DD285637A5 - ULTRASONIC TRANSDUCER ASSEMBLY FOR EXTRACORPORAL FLOW MEASUREMENT AND BLOW DETECTION IN CLOSED BUCKETS ACCORDING TO THE DOPPLER METHOD - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallwandleranordnung zur extrakorporalen Durchfluszmengenmessung und Blasendetektion in geschlossenen Schlaeuchen nach dem Doppler-Verfahren. Sie findet Anwendung in der extrakorporalen Blutstrom-Messung waehrend der Haemodialyse bzw. an der Herz-Lungen-Maschine unter Verwendung von Dauerstrich-Ultraschallsignalen. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dasz die Frontflaechen der Wandlereinheiten der Innenseite eines laengs geteilten Zylinders entsprechen, so dasz die um 180 Grad gegenueberliegenden Sende- und Empfangswandlereinheiten den Schlauch fugenlos vollstaendig umschlieszen, und dasz beide in einer Halterung, von der ein Teil fest und das andere Teil nach oben schwenkbar aufgebaut sind, so angebracht sind, dasz der mit Koppelgel benetzte Schlauch ohne Beeintraechtigung seiner Sterilitaet und ohne Justierungsmasznahmen eingelegt werden kann, so dasz reproduzierbare Messungen mit hoher Genauigkeit ueber laengere Zeitraeume ermoeglicht werden. Fig. 2{Ultraschallwandleranordnung; Doppler-Verfahren; Durchfluszmengenmessung; Blasendetektion, extrakorporal; Haemodialyse; Herz-Lungenmaschine}The invention relates to an ultrasonic transducer assembly for extracorporeal flow rate measurement and bubble detection in closed tubes according to the Doppler method. It finds application in the extracorporeal blood flow measurement during hemodialysis or on the heart-lung machine using continuous wave ultrasound signals. The essence of the invention is that the front faces of the transducer units correspond to the inside of a longitudinally split cylinder, so that the 180 ° opposite transmitting and receiving transducer units completely surround the tube seamlessly, both in a holder, part of which is fixed and closed the other part are constructed so as to be pivotable upward, so that the hose wetted with coupling gel can be inserted without impairing its sterility and without adjustment measures, so that reproducible measurements with high accuracy over longer periods of time can be made possible. Fig. 2 {ultrasonic transducer assembly; Doppler method; Durchfluszmengenmessung; Bubble detection, extracorporeal; hemodialysis; Life-support-machine}

Description

Titel der ErfindungTitle of the invention

Ultraschallwandleranordnung zur extrakorporalen Durchflußmengenmessung und Blasendetektion in geschlossenen Schläuchen nach dem Doppler-Ver fahrenUltrasonic transducer assembly for extracorporeal flow measurement and bubble detection in closed tubes after the Doppler Ver drive

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallwandleranordnung zur Durchflußmengenmessung bzw. Blasendetektion bei extrakorporalen Anwendungen (z.B. künstliche Niere, Herz-Lungen-Maschine) mit Dauerstrich-Ultraschal 1signal en.The invention relates to an ultrasound transducer assembly for flow rate measurement or bubble detection in extracorporeal applications (e.g., artificial kidney, heart-lung machine) with continuous wave ultrasound signals.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Bisher sind im wesentlichen zwei ähnliche Lösungen zur extrakorporalen Durchflußmengenmessung bekannt.So far, essentially two similar solutions for extracorporeal flow rate measurement are known.

Die in der DE OS 3 136 797 beschriebene Wandleranordnung erreicht vor allem durch die Form des realisierten Schallfeldes eine nur unbefriedigende Meßgenauigkeit. Die Reproduzierbarkeit der Meßwerte ist auf Grund unzureichender Ankoppelbedingungen schlecht.The transducer arrangement described in DE OS 3,136,797 achieved only by the shape of the realized sound field an unsatisfactory measurement accuracy. The reproducibility of the measured values is poor due to insufficient coupling conditions.

Die DE PS 3 720 665 und DE PS 3 720 668 beschreiben eine Wandleranordnung, bei der Küvette und Schallvorlaufstrecken eine Einheit bilden und die Ultraschallwandler mit mechanischem Druck zur Ankopplung aufgepreßt werden. Sowohl die Reproduzierbarkeit der Ankoppelbedingungen als auch die Sterilität der Küvetteneinheit erscheinen problematisch. Bei Einweggebrauch der Küvettenanordnung ist der Aufwand sehr hoch.DE PS 3 720 665 and DE PS 3 720 668 describe a transducer arrangement in which the cuvette and sound advance paths form a unit and the ultrasonic transducers are pressed with mechanical pressure for coupling. Both the reproducibility of the coupling conditions and the sterility of the cuvette unit appear problematic. In disposable use of the cuvette the effort is very high.

In der DD PS 244 816 wird eine Lösung beschrieben, die die wesentlichen Nachteile der o. g. Wandleranordnungen umgeht. Die verwendete Meßküvette mit quadratischem Innenquerschnitt führt jedoch zu einer Veränderung des Strömungsprofils beim übergang vom runden Schlauchquerschnitt zur Küvette mit der Möglichkeit der Sedimentation in den Totwassergebieten, sofern es sich bei dem strömenden Medium um Suspensionen handelt. Vor allern bei Blut können durch Ablagerung von Blutbestandteilen an der Küvetteninnenwand Meßfehler bei längerer Meßzeit entstehenIn DD PS 244 816, a solution is described, the main disadvantages of o. G. Transducer arrangements bypasses. However, the measuring cuvette used with a square inner cross-section leads to a change in the flow profile in the transition from the round tube cross-section to the cuvette with the possibility of sedimentation in the dead water areas, if the flowing medium is suspensions. Especially with blood, measurement errors can occur due to the deposition of blood constituents on the inner surface of the cuvette with a longer measuring time

Bei allen bekannten Lösungen werden Küvetten oder ähnliche Anordnungen verwendet, die eine Unterbrechung der Schlauchleitung erforderlich machen, wodurch eine Veränderung des Strömungsprofils mit der Folge eines zusätzlichen Meßfehlers entsteht. Wandleranordnungen mit Küvetten erfordern immer Justierungsmaßnahmen der Küvette bzw. der Wandler vor jeder Messung. Bei Durchflußmengenmessungen von Blut ist aus Gründen der Sterilität der Austausch der Meßküvette nach jeder Messung erforderlich. In all known solutions cuvettes or similar arrangements are used, which make an interruption of the tubing required, whereby a change of the flow profile, with the result of an additional measurement error arises. Transducer assemblies with cuvettes always require adjustment of the cuvette (s) before each measurement. For flow rate measurements of blood, replacement of the cuvette is required after each measurement for reasons of sterility.

285^37285 ^ 37

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, mit einer fixierbaren küvettenlosen Ul traschallwandleranordnung reproduzierbare Signalableitungen zur Durchflußmengenmessung bzw. Blasendetektion an geschlossenen Schlauchleitungen mit hoher Meßgenauigkeit zu ermöglichen. Als Meßstrecke soll ein steriles Einweg-Blutbesteck ohne Veränderungen oder Beeinträchtigung seiner Sterilität verwendbar sein.The aim of the invention is to provide a fixable cuvette Ul traschallwandleranordnung reproducible signal derivatives for flow measurement or bubble detection on closed hoses with high accuracy. As a test section, a sterile disposable blood set should be usable without changes or impairment of its sterility.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wandleranordnung zu entwickeln, die eine reproduzierbare Signalableitung aus einer geschlossenen Schlauchleitung mit hoher Meßgenauigkeit ermöglicht und für Messungen über längere Zeiträume geeignet ist. Als Meßstrecke soll ein steriles Einweg-Blutbesteck ohne Veränderungen verwendbar sein.The invention has for its object to develop a transducer assembly that allows reproducible signal output from a closed tubing with high accuracy and is suitable for measurements over long periods. As a test section, a sterile disposable blood set should be usable without changes.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zwei piezok^rami sehe Wandlerelemente als akustischer Sender und Empfänger auf je einen Kunststoffkörper aufgeklebt werden, dessen Form die Ankopplung an den Schlauchquerschnitt erlaubt und ein Schall feld ergibt, das bei gegenüberliegendem Sender und Empfänger, die in bekannter Weise unter gleichem Winkel auf Ankopplungskeilen angebracht sind, eine reproduzierbare Signalableitung erlaubt. Die Frontflächen der Kunststoffkörper entsprechen der Innenseite eines längs geteilten Zylinders, so daß die um 180 Grad gegenüberliegenden Kunststoffkörper für Sende- und Empfangswandler den Schlauch fugenlos vollständig umschließen. Beide Kunststoffkörper sind in einer Halterung, von der ein Teil fest und das andere Teil nach oben schwenkbar aufgebaut sind, so angebracht, daß der mit Koppelgel benetzte Schlauch ohne Beeinträchtigung seiner Sterilität und ohne Justierungsmaßnahmen eingelegt werden kann.According to the invention, the object is achieved in that two piezok rami see converter elements are glued as acoustic transmitter and receiver on each plastic body whose shape allows the coupling to the tube cross-section and a sound field results in the opposite transmitter and receiver in the known Are mounted at the same angle on coupling wedges, a reproducible signal derivation allowed. The front surfaces of the plastic body correspond to the inside of a longitudinally split cylinder, so that the opposite 180 degrees plastic body for transmitting and receiving transducers completely enclose the hose seamless. Both plastic bodies are mounted in a holder, one part of which is fixed and the other part pivotally upwards, so mounted that the wetted with coupling gel hose can be inserted without affecting its sterility and without adjustment measures.

Die Kunststoffkörper haben eine Länge, die sowohl die Fixierung des Schlauches sicherstellt als auch Störungen des Schallfeldes durch Reflexionen an den Abschlußflächen ausschließt. Da die Kunststoffkörper vollständig an der äußeren Schlauchwandung anliegen, ist zur akustischen Ankopplung nur sehr wenig Koppelgel notwendig. Infolge des weitgehenden Luftabschlusses wird die Austrocknung des Gels fast vollständig verhindert, wodurch reproduzierbare Messungen über mehrere Stunden ermöglicht werden. Die Form der Kunststoffkörper hat eine Fokussierung des Schallfeldes auf das Schlauchzentrum zur Folge, was bei der Eichung der Meßanordnung berücksichtigt werden mußThe plastic body has a length which ensures both the fixation of the tube and excludes disturbances of the sound field by reflections on the end faces. Since the plastic body completely rest against the outer hose wall, only very little coupling gel is necessary for acoustic coupling. As a result of the extensive air seal the drying of the gel is almost completely prevented, allowing reproducible measurements over several hours. The shape of the plastic body has a focus of the sound field on the hose center result, which must be taken into account in the calibration of the measuring device

Die Kunststoffkörper bestehen aus einem Material sehr geringer Ultraschalldämpfung und mit einer Impedanz, die zwischen der des Keramikmaterials der Wandlerelemente und der des Schlauchmaterials liegt. Beide piezokeramische Wandlerelemente sind auf keilförmige Vorlaufstrecken, die Bestandteil des Kunststoffkörpers sind, aufgeklebt. Durch den Winkel zwischen Flächennormale des piezokeramischen Wandlerelementes und Frontfläche der Vorlaufstrecke wird un^er BerücMichtigung der Brechung beim Schal !übergang vom Ku^stoff körper zum angekoppelten Schlauch The plastic bodies are made of a material of very low ultrasonic attenuation and with an impedance which lies between that of the ceramic material of the transducer elements and that of the hose material. Both piezoceramic transducer elements are glued to wedge-shaped flow paths, which are part of the plastic body. Due to the angle between the surface normal of the piezoceramic transducer element and the front surface of the flow path, the refraction of the scarf transition from the body to the coupled tube becomes unacceptable

der Einstrahlwinkel der Wandleranordnung in den Schlauch festgelegt. Unter Beibehaltung der Winkel ist durch Veränderung der entsprechenden MaOe eine Anpassung an beliebige Schlauchdurchmesser möglich.set the angle of incidence of the transducer assembly in the tube. By maintaining the angle, an adaptation to any hose diameter is possible by changing the corresponding MaOe.

Aus fuhrungsbei spi elAus fußungsbei spi el

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment.

Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen: Fig. 1: Wandlereinheiten im LängsschnittThe accompanying drawings show: Fig. 1: transducer units in longitudinal section

Fig. 2: Wandlereinheiten im Querschnitt senkrecht zur Schlauchachse mit HalterungenFig. 2: transducer units in cross-section perpendicular to the hose axis with brackets

Fig. 3: Halterung der Wandlereinheiten im aufgeklappten ZustandFig. 3: Holder of the converter units in the unfolded state

Die dargestellten Kunststoffkörper 1,2 werden aus einem Stück gefräst. Als Material wird auf grund der geringen Dämpfung und der günstigen akustischen Impedanz vorzugsweise Polystyren verwendet. Eine Fertigung der Körper als Spritzgußteil ist aus technologischen Gründen anzustreben. Auf die Kunststoffkörper werden runde Wandlerelemente 3,4 mit einem Klebstoff sehr geringer Schichtdicke, im Ausführungsbeispiel mit Cyanoacrylatklebstoff, aufgeklebt. Der Winkel 5 hat einen Wert von 30 Grad und ergibt unter Berücksichtigung der Brechung der Ultraschallwellen den gewünschten Einstrahlwinkel 6 des Schallfeldes in den Schlauch.The illustrated plastic body 1,2 are milled from one piece. As a material, polystyrene is preferably used due to the low attenuation and the favorable acoustic impedance. A production of the body as an injection molded part is desirable for technological reasons. On the plastic body round transducer elements 3,4 with an adhesive of very small layer thickness, glued in the embodiment with Cyanoacrylatklebstoff. The angle 5 has a value of 30 degrees and, taking into account the refraction of the ultrasonic waves, the desired angle of incidence 6 of the sound field in the tube.

Auf der geneigten Seite der Kunststoffkörper sind Rillen 7 eingefräst, um störende Reflexionen innerhalb der Keile zu vermeiden. Sende- und Empfangswandler sind identisch aufgebaut. Zur elektrischen Abschirmung werden beide in metallische Hauben 8,9 eingesetzt. Die Hohlräume 10,11 hinter den piezokeramischen Wandlerelementen beinhalten in bekannter Weise die Kontaktierung der Wandlerelemente sowie die Anschlüsse und die Zugentlastung der Schall kopfkabel.On the inclined side of the plastic body grooves 7 are milled in order to avoid disturbing reflections within the wedges. Transmit and receive transducers are identical. For electrical shielding both are used in metallic hoods 8.9. The cavities 10,11 behind the piezoceramic transducer elements include in a known manner the contacting of the transducer elements and the connections and the strain relief of the sound head cable.

Beide Wandlereinheiten sind in einer Halterung angeordnet, die ein einfaches Wechseln des Einweg-Blutbestecks gestattet. Das untere Teil der Halterung 12 ist fest mit der Frontplatte 13 des Meßgerätes verbunden, das obere Teil 14 ist nach oben schwenkbar angeordnet (Fig. 3) und wird durch Federn 15 gegen das untere Teil gedrückt. Zur Messung wird die Halterung aufgeklappt und der mit Koppelmittel benetzte Schlauch 16 des Einweg-Blutbestecks in die untere Wandlereinheit eingelegt. Beim Schließen der Halterung sind durch den Andruck der Federn weitere Justierungsmaßnahmen überflüssig. Der weitgehende Luftabschluß der Wandlereinheit verhindert ein Austrocknen des Koppelgels und ermöglicht dadurch Messungen über mehrere StundenBoth transducer units are arranged in a holder that allows easy replacement of the disposable blood cutlery. The lower part of the holder 12 is fixedly connected to the front plate 13 of the meter, the upper part 14 is pivotally mounted upwards (Figure 3) and is pressed by springs 15 against the lower part. For measurement, the holder is opened and inserted the wetted with coupling agent tube 16 of the disposable blood cutlery in the lower transducer unit. When closing the holder further adjustment measures are superfluous by the pressure of the springs. The extensive air termination of the transducer unit prevents the coupling gel from drying out and thus enables measurements to be taken over several hours

Als Schlauchmaterial wurde PVC-Schlauch mit einem Weichmacheranteil von 31 '/. und 7 mm Außendurchmesser verwendet, die Wandstärke beträgt 1 mm. Die gesamte Meßanordnung wird zur Blut- The tubing was PVC tubing with a plasticizer content of 31 '/. and 7 mm outer diameter, the wall thickness is 1 mm. The entire measuring arrangement is used for blood

-A--A-

strommessung und Blasendetektion im extrakorporalen Kreislauf eingesetzt. Anwendungen sind die Hämodialyse, die Herz-Lungenmaschine sowie Volumenstrommessungen von Suspensionen aller Art.current measurement and bubble detection used in extracorporeal circulation. Applications include hemodialysis, the heart-lung machine and volume flow measurements of suspensions of all kinds.

Claims (1)

-5-Patentanspruch-5-claim Ultraschallwandleranordnung zur extrakorporalen Durchflußmengenmessung und Blasendetektion in geschlossenen Schläuchen nach d.m Doppler-Verfahren, bestehend aus zwei gleichartigen runden piezoelektrischen Keramikwandlern, die auf je einem Kunststoffkörper mit sehr geringer akustischer Dämpfung und einer akustischen Impedanz, die zwischen der des Keramikmaterials und der des Schlauchmaterials liegt, aufgeklebt werden, wobei die Flächennormale der Wandlerelemente mit der Frontfläche des Kunststoffkörpers einen Winkel einschließt, der unter Berücksichtigung der Brechung beim Schall übergang vom Kunststoffkörper zum angekoppelten Schlauch einen für die Strömungsgeschwindigkeitsmessung optimalen Winkel zwischen Achse des Schallfeldes und Strömungsvektor im Schlauch ergibt, gekennzeichnet dadurch, daß die Frontflächen der Kunststoffkörper der Innenseite eines länos geteilten Zylinders entsprechen, so daß die um 180 Grad gegenüberliegenden Kunststoffkörper für Sende- und Empfangsi/andler den Schlauch fugenlos vollständig umschließen, und daß beide Kunststoffkörper in einer Halterung, von der ein Teil fest und das andere Teil nach oben schwenkbar aufgebaut sind, so angebracht sind, daß der mit Koppelgel benetzte Schlauch ohne Beeinträchtigung seiner Sterilität und ohne Justierungsmaßnahmen eingelegt werden kann.Ultrasonic transducer assembly for extracorporeal flow rate measurement and bubble detection in closed tubes according to the Doppler method, consisting of two similar round piezoelectric ceramic transducers, each glued to a plastic body with very low acoustic attenuation and an acoustic impedance between the ceramic material and the hose material be, wherein the surface normal of the transducer elements with the front surface of the plastic body encloses an angle, which, taking into account the refraction of the transition from the plastic body to the coupled hose results in an optimum for the flow rate measurement angle between the axis of the sound field and flow vector in the hose, characterized in that the Front surfaces of the plastic body correspond to the inside of a länos divided cylinder, so that the 180 degrees opposite plastic body for transmitting and Empfangsi / orler the hose seamlessly completely enclose, and that both plastic body in a holder, one part of which are fixed and the other part pivotally mounted above, are mounted so that the wetted with coupling gel tube without affecting its sterility and inserted without adjustment measures can be. Hierzu 1 Blatt ZeichnungenFor this 1 sheet drawings