DE3146543A1 - Verfahren zur messung von stroemungsparametern, die mittels ultraschall-puls-doppler-methoden erfassbar sind, sowie vorrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents

Description

• Verfahren zur Messung von Strömungsparametern, die
• mittels Ultraschall-Puls-Doppler-Methoden erfaßbar sind, sowie Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung von Strömungsparametern, die mittels Ultraschall-Puls-Doppler-Verfahren erfaßbar sind, wobei gepulster Ultraschall unter vorgegebenen Winkel in ein schalleitendes Medium mit diskreten Bereichen strömender Flüssigkeit eingeschallt wird und die Echo signale gemessen und wenigstens hinsichtlich der Frequenzverschiebung ausgewertet werden, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
• Ultraschall-Doppler-Verfahren werden in der medizinischen Diagnostik insbesondere zur nichtinvasiven Bestimmung von Strömungsparametern des Blutes in körperinternen Gefäßen bzw. Organen, beispielsweise des menschlichen Herzens, verwendet. Dabei interessiert neben der Strömungsgeschwindigkeit weiterhin in Verbindung mit dem Gefäßquerschnitt auch der Volumenstrom Vorrichtungen zur Volumenstrommessung mittels Doppler-Technik sind vom Stand der Technik be kannt. Mit der DE-AS 24 61 264 wurde ein solches Gerät zur Volumenstrommessung vorgeschlagen, uei dem neben dem Frequenz inhalt der Dopplersignale auch deren Leistung bewertet und in die Auswertung eingeschlossen wird. Um den unbekannten Ein- fluß der Gewebedämpfung auf die gemessene Leistung auszuschalten, werden dabei speziell zwei Leistungsmessungen gemacht: Eine erste bei voller Durchschallung des zu untersuchenden Körpergefäßes und eine zweite aus einem bekannten Signaleinzugsgebiet innerhalb des Körpergefäßes. Bei einer gestreckten Ader des Körpergefäßes dient dabei die Pulstechnik zur Definition eines Signaleinzugsgebietes für die Leistung; die dann für eine Volumenstrombestimmung noch notwendige Geschwindigkeitsmessung kommt dagegen prinzipiell auch ohne Pulstechnik aus.
• Bei den Puls-Doppler-Meßverfahren ist die Puls-Wiederholfrequenz fp durch die Beziehung c (1) afp p z vorgegeben, wenn die Tiefenlage z bis maximal z ohne Doppeldeutigkeiten gemessen werden soll, wobei c die Schallgeschwindigkeit darstellt. Anhand einer Zeit-und Frequenzbereichsbetrachtung, wie sie beispielsweise im Zeitschriftenartikel "IEE Transaction on Sonics & Ultrasonics" Vol. SU 28, 2(1981), 69-75 ausgeführt ist, läßt sich zeigen, daß die Unbestimmtheitsrelation gilt. Diese Beziehung drückt aus, daß bei Vorgabe der Schallgeschwindigkeit c, der Sendefrequenz f5 sowie des eindeutig ausmeßbaren Tiefenbereichs z die maximal eindeutig erfaßbare Strömungsgeschwindigkeit f nach oben ebenfalls begrenzt ist.
• Für die praktische Anwendung in der Kardiologie bedeutet dies, daß bei Verwendung noch ausreichend ein- dringfähiger Ultraschall-Sendefrequenzen f5 und unter Berücksichtigung der maximal vorkommenden Geschitldigkeiten f in den Körpergefäßen der erreichbare eindeutig meßbare Tiefenbereich M um den Faktor von etwa zwei zu klein ist.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, mit denen bei der Messung von Strömungsparametern mittels Puls-Doppler-Verfahren der Meßbereich erweitert werden kann.
• Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß außer der Frequenzverschiebung auch in an sich bekannter Weise die Leistung der Dopplersignale erfaßt wird, wobei aber diese Messung speziell im invertierten Spektrum erfolgt.
• Gemäß der Erfindung wird also die Geschwindigkeit mit einem Dopplersystem gemessen, welches einen ausreichend großen Eindeutigkeitsbereich für die Geschwindigkeitsmessung aufweist, aber dafür keine oder keine eindeutige Tiefenmessung zuläßt (Dauerschall- oder Puls-Doppler-Messung mit hoher variabler Pulswiederholfrequenz), und bei dem die zur Volumenstrommessung notwendige Leistungsmessung des Dopplersignals mit einem System durchgeführt wird, welches eine eindeutige Tiefenmessung zuläßt (Puls-Doppler-Messung mit ausreichend niedriger Pulswiederholfrequenz). Bei der Leistungsmessung kann auf eine Frequenzmessung verzichtet werden, so daß der kleine Eindeutigkeitsbereich für die Frequen;h bzw.
• Geschwindigkeitsmessung nicht von Bedeutung ist.
• Ein Doppler-Gerät, welches nach obigem Grundprinzip arbeitet, unterscheidet sich von den bereits bekannten Geräten im wesentlichen in folgenden Punkten: a) die Pulswiederholfrequenz fp ist variabel, b) die zeitliche Empfangstorlänge TE ist variabel un'd c) das Demodulationsfilter weist einen Amplitudengang auf, der ganz spezifischen Kriterien genügt. Insbesondere ist das Demodulationsfilter ein Tiefpaßfilter, dessen Ubertragungsverhalten im Sperrbereich spiegelsymmetrisch zu einem solchen Frequenzwert verläuft, der im Bereich der Eckfrequenz liegt, so daß beim Übergang eines Signals von der nicht invertierten in die invertierte Lage ein frequenzunabhängiger Amplitudengang zustande kommt; vorzugsweise ist dieser Frequenzwert der (-6)-dB-Wert des Filters.
• Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann zur Geschwindigkeitsmessung beispielsweise Dauerschallbetrieb gewählt werden (fp = 0; TE = tt ) oder eine Frep TE quenz fp, bei der der Eindeutigkeitsbereich f großgenug ist und die Torlänge TE die Erfassung der ganzen Ader erlaubt. Die Parameter können bei Pulsbetrieb so gewählt werden, daß während des Sendens nicht gleichzeitig empfangen werden muß. Die Tiefenlage des Signalentstehungsortes in der Ader kann dann um n.c mit n = 0, 1, 2, 77 f c mit n = O, 1, 2, ... fehlerhaft gemessen werden.
• p Zur Leistungsmessung wird fp gerade halb so groß gewählt, wie es zur eindeutigen Geschwindigkeitsmessung erforderlich ist. Dadurch erreicht man eine Verdopplung des Eindeutigkeitsbereiches für die Tiefenmessung.
• Bei welchen Bedingungen für den Amplitudengang des Demodulationsfilters dennoch richtig gemessen wird, kann im einzelnen aus der Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung entnommen werden.
• Es zeigen: die Fig. 1 ein die Erfindung erläuterndes Amplituden-Frequenzdiagramm und die Fig. 2 ein entsprechend ausgeführtes Puls-Doppler-Gerät.
• In der Fig. 1 ist als Abszisse die Frequenz bzw. Kreisfrequenz und als Ordinate logarithmisch die Signalamplitude aufgetragen. Dargestellt ist ein Doppler-Spektrum zusammen mit dem Sende spektrum. Dabei bedeuten die großen Nadeln die Sendefrequenzen O-ter bis n-ter Ordnung und die kleinen Nadeln die ztlgehörigen Echo-Signale eines bewegten Punktreflektors mit Doppler-Frequenzen 1-ter und (-1)-ter Ordnung Es sind jeweils die Bereiche B1 bis Bn gekennzeichnet. Im einzelnen haben die Indices der Frequenzen folgende Bedeutung: = = 2f 2#fp : Kreisfrequenz des Tastsignals p p # = 2 8ffs : Grundkreisfrequenz des getasteten Sendesignals = = 2# fD : Kreisfrequenz des Doppler-Signals B1, B2, ... Bn: Bandbereiche des Spektrums Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in üblicher Weise über den Meßbereich B1 gemessen, wobei die Doppler-Frequenzen allerdings auch in den Bereich /26 uD < Wip kommen können. Dann liegt die Doppler-Spektralnadel des Bereiches B4 (oberes Seitenband) im Sperrbereich des Demodulationsfilters und wird nicht registriert. An deren Stelle tritt aber die Doppler-Spektralnadel des Bereiches 35 (unteres Seitenband) in den Durchlaßbereich des Filters. Wenn das Filter mit seinem wirksamen Amplitudengang A so ausgelegt ist, daß'beim übertritt von wD( wp/2 nach wD > wp/2 keine Lücke bzw. keine merkliche Unstetigkeit entsteht, wird die Leistung richtig gemessen, obwohl die Frequenz verändert ist.
• In der Fig. 2 bedeuten 1 einen üblichen Ultraschall-Sende-Empfangswandler, mit dem eine diskrete Strömung im Bereich 2 detektiert werden soll. Der Sende-Empfangswandler 1 wird von einem Hochfrequenzsender 2 mit der Frequenz fs betrieben, dessen Signal über eine Tasteinheit 3 mit variierbarer Frequenz fp und Sendezeit T5 gepulst wird. über eine Signalweiche wird der Signalwandler 1 z.B. alternativ auf Senden oder Empfangen umgeschaltet; 5 bedeutet im Falle einer Brückenschaltung für gleichzeitigen Sende-Empfangs-Betrieb den Symmetriewiderstand.
• Auf der Empfangsseite ist mit 6 ein Empfangverstärker bezeichnet, der ein Empfangstor 7 mit variabler zeitlicher Länge TE nachgeschaltet ist. Anschließend folgt ein Bandfilter 8 und ein Demodulator 9. Vom Demodulator 9 gelangt das Signal über ein weiteres Filter 10 und von dort auf einen Leistungsmesser 11.
• Der Sendeseite und Empfangsseite sind eine gemeinsame Einheit 12 zur Torsteuerung zugeordnet, an der die veränderbare Pulswiederholfrequenz fp und die Sendetorlänge T5 einerseits sowie die Empfangstorlänge TE sowie ein Tiefenempfangsbereich CJ eingestellt werden könnn. Das Filter 10 ist ein sogenanntes Butterworth-Filter, das folgendes Ubertragung-sverhalten aufweist: Dabei bedeuten #° :(-3)-dB-Eckkreisfrequenz, : : Kreisfrequenz des Tastsignals, #M : Kreisfrequenz des Uberganges vom Sperr- zum Durchlaßbereich.
• Für # = #M soll gelten: 2 | F ( ) = 1 Daraus folgt: Man kann zeigen, daß für ein solches Filter das aber tragungsverhalten bezüglich der beiden gleichzeitig vorhandenen Dopplerfrequenzen 9 und (f - f Anp den forderungen genügt. Wenn für u M WM gilt: # = #M # ## so folgt unter der Nebenbedingung ## /## M «1 für das Übertragungsverhalten: Const d.h. also, daß vernachlässigbare Unstetigkeiten auftreten, wenn der Filtergrad niedrig, z.B. n = 2 gewählt wird.
• Das nach den Gleichungen (3) und (4) dimensionierte Filter 10 erlaubt in einem konventionellen Puls-Doppler-Gerät eine Leistungsmessung des Dopplersignals bis zur doppelten Grenze nach Gleichung (1).
• Es hat sich.gezeigt, daß ein Butterworth-Filter in guter Näherung die geforderte Symmetrie im Sperrbereich erfüllt, wobei der Symmetriepunkt etwa der (-6)-dB-Wert ist. Damit ist beim Übergang eines Signals von der nichtinvertierten in die invertierte Lage der frequenzunabhängige Amplitudengang gegeben.
• Mit einem, mit dem beschriebenen Butterworth-Filter komplettierten Doppler-Gerät ist das erfindungsgemäße Verfahren realisierbar, wodurch sich der Meßbereich im gewünschten Maße erweitern läßt.
• 2 Figuren 6 Patentansprüche

Claims (6)

1. Patentansprüche ½) Verfahren zur Messung von Strömungsparametern, die mittels Ultraschall-Puls-Doppler-Verfahren erfaßbar sind, wobei gepulster Ultraschall unter vorgegebenen Winkel in ein schalleitendes Medium mit diskreten Bereichen strömender Flüssigkeit eingeschallt wird und die Echo signale gemessen und wenigstens hinsichtlich der Frequenzverschiebung ausgewertet werden, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß außer der Frequenzverschiebung auch in an sich bekannter Weise die Leistung der Dopplersignale erfaßt wird, wobei aber diese Messung speziell im invertierten Spektrum erfolgt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß zur Messung der Leistung Dopplersignale 1-ter und/oder (-1)-ter Ordnung im Bereich des Sendespektrums O-ter Ordnung erfaßt werden.
3. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, mit einem Dopplergerät zur Erfassung der Leistung der anfallenden Dopplersignale, das ein Demodulationsfilter aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Demodulationsfilter (10) ein Tiefpaßfilter ist, dessen Übertraguqverhalten im Sperrbereich spiegelsymmetrisch zu einem solchen Frequenzwert verläuft, der im Bereich der Eckfrequenz liegt, so daß beim Übergang eines Signals von der nichtinvertierten in die invertierte Lage ein frequenzunabhängiger Amplitudengang zustande kommt.
4. 4 Vorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Frequenzwert der (- dB-Wert des Filters (10) ist.
5. - 10 - VPA 81 P 5106 DE 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Filter (10) ein Butterworth-Filter ist, das folgende Ubertragungsbedingungen erfüllt mit wobei F () das Übertragungsverhalten des Filters (10) charakterisiert und #° die (-3)-dB-Eckkreisfrequenz des Filters (10) sowie #p die Tastkreisfrequenz des eingestrahlten Ultraschalls bedeuten.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Dopplergerät eine Einheit (12) zur Torsteuerung von Sende- und Empfangsseite aufweist, von der die Pulswiederholfrequenz (f ) mit Sendetorlänge (Ts) einerseits und die Empfangst länge (TE) mit Tief enempfangsbereich ( t ) andererseits steuerbar sind.