DE3329134C2 - Vorrichtung zur Messung von Querschnitten an Objekten, insbesondere an Körperteilen - Google Patents

Abstract

An dem Körperteil, z. B. einem Arm oder Bein, werden Schallköpfe (SK1 bis SK3) umfangsmäßig verteilt befestigt. Jeder der Schallköpfe kann entlang einer zu einem anderen Schallkopf führenden Meßstrecke (MS1 bis MS3) Ultraschallsignale aussenden, die von dem anderen Schallkopf empfangen werden. Die Schallköpfe können aus winkelförmig angeordneten Schallkörpern (14) bestehen. Auf diese Weise werden alle drei Seiten eines von den Schallköpfen gebildeten Polygons gemessen, woraus der Flächeninhalt des Polygons bestimmt werden kann.

Description

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Ferner ist ein Impuls-Echo-Verfahren bekannt Hierbei enthält jeder Schallkopf zwei funktionell und (Krautkrämer, J. und H. »Werkstoffprüfung mit Ultra- elektrische voneinander getrennte und hinsichtlich ihrer schall«, 4. Aufl. 1980, Springer-Verlag, Seiten 191—195, räumlichen Anordnung zueinander abgewinkelte 217—220), bei dem Schallköpfe benutzt weiden, die so- Schallkörper. Mit einer derartigen Vorrichtung ist es wohl für Senden als auch für Empfangen ausgebildet 5 prinzipiell möglieh, die Längen aller Meßstrecken sind. Hierbei weist jeder Schallkopf nur einen einzigen gleichzeitig zu messen, weil alle Schwingerkörper unab-Schwingerkörper auf. Schließlich ist es bei der Messung hängig voneinander betrieben werden können und jeder Wanddicken von Rohren bekannt, mehrere Schall- weils zwei Schwingerkörper, die in unterschiedlichen köpfe als Sender und Empfänger über den Rchrumfang Schallköpfen angeordnet sind, als Sender und Empfänverteilt vorzusehen und elektronische Umtaktungen 10 ger eine MeSstrecke bilden.

vorzusehen, bei denen verschiedene Schallköpfe nach- Bei beiden Varianten der Erfindung senden die einander zur Durchführung einer Messung aktiviert Schallköpfe stark gerichtete bzw. gebündelte Ultrawerden. Die von einem Empfangskopf empfangene aus- schallimpulse aus, die von einem anderen Schallkopf schwingende Frequenz wird nach Verstärkung einem empfangen werden. Die Schallköpfe enthalten in jedem Sendekopf zugeführt (DE-OS 23 63 356). 15 Fall zwei schwingfähige Schenkel, die entweder einen

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor- einzigen Schwingerkörper oder zwei voneinander funk-

richtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die tionell getrennte Schwingerkörper bilden. Jeder der

eine exakte Ausmessung der Seitenlängen des Polygons Schenkel ist mit seiner schwingenden Fläche einem

ermöglicht Schenkel eines anderen Schallkopfes zugewandt. Für

Eine erste Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungs- 20 die räumliche Anordnung der beiden Schenkel gibt es gemäß darin, daß die Schallköpfe zum Senden und zum verschiedene Möglichkeiten. Gemäß einer bevorzugten Empfangen von Ultraschallweilen ausgebildet sind, daß Ausführungsform der Erfindung sind die Scheitelpunkte die Schwingerkörper aus winkelförmigen Platten beste- der von den Schenkeln gebildeten Schwingerkörper hen, deren beide Schenkel mit ihrer schwingenden Flä- dem Körperteil zugewandt Dies hat zur Folge, daß die ehe jeweils einem Schenkel des Schwingerkörpers eines 25 Ultraschallwellen, die von den beiden Schenkeln eranderen Schallkopfes zugewandt sind, und daß eine zeugt werden, in auseinanderlaufende Richtungen aus-Schalteinrichtung vorgesehen ist die mindestens zwei gesandt werden, ohne sich auf ihrem Weg zu dem ande-Schallköpfe zwischen Senden und Empfangen umschal- ren Schallkopf zu kreuzen. Es besteht daher auch die tet derart daß alle zwischen den Schallköpfen gebilde- Möglichkeit, mehrere Längenmessungen mit Ultraten Meßstrecken gemessen werden. 30 schall gleichzeitig durchzuführen.

Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, die Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfin-

Länge jeder der Meßstrecken, die zwischen den Schall- dung ist vorgesehen, daß die von den Schwingerkörpern

köpfen gebildet werden, zu messen. Dieses allgemeine gebildeten Scheitelpunkte dem Körperteil abgewandt

Prinzip läßt sich jedoch nicht ohne weiteres verwirkli- sind, und daß die Längenmessungen der zwischen den

chen, weil Ultraschallwellen mit einer gewissen Rieht- 35 Schallköpfen gebildeten Meßstrecken unter Vermei-

wirkung ausgesandt werden. Ein piezoelektrischer dung von Schallwellenüberschneidungen in mindestens

Schwingerkörper, der mit einer elektrischen Spannung zwei nacheinanderfolgenden Meßphasen erfolgen. Auf

erregt wird, sendet die eine aus mehreren Keulen beste- diese Weise erfolgt die Entkopplung dadurch, daß die

hende Richtcharakteristik in bezug auf die schwingende Messungen zu unterschiedlichen Zeiten durchgeführt

Fläche aus. Dies bedeutet daß jeder Schwingerkörper 40 werden. Obwohl die Wege der Ultraschallsignale einan-

hauptsächlich nur in einer Richtung senden kann, so daß der kreuzen, stören sich die Signale nicht

seine Signale nur von einem der beiden anderen Schall- Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die

köpfe empfangen werden können. Da die Schallköpfe Zeichnungen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung

aber im Polygon angeordnet sind, besteht jeder näher erläutert. Es zeigt

Schwingerkörper aus einer winkelförmigen Platte, die 45 F i g. 1 eine schematische Darstellung des ersten Aus-

bei Erregung Schallsignale in zwei unterschiedliche führungsbeispiels,

Richtungen aussendet Auf diese Weise ist es möglich, F i g. 2 einen Längsschnitt durch einen Schallkopf, der

einen einzigen Schwingerkörper zum Senden zu benut- bei dem Ausführungsbeispiel der F i g. 1 verwendet

zen und die von diesem Schwingerkörper in verschiede- wird,

ne Richtungen ausgesandten Signale mit zwei Schall- 50 Fig.3 eine schematische Darstellung des zweiten

köpfen zu empfangen. Alternativ besteht aber auch die Ausführungsbeispiels und

Möglichkeit nur denjenigen Schwingerkörper auf Emp- F i g. 4 einen Längsschnitt durch einen der Schallk'öp-

fang zu schalten, der das Signal des einen Schenkels des fe, die bei dem zweiten Ausführungsbeispiel verwendet

erregten Schwingerkörpers empfängt so daß von allen werden.

winkelförmigen Schwingerkörpern stets einer auf Sen- 55 In F i g. 1 ist mit 10 der Querschnitt eines Körperteiles

den und mindestens ein anderer auf Empfangen geschal- eines menschlichen oder tierischen Körpers bezeichnet,

tet ist Auf diese Weise erfolgt eine zyklisch umlaufende Es handelt sich beispielsweise um einen Querschnitt ei-

Messung der Längen der drei Meßstrecken etwa nach ner Extremität (Arm oder Bein), die nicht kreisrund ist.

Art eines Multiplexverfahrens. Um das Körperteil 10 sind verteilt drei Schallköpfe

Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung ist vor- eo SK1, SK 2, SK 3 angeordnet Jeder der Schallköpfe

gesehen, daß alle Schallköpfe zum Senden und zum SK1 bis SK 3 kann wechselseitig als Ultraschallsender

Empfangen von Ultraschallwellen ausgebildet sind, und und Ultraschallempfänger betrieben werden. Zur Be-

daß jeder Schallkopf einen Schwingerkörper als Sende- Stimmung der Länge der Meßstrecke MS1 zwischen

schwinger und einen Schwingerkörper als Empfangs- den Schallköpfen SKi und SK 2 wird der Schallkopf

schwinger enthält, wobei der Sendeschwinger mit seiner 65 SKI als Sender betrieben, während der Schallkopf

schwingenden Fläche der schwingenden Fläche des SK 2 als Empfänger betrieben wird. Zur Messung der

Empfangsschwingers eines anderen Schallkopfes züge- Länge der Meßstrecke MS 2 zwischen den Schallköpfen

wandt ist SK 2 und SK 3 wird der Schallkopf SK 2 als Sender

betrieben, während der Schallkopf SK 3 als Empfänger betrieben wird. Zur Messung der Länge der Meßstrecke MS 3 zwischen den Schallköpfen SK 3 und SKi wird der Schallkopf SK 3 als Sender und der Schallkopf SK1 als Empfänger betrieben. Die Messungen dieser drei 5 Meßstrecken MSi bis AfS 3 erfolgen zeitlich nacheinander.

In Fig.2 ist ein Schnitt durch den Schallkopf SKi dargestellt Die Schallköpfe SK 2 und SK 3 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 zueinainder verlaufenden, einstückig ineinander übergehenden Schenkeln is 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 Vb der Schenkel 15 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 Unterseite auf die Haut 18 aufgeklebt und hält das Gehäuse 13 an dieser fest Der Klebering 23 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 pin AnkonnlunfTK-Orel Has Hie T Jltraschalkicmalf» hf>- ergerät 31 bzw. in einem Rechner. In dem Rechner wird ferner aus den drei Meßstrecken MS1, MS 2 und MS 3 der Flächeninhalt des Dreiecks ermittelt Aus diesem Flächeninhalt kann dann die Querschnittsgröße des Körperteils 10 ermittelt werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel der F i g. 3 und 4 enthalten die Schallköpfe SK1 bis SK 3 jeweils zwei voneinander unabhängige Schwingerkörper, von denen der eine ein Sendeschwinger SS ist und der andere ein Empfangsschwinger ES ist. Die Schwingerkörper schließen einen Winkel χ von 120° ein und ihre schwingenden Flächen 19 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 F i g. 3 sind die Leitungen, die das elektrische Sendesignal den Schallköpfen SK1 bis SK 3 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 SK 2 empfängt, wenn der Schallkopf SK1 sendet, der Schallkopf SK1 empfängt, wenn der Schallkopf SK 3 sendet und der Schallkopf SK 3 empfängt wenn der Schallkopf SK 2 sendet Diese drei Meßphasen erfolgen zeitlich nacheinander, was durch die Schalteinrichtung 28' gesteuert wird.

Aus F i g. 3 ist ferner zu ersehen, daß die Meßstrecke MS1 zunächst die Meßstrecke MS3 und dann die Meßstrecke MS 2 kreuzt Dies liegt daran, daß die schwingenden Flächen 19 einen Winkel λ 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 Schallköpfen 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 F i g. 1 und 2

Hpr Winlfpl λ nirht 970° snnHprn nnnähprnH 940° linH

sonders 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 SK 3 führen, sind in F i g. 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 MSi bis MS 3 nacheinander gemessen. Die Auswertung der Signale der Sendereinrichtung 29 und der Empfangseinrichtung 30 erfolgt Ln einem Steubei dem Meßprinzip der F i g. 3 und 4 beträgt der Winkel oc 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 Anzahl der verwendeten Schallköpfe ist, um so 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1 - 2 dadurch gekennzeichnet, daß jeder Meßkopf (SK 1 Patentansprüche: , bis SKS) ein Kunststoffgehäuse (13) aufweist, in dem die bzw. der Schwingerkörper (SS, ES; 14) mit einem

1. Vorrichtung zur Messung von Querschnitten an Kleber (27) gehalten sind bzw. ist

Objekten, insbesondere an Körperteilen, mit minde- 5 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

stens drei verteilt um den Umfang des Körperteiles dadurch gekennzeichnet, daß jeder Meßkopf (SK 1

anzuordnenden Schallköpfen (SKi bis SK 3), die bis SK 3) an seiner dem Körperteil (10) zugswand-

Schwingkörper (14) zum Senden bzw. Empfangen ten Seite eine mit einem Ankopplungs-Gel gefüllte

von Ultraschallwellen enthalten und die paarweise Kammer (25) aufweist

Entfernungsmeßeinrichtungen zur Messung von io

Seitenlängen des von den Meßköpfen gebildeten

Polygons bilden, und mit einer Recheneinrichtung
zur Bestimmung des Flächeninhalts des Polygons

und/oder des Körperteiles (10), dadurch ge- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung

kennzeichnet, daß die Schallköpfe (SKi bis 15 von Querschnitten an Objekten, insbesondere an Kör-

SK 3) zum Senden und zum Empfangen von Ultra- perteilen, mit mindestens drei verteilt um den Umfang

schallweiten ausgebildet sind, daß die Schwingerkör- des Körperteiles anzuordnenden Schallköpfen, die

per (14) aus winkelförmigen Platten bestehen, deren Schwingerkörper zum Senden bzw. Empfangen von Ul-

beide Schenkel (15,16) mit ihrer schwingenden Flä- traschallwellen enthalten und die paarweise Entfer-

che (19) jeweils einem Schenkel des Schwingerkör- 20 nungsmeßeinrichtungen zur Messung von Seitenlängen

pers eines anderen Schallkopfes zugewandt sind, des von den Meßköpfen gebildeten Polygons bilden,

und daß eine Schalteinrichtung (28) vorgesehen ist, und mit einer Recheneinrichtung zur Bestimmung des

die mindestens zwei Schallköpfe zwischen Senden Flächeninhalts des Polygons und/oder des Körperteiles,

und Empfangen umschaltet, derart, daß alle zwi- Es ist bekannt, am menschlichen Körper Schallköpfe

sehen den Schallköpfen gebildeten Meßstrecken 25 anzubringen, um Längenmessungen durchzuführen f

(MSi bis MS 3) gemessen werden. (Aviation, Space, and Environmental Medicine,

2. Vorrichtung zur Messung von Querschnitten an April 1982. S. 375 bis 378 und Mai 1983, S. 458 bis 463). Objekten, insbesondere an Körperteilen, mit minde- Hierbei wird einer der Schallköpfe mit einer Ultrastens drei verteilt um den Umfang des Körperteiles schallfrequenz elektrisch erregt, so daß er Ultraschallsianzuordnenden Schallköpfen (SKi bis SK 3), die 30 gnale aussendet, die von dem anderen Schallkopf emp-Schwingerkörper (SS, ES) zum Senden bzw. Emp- fangen werden. Aus der Laufzeitdifferenz zwischen fangen von Ultraschallwellen enthalten und die Senden und Empfangen wird der Abstand der beiden paarweise Entfernungsmeßeinrichtungen zur Mes- Schallköpfe bestimmt Der Ausdruck »Schall« soll genesung von Seitenlängen des von den Meßköpfen ge- ' rell alle Schwingungen umfassen, die sich durch Molebildeten Dreiecks bilden, und mit einer Rechenein- 35 külbewegung in einem Medium fortpflanzen, also auch richtung zur Bestimmung des Flächeninhalts des Ultraschallwellen.

Dreiecks und/oder des Körperteiles (10), dadurch Zur Bestimmung des Querschnitts von Gliedmaßen gekennzeichnet, daß jeder Schallkopf (SK 1 bis des menschlichen Körpers ist es bekannt (US-PS SK 3) einen Schwingerkörper (SS) als Sendeschwin- 43 83 533), drei Schallköpfe um die entsprechende Ex- |f ger und einen Schwingerkörper (ES) als Empfangs- 40 tremität, z. B. den Unterschenkel, herum anzuordnen, schwinger enthält, wobei der Sendeschwinger mit Zwei der Schallköpfe haben einen relativ geringen Abseiner schwingenden Fläche (19) der schwingenden stand, der als bekannt angenommen wird. Bei der Mes- _ Fläche des Empfangsschwingers eines anderen sung wird vorausgesetzt, daß diese beiden einander re- | Schallkopfes zugewandt ist. lativ nahe benachbarten Schallköpfe einen vorgegebe-

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch 45 nen konstanten Abstand voneinander haben, der begekennzeichnet, daß die Scheitelpunkte (17) der kannt ist und bei der Berechnung des Flächeninhalts des Schwingerkörper (14) dem Körperteil (10) züge- zwischen den Schallköpfen gebildeten Dreiecks zugrunwandt sind. de gelegt wird. Die Berechnung der anderen Schenkel

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, des Dreiecks erfolgt durch Aussenden von Ultraschalldadurch gekennzeichnet, daß die von den Schwin- 50 wellen von demjenigen Schallkopf, der der kurzen Seite gerkörpern (SS, ES) gebildeten Scheitelpunkte (17) des Dreiecks gegenüberliegt Die beiden anderen dem Körperteil (10) abgewandt sind, und daß die Schallköpfe empfangen diese Signale. Auf diese Weise Längenmessungen der zwischen den Schallköpfen wird mit Hilfe von zwei Meßstrecken und einer als vor- (SK 1 bis SK 3) gebildeten Meßstrecken (MS 1 bis bekannt angenommenen Seitenlänge des Dreiecks

ί MS 3) unter Vermeidung von Schallwellenüber- 55 durch Rechnung der Flächeninhalt des Dreiecks ermit-

\ schneidungen in mindestens zwei nacheinanderfol- telt Diese bekannte Vorrichtung hat den Nachteil, daß

genden Meßphasen erfolgen. die als konstant angenommene kurze Seitenlänge des

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, Dreiecks tatsächlich nicht konstant ist. Konstant ist vieldadurcli gekennzeichnet, daß der von den schwin- mehr das Umfangssegment der Bandlänge zwischen den genden Flächen (19) der Schenkel (15,16) gebildete 60 beiden Schallköpfen, nicht aber der kürzeste Abstand Winkel (λ) wenigstens annähernd 240° oder 270° zwischen diesen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, beträgt. daß bei der bekannten Vorrichtung zwei der Schallköp-

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, fe relativ nahe beieinander liegen müssen, was zur Folge dadurch gekennzeichnet, daß der von den schwin- hat, daß das von den Schallköpfen gebildete Dreieck in genden Flächen (19) der beiden Schwingerkörper 65 der Regel ein spitzwinkliges Dreieck ist, das nur einen (SS, ES) gebildete Winkel (α) wenigstens annähernd sehr geringen Teil der Querschnittsfläche des zu mes-120° oder 90° beträgt. senden Körperteiles ausfüllt. Die Messung ist daher re-

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, lativ ungenau.