DE3329134A1 - Vorrichtung zur messung von querschnitten an objekten, insbesondere an koerperteilen - Google Patents
Vorrichtung zur messung von querschnitten an objekten, insbesondere an koerperteilenInfo
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Description
VON KREISLER SCHONWALD EISHOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING WERNER
Deutsche Forschungs- und
Versuchsanstalt für Luft und Raumfahrt e.V.
Linder Höhe
5000 Köln 90
5000 Köln 90
PATENTANWÄLTE
Dr.-Ing. von Kreisler 11973
Dr.-Ing. K. Schönwald, Köln Dr.-Ing. K. W. Eishold, Bad Soden Dr.J.F.Fues,Köln
Dipl.-Chem. AIeIc von Kreisler, Köln Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln
Dipl.-Ing. G. Selting, Köln Dr. H.-K. Werner, Köln
D-5000 KÖLN 1
11. August 1983
Sg/rk
Vorrichtung zur Messung von Querschnitten an Objekten, insbesondere an Körperteilen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Querschnitten an Objekten, insbesondere an Körperteilen,
mit mindestens drei verteilt um den Umfang des Körperteiles anzuordnenden Schallköpfen, die Schwingerkörper
zum Senden bzw. Empfangen von Ultraschallwellen enthalten und die paarweise Entfernungsmeßeinrichtungen zur
Messung von Seitenlängen des von den Meßköpfen gebildeten Polygons bilden, und mit einer Recheneinrichtung zur
Bestimmung des Flächeninhalts des Polygons und/oder des Körperteiles.
Es ist bekannt, am menschlichen Körper Schallköpfe anzubringen, um Längenmessungen durchzuführen (Aviation,
Space, and Environmental Medicine, April 1982, s. 375 bis 378 und Mai 1983, S. 458 bis 463). Hierbei wird
t'einer der Schallköpfe mit einer Ultraschallfrequenz
elektrisch erregt, so daß er Ultraschallsignale aussendet, die von dem anderen Schallkopf
-A -
empfangen werden. Aus der Laufzeitdifferenz zwischen Senden und Empfangen wird der Abstand der beiden
Schallköpfe bestimmt. Der Ausdruck "Schall" soll generell alle Schwingungen umfassen, die sich durch
Molekülbewegung in einem Medium fortpflanzen, also auch Ultraschallwellen.
Zur Bestimmung des Querschnitts von Gliedmaßen des menschlichen Körpers ist es bekannt, drei Schallköpfe
Um1 die entsprechende Extremität , z.B. den Unterschenkel,herum
abzuordnen. Zwei der Schallköpfe haben einen, relativ geringen Abstand, der als bekannt
angenommen wird. Bei der Messung wird vorausgesetzt, daß diese beiden einander relativ nahe benachbarten
Schallköpfe einen vorgegebenen konstanten Abstand voneinander haben, der bekannt ist und bei der Berechnung
des Flächeninhalts des zwischen den Schallköpfen gebildeten Dreiecks zugrunde gelegt wird. Die
Berechnung der anderen Schenkel des ,Dreiecks erfolgt
durch Aussenden von Ultraschallwellen von demjenigen Schallkopf, der der kurzen Seite des Dreiecks gegenüberliegt.
Die beiden anderen Schallköpfe empfangen diese Signale. Auf diese Weise wird mit Hilfe von
zwei Meßstrecken und einer als vorbekannt angenommenen Seitenlänge des Dreiecks durch Rechnung der Flächeninhalt
des Dreiecks ermittelt. Diese bekannte Vorrichtung hat den Nachteil, daß die als konstant angenommene
kurze Seitenlänge des Dreiecks tatsächlich nicht konstant ist. Konstant ist vielmehr das Umfangssegment
der Bandlänge zwischen den beiden Schall-
■/
köpfen, nicht aber der kürzeste Abstand zwischen diesen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß bei der
bekannten Vorrichtung zwei der Schallköpfe relativ nahe beieinander liegen müssen, was zur Folge hat, daß
das von den Schallköpfen gebildete Dreieck in der Regel ein stumpfwinkliges Dreieck ist, das nur einen sehr
geringen Teil der Querschnittsfläche des zu messenden Körperteiles ausfüllt. Die Messung ist daher relativ
ungenau.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die
eine exakte Ausmessung der Seitenlängen des Polygons ermöglicht.
Eine erste Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß , ^i e Schallköpfe zum Senden und
zum Empfangen von Ultraschallwellen ausgebildet sind, daß die Schwingerkörper aus winkelförmigen Platten
bestehen, deren beide Schenkel mit ihrer schwingenden Fläche jeweils einem Schenkel des Schwingerkörpers
eines anderen Schallkopfes zugewandt sind, und daß eine Schalteinrichtung vorgesehen ist, die mindestens
zwei Schallköpfe zwischen Senden und Empfangen umschaltet, derart, daß alle zwischen den Schallköpfen
gebildeten Meßstrecken gemessen werden.
Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, die Länge jeder der Meßstrecken, die zwischen, den Schallköpfen
gebildet werden, zu messen. Dieses allgemeine Prinzip läßt sich jedoch nicht ohne weiteres verwirklichen,
weil Ultraschallwellen mit einer gewissen Rieht-
wirkung ausgesandt werden. Ein piezoelektrischer Schwingerkörper, der mit einer elektrischen Spannung
erregt wird, sendet die eine aus mehreren Keulen bestehende Richtcharakteristik in Bezug auf die
schwingende Fläche aus» Dies bedeutet, da.ß jeder
Schwingerkörper hauptsächlich nur in einer Richtung senden kann, so daß. seine Signale nur von einem der
beiden anderen Schallköpfe empfangen werden können. Da die Schallköpfe aber im Polygon angeordnet sind,
besteht jeder Schwingerkörper aus einer winkelförmigen Platte, die bei Erregung Schallsignale in zwei unterschiedliche
Richtungen aussendet. Auf diese Weise ist es möglich, einen einzigen Schwingerkörper zum Senden zu
benutzen und die von diesem Schwingerkörper in Verschiedene
Richtungen ausgesandten Signale mit zwei Schallköpfen zu empfangen. Alternativ besteht aber auch
die Möglichkeit, nur denjenigen Schwingerkörper auf Empfang zu schalten, der das Signal des einen Schenkels
des erregten Schwingerkörpers empfängt, so daß von allen winkelförmigen Schwingerkörpern stets einer
auf Senden und mindestens ein anderer auf Empfangen geschaltet ist. Auf diese Weise erfolgt eine zyklisch
umlaufende Messung der Längen der drei Meßstrecken etwa
nach Art eines Multxplexverfahrens.
Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung ist vorgesehen, daß alle Schallköpfe zum Senden und zum Empfangen
von Ultraschallwellen ausgebildet sind, und daß jeder Schallkopf einen Schwingerkörper als Sendeschwinger
und einen Schwingerkörper als Empfangsschwinger enthält, wobei der Sendeschwinger mit seiner
schwingenden Fläche der schwingenden Fläche des Empfangsschwingers eines anderen Schallkopfes zugewandt ist.
Hierbei enthält jeder Schallkopf zwei funktionell und elektrische voneinander getrennte und hinsichtlich ihrer
räumlichen Anordnung zueinander abgewinkelte Schallkörper. Mit einer derartigen Vorrichtung ist es
prinzipiell möglich, die Längen aller Meßstrecken gleichzeitig zu messen,weil alle Schwingerkörper unabhängig
voneinander betrieben werden können und jeweils zwei Schwingerkörper, die in unterschiedlichen Schallköpfen
angeordnet sind, als Sender und Empfänger eine Meßstrecke bilden.
Bei beiden Varianten der Erfindung senden die Schallköpfe stark gerichtete bzw. gebündelte Ultraschallimpulse
aus, die von einem anderen Schallkopf empfangen werden. Die Schallköpfe enthalten in jedem Fall
zwei schwingfähige Schenkel, die entweder einen einzigen Schwingerkörper oder zwei voneinander funktionell
getrennte Schwingerkörper bilden. Jeder der Schenkel ist mit seiner schwingenden Fläche einem Schenkel
eines anderen Schallkopfes zugewandt. Für die räumliehe Anordnung der beiden Schenkel gibt es verschiedene
Möglichkeiten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Scheitelpunkte
der von den Schenkeln gebildeten Schwingerkörper dem Körperteil zugewandt. Dies hat zur Folge, daß die
Ultraschallwellen, die von den beiden Schenkeln erzeugt werden, in auseinanderlaufende Richtungen ausgesandt
werden, ohne sich auf ihrem Weg zu dem anderen
Schallkopf zu kreuzen. Es besteht daher auch die Möglichkeit, mehrere T.änaenmessuncren mit Ultraschall
gleichzeitig durchzuführen.
-A -
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist
vorgesehen, daß die von den Schwingerkörpern gebildeten Scheitelpunkte dem Körperteil abgewandt sind, und daß
die Längenmessungen der zwischen den Schallköpfen gebildeten Meßstrecken unter Vermeidung von Schallwellenüberschneidungen
in mindestens zwei nacheinanderfolgenden Meßphasen erfolgen. Auf diese Weise erfolgt
die Entkopplung dadurch, daß die Messungen zu unterschiedlichen Zeiten durchgeführt werden. Obwohl die
Wege der Ultraschallsignale einander kreuzen, stören sich die Signale nicht.
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Schallkopf, der bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 verwendet
wird,
Fig. 3 eine schematische Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels
und
Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen der Schallköpfe, die bei dem zweiten Ausführungsbeispiel verwendet
werden.
Ύ —
In Fig. 1 ist mit 10 der Querschnitt eines Körperteiles
eines menschlichen oder tierischen Körpers bezeichnet. Es handelt sich beispielsweise um einen Querschnitt
einer Extremität (Arm oder Bein), die nicht kreisrund ist.
Um das Körperteil 10 sind verteilt drei Schallköpfe SK1, SK2, SK3 angeordnet. Jeder der Schallköpfe
SK1 bis SK3 kann wechselseitig als Ultraschallsender und Ultraschallempfänger betrieben werden. Zur Be-Stimmung
der Länge der Meßstrecke MS1 zwischen den Schallköpfen SK1 und SK2 wird der Schallkopf SK1
als Sender betrieben, während der Schallkopf SK2 als Empfänger betrieben wird. Zur Messung der
Länge der Meßstrecke MS2 zwischen den Schallköpfen SK2 und SK3 wird der Schallkopf SK2 als Sender betrieben,
während der Schallkopf SK3 als Empfänger betrieben wird. Zur Messung der Länge der Meßstrecke
MS3 zwischen den Schallköpfen SK3 und SK1 wird der Schallkopf SK3 als Sender und der Schallkopf SK1
als Empfänger betrieben. Die Messungen dieser drei Meßstrecken MS1 bis MS 3 erfolgen zeitlich nacheinander
.
In Fig. 2 ist ein Schnitt durch den Schallkopf SK1 dargestellt. Die Schallköpfe SK2 und SK3 sind in gleicher
Weise ausgebildet. In einem topfförmigen Gehäuse
13 aus Kunststoff, z.B. Polyvinylchlorid, ist ein Schwingerkörper 14 aus piezoelektrischem Keramikmaterial
untergebracht. Der Schwingerkörper 14 besteht aus zwei unter einem stumpfen Winkel zueinander verlaufenden,
einstückig ineinander übergehenden Schenkeln 15,16. Der Scheitelpunkt 17 des Schwingerkörpers
14 ist dem Körperteil 10 bzw. der Haut 18, gegen die
der Schallkopf 14 gesetzt wird, zugewandt. Der Schwingerkörper 14 ist so angeordnet, daß die durch den
Scheitelpunkt 17 hindurchgehende Symmetrieachse bzw. Winkelhalbierende rechtwinklig zur Oberfläche der
Haut 18 verläuft. Die dem Körperteil 10 zugewandten
schwingenden Flächen 19 der Schenkeil5 und 16 bilden
einen Winkel α von 240°. Dies bedeutet, daß der von den rückwärtigen Flächen der Schenkel 15 und 16 eingeschlossene
Winkel 120° beträgt.
In das Gehäuse 13 führt ein Koaxialkabel 20 hinein, das mit seiner Seele 21 an die schwingenden Flächen 19
und mit seiner Abschirmung 22 an die Rückseite des Schwingerkörpers 14 angeschlossen ist. über das Koaxialkabel
20 können elektrische Schwingungen auf den piezoelektrischen Schwingerkörper 14 übertragen werden, wodurch
diese Schwingungen in Ultraschallwellen umgesetzt werden, welche von den schwingenden Flächen 19 abgestrahlt
werden. Wenn andererseits eine der schwingenden Flächen 19 ein Ultraschallsignal empfängt, wird
dieses in dem Schwingerkörper 14 in elektrische Signale
umgesetzt, die über das Koaxialkabel 20 zu einem Empfänger geleitet werden.
In dem Gehäuse 13 ist der Schwingerkörper 14 in einen
erhärteten Kleber 27 eingebettet, der das Innere des Gehäuses 13 ausfüllt. Das Gehäuse 13 stützt sich mit
einem Rand 13" auf einem Klebering 23 ab, der aus Papier
besteht und zu beiden Seiten mit einer Klebebeschichtung
versehen ist. Der Klebering 23 ist mit seiner ünterseite auf die Haut 18 aufgeklebt und hält das Gehäuse
an dieser fest. Der Klebering 2 3 weist eine Mittelöffnung 24 auf, durch die die von dem unteren Rand 22
umschlossene Kammer 25 in Verbindung mit der Oberfläche der Haut 18 steht. Die Kammer 25 enthält ein Ankopplungs-Gel,das
die Ultraschallsignale besonders gut leitet. Die Kammer 25 ist durch die Bodenwand 26 des
Gehäuses begrenzt. Gegen die Bodenwand 26 stößt der Scheitelpunkt 17 des Schwingerkörpers 15.
Die Koaxialkabel 20, die zu den einzelnen Schallköpfen SK1 bis SK3 führen, sind in Fig. 1 jeweils mit 20-1,
20-2 und 20-3 bezeichnet. Diese Kabel führen zu einer Schalteinrichtung 28, die aus Gründen der Einfachheit
als mechanische Schalteinrichtung dargestellt, in der Praxis jedoch elektronisch ausgebildet ist. In der
Schalteinrichtung 28 werden die einzelnen Leitungen wechselseitig an die elektrische Sendeeinrichtung 29
und die Empfangseinrichtung 30 so angeschlossen, daß jeweils einer der Schallköpfe als Sender und ein anderer
Schallkopf als Empfänger betrieben wird. Dadurch werden
die Meßstrecken MS1 bis MS3 nacheinander gemessen. Die Auswertung der Signale der Sendereinrichtung 29 und
der Empfangseinrichtung 30 erfolgt in einem Steuer-., gerät 31 bzw. in einem Rechner. In dem Rechner wird
ferner aus den drei Meßstrecken MS1, MS2 und MS3 der Flächeninhalt des Dreiecks ermittelt. Aus diesem Flächeninhalt
kann dann die Querschnittsgröße des Körperteils 10 ermittelt werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fign. 3 und 4 enthalten die Schallköpfe SK1 bis SK3 jeweils zwei voneinander
unabhängige Schwingerkörper, von denen der eine ein
Sendeschwinger SS ist und der andere ein Empfängsschwinger ES ist. Die Schwingerkörper schließen einen
Winkel α von 120° ein und ihre schwingenden Flächen sind der Haut 18 zugewandt. Beide Schwingerkörper SS
und ES sind voneinander elektrisch und mechanisch entkoppelt.
Der Sendeschwinger SS ist an eine Koaxialleitung 33 angeschlossen,
die ihm das Erregersignal zuführt, und der Empfangsschwinger ES ist an eine Leitung 34 angeschlossen,
die das Empfangssignal abführt. In Fig. 3
sind die Leitungen, die das elektrische Sendesignal den Schallköpfen SK1 bis SK3 zuführen, jeweils mit
33-1 bis 33-3 bezeichnet, und die Leitungen, die von dem zugehörigen Schwingerkörper ES das Empfangssignal abführen, sind mit 34-1 bis 34-3 bezeichnet.
In der Schalteinrichtung 28', der alle Leitungen 33-1
bis 33-3 und 34-1 bis 34-3 zugeführt werden, erfolgt die
Steuerung so, daß der Schallkopf SK2 empfängt, wenn der Schallkopf SK1 sendet, der Schallkopf SK1 empfängt,
/Hf;
Wenn der Schallkopf SK3 sendet und der Schallkopf SK3
empfängt, wenn der Schallkopf SK2 sendet. Diese drei Meßphasen erfolgen zeitlich nacheinander, was durch
die Schalteinrichtung 28' gesteuert wird.
Aus Fig. 3 ist ferner zu ersehen, daß die Meßstrecke MS1 zunächst die Meßstrecke MS3 und dann die Meßstrecke
MS2 kreuzt. Dies liegt daran, daß die schwingenden Flächen 19 einen Winkel α von weniger als 180° einschließen,
so daß die Meßstrecken sich überschneiden.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung brauchen die Schallköpfe nicht durch ein Band miteinander verbunden
zu sein, obwohl ein Band erforderlichenfalls zusätzlich angewandt werden kann. Es genügt, die Schallköpfe
an einzelnen Stellen verteilt anzuordnen, die Längenmessungen
vorzunehmen und anschließend die gewünschte Fläche zu berechnen.
Anstelle der dargestellten Anordnung von drei Schall- · köpfen können auch mehr als drei Schallköpfe vorgesehen
werden, die über den Umfang des Körperteils verteilt angeordnet werden und die Eckpunkte eines Polygons
bilden. Wenn vier Schallköpfe benutzt werden, beträgt bei dem Meßprinzip der Figuren 1 und 2 der Winkel
α nicht 270°, sondern annähernd 240° und bei dem Meßprinzip der Figuren 3 und 4 beträgt der Winkel α·
nicht 120°, sondern annähernd 90°. Auf diese Weise wird erreicht, daß jeweils zwei schwingende Flächen von
Schwingerkörpern, die in benachbarten Schallköpfen angeordnet sind, einander zugewandt sind. Je größer die An-•
zahl der verwendeten Schallköpfe ist, umso genauer ist
die Flächenmessung, weil das Polygon dann der Kontur
des Körperteiles besser angepaßt wird.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf Querschnittsmessungen an Körperteilen des menschlichen oder
tierischen Körpers, sondern sie bezieht sich auch auf Messungen des Querschnitts oder von Querschnittsänderungen
an anderen Objekten aus Metall, Kunststoff, Holz und anderen Materialien.
Claims (8)
- ANSPRÜCHE■"λ
.j Vorrichtung zur Messung von Querschnitten an Objekten, insbesondere an Körperteilen, mit mindestens drei verteilt um den Umfang des Körperteiles anzuordnenden Schallköpfen (SK1 bis Sk3) , die Schwingerkörper (14) zum Senden bzw. Empfangen von Ultraschallwellen enthalten und die paarweise Entfernungsmeßeinrichtungen zur Messung von Seitenlängen des von den Meßköpfen gebildeten Polygons bilden, und mit einer Recheneinrichtung zur Bestimmung des Flächeninhalts des Polygons und/oder des Körperteiles (10), dadurch gekennz eichnet , daß die Schallköpfe (SK1 bis SK3) zum Senden und zum Empfangen von Ultraschallwellen ausgebildet sind, daß die Schwingerkörper (14) aus winkelförmigen Platten bestehen, deren beide Schenkel (15,16) mit ihrer schwingenden Fläche (19) jeweils einem Schenkel des Schwingerkörpers eines anderen Schallkopfes zugewandt sind, und daß eine Schalteinrichtung (28) vorgesehen ist,die mindetens zwei Schallköpfe zwischen Senden und Empfangen umschaltet, derart, daß alle zwischen den Schallköpfen gebildeten Meßstrecken (MS1 bis MS3) gemessen werden. - 2. Vorrichtung zur Messung von Querschnitten an Objekten, insbesondere an Körperteilen, mit mindestens drei verteilt um den Umfang des Körperteiles anzuordnenden Schallköpfen (SK1 bis SK3) , die Schwingerkörper (SS,ES) zum Senden bzw. Empfangen von Ultraschallwellen enthalten und die paarweise Entfernungsmeßeinrichtungen zur Messung von Seitenlängen des von den Meßköpfen gebildeten Dreiecksbilden, und mit einer Recheneinrichtung zur Bestimmung des Flächeninhalts des Dreiecks und/oder des Körperteiles (10), dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schallkopf (SK1 bis SK3) einen Schwingerkörper (SS) als Sendeschwinger und einen Schwingerkörper (ES) als Empfangsschwinger enthält, wobei der Sendeschwinger mit seiner schwingenden Fläche(19)der schwingenden Fläche des Empfangsschwingers eines anderen Schallkopfes zugewandt ist.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheitelpunkte (17) der Schwingerkörper (14) dem Körperteil (10) zugewandt sind.
- 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Schwingerkörpern (SS, ES) gebildeten Scheitelpunkte (17) dem Körperteil (10) abgewandt sind, und daß die Längenmessungen der zwischen den Schallköpfen (SK1 bis SK3) gebildeten Meßstrecken (MS1 bis MS3) unter Vermeidung von Schallwellenüberschneidungen in mindestens zwei nacheinander folgenden Meßphasen erfolgen.
- 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der von den schwingenden Flächen (19) der Schenkel (15,16) gebildete Winkel (α) wenigstens annähernd 240° oder 270° beträgt.
- 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der von den schwingenden Flächen (19) der beiden Schwinger körper (SS ,ES) gebildete Winkel (α) wenigstens annähernd 120° oder 90° beträgt.
- 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Meßkopf (SK1 bis SK3) ein Kunststoffgehäuse (13) aufweist, in dem die bzw. der Schwingerkörper (SS,ES; 14) mit einem Kleber (27) gehalten sind bzw. ist.
- 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Meßkopf (SK1 bis SK3) an seiner dem Körperteil (10) zugewandten Seite eine mit einem Ankopplungs-Gel gefüllte Kammer (25) aufweist.
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