht durch die Doppler Frequenzabweichung, Af, begrenzt, Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen also insbesondere darin, dass der apparative Aufwand und der Zeitaufwand pro Messung wesentlich reduziert werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

I. Verfahren zur Messung eines Geschwindigkeitsprofils eines fliessenden Fluids, bei dem das Fluid mit gepulsten Wellen bestrahlt wird und aus den empfangenen vom Fluid reflektierten Wellen Echosignale abgeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung jeder Punktgeschwindigkeit des Geschwindigkeitsprofils mindestens eine Laufzeitdifferenz zwischen reflektierten Wellen, die durch verschiedene Sendeimpulse erzeugt werden und eine annähernd gleiche Laufzeit aufweisen, gemessen wird.

II. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, die einen Sender zur Bestrahlung des Fluids mit gepulsten Wellen und einen Empfänger, der die vom Fluid reflektierten Wellen empfängt und aus diesen abgeleitete Echosignale abgibt, enthält, gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Messung der Laufzeitdifferenz zwischen reflektierten Wellen, die durch verschiedene Sendeimpulse erzeugt werden jnd eine annähernd gleiche Laufzeit aufweisen.

UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzeitdifferenz durch Ermittlung einer Phasendifferenz zwischen den aus den reflektierten Wellen abgeleiteten Echosignalen gemessen wird.

2. Verfahren nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Echosignale verschiedener Sendeimpulse, zwischen denen keine Phasendifferenz besteht, durch Bildung ihrer Differenz eliminiert werden.

3. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die abgeleiteten Echosignale mit mindestens einem Referenzsignal gemischt werden, dass aus den durch die Mischung erzeugten Frequenzbändern nur ein Frequenzband pro Mischung ausgesiebt wird und dass das ausgesiebte Signal zeitlich verzögert wird.

4. Verfahren nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die empfangene Echosignale mit zwei Referenzsignalen (b, b'), die eine gleiche Frequenz haben und zwischen denen eine konstante Phasendifferenz a besteht, gemischt werden.

5. Verfahren nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ausgesiebte Signale, die aus Echosignalen verschiedener Sendeimpulse abgeleitet werden, miteinander multipliziert werden.

6. Verfahren nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine lineare Funktion der ausgesiebten Signale, die aus Echosignalen verschiedener Sendeimpulse abgeleitet werden, gebildet wird.

7. Verfahren nach den Unteransprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der ausgesiebten Signale phasenverschoben wird.

8. Verfahren nach den Unteransprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgesiebten Signale in Rechtecksignale umgeformt werden.

9. Verfahren nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Bildung einer linearen Funktion gebildeten Signale durch mindestens eine nicht lineare Operation umgeformt werden.

10. Verfahren nach den Unteransprüchen 5 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzband der resultierenden Signale ausgesiebt wird, wodurch Signale gewonnen werden, deren Amplituden die ermittelten Phasendifferenzen und dadurch die entsprechenden Punktgeschwindigkeiten des Geschwindigkeitsprofils darstellen.

11. Verfahren nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe und die Differenz der ausgesiebten Signale gebildet wird, die Summen- bzw. Differenzsignale durch je eine nicht lineare Operation umgeformt werden und die Differenz der niederfrequenten Anteile der resultierenden Signale gebildet wird, wodurch Signale gewonnen werden, deren Amplituden die ermittelten Phasendifferenzen und dadurch die entsprechenden Punktgeschwindigkeiten darstellen.

12. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die abgeleiteten Echosignale zeitlich verzögert werden, die so erzeugten verzögerten Signale mit mindestens einem Referenzsignal gemischt werden und dass aus den so erzeugten Frequenzbändern nur ein Frequenzband pro Mischung ausgesiebt wird.

13. Verfahren nach den Unteransprüchen 3 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungszeit den Wert K.T hat, worin K eine ganze Zahl und T die Pulswiederholungsperiode des Senders ist.

14. Verfahren nach den Unteransprüchen 3 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungszeit vom Wert K.T abweicht, worin K eine ganze Zahl und T die Pulswiederholungsperiode des Senders ist.

15. Verfahren nach Unteranspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die verzögerten Signale mit zwei Referenzsignalen (b, b'), die eine gleiche Frequenz haben und zwischen denen eine konstante Phasendifferenz a besteht, gemischt werden.

16. Verfahren nach den Unteransprüchen 4 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasendifferenz zwischen den Referenzsignalen zur/2 beträgt.

17. Verfahren nach den Unteransprüchen 4 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass aus den ausgesiebten Signalen, die aus den Echosignalen verschiedener Sendeimpulse abgelei- tet werden, Signalpaare (f, g bzw. h, i) gebildet werden, die einen ersten Vektor 1 = (f, g) und einen zweiten Vektor = (h, i) definieren.

18. Verfahren nach Unteranspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Signalpaar nur eines der beiden Signale (f, g) durch Mischung und Filtrierung gebildet und danach verzögert wird, während das andere Signal und das diesem entsprechende verzögerte Signal aus dem so gebildeten bzw. verzögerten Signal errechnet werden.

19. Verfahren nach Unteranspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Punktgeschwindigkeiten des Geschwindigkeitsprofils mittels eines Rechengeräts aus den Vektoren D und D2 errechnet werden.

20. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Messung der Laufzeitdifferenzen das Signal-Geräusch-Verhältnis durch Ermittlung von Durchschnittswerten erhöht wird.

21. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeich net, dass das ermittelte Geschwindigkeitsprofil über eine quer zur Flussrichtung liegende Fläche integriert wird, wodurch die Durchflussgeschwindigkeit ermittelt wird.

22. Verfahren nach Patentanspruch I, bei dem eine Flüssig- keit mit gepulsten Ultraschallwellen bestrahlt wird und aus den empfangenen von der Flüssigkeit reflektierten Wellen Echosignale abgeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung jeder Punktgeschwindigkeit des Geschwindigkeitsprofils mindestens eine Laufzeitdifferenz zwischen reflektierten Wellen, die durch verschiedene Sendeimpulse erzeugt werden und eine annähernd gleiche Laufzeit aufweisen, gemessen wird.

23. Verfahren nach Unteranspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzeitdifferenz durch Ermittlung einer Phasendifferenz zwischen den aus den reflektierten Wellen abgeleiteten Echosignalen gemessen wird.

24. Vorrichtung nach Patentanspruch II, gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Messung einer Phasendifferenz zwischen den aus den reflektierten Wellen abgeleiteten Echosignalen.

25. Vorrichtung nach Unteranspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur Messung einer Phasendifferenz einen Signalgenerator zur Abgabe von mindestens einem Referenzsignal, einen mit dem Empfänger und dem Signalgenerator verbundenen Mischer zur Mischung der Echosignale mit dem Referenzsignal, einen mit dem Mischer verbundenen Filter zur Aussiebung eines der durch Mischung erzeugten Frequenzbänder, und mindestens eine mit dem Filter verbundene Verzögerungsleitung zur Verzögerung der vom Filter abgegebenen Signale enthält.

26. Vorrichtung nach Unteranspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur Messung einer Phasendifferenz mindestens eine mit dem Empfänger verbundene Verzögerungsleitung zur Verzögerung der abgeleiteten Echosignale, einen Signalgenerator zur Abgabe von mindestens einem Referenzsignal, einen mit der Verzögerungsleitung und dem Signalgenerator verbundenen Mischer zur Mischung der verzögerten Signale mit dem Referenzsignal und einen mit dem Mischer verbundenen Filter zur Aussiebung eines der durch Mischung erzeugten Frequenzbänder enthält.

27. Vorrichtung nach Unteranspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur Messung einer Phasendifferenz einen Multiplikator zur Bildung des Produktes von ausgesiebten Signalen, die aus Echosignalen verschiedener Sendeimpulse abgeleitet werden, enthält.

28. Vorrichtung nach Unteranspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur Messung einer Phasendifferenz eine Rechnereinheit zur Bildung einer linearen Funktion der ausgesiebten Signale, die aus Echosignalen verschiedener Sendeimpulse abgeleitet werden, enthält.

29. Vorrichtung nach Unteranspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Rechnereinheit zur Ermittlung von Durchschnittswerten der gemessenen Phasendifferenz enthält, womit Durchschnittswerte der einzelnen Punktgeschwindigkeiten ermittelt werden.

30. Vorrichtung nach Patentanspruch II, die zur Messung eines Geschwindigkeitsprofils einer fliessenden Flüssigkeit einen Sender zur Bestrahlung der Flüssigkeit mit gepulsten Ultraschallwellen und einen Empfänger enthält, der vom Fluid reflektierte Wellen empfängt und aus diesen abgeleitete Echosignale abgibt, gekennzeichnet durch eine mit dem Empfänger verbundene Anordnung zur Messung der Laufzeitdifferenz zwischen reflektierten Wellen, die durch verschiedene Sendeimpulse erzeugt werden und eine annähernd gleiche Laufzeit aufweisen.

31. Vorrichtung nach Unteranspruch 30, gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Messung einer Phasendifferenz zwischen den aus den reflektierten Wellen abgeleiteten Echosignalen.