DD283560A5

DD283560A5 - Verfahren und vorrichtung zur univasiven akustischen kontrolle der elastizitaet von weichen biologischen geweben

Info

Publication number: DD283560A5
Application number: DD89325845A
Authority: DD
Inventors: Armen P Sarvazyan; Viktor P Ponomarjev; Dusan Vucelic; Goran Popovic; Akivo M Vexler
Original assignee: ��@��@��@��@��@��k��; ��@��@��@��@��k��
Priority date: 1988-02-19
Filing date: 1989-02-17
Publication date: 1990-10-17
Also published as: AU621341B2; DE3873742D1; IL88691A; DK75389D0; CN1023442C; TR24539A; IS1488B; IE890137L; CA1318018C; CN1036505A; PT89735A; ES2035156T3; HU202650B; BR8900698A; KR920006032B1; JPH0221840A; YU47190B; IL88691A0; HUT52623A; PL277821A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur noninvasiven akustischen Messung der Elastizitaet von weichem biologischem Gewebe. Die Erfindung bezweckt eine Erhoehung der Genauigkeit der noninvasiven Elastizitaetsmessung fuer weiche biologische Gewebe und wird durch Erregung einer tangentialen Schwingungsdeformation in einem Frequenzbereich von 0,5 bis 30 kHz in der Gewebeoberflaechenschicht und durch nachfolgende Ermittlung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der sich bildenden Tangentialwellen realisiert. Die Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens enthaelt einen Geberteil mit dem Strahlpiezowandler und mit zwei Empfangspiezowandlern von Biegeschwingungen, die mit Fuehlern versehen sind. Die Piezowandler sind mittels Halter im Geberkoerper fest angeordnet, der auch mit einer Einheit zur Normierung der Andruckkraft bestueckt ist. Durch die an den Geber angeschlossene elektronische Baueinheit wird ein Impulsbetriebszustand fuer Erregung der Deformationsschwingungen im Gewebe, Bearbeitung der empfangenen akustischen Signale, Berechnung und Bewertung der zu messenden Schallgeschwindigkeit vorgegeben. Fig. 2{Messung; Gewebe, weich, biologisch; Elastizitaet, noninvasiv, elastisch; Erregung; Schwingungsdeformation; Ausbreitungsgeschwindigkeit; Strahlpiezowandler; Empfangspiezowandler}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur noninvasiven akustischen Messung der Elastizität von weichem biologischem Gewebe sowie eine Vorrichtung zu seiner Durchführung.

Am zweckmäßigsten kann die vorliegende Erfindung bei der Messung von Veränderung der mechanischen Eigenschaften von Körpergeweben verwendet werden.

Heutzutage wird es immer mehr aktuell, die Strukturorganisation von biologischen Geweben, die die physikalischen Prozesse in einem Organismus widerspiegeln, wie ihre Elastizität, zu messen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Eines der bekannten Verfahren zur noninvasiven Bewertung volumelastischer Charakteristiken ist ein Verfahren zur Kontrolle von momentanen Schwingungen der viskoelastischen Eigenschaften eines lebenden Gewebes (US-Patent Nr.4580584). Das Verfahren besteht darin, daß das zu untersuchende lebende Gewebe zwischen zwei planparallel angeordneten Piezowandlern untergebracht wird. Einer der Wandler kann bei der Regelung des Abstandes zwischen den Piezowandlern zwecks Sicherstellung des akustischen Kontaktes mit dem Gewebe versetzt werden. Ein Piezowandler ist an den Hochfrequenzgenerator und der zweite Piezowandler über den Amplitudendemodulator an einen Signaianalysator angeschlossen, der einen Oszillograph enthält. Der Hochfrequenzgenerator erregt im Piezowandler Schwingungen, infolgedessen erscheinen im Gewebe volumelastische Ultraschallwellen, die vom zweiten Piezowandler empfangen werden.

Vom zweiten Piezowandler wird das Signal nach der Demodulation dem Oszillographen zugeführt, und es werden Änderungen der Signalamplitude beobachtet. Die Frequenz der im Gewebe erregten Resonanzultraschallschwingungen und deren Amplitude kennzeichnen die viskoelastischen Eigenschaften des Gewebes.

Das genannte Verfahren zur Gewebekontrolle ermöglicht es, einige physiologische Prozesse, insbesondere Änderungen in der Blutmikrozirkulation, zu bewerten. Da aber die volumenelastischen Charakteristiken gemessen werden, die sich in den Körpergeweben nur bis auf einige Prozente ändern, kann diese Bewertung nicht genug präzise sein. Es ist daher unmöglich, die Schiebecharakteristiken der Gewebe mit diesem Verfahren zu kontrollieren, weil es nur in einem Hochfrequenzbereich (> I MHz) realisiert werden kann, wo die Länge der Schiebewelle sehr klein (Dutzende von Mikrometern) und folglich die Dämpfung dieser Welle sehr groß ist. Die Genauigkeit der Gewebezustandskontrolle setzt sich für das genannte Verfahren auch deshalb herab, weil es nicht möglich ist, den verschiedenen Kompressionsgrad des zwischen den Piezowandlern untergebrachten Gewebestückes in Betracht zu ziehen. Darüber hinaus ist es für viele Gewebe schwierig, einen doppelflächigen akustischen Kontakt zwischen den Piezowandlern und dem zu untersuchenden Gewebe herzustellen, deshalb setzt sich die Meßgenauigkeit auch herab, so daß die Kontrolle der Gewebeelastizität auf verschiedenen Körperabschnitten unmöglich wird. Eine der wichtigen Charakteristiken, die die Strukturorganisation der Körpergewebe widerspiegeln, ist Anisotropie, d. h. die Änderung der mechanischen Eigenschaften des Gewebes nach verschiedenen Richtungen. Mit diesem Verfahren kann die Anisotropie nicht bewertet werden.

Die Möglichkeit, elastische Schiebecharakteristiken in biologischen Geweben zu bewerten, wurde in der Arbeit (V. I. Passechnik and A. P. Sarvazyan, „On the possibility of examination of muscle contraction models by measuring the viscoelastic properties of the contracting muscle" - Studia biophysica. Berlin, Band 13,1969, Heft 2, S. 143-150) gezeigt, wo als Testobjekt ein isolierter Muskel verwendet wurde. Mit Hilfe eines mit dem Fühler versehenen Piezowandlers wurden im Muskel akustische niederfrequente Schwingungen (450Hz, 1200Hz) erregt, während mittels eines anderen Piezowandlers diese Schwingungen in einer gewissen Entfernung empfangen wurden. Dabei wurde die Spannung des Muskels auf verschiedenen Stadien seiner Kontraktion kontrolliert. Der Schiebeelastizitätsmodul wurde nach den gemessenen Amplituden- und Phasencharakteristiken des empfangenen Signals bewertet.

Bei einem mehr vollkommenen Verfahren zur noninvasiven Kontrolle der Schiebeelastizität von Körpergeweben (R. O. Rotts, D. A. Chrisman, E. M. Ruras, «The dynamic mechanical properties of human skin in vivo", J. Biomechanics, vol. 16, N 6, pp. 365-372,1983) erfolgte die Erregung der Schiebewellen von einem Recorder, der mit seinem Fühler die Gewebeoberfläche berührte. Zum Empfang der Schallwellen wurde ein Adapter verwendet. Die Messungen wurden in einem Frequenzbereich von 200Hz bis 1000 Hz durchgeführt. Dabei wurden die Recorderschwingungen von einem Weißrauschoszillator erregt, während die Meßbetriebsfrequenz mit Hilfe eines spektralen Frequenzanalysators gewählt wurde. Die zu messenden Parameter waren die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schiebewellen und deren Dämpfungswert. Die Autoren der genannten Arbeit kamen zur Schlußfolgerung, daß in einem Niederfrequenzbereich die mit dem beschriebenen Verfahren im Gewebe erregten Wellen reine Schiebewellen sind und daß sie in der Oberflächenschicht (in der Haut) lokalisiert werden, daher ist eine selektive Oberflächenkontrolle der Hautelastizität gerade in diesem Frequenzbereich (200Hz bis 1000 Hz) möglich, während bei höheren Frequenzen diese Kontrolle wegen der ungenügenden Tiefe derWellenlokalisation erschwert ist. Diese Schlußfolgerung ist zu bestreiten, weil bei den Schiebewellengeschwindigkeitswerten von 5 bis 50 m · s"¹ bei einer Frequenz von 1000 Hz im Körpergewebe die Wellenlänge entsprechend 5 bis 50mm betragen wird. Die Lokalisationstiefe der Oberflächenwellen

beliebigen Typs kann aber nicht kleiner sein als deren Länge. Folglich kann die Wellenlokalisationstiefe bei den Messungen in diesem Frequenzbereich so groß sein, daß die subkutanen Strukturelemente, insbesondere Knochengewebe, die Meßergebnisse bedeutend beeinträchtigen werden.

Beim genannten Verfahren wurden zur Bewertung der elastischen Eigenschaften von Körpergeweben tangentiale Wellen mit reinen Schiebedeformationen verwendet. Bekanntlich haben die biologischen Gewebe einen komplizierten anisotropen Aufbau sehr oft mit einem hohen Gehalt an fibrillären Strukturen. Bei reinen Schiebedeformationen aber leisten dünnfaserige Strukturformationen einen unbedeutenden Beitrag zur Gewebeelastizität, daher ist die Geschwindigkeit von reinen Schiebewellen gegen solche anisotropen Formationen schwach empfindlich. Zu derselben Zeit kann die Beschaffenheit dieser Formationen im engen Zusammenhang mit den im Organismus vor sich gehenden physiologischen Prozessen sein.

Ziel der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezweckt die Erhöhung der Genauigkeit der Elastizitätskontrolle von weichen biologischen Geweben. Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, das Anwendungsgebiet des Verfahrens zur Kontrolle der Elastizität von weichen biologischen Geweben zu verbreitern.

Darlegung des Wesens der Erfindung Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur noninvasiven akustischen Messung von weichen

biologischen Geweben sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung zu schaffen, die es ermöglichen, die akustischen Wellenvon solch einem Typ zu verwenden, die eine wirksame Bewertung der anisotropen elastischen Eigenschaften von weichenbiologischen Geweben bei der erhöhten Meßgenauigkeit sicherzustellen.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß bei dem Verfahren zur akustischen Elastizitätsmessung von

weichen biologischen Geweben durch Abstrahlung und Empfang der Schallwellen in der Oberfläche des zu untersuchenden

Gewebes eine tangentiale Impulsschwingungsdeformation erregt wird und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der erregten Schallwellen in der Richtung der Erregung der Schwingungen in dem zu untersuchenden Gewebe bestimmt wird und nach der

ermittelten Wellengeschwindigkeit die Elastizität des Gewebes bewertet wird.

Die Verwendung bei dem vorliegenden Verfahren zur Messung der Elastizität von biologischen Geweben der akustischen Oberflächenweilen von einer Längsmolarisation gestattet eine wirksame Bewegung sowohl der Gewebeelastizität im

allgemeinen als auch der anisotropen Gewebecharakteristiken und erhöht damit die Genauigkeit der Messung des Zustandesvon weichen biologischen Geweben.

Erfindungsgemäß wird die Impulsschwingungsdeformation in einem Bereich von 0,5 bis 3OkHz erregt. Der für das vorliegende Verfahren gewählte Betriebsfrequenzbereich gewährleistet eine genügende Selektivität der Kontrolle

von elastischen Eigenschaften der Oberflächenteile von Körpergeweben, z. B. der Haut, weil er erlaubt, den Einfluß derunterliegenden Strukturen, z. B. Knochen, auf die Meßergebnisse auszuschließen und auch die Genauigkeit der Einschätzungdes Gewebezustandes zu erhöhen.

In einer Ausführungsvariante der Erfindung wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen durch die Messung des Zeitabschnittes bestimmt, in dem diese Wellen von der Deformationserregungszone zur Schallwellenempfangszone laufen,

dabei beginnt man mit dem Ablesen der Laufzeit des akustischen Impulses im Zeitpunkt, wenn sich das Zeichen der

Gewebeschwingungen in der Erregungszone zum ersten Mal ändert, wobei dieser Zeitpunkt nach der Normalprobe eingestellt

wird, die ein gelartiges Medium mit einer bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen gegebenen Types ist, währendman das Ablesen der Laufzeit des akustischen Impulses im Zeitpunkt beendet, wenn das Signal vom Schallwellenempfängerzum ersten Mal den Nullpegel passiert.

Das vorliegende Verfahren zur Messung der Laufzeit des akustischen Impulses in den zu untersuchenden Gewebeteilen

ermöglicht es, eine höhere Meßgenauigkeit zu erzielen, weil der durch das Vorhandensein eines Diskriminationspegels bei der

Bearbeitung des empfangenen akustischen Impulses bedingte Meßfehler ausgeschlossen wird. Die Aufgabe wird auch dadurch gelöst, daß in der Vorrichtung mit einem die Strahl- und Empfangspiezowandler enthaltenden Geberteil sowie mit einer an die Piezowandler angeschlossenen elektronischen Baueinheit die Piezowandler erfindungsgemäß

eine bimorphe Struktur haben und im Körper mit Hilfe der ausgedehnten Halter planparallel befestigt sind, und daß es nocheinen zweiten Empfangspiezowandler gibt, der an einem Halter mit dem ersten Empfangspiezowandler befestigt ist, daß dabeidie beiden Empfangspiezowandler gegenüber dem Strahlpiezowandler symmetrisch liegen, daß dabei an den freien Enden der

Piezowandler die Fühler befestigt sind, so daß ihre Kontaktflächen in einer mit der Verschiebungsrichtung der freien Enden der Piezowandler zusammenfallenden Linie liegen, daß dabei die Fühler der Empfangspiezowandler dem Fühler des Strahlpiezowandlers gegenüber symmetrisch angeordnet sind und daß der Geberteil mit einer Einheit zur Normierung der Andruckkraft des Gebers ans Gewebe versehen ist. Die Verwendung der Piezowandler von bimorpher Struktur erhöht die Geberempfindlichkeit und steigt infolgedessen die Meßgenauigkeit dank der optimalen akustischen Übereinstimmung dieser Piezowandler mit dem zu untersuchenden Gewebe. Durch den Einsatz der Einheit zur Normierung der Andruckkraft vermindert sich der durch variables Andrücken des Gebers an

das Gewebe bedingte Meßfehler.

Die erfindungsgemäße Verwendung des zweiten Empfangswandlers erhöht die Empfindlichkeit des Gebers und setzt bedeutend

{fast um eine Größenordnung) den durch den unstabilen Abstand zwischen den Fühlern der Strahl- und Empfangspiezowandlerbedingten Meßfehler herab.

Die Anordnung der Kontaktflächen der Fühler in einer mit der Verschiebungsrichtung der freien Enden der Piezowandler

zusammenfallenden Linie macht es möglich, die Schallwellen von einer Längspolarisation bei der Messung zu verwenden, unddadurch eine wirksamere Kontrolle der anisotropen Eigenschaften von Geweben zu erzielen. Es ist am zweckmäßigsten, daß die

Einheit zur Normierung der Andruckkraft ein abgefedertes Rohrelement enthält, dessen eine Stirnseite mit der Oberfläche des zu untersuchenden Gewebes in Berührung kommt, ein elektrisches Dreistellungskontaktglied, bestehend aus einem ersten beweglichen Kontaktglied, das mit der anderen Stirnseite des Rohrelementes mechanisch verbunden ist, aus einem unbeweglichen Kontaktglied und aus einem abgefederten zweiten beweglichen Kontaktglied, derart ausgeführt, daß, wenn die Andruckkraft unter Norm ist, nur das unbewegliche und das zweite bewegliche Kontaktglied geschlossen sind, wenn die Andruckkraft in Norm ist, alle drei Kontaktglieder geschlossen sind, und wenn die Andruckkraft über Norm ist, nur die beweglichen Kontaktglieder geschlossen sind, und daß dabei alle drei Kontaktglieder im Steuerkreis der elektronischen Baueinheit in Reihe geschaltet sind.

Die vorgeschlagene Ausführung der Einheit zur Normierrung der Andruckkraft erlaubt es, den möglichen durch variable gegenseitige Lage der Kontaktflächen der Piezowandlerfühler und der Arbeitsstirnfläche des Geberfühlers bedingten Meßfehler im vorgegebenen Andruckkraftbereich zu beseitigen.

Es ist zweckmäßig, daß bei nominaler Andruckkraft die Arbeitsstirnfläche des Rohrelements mit den Fühlerenden der Piezowandler zusammenfällt. Durcch das Zusammenfallen der Arbeitsstirnfläche des Gebers mit den Fühlerenden der Piezowandler wird bei der Arbeit mit dem Geber ein höchstoptimales und stabiles Kontaktieren der Fühler und des zu untersuchenden Gewebes erzielt und dadurch die Stabilität der Messungen erhöht.

Nach einer der erfindungsgemäßen Ausführungsvarianten enthält die elektronische Einheit einen Zeit-Geschwindigkeits-Wandler (Umrechnungseinheit), der die Laufzeit der Schallwelle vom Strahlpiezowandler an die Empfangspiezowandler in die Wellengeschwindigkeit umrechnet, sowie einen Digitalanzeiger zur Visualisierung von Geschwindigkeitswerten. Das Vorhandensein des Zeit-Geschwindigkeit-Wandlers erlaubt es, als Meßresultat eine standardisierte physikalische Größe (Schallgeschwindigkeit, m/sek"¹) zu ermitteln, so daß die Vergleichsanalyse der Elastizität von biologischen Geweben mittels der vorliegenden Vorrichtungen, die verschiedene Abstände zwischen den Fühlern der Piezowandler haben, erleichtert wird. Nach einer Ausführungsvariante enthält erfindungsgemäß die elektronische Baueinheit einen Eingangsdifferenzverstärker mit dem gesteuerten Verstärkungsfaktor, dessen Eingänge an die Empfangspiezowandler angeschlossen sind, sowie einen Impulsgenerator, dessen Ausgang an den Strahlpiezowandler angeschlossen ist, einen Komparator, dessen Eingang an den Ausgang des Eingangsdifferenzverstärkers angeschlossen ist, eine Verzögerungseinheit, deren Eingang an den Ausgang des Impulsgenerators angeschlossen ist, einen Trigger, dessen Recheneingang an den Ausgang der Verzögerungseinheit und dessen Einstelleingang über den Impulsformer an den Komparatorausgang angeschlossen sind, wobei die Eingänge des Zeit-Geschwindigkeit-Wandlers an die Ausgänge des Triggers und des Impulsgenerators und die Ausgänge an den Digitalanzeiger angeschlossen sind.

Der in der elektronischen Baueinheit vorhandene an die Piezowandler angeschlossene Eingangsdifferenzverstärker erhöht die Empfindlichkeit der Vorrichtung und vermindert den durch mögliche Änderungen des Abstandes zwischen den Piezowandlerfühlem bedingten Meßfehler. Die Strukturschaltung der elektronischen Baueinheit sichert die Realisierung des vorliegenden Verfahrens zur Messung der Laufzeit des akustischen Impulses.

Ausführungsbeispiele

Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung der Beispiele und anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine Darstellung des erfindungsgemäßen prinzipiellen Schemas für den Erregungs- und Empfangsprozeß der

akustischen Oberflächenwellen; Fig. 2: den Geberteil der Vorrichtung (Längsschnitt); Fig.3: die Einheit D von Fig. 2;

Fig.4: die Ausführung der Haltereinheit für die Piezowandler und deren Fühler; Fig. 5: das Strukturschaltbild der elektronischen Baueinheit;

Fig. 6: das Strukturschaltbild des Zeit-Geschwindigkeit-Wandlers (der Umrechnungseinheit); Fig.7: das Strukturschaltbild des Frequenzumformers; Fig. 8: ein Diagramm des Funktionierens der Grundeinheiten der elektronischen Baueinheit.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Elastizität wird folgenderweise durchgeführt:

Es wird im Punkt A der Oberfläche des zu untersuchenden Mediums (Fig. 1) eine lokale tangentiale Schwingungsdeformation hervorgerufen mit Hilfe zum Beispiel eines Biegeschwingungspiezowandlers 1, der vertikal zur Mediumoberfläche angeordnet und mit einem diese Oberfläche berührenden Fühler versehen ist. Im Punkt B, der in einiger Entfernung L von Punkt A in der Richtung der Deformationsbildung liegt, werden akustische Wellen, beispielsweise mittels eines mit einem Fühler versehenen Biegeschwingungspiezowandlers 2 empfangen. Dabei sind die beiden Piezowandler gleich (planparallel) orientiert, und ihre geometrischen Abmessungen bestimmen die ausgewählte Arbeitsfrequenz im Bereich (0,5 bis 3OkHz). Die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines akustischen Impulses wird nach dem gemessenen Zeitwert Δ_Γ für die Impulsweglänge L

Δτ

ermittelt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erregung der Mediumdeformationen ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der sich bildenden Welle in der Deformationsrichtung

V = 2V„ (2) gleich, wobei Vr = die Geschwindigkeit von Royleighschen Wellen in diesem Medium ist.

Die Größe V_R ist für gelförmige Medien, zu denen auch biologische Gewebe gehören,

Vr = 0,955 λ/— <3)

gleich, wobei ρ = die Mediumdichte,

μ = der Schiebeelastizitätsmodul sind.

Falls es in der Oberflächenschicht des Gewebes Strukturanomalienin Form von Fasern gibt, die in der A-B-Richtung liegen, leisten sie einen entsprechenden Beitrag zur Mediumelastizität in dieser Richtung und folglich zum ermittelten Schallgeschwindigkeitswert V. Falls die Strukturanomalie senkrecht zur A-B-Richtung gerichtet ist, beeinflußt sie schwach die Mediumelastizität in der A-B-Richtung und folglich die ermittelte Schallgeschwindigkeit. Als Beispiel für die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung der Elastizität werden die Geschwindigkeitswerte von Oberflächenwellen in m/sek"¹ für verschiedene Abschnitte des Menschenkörpers (Tabelle I) gegeben.

Tabelle I

Stirn	Wange	Kinn	Brust	Finger	Fuß
29	19	59	21	130	120

Als ein anderes, die Möglichkeiten der Messung der Elastizität der biologischen Gewebe charakterisierendes Beispiel werden die Meßresultate für die Menschenhaut vor und nach der Kryomassage gezeigt. Zum Beispiel betrug die ermittelte Oberflächenwellengeschwindigkeit in der Wangenhaut für eine Gruppe von Frauen mit dünner Haut vor der Kryomassage 20 ± 2 m/sek"¹. Nach der Kryomassage war die ermittelte Schallgeschwindigkeit 90 ± 8m/sek"¹ gleich, dabei wurde die Rückkehr zum Ausgangswert nach 9 ± 1 Minuten beobachtet.

Als ein weiteres Beispiel zur Demonstration der Möglichkeiten für die erfindungsgemäße Untersuchung des Zustandes der biologischen Gewebe können die für einen sich kontrahierenden Muskel ermittelten Meßergebnisse dienen. Vor der Muskelkontrahierung war die Geschwindigkeit der Ausbreitung der Oberflächenwellen entlang der Muskelfaser 10 m/sek"¹ gleich. Im kontrahierten Zustand des Muskels (nach der Stimulation mit elektrischem Strom) war die gemessene Schallgeschwindigkeit 35 m/sek""¹ gleich.

Die vorliegenden Beispiele zeigen, daß die gemessenen Geschwindigkeiten der Oberflächenwellen einen hohen Informationswert für die Charakterisierung der Zustände verschiedener lebendiger Gewebe haben. Der Änderungsbereich macht Hunderte von Prozenten aus, während sich die volumelastischen Charakteristiken nur um einige Prozente ändern können. Die Vorrichtung zur noninvasiven akustischen Messung der Elastizität von weichen biologischen Geweben besteht aus einem Geberteil und einer elektronischen Baueinheit.

Der Geberteil enthält (Fig.2,3,4) einen Strahlpiezowandler 1 und zwei Empfangspiezowandler 2 und 3, die mit Fühlern 4; 5; 6 versehen sind. Die Piezowandler 1; 2; 3 haben eine bimorphe Struktur, und ihre Abmessungen werden so gewählt, daß die Arbeitsmeßfrequenz im Bereich von 0,5 bis 3OkHz liegt. Der Strahlpiezowandler 1 ist mittels elastischer Einlagen im Halter 7 eingebaut, und die Empfangspiezowandler 2; 3 sind auch mittels elastischer Einlagen im zweiten Halter 8 eingebaut. Die Halter 7; 8 sind ausgedehnt ausgeführt, da sie auch als Verzögerungslinien für den akustischen Impuls dienert, der sich über die Konstruktionselemente von dem Strahlpiezowandler 1 zu den Empfangspiezowandlern 2; 3 ausbreitet. Diebeiden Halter 7; 8 sind mit ihren anderen Enden in der Grundplatte 9 befestigt, die in einem aus dem Vorderteil 10 und dem Hinterteil 11 bestehenden Körper montiert ist.

Im Geberteil ist auch eine Einheit zur Normierung der Andruckkraft (Fig.3) montiert. Sie enthält ein Rohrelement 12 mit einem Spitzenkontaktglied 13, eine erste Feder 14 sowie ein unbewegliches Rohrkontaktglied 15, das über eine Isoliereinlage in der Grundplatte 9 montiert ist.

Innerhalb des unbeweglichen Rohrkontaktgliedes 15 sind ein in der Isolierbüchse angeordnetes bewegliches Kontaktglied 16 und eine zweite Feder 17 montiert, deren Kompressionsgrad mit der Schraube 18 eingestellt ist.

Die elektronische Baueinheit (Fig.5) enthält einen Eingangsdifferenzverstärker 19, an dessen Eingänge die Elektroden von Empfangspiezowandlern 2 und 3 angeschlossen sind, einen Komparator 20, dessen Eingang an den Ausgang des Verstärkers angeschlossen ist, einen Impulsgenerator 21, dessen Ausgang mit der Elektrode des Strahlpiezowandlers 1 verbunden ist, eine Verzögerungseinheit 22, deren Eingang an den Ausgang des Impulsgenerators 21 angeschlossen ist, einen Trigger 23, dessen Einstelleingang über den Impulsgenerator 21 an den Ausgang des Komparators 20 und dessen Recheneingang an den Ausgang der Verzögerungseinheit 22 angeschlossen sind, eine Umrechnungseinheit 25, deren Recheneingang an den Ausgang des Triggers 23 und deren Steuereingang an den Ausgang des Impulsgenerators 21 angeschlossen sind, sowie einen Digitalanzeiger 26, der an den Ausgang der Umrechnungseinheit 25 angeschlossen ist.

Die Umrechnungseinheit 25 (Fig. 6) enthält eine Koinzidenzschaltung 27, deren einer Eingang mit dem Ausgang des Triggers verbunden ist, einen ersten Binärzähler 28, dessen Steuereingang E mit dem Ausgang der Koinzidenzschaltung verbunden ist, einen Frequenzwandler 29, dessen erster Recheneingang mit dem Ausgang des Zählers 28 verbunden ist, einen Taktgenerator 30, dessen Ausgang mit dem Recheneingang C des Zählers 28 sowie mit dem zweiten Recheneingang des Frequenzwandlers 29 verbunden ist, einen zweiten Zähler 31, dessen Eingang mit dem Ausgang des Impulsgenerators 21 verbunden ist. Dabei ist der Umrechnungskoeffizient des Zählers 31 doppelt so groß wie der Umrechnungskoeffizient des Zählers 28. Außerdem enthält die Umrechnungseinheit 25 einen ersten Impulsformer 32, dessen Eingang an den Ausgang des Zählers 31 und dessen Ausgang an die Einstelleingänge des Zählers 28 und des Frequenzwandlers 29 angeschlossen sind. Es

gibt auch einen zweiten Impulsformer 35, dessen Eingang über den Inverter 33 an den Ausgang des Zählers 31 angeschlossen ist, sowie eine Verzögerungseinheit 34, deren Eingang an den Ausgang des Inverters 33 angeschlossen ist. Die Ausgänge des Wandlers 29, des Impulsformers 35 und der Verzögerungseinheit 34 sind beziehungsweise an den Rechen· C, Einstell- R und Steuereingänge E des dritten Zählers 36 angeschlossen, dessen Ausgänge mit den Eingängen des Digitalanzeigers 26 verbunden sind.

Die Vorrichtung funktioniert folgenderweise:

Der Impulsgenerator 21 erzeugt kurze Impulse mit einer Frequenz von etwa 3OkHz, die Biegeschwingungen im Strahlpiezowandler 1 erregen. Wenn die Fühler 4; 5; 6 die Oberfläche des zu untersuchenden Gewebes berühren, entstehen darin Schallwellen, die in den Empfangspiezowandlern 2; 3 Biegeschwingungen und an deren Elektroden elektrische Signale erregen. Da die Piezowandler 2; 3 an die Eingänge des Differenzverstärkers 19 bezüglich des Schallsignals gegenphasig angeschlossen sind, wird an dessen Ausgang ein Signal erzeugt, dessen Amplitude einer Summenamplitude der mechanischen Schwingungen von Piezowandlern 2; 3 proportional ist. Gleichzeitig werden die elektrischen Störsignale (einschließend die mit einer Frequenz von 50 kHz) in den mit den Piezowandlern verbundenen Leitern an den Eingängen des Verstärkers 19 substrahiert. Dadurch wird einerseits die Empfindlichkeit des Gebers zu Schallwellen erhöht, andererseits eine hohe Unterdrückung der elektrischen Störsignale erreicht. Mit Hilfe des Komparators 20, der Verzögerungseinheit 22 und des Triggers 23 wird ein Impuls formiert, dessen Dauer der Zeitstrecke gleich ist, in der der akustische Impuls vom Fühler des Strahlpiezowandlers 1 an die Fühler der Empfangspiezowandler 2; 3 läuft. Das erfolgt folgenderweise. Die Triggerung erfolgt nach Impulsende am Ausgang der Verzögerungseinheit 22, und das Abwerfen erfolgt mittels Impulsformer 24 zum Zeitpunkt, wenn das Signal vom Ausgang des Differenzverstärkers 19 zum ersten Mal den Nullpegel (im Punkt N) passiert. Die Dauer τ_ο des Impulses vom Ausgang der Verzögerungseinheit 22 ist so groß gewählt, daß dieses Impulsende dem Zeitpunkt entspricht, wo die Richtung der vom Fühler 4 im Gewebe erregten Schwingungsdeformation ihr Zeichen zum ersten Mal ändert. T₀ wird bei Kalibrierung der ganzen Vorrichtung mittels gelartiger Normalmedien mit bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Schallwellen vom gegebenen Typ ausgewählt. Derartiges Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit von akustischen Wellen in den zu untersuchenden Geweben erlaubt es, die Messungen vom Ansprechfehler des Komparators 20 im Zeitpunkt M (Fig.8) unabhängig zu machen, dabei kann dieser Fehler infolge der kleinen Signalflankensteilheit zu diesem Zeitpunkt beträchtlich sein. Die Umrechnungseinheit 25 (Fig. 6) realisiert das Umrechnen derÄT-Größe in die entsprechendeSchallwellenausbreitungsgeschwindigkeit und steuert den Digitalanzeiger 26. Dabei werden die Meßergebnisse für eine bestimmte Zahl der Meßzyklen in der Umrechnungseinheit 25 ermittelt. Vom Ausgang des Triggers 23 werden die Impulse über die Koinzidenzschaltung 27 dem Steuereingang E des Zählers 28 zugeführt, während an dessen Recheneingang C die Impulse vom Taktgenerator 30 ankommen. Der Frequenzwandler 29 erfüllt die Funktion T₁ = f_T N^-1, wobei f, -Ausgangsimpulsfrequenz, fr - Impulsfrequenz des Taktgenerators 30, N - die Zahl der vom Ausgang des Generators 30 angekommenen Impulse. Der Frequenzwandler 29 ist nach der bekannten Schaltung ausgeführt (Fig.7), die einen Binärzähler 37 und einen reversiblen Binärzähler 38 enthält. Das Abwerfen des Zählers 28 und des Frequenzwandlers 29 zum Nullzustand erfolgt mittels Binärzähler 31 und Impulsformer 32 nach einer bestimmten Impulszahl des Impulsgenerators 21, für die im Zähler 37 eine der Δτ-Dauer entsprechende Impulszahl N gespeichert wird. Da der Umrechnungskoeffizient des Zählers 28 doppelt so klein wie der des Zählers 31 ist, erfolgt die Mittelung des N-Wertes für die gewählte Impulszahl des Generators 21, die einer halben im Zähler 31 gespeicherten Impulszahl gleich ist. Im Laufe der zweiten Hälfte der Impulszahl bis zum Füllen des Zählers 31 wird die Impulsumrechnung vom Zähler 28 beendet, und es erfolgt die Umrechnung der Impulse vom Ausgang des Frequenzwandlers 29 durch den Impulszähler 36 im Laufe des durch die zweite Verzögerungseinheit 34 formierenden Impulses. Dabei wird die Dauer dieses Impulses bei Kalibrierung in der Art ausgewählt, daß der Digitalanzeiger 26 eine Zahl zeigt, die der bekannten Schallgeschwindigkeit in einem gelartigen Normalmedium entspricht. Der Impulsformer 35 erzeugt einen Impuls zum Abwerfen des Impulszählers 36 vordem Rechenbeginn.

Die Einheit zur Normierung der Andruckkraft funktioniert wie folgt. Man drückt leicht mit der mit dem Gewebe kontaktierenden Arbeitsstirnseite des Gebers an die Oberfläche des zu untersuchenden Gewebeabschnittes. Dabei nähern sich die Fühler der Piezowandler der Öffnung im Rohrelement 12. Die gegenseitige Stellung der Kontaktglieder 13; 16 ist so gewählt, daß sie im Moment schließen, wenn die Kontaktflächen der Fühler 4; 5; 6 die Ebene der Arbeitsstirnfläche des Rohrelementes 12 erreichen. Bei dieser Fühlerstellung wird ein zuverlässiger Kontakt zwischen den Fühlern und der Gewebeoberfläche durch ein gewisses Eindrücken des Gewebes in die Öffnung des Rohrelementes 12 sichergestellt. Übertrifft die Andruckkraft einen bestimmten Wert, öffnen sich die Kontaktglieder 15 und 16. Die geschlossene Stellung der drei Kontaktglieder 13; 15 und 16 entspricht dem Betriebszustand und ist in einem gewissen Andruckkraftbereich möglich, der durch das Pressen der Feder 17 bestimmt wird. Die minimale Andruckkraft, bei der die Messung möglich ist, wird durch die Feder 14 bestimmt.

Beim Schließen der Kontaktglieder 13; 15 und 16 wird im Betriebszustand der Verstärkungsfaktor des Differenzverstärkers 19 von Null bis zum Nominalwert gesteuert. Ein charakteristisches Merkmal des Funktionierens der Einheit zur Normierung der Andruckkraft ist es, daß im Bereich der dem Betriebszustand entsprechenden Andruckkräfte die Fühler 4; 5 und 6 eine fixierte Lage gegenüber der mit dem Gewebe kontaktierenden Arbeitsstirnfläche des Gebers einnehmen, was für die Erzielung der Standardmessungen in Geweben verschiedener Elastizität wichtig ist.

Durch die Anwendung von zwei Empfangspiezowandlern anstatt des einen wird es möglich, außer der erhöhten Empfindlichkeit und Störsicherheit auch eine bedeutende Herabsetzung des durch die mögliche Querverschiebung desStrahlpiezowandlerfühlers gegenüber dem Empfangspiezowandlerfühler bedingten Meßfehlers zu erzielen. Dies kann wie folgt erklärt werden.

Wenn der Fühler 4 des Strahlpiezowandlers 1 von der Mittellage gegenüber den Meßfühlern 5; 6 der Empfangspiezowandler 2 und 3 abweicht, wird das Signal am Differenzverstärkerausgang der Summe der entsprechenden Signale von jedem Empfangspiezowandler proportional, die in der Umgebung des Punktes N (für harmonische Signale) durch folgenden Ausdruck vereinfacht beschrieben wird:

A · sinM + φ) = A₁ · Sin(«)t + φ) + A₂ · sin(cot - φ) (4)

wobei A - die Amplitude des Summensignals;

A₁ und A₂-die Amplituden der zu summierenden Komponenten;

Φ - die durch die asymmetrische Fühlerstellung verursachte Phasenschiebung des Summensignals;

±φ- Phasenschiebungen der zu summierenden Signale sind

Nach den Transformationen läßt sich Ausdruck (4) folgendermaßen schreiben:

A · sinfürt + τ) = A · sinfart + arctg ( · tgq>)] (5)

Ai +A₂

Es kannmit einer Genauigkeit biszu20%angenommen werden, daßdieWellendämpfung nach dem GesetzA = K R"¹ erfolgt, dabei ist K der Proportionalitätsfaktor, R der Abstand zwischen den Fühlern der Strahl· und Empfangspiezowandler. Unter Berücksichtigung dieses Umstandes ergibt sich aus der Gleichung (5) folgender Ausdruck:

sinM + τ) = sindM + arctg (-=— + tgq>)] <⁶'

R₀

wobei R₀- halber Abstand zwischen den Fühlern der Empfangspiezowandler;

LR - die Asymmetriegröße der Stellung des Strahlpiezowandlerfühlers gegenüber den Empfangspiezowandlerfühlern

Für die Analyse des Ausdruckes (6) kann man die Arbeitsparameter der vorliegenden Vorrichtung f = 5 kHz, P = 3 mm, V =s 40 m · see"¹, AR = 0,3 mm annehmen

Dabei ist f₂ die Meßarbeitsfrequenz,

V die gewählte zu messende Schallgeschwindigkeit (charakteristisch für höchst weiche Gewebe)

Unter Berücksichtigung dieser Parameter läßt sich der Ausdruck (6) approximiert schreiben:

sinfürt + φ) = sMcüt + —— φ) (7)

Somit vermindert sich unter Anwendung von zwei Empfangspiezowandlern anstatt des einen der durch die Änderung des Abstandes zwischen den Fühlern der Strahl- und Empfangspiezowandler bedingte Meßfehler ungefähr um —— mal, d. h. bei der

relativen Verschiebung des Abstrahlungspiezowandlerfühlers auf 10%, bezüglich der symmetrischen Stellung vergrößert sich der Meßfehler nur auf 1 %.

Diese Besonderheit ist wesentlich bei der Verwendung der vorliegenden Vorrichtung, weil die Halter 7; 8 der Piezowandler 1; 2; 3 auch als Verzögerungslinie für das von dem Strahl- zu den Empfangspiezowandlern sich ausbreitende akustische Signal dienen. Deshalb müssen die Halter ausgedehnt genug sein, so daß ihre gegenseitige Verschiebung, beispielsweise wegen einer gewissen Unstabilität, mit der der Operator den Geber an dem zu untersuchenden Gewebeabschnitt festhält, zulässig ist.

Claims

1. Verfahren zur noninvasiven akustischen Messung der Elastizität von weichem biologischem Gewebe mittels Abstrahlen und Empfang der Schallwellen, dadurch gekennzeichnet, daß in der Oberfläche des zu untersuchenden Gewebes eine tangential Impulsschwingungsdeformation erregt wird, wonach die Ausbreitungsgeschwindigkeit der erregten Schallwellen in der Richtung der Erregung von Schwingungen in dem zu untersuchenden Gewebe ermittelt wird und nach der gemessenen Wellengeschwindigkeit die Elastizität des Gewebes bewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsschwingungsdeformation in einem Bereich von 0,5 bis 30 kHz erregt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen durch die Messung einer Zeitstrecke bestimmt wird, in der diese Wellen von der Deformationserregungszone zur Empfangszone laufen, wobei das Ablesen der Laufzeit des akustischen Impulses zum Zeitpunkt angefangen wird, wenn die Richtung der Gewebeschwingungen in der Erregungszone der Wellen zum ersten Mal ihr Zeichen ändert, indem dieser Zeitpunkt nach der Normalprobe eingestellt wird, die ein gelartiges Medium mit der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit vom gegebenen Wellentyp ist, und das Ablesen der Laufzeit des akustischen Impulses zum Zeitpunkt beendet wird, wenn das Signal vom Schallwellenempfänger den Nullpegel zum ersten Mal übertritt.

4. Vorrichtung zur noninvasiven akustischen Messung der Elastizität von weichem biologischem Gewebe mit einem Strahl- und Empfangspiezowandler enthaltenden Geberteil sowie mit einer mit den Piezowandlern elektrisch verbundenen elektronischen Baueinheit, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezowandler (1; 2) eine bimorphe Struktur haben und im Körper (10) mit Hilfe der ausgedehnten Halter (7; 8) planparallel befestigt-sind, und daß noch ein zweiter Empfangspiezowandler (3) vorgesehen ist, der an einem Halter (7) mit dem ersten Piezowandler (1) befestigt ist, wobei die beiden Empfangspiezowandler (2; 3) dem Strahlpiezowandler (1) gegenüber symmetrisch angeordnet sind, und daß dabei an den freien Enden der Piezowandler (1; 2; 3) Fühler (4; 5; 6) befestigt sind, derart, daß ihre Kontaktflächen in einer mit der-Verschiebungsrichtung der freien Enden der Piezowandler (1; 2; 3) zusammenfallenden Linie liegen, daß dabei die Fühler (5; 6) der Empfangspiezowandler (2; 3) dem Fühler (4) des Strahlpiezowandlers (1) gegenübersymmetrisch liegen, und daß der Geberteil mit einer Einheit zur Normierung der Andruckkraft des Gebers an das Gewebe versehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit zur Normierung der Andruckkraft ein abgefedertes Rohrelement (12) enthält, dessen eine Stirnseite mit der Oberfläche des zu untersuchenden Gewebes in Berührung kommt, ein elektrisches Dreistellungskontaktgfied, bestehend aus einem ersten beweglichen Kontaktglied (13), das mit der anderen Stirnseite des Rohrelementes (12) mechanisch verbunden ist, aus einem unbeweglichen Rohrkontaktglied (15) und aus einem abgefederten zweiten beweglichen Kontaktglied (16), derart ausgeführt, daß, wenn die Andruckkraft unter Norm ist, nur das unbewegliche (15) und das zweite bewegliche Kontaktglied (16) geschlossen sind, wenn die Andruckkraft in Norm ist, alle drei Kontaktglieder (13; 15; 16) geschlossen sind, wenn die Andruckkraft über Norm ist, nur die beweglichen Kontaktglieder (13; 16) geschlossen sind und daß dabei alle drei Kontaktglieder (13; 15; 16) im Steuerkreis der elektronischen Baueinheit in Reihe geschaltet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei nominaler Andruckkraft die Arbeitsstirnfläche des Rohrelementes (12) mit den Enden der Fühler (4; 5; 6) der Piezowandler (1; 2; 3) zusammenfällt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Baueinheit einen Zeit-Geschwindigkeit-Wandler, der die Zeitstrecke, in der die Schallwelle vom Strahlpiezowandler (1) an die Empfangspiezowandler (2; 3) läuft, in die Wellengeschwindigkeit umrechnet, sowie einen Digitalanzeiger zur Visualisierung der Geschwindigkeitswerte enthält.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Baueinheit einen Eingangsdifferenzverstärker (19) mit einem steuerbaren Verstärkungsfaktor enthält, dessen Eingänge an die Empfangspiezowandler (2; 3) angeschlossen sind, einen Impulsgenerator (21), dessen Ausgang an den Strahlpiezowandler (1) angeschlossen ist, einen Komparator (20), dessen Eingang an den Ausgang des Eingangsdifferenzverstärkers (19) angeschlossen ist, eine Verzögerungseinheit (22), deren Eingang an den Ausgang des

Impulsgenerators (21) angeschlossen ist, einen Trigger (23), dessen Recheneingang an den Ausgang der Verzögerungseinheit (22) und dessen Einstelleingang über einen Impulsformer (24) an den Ausgang des Komparators (20) angeschlossen sind, wobei die Eingänge des Zeit-Geschwindigkeit-Wandlers (25) an die Ausgänge des Triggers (23) und des Impulsgenerators (21) und die Ausgänge an den Digitalanzeiger (26) angeschlossen sind.

Hierzu 5 Seiten Zeichnungen