DE68920354T2

DE68920354T2 - Nltraschall-Doppler-Blutströmungsgeschwindigkeitsmessgerät und Messverfahren der Blutströmungsgeschwindigkeit.

Info

Publication number: DE68920354T2
Application number: DE68920354T
Authority: DE
Inventors: Masami Kawabuchi; Yasuhiro Nakamura; Ikuo Sakai
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1988-04-22
Filing date: 1989-04-21
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2009-04-22
Also published as: US4966153A; DE68920354D1; EP0338592A1; JPH01270859A; EP0338592B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschall-Doppler- Blutströmungsgeschwindigkeitsmeßgerät und ein Meßverfahren der Blutströmungsgeschwindigkeit.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Ein Ultraschall-Doppler-Blutströmungsgeschwindigkeitsmeßgerät wird zum Erfassen der Blutströmungsschwindigkeit verwendet, die in der Diagnostik verwendet werden kann. Es gibt eine Vielzahl von Doppler-Blutströmungsgeschwindigkeitsmeßgeräten, die den Doppler-Effekt über Reflektion von Ultraschallwellen ausnutzen. Die Ultraschall-Doppler-Blutströmungsgeschwindigkeitsmeßeinrichtung kann einen Abschnitt auswählen, in dem die Blutströmungsgeschwindigkeit hinsichtlich Entfernung und Richtung zu erfassen ist.
Das am weitesten verbreitete Doppler-Blutströmungsgeschwindigkeitsmeßgerät erfaßt die Blutströmungsgeschwindigkeit wie folgt:
Das Doppler-Blutströmungsgeschwindigkeitsmeßgerät überträgt einen Ultraschallwellenpuls, dessen Mittenfrequenz "f" beträgt, zu einem vorbestimmten Intervall mittels eines Meßwertaufnehmers bzw. Transducers in den menschlichen Körper; empfängt dann ein reflektiertes Signal, d.h. ein Echosignal, von einem sich bewegenden reflektierenden Objekt, wie einem Blutkörperchen; und erfaßt das Ausmaß der Phasenverschiebung des Echosignals, d.h. die Doppler-Verschiebung. Ein Ausgabesignal des Phasenverschiebungsausmaß, d.h. das Doppler-Signal, zeigt die Blutströmungsgeschwindigkeit an.
In dem Doppler-Blutströmungsgeschwindigkeitsmeßgerät ist das Verhältnis zwischen einer Verschiebungsfrequenz fd eines Doppler-Signals und einer Blutströmungsgeschwindigkeit V gegeben durch:
fd=(2V/c) f cosθ ... (1)
wobei "c" eine Schallgeschwindigkeit in dem menschlichen Körper ist; θ ein durch die Ultraschallübertragungsrichtung und die Richtung der Blutströmung verursachter Winkel ist, wobei die Verschiebungsfrequenz fd einer Begrenzung unterliegt, die gegeben ist durch:
fd ≤ fp/2 ... (2)
wobei fp eine Ultraschallwellenpuls-Wiederholungsfrequenz ist (auch als Sollfrequenz bezeichnet) . Die Doppler-Verschiebungsfrequenz fd sollte aufgrund des Abtasttheorems eine Hälfte der Frequenz fp nicht überschreiten. Falls die Blutgeschwindigkeit V eine der Ultraschallwellenpuls-Wiederholungsfrequenz fp entsprechende Geschwindigkeit überschreitet, gibt das Ultraschall-Dopper-Blutströmungsgeschwindigkeitsmeßgerät eine nicht korrekte Geschwindigkeit und Richtung aus. Insbesondere wird, falls ein tiefliegender Abschnitt gemessen wird, die Zeitperiode von der Übertragung eines Ultraschallwellenpulses bis zum Empfang der reflektierten Ultraschallwellen mittels eines Sensors des Geräts lang. Dann sollte die Frequenz fp des Ultraschallwellenpulses auf einen niedrigen Wert eingestellt werden. Daher ist es schwierig, eine hohe Geschwindigkeit der Blutströmung zu erfassen.
Die Druckschrift US 4,534,357 zeigt eine Erfassungseinrichtung zum Messen der Geschwindigkeit des Blutes mittels zwei Doppler-Empfängern, die unterschiedliche Mittenfrequenzen aufweisen. Nachdem die mittleren Frequenzen von jedem der Doppler-Empfänger bestimmt wurden, werden diese mittleren Frequenzen voneinander abgezogen, um eine Differenzfrequenz zu erhalten, die niedriger als die Mittenfrequenz von jedem der Doppler-Empfänger ist, so daß Schwebungseffekte (Aliasing) verhindert werden können.
Zudem ist aus der Druckschrift EP 0 166 392 A3 ein Doppler- Signal-Frequenzwandler zum Gebrauch in einem Gerät bekannt, das zur Erfassung und Messung der Bewegungsgeschwindigkeit eines Objekts verwendet wird, indem die Reflektionen von zum Untersuchungsobjekt abgestrahlten Ultraschallwellen aufgenommen werden.
Ein Ultraschall-Doppler-Blutströmungsmeßverfahren ist in dem "Technical Report of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, Vol. 87, No. 294, US87-51, 1987, enthalten, das geschaffen wurde, um die Begrenzung der meßbaren Blutströmungsgeschwindigkeit abzuschwächen.
Figur 6 zeigt einen Kurvenverlauf von übertragenen Ultraschallwellenpulsen gemäß dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik. In Figur 6 werden Ultraschallwellenpulse wiederholt zu alternierenden Intervallen T und T+Ts abgegeben. Das Echosignal hat eine Phasenverschiebung Δθ, wenn ein Ultraschallwellenpuls übertragen wird, der ein Intervall T zu dem nachfolgenden Puls aufweist, und eine Phasenverschiebung Δθ', wenn ein Ultraschallwellenpuls übertragen wird, der ein Intervall Ts zu dem nachfolgenden Puls aufweist. Eine Geschwindigkeit der Blutströmung ist durch eine Phasenverschiebung ΔΔθ gegeben, die durch Δθ' - Δθ erhalten wird. Der meßbare Bereich ist vorgegeben durch
fd ≤ (1/2) (1/Ts) ;
Daher erweitert eine Verringerung hinsichtlich Ts den meßbaren Bereich der Blutströmungsgeschwindigkeit unter Berücksichtigung der Gleichung (1).
Allerdings existiert ein Nachteil dahingehend, daß das Ultraschall-Doppler-Blutströmungsgeschwindigkeitsmeßgerät gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren kompliziert ist, da Ultraschallwellenpulse zu zwei verschiedenen Intervallen übertragen werden sollen und eine Phasenverschiebungsberechnung erforderlich ist, um die Phasenverschiebung ΔΔθ zu erhalten. Die Erfassung der Phasenverschiebung ΔΔθ sollte wiederholt gemessen werden, um einen mittleren Wert zu erhalten, da sie nicht genau ist. Daher existiert des weiteren ein Nachteil, daß es unmöglich ist, einen sofortigen Wert der Blutströmungsgeschwindigkeit zu erhalten.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um die vorstehend beschriebenen Nachteile, die dem herkömmlichen Ultraschall- Doppler-Blutströmungsgeschwindigkeitsmeßgerät und dem entsprechenden Verfahren innewohnen, zu beseitigen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Ultraschall-Doppler-Blutströmungsgeschwindigkeitsmeßgerät gemäß dem Patentanspruch 1 und ein Meßverfahren der Blutströmungsgeschwindigkeit gemäß dem Patentanspruch 11 bereitgestellt.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Das Ziel und die Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden deutlicher anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung, in der:
Figur 1 ein Blockschaltbild eines Ultraschall-Doppler-Blutströmungsgeschwindigkeitmeßgeräts gemäß der Erfindung ist;
Figur 2 Kurvenverläufe zeigt, um die Betriebsweise des Ultraschall-Doppler-Blutströmungsgeschwindigkeitsmeßgeräts der Figur 1 zu verdeutlichen;
Figur 3 ein Blockschaltbild einer Richtungserfassungseinrichtung der Figur 1 ist;
Figur 4 ein Blockschaltbild einer Frequenzangleichungseinrichtung der Figur 1 ist;
Figur 5 eine Kurvendarstellung ist, um die Betriebsweise der Frequenzangleichungseinrichtung der Figur 4 zu verdeutlichen; und
Figur 6 einen Kurvenverlauf eines herkömmlichen Ultraschall-Doppler-Blutströmungsgeschwindigkeitsmeßgeräts und eines Verfahrens zeigt.
Die gleichen oder sich entsprechenden Elemente oder Abschnitte sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung ist die Figur 1 ein Blockschaltbild eines Ultraschall-Doppler-Blutströmungsgeschwindigkeitsmeßgeräts gemäß der Erfindung.
In Figur 1 erzeugt ein Pulsgenerator 2 in einem in Figur 2 gezeigten vorbestimmten Intervall Tp ein Pulssignal P. Eine Treibereinrichtung 3 erzeugt ein Ultraschallansteuerungssignal als Reaktion auf ein Ausgangssignal des Pulsgenerators 2. Ein Meßwertaufnebmer bzw. Transducer 1 gibt ein Ultraschallwellensignal als Reaktion auf das Ultraschallansteuerungssignal ab. Das Ultraschallwellensignal, das von dem Transducer 1 übertragen wird, wird an einem Objekt, wie einem Blutteilchen in dem Blut, reflektiert. Das reflektierte Ultraschallwellensignal wird von dem Transducer 1 empfangen. Der Transducer 1 wandelt das reflektierte und empfangene Ultraschallwellensignal in ein elektrisches Signal, auf das als ein Echosignal "e" Bezug genommen werden wird. Das Echosignal "e" wird zu einem Verstärker 6 übermittelt, der das Echosignal "e" mit einer vorbestimmten Verstärkung verstärkt, um einen gewünschten Ausgangspegel zu erhalten. Ein Ausgangssignal des Verstärkers 6 wird zu einem ersten Bandpassfilter 7 übermittelt, dessen Mittenfrequenz f&sub1; ist, und zu einem Bandpassfilter 8, dessen Mittenfrequenz f&sub2; ist, die von f&sub1; unterschiedlich ist. Das erste und zweite Bandpassfilter 7 und 8 extrahieren Frequenzkomponenten aus f&sub1; und f&sub2;. Ein Multiplizierer 9 multipliziert ein Echosignal e&sub1; von einem Ausgangssignal des ersten Bandpassfilters 7 mit einem Echosignal e&sub2; eines Ausgangssignals von dem zweiten Bandpassfilter 8, und gibt ein Produkt-Echosignal e'&sub0; aus. Ein drittes Bandpassfilter 10 extrahiert eine Komponente einer Frequenz f&sub0; aus dem Produkt-Echosignal e'&sub0;, um ein Echosignal e&sub0; zu erzeugen und aus zugeben. Das Echosignal e&sub0; oder das Ausgangssignal des dritten Bandpassfilters 10 wird zu einer Erfassungseinrichtung 11 übermittelt (auch als eine Quadrat-Erfassungseinrichtung bezeichnet), die zwei Multiplizierer 11a und 11b aufweist. Der Multiplizierer 11a multipliziert das Echosignal e&sub0; mit einem Bezugsignal rx, das von einem Bezugssignalgenerator 5 erzeugt wird und dessen Frequenz im wesentlichen der Frequenz f&sub0; einer Bandpass-Mittenfrequenz des Bandpassfilters 10 gleicht. Der Multiplizierer 11b multipliziert das Echosignal e&sub0; mit einem Bezugssignal ry, das von Bezugssignalgenerator 5 erzeugt wird und dessen Frequenz im wesentlichen der Frequenz f&sub0; der Mittenfrequenz des Bandpassfilters 10 gleicht. Der Bezugssignalgenerator 5 erzeugt die Bezugssignale rx und ry (auch als Quadrat-Bezugssignale bezeichnet) als Reaktion auf das Ausgangssignal des Pulsgenerators 2, wobei diese zueinander eine Phasendifferenz von 90º aufweisen. Die Ausgangssignale der Multiplizierer 11a und 11b werden zur Erfassung der Bewegungsrichtung des Objekts verwendet. Ausgangssignale der Multiplizierer 11a und 11b werden Integratoren 12a und 12b übermittelt, die die Ausgangssignale als Reaktion auf ein Ausgangssignal eines Torschaltkreises 4 integrieren. Der Torschaltkreis 4 erzeugt ein Torsignal G als Reaktion auf das Pulssignal P mit einer in Figur 2 gezeigten Verzögerungs zeit Td. Die Verzögerungs zeit Td wird durch ein erstes Steuerungssignal bestimmt, das dem Torschaltkreis 4 zugeführt wird. Das Torsignal G hat eine Dauer Tw, die durch ein zweites Steuerungssignal bestimmt wird, das dem Torschaltkreis 4 zugeführt wird. Die Verzögerungs zeit Td bestimmt die Mitte der Dauer des Torsignals G, wie in Figur 2 gezeigt ist. Die Integratoren 12a und 12b integrieren Ausgangssignale von den Multiplizierern 11a und 11b als Reaktion auf das Torsignal G für eine Zeitdauer Tw, um Doppler-Signale Vxn Vyn aus zugeben.
Die Erfassungseinrichtung 11 erfaßt eine Blutströmungsgeschwindigkeit aus dem Echosignal e0 als Reaktion auf die Bezugssignale rx und ry. Die Integratoren 12a und 12b integrieren die Ausgangssignale der Qu-adrat-Erfassungseinrichtung 11 als Reaktion auf das Torsignal mit der Verzögerungs zeit Td, die die Tiefe eines Abschnitts anzeigt, in der die Blutströmungsgeschwindigkeit gemessen wird, für die Dauer der Zeit Tw, die einen Meßbereich anzeigt.
Die Doppler-Signale Vxn und Vyn werden zu einer Frequenzanalyseeinrichtung 13 übermittelt, die die Doppler-Signale Vxn und Vyn analysiert, um ein Spektrum-Signal aus zugeben, das den Pegel von verschiedenen Frequenzkomponenten anzeigt. Ein Korrekturschaltkreis 14 korrigiert die Pegel der Viel zahl an Frequenzkomponenten des Spektrum-Signals. Eine Anzeige 15 zeigt wiederholt Blutströmungsgeschwindigkeitsinformation gemäß dem Ausgangssignal des Korrekturschaltkreises an.
Die Doppler-Signale Vxn und Vyn können durch die nachstehenden Schaltkreise verarbeitet werden. Eine Richtungserfassungseinrichtung 16 erfaßt die Richtung der Blutströmung als Reaktion auf die Doppler-Signale Vxn und Vyn dahingehend, ob das Objekt sich in Richtung "zu" oder "weg" von dem Transducer 1 bewegt. In dieser Beschreibung wird die Formulierung "zu" verwendet, um die Richtung des sich in Richtung auf den Transducer 1 zubewegenden Objekts anzuzeigen; die Formulierung "weg", um die Richtung des sich von dem Transducer 1 wegbewegenden Objekts anzuzeigen. Die Richtungserfassungseinrichtung 16 gibt eines der Doppler-Signale Vxn und Vyn aus. Frequenzangleicher 17a und 17b gleichen die Ausgangssignale der Richtungserfassungseinrichtung 16 einander an, um hinsichtlich einer Frequenzcharakteristik des Doppler-Signals Vxn bzw. Vyn zu kompensieren. Verstärker 18a und 18b verstärken Ausgangssignale der Frequenzangleicher 17a und 17b, um Lautsprecher 19a und 19b anzusteuern. Die Lautsprecher 19a und 19b geben Schall als Reaktion auf die Ausgangssignale der Verstärker 18a und 18b ab, um einen Benutzer über die Doppler-Signale in Kenntnis zu setzen, die einem Benutzer die Blutströmungsgeschwindigkeit anzeigen, beispielsweise als Stereowiedergabe.
Nachstehend wird die Arbeitsweise des Ultraschall-Doppler- Blutströmungsgeschwindigkeitsmeßgeräts beschrieben.
Das empfangene Ultraschallwellensignal, d.h. das Echosignal "e", wird den Bandpassfiltern 7 und 8 zugeführt. Die Bandpassfilter 7 und 8 haben Nittenfrequenzen f&sub1; und f&sub2;. Die Frequenzdifferenz zwischen den Mittenfrequenzen f&sub1; und f&sub2; ist auf f&sub0; eingestellt. Das Echosignal "e" wird einer Phasenverschiebung durch die Bewegung des Objekts, das das übertragene Ultraschallwellensignal reflektiert, aufgrund des Doppler-Effekts unterzogen. Daher weist das Echosignal "e" eine Spektrum-Verteilung gemäß der Phasenverschiebung auf. Das Echosignal "e" wird beim Durchlauf durch die Bandpassfilter 7 und 8 mit den verschiedenen Passierungsbandbreiten verarbeitet. Auf diese Weise werden zwei Echosignale e&sub1; und e&sub2; mit verschiedenen Mittenfrequenzen f&sub1; und f&sub2; erhalten. Der Multiplizierer 9 erzeugt ein Produkt-Echosignal e'&sub0; eines Rhythmussignals zwischen den Echosignalen e&sub1; und e&sub2; durch Multiplikation des Echosignals e&sub1; mit dem Echosignal e&sub2;. Das BandPassfilter 10 ist auf eine Mittenfrequenz f&sub0; eingestellt, die der Frequenzdifferenz zwischen den Mittenfrequenzen der Bandpassfilter 7 und 8 gleicht und im wesentlichen gleich der Frequenz der Bezugssignale rx und ry ist. Somit wird eine Signalkomponente der Frequenz f&sub0; aus dem Produkt-Echosignal e'&sub0; durch das Bandpassfilter 10 extrahiert. Die Multiplizierer 11a und 11b multiplizieren das Echosignal e&sub0; mit den Bezugssignalen rx und ry, um Erfassungssignale bereitzustellen, die die Amplituden- und Phasenbeziehung zwischen dem Echosignal e&sub0; und den Bezugssignalen rx und ry darstellen. Falls das Echosignal e&sub0; in Phase mit dem Bezugssignal rx ist, ist der Ausgangspegel des Multiplizieres 11a groß. Falls das Echosignal e&sub0; einen Phasenversatz von 90º mit dem Bezugssignal rx aufweist, ist der Ausgangspegel des Multiplizierers klein. Gleichfalls ist, falls das Echosignal e&sub0; in Phase mit dem Bezugssignal ry ist, der Ausgangspegel des Multiplizierers 11b groß. Falls das Echosignal e&sub0; einen Phasenversatz von 90º zu dem Bezugssignal ry aufweist, ist der Ausgangspegel des Multiplizierers klein.
Nachstehend wird die Betriebsweise des Ultraschall-Doppler-Blutströmungsgeschwindigkeitsmeßgeräts genauer beschrieben.
Das empfangene Echosignal e&sub1; weist aufgrund des Doppler-Effekts eine Spektrum-Verteilung auf. Die Echosignale e&sub1; und e&sub2; sind vorgegeben durch: wobei A1 und A2 Amplituden sind; ω&sub1; und ω&sub2; Winkelfrequenzen entsprechend den Mittenfrequenzen f&sub1; und f&sub2; der Bandpassfilter 7 und 8 sind; und Δtn eine Differenz zwischen Zeitperioden ist, die benötigt werden, um das reflektierte Echosignal bei einer (n-1)'ten Erfassung und das bei der n'ten Erfassung zu empfangen. Diese Differenz entspricht einer Bewegungsentfernung des reflektierenden Objekts. Falls das reflektierende Objekt sich bewegt, variiert Δt, da eine Zeitperiode zur Übertragung von dem reflektierenden Objekt zu dem Transducer 1 sich ändert.
Das Produkt-Echosignal e'&sub0;, das von dem Multiplizierer 9 ausgegeben wird, ist vorgegeben durch
das Frequenzkomponenten der Summe von ω&sub1; und ω&sub2; und der Differenz zwischen ω&sub1; und ω&sub2; aufweist. Daher ist das Echosignal e&sub0; gegeben durch:
Dieses wird durch Passieren des Produkt-Echosignals e'&sub0; durch das Bandpassfilter 10 bewirkt. Es ist angenommen, daß A&sub1;=A&sub2;(=A) gilt, da die Echosignale e&sub1; und e&sub2; am selben Punkt erfaßt wurden. Somit ist das Echosignal e&sub0; gegeben durch:
Die Bezugssignale rx und ry sind: wobei "1" eine Amplitude ist und ωr=2πfr gilt.
Die Doppler-Signale Vxn und Vyn werden durch Multiplikation des Echosignals e&sub0; mit den Bezugssignalen rx und ry und durch Integration durch die Integratoren 12a und 12b erhalten. Die Frequenzen der Bezugssignale rx und ry, die Differenzfrequenz zwischen Mittenfrequenzen der Bandpassfilter 7 und 8 sowie die Mittenfrequenz des Bandpassfilters 10 sind auf den gleichen Wert eingestellt, d.h. f&sub0;. Daher sind die Doppler-Signale Vxn und Vyn gegeben durch:
Die Doppler-Signale Vxn und Vyn, die beim n'-ten Übertragen und Empfangen erhalten wurden, sind diskrete Signale und zeigen eine Phase des Echosignals e&sub0; zu den Bezugssignalen rx und ry an. Es ist angenommen, daß Atn eine Variation der Zeitperiode Δt'n pro Intervall Tp zum Übertragen und Empfangen des Ultraschallwellensignals ist. Die Doppler-Signale Vxn und Vyn sind gegeben durch:
Die Gleichung (11) ist zu einem diskreten Zeitpunkt T gegeben durch: Das Verhältnis zwischen ωd und ω&sub0; ist gegeben durch: Die Variation der Zeitperiode ist gegeben durch: wobei Δln/Tp eine Entfernung ist, über die das reflektierende Objekt sich bewegt, beispielsweise die Geschwindigkeit V. Aus den Gleichungen (13) und (14) ist eine Doppler-Verschiebungsfrequenz fd unter Bezug auf eine Geschwindigkeit V gegeben durch:
Die Doppler-Verschiebungsfrequenz fd unterliegt der gleichen Begrenzung gemäß Gleichung (2).
Die Frequenzanalyseeinrichtung 13 stellt die Doppler-Verschiebungsfrequenz fd durch Frequenzanaylse der Doppler-Signale Vxn und Vyn bereit. Allerdings sind die Amplituden der Doppler-Signale Vxn und Vyn nicht der Amplitude des Echosignals "e" proportional, da die Amplituden der Doppler-Signale Vxn und Vyn durch einen Ausdruck A² gegeben sind. Der Korrekturschaltkreis 14 korrigiert die Doppler-Signale Vxn und Vyn so, daß das Ausgangssignal direkt proportional zu der Amplitude des empfangenen Echosignals ist.
Die Frequenz f&sub0;, die die Frequenz des Doppler-Verschiebungssignals fd bestimmt, weist keine Beziehung mit einer Frequenz des übertragenen Ultraschallwellensignals auf, sondern entspricht der Differenzfrequenz zwischen den Mittenfrequenzen f&sub1; und f&sub2; der Bandpassfilter 7 und 8 und der Bezugsfrequenz fr. Daher kann der meßbare Bereich durch Auswahl des Werts der Frequenz f&sub0; erweitert werden. Beispielsweise ist, falls die Mittenfrequenz des Ultraschallwellensignals 5 MHz beträgt und die Wiederholungsfrequenz fp 3 KHz, die Ultraschall-Doppler-Blutströmungsgeschwindigkeit bis über 230 cm/sec meßbar, wobei die Mittenfrequenz f&sub1; des ersten Bandpassfilters auf 4,75 MHz eingestellt ist; die Mittenfrequenz des zweiten Bandpassfilters f&sub2; auf 5,25 MHz; und somit die Bezugsfrequenz fr die Frequenz f&sub0;(=f&sub2;-f&sub1;=500 KHz) ist. Andererseits liegt in dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik der meßbare Geschwindigkeitsbereich über 23 cm/sec aus den Gleichungen (1) und (2), wobei C=1540m/sec, gleich 0 gilt. Daher ist der meßbare Bereich der Blutströmungsgeschwindigkeit bei der Ultraschall-Doppler-Blutströmungsgeschwindigkeitserfassung gemäß der Erfindung zehnmal so groß wie der der aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschall-Doppler-Blutströmungsgeschwindigkeitserfassungseinrichtung.
Jedes der Doppler-Signale Vxn und Vyn zeigt die Blutströmungsgeschwindigkeit an und es wird anhand eines Verhältnisses zwischen den Doppler-Signalen Vxn und Vyn bestimmt, ob sich das Objekt in Richtung "zu" oder "weg" bewegt. Figur 3 ist ein Blockschaltbild der Richtungserfassungseinrichtung 16, die die Bewegungsrichtung des Objekts in Übereinstimmung mit dem Verhältnis zwischen den Doppler-Signalen Vxn und Vyn bestimmt. In Figur 3 wird das Doppler-Signal Vxn einem Phasenverschiebungsschaltkreis 16a zugeführt, um eine Phasenverschiebung um 90º gegenüber den Bezugssignalen rx zu erreichen. Das Doppler-Signal Vxn wird zu dem Ausgangssignal des Phasenverschiebungsschaltkreises 16a, in der Figur als V'xn gezeigt, durch einen Addierer l6b addiert. Das Signal V'xn wird von dem Doppler-Signal Vyn durch einen Subtrahierer 16c subtrahiert. Ausgangssignale von dem Addierer l6b und dem Subtrahierer 16c werden zu den Angleichern 17a und 17b übermittelt.
Es ist angenommen, daß eine Doppler-Verschiebung bei einer "zu"-Blutströmung +dω beträgt und eine weitere Doppler-Verschiebung durch eine "weg"-Blutströmung -dω beträgt. Im Fall der "zu" -Blutströmung ist die Gleichung (12): im Fall der "weg"-Blutströmung ist die Gleichung (12):
Der Phasenverschiebungsschaltkreis 16a verschiebt das Doppler-Signal Vxn um 90º, um das Signal V'xn auszugeben. Daher wird an jedem der Ausgänge des Addierers 16a und des Subtrahierers 16b ein Doppler-Signal wahlweise ausgegeben. Das Signal V'xn ist:
Das Ausgangssignal VOUTI des Addierers 16a und das Ausgangssignal VOUT2 des Subtrahierers 16c ist:
Im Fall der "zu"-Blutströmung sind VOUT1 und VOUT2:
Im Fall der "weg"-Blutströmung
Daher wird im Fall der "zu" -Blutströmung das Doppler-Signal von dem Ausgang OUT1 ausgegeben; im Fall der "weg"-Blutströmung wird das Doppler-Signal von dem Ausgang OUT2 ausgegeben.
Somit werden entweder Schallsignale von dem Lautsprecher 19a bzw. 19b gemäß der Bewegungsrichtung des reflektierenden Ob-
jekts ausgegeben. Die die Doppler-Signale anzeigenden Schallsignale zeigen die Blutströmungsgeschwindigkeit gut an, da die Richtung der Blutströmung klar angezeigt wird und die Schallsignale zum Aufweisen linearer Charakteristika korrigiert sind.
Figur 4 zeigt ein Blockschaltbild eines Frequenzangleichers 17. In Figur 4 kann der Bediener die Blutströmungsgeschwindigkeit beurteilen, indem er den die Doppler-Signale Vxn und Vyn anzeigenden Schallsignalen zuhört und deren Ton erkennt. Allerdings ist ein Pegel des Schallsignals nicht direkt proportional zu dem empfangenen Echosignal, da die Doppler-Signale Vxn und Vyn den Ausdruck A2 aufweisen, wie in Gleichung (12) gezeigt ist. Der Frequenzangleicher 17 ist zur Korrektur dieses Verhältnisses vorgesehen. Der Frequenzangleicher 17 beinhaltet vier Bandpassfilter F1, F2, F3 und F4 mit verschiedenen Bandpass-Charakteristika, deren Eingänge gemeinsam mit dem Ausgang der Richtungserfassungseinrichtung 16 verbunden sind, Amplituden-Detektoren E1, E2, E3 und E4 zum Erfassen der Amplituden der Ausgänge der Bandpassfilter F1, F2, F3 und F4, elektronische Lautstärke-Steuerschaltkreisen V1, V2, V3 und V4 zum Verstärken der Ausgangssignale der Bandpassfilter F1, F2, F3 und F4 mit Verstärkungen, die durch Signalpegel von den Amplitudendetektoren E1, E2, E3 und E4 derart bestimmt sind, daß jede Verstärkung proportional zu der Quadratwurzel deren Eingangspegel ist, und einen Addierer zum Addieren der Ausgangssignale der elektronischen Lautstärke-Steuerschaltkreise V1, V2, V3 und V4 miteinander. Das Ausgangssignal des Erfassungsschaltkreises 16 wird hinsichtlich des Pegels über einen Frequenzbereich durch den Frequenzangleicher 17 angeglichen. Daher weisen die Schallsignale von den Lautsprechern l9a und 19b Schallpegel auf, die proportional zu dem Pegel des Echosignals sind. Figur 5 zeigt Frequenzcharakteristika zum Verdeutlichen des Angleichers 17. In Figur 5 zeigt ein Kurvenverlauf "Si" ein Frequenzspektrum des Eingangssignals des Angleichers 17; Kurvenverläufe S1 bis S2 Frequenzspektren von Ausgangssignalen der elektronischen Lautstärkeschaltkreise V1, V2, V3 ufld V4; und ein Kurvenverlauf S&sub0; ein Frequenzspektrum des Ausgangssignals des Angleichers 17.
Wie vorstehend beschrieben, kann das Ultraschall-Doppler- Blutströmungsgeschwindigkeitsmeßgerät gemäß der Erfindung eine Hochgeschwindigkeits-Blutströmungsgeschwindigkeit erfassen, indem zwei Komponenten von unterschiedlichen Frequenzen aus dem Echosignal extrahiert werden; indem eine Komponente der Differenzfrequenz von diesen Komponenten extrahiert wird und indem ein Doppler-Signal durch Multiplikation der Komponente mit den quadratischen Bezugssignalen der Differenzfrequenz erfaßt wird.

Claims

1. Ultraschall-Doppler-Blutströmungsgeschwindigkeitsmeßgerät mit

einer Pulserzeugungseinrichtung (2) zum Erzeugen von Pulsen (p) mit einem vorbestimmten Intervall,

einer Transducer-Einrichtung (1) zum Übertragen von Ultraschallwellen als Reaktion auf jeden der Pulse (p) und zum Empfangen reflektierter Ultraschallwellen von einem Ultraschallwellen reflektierenden Objekt in dem Blut eines menschlichen Körpers und zum Wandeln der empfangenen Ultraschallwellen in ein elektrisches Echosignal (e),

einer ersten Signalextraktionseinrichtung (7) zum Extrahieren einer Signalkomponente (ei) einer ersten Frequenz fl aus dem Echosignal (e), und

einer zweiten Signalextraktionseinrichtung (8) zum Extrahieren einer Signalkomponente (e2) einer zweiten Frequenz f2 aus dem Echosignal (e),

gekennzeichnet durch

eine Frequenzdifferenzsignal-Erzeugungseinrichtung (10) zum Erzeugen eines Signals (ec) mit einer Frequenz von f1-f2 unter Verwendung von Ausgangssignalen (e1, e2) der ersten (7) und zweiten (8) Signalextraktionseinrichtung,

eine Bezugssignal-Erzeugungseinrichtung (5) zum Erzeugen von Bezugssignalen (rx, ry) einer vorbestimmten Frequenz fr üls Reaktion auf jeden der Pulse (p), wobei die vorbestimmte Frequenz fr im wesentlichen gleich der Frequenzdifferenz f1-f2 ist,

eine Diskret-Signal-Erzeugungseinrichtung (11, 12) zum Erzeugen diskreter Signale (Vxn, Vyn), die eine Phase des Signals (ec) hinsichtlich der Bezugssignale (rx, ry) anzeigen, und

einer Frequenzanalyseeinrichtung (13) zum Analysieren der diskreten Signale (Vxn, Vyn), um ein Spektrum-Signal auszugeben, das die Blutströmungsgeschwindigkeit anzeigt.

2. Ultraschall-Doppler-Blutströmungsgeschwindigkeitsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diskret-Signal-Erzeugungseinrichtung (11, 12) eine Erfassungseinrichtung (11) aufweist, die das Ausgangssignal (ec) der Frequenzdifferenzsignal-Erzeugungseinrichtung (10) mit den Bezugssignalen (rx, ry) multipliziert.

3. Ultraschall-Doppler-Blutströmungsgeschwindigkeitsmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diskret-Signal-Erzeugungseinrichtung (11, 12) zudem eine Integrationseinrichtung (12) zum Integrieren von Ausgangssignalen von der Erfassungseinrichtung (11) als Reaktion auf ein Ausgangssignal (G) einer Toreinrichtung (4) aufweist, die das Ausgangssignal (G) als Reaktion auf jeden der Pulse (p) erzeugt.

4. Ultraschall-Doppler-Blutströmungsgeschwindigkeitsmeßgerät nach Anspruch 3,

gekennzeichnet durch

die Bezugssignale (rx, ry), die ein erstes Bezugssignal (rx) und ein zweites Bezugssignal (ry) sind, das zweite Bezugssignal (ry), das einen Phasenversatz von 90º zu dem ersten Bezugssignal (rx) aufweist,

die Erfassungseinrichtung (11), die einen ersten Multiplizierer (11a) und einen zweiten Multiplizierer (11b) aufweist,

den ersten Multiplizierer (11a), der das Signal (ec) mit dem ersten Bezugssignal (rx) multipliziert,

den zweiten Multiplizierer (11b), der das Signal (ec) mit dem zweiten Bezugssignal (ry) multipliziert,

der Integrationseinrichtung (12), die einen ersten Integrator (12a) und einen zweiten Integrator (12b) aufweist, den ersten Integrator (12a), der den Ausgang von dem ersten Multiplizierer (11a) integriert und dadurch ein erstes diskretes Signal (Vxn) der diskreten Signale (Vxn, Vyn) erzeugt, den zweiten Integrator (12b), der den Ausgang von dem zweiten Multiplizierär (11a) integriert und dadurch ein zweites diskretes Signal (Vyn) der diskreten Signale (Vxn, Vyn) erzeugt, und

eine Richtungs-Erfassungseinrichtung (16) zum Erfassen der Bewegungsrichtung des Objekts auf der Basis der diskreten Signale (Vxn, Vyn).

5. Ultraschall-Doppler-Blutströmungsgeschwindigkeitsmeßgerät nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Richtungs-Erfassungseinrichtung (16) aufweist:

einen Phasenverschiebungsschaltkreis (16a) zur Phasenverschiebung des ersten diskreten Signals (Vxn) um 90º hinsichtlich des ersten Bezugssignals (rx),

einem Addierer (16b), der das Ausgangssignal (V xn) von dem Phasenverschiebungsschaltkreis (16a) mit dem zweiten diskreten Signal (Vyn) addiert und dadurch ein erstes Ausgangssignal (OUT1) der Richtungs-Erfassungseinrichtung (16) erzeugt, das eine erste Bewegungsrichtung des Objekts anzeigt, und

einen Subtrahierer (16c), der das zweite diskrete Signal (Vyn) von dem Ausgangssignal (V xn) von dem Phasenverschiebungsschaltkreis (16a) subtrahiert und dadurch ein zweites Ausgangssignal (OUT2) der Richtungs-Erfassungseinrichtung (16) erzeugt, das eine zweite, von der ersten Bewegungsrichtung verschiedene Bewegungsrichtung des Objekts anzeigt.

6. Ultraschall-Doppler-Blutströmungsgeschwindigkeitsmeßgerät nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß

ein erster Lautsprecher (19a) auf der Basis des ersten Ausgangssignals (OUT1) der Richtungs-Erfassungseinrichtung (16) angesteuert wird, und

ein zweiter Lautsprecher (19b) auf der Basis des zweiten Ausgangssignals (OUT2) der Richtungs-Erfassungseinrichtung (16) angesteuert wird,

wodurch Schallsignale von den Lautsprechern (19a, 19b) in -Übereinstimmung mit der Bewegung des Objekts ausgegeben werden.

7. Ultraschall-Doppler-Blutströmungsgeschwindigkeitsmeßgerät nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß das erste Ausgangssignal (OUT1) der Richtungs-Erfassungseinrichtung (16) durch einen ersten Frequenzangleicher (17a) hinsichtlich des Pegels über einen Frequenzbereich angeglichen wird, und

das zweite Ausgangssignal (OUT2> der Richtungs-Erfassungseinrichtung (16) durch einen zweiten Frequenzangleicher (17b) hinsichtlich des Pegels über einen Frequenzbereich angeglichen wird,

so daß die Schallsignale von den Lautsprechern (19a, 19b) zu dem Pegel des Echosignals (ec) proportionale Schallpegel aufweisen.

8. Ultraschall-Doppler-Blutströmungsgeschwindigkeitsmeßgerät nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Frequenzangleicher (17a, 17b) ausgestattet ist mit

einer Vielzahl von Bandpassfiltern (F1, F2, F3, F4) mit unterschiedlichen Bandpasscharakteristika, deren Eingänge gemeinsam mit einem der Ausgangssignale (OUT1, OUT2) der Richtungs-Erfassungseinrichtung (16) verbunden sind, einer Vielzahl von Amplitudendetektoren (E1, E2, E3, E4) zum Amplituden-Erfassen der Ausgangssignale der Bandpassfilter (F1, F2, F3, F4),

elektronischen Lautstärke-Steuerschaltkreisen (V1, V2, V3, V4) zum Verstärken der Ausgangssignale der Bandpassfilter (F1, F2, F3, F4) mit durch die Ausgangssignale der Amplitudendetektoren (E1, E2, E3, E4) bestimmten Verstärkungen, so daß jede Verstärkung der Ausgangssignale der Bandpassfilter (F1, F2, F3, F4) proportional zu der Quadratwurzel des Eingangssignals der Bandpassfilter (F1, F2, F3, F4) ist, und einem Addierer (A) zum Addieren der Ausgangssignale der elektronischen Lautstärke-Steuerschaltkreise (V1, V2, V3, V4), wodurch ein Ausgangssignal von jedem der Frequenzangleicher (17a, 17b) erzeugt wird.

9. Ultraschall-Doppler-Blutströmungsgeschwindigkeitsmeßgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Korrektureinrichtung (14) zur Pegelkorrektur einer Vielzahl von Frequenzkomponenten des Spektrum-Signals.

10. Ultraschall-Doppler-Blutströmungsgeschwindigkeitsmeßgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeigeeinrichtung (15) Blutströmungsinformation wiederholt gemäß dem Ausgangssignal der Korrektureinrichtung (14) anzeigt.

11. Meßverfahren der Blutströmungsgeschwindigkeit mit den Schritten:

(a) Erzeugen von Pulsen (p) in einem vorbestimmten Intervall,

(b) Übertragen von Ultraschallwellen als Reaktion auf jeden der Pulse (p),

(c) Empfangen reflektierter Ultraschallwellen von einem Ultraschallwellen reflektierenden Objekt in dem Blut eines menschlichen Körpers,

(d) Wandeln der empfangenen Ultraschallwellen in ein elektrisches Echosignal (e),

(e) Extrahieren einer Signalkomponente (ei) einer ersten Frequenz f1 aus dem Echosignal (e), und

(f) Extrahieren einer Signalkomponente (e2) einer zweiten Frequenz f2 von dem Echosignal (e), gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:

(g) Erzeugen eines Signals (ec) mit einer Frequenz von f1- f2 unter Verwendung der Ergebnisse (ei, e2) des ersten (7) und zweiten (8) Signalextraktionsschritts,

(h) Erzeugen von Bezugssignalen (rx, ry) einer vorbestimmten Frequenz fr als Reaktion auf jeden der Pulse (p), wobei die vorbestimmte Frequenz fr im wesentlichen gleich der Frequenzdifferenz fl-f2 ist,

(i) Erzeugen diskreter Signale (Vxn, Vyn), die eine Phase des Signals (ec) bezüglich der Bezugssignale (rx, ry) anzeigen, und

(j) Analysieren der diskreten Signale (Vxn, Vyn), um ein Spektrum-Signal aus zugeben, das die Blutströmungsgeschwindigkeit anzeigt.