B e s c h r e i b u n g

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur zeit- und ortsaufgelösten Ortung eines miniaturisierten Ultraschall-Senders. Die Vor¬ richtung sieht eine Sende- und Empfangseinrichtung für Ultraschallwellen vor, mit einem miniaturisierten Ultraschall-Sender, der batteriegetrieben, autark arbeitet und vorzugsweise für medizinische Unter¬ suchungen in einem kleinen Kapselgehäuse unterbringbar ist. Ferner ist wenigstens ein Ultraschall-Empfänger vorgesehen, der mit einer Auswerteeinheit verbunden ist, die zeitaufgelöst die Entfernung zwischen dem Ultraschall-Sender und -Empfänger ermittelt.

Stand der Technik

Derartige Vorrichtungen spielen in der medizinischen Diagnostik eine besondere Rolle, insbesondere in Fällen, in denen die medizinische Diagnose auf Lauf¬ zeitmessungen angewiesen ist, wie es bei Untersuchungen der Darmaktivität erforderlich ist.

In der Diplomarbeit von J. Rupp zum Thema dreidimensionale zeit- und ortsaufgelöste Erfassung eines durch den Magen-Darm-Trakt fortbewegten

miniaturisierten Ultraschall-Senders - technische Grundlagen eines Darm-Monitor-Systems, erschienen im Fachbereich Elektrotechnik der Universität des Saarlandes Saarbrücken/St. Ingbert, 1993, ist ein gattunggemäßes System, auf das der im folgende be¬ schriebene Erfindungsgedanke aufbaut, dargestellt.

Der Grundgedanke des in der Diplomarbeit beschriebenen Systems besteht darin, einen autark zu betreibenden, miniaturisierten Ultraschallsender mit all den für den Sendebetrieb erforderlichen schaltungs¬ technischen Einheiten in eine zur oralen Einnahme konzipierten Pillenform aufweisenden Verkappselung zu integrieren. Durch die orale Einnahme einer derartig ausgebildeten Pille gelangt der autark arbeitende Ultraschall-Sender aufgrund natürlicher Peristaltik in den Darmtrakt und wird nach einer gewissen Zeit auf natürlichem Wege wieder ausgeschieden. Mit Hilfe ge¬ eignet, um den zu untersuchenden Körper angebrachter Ultraschall-Empfänger, die mit entsprechenden Aus¬ werteeinheiten verbunden sind, ist es möglich, mittels LaufZeitmessungen der von dem Ultraschall-Sender abge¬ strahlten Ultraschall-Wellen, die bis zum Ort des jeweiligen Ultraschall-Empfängers laufen, auf die jeweiligen Distanzen zu schließen, mit denen der Ultraschall-Sender von den jeweiligen Ultraschall- Empfängern beabstandet ist. Durch nachfolgende Aus¬ wertung der Meßsignale, die simultan an verschiedenen Ultraschall-Empfängern anliegen, ist eine exakte Be¬ stimmung der dreidimensionalen Lage des Ultraschall- Senders im Raum möglich.

Mit Hilfe der vorgeschlagenen Vorrichtung ist eine Un¬ tersuchungsmethode möglich, mit der auf schonende Weise

ohne Beinträchtigung der organsichen Umgebung bspw. die Darmaktivität studiert werden kann.

Ein wesentlicher Gesichtspunkt einer derartigen Vor¬ richtung ist die möglichst kompakte Bauweise der Sende¬ einrichtung, die über die gesamte Untersuchungsdauer unablässig Ultraschall-Signale abstrahlen soll. Die zur Signalerzeugung verwendete Sendeelektronik nutzt allgemein bekannte Pulser-Schaltungen, die zur Pulsspannungserzeugung Induktivitäten und Kapazitäten aufweist. Mögliche Pulserschaltungen wie beispielsweise eine Sperrschwinger-Schaltung oder Pulser-Schaltungen mit MOS-FETs sind auf den Seiten 26 bis 32 der oben¬ angegebenen Diplomarbeit beschrieben.

Die mit der Verwendung von Pulser-Schaltungen zu¬ grundeliegende Idee ist die Generierung möglichst hoher Spannungsspitzen, die am Ultraschallsender zur Ge¬ nerierung von Ultraschallwellen angelegt werden. Da die Meßgenauigkeit der LaufZeitmessung vom Signal- Rauschabstand des empfangenen Ultraschall-Signal ab¬ hängt, sollte daher die Pulsenergie möglichst hoch sein. Dies wird in der beschriebenen Weise derart re¬ alisiert, indem die von der Batterie zur Verfügung gestellte Nennspannung von 3 Volt mittels induktiver Kopplung auf maximale Spannungsspitzen von etwa 50 Volt transformiert wird. Somit ist es möglich in kurzen Pulszügen möglichst viel Pulsenergie einzubringen, um ein für die Meßgenauigkeit erforderliches Signal zum Rauschverhältnis zu erhalten.

Durch die Verwendung von analogen Bauelementen für den Aufbau derartiger Pulser-Schaltungen, beispielsweise Spulen und Kondensatoren kann die Baugröße der

Schaltungen bedingt durch die Einzelelementgrößen nicht beliebig verkleinert werden.

Beschreibung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sende- und Empfangseinrichtung für Ultraschallwellen, mit einem miniaturisierten Ultraschall-Sender, der batteriegetrieben, autark arbeitet und für medizinische Untersuchungen in einem kleinen Kapselgehäuse unter¬ bringbar ist, sowie wenigstens ein Ultraschall- Empfänger, der mit einer Auswerteeinheit verbunden ist, die zeitaufgelöst die Entfernung zwischen dem Ultraschall-Sender und -Empfänger ermittelt, derart weiterzubilden, daß insbesondere die Sendeeinrichtung weiter verkleinert werden kann, ohne dabei einen Ver¬ lust in der Meßgenauigkeit zu erleiden. Durch Maßnahmen der weiteren Verkleinerung der Sendeein¬ richtung soll die Beeinträchtigung der Umgebung der Sendeeinrichtung stark reduziert werden, so daß bei¬ spielsweise Untersuchungen an inneren Organen möglich sind.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist in dem Patentanspruch 1 angegeben. Weiter¬ bildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 16.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Sendeein¬ richtung derart aufzubauen, so daß auf die Verwendung konventioneller elektronischer Bauteile verzichtet werden kann, deren Größe wesentlich die Gesamtgröße der Sendeeinrichtung bestimmen. Mit Hilfe einer reinen aus digitalen Bauelemente aufgebauten Sendeeinrichtung ist es möglich, mit Ausnahme der Batterie alle für den Betrieb des Ultraschall-Senders erforderlichen

Baugruppen auf einem einzigen Chip unterzubringen. Dies ist dadurch zu realisieren, indem vom bekannten Vorgehen der Erzeugung hoher Pulsspannungen zum Betrieb des Ultraschall-Senders abgegangen wird und ein Pulskompressionsverfahrens zur Anwendung kommt.

Erfindungsgemäß ist eine Sende- und Empfangseinrichtung für Ultraschall-Wellen, mit einem miniaturisierten Ultraschall-Sender, der batteriegetrieben, autark arbeitet und für medizinische Untersuchungen in einem kleinen Kapselgehäuse unterbringbar ist, sowie wenigstens ein Ultraschallempfänger, der mit einer Auswerteeinheit verbunden ist, die zeitaufgelöst die Entfernung zwischen dem Ultraschall-Sender und - Empfänger ermittelt, dadurch ausgezeichnet, daß die Sendeeinrichtung einen Oszillator zur Erzeugung einer Grundschwingung, einen Generator zur Erzeugung einer Pulsfolge mit der der Ultraschall-Sender aktivierbar ist, einen Code-Generator, der die Phase der Pulsfolge moduliert, einen Phasenumtaster, der den Code auf die Grundschwingung aufmoduliert sowie eine Treiberstufe, die mit dem Ultraschall-Sender verbunden ist, aufweist. Ferner weist die Empfangseinrichtung pro Ultraschall- Empfänger einen Korrelationsempfänger auf, der die von der Sendeeinrichtung abgestrahlten Pulsfolgen in scharfe Korrelationspeaks komprimiert.

Mit der erfindungsgemäßen Sende- und Empfangseinrichtung, die vollständig mit Mitteln der Digitaltechnik realisiert werden kann, wird mit relativ niedrigen Sendespannungen gearbeitet, die der Batteriespannung entspricht. Um jedoch ebenso hohe Pulsenergien zu erzielen, wie es mit den bekannten Verfahren üblich ist, werden lange Pulse generiert, die den Ultraschall-Sender aktivieren.

Beim Empfang hingegegn wird dafür gesorgt, daß mit Hilfe einer Pulskompressionsschaltung die über einen längeren Zeitraum eingestrahlen Signale mit Hilfe einer ent¬ sprechenden Signalverarbeitung wieder komprimiert werden. Mit dieser Technik ist es möglich, das für eine hohe Meßgenauigkeit erforderliche Signal zu Rauschver¬ hältnis zu erhalten.

Die Sendeeinrichtung regt einen Ultraschall-Sender mit einem phasenmodulierten Signal an. Beispielsweise kann der-Ultraschall-Sender mit einer Folge phasenmodulier¬ ter Rechteckschwingungen angeregt werden, wobei die aus dem Sendesignal des Ultraschall-Senders gebildete Auto¬ korrelationsfunktion ein ausgeprägtes Maximum aufweist.

Zur Erzeugung eines derartigen Sendesignals ist ein Oszillator vorgesehen, der eine Grundschwingung mit einer Grundfrequenz fo generiert, die als Eingangs¬ größe für weitere, im Schaltkreis zur Ansteuerung des Ultraschall-Senders vorgesehene Schaltungsbestandteile dient. So liegt die Grundfrequenz fo an einem Generator zur Erzeugung einer Pulsfolge an, mit der der Ultra¬ schall-Sender aktivierbar ist. Mit diesen, im folgenden mit PWR (Pulswiederholrate) gekennzeichneten Generator ist ein Code-Generator verbunden, an dem ebenso die Grundschwingung fo angelegt ist.

Der PWR-Generator bestimmt die Pulswiederholrate mit der bspw. N in einem Grundzyklus zusammengefaßte Schwingungen der Frequenz fo der weiteren Sende¬ elektronik zur Verfügung gestellt wird. Die jeweilige Phasenlage aufeinanderfolgender Zyklen wird durch den Code-Generator bestimmt. Die Bestimmung der Phasenlage hängt von der im Code-Generator abgespeicherten Anre-

gungsfunktion ab, die beispielsweise durch M-Sequenzen, Pseudo-Noise-Folgen oder Barker-Codes zusammengesetzt ist.

Bei Verwendung beispielsweise eines Barker-Code-Ge¬ nerators wird in Abhängigkeit des Vorzeichens des in dem Code abgespeicherten Werte die Phasenlage entweder um 180° umgetastet, oder nicht. Hierzu dient ein mit dem Code-Generator verbundener Phasenumtaster, an dessen Eingang ebenfalls die Grundfrequenz fo des Oszillators anliegt. Eine nachgeschaltete Treiberstufe dient der entsprechenden Signalverstärkung und leitet die vorstehend modulierten Pulsfolgen an den Ultraschall- Sender weiter.

Die Komponenten der Sendeeinrichtung können vollständig in einen Asic-Chip ohne Gehäuse integriert werden, der zusammen mit einer Batterie als Stromversorgungsquelle und dem Ultraschall-Wandler in ein kleines, pillenförmiges Gehäuse untergebracht werden kann. Durch die Vermeidung von Induktivitäten und an sich bekannten Kondensatoren kann eine erhebliche Miniaturisierung des Schaltkreises erreicht werden. Zwar entspricht die mit dieser Sendelektronik erzielbare Sendespannung nur der von der Batterie zur Verfügung gestellten Batterie¬ spannung, doch kann über die Länge der Pulsfolge die in das System eingebrachte Energie optimiert werden.

Um den Signal-Rauschabstand bei derartig kleinen Signalpegeln zu vergrößern, wird erfindungs¬ gemäß auf der Empfangsseite ein Korrelationsempfän¬ ger verwendet, der die empfangene Pulsfolge in scharfe Korrelationspeaks komprimiert. Auf diese Weise wird das Signal-Rauschverhältnis erheblich verbessert und die

notwendige zeitliche Auflösung bei der LaufZeitmessung erreicht.

Die Empfangseinrichtung sieht zur Detektion der Ultra¬ schallwellen einen entsprechenden Ultraschall-Wandler vor, dem ein Signalverstärker nachgeschaltet ist. Das verstärkte Empfangssignal wird sodann getrennt in zwei Teilsignale einer Mischerstufe zugeleitet, die das Empfangssignal getrennt voneinander mit der Grundschwingung f ₀ als Referenzsignal und mit der um 90°-Phasen verschobenen Grundschwingung fo mischt. Auf diese Weise werden die Quadraturkomponenten des Empfangssignals erhalten. Mit Hilfe von jeweils vorge¬ sehenen Tiefpaßfiltern werden die im Signal enthaltenen höheren Frequenzanteile bei der doppelten Trägerfrequenz 2fo abgeschnitten. Die tief¬ paßgefilterten Signale werden anschließend mit einem AD-Wandler digitalisiert. Die beiden digitalisierten Quadraturkomponenten werden jeweils einer Korrelationseinheit zugeführt, in der sie mit der als Referenzsignal gespeicherten Sendepulsfolge korreliert werden. Die beiden Ausgangssignale der Korrelatoren werden betragsmäßig addiert. Das Summensignale wird in eine Speichereinheit eingeschrieben, die als Ringschieberegister ausgebildet ist, so daß auf die letzten N aktuellen Werte zugegriffen werden kann.

Dem Korrelator ist ein Schwellwertdetektor nachgeschaltet, an dem die Ausgangssignale des Korrelators anliegen. Überschreitet das Ausgangssignal des Korrelators einen vorgegebenen Schwellwert, so generiert der Schwellwertdetektor ein Interruptsignal, das einen nachgeschalteten digitalen Signalprozessor dazu veranlaßt, die in der Speichereinheit gespeicherten

Werte der Autokorrelationsfunktion auszulesen und den Zeitpunkt des Maximums der Autokorrelationsfunktion zu bestimmen. Die Lage des Korrelationsmaxirnurris kennzeichnet die Signalankunftszeit des Ultraschall- Signals beim Ultraschall-Empfänger.

Aus den so ermittelten Impulsankunftszeiten an ver¬ schiedenen Empfangseinrichtungen wird zentral vom Prozessor die LaufZeitdifferenz zwischen dem Ultraschall- Sender und den im Raum positionierten Ultraschall- Empfängern ermittelt und daraus mittels Triangulations¬ technik die räumliche Position des Senders erfaßt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs- beispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 schematische Gegenüberstellung einer Anordnung mit konventioneller LaufZeitmessung und der erfindungsgemäßen Anordnung mit Pulskompressions¬ verfahren

Figur 2 Blockschaltbild für die Sendeelektronik

Figur 3 schematischer Aufbau einer Ultraschall-Sende¬ einrichtung

Figur 4 Blockschaltbild einer Empfängereinheit und

Figur 5 Blockschaltbild der Mischerstufe der Empfänger¬ einheit.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bedient sich eines Puls- kompressionsverfahrens, das die Verarbeitung von Signalen derart vornimmt, daß lange Signalzüge geringer Amplitude zu kurzen Pulsen hoher Amplitude umgeformt werden. Pulskompressionsverfahren können bei Laufzeit- messungen mit Ultraschall zur Verbesserung des Signal- Rauschverhältnisses eingesetzt werden, so daß auch LaufZeitmessungen in stark dämpfenden Medien, bei¬ spielsweise durch Körpergewebe, möglich werden. Der erzielte Gewinn beruht dabei im wesentlichen auf der Komprimierung der im Signal enthaltenen Energie auf einen möglichst kurzen Zeitpunkt. Kurze Störimpulse werden durch die Pulskompressionseinheit zu langge¬ zogenen Störungen geringer Amplitude auseinander¬ gezogen.

Aus Figur 1 ist eine schematische Vergleichsdarstellung zwischen einem konventionellen Pulsübertragungssystem (obere Darstellung) und einem Pulskompressionssystem zur LaufZeitmessung (untere Darstellung) zu entnehmen. In der oberen Darstellung der Figur 1 ist ein Pulsgenerator zur Erzeugung und Absendung von Pulsen, beispielsweise Ultraschallpulsen, vorgesehen, die durch das Über¬ tragungsmedium einer gewissen Dispersion unterliegen und deren Laufzeit mit Hilfe eines Laufzeitdetektors erfaßt werden. Bei konventionellen Systemen werden zur Laufzeitdetektion Schwellwertverfahren benutzt, bei¬ spielsweise Leading-Edge oder Zero-Crossing oder aber Schwerpunkt-Verfahren. Ihnen ist gemeinsam, daß sie möglichst scharfe Pulse benötigen um eine gute Auf¬ lösung bei der LaufZeitmessung zu erzielen. Befriedigende Ergebnisse können jedoch mit Hilfe des konventionellen Verfahrens nur bei einem ausreichend

großen Signal-Rausch-Verhältnis erreicht werden. Dies jedoch setzt voraus, daß zur Erzeugung von großen Signalpegeln, die sich deutlich vom Rausch-Hintergrund abheben, entsprechende induktive Bauelemente verwendet werden müssen, die jedoch nur in einem beschränkten Maße zu minimieren sind.

Mit Hilfe der Pulskompressionstechnik ist es jedoch möglich, auch durch lange Signalfolgen mehr Energie ins System einzukoppeln und zugleich auf hohe Signalpegel zu verzichten. Die Pulskompressionseinheit konzentriert die empfangene Energie in kurze Impulse, die wiederum eine gute Auflösung bei der LaufZeitmessung bieten (siehe hierzu untere Teildarstellung der Figur 1) .

Zur Pulskompression eignen sich grundsätzlich alle Signale, deren zugehörige Autokorrelationsfunktion annähernd einer δ-Funktion entsprechen. Hierzu werden erfindungsgemäß die zur Übertragung generierten Pulsfolgen mit einem speziellen Code phasenmodoliert . Besonders geeignet ist die Verwendung des Barker-Codes, der aus binären zeitdiskreten Signalen der Länge M mit den Werten +1 zusammengesetzt ist. Der Code besitzt die Eigenschaft, daß die Autokorrelationsfunktion der zu übertragenden Signale für alle Werte kleiner 1 ist, die un¬ gleich 0 sind. An Nullstellen der Autokorrelations¬ funktion wird ihr der Wert M zugeordnet, wobei M der Länge des Barker-Codes entspricht. Barker-Codes sind für Werte bis M = 13 bekannt.

Alternative Möglichkeiten für die codierte Modulation des Sendesignals sind neben dem Barker-Code auch M- Sequenzen oder Pseudo-Noise-Folgen.

Zur genaueren Beschreibung des Aufbaus sowie funktions- weise der zur Generierung der Ultraschallimpulse ver¬ wendeten Sendeelektronik wird auf die Darstellung in Figur 2 Bezug genommen.

Ein Oszillator 1, der eine Grundfrequenz fO erzeugt, die vorzugsweise im Bereich von 1 MHz liegt, ist mit einem Generator 2 zur Erzeugung einer Pulsfolge, einem Code- Generator 3 sowie mit einem Phasenumtaster 4 verbunden. Von der von dem Oszillator 1 erzeugten Grundfrequenz fO wird sowohl die Pulswiederholrate des Generators 2, die Rate für die Erzeugung eines Codes am Codegenerator 3 sowie die Ultraschallfrequenz FO abgeleitet. Durch die parallele Versorgung der Einheiten 2, 3 und 4 mit der Grundfrequenz fO liegt eine Synchronität aller Komponenten vor. Eine nachgeschaltete Treiberstufe 5 sorgt für eine leistungsbezogene Ansteuerung des Ultra¬ schallwandlers 6, von dem die Ultraschallwellen abge¬ strahlt werden.

Jegliche, für die technische Realisierung der Sende¬ elektronik erforderlichen Einzelbestandteile sind aus rein digitalen Funktionseinheiten aufzubauen, so daß diese komplett in einen Chip integriert werden können. Zusammen mit einer Batterie 7, kann die auf einer Trägerplatte 8 befestigte und auf einem ASIC-Chip 9 zusammengefaßte Sendeelektronik innerhalb eines pillen- förmigen Wandlers 10 integriert werden (siehe hierzu Figur 3) .

Die mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Sende¬ elektronik generierten Ultraschallpulse werden gemäß Darstellung auf Figur 4 mit einem Ultraschallempfänger 11 in elektrisch verarbeitbare Signale zurückgewandelt

und mittels einer Verstärkerstufe 12 verstärkt. Nachfolgend gelangen die Signale in eine Mischerstufe 13, in der das Empfangssignal in zwei Teilsignale aufge¬ teilt wird, die zwei parallel geschaltete Schaltkreis¬ anordnungen durchlaufen. Dort wird ein Signalanteil mit dem Referenzsignal (sin(fθ)) als Träger und das andere Teilsignal mit einem um 90° phasenverschobenen Träger (cos(fθ)) gemischt. Anschließend durchlaufen die Teilsignale jeweils ein Tiefpaßfilter T, in dem zum einen die höheren Frequenzanteile der Signale unter¬ drückt und zum anderen die Quadraturkomponenten des Empfangssignals erhalten werden. Nach der AD-Wandlung werden die Signale mit der als Referenzsignal abge¬ speicherten Sendepulsfolge in einem digitalen Korrelator DK korreliert. Die Ausgangssignale der Korrelatoren werden betragsmäßig addiert. Die Amplitude des Summensignals ist im Gegensatz zu den Quadraturkomponenten unabhängig von der Phasenlage des Empfangssignals zu den Referenzsignalen der Mischerstufe.

Aus Figur 5 ist ein Blockschaltbild der gesamten Empfängereinheit zu entnehmen, die mehrere Ultraschallempfänger 11 sowie nachgeschaltete Empfangs- einheiten aufweist. Die Empfangssignale, die in der Mischerstufe 13 mit der als Referenzsignal ge¬ speicherten Sendepulsfolge gekorreliert werden, sind mit einer nachgeschalteten Speichereinheit 14 ver¬ bunden, die beispielsweise aus einem Ringpuffer bzw. Ringschieberegister bestehen kann. Überschreitet das digitale Ausgangssignal der Mischerstufe 13 einen Schwellwert, so generiert ein Schwellwertdetektor 15 einen Interrupt, der einen nachgeschalteten digitalen Signalprozessor 16 veranlaßt, die in der

Speichereinheit 14 gespeicherten Werte der Korrelationsfunktion auszulesen und den Zeitpunkt des Maximums zu bestimmen. Aus den so ermittelten Impulsankunftszeiten der einzelnen Kanäle wird vom Prozessor die Laufzeitdifferenz ermittelt und daraus mittels Triangulationstechnik die Position des Senders berechnet.

B e z u g s z e l c h β n l i s t e

Oszillator

Generator

Code-Generator

Phasenumtaster

Treiberstufe

Ultraschall-Sender

Batterie

Trägerplatte

ASIC-Chip

Kapselgehäuse

Ultraschall-Empfänger

Vorverstärker

Mischerstufe

Speichereinheit

Schwellwertdetektor

Signalprozessor