Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung von Materia- len durch akustische Spektro skopie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Eine Vorrichtung zur Untersuchung von flüs sigen oder gasförmigen Medien durch akustische Spektroskopie ist beispielsweise aus der

DE 103 24 990 B2 bekannt. Bei dieser Vorrichtung sind eine Sendeeinrichtung zum Senden mehrerer Sendesignale unterschiedlicher Frequenz und eine Empfangseinrichtung zum Empfangen entsprechender Emp- fangs signale vorgesehen. Mit einer Verarbeitungseinrichtung kann dann die Phasenverschiebung zu j edem Sende- und Empfangs signalpaar ermittelt und daraus ein das untersuchte Medium qualifizierender Wert anhand der Phasenverschiebung abgeleitet werden. Bei der dort beschriebenen Vorrichtung werden nacheinander in unmittelbarer Abfolge Sig- nalpakete unterschiedlicher Frequenzen gesendet. Die Frequenzen bewegen sich vorzugsweise im Bereich zwischen 1 und 15 MHz, wobei j edes Signalpaket vorzugsweise wenigstens 100 Perioden umfas sen sollte. Zu jedem Signalpaket und damit zu jeder Frequenzstufe werden über die Empfangseinrichtung die spezifischen Empfangssignale aufgenommen und danach einer Verarbeitungseinrichtung zugeleitet. In der Verarbeitungseinrichtung wird zu j edem frequenzspezifischen Sende- und Emp- fangs signalpaar der durch den Durchtritt durch das untersuchte Medium verursachte Phasenverschiebungswinkel zwischen den beiden Signalen ermittelt. So wird im Endeffekt durch diese frequenzspezifische Abtastung des Mediums eine Vielzahl unterschiedlicher frequenzspezifischer Phasenverschiebungswerte erfasst, deren Anzahl abhängig von der

Anzahl der Sende- und Empfangs signalpaare ist. Auf diese Weise erhält man Informationen über das Verhalten des Mediums aus einem sehr großen Frequenzbereich definiert über einzelne Frequenzstufen, wobei diese Informationen Aus sagen über die Eigenschaften des untersuchten Mediums ermöglichen. Durch die frequenzspezifische Abtastung des Mediums und die entsprechende Bestimmung der frequenzbezogenen Phasenwinkel lässt sich nämlich eine wesentlich spezifischere Untersuchung des Mediums erreichen, da sich eine Änderung des Mediums unterschiedlich auf das j eweilige frequenzspezifische Sende- und Emp- fangs signalpaar auswirkt.

Nachteilig an der in der DE 103 24 990 B2 beschriebenen Vorrichtung ist es , dass sie auf der Auswertung der Phasenverschiebungswerte beruht, die durch den Durchtritt des Sendesignals durch das zu untersuchende Merkmal verursacht und durch das Empfangs signal dokumentiert wird. Denn die Auswertung der Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangs signal kann zu unerwünschten Informationsverlusten führen, durch die das Auswertungsergebnis signifikant verfälscht wird. Diese Informationsverluste beruhen darauf, das s der Wert der Phasenverschiebung auf einen Wertebereich zwischen 0 und 360 ° begrenzt ist. Ist die Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal jedoch größer als 360° , so liefert das in der Druckschrift beschriebene Verfahren einen Phasenverschiebungswert, der nicht eindeutig zugeordnet werden kann . Beträgt die Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangs signal beispielsweise 400 ° , so liefert die in der Druckschrift beschriebene Auswertevorrichtung einen Phasenverschiebungswert von 40° . Die daraus abgeleiteten Auswertungsergebnis se sind somit entscheidend verfälscht und unbrauchbar, da die Auswertung Ergebnisse liefert, die einer Phasenverschiebung von 40° entspricht und nicht einer Phasenverschiebung von 400° (= 360° + 40° ) .

Zur Lösung dieses Problems der nicht eindeutig zuordenbaren Ergebnis se bei der Auswertung der Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangs signal schlägt die DE 198 41 154 A I die Generierung von Sendesignalen mit unterschiedlicher Frequenz vor. Die verschiedenen Frequenzen dienen dabei in der Art eines Nonius bei der Bewertung der Phasenverschiebungen. So ist es möglich die gemessenen Phasenverschiebungswerte eindeutig der tatsächlichen Phasenverschiebung zwi- sehen Sendesignal und Empfangssignal zuzuordnen. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass die Schallwellen in dem zu untersuchenden Medium abhängig von der j eweiligen Sendefrequenz mit unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit übertragen werden, wobei diese verschiedenen Übertragungsgeschwindigkeiten im zu untersuchenden Medium zu erheblichen Messfehlern führen können. Die Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Sendesignals von der jeweiligen Sendefrequenz wird durch die Kramers-Kronig-Gleichung beschrieben. Insofern hat sich das Messverfahren gemäß der DE 198 41 154 A I als ungeeignet erwiesen, da die Mes sfehler aufgrund der nicht einheitlichen Ausbrei- tungsgeschwindigkeit der Schallwellen abhängig von der j eweiligen Sendefrequenz nicht berücksichtigt werden können.

Die Grundlagen der akustischen Spektroskopie, die der erfindungsgemäßen Vorrichtung zugrunde liegen, sind beispielsweise, jedoch keineswegs aus schließlich in folgenden Fachbüchern beschrieben: Fachbuch 1 : Molekularakustik, Werner Schaaffs , Springer Verlag, 1963 (ISBN- 10 : 364249 1413 , ISBN- 13 : 978-3642491412)

Fachbuch 2: Molecular Acustics/Molekularakustik, K. -H. Hellwege, A.M. Hellwege, W. Schaaffs, Springer Verlag, 1967 (ISBN- 10: 3540038973 , ISBN- 13 : 978 -3540038979) Fachbuch 3 : Molecular Acustics, A.J . Matheson, John Willy & Sons Verlag, 197 1 (ISBN- 10 : 1861561857 , ISBN- 13 : 978 - 1861561855)

Ausgehend von dieser gattungsgemäßen Vorrichtung soll eine Vorrichtung zur nichtinvasiven Untersuchung von Materialen durch akustische Spektro skopie vorgeschlagen werden . Bei der Untersuchung von Körpergewebe, insbesondere, jedoch keineswegs ausschließlich, zu diagnostischen Zwecken, besteht vielfach das Problem, dass das Körpergewebe für die Untersuchung nicht ohne Weiteres entnommen werden kann, so das s nur nichtinvasive Untersuchungsmethoden zum Einsatz kommen können. Sollen beispielsweise Untersuchungen am menschlichen Gehirn vorgenommen werden, so ist eine Entnahme von Körpergewebe aufgrund der unübersehbaren Nebenwirkungen bei der Öffnung des menschlichen Schädels in den allermeisten Fällen nicht möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es , eine Vorrichtung zur nichtin- vasiven Untersuchung von Materialen, insbesondere Körpergewebe, durch akustische Spektro skopie vorzuschlagen, bei der die oben beschriebenen Fehlerquellen ausgeschlossen werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfas st gattungsgemäß eine Ultraschall-Sendeeinrichtung zum Aus senden von Ultraschall-Sendesignalen und eine Ultraschall-Empfangseinrichtung zum Empfang der reflektierten bzw. transmittierten Ultraschall-Empfangssignale. S owohl die Sendeeinrichtung als auch die Empfangseinrichtung sind dabei zum Senden bzw . Empfangen von Ultraschallsignalen unterschiedlicher Frequenz geeignet.

In Abkehr der Lehre aus der DE 103 24 990 B3 wird bei der Signalauswertung jedoch nicht die Phasenverschiebung zu j edem Sende- und Empfangs signalpaar bestimmt. Stattdessen wird in einer ersten Verarbeitungseinrichtung aus jedem Sende- und Empfangs signalpaar die Durchlaufzeit des zugeordneten Ultraschallsignals ermittelt. Daneben wird in einer zweiten Verarbeitungseinrichtung aus jedem Sende- und Empfangs- signalpaar die Dämpfung des zugeordneten Ultraschallsignals beim

Durchlauf durch das zu untersuchende Material ermittelt. Dies bedeutet also mit anderen Worten, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus jedem Sende- und Empfangssignalpaar einer bestimmten Frequenz als Ergebnis ein Datenpaar aus der jeweiligen Durchlaufzeit und der jeweiligen Dämpfung ermittelt und in einer Speichereinrichtung zu der jeweiligen Frequenz abgespeichert wird. Es ist dabei erfindungsgemäß nicht notwendig alle Daten zur Beschreibung eines Paares aus Sendesignal und Empfangssignal zu erfas sen. Beispielsweise ist es nicht notwendig die Phase des Sendesignals zu kennen, da die Phase des Sendesignals für die Ermittlung von Durchlaufzeit und Dämpfung des Sendesignals beim Durchlauf durch das zu untersuchende Material nicht erforderlich ist. Es müs sen also nur die Daten zur Beschreibung von Sendesignal und Empfangs signal erfasst werden, die für die Ermittlung von Durchlaufzeit und Dämpfung notwendig sind. Denn Untersuchungen an Versuchsmaterialen, beispielsweise an menschlichen Körpergewebe, bei der Beaufschlagung mit Ultraschallsignalen und der Ermittlung der Durchlaufzeit zum einen und der Dämpfung zum anderen für j edes einzelne Sende- und Empfangssignalpaar haben gezeigt, dass Veränderungen im Material sich signifikant in den Ergebnis- datenpaaren aus Durchlaufzeit und Dämpfung abbilden. Die konventionelle akustische Spektroskopie, bei der die Signaldämpfung zu messen ist, wird also erfindungsgemäß dahingehend erweitert, das s nicht nur für jede Frequenz die spezifische und frequenzabhängige Dämpfung (At- tenuation ATN), sondern auch die spezifische und frequenzabhängige Durchlaufzeit (Time of Flight ToF) bestimmt wird. Durch die Mes sung der Durchlaufzeit kann nämlich die Dispersivität des untersuchten Materials ermittelt werden. Die Kombination der Mes sung von Dämpfung und Dispersivität des untersuchten Materials lässt eine sehr differenzierte Charakterisierung des untersuchten Materials zu.

Untersuchungen einer Vielzahl von Untersuchungspersonen haben beispielsweise gezeigt, das s Gewebeänderungen im menschlichen Gehirn mit Änderungen des dispersiven Charakters des Gehirngewebes einhergehen, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelt werden können. So kann das Schlaganfallrisiko eines Patienten als Folge von Gewebeänderungen im Gehirn erfas st und quantitativ abgeschätzt werden . Auch bei der Alzheimer-Erkrankung oder der Parkinson-Erkrankung kommt es zu Gewebeänderungen im Gehirn, die mit signifikanten Änderungen bei der Durchlaufzeit und der Dämpfung bei der Beaufschlagung mit Ultraschallsignalen einhergehen und mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelt werden können. Somit stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Gerät zur Verfügung, mit dem pathologische Änderun- gen im Körpergewebe mittels nichtinvasiver, akustischer Spektro skopie ermittelt und quantitativ abgeschätzt werden können.

Bei der Nutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur nichtinvasiven Untersuchung von Materialien fallen sehr große Ergebnisdatensätze an, da für j ede Frequenz und das zugeordnete Sende- und Empfangs signal- paar ein Ergebnisdatensatz mit der jeweiligen Durchlaufzeit und der jeweiligen Dämpfung bestimmt und abgespeichert wird. Werden sehr viele Untersuchungen durchgeführt und soll eine Auswertung dieser Daten durch Vergleich der Ergebnisdaten mit Daten aus einer zuvor aufgebauten Ergebnisdatenbank ermittelt werden, kann es aufgrund der großen Datenmengen leicht zu Verarbeitungsproblemen kommen. Es ist deshalb besonders vorteilhaft, wenn in einer Datenreduktionseinrichtung aus dem ermittelten Ergebnisdatensatz ein reduzierter Ergebnisdatensatz abgeleitet werden kann, wobei der reduzierte Ergebnisdatensatz den ermittelten Ergebnisdatensatz charakteristisch abbildet und einen gerin- geren Datenumfang hat. Durch diese Datenreduktion der Ergebnisdaten kann die Datenverarbeitung bei der Auswertung der Ergebnisdaten erheblich beschleunigt werden.

In welcher Weise die Datenreduktionseinrichtung die Ergebnisdatensätze reduziert ist grundsätzlich beliebig . Gemäß einer ersten Variante wird dazu in einem Ergebnisdatensatz, der alle Sendefrequenzen, und alle

Sende- und Empfangs signalpaare für die Untersuchung an einem Material enthält, die jeweils maximale und minimale Durchlaufzeit sowie die jeweils maximale und minimale Dämpfung bestimmt. Diese zwei Maximal- und zwei Minimalwerte bilden dann einen reduzierten Ergebnisda- tensatz . Diese Datenreduktion kann als charakteristisch für den ursprünglichen Datensatz angenommen werden, da der von den beiden Maximalwerten und den beiden Minimalwerten aufgespannte rechteckige Datenquadrant alle anderen Ergebnisdaten umfas st.

Eine noch stärkere Datenreduktion kann erreicht werden, wenn in der Datenreduktionseinrichtung nicht nur die Ergebnisdaten eines Ergebnisdatensatzes, sondern die Ergebnisdaten mehrerer Ergebnisdatensätze zusammengefasst werden. Wurden beispielweise Untersuchungen an einer Vielzahl von Personen durchgeführt, so können beispielsweise die Ergebnisdaten aus den Ergebnisdatensätzen aller männlichen Untersu- chungspersonen und zum anderen die Ergebnisdaten aus den Ergebnisdatensätzen aller weiblichen Untersuchungspersonen zusammengefas st werden. Die reduzierten Ergebnisdatensätze repräsentieren dann die Ergebnisdaten zum einen der männlichen Untersuchungspersonen und zum anderen der weiblichen Untersuchungspersonen. In gleicher Weise können beispielsweise auch die Ergebnisdatensätze unterschiedlicher Altersklassen zusammengefas st werden. Welche Klas sen bei der Ergebnisdatenreduktion dabei jeweils zusammengefasst werden, ist grundsätzlich beliebig und lediglich abhängig vom jeweils gewünschten Untersuchungsergebnis . Um die Ergebnisdaten aus mehreren ermittelten Ergeb- nisdaten zusammenzufas sen, kann mit der Datenreduktionseinrichtung jeweils der maximale und der minimale Durchlaufzeitwert und der maximale und der minimale Dämpfungswert in all den eine Klas se repräsentierten Ergebnisdatensätzen bestimmt werden . Die beiden Maximalwerte bzw. die beiden Minimalwerte spannen dann einen Ergebnisdatenraum auf, der die Ergebnisdaten aus allen zusammengefassten Ergeb- nisdatensätzen umfas st und repräsentiert.

Eine weitere Möglichkeit zur Datenreduktion besteht darin, in der Datenreduktioneinrichtung zumindest ein Quantil der Durchlaufzeitwerte in einem ermittelten Ergebnisdatensatz sowie zumindest ein Quantil der Dämpfungswerte in diesem Ergebnisdatensatz zu bestimmen. Diese Quantile werden dann als reduzierter Ergebnisdatens atz gespeichert. Als Quantil soll im Sinne der Erfindung ein statistischer Schwellwert in der Menge der Durchlaufzeitwerte bzw . der Menge der Dämpfungswerte eines oder mehrerer Ergebnisdatensätze verstanden werden.

In welcher Weise die mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermit- telten Ergebnisdatensätze bzw. die daraus abgeleiteten reduzierten

Ergebnisdatensätze verwendet werden, ist grundsätzlich beliebig . Besonders vorteilhaft ist es , wenn mittels der Vorrichtung eine Auswertung vorgenommen werden kann, die einen das Material, beispielsweise ein Körpergewebe, qualifizierenden Wert ergibt. Durch die frequenzspezifi- sehe Abtastung des Mediums und die entsprechende Bestimmung der

Dämpfung zum einen und der Durchlaufzeit zum anderen läs st sich eine spezifische Untersuchung und die Ableitung von das untersuchte Material qualifizierenden Werten problemlos erreichen, da sich eine Änderung des Mediums in ganz signifikanter Weise auf die jeweiligen Ergebnisda- tensätze auswirkt.

Für die Beurteilung, Klassifizierung und Modulierung bei der Auswertung der Ergebnisdatensätze bzw. bei der Auswertung der reduzierten Ergebnisdatensätze gibt es beispielsweise folgende Methoden :

Multiple Linear Regression (MLR) Principle Component Regres sion (PCR)

Partial Least Square Regression (PLSR)

L-shaped Partial Least Square Regres sion (L-PLSR)

Support Vector Machine Regres sion (SVM-R) In welcher Weise in der Auswerteeinrichtung aus den Ergebnisdatensätzen bzw. aus den reduzierten Ergebnisdatensätzen der qualifizierende Wert zur Beschreibung des untersuchten Materials abgeleitet wird, ist grundsätzlich beliebig . Besonders vorteilhaft ist es, wenn dies in der Weise eines Mustervergleichs erfolgt, bei dem die Ergebnisdatensätze mit Vergleichs-Ergebnisdatensätzen aus einer Datenbank verglichen werden. Die Vergleichs-Ergebnisdatensätze repräsentieren dabei Messungen an Vergleichsmaterialen mit bekannten Eigenschaften. Dabei kann es sich um Körpergewebe von Patienten mit bekannten Erkrankungen, beispielsweise Alzheimer, Parkinson oder Bluthochdruck handeln. Auch ist es denkbar, das s die Vergleichs-Ergebnisdatensätze repräsentierend bei Mes sungen an Zellgewebe mit speziellen Markierungen in den Zellen gemacht wurden.

Diese Art des Mustervergleichs führt zu sehr differenzierten Untersuchungsergebnissen, da die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelten Ergebnisdatensätze für jedes Material abhängig von seiner spezifischen Eigenschaft eine Art Fingerabdruck liefern, wobei die Ergebnisdatenpaare aus Durchlaufzeit und Dämpfung für die verschiedenen Frequenzen ein Datenmuster bilden, das das untersuchte Material und dessen Eigenschaften charakteristisch beschreiben kann. Mit j eder Änderung im untersuchten Material geht eine Änderung dieses vom

Ergebnisdatensatz repräsentierten Fingerabdrucks einher. Wird der vom Ergebnisdatensatz repräsentierte Fingerabdruck mit den Fingerabdrücken der Vergleichs-Ergebnisdatensätze in der Datenbank verglichen, kann durch diese Mustervergleichsmethode eine sehr differenzierte Aus sage über das jeweils untersuchte Materials getroffen werden. Derartige Mustervergleiche bedürfen sehr häufig der Klas sifikation der Ergebnisdatensätze, wozu folgende Methoden angewendet werden können:

Principle Component Analysis (PCA) Partial Least Square Analysis (PLSA) Linear Discriminante Analysis (LDA)

- Support Vector Machine Classification (SVM-C) Partial Least Square Discriminante Analysis (PLS-DA)

- Soft Independent Modelling of Clas s Analogy (SIMCA)

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in Abkehr der bisherigen Untersuchungsmethoden nicht mehr die Phasenverschiebung, sondern die Durchlaufzeit des Ultraschallsignals selber bestimmt. Um die Eigenschaften des untersuchten Materials mit einer ausreichenden Auflösung bestimmen zu können, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Durchlaufzeit mit einer Auflösung von zumindest 100 Pikosekunden in der ersten Verarbeitungseinrichtung ermittelt werden kann. Bevorzugt sollte die Durchlaufzeit mit einer Auflösung von zumindest 10 Piko sekunden ermittelt werden können .

Welche Zeitmesseinrichtung in der ersten Verarbeitungseinrichtung zur Bestimmung der Durchlaufzeit vorgesehen ist, ist grundsätzlich beliebig . Um Auflösungen bei der Mes sung der Durchlaufzeit, insbesondere im Bereich von unter 10 Pikosekunden, zu erreichen, ist es besonders vorteilhaft, wenn dazu so genannte Time-to-digital-Converter eingesetzt werden. Bei diesen Time-to-digital-Convertern handelt es sich um elektronische Baugruppen, die Zeitintervalle im Bereich von kleiner 100 Pikosekunden messen und in eine digitale Ausgabe umwandeln können. Die Mes sung der Zeit beruht dabei auf der bekannten Durchlaufzeit eines elektrischen Signals durch die B augruppen des TDC-Converters . Die Durchlaufzeit wird dabei dann dadurch bestimmt, wie viele der elektronischen Schaltkreise mit bekannter Durchlaufzeit zwischen der Abgabe des Sendesignals zum einen und dem Empfang des Eingangs signals zum anderen durchlaufen werden . Diese Anzahl der Durchläufe von elektroni- sehen Baugruppen mit bekannter Durchlaufzeit wird dann gezählt, wobei die gemes sene Durchlaufzeit dann der Multiplikation der bekannten Durchlaufzeit eines einzelnen Schaltkreises mit der Anzahl von Durchläufen entspricht.

Für eine korrekte Auswertbarkeit der Ergebnisdatens ätze ist es von großer Bedeutung, das s der Durchlaufzeitwert und der Dämpfungswert anhand des identischen Sende- und Empfangs signalpaars ermittelt werden . Denn bereits kleinste Änderungen in der Eigenschaft des untersuchten Materials , beispielsweise aufgrund des sich verändernden Blutdrucks in einem Körpergewebe, können dazu führen, das s die Ergebnisdaten verfälscht werden, wenn Dämpfung und Durchlaufzeit hintereinander und nicht anhand des identischen Sende- und Empfangssignalpaars bestimmt werden. Um dies zu ermöglichen enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Signalweiche, mit der ein j eweils empfangenes Ultraschall- Empfangs signal identisch zur parallelen Verarbeitung auf die erste Verarbeitungseinrichtung zur Bestimmung der Durchlaufzeit und die zweite Verarbeitungseinrichtung zur Bestimmung der Dämpfung geleitet wird.

Welche Art von Material mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung untersucht wird, ist grundsätzlich beliebig . Besonders geeignet ist die Vor- richtung zur nichtinvasiven Untersuchung von Körpergewebe. In diesem Fall wird das Körpergewebe eines zu untersuchenden Körperteils mit den Ultraschall-Sendesignalen beaufschlagt und die Ultraschall- Empfangs signale nach Durchlaufen des Körpergewebes aufgezeichnet. Besonders große Vorteile bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung bei der Untersuchung am menschlichen Gehirn, da Untersuchungen am menschlichen Gehirn, insbesondere molekulare oder zellulare Untersu- chungen, ansonsten bisher gar nicht oder nur mit sehr geringer Aus sagekraft durchgeführt werden können. Da eine Öffnung des menschlichen Schädels zur Untersuchung des Gehirngewebes aufgrund der erheblichen Nebenwirkungen in den aller meisten Fällen nicht möglich ist, können Untersuchungen des Gehirngewebes bisher in der Regel nur mittels bildgebender Verfahren, wie der Magnetresonanztherapie oder der Computertomographie, durchgeführt werden. Diese bildgebenden Verfahren erlauben aber regelmäßig keine differenzierten Diagnoseaussagen über die meisten Krankheitsbilder im Gehirn. Insbes ondere können beispielsweise Alzheimer-Erkrankungen oder Parkinson-Erkrankungen mittels der bildgebenden Untersuchungsverfahren erst in einem Stadium festgestellt werden, in dem eine wirksame Therapie in den meisten Fällen nicht mehr möglich ist. Um die Untersuchung des Gehirngewebes mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung vornehmen zu können, sollte die Ultraschall-Sendeeinrichtung bzw. die Ultraschall-Empfangseinrichtung zur temporären und/oder dauerhaften Anordnung an der Außenseite der Kopfhaut des Patienten geeignet sein. Für diese Anbringung der Ultraschall-Sendeeinrichtung bzw. der Ultraschall-Empfangseinrichtung an der Kopfhaut bedarf es dann regelmäßig keines Arztes , sondern die Sende- und Empfangseinrichtung kann auch durch entsprechend ausgebildetes Pflegepersonal oder sogar durch Laien erfolgen.

Welche Art von Ultraschallwellen zur Untersuchung mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt werden, ist grundsätzlich beliebig . Besonders geeignet sind Longitudinalultraschallwellen im unteren MHz- Bereich .

Weiterhin ist es denkbar, das s die Ultraschall-Sendesignale unterschiedlicher Frequenz von der Ultraschall-Sendeeinrichtung einzeln nacheinander oder als Gruppen nacheinander ausgesendet werden.

Alternativ dazu kann das Ultraschall-Sendesignal für die unterschiedli- chen Frequenzen auch mittels der Ultraschall-Sendeeinrichtung auf ein gemeinsames Trägersignal aufmodelliert und ausgesendet werden . Auch ist es möglich, dass die Ultraschall-Sendesignale unterschiedlicher Frequenz in der Ultraschall-Sendeeinrichtung auf ein gemeinsames Trägersignal als Superposition aufaddiert und gemeinsam ausgesendet werden. Erfindungsgemäß werden von der Sendeeinrichtung Sendesignale mit unterschiedlichen Frequenzen erzeugt, um für jede dieser Frequenzen ein Sende- und Empfangs signalpaar zu ermitteln und zur Charakterisierung des untersuchten Materials auszuwerten . Neben der Änderung der Frequenz kann es zusätzlich nützlich sein mit der Sendeeinrichtung auch Ultraschall-Sendesignale mit j eweils unterschiedlichen Amplituden auszusenden. Damit lassen sich die Daten noch differenzierter auswerten.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand einer in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsform beispielhaft erläutert werden.

Es zeigt: Fig. l eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit ihren verschiedenen

Funktionsmodulen als Prinzipskizze;

Fig. 2 eine Prinzipskizze zur Erläuterung der Arbeitsweise einer ersten Datenreduktion seinrichtung;

Fig. 3 eine Prinzipskizze zur Erläuterung des Aufbaus einer Datenbank mit Vergleichs-Ergebnisdatensätzen;

Fig. 4 eine Prinzipskizze zur Erläuterung der Arbeitsweise einer Auswerteeinrichtung der Vorrichtung gemäß Fig. 1 unter Verwendung einer Datenbank gemäß Fig . 3 ;

Fig. 5 den Signalverlauf und die Signalfrequenzen eines Ultraschall- Sendesignals ;

Fig. ö den Signalverlauf und die Signalfrequenzen eines zweiten Ultraschall-Sendesignals ; Fig. 7 den Signalverlauf und die Signalfrequenzen eines dritten Ultraschall-Sendesignals ;

Fig. 8 den Signalverlauf und die Signalfrequenzen eines vierten Ultraschall-Sendesignals ; Fig. 9 den Signalverlauf und die Signalfrequenzen eines fünften Ultraschall-Sendesignals ;

Fig. 10 den Signalverlauf und die Signalfrequenzen eines sechsten Ultraschall- Sende signals ;

Fig. 11 den Signalverlauf und die Signalfrequenzen eines siebten Ultraschall-Sendesignals .

Fig. 1 zeigt in einer Prinzipskizze den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung O l , wie sie zur nichtinvasiven Untersuchung eines Materials 02, beispielsweise einem Gehirn, beispielsweise einem Schädel, durch Methoden der akustischen Spektroskopie eingesetzt werden kann . Die Vorrichtung 0 1 umfasst zum einen eine Ultraschall- Sendeeinrichtung 03 und eine Ultraschall-Empfangseinrichtung 04.

Weiter umfas st die Vorrichtung 01 zur Generierung der an der Ultraschall-Sendeeinrichtung 03 abzustrahlenden Ultraschallsignale ein Signalvorbereitungsmodul 05 , einen Signalgenerator 06 und einen

Signalverstärker 07.

Nach direktem Durchlaufen oder indirektem Durchlaufen (Reflexion) des Körpergewebes 02 werden die Ultraschallsignale an der Ultraschallempfangseinrichtung 04 aufgefangen und mittels eines Signalverstärkers 08 verstärkt. Die verstärkten Empfangs signale werden anschließend in einer Signalweiche 09 aufgeteilt und zur parallelen Verarbeitung auf eine erste Verarbeitungseinrichtung 10 und eine zweite Verarbeitungseinrichtung 1 1 verteilt. Die erste Verarbeitungseinrichtung 10 dient der Bestimmung der Durchlaufzeiten, die das Ultraschallsignal bei der jeweils eingestellten Frequenz zum Durchlauf durch das Körpergewebe 02 benötigt. Nach Durchlauf eines Signalaufbereitungsmoduls 12 gelangt das Empfangssignal in einen Time-to-digital-Converter 13 , mit dem die Durchlaufzeit des Ultraschallsignals, d.h. die Zeit zwischen der Ab strahlung an der Ultraschall-Sendeeinrichtung 03 bis zum Empfang des Ultraschallsignals an der Ultraschall-Empfangseinrichtung 04, gemessen werden kann. Die

Funktion des Time-to-digital-Converters 13 beruht dabei darauf, dass die Durchlaufzeit eines elektrischen Signals durch eine Vielzahl von in dem Time-to-digital-Converter 13 enthaltenen elektronischen Schaltkreisen 14 bekannt ist. Zur Zeitmessung der Durchlaufzeit wird das Auslö sesignal des Ultraschall-Sendesignals zeitgleich mit der Abstrahlung an der Ultraschall- Sendeeinrichtung 03 auch auf den Time-to-digital-Converter 13 geleitet, um den Zeitmessprozess zu starten. Das Auslösesignal des Ultraschall- Sendesignals durchläuft dann die hintereinander angeordneten Schalt- kreise 14 im Time-to-digital-Converter 13. Jeder Durchlauf eines elektronischen Schaltkreises 14, der einer vorbestimmten Durchlaufzeit entspricht, wird dabei von einem Zähler 15 aufaddiert. Sobald dann das Empfangs signal auf die elektronischen Schaltkreise 14 geleitet wird, schaltet der Zähler 15 ab und multipliziert die Anzahl der aufaddierten Durchläufe mit der bekannten Durchlaufzeit der einzelnen elektronischen Schaltkreise 14. Daraus ergibt sich dann insgesamt die Durchlaufzeit 16 für ein Sende- und Empfangssignalpaar. Für j ede Sendefrequenz ergibt sich eine Durchlaufzeit 16, die zugehörig zu der j eweiligen Sendefrequenz in einer Speichereinrichtung 17 abgespeichert wird. Parallel dazu wird in der zweiten Verarbeitungseinrichtung 1 1 die

Signaldämpfung des Ultraschall-Sendesignals bei Durchlauf durch das Körpergewebe 02 bestimmt. Dazu ist in der zweiten Verarbeitungseinrichtung 1 1 ein Signalaufbereitungsmodul 18 vorgesehen, mit dem das Signal aufbereitet und die Amplitude des Ultraschall-Empfangssignals ermittelt wird. Anschließend wird in einem Auswertemodul 19 die Amplitude des Ultraschall-Empfangs signals mit der Amplitude des Ultraschall-Sendesignals verglichen. Durch diesen Vergleich kann in der zweiten Verarbeitungseinrichtung 1 1 zu j eder Frequenz eines Sende- und Empfangs signalpaars die zugehörige Dämpfung 20 bestimmt und in der Speichereinrichtung 17 abgespeichert werden. Bei Durchführung einer Untersuchung am Körpergewebe 02 werden von einer Steuerung 42 vordefinierte Signalverläufe mit verschiedenen Sendefrequenzen definiert und anschließend von der Ultraschall- Sendeeinrichtung 03 abgestrahlt. Für j ede einzelne Frequenz wird durch Auswertung des daraus generierten Sende- und Empfangssignalpaars die Durchlaufzeit 16 und der Dämpfungswert 20 bestimmt und in der Speichereinrichtung 17 abgespeichert. Am Ende des Mes sprozesses am

Körpergewebe 02 ist in der Speichereinrichtung 17 ein Ergebnisdatensatz 21 abgespeichert. Der Ergebnisdatensatz 21 enthält für j ede der Frequenzen fi bis f _n die zugehörige Durchlaufzeit 16 und den zugehörigen

Dämpfungswert 20, so dass der Ergebnisdatensatz 21 einen durch akustische Spektroskopie ermittelten Fingerabdruck der Materialeigenschaften des Körpergewebes 02 repräsentiert.

Der Speichereinrichtung 17 ist eine Datenreduktionseinrichtung 22 nachgeordnet, deren Funktionsweise nachfolgend anhand der Prinzips- kizze in Fig . 2 erläutert werden soll .

Fig. 2 stellt beispielhaft einen Ergebnisdatensatz 21 dar, in dem zu jeder Sendefrequenz fi bis f _n die zugehörigen Durchlaufzeiten (ToF) und die zugehörigen Dämpfungswerte (ATN) gespeichert werden . Der Ergebnisdatensatz 21 kann dabei durchaus eine sehr hohe Anzahl von Daten enthalten, wenn beispielsweise an einem Körpergewebe 02 für mehrere hundert Frequenzen die jeweilige Durchlaufzeit und Dämpfung bestimmt würde. Um die Auswertung des Ergebnisdatensatzes 21 zu erleichtern, kann in der Datenreduktionseinrichtung 22 eine Datenreduktion wie folgt durchgeführt werden. Aus den im Ergebnisdatensatz 21 gespeicherten Durchlaufzeitwerten 16 und den gespeicherten Dämpfungswerten 20 werden jeweils die Maximal- und Minimalwerte bestimmt. Im in Fig . 2 dargestellten Beispiel stellt der Dämpfungswert ATN ₃ das Dämpfungswertminimum und der Dämpfungswert ATN _n _ ₂ das Dämpfungswertmaximum dar. Weiter stellt der Durchlaufzeitwert ToF ₂ das Durchlaufzeitmaximum und der Durchlaufzeitwert ToF _n _i das Durchlaufzeitminimum dar. Diese zwei Minimalwerte und die zwei Maximalwerte j eweils für Durchlaufzeit und Dämpfung stellen einen reduzierten Ergebnisdatensatz 23 dar, der bei Antragung in einem Koordinatensystem 24 durch ein Rechteck repräsentiert wird. Da der reduzierte Ergebnisdatensatz 23 durch die beiden Minimalwerte und die beiden Maximalwerte aus den verschiede- nen Dämpfung- und Durchlaufzeitwerten abgeleitet wurde, läs st sich sagen, das s das den reduzierten Ergebnisdatensatz repräsentierende Rechteck 23 mit seiner Innenfläche alle anderen Daten des Ergebnisdatensatzes 21 umfas st und damit repräsentiert.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist der Datenreduktionseinrichtung 22 eine Auswerteeinrichtung 25 nachgeordnet, die mit einer Datenbank 26 bei der Auswertung der reduzierten Ergebnisdatensätze 23 zusammenwirkt. In der Datenbank 26 ist dabei eine Vielzahl von Vergleichsergebnisdatensätzen 27 gespeichert, die durch Messung an Vergleichskörperteilen mit bekannten Eigenschaften bestimmt wurden . Die Arbeitsweise der Auswerteeinrichtung 25 in Zusammenwirkung mit der Datenbank 26 soll nachfolgend anhand der Prinzipskizzen in Fig . 3 und Fig. 4 näher erläutert werden.

Fig. 3 zeigt zunächst die Datenbank 26 mit den verschiedenen Vergleichsergebnisdatensätzen 27. Jeder Vergleichsergebnisdatensatz 27 wurde durch eine akustische Spektroskopieuntersuchung an einem Vergleichskörperteil mit bekannten Eigenschaften ermittelt.

Um den Mustervergleich des reduzierten Ergebnisdatensatzes 21 , der bei Messungen am Körpergewebe 02 bestimmt wurde, mit den Daten der Vergleichsdatensätze 27 in der Datenbank 26 zu ermöglichen, wird zunächst für j eden der Vergleichsergebnisdatensätze eine Datenreduktion durchgeführt, wie sie oben in Fig . 2 erläutert wird. Dies bedeutet mit anderen Worten, das s für jeden Vergleichsergebnisdatensatz ein reduzierter Ergebnisdatensatz 28 , 29, 30, 3 1 , 32 und 33 bestimmt wird, der jeweils im Koordinatensystem aus Durchlaufzeit und Dämpfung durch ein Rechteck repräsentiert wird.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird in der Auswerteeinrichtung 25 dann ein Mustervergleich des reduzierten Ergebnisdatensatzes 23 , der das Körpergewebe 02 repräsentiert, mit den reduzierten Vergleichsergebnisdatensätzen 28 bis 30 durchgeführt. Wie in Fig . 1 beispielhaft dargestellt, zeigt der reduzierte Ergebnisdatensatz 23 des Körpergewebes 02 die größten Übereinstimmungen mit dem reduzierten Vergleichsergebnisdatensatz 29. Dadurch kann in der Auswerteeinrichtung 25 das Körpergewebe 02 als in seinen Eigenschaften vergleichbar mit den Eigenschaften des Vergleichskörperteils , das durch den reduzierten Ergebnisdatensatz 29 repräsentiert wird, qualifiziert werden. Dies bedeutet also mit anderen Worten, dass an der Auswerteeinrichtung 25 nach Durchführung des Mustervergleichs angezeigt werden kann, dass das Körpergewebe 02 signifikant mit dem vom reduzierten Vergleichsergebnisdatensatz 29 repräsentierten Körpergewebe übereinstimmt. Fig. 4 dient der Erläuterung einer weiteren Variante zur Datenreduktion in der erfindungsgemäßen Vorrichtung . Dies soll beispielhaft anhand der Datenreduktion der Daten in der Datenbank 26 mit den Vergleichsdatensätzen 27 erfolgen. Wie bereits oben erläutert kann j eder Ergebnisdatensatz 27 der Datenbank 26 auf einem reduzierten Ergebnisdatensatz abgebildet werden, der im Koordinatensystem aus Durchlaufzeit und

Dämpfung als Rechteck repräsentiert wird. Soll nun beispielhaft weiterhin angenommen werden, das s die ersten drei Ergebnisdatensätze 27 in der Datenbank 26 zu Patienten einer bestimmten Eigenschaftsklas se, beispielsweise zu Patienten mit erhöhtem Blutdruck gehören, gehören alle anderen Ergebnisdatensätze in der Datenbank 26 zu Patienten ohne erhöhten Blutdruck. Soll nun für Patienten der Klas se mit erhöhtem Körperblutdruck ein zusätzlich reduzierter Ergebnisdatensatz 34 ermittelt werden, so kann dies geschehen, dass aus den entsprechenden Ergebnisdatensätzen 27 der drei die Klas se repräsentierenden Ergebnisdatensätze, jeweils die zwei Minimal- und Maximalwerte für Durchlaufzeit und Dämpfung ermittelt werden. Diese Klas se von Patienten mit erhöhtem Blutdruck kann dann durch den reduzierten Ergebnisdatensatz 34 repräsentiert werden.

Fig. 5 bis Fig. 11 zeigen die Signalverläufe 35 bis 41 in Zeitdomäne, die beispielhaft als Ultraschall-Sendesignale an der Vorrichtung 0 1 Verwen- dung finden können. Parallel dazu ist j eweils die Frequenz des Signalverlaufs 35 bis 41 in Hertz angegeben.

Wie bei Signalverlauf 35 kann das Ultraschall-Sendesignal j eweils Abschnitte mit ansteigender Frequenz aufweisen, wobei die Frequenzdifferenz zwischen den einzelnen Abschnitten äquidistant ist. Wie aus Fig. 6 ersichtlich, kann die Frequenzdifferenz zwischen den einzelnen Frequenzabschnitten des Signalverlaufs 36 auch nicht äquidistant gewählt werden.

Wie aus Fig. 7 ersichtlich, kann der Signalverlauf 37 in Abhängigkeit der jeweiligen Sendefrequenz auch im Hinblick auf die Amplitude des Ultraschall-Sendesignals variiert werden.

Fig. 8 stellt einen Signalverlauf 38 des Ultraschall-Sendesignals mit jeweils äquidistant ansteigender Sendefrequenz dar, wobei die Dauer der einzelnen Sendeabschnitte sich zunehmend verkürzt, so das s eine gleichbleibende Anzahl von Durchläufen in jedem Abschnitt vorhanden ist. Wie in Fig. 9 erläutert, kann der Signalverlauf 39 des Ultraschall- Sendesignals auch mit kontinuierlich ansteigender Sendefrequenz, beispielsweise ein linear FM-moduliertes Sendesignal, abgestrahlt werden. Fig. 10 stellt einen Sendesignalverlauf 40 mit vier einander überlagerten Sendefrequenzen dar.

Der Signalverlauf 41 des Ultraschall-Sendesignals wird durch Addition verschiedener Sendefrequenzen auf ein gemeinsames Sendesignal (Su- perpo sition) erzeugt, wobei einzelne Frequenzen in den verschiedenen Abschnitten hinzukommen oder auch weggelas sen werden können .