DE102015120099A1

DE102015120099A1 - Ultraschallsonde zur Detektion von Fremdstrukturen in Fluiden

Info

Publication number: DE102015120099A1
Application number: DE102015120099.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Schultz; Georg Dietrich; Robert Klaua; Matthias Pawlak
Original assignee: Gampt Mbh Ges fur Angewandte Medizinische Phys und Technik; Gampt Mbh Gesellschaft fur Angewandte Medizinische Physik und Technik
Current assignee: Gampt Mbh Ges fur Angewandte Medizinische Phys und Technik; Gampt Mbh Gesellschaft fur Angewandte Medizinische Physik und Technik
Priority date: 2015-11-19
Filing date: 2015-11-19
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2035-11-20
Also published as: DE102015120099B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallsonde zur Ermittlung und/oder Überwachung und/oder Größenbestimmung des Auftretens von Fremdstrukturen in einem extrakorporalen Fluid oder einem extrakorporalen Fluidstrom, insbesondere von Luftblasen. Das extrakorporale Fluid wird beispielsweise durch einen Schlauch geleitet und die Sonde umfasst ein Gehäuse, einen Ultraschallsensor, ein Schallfeld, einen Reflektor, ein Trägermaterial, einen Dämpfungskörper und mindestens eine Piezokeramik. Durch einen geeigneten Aufbau der Sonde wird ein homogenes Schallfeld im Messvolumen erzeugt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung und/oder Überwachung des Auftretens und/oder zur Größenbestimmung von Fremdstrukturen, insbesondere Luftblasen, in einem extrakorporalen Fluid oder einem extrakorporalen Fluidstrom, mit Hilfe der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde und einem Auswertemittel.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallsonde zur Ermittlung und/oder Überwachung und/oder Größenbestimmung des Auftretens von Fremdstrukturen in einem extrakorporalen Fluid oder einem extrakorporalen Fluidstrom. Das extrakorporale Fluid wird durch einen Schlauch geleitet und die Sonde umfasst ein Gehäuse, einen Ultraschallsensor, ein Schallfeld, einen Reflektor, ein Trägermaterial, einen Dämpfungskörper und mindestens eine Piezokeramik. Durch einen geeigneten Aufbau der Sonde wird ein homogenes Schallfeld im Messvolumen erzeugt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung und/oder Überwachung des Auftretens und/oder zur Größenbestimmung von Fremdstrukturen in einem extrakorporalen Fluid oder einem extrakorporalen Fluidstrom, mit Hilfe der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde und einem Auswertemittel.
Es werden verschiedene extrakorporale Verfahren unterschieden. Am gebräuchlichsten ist die Hämodialyse, darüber hinaus werden die Hämofiltration und Hämodiafiltration angewendet. Weitere extrakorporale Verfahren sind auch die Hämoperfusion, die bei bestimmten akuten Vergiftungen angewendet wird, und das Aphereseverfahren. Extrakorporale Blutkreisläufe finden zudem in Herz-Lungen-Maschinen Anwendung.
Unter Hämodialyse versteht man die Entfernung von Flüssigkeit und gelösten Molekülen aus dem extrakorporal zirkulierenden Blut über Filtersysteme, die in der Regel eine semipermeable Membran enthalten. Die Hämodialyse ist ein sogenanntes Nierenersatzverfahren. Die Dialyse ist neben der Nierentransplantation die wichtigste Nierenersatztherapie bei chronischem Nierenversagen und eine der Behandlungsmöglichkeiten bei akutem Nierenversagen.
Bei der therapeutischen Apherese, die auch als Blutwäsche oder Blutreinigungsverfahren bezeichnet wird, handelt es sich um eine Methode zur extrakorporalen Entfernung von pathogenen Bestandteilen, wie Proteinen, proteingebundenen Substanzen und Zellen, aus dem Blut oder Blutplasma von Patienten. Nach der Entfernung der pathogenen Substanzen wird das gereinigte Blut wieder zurückgeführt. Die Apherese kann auch dazu eingesetzt werden, um Blutbestandteile von einem Menschen zu gewinnen, beispielsweise für die Verwendung als Spendersubstanzen. Aphereseverfahren dienen insbesondere dazu, von einzelnen Spendern ausreichende Mengen von solchen Blutbestandteilen zu gewinnen, die nur einen geringen Anteil des Blutes ausmachen, wie zum Bespiel Thrombozyten oder Blutstammzellen. Bei Aphereseverfahren wird Blut des Spenders aus der Armvene entnommen und in ein geschlossenes, steriles und nur einmal verwendetes Schlauchsystem geleitet. Dort wird es mit einer notwendigen Menge an Antikoagulantia vermischt, die die Gerinnung des Blutes im Apherese-System verhindern sollen. Diese Mischung wird in eine Zentrifuge geleitet, in der die Blutbestandteile entsprechend ihrer Dichte in Schichten aufgetrennt werden. Die zu gewinnenden Blutbestandteile können nun abgetrennt werden. Alle nicht benötigten Blutbestandteile werden dem Blutspender wieder zurückgegeben.
Die Apherese wird beispielsweise in der modernen Krebstherapie oder zur Behandlung von verschiedenen Blutkrankheiten eingesetzt, so zum Bespiel bei der Krankheit Polycythaemia Vera.
Die Herz-Lungen-Maschine ist ein medizintechnisches Gerät, das die Pumpfunktion des Herzens sowie die Lungenfunktion für einen beschränkten Zeitraum ersetzen kann. Das Blut wird dabei einer extrakorporalen Zirkulation unterworfen, in dem es dem Körper über ein Schlauchsystem entnommen wird, mit Sauerstoff angereichert und wieder zurückgeführt wird. Eine der häufigsten Anwendungen findet die Herz-Lungen-Maschine in der Herzchirurgie, in der Notfall- und Intensivmedizin werden kleinere Systeme (so genannte Extrakorporale Membranoxygenierung, ECMO) eingesetzt. Bei der Anwendung der Herz-Lungen-Maschine sind Mirkoembolien als Problem bekannt. Die Ursachen der Mirkoembolien können Fibringerinnsel sein, oder auch Plastikpartikel, die von Schlauchoberflächen abgerieben werden oder z.B. aus dem Oxygenator der Herz-Lungen-Maschine stammen.
Obwohl bei der Durchführung des Hämodialyseverfahrens das Blut mit Antikoagulantien, wie z.B. Heparin als häufigstes eingesetztes Antikoagulanz, versetzt wird, besteht die Gefahr des Auftretens von Blutgerinnseln. Dafür gibt es verschiedene Ursachen. Neben falscher Dosierung von Antikoagulantien kann es zum kurzzeitigen Blutstillstand im extrakorporalen Kreislauf kommen. Auf Grund der konstruktiven Vorgaben der verwendeten medizintechnischen Geräte können unter Umständen Stagnationen auftreten. Außerdem kann der Kontakt mit Luft oder mit den künstlichen Oberflächen des extrakorporalen Blutkreislaufes die Blutgerinnung auslösen.
Darüber hinaus können Luftbläschen in den extrakorporalen Kreislauf gelangen. Fremdstrukturen wie Luftbläschen oder Blutgerinnsel die sich in einem extrakorporalen Blutstrom befinden können, wenn sie in den Kreislauf eines Patienten gelangen, eine Embolie auslösen. Unter einer Embolie versteht man die teilweise oder vollständige Verstopfung eines Blutgefäßes mit einer Fremdstruktur, die mit dem Blut eingeschwemmt wird.
Embolien können an verschiedenen Orten im Körper entstehen. Man unterscheidet Lungenembolien, arterielle Embolien und paradoxe Embolien. Am häufigsten sind Thromben der tiefen Beinvenen und Thrombembolien in den Arterien des Gehirns. Letzter lösen den sogenannten Schlaganfall aus. Pro Jahr sterben in Deutschland ungefähr 20000 bis 25000 Menschen an den Folgen einer Embolie.
Der Thrombus kann feine Kapillaren in dem extrakorporalen Kreislauf verschließen. Es besteht aber auch die Gefahr, dass ein in dem extrakorporalen Kreislauf gebildeter Thrombus in den Blutkreislauf des Patienten gelangt und dort ein Blutgefäß so dicht verschließt, dass in das nachfolgende Versorgungsgebiet kein Blut mehr fließt und damit die Versorgung mit Sauerstoff und Nährstoffen unterbleibt (Thrombose). Als Folge kann es zum Untergang von Gewebe und sogar zum teilweisen Ausfall bestimmter Organe kommen.
Das Auftreten von Luftblasen stellt ein ebenso großes Risiko für eine Embolie dar. Während kleinere Gasmengen ohne Folgen vom Körper absorbiert werden, ist eine Gaszufuhr von mehr als 100 ml/s in der Regel tödlich. Bereits 0,5 ml Gas in den Koronararterien genügen um einen Myokardinfarkt auszulösen und 2 ml in den Hirnarterien sind hinreichen für einen tödlichen Schlaganfall.
Im extrakorporalen Blutkreislauf, wie z.B. einer Hämodialysemaschine, einer Herz-Lungen-Maschine oder eines Apherese-Apparates ist es deshalb zwingend notwendig, das Vorkommen von Fremdstrukturen wie Luftblasen oder Blutgerinnseln zu überwachen. Sollten diese in dem extrakorporalen Kreislauf auftretet müssen sie mit geeigneten Maßnahmen korrigiert bzw. zurückgehalten werden, so dass negative Auswirkungen auf den zu behandelnden Patienten vermieden werden können.
Herkömmliche Behandlungssysteme umfassen deshalb Mittel zur Erkennung von gefährlichen Bestandteilen im extrakorporalen Blutkreislauf, wie z.B. Luftblasen, und verfügen weiterhin über entsprechende Einrichtungen, die einen Alarm auslösen und/oder zu einem Behandlungsstopp führen. Blutgerinnsel versucht man mittels sogenannter Gerinnselfänger zurückzuhalten, bevor sie in den Körper eines Patienten gelangen können.
Sonden und Geräte zur Detektion von Luftblasen sind im Stand der Technik bereits bekannt. Jedoch haben herkömmliche Mittel zur Detektion von Luftblasen ihre Grenzen insbesondere dahingehend, dass besonders kleine Luftblasen und Mikroluftblasen nicht zuverlässig detektiert werden können.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Verfahren zur Überwachung von extrakorporalen Kreisläufen oder zur Durchführung von Materialprüfungen bekannt.
DE 10 210 034 553 offenbart eine Vorrichtung zur Ermittlung und/oder Überwachung von Fremdstrukturen in einem Fluid oder einem Fluidstrom sowie ein diesbezügliches Verfahren. Dieses System ist in der Lage, in dem Fluidstrom mittels einem Ultraschallüberwachungsgerät Luftblasen zu detektieren, wobei hierfür ein herkömmlicher Ultraschallsensor verwendet wird und keine besonderen Spezifikationen offenbart werden.
DE 10 2014 104 909 A1 offenbart einen Ultraschallwandler zur Erzeugung und Einkopplung eines Ultraschallfeldes in einem Prüfkörper sowie zur Aufnahme entstehender Echosignale. Um eine Schrägeinschallung zu ermöglichen, wird der Ultraschallwandler auf einem keilförmigen Vorlaufkörper angebracht.
DE 10 2008 041 831 A1 offenbart eine Verfahren zur zerstörungsfreien Ultraschallprüfung. Dieses Verfahren beinhaltet die Nutzung eines keilförmigen Vorlaufkörpers, um einerseits eine Schrägeinschallung zu ermöglichen und andererseits Reflexionen an der Grenzfläche des Vorlaufkörpers mit dem umgebenden Medium zu Kalibrierzwecken zu nutzen.
US 2008 009 262 3 A1 offenbart ebenfalls einen keilförmigen Vorlaufkörper, ohne jedoch eine Möglichkeit vorzuschlagen, reflektierte Schallwellen im Schallfeld zu vermeiden.
Aus dem Stand der Technik ist somit bekannt, dass ein keilförmiger Körper als Vorlaufstrecke für den Ultraschall genutzt wird, um eine Schrägeinstrahlung der Schallwellen zu realisieren. Dieser Körper wird im Folgenden als Schallkeil bezeichnet. Die im Stand der Technik beschriebene Anordnung hat jedoch Nachteile. Aufgrund von Schallwellen, die an Grenzflächen des Schallkeils mehrfach reflektiert werden und anschließend zum Schallfeld im Messvolumen beitragen, entsteht ein inhomogenes Schallfeld, wodurch die Auswertung der gemessenen Signale deutlich erschwert wird. Dieser Effekt wird von den im Stand der Technik offenbarten Verfahren und Vorrichtungen nicht berücksichtigt.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ultraschallsonde bereitzustellen, die es ermöglicht, Fremdstrukturen in extrakorporalen Fluiden oder extrakorporalen Fluidströmen zu ermitteln und/oder zu überwachen und/oder deren Größe exakter zu bestimmen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Bereitstellung einer Ultraschallsonde, die ein homogenes Schallfeld erzeugt, das im Wesentlichen frei von Beiträgen von mehrfach reflektierten Schallwellen ist.
Als homogenes Schallfeld wird in diesem Zusammenhang ein Schallfeld bezeichnet, dessen Intensität und maximale Schalldruckamplitude innerhalb des betrachteten Volumens im zeitlichen Verlauf räumlich im Wesentlichen konstant ist.
Ebenso wird ein Verfahren zur Ermittlung und/oder Überwachung des Auftretens und/oder Größenbestimmung von Fremdstrukturen in einem extrakorporalen Fluid oder einem extrakorporalen Fluidstrom mit Hilfe der vorgeschlagenen Ultraschallsonde und einem Mittel zur Signalauswertung bereitgestellt.
Bei dem Fluid bzw. Fluidstrom handelt es sich vorzugsweise um eine Flüssigkeit, die sowohl gelöste Stoffe als auch suspendierte Partikel enthalten kann. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Fluid eine Suspension. Eine Suspension ist ein heterogenes Stoffgemisch aus einer Flüssigkeit und darin fein verteilten Festkörpern, die in der Flüssigkeit mit geeigneten Aggregaten (Rührer, Dissolver, Flüssigkeitsstrahlen, Nassmühle) sowie meist mithilfe zusätzlicher Dispergiermittel aufgeschlämmt und in der Schwebe gehalten werden. Eine Suspension ist eine grobdisperse Dispersion und tendiert zur Sedimentation und Phasentrennung. Die Feststoffe sind in der flüssigen Phase suspergiert. Der Fluidzustand ist insbesondere der Misch- bzw. Entmischungszustand der einzelnen Phasen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Fluid eine Dispersion. Eine Dispersion ist ein heterogenes Gemisch aus mindestens zwei Stoffen, die sich nicht oder kaum ineinander lösen oder chemisch miteinander verbinden. Dabei ist ein Stoff (disperse Phase) fein verteilt in einem anderen Stoff (Dispersionsmedium). In der Regel handelt es sich um Kolloide. Die einzelnen Phasen können deutlich voneinander abgegrenzt und in der Regel durch physikalische Methoden wieder voneinander getrennt werden (z. B. Filtrieren, Zentrifugieren), oder sie entmischen sich von selbst (Sedimentieren). Der Fluidzustand ist insbesondere der Misch- bzw. Entmischungszustand der einzelnen Phasen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Fluid eine Emulsion. Unter einer Emulsion versteht man ein fein verteiltes Gemisch zweier normalerweise nicht mischbarer Flüssigkeiten ohne sichtbare Entmischung. Beispiele für Emulsionen sind zahlreiche Kosmetika, Milch oder Mayonnaise. Der Fluidzustand ist insbesondere der Misch- bzw. Entmischungszustand der einzelnen Flüssigkeiten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Fluid Blut, besonders bevorzugt in einem Kreislauf, wie einem extrakorporalen Kreislauf. Fremdstrukturen im Blut können sowohl Festkörper, wie Thromben- oder Erythrozytenaggregate, aber auch gasförmige Fremdkörper wie Luftblasen sein.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden als Fremdkörper Luftblasen, insbesondere Mikroluftblasen im Fluid detektiert. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Größe der Luftblasen, insbesondere der Mikroluftblasen im Fluid bestimmbar.
Zur Ultraschallüberwachung kann jede herkömmliche bekannte Messmethode herangezogen werden. Vorzugsweise erfolgt die Ultraschallüberwachung mittels Messung der Rückstreuung.
Die erfindungsgemäße Ultraschallsonde umfasst ein Gehäuse, welches bevorzugt eine Vorklemme umfasst, die die Geometrie des Schlauchs, indem sich ein extrakorporales Fluid befindet, in vertikaler und/oder horizontaler Richtung, vorzugsweise in vertikaler Richtung, einengt. In einer Ausführungsform der Erfindung kann Vorklemme gleichzeitig dazu dienen, den Deckel des Gehäuses zu fixieren bzw. zu verschlossen zu halten.
Der Schallkeil sowie der Reflektor und der Dämpfungskörper werden bevorzugt geometrisch so angeordnet, dass die Geometrie des Schlauchs an der Stelle des Messfeldes durch das Schließen der Ultraschallsonde in horizontaler und/oder vertikaler Richtung, vorzugsweise in horizontaler Richtung eingeengt wird.
Durch die Einengung der Schlauchgeometrie und damit des Schlauchdurchmessers an der Stelle des Messfeldes werden Fremdstrukturen wie zum Beispiel Luftblasen gezielt in das homogene Messfelde eingebracht.
Die Einengung der Schlauchgeometrie führt an dieser Stelle zu einer erhöhten Fließgeschwindigkeit und einem erhöhten Strömungswiderstand. Diese Effekte sind oft nicht erwünscht. Daher wird die maximale Einengung der Geometrie des Schlauchs, durch den das Fluid geleitet wird, nur an der Stelle des Messfeldes vorgenommen und der Schlauch im Weiteren nicht deformiert. Diese Art der Schlauchführung gewährleistet auch eine möglichst geringe Verwirbelung der Strömung in dem Schlauch.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Ultraschallsonde ein Gehäuse mit Deckel, einen Ultraschallsensor, ein Schallfeld, einen Reflektor, ein Trägermaterial, einen Dämpfungskörper und mindestens eine Piezokeramik. Die Piezokeramik befindet sich vorzugsweise auf einem Schallkeil. Der Schallkeil liegt vorzugsweise mit einer Schallaustrittsfläche am Schlauch, durch den das Fluid geleitet wird, an.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Piezokeramik und der Schallkeil von allen Seiten, mit Ausnahme der Kontaktstelle zwischen Schallkeil und Schlauch, von einem Dämpfungskörper umgeben. Die Kontaktstelle zwischen Schallkeil und Schlauch wird im Folgenden als Schallaustrittsfläche bezeichnet.
Der Dämpfungskörper ist vorzugsweise in einem Trägermaterial fixiert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Deckel der Ultraschallsonde einen Reflektor mit einer Reflexionsfläche.
Die Piezokeramik dient als Ultraschallsender und -empfänger. Als Piezokeramik kann jede herkömmliche, im Ultraschallbereich anwendbare Keramik verwendet werden. Vorzugsweise wird eine Kompositkeramik verwendet. Besonders bevorzugt ist die Verwendung einer gefüllten Piezokeramik, wie beispielsweise einer Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik (PZT-Keramik) mit Polymerfüllung. Die Geometrie der Piezokeramik ist so gewählt, dass ein im Wesentlichen homogenes Schallfeld erzeugt wird. Die Piezokeramik hat vorzugsweise einen rechteckigen oder elliptischen Querschnitt. Die Piezokeramik hat bevorzugt eine dem jeweiligen Schlauchquerschnitt angepasste Breite und Länge. Im Falle eines Schlauches mit einem Innendurchmesser von 3/8“ und einer Wandstärke von 1/16“ hat die Piezokeramik beispielsweise eine Länge zwischen 25 mm bis 12 mm, vorzugsweise 22 mm bis 14 mm, besonders bevorzugt 20 mm bis 14 mm. Die Breite der Piezokeramik liegt in diesem Fall beispielsweise zwischen 1 mm und 10 mm, vorzugsweise, 2 mm und 8 mm, besonders bevorzugt 3 mm und 6 mm. Beispielhaft kann die Piezokeramik eine Länge × Breite von 16 mm × 5 mm oder 20 mm × 3 mm aufweisen. Die Länge und Breite der Piezokeramik ist entsprechend an andere Schlauchdurchmesser anpassbar. Weitere Schläuche, die mit der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde genutzt werden können sind, haben beispielsweise einen Innendurchmesser von 1/2“, 1/4“, 3/16, oder 3/8“ bei Wandstärken von 1/16“ bis 1/32“ oder einen Innendurchmesser von 2 mm bis 15,9 mm bei Wandstärken von 1 bis 3,2 mm. Auch Schläuche für industrielle Anwendungen mit einem Innendurchmesser von 1 1/2 bis 2“ sind denkbar. Denkbar sind auch Kathederschläuche mit z.B. einem Innendurchmesser von 0,4mm und einer Wandstärke von 0,07mm. Im Falle eines 1/2“ Schlauches kann die Piezokeramik eine Länge × Breite von 25 mm × 3 mm aufweisen.
In einer geeigneten Ausführungsform ist die Piezokeramik auf einem Schallkeil aufgebracht, wobei der Schallkeil vorzugsweise an der Schallaustrittsfläche am Schlauch anliegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Schallkeil an allen anderen Grenzflächen von einem Dämpfungskörper umgeben. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt die Schallaustrittsfläche der Piezokeramik gegenüber und ist so dimensioniert, dass der Schall nicht über die gesamte Fläche des Schallkeils, die dem Fluid zugewandt ist, austritt, d.h. dass die Schallaustrittsfläche nicht die gesamte Fläche des Schallkeils, die dem Fluid zugewandt ist, umfasst.
In einer anderen Ausführungsform umfasst die Ultraschallsonde mehr als eine Piezokeramik. Dadurch ist die Messung verschiedener Streuwinkel und damit verschiedener Ortslagen möglich. Dies ermöglicht insbesondere auch die Diskriminierung mehrerer Fremdkörper im Messvolumen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Ultraschallsonde ein Array von Piezokeramiken. Das Array von Ultraschallsonden besteht dabei aus mehreren Piezokeramiken, zum Beispiel aus 4, 8, 16, 32, 64, 128 oder 256 Piezokeramiken. Dabei können die Piezokeramiken in Reihe (linear array) angeordnet sein, aber auch die Anordnung der Piezokeramiken in Reihe auf einer konvex oder konkav gekrümmten Ankoppelfläche ist möglich (curved array). Die einzelnen Piezokeramiken in einem Array lassen sich dabei einzeln oder in Gruppen ansteuern bzw. auslesen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform lassen sich die Piezokeramiken bei der Verwendung eines Arrays von Piezokeramiken phasenverschoben ansteuern (phased array Ansteuerung). Das heißt, die einzelnen Piezokeramiken oder Gruppen von Piezokeramiken aus dem Array lassen sich phasenverschoben also zeitversetzt ansteuern. Durch die phasenverschobene Ansteuerung der Einzelnen Piezokeramiken oder Gruppen von Piezokeramiken aus dem Array kann eine weitere Homogenisierung des Schallfeldes erreicht werden.
Die durch die Piezokeramik erzeugten Schallwellen werden in den Schallkeil und anschließend über die Schallaustrittsfläche in den Schlauch und das Fluid eingekoppelt. An der Schallaustrittsfläche kommt es ebenfalls zu einer teilweisen Reflexion der Schallwellen. Diese reflektierten Schallwellen unterliegen wiederum teilweise einer Reflexion an der Grenzfläche des Schallkeils zum umgebenden Medium. Bei den herkömmlich verwendeten Schallkeilen können die reflektierten Schallwellen teilweise über die Schallaustrittsfläche in den Schlauch und das Fluid eindringen. Dadurch wird ein inhomogenes Schallfeld im zu untersuchenden Fluid erzeugt. Diese Inhomogenität im Schallfeld ist nachteilig und beeinflusst die Messergebnisse in unerwünschter Weise.
In der vorliegenden Erfindung wird die Geometrie des Schallkeils daher so vorgeschlagen, dass die an der Schallaustrittsfläche reflektierten Schallwellen nach einer erneuten Reflexion an der Grenzfläche des Schallkeils zum umgebenden Medium nicht zum Schallfeld im Messvolumen beitragen. In einer bevorzugten Ausführungsform tragen die einmal an der Schallaustrittsfläche reflektierten Schallwellen auch nach mehrfacher Reflexion an der Grenzfläche des Schallkeils zum umgebenden Medium nicht zum Schallfeld im Messvolumen bei.
Als Messvolumen wird im Sinn der Erfindung der Bereich zwischen Schallaustrittsfläche und Reflektor bezeichnet, in dem Fremdstrukturen detektiert werden können.
Neben der Geometrie des Schallkeils ist der Dämpfungskörper um den Schallkeil von besonderer Bedeutung. Nach der Reflexion an der Schallaustrittsfläche werden die reflektierten Schallwellen teilweise an der Grenzfläche von Schallkeil und umgebendem Dämpfungskörper reflektiert und teilweise in den Dämpfungskörper ausgekoppelt. Der ausgekoppelte Anteil der Schallwellen wird durch den Dämpfungskörper absorbiert. Der reflektierte Anteil der Schallwellen wird erneut, gegebenenfalls mehrfach, an der Grenzfläche von Schallkeil und umgebendem Dämpfungskörper reflektiert und wiederum in den Dämpfungskörper ausgekoppelt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde wird der an der Schallaustrittsfläche reflektierte Hauptstrahl der Reflexion in seiner Intensität geschwächt, indem er an der Grenzfläche von Schallkeil und Dämpfungskörper teilweise reflektiert und teilweise in den Dämpfungskörper ausgekoppelt wird. Der ausgekoppelte Anteil wird im Dämpfungskörper absorbiert und kann nicht in das Messvolumen gelangen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Ultraschallsonde wird der an der Schallaustrittsfläche reflektierte Hauptstrahl der Reflexion der Schallwellen in seiner Intensität geschwächt, indem er mehrfach an der Grenzfläche von Schallkeil und Dämpfungskörper teilweise reflektiert und teilweise in den Dämpfungskörper ausgekoppelt wird. Der jeweils in den Dämpfungskörper ausgekoppelte Anteil wird absorbiert und kann nicht in das Messvolumen gelangen.
Der Dämpfungskörper besteht aus einem Material, das Schallwellen gut absorbiert. Dies kann zum Beispiel ein geeignetes Gemisch aus Polymeren und Festkörperpartikeln geeigneter Größe oder Größenverteilung sein, beispielsweise ein Polyurethan, ein Expoxidharz oder ein Silikon und Metallpartikel. Solche Materialien sind dem Fachmann bekannt.
Geeignete Materialien für den Schallkeil können zum Beispiel Festkörper mit geeigneter Schallimpedanz und Schalldämpfung im bevorzugten Ultraschallfrequenzbereich sein. Insbesondere richtet sich das Material des Schallkeils nach den akustischen Eigenschaften des Schlauches und dem Einsatzbereich. So sollte das Material beispielsweise desinfizierbar und/oder hitzebeständig sein. Beispiele für geeignete Materialien für die Ausbildung des Schallkeils sind Polyetheretherketon (PEEK) und Styrol. Andere geeignete Materialien sind dem Fachmann bekannt.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Ultraschallsonde einen Schallkeil, bei dem der Absorberwinkel, der Einschallwinkel und der Schallfeldwinkel Werte in den folgenden Bereichen aufweisen:

– Absorberwinkel W1: 15° bis 25°
– Einschallwinkel W2: 115° bis 135°
– Schallfeldwinkel W3: 95° bis 110°.

Die Länge und Höhe des Schallkeils sowie die Breite der Piezokeramik können an die Bedingungen, unter denen die Ultraschallsonde eingesetzt werden soll, angepasst werden. Insbesondere sind Länge und Höhe des Schallkeils sowie die Breite der Piezokeramik an den Durchmesser des Schlauchs, der das Fluid führt, anpassbar.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat der Schallkeil zum Beispiel folgende Dimensionen (siehe 5):

– Breite des Schallfensters B2: 4 mm–6mm
– Breite der Piezokeramik B1: 2 mm–4 mm
– Keillänge L: 15 mm bis 25 mm
– Keilhöhe H: 5 mm bis 15 mm
– Absorberwinkel W1: 15° bis 25 °
– Einschallwinkel W2: 115° bis 135 °
– Schallfeldwinkel W3: 95° bis 110°.

Prinzipiell ist erfindungsgemäß jedoch jede Geometrie des Schallkeils möglich, die eine erfindungsgemäße Reflexion und Absorption der Schallwellen gewährleistet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird aufgrund der Geometrie des Schallkeils und der Piezokeramik sowie der Verwendung eines geeigneten Dämpfungskörpers ein homogenes Schallfeld im Messvolumen erzeugt, welches frei von Mehrfachreflexionen ist.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der Ultraschallsensor sowie der Reflektor und die Klemme in der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde so angeordnet, dass ein homogenes Schallfeld ohne Mehrfachreflexionen im Messvolumen erzeugt wird. Der Schallkeil hat in diesem Fall folgende Dimensionen (siehe 5):

– Breite des Schallfensters B2: 5,3 mm
– Breite der Piezokeramik B1: 3 mm
– Keillänge L: 18,3mm
– Keilhöhe H: 9,9 mm
– Absorberwinkel W1: 20°
– Einschallwinkel W2: 128°
– Schallfeldwinkel W3: 100°.

Die erfindungsmäße Ultraschallsonde ist in mehrerlei Hinsicht vorteilhaft. Durch die besondere Anordnung und Geometrie der einzelnen Bauteile wie oben beschrieben wird die Sensitivität der Ultraschallsonde für die Detektion von Fremdkörpern, insbesondere Luftblasen stark erhöht. Dies äußert sich daran, dass Luftblasen mit einem deutlich kleineren Durchmesser bis hin zu Mikroluftblasen zuverlässig detektiert werden können. Mit herkömmlichen Geräten war es bislang nicht möglich, kleine Luftblasen mit einem Durchmesser bis zu 5 µm, vorzugsweise bis zu 4 µm, 3 µm, 2 µm oder 1 µm mit ausreichender Genauigkeit und Reproduzierbarkeit zu bestimmen. So kommt es bei der Verwendung von herkömmlichen Sonden zu sogenannten Doppelmessungen. Doppelmessungen bedeutet in diesem Fall, dass sich zwei oder mehr Luftblasen bzw. Fremdstrukturen im Messvolumen befinden, die in der Messung nicht als einzelne, separate Strukturen, sondern als eine Struktur erkannt werden.
Aufgrund des Aufbaus der erfindungsgemäßen Sonde kann die Größe von Fremdstrukturen und insbesondere von Luftblasen im Vergleich zu herkömmlichen Ultraschallsonden mit höherer Genauigkeit bestimmt werden. Die Messergebnisse mit herkömmlichen Sonden bieten eine Genauigkeit mit einer Standardabweichung im Bereich von 40–60 %. Mit der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde wird die Anzahl der Doppelmessungen aufgrund des verkleinerten Messvolumens deutlich reduziert und die Genauigkeit der Messungen dadurch verbessert. Darüber hinaus werden die Fremdstrukturen aufgrund der geometrischen Einengung des Fluid-führenden Schlauchs in das homogene Schallfeld eingebracht. Die konstruktiven Besonderheiten im Aufbau der Ultraschallsonde führen außerdem dazu, dass keine Mehrfachreflexionen im Messvolumen auftreten. Dadurch kann die Größe von Fremdstrukturen mit der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde mit einer Standartabweichung von nur noch 20–40 % bestimmt werden.
Die Vorgeschlagene Ultraschallsonde kann in Verfahren zur Ermittlung und/oder Überwachung des Auftretens und/oder zur Größenbestimmung von Fremdstrukturen in einem extrakorporalen Fluid oder einem extrakorporalen Fluidstrom verwendet werden. Dabei wird das extrakorporale Fluid durch einen Schlauch geleitet. Zusätzlich zur Ultraschallsonde kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Signalauswertemittel verwendet werden. Als Signalauswertemittel kann Beispielsweise ein geeigneter Auswertealgorithmus verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren zur Ermittlung und/oder Überwachung des Auftretens und/oder zur Größenbestimmung von Fremdstrukturen in Blut oder einem Blutstrom, insbesondere einem extrakorporalen Blutstrom, bereitgestellt, wobei das Blut mit der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde überwacht wird und die Messergebnisse mit einem Signalauswertemittel ausgewertet werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es auch möglich, wenigstens eine Fremdstruktur von wenigstens einer weiteren Fremdstruktur im Fluid zu unterscheiden.
Die wenigstens eine Fremdstruktur in dem Fluid kann gasförmig, wie etwa eine Luftblase, sein. Die wenigstens eine Fremdstruktur kann aber auch ein Festkörper, wie beispielsweise ein Blutgerinnsel oder ein von der Oberfläche des extrakorporalen Kreislaufs abgelöster Fremdkörper, sein.
Die wenigstens eine weitere Fremdstruktur in dem Fluid kann ebenfalls gasförmig, wie etwa eine Luftblase, sein aber auch ein Festkörper, wie beispielsweise ein Blutgerinnsel oder ein von der Oberfläche des extrakorporalen Kreislaufs abgelöster Fremdkörper, sein.
Die Unterscheidung kann über die Rückstreuamplitude erfolgen, die beispielsweise in Luft größer ist als bei Blutgerinnseln ist, da der Impedanzsprung zwischen Blut und Luft erhöht ist. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Unterscheidung von Luftblasen und Mikroembolien aufgrund des unterschiedlichen Verhältnisses zwischen Amplitude des Signals und der Aufenthaltsdauer, also der Zeitinformation, vorgenommen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es daher möglich, Luftblasen insbesondere Mikroluftblasen in extrakorporalen Kreisläufen nichtinvasiv ohne direkten Kontakt zu der Flüssigkeit zu detektieren.
Größere Luftblasen können unter Verwendung eines Referenzsignals und durch die Auswertung des Integrals der Amplitudenwerte bestimmt werden. Dafür dürfen die Amplitudenwerte nicht übersteuert sein.
Die erfindungsgemäße Ultraschallsonde und das erfindungsgemäße Verfahren sind besonders gut dazu geeignet, sehr kleine Luftblasen, wie zum Beispiel Mikroluftblasen, zu detektieren und/oder deren Größe zu bestimmen.
Die Größe der detektierbaren Fremdstrukturen hängt vom Impedanzsprung ab. Luftblasen sind beispielsweise ab einem Durchmesser von 1 µm, vorzugsweise ab 2 µm, 3 µm, 4 µm oder 5 µm messbar. Fremdstrukturen können bis zu einem Durchmesser detektiert werden, der maximal dem Schlauchdurchmesser entspricht.
Durch die Vorklemme an der Ultraschallsonde und die Anordnung von Schallkeil, Dämpfungskörper und Reflektor wird die Geometrie des Schlauches, durch den der extrakorporale Fluidstrom geleitet wird bzw. in dem sich das extrakorporale Fluid befindet, in horizontaler und/oder vertikaler Richtung eingeengt. Fremdstrukturen, die detektierte werden sollen, werden dadurch in das homogene Schallfeld der Ultraschallsonde geleitet.
In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für die Streumessung mehr als eine Piezokeramik verwendet. Dadurch ist die Messung verschiedener Streuwinkel und damit verschiedener Ortslagen möglich. Dies ermöglicht die Diskriminierung mehrerer Fremdkörper im Messvolumen.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine fortlaufende Korrektur der Umgebungsparameter vorgenommen. Durch den Schlauch, der das Fluid oder den Fluidstrom umgibt, erfahren die Schallwellen eine Dämpfung. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden deshalb die Schlauchparameter bestimmt. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass durch eine Reflexionsmessung ein Referenzsignal bezüglich der Dämpfung der Schallwellen durch den Schlauchs und der Ankopplung an den Schlauch gemessen werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Korrektur der Schlauchparameter, beispielsweise mit Hilfe des ermittelten Referenzsignals, fortlaufend in „real time“ vorgenommen.
In dem vorgeschlagenem Verfahren kann das Signal auch als komplexes I-Q-Signal ausgewertet werden. Zusätzlich zur Information der Amplitudengröße wird dadurch die Phaseninformation gewonnen. Das detektierte Signal wird dafür in zwei Wegen weiterverarbeitet. Einmal wird eine Demodulation mit der originalen Phase durchgeführt, wodurch das I-Signal erhalten wird. Darüber hinaus wird eine Demodulation mit einer um 90° verschobenen Phase durchgeführt, wodurch das Q-Signal erhalten wird. Über Berechnungen mit Hilfe von Winkelfunktionen ist es möglich, die Phaseninformation zu extrahieren. Das Verfahren ist dem Fachmann bekannt. Durch die Phaseninformation kann die Flussrichtung des Fluidstroms bestimmen werden.
In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens ist die Messfrequenz nicht konstant sondern kann an die Messbedingungen angepasst werden. Bevorzugt wird eine solche Anpassung automatisch vorgenommen. Für sehr kleine Strukturen sollte die Frequenz größer gewählt werden (z.B. für Mikroembolien aus Blutzellen). Für große Luftmengen und größere Schläuche kann die Frequenz geringer sein. Vorzugsweise liegt die Messfrequenz in Abhängigkeit der Messbedingungen und/oder der messenden Fremdstrukturen im Bereich von 0,5 MHz bis 16 MHz, bevorzugt von 1 bis 8 MHz, besonders bevorzugt von 1,8 bis 2,2 MHz. Eine geeignete Messfrequenz liegt beispielsweise bei 2 MHz.
In einer Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Bestimmung der Größe der Fremdstrukturen, insbesondere der Größe von Luftblasen. Dafür ist es vorteilhaft, wenn vor der Untersuchung des Fluids eine Kalibrierung der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde vorgenommen wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden für die Kalibrierung die Streusignale von Luftblasen mit mindestens zwei verschiedenen Größen mit der Ultraschallsonde gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren gemessen. Hierfür kann beispielsweise ein Kreislauf genutzt werde, durch den Luftbläschen mit definierter Größe, einzeln und getaktet, geleitet werden. Die Streusignale der Luftbläschen können dann der Größe der jeweiligen Bläschen zugeordnet werden. Auf diese Weise können Streusignale für zwei, drei, vier, fünf oder mehr definierte Größen von Luftblasen ermittelt werden. Aus den so gemessenen Streusignalen kann mittels dem Fachmann bekannten mathematischen Verfahren und Methoden eine Regressionskurve oder -gerade abgeleitet werden. Den anschließend in dem zu untersuchenden Fluid gemessenen Streusignalen von Luftbläschen können so mit Hilfe der durch die Kalibrierung gewonnen Daten bzw. Regressionskurven oder -geraden, Größen zugeordnet werden.
Die Erfindung wird im Folgenden durch 1 Ausführungsbeispiel und 7 Figuren näher beschrieben.
Es zeigen:
1 eine geöffnete Ultraschallsonde mit Vorklemme;
2 eine geschlossene Ultraschallsonde mit Vorklemme und Schlauch durch den das Fluid geleitet wird;
3 die Einschränkung der Schlauchgeometrie innerhalb der Ultraschallsonde bei geschlossener Ultraschallsonde, dargestellt in geöffneter Form zur besseren Veranschaulichung;
4 den Aufbau der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde;
5 die Geometrie von Schallkeil, Piezokeramik und Dämpfungskörper;
6 den Verlauf der Schallwellen im Schallkeil; und
7 das Schallfeld bei Verwendung eines herkömmlichen Schallkeils (a) und Schallfeld bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Schallkeils (b);
8 den Vergleich der Messergebnisse einer herkömmlichen Sonde (a) und der erfindungsgemäßen Sonde (b).
1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde 10, umfassend eine Vorklemme 11, ein Gehäuse 12 mit Deckel 16, die Schallaustrittsfläche 13, den Reflektor 15 und ein Kabel 14 zum Anschluss an ein Signalauswertemittel. Die Vorklemme 11 umfasst ein bewegliches Element, das gleichzeitig zum Fixieren bzw. Verschließen des Deckels 16, der den Reflektor 15 enthält, dient. Gut zu erkennen ist, dass die Innenseite des Deckels 16, die den Reflektor 15 umfasst, eine Erhöhung besitzt, die die Schlauchgeometrie an der Stelle der gegenüberliegenden Schallaustrittsfläche horizontal einengt.
2 zeigt die Außenansicht einer geschlossenen erfindungsgemäßen Ultraschallsonde 10, umfassend eine Vorklemme 11, ein Gehäuse 12 und ein Kabel 14, das mit einem Signalauswertemittel verbunden sein kann. Schematisch ist der das Fluid führende Schlauch 17 angedeutet, mit dem die Ultraschallsonde 10 verbindbar ist.
3 zeigt die Prinzipdarstellung einer weiterer Ausführungsform der erfindungsmäßen Ultraschallsonde 10, wiederum umfassend eine Vorklemme 11, ein Gehäuse 12, einen Deckel 16 mit einem Reflektor 15 sowie andeutungsweise den das Fluid führende Schlauch 17. Es ist gut zu erkennen, dass die Geometrie des Schlauches 17 an der Position 18a durch die Vorklemme 11 vertikal eingeengt wird und an der Position 18b durch die Geometrie des Reflektors 15 horizontal eingeengt wird.
4 zeigt einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde, umfassend das Gehäuse 12 und den Deckel 16. Im unteren Teil des Gehäuses 12 befinden sich der Dämpfungskörper 20, die Piezokeramik 21, das Trägermaterial 22 und der Schallkeil 23. Es ist gut zu erkennen, das die Geometrie des Aufbaus des unteren Teils des Gehäuses ebenfalls dazu führt, dass der angedeutete Schlauch 17, mit dem die Ultraschallsonde 10 verbindbar ist, horizontal eingeengt wird. Dies erfolgt im Zusammenspiel mit der Geometrie des Reflektors 15 im Deckel 16. Der Reflektor 15 umfasst die Reflexionsfläche 24. Der dargestellte Schlauch 17 umfasst die Schlauchwand 19 und das Fluid 25. Im Bereich der Anordnung der Vorklemme 11 ist gut zu erkennen, dass die Geometrie des Schlauches 17 in vertikaler Richtung verändert ist.
5 zeigt den schematischen Aufbau des Schallkeils 23 der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde, der von einem Dämpfungskörper 20 umgeben ist. Die Sonde ist in diesem Fall für die Verbindung mit einem Schlauch mit einem Innendurchmesser von 3/8“ dimensioniert und der Schallkeil hat in diesem Beispiel folgende Dimensionen:

6 zeigt eine schematische Darstellung des Verlaufs der Schallwellen im Schallkeil 23 der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde, die von einem Dämpfungskörper 20 umgeben ist. Außerdem zu sehen ist die Position der Piezokeramik 21. Die Pfeile in gestrichelter und durchgezogener Darstellung zeigen beispielhaft die Ausbreitung des Anteils der Schallwellen, der von der Piezokeramik 21 ausgesendet wird und der anschließend am Schallaustrittsfenster 13 reflektiert wird. Nicht dargestellt ist der Anteil der Schallwellen, der durch das Schallaustrittsfenster 13 in das Meßvolumen eintritt. Weiterhin zu erkennen ist die Mehrfachreflexion der Schallwellen an der Grenzfläche des Schallkeils 23 zum Dämpfungskörper 20. Bei jedem Auftreffen einer Schallwelle auf die Grenzfläche zwischen Schallkeil 23 und Dämpfungskörper 20 tritt ein Teil der Schallwelle in den Dämpfungskörper ein und der andere Teil wird, wie in 6 gezeigt, reflektiert. Dies führt zu einer stetigen Abnahme der Intensität der Schallwelle. Sollte durch die Mehrfachreflexion eine Schallwelle zurück zum Schallaustrittsfenster 13 reflektiert werden, wäre die Intensität dieser Schallwelle durch die ebenfalls erfolgende mehrfache Absorption eines Teils so gering, dass sich die verbleibende Intensität dieser Schallwellen nicht mehr auf die Homogenität des Schallfeldes innerhalb des Meßvolumens auswirken würde.
7 zeigt den Vergleich des Schallfeldes einer Ultraschallsonde mit einem herkömmlichen Aufbau von Piezokeramik und Schallkeil mit dem Schallfeld der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ultraschallsonde. Die herkömmliche Ultraschallsonde enthält eine Piezokeramik, die auf einem Schallkeil aufgebracht ist, der nicht von einem Dämpfungskörper umgeben ist. Durch die Schallaustrittsfläche gelangen aufgrund der Geometrie des Schallkeils auch mehrfach an der Grenzfläche des Schallkeils zum umgebenden Medium reflektierte Schallwellen in das Schallfeld. Dadurch wird ein inhomogenes Schallfeld erzeugt. 7(a) zeigt das inhomogene Schallfeld, der Anteil, der durch die mehrfach reflektierten Schallwellen entsteht, ist deutlich zu erkennen. 7(b) zeigt das Schallfeld, das mit der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde erzeugt wird. Das Schallfeld ist homogen und es ist kein Anteil am Schallfeld zu erkennen, der durch mehrfach reflektierte Schallwellen hervorgerufen wurde.
8 zeigt den Vergleich der Messergebnisse mit einer herkömmlichen Sonde (a) und einer erfindungsgemäßen Sonde (b). Für die Messung wurden in einem Blasengenerator Luftblasen mit einem mittleren Durchmesser von 140µm generiert. Diese Luftblasen wurden mit einer herkömmlichen Ultrasonde (a) und mit der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde (b) bei gleicher Einstellung von Blasengenerator und Fluss vermessen. Aufgetragen ist die gemessene normierte Blasenanzahl in Abhängigkeit vom Durchmesser der Blasen. Zur Vergleichbarkeit ist die Anzahl der gemessenen Blasen pro Blasendurchmesser auf das Maximum normiert. Das Messintervall für den Blasendurchmesser beträgt 5 µm. Mit beiden Ultraschallsonden wurde eine Verteilung um das Maximum bei 140 µm Blasendurchmesser gemessen. In der Theorie würde man als Ergebnis der Messungen eine δ-Funktion bei etwa 140 µm erwarten. In der Realität wird jedoch eine Verteilung der Blasendurchmesser aufgrund von Mehrfachreflexionen im Messvolumen, Inhomogenität des Schallfeldes im Messvolumen und Doppelmessungen gemessen. Im Bereich A der Messkurve kommen Fehlmessungen aufgrund von Mehrfachreflexionen im Messvolumen zustande. Durch die Mehrfachreflexionen werden von der Sonde Signale detektiert, die als Luftblasen interpretiert werden, obwohl diese im Messvolumen gar nicht vorhanden sind. Im Bereich B wird die Breite der Verteilung durch die Homogenität des Schallfeldes im Messvolumen bestimmt und im Bereich C entstehen Fehlmessungen durch Doppelmessungen im Messvolumen. Es ist deutlich zu erkennen, dass die erfindungsgemäße Ultraschallsonde (b) in allen drei Bereichen ein deutlich besseres Messergebnis erreicht im Vergleich zur herkömmlichen Ultraschallsonde (a). 8(b) zeigt, dass im Bereich A keine Fehlmessungen aufgrund von Mehrfachreflexionen im Messvolumen zu verzeichnen sind, da diese durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Ultraschallsonde nicht vorkommen. Im Bereich B ist eine deutlich schmalere Verteilung der Blasendurchmesser zu erkennen, da durch die Vorklemme, die die erfindungsgemäße Sonde umfasst, die Luftblasen in den homogenen Teil des Schallfeldes eingebracht und dort vermessen werden. Im Bereich C treten nahezu keine Doppelmessungen aufgrund des kleineren Messvolumens auf. In der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde wird im Vergleich zur herkömmlichen Sonde das Messvolumen durch die geometrische Einengung des Fluid-führenden Schlauches verkleinert. Gut zu erkennen ist, dass mit der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde eine wesentlich schmalere Verteilung um das Maximum bei 140µm Blasendurchmesser gemessen wird und in den Randbereichen bei kleineren bzw. größeren Blasendurchmessern wesentlich weniger Fehlmessungen registriert werden im Vergleich zur herkömmlichen Ultraschallsonde.
Bezugszeichenliste

10: Ultraschallsonde
11: Vorklemme
12: Gehäuse
13: Schallaustrittsfläche
14: Kabel
15: Reflektor
16: Deckel
17: Schlauch
18a: vertikale Einengung des Schlauches
18b: horizontale Einengung des Schlauches
19: Schlauchwand
20: Dämpfungskörper
21: Piezokeramik
22: Trägermaterial
23: Schallkeil
24: Reflexionsfläche
25: Fluid
L: Schallkeillänge
B1: Breite der Piezokeramik
B2: Breite der Schallaustrittsfläche
H: Schallkeilhöhe
W1: Absorberwinkel
W2: Einschallwinkel
W3: Schallfeldwinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10210034553 [0016]
DE 102014104909 A1 [0017]
DE 102008041831 A1 [0018]
US 20080092623 A1 [0019]

Claims

Ultraschallsonde zur Ermittlung und/oder Überwachung und/oder Größenbestimmung des Auftretens von Fremdstrukturen, in einem extrakorporalen Fluid oder einem extrakorporalen Fluidstrom, wobei die Sonde ein Gehäuse, einen Ultraschallsensor, ein Schallfeld, einen Reflektor, ein Trägermaterial, einen Dämpfungskörper und mindestens eine Piezokeramik umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Schallfeld als Schallkeil ausgebildet ist und dass die Geometrie des Schallkeils so gestaltet ist, dass reflektierte Schallwellen nicht in das Schallfeld eindringen.
Ultraschallsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallkeil von einem Dämpfungskörper umgeben ist, der den Hauptstrahl der Reflexion mindestens teilweise absorbiert.
Ultraschallsonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Ort der Messung ein homogenes Schallfeld erzeugt wird, welches keine Inhomogenitäten durch Mehrfachreflexionen aufweist.
Ultraschallsonde nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallsonde weiterhin eine Vorklemme umfasst, die die Schlauchgeometrie in horizontaler und/oder vertikaler Richtung an der Stelle des homogenen Schallfeldes einengt.
Ultraschallsonde nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Piezokeramik in Länge und Querschnitt so gestaltet ist, dass ein im Wesentlichen homogenes Schallfeld erzeugt wird.
Ultraschallsonde nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des Schallkeils, die dem Fluid zugewandt ist, teilweise vom Dämpfungskörper umgeben ist.
Ultraschallsonde nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallaustrittsfläche nicht die gesamte Fläche des Schallkeils, die dem Fluid zugewandt ist, umfasst.
Ultraschallsonde nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde mehr als eine Piezokeramik umfasst.
Ultraschallsonde nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor, der einen Sender und einen Empfänger umfasst, sowie der Reflektor und die Klemme so angeordnet sind, dass ein homogenes Schallfeld ohne Mehrfachreflexionen erzeugt wird.
Verfahren zur Ermittlung und/oder Überwachung des Auftretens und/oder Größenbestimmung von Fremdstrukturen in einem extrakorporalen Fluid oder einem extrakorporalen Fluidstrom, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ultraschallsonde nach einem der Ansprüche 1–9 und ein Signalauswertemittel verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fremdstrukturen durch Einengung der Schlauchgeometrie in horizontaler und/oder vertikaler Richtung, durch das homogene Schallfeld geleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass für die Streumessung mehr als eine Piezokeramik verwendet wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine erste Fremdstruktur im Messvolumen detektiert wird und/oder von wenigstens einer zweiten Fremdstruktur unterschieden wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass fortlaufend eine Korrektur der Umgebungsparameter vorgenommen wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass auch Mikroluftblasen in dem extrakorporalen Fluid erkannt werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das gemessene Signal komplex als I-Q-Signal ausgewertet wird.
Verfahren nach mindestens einem der der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfrequenz anpassbar ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Kalibrierungsmessung eine Größenbestimmung der Fremdstrukturen vorgenommen wird.