Ultrasone snelheidsmetingen en de fouten die optreden

1

INTERAFDELINGSPROJECT ATHEROSCLEROSE

ULTRASONE SNELHEIDSMETINGEN EN DE FOUTEN DIE OPTREDEN

door: T.M. Hendriks ' HTS-student j u n i 1985

Samengesteld i n opdracht van:

D r e k e A . A . van Steenhoven Ir. H.H. Tomesen

TECHNISCHE HOGESCHOOL EINDHOVEN

mentor

begeleidings

-

docent

2

SAMENVATTING

In het kader van het onderzoeksproject atherosclerose aan d e TH-E heb ik een HTS-afstudeeropdracht verricht waarbij vloeistofsnelheidsmetingen werden verricht aan een model van de halsslagader. De gebruikte meetmethode berust op

het dopplerprincipe en werkt met ultrageluid. Deze metingen, werden vervolgens vergeleken met die van een laserdopp-

lersnefheidsmeter. De lasermetingen dienden daarbij als standaardmetingen. De resultaten van beide methoden stem- men in het algemeen goed overeen. Echter metingen i n de buurt van de achterwand laten verschillen zien. In dit verslag wordt ook ingegaan op de techniek van de ultra- geluidsmethode alsmede op mogelijke oorzaken van d e ge- vonden verschillen.

3

VOORWOORD

Mijn afstudeerperiode heb ik doorgebracht aan de Technische Hogeschool Eindhoven, afdeling Werktuigbouwkunde. Een on- derdeel van deze afdeling is de vakgroep Fundamentele Werk-

tuigbouwkunde. De vakgroep houdt zich bezig met de werk- tuigbouwkundige principes van enkele lichaamsdelen. Het on- derzoek gebeurt op een breed vlak en wordt uitgevoerd door studenten en promovendi.

Gaarne wil ik mijn begeleider Anton van Steenhoven bedanken voor d e prettige samenwerking. Verder bedank ik The0 van Dup- pen en L e o Wouters v o o r het verzorgen van de hulpmiddelen, en Peter Bovenüeerd voor het gebruik van de meetresultaten van

4 INHOUDSOPGAVE Samenvatting Voorwoord i. Inleiding 1.1 Inleiding 1.2 Atherosclerose 2. Vloeistofstroming 2 . 1 Inleiding 2 . 2 Het Reynoldsgetal 3 . Ultrasone dopplersnelheidsmetingen 3.1 Inleiding 3 . 2 Dopplerfrequentie

3 . 3 Werking van de pulsed doppler snelheidsmeter

4.

De signaalverwerking in de Alvar

4.1

Zenden en ontvangen

4.2

Demodulatie en selectie meetvolume

4,3

Filtering

4.4

Nuldoorgangteller

5.

Storende invloeden bij de metingen

5,l

Inleiding

5.2 Het kristal en de ultrasone bundel

5.3

Verbreding van het dopplerspectrum

5.4

Nuldoorgangteller en drempelschakeling

6 . Metingen aan het slagadermodel

6.1 Snelheidsverdelingen in het model 6 . 2 Afwijkingen in de profielen blad 2 3 6 6 7 9 9 10 12 12 12

13

24 2 4 24 25 26 30 30 3 4

7 . Aanbevelingen voor nader onderzoek 7.1 Het kristal 7 . 2 Een gevoeligheidsdrempel 8. Conclusie Literatuurlijst Lijst v a n figuren BIJLAGEN: I Opdracktomschrijving I1 Ontvangstversterker

III Demodulator en sample en hold

IV

Filtering V Drempelschakeling en nuldoorgangteller V I Schema A M modulator 3 7 3 7 3 7 3 9 40 41 43 44 4 5 46 47 48

1 ,

INLEIDING

1 . 1

Inleiding

In Ret atherosclerose project van de vakgroep Fundementele Werktuigbouwkunde, vindt onderzoek plaats naar stromings- verschijnselen in en rond vertakkingen en vernauwingen van

slagaders. Het onderzoek in het project richt zich met name op de ontwikkeling van meetmethoden voor de vroegtijdige detectie van atherosclerose. Tevens probeert men middels metingen en theoretische analyses van de stromingsverschijn-

selen een voorspelling te doen van het stromingsgedrag bij afwijkende vormen van de stromingskanalen (bv. bij stenose vorming). Hierbij wordt de aandacht met name gericht op het beschrijven en verklaren van stromingspatronen die optreden rond kleine vernauwingen, minder dan 3076, in de vertakking van de halsslagader. Deze vertakking is gekozen omdat ze goed toegankelijk is voor metingen met behulp van altra- geluid en omdat een kleine aandoening aldaar grote gevol- gen kan hebben. Een model is weergegeven in figuur

1 ;

fig. I . schets van de halsslagadervertakking aan d e

7

In het verslag staat een ultrasoon dopplersnelheidsmeter, fabrikaat Alvar, centraal. Het apparaat wordt binnen het project gebruikt om de mogelijkheden van het apparaat en de meetmethoden te onderzoeken. Als vergelijking wordt daar- voor een laserdopplersnelheidsmeter gebruikt waarvan de meet- nauwkeurigheid goed bekend is en die daarom ook als stand- aard v o o r d e ultrasone metingen kan dienen. Behalve het doen van vergelijkende metingen aan een halsslagader model werd er ook gekeken hoe dat de gebruikte apparatuur verbeterd k a n worden.

Zie v o o r de exacte opdrachtomschrijving bijlage I.

Hoofdstuk 2 handelt over vloeistofstromingen zodat enkele begrippen zoals die later gebruikt worden bekend-zijn.

In hoofdstuk 3 wordt iets verteld over de meetmethode.

De inhoud van hoofdstuk 4 gaat over d e algemene werking van de ultrasone dopplersnelheidsmeter. Deze uitleg handelt o - ver het gebruikte apparaat d e Echovar F8, fabrikaat Alvar,

Frankrijk. In het hoofdstuk

5

worden enkele storende invloe- den bij het meten besproken. Hoofdstuk.6 gaat over de gedane metingen en d e uitingen van de fouten daarin. Tenslotte wor- den in hoofdstuk 7 enkele suggesties gedaan o m een betere meetresultaten te verkrijgen, en staan in hoofdstuk 8 nog enkele conclusies.

1.2 Atherosclerose

Atherosclerose is een aantasting van d e grote en middelgro- te slagaders waarbij door onder andere vetophoping en kalk- opname d e wand verdikt en verhardt. Dit kan leiden tot ver- nauwde bloedvaten. D e voorkeursplaatsen voor het ontstaan van atherosclerose aandoeningen zijn in de nabijheid van vertak- kingen en bochten. Een van de grote problemen is het detecte- ren van atherosclerose als de vernauwingen nog relatief klein

8

e e n melding v a n d e z i e k t e t e kunnen doen omdat l o s g e l a t e n

d e e l t j e s v a n d e v e t o p h o p i n g en k a l k a a n s l a g dunnere v a t e n kunnen a f s l u i t e n . Dit kan dan b i j v o o r b e e l d hersen- o f hart-

9

2 . V L O E I S T O F S T R O M I N G

2 . 1 Inleiding

Men onderscheidt bij de stroming van een vloeistof (of gas) twee gevallen:

-

laminaire stroming (laagjes of visceuse stroming)

-

turbulente stroming (wervelstroming)

Een stroming is laminair waneer deze zodanig plaats heeft dat bij een constante drukgradiënt (drukverval per meter) d e grootte en de richting van de stroming op een bepaalde plaats constant blijven. Het is dus mogelijk om op elke plaats in het stromingsvefd een snelheidsvector te defi- niëren welke constant is.

Turbulente stroming is aanwezig als de grootte en de rich- ting van de snelheid op een bepaalde plaats voortdurend met d e tijd verandert; ook wanneer men de drukgradiënt con- stant houdt. Deze twee stromingssoorten zijn zoals in fi- guur 2 door middel van luchtbelletjes of inkt zichtbaar te maken.

f i g . 2 . visualisatie van stromingen, A = laminaire stroming

10

-

2 . 2 Het Reynoldsgetal

Wanneer bij stromingen van vloeistof of gas een pijp gebruikt wordt met een cirkelvormige doorsnede, dan zal bij lage stroom-

snelheden de stroming laminair zijn. Boven een bepaalde snel- heid zal echter de stroming turbulent worden. Het w a s Reynolds

( 1 8 8 3 ) die de stroming karakteriseerde door, de naar hem ge- noemde, vergelijking:

u de gemiddelde snelheid over de doorsnede

_{- .}

( m / s ) waarin :

(3 d e dichtheid van het medium ( k g h 3

1

C! d e diameter van d e buis (m)

2

7

d e dynamische viscositeit van het medium ( N s h ) Re het Reynoldsgetal (dimensieloos)

Reynolds vond dat d e stroming in een lange rechte buis voor

.-

Re<2100 steeds laminair is en voor Re>4000 steeds turbulent.

Tussen deze twee getalwaarden i s de aard van de stroming niet voorspelbaar, maar zeker niet stabiel. De snelheidsprofielen

zijn parabolisch voor een laminaire stroming, maar hebben

( z i e fig. 3 ) een andere vorm bij turbulente stroming.

fig. 3 . schematische weergaven van stromingsprofielen, A = parabolische snelheidsweergave, de snelheid

in het midden is tweemaal de gemiddelde snel- heid

Het getal van Reynolds is niei; alleen van belang om vast te stellen of een stroming al of niet laminair is. Het is ook karakteriserend voor een stationaire stroming in die zin dat als expirimenten die gedaan zijn met een geometrische vorm, herhaald worden met een gelijkvormige geometrie die groter of kleiner is, de stromingen ook gelijkvormig zullen zijn.

Voorwaarde i s dan wel dat Reynoldsgetal voor d e beide stu- dies gelijk is. Stel als voorbeeld: een buis met diameter

1

en R e = 100 dan ontstaan i n een buis met R e = 100 en diame- ter 10 dezelfde stromingsversehijnselen. In het laatste ge- val zijn dan wel, bij gebruik van dezelfde vloeistof, d e snelheden in d e buis 10 maal lager.

3 .

ULTRASONE DOPPLERSNELHEIDSMETINGEN

3.1 Inleiding

D e eerste snelheidsmetingen aan bloedstromingen waarbij ge- bruik werd gemaakt van de ultrasone dopplersnelheidsrneter, dateren uit de jaren zestig. Deze eerste apparaten konden alleen d e aanwezigheid van een stroming aantonen. Later, door gebruik van modernere technieken, kon niet alleen d e gerniddel- d e grootte maar ook de richting van de snelheid bepaald worden.

P a s an de begin jaren zeventig werd een apparaat ontwikkeld dat snelheidsproflelen kon opnemen. Het apparaat wat in dit v e r s l a g beschreven wordt werkt met hetzelfde principe.

3

2 Doppierfrequentie

Het dopplerprincipe dat genoemd is naar de ontdekker, berust op het feit dat wanneer een bewegend deeltje geluid weerkaatst dat weerkaatste geluid een andere frequentie heeft gekregen.

De formule wordt weergegeven door:

2 '

fo'

v

c o s *

-

-

C waarin fd de dopplerfrequentie ( H d V de snelheid (m/s

1

fo de uitgezonden frequentie (Hz) c d e v û û ï t p l a n l l n g s s n e l h z i d var: g e l 3 i . U ( m i s

1

g e l v o o r een a k o e s t i s c h e k o p p e l i n g t r a n s d u c e r huid

-

vaatwand / cc 1 -vaatwand

A

V

meetvolume f i g .

4.

o p s t e l l i n g b i j bloedstroommetingen 3 . 3 Werking v a n d e p u l s e d d o p p l e r s n e l h e i d s m e t e r Om t o t de u i t e i n d e l i j k e d o p p l e r f r e q u e n t i e t e komen moet e e r s t h e t g e r e f l e k t e e r d e s i g n a a l o n t v a n g e n en v e r w e r k t worden. Z o a l s d e naam r e e d s z e g t w o r d t b i j p u l s e d d o p p l e r gedurende een z e e r k o r t e t i j d een s i g n a a l uitgezonden.

De f r e q u e n t i e v a n d i t s i g n a a l l i g t b i j d e g e b r u i k t e appa- r a t u u r ( A l v a r F 8 ) op 8MHz

..

I n d e t r a n s d u c e r b e v i n d t z i c h een k r i s t a l w a t a l s ontvang- e r en a l s z e n d e r g e b r u i k t kan worden. Door nu een p u l s u i t t e zenden v a n 8 NHz ( p u l s d u u r i n s t e l b a a r op 0,5

1

en 2ps)

en na d e z e ' b u r s t h e t k r i s t a l als o n t v a n g e r t e g e b r u i k e n

kunnen de g e r e f l e k t e e r d e g e l u i d s g o l v e n ontvangen worden. Ten g e v o l g e v a n d e e i n d i g e s n e l h e i d v a n d e g e l u i d s g o l v e n ,

1500 m / s in b i o l o g i s c h w e e f s e l , z a l h e t g e l u i d d a t i n d i e - p e r g e l e g e n l a g e n r e f l e k t e e r t l a t e r ontvangen worden.

I I

d

f i g . 5. spanningen op het kristal bij zenden en ontvangen 11 is de lengte van de uitzendburst

P2 is d e tijdsduur van signaal inname

F3

is de tijd tussen zenden en ontvangen

T

is d e periodetiid tussen twee bursts

r

Door

K3

en P 2 te variëren kan respectievelijk de diepte en de grootte van het meetvolume ingesteld worden. Door nu T 2 kort te nemen, bijvoorbeeld l p s , en

T 3

te variëren i s het dus mogelijk om een snelheidsprofiel samen te stellen van de streming. Eet veerdeel vzn deze methode

i

dus het non invasieve karakter, omdat door elastische wanden (huid en aderwand) heen gemeten kan worden. Dit in tegenstelling tot de nauwkeurigere laserdoppler.

-

4 . DE SIGNAALVERWERKING IN DE ALVAR

---

4 . 1 Zenden en ontvangen

Het uitzenden van een signaal gebeurt eenvoudig door het kris- tal in d e transducer aan te sturen met een wisselspanning met een frequentie van 8MHz. De pulsduur

11

kan daarbij ingesteld worden op O , 5 ,u s 9

1p.s

en 2 P s . De pulsduur is direct gekop- peld aan de amplitude van de uitgezonden puls en daarom is de keuze afhankelijk van de demping van het lichaamsweefsel. D e herhalingsfrequentie van de puls is 31,25 of 15,625 KHz (Tr is

respectievelijk

32

en lf6

p s ) .

De ontvangstversterker is opgebouwd uit een drietrapsverschil- versterker zoals weergegeven in figuur

6.

4

fasedraaier

U

timing

fig. 6 . blokschema ontvangstversterker met versterkingsregel-

unit.

Van d e versterkers A2 en A 3 wordt met behulp van een regelunit d e versterkingsfactor behvloed. Dit om twee redenen:

-

onderdrukken van de uitgang tijdens zenden

-

demping van het weefsel compenseren

_Na versterking wordt het signaal aangeboden aan een fasedraai- er die twee signalen produceert die 90’ ten opzichte van el-

I kaar zijn verschoven. Hiervan wordt gebruik gemaakt bij de de-

modulatie en nog later bij de richtingsbepaling van de stro- ming. In bijlage II is het gehele schema gegeven.

i6

4.2 Demodulatie en selectie meetvolme

Bij d e demodulatie is de kwadratuurfase techniek toegepast. Dit betekent dat behalve een laagfrequent uitgang ook de fase v a n het gedemoduleerde signaal behouden blijft. De signalen

die dan verkregen zijn worden aan een sample en hold schake-

ling toegevoerd. Dit gedeelte van het apparaat is weergegeven

in figuur 7 .

fig. 7 . . demodulatie en sample en holdschakeling

Het signaal dat aan d e sample en holdschakeling wordt toege- voerd heeft geen vaste fase ten opzichte van het kloksignaal

(8 M H z ) . Hierdoor ontstaat het volgende diagram, figuur 8 , o p de volgende bladzijde.

burst *I burst

Wr

. . .

uitgezonden

pulsen .. . . < . ontvangen d o o r sample e n

ref2ekties hold samengesteld

signaal

_ _

. . . . -

' f i g . 8. signalen tijdens het doorkruisen v a n d e bundel

. - .

d o o r één deeltje met een constante snelheid

. .-

Wanneer dus een deeltje in de geluidsbundel van de trans- ducer komt, zal het deeltje verschillende keren door de ultrasone burst getroffen worden am vervolgens de golven terug te kaatsen. Hierdoor ontstaat na sampling, waar het ontvangen signaal vergeleken wordt met het originele klok- signaal, de langgerekte s i n u s uit figuur.8. Deze sinus heeft de gezochte dopplerfrequentie.

De maximale dopplerfrequentie volgt uit het theorema van Shannon wat van toepassing i s op het sampleproces. Deze frequentie is maximaal de helft van de herhalingsfrequen-

t i e en bedraagt dus 1%25/2=7,8125 kHz of 31,25=15,625 kHz

Bij

een voortplantingssnelheid van 1500 m / s betekent dit

een maximale detecteerbare snelheid van respectievelijk û , ? 3 m/s en 1 , 4 6 m / s

.

Omdat h e t gesampelde signaal staafvormig is opgebouwd dient h e t signaal met behulp van een laagdoorlaatfilter ontdaan te worden van d e trapjes vormen, figuur 9 .

fig.

9.

gesampeld signaal; voor e n na filtering

De totale schakeling van de demodulator en de sample en hold staan

in

bijlage

I11

.

-

4 . 3 Filtering

Het signaal van de holdschakeling wordt vervolgens gefilterd met behulp van een bandfilter. Hierdoor worden de ongewenste vaatwand bewegingen geëlimineerd en de trapjesvormige span- ning gladgestreken. Het gladstrijken gebeurt door een laag doorlaatfilter en de eliminatie van de vaatwandbewegingen

door een hoog doorlaatfilter. De filterkarakteristiek kan aan- gepast worden aan de behoefte met behulp van schakelaars. Hier- bij moet rekening gehouden worden met de te detecteren snelhe- den. Onderstaand figuur geeft de mogelijke karakteristieken

weer A

--

10ûHt IKHP 1OKH z 100 r<H I

8 M H z ( F R 3 1 , 2 5 K H z J

f i g . í0. banddoorlaatkarakteristieken, bovenste figuur voor

Tr=64

us en de onderste voor T =32 us

.

20

Na

deze filtering houden we dus twee laagfrequente signalen over

wl

e n X 2 ) die in het hoorbare gebied liggen. D e beide signalen, die nog steeds in fase verschoven zijn, worden aan een nuldoorgangteller aangeboden. Hier wordt de frequentie om- gezet in een positieve of negatieve gelijkspanning afhankelijk van de stromingsrichting. Daarnaast wordt

één

signaal naar een versterker met luidspreker gevoerd, zie ook bijlage IV

4.4

Nuldoorgangteller

Vanaf d e sampleschakeling bestaat het blokschema uit een twee- tal bandfilters, een versterker met luidspreker en de nuldoor- gangteller zoals aangegeven in figuur l i .

fig.

1 1 .

laatste gedeelte van de schakeling; banddoorlaatfil- .L ~ e r s niet: drempelschakeling en nuldaergungteller D e nuldoorgangteller zet de dopplersignalen om naar een ge- lijkspanning. Hierbij wordt gebruik gemaakt van de fase tus-

sengi

e n g 2 , zodat de uitgangsspanning positief en negatief

kan zijn (afhankelijk van de stromingsrichting). Deze omzet- ting heeft als volgt plaats. Uitgaande van het ideale geval bestaan51 enfl2 uit een sinus waarbij

$1

e n 6 2 een fase

21

verschil hebben aangegeven. v a n 90°. De spanningen z i j n i n f i g u u r

1 2

\

/

t r i g g e r n i v e a u t r i gg e r n i v eau \

>\

I \ I \ / I _I I O / / / 0 1 .p

1

O

l

1

O

I

I

J

1

1

o

u

1

O

u

u

1

O

R

o

+

f i g .

12.

d e spanningen behorende bij f i g u u r

1 1

z o a l s z e voorkomen a l s

dl

en

d2

sinus- vorrnig z i j n Al AZ B1 B 2

c1

c2

u i tgangs- spanning

1

2

2 2

Deze spanningen worden vervolgens ieder naar een schmidt- trigger gevoerd. Hier wordt de sinus omgezet naar een blok- spanning, Al en A2. Belangrijk hierbij is dat de beide trig- ger omslag niveaus overschreden zijn voordat de uitgang ver- andert (zie ook paragraaf

5.4).

Vervolgens wordt het signaal aangeboden aan een 'one-shot' schakeling. Deze schakeling geeft bij een stijgende ingangsspanning (positieve f1ank)een pulsje af. Tijdens deze puls wordt d e uitgang laag gemaakt.

Dit pulsje duurt

13,9/us.

Om nu de richting van de stroming te kunnen bepalen worden de signalen Al, A2, B1 en B2 in twee

'NOR' poorten gestuurd. Bij een stromingsrichting die van de probe afwijst ontstaat de situatie van figuur 12 zodat de uit- gangsspanning uiteindelijk negatief is. Is de stroming d e an- dere kant op dan ijlt ar2 voor op #l en dan bevat C2 pulsjes

en is C¶ steeds nul, In figuur

13

is de omzetting van pulsjes naar een gelijkspanning vereenvoudigd weergegeven.

O OV

I

T

C R17, R O

'

-15V

fig.

13.

vereenvoudigde puls-spanning-omzetter, links voor

een negatieve en rechts voor een positieve snelheid

Door de spanning uit figuur

13

verder af te vlakken is het m o - gelijk om een voltmeter aan te sluiten. Bij verhoging van de dopplerfrequentie zullen het aantal pulsjes per seconde toene- men. Omdat de pulsduur van

13,9,u s

niet verandert is de toena-

23

me evenredig met de frequentie. In onderstaand figuur is de dopplerfrequentie tegen de uitgangsspanning neergezet. De uitgangsspanning is dus evenredig met d e dopplerfrequentie en daarmee voor de snelheid van de stroming. Ook dit gedeel- te van het apparaat is weergegeven in een bijlage,(V).

uitgangs- spanning

2

8

1

2 3

4

dopplerfrequentie

fig. 1 4 . uitgangsspanning van het apparaat als functie van de dopplerfrequentie. Bij een voortplantingssnel- heid c=1500 m/s komt 1V uitgangsspanning dus

5 .

STORENDE INVLOEDEN B I J DE METINGEN

5.1 Inleiding

De beschrijvingen in hoofdstuk 4 z i j n gebaseerd op een ideaal systeem, Helaas zijn er een paar, niet onbelangrijke, factoren die de meetresultaten negatief beïnvloeden. Enkele ervan zullen hier behandeld worden.

5 . 2 Het kristal en de ultrasone bundel

De problemen bij de bepaling van de snelheid beginnen reeds bij het begin, namelijk bij de meetprote en het uitzenden en ontvan- gen van de ultrasone golven. De ultrasone bundel zoals die uit de probe treedt kan verschillende vormen vertonen. Enkele daar-

van zijn samen met de vorm van het kristal weergegeven in fi- guur 15.

t

₁

kristaA met plexiglas lens

E 5 3 5

i L

I

kristal met schotelvorm

B

fig.

1 5 .

verschillende bundels met de bijbehorende kristalvor- men,A is een parallele en 3 een gefocusseerde bundel

2 5

Het gebied aangegeven met L, dicht bij het kristal, wordt fresnelzone of 'near field' genoemd. Het divergerende ge- deelte de fraunhoferzone of 'for field'. D e lengte van d e

fresnelzone is afhankelijk van het kristal.

Volgens eerdere metingen (Lex Brounts

1983)

is voor de pa- ralldle bundel

D

gelijk aan 2,2 mm bij L = 10 mm. Voor de gefocusseerde bundel is dit D = 0,6 bij L = 12 mm. Om zo nauwkeurig mogelijk te meten is gebruik gemaakt van de ge- focusseerde probe zodat een zo snel mogelijke bundel ver- kregen werd. Hierbij dient er voor gezorgd te worden dat het meetvolume o p

12

mm ligt om een zo smal mogelijke bun- del te krijgen.

Met frequentiespectrum van het dopplersignaal. zoals dat aangeboden wordt aan de nuldoorgangteller zal niet bestaan u i t een frequentie. Bij de verklaring van het sampleproces is uitgegaan van

66n

deeltje dat zich in de bundel bevindt.

Daar de bundel veel breder is dan de reflecterende deeltjes

in de vloeistof zal het dopplersignaal bestaan u i t de som van alle reflecties. Verder zullen door snelheidcverschil- len van de deeltjes de dopplerfrequenties niet gelijk zijn. Het dopplersignaal dat na sampling en filtering is verkre- gen bestaat meestel uit een band rond een bepaalde centra- le frequentie. In figuur 16 is het spectrum getekend van

1 0.0 26 y:

-23.977

HARMONIC

T -i

...

. -..I 3.0000

K

fig. 1 6 . spectrum van een dopplersignaal, er zijn vooral in de centrale frequentie verschillen mogelijk; dit als g e v v l g ~ r rio a optredende ~ snelheidsverschillen

5 . 4

Nuldoorgangteller en drempelschakeling

Het signaal waarvan het spectrum is weergegeven in figuur 16

wordt, zoals te zien in figuur 1 1 , aangeboden aan een drempel- schakeling en vervolgens aan de nuldoorgangteller. De eerste schakeling bepaalt of het signaal niet te klein is om doorge-

27

voerd te worden, Is het signaal groot genoeg dan wordt het 10 maal versterkt en doorgegeven. Als het te klein is krijgt d e nuldoorgangteller geen signaal aangeboden. Hierdoor wordt voorkomen dat ruis als een snelheid wordt weergegeven. Het

schema i s afgebeeld op bijlage V

.

D e nuldoorgangteller zet de signalen om in een gelijkspan- ning die evenredig is met de dopplerfrequentie. Deze span- ning is dus een maat voor de snelheid van de stroming. De polariteit is afhankelijk van de stromingsrichting. De n u l - doorgangtefler bestaat uit een schmidt-trigger en een puls- spanningsomzetter. De Schmidt-trigger is weergegeven in fi-

guur 1'7 en bestaat uit een spanningsvergelijker (voltage comparator) en enkele extra componenten om signaal te leve- ren aan de 'NOR' en 'one-shot' en om een positieve terug- koppeling te verkrijgen.

fig.

17.

de schmidt-trigger schakeling

Door de terugkoppeling worden twee omschakeldrempels verkre- gen. Deze liggen op

+

0 , 1 1 en

-

0 , 1 1 volt, zie ook figuur 18.

28

A B

fig. 18. verschillende in- en uitgangsspanningen van de Schmidt-trigger van figuur 1 7 met drempelwaard- en + 0,llV en

-

0,llV e A : reactie bij een si-

nus, B: kleine sinus met ruis e n c : grote si- nus met ruis

U i t figuur 18 blijkt dat wanneer de signaal-ruis verhou- ding te kein is d e Schmidt-trigger niet meer de juiste frequentie uit het signaal kan halen. Zoals reeds opge- merkt bestaat het doppiersignaal uit meerdere, b i j el- kaar gelegen frequenties. Uit de literatuur blijkt dat de nuldoorgangtellers dan een te hoge spanning afgeven en er zo een overschatting van de snelheid.optreedt (Perronneau 1 9 7 0 ) . De fout die optreedt hangt af van de breedte van het spectrum en de centrale frequentie. Om dit voor de gebruikte nuldoorgangteller te controleren werd door mij een schakeling ontworpen waardoor een am- plitude gemoduleerd signaal kon worden opgewekt. Dit

signaal werd aangeboden aan de drempelschakeling uit figuur

1 1 .

In bijlage V I is dit nog verduidelijkt. De uitgangsspanning werd vervolgens gemeten en vergeleken met de spanning bij aansturing met alleen de centrale frequentie. De resultaten staan in figuur 19.

bandbreedte ( h z ) frequenti?

y5

I

100 150 50 4 4 4 8 8 5k

5

4

4

6

a

..

500

14 10 9 8 7 8 fout ( % ) \

fig. 19. tabel met de overschatting van de spanning en daarmee d e snelheid

Uit d e tabel blijkt dat naarmate d e verhouding bandbreed- te/centrale frequentie toeneemt de afwijking groter wordt.

-

6 . METINGEN AAN HET SLAGADERMODEL

6.1 Snelheidsverdelingen in het model

Het model waaraan gemeten werd is weergegeven in figuur 20 en is 2 , 5 maal de werkelijke grootte. Het model is geba- seerd op basis van 100 röntgenmetingen zoals beschreven door (Bharadvaj 1982). D o o r het reynoldsgetal voor de me-

tingen gelijk te houden met die van de laserdoppler-metin- gen kunnën de resultaten onderling vergeleken worden.

. , . . .

fig. 20. het model gefotografeerd

D i t model is gemaakt door eerst een mal te maken op een nu- meriek bestuurde freesbank. Door vervolgens een stearine gietsel te maken en deze te dippen met latex (een rubber) wordt dan het uiteindelijke model verkregen. D e aanslui- tingen bestaan ook uit rubber zodat een flexibel geheel wordt verkregen. D o o r nu dit model, zie figuur 21, in een waterbak te monteren wordt meteen een akoestische koppe-

ling met d e probe verkregen zonder dat er nog gel nodig is (vergelijk figuur 3 ) . _ - - -_ -- ~ -

-fig. 21. d e probe gemonteerd op een nauwkeurige traverseer- inrichting

De snelheidsprofielen zijn opgenomen op afstanden die na schaalaanpassing overeenkomen met die van de laserdoppler- metingen. D e ultrasoon metingen werden uitgevoerd door middel van een probe met twee onafhankelijke kristallen die 60° ten opzichte van elkaar zijn gemonteerd. D o o r met beide kristallen in hetzelfde meetvolume te meten kunnen dus de zuivere horizontale en vertikale snelheid bepaald worden (figuur 22). cos3O0 + V Z * ~ 0 ~ 3 0 ~

1

= -U ‘ver tikaa 1

’

hor i zon =

v 1

cos60 O

+v2.

~ 0 ~ 6 0 ~ # \ I ‘ 60°

32

D e traversering geschiedde door d e probe over het model te verplaatsen waarbij het meetvolume in het synmetrievlak lag. Er werd dus niet z o a l s gebruikelijk langs d e bundel getra- verseerd. De resultaten v a n de metingen zijn hieronder en

o p d e volgende pagina weergegeven.

fig. 2 3 . de snelheidsprofielen in d e halsslagader, gemeten met laserdoppler.

33

aanstro- ming

fig. 24 d e snelheidsprofielen, gemeten met ultrasoon geluid.

Over de betekenis van de profielvormen kan in het kort het volgende gezegd worden. In de communis is de stroming ge- heel ontwikkeld, dat wil zeggen dat er een parabolisch snelheidsprofiel bestaat. De stroming in de interna ge- lijkt op die van een bocht. Ten gevolge van de centri- fugaalkrachten verplaatst het gebied met de maximale snel- heid zich naar de wand. Voor de externa geldt, zij het in

mindere mate, hetzelfde. Verder is er in d e interna een gebied waar de stroming ongeveer nul is en zelfs een ge- ringe terugstroming optreedt. Voor meer informatie Bharad- vaj 1982.

6.2 Afwijkingen in de profielen

Zoals uit figuur

24

blijkt geven de ultrageluid metingen a a n de wand problemen. De afwijkingen ontstaan d o o r de breedte van de ultrasone bundel. In figuur 25 is dit weer- gegeven voor 3 verschillende locaties van het meetvolume.

U

u

-probe

V=l V=l v=o

fig. 2 5 . invloed van de bundelbreedte bij dwarstraversering

In principe leidt deze manier van meten dan ook tot een onnauwkeurigheid in de breedte van het profiel van maxi- maal twee maal de breedte van het meetvolume.

T o t nu toe is het meetvolume verplaatst door de probe ten opzichte van de buis t e verschuiven. Ook is het mogelijk

lengterichting van de bundel wordt verplaatst. Bij een lami-

naire stroming zoals die zich in de communis bevindt ZOU z o - wel in de eerste als in de tweede situatie een parabolische snelheidsverdeling gemeten moeten worden.

een meting langs de bundel alleen voor het eerste gedeelte een dergelijk verloop op. Dit is in figuur

26

geïllustreerd.

Helaas levert

V

O

A

d

O

fig.

26.

opgenomen snelheidsprofielen. A door de probe te verplaatsen en B door langs de bundel te meten

Het model B vindt zijn ontstaan waarschijnlijk in het druppelvormige karakter van het m e e t v o l m e (Jorgenson 1 9 7 3 ) . Een andere mogelijkheid is dat ten gevolge extra reflecties toch snelheden gemeten worden. In figuur 27 is geprobeerd hiervan een voorstelling te geven.

probe \ \ \ \ mee tvolume \ \ \ \ \

fig. 2 7 . snelheidsdetectie door secundaire reflectie

De druppelvorm v a n h e t m e e t v o l m e b e t e k e n t d a t h e t volume

groter is d a n b e r e k e n d a a n d e hand v a n 12. E e r d e r e metin-

g e n (Lex B r o u n t s i983 en Jorgenson 1 9 7 3 ) l a t e n d i t z i e n .

I n f i g u u r 28 i s e e n p l o t g e t e k e n d w a a r b i j d e d i e p t e en d e g e v o e l i g h e i d t e g e n e l k a a r z i j n u i t g e z e t .

f i g . 28. d e d i e p t e g e v o e i g h e i d v a n d e g e b r u i k t e pr b e ( t y p e D8M-202) en d e vorm v a n h e t meetvolume Men kan nu i n z i e n dat wanneer men l a n g s d e b u n d e l meet i n h e t l a a t s t e g e d e e l t e v a n d e buis h e t s t a a r t j e v a n d e drup-

p e l d e s n e l h e i d s i n f o r m a t i e l e v e r t i n p l a a t s v a n de k o g e l - Ook a l v a l t T 2 b u i t e n d e wand dan w o r d t e r t o c h een s n e l - h e i d gemeten. Figuur 29 l i c h t d i t n a d e r t o e . p r o b e

n

IA

achterwand

f2

-)-.+

n

i-L i f i g . 29. l o c a t i e v a n d e m e e t v o l m i n a , j u i s t i n en j u i s t b u i t e n d e b u i s

7 . A A N B E V E L I N G E N VOOR NADER ONDERZOEK

7 . 1 Het kristal

E r van uitgaande dat de druppelvorm van het meetvolume verantwoordelijk is voor de gemeten afwijkingen moet de

staart van de druppel verkort worden. Dit is misschien mogelijk door een ander kristal te ontwerpen wat sneller uitdempt. Wellicht kan het zijn dat aansturing met een in

fase gedraaide spanning het kristal sneller laat uitdem- pen.

In

figuur 30 is d e huidige spanningsvorm links en de

t e proberen vorm rechts getekend.

I

In n

opgelegde spanning

VT-

t -

fig. 3 0 . spannings- en geluidsvormen van de probe bij verschillende methoden van aansturen. A: hui- dige situatie, B: te verwachten resultaat bij bijzondere aansturing van het kristal.

7.2

Een gevoeligheidsdrernpel

Daar het voorgaande idee niet eenvoudig te verwezelij- k e n lijkt is een andere mogelijkheid het inbouwen van een

38

drempel. Bij de situatie zoals die in figuur 2 9 is gete- kend i s het gereflecterende signaal in de linker tekening 'groter dan in de rechter situatie. Door nu een drempel in

te bouwen die het kleinere signaal naar nul wegdrukt zal, als het meest gevoelige gedeelte van het meetvolume bij het traverseren de wand van de buis gepasseerd is,

spanning aan de uitgang van de nuldoorgangteller n u l wor- den. Het prettige van deze oplossing is dat deze eenvou- dig is uit te voeren omdat alleen een aanpassing van de besproken drempelschakeling nodig is. Het resultaat van deze aanpassing zou e s dan uit kunnen zien zoals in fi-

de

gUUr 31.

uitwendig aanbre

fig. 3 1 . de gewijzigde drempelschakeling

O p het moment van het schrijven van dit verslag kon deze methode wegens tijdgebrek nog niet uitgeprobeerd worden.

3 9

,8. C O N C L U S I E

Zoals uit hoofdstuk 6 blijkt stemmen de metingen met ultra- geluid goed overeen met de referentie metingen het laser- systeem. Uitzondering vormen d e snelheidsmetingen in de b u u r t van de achterwand. Het is niet zeker of de druppel- vorm van het meetvolume daarvan de oorzaak is, en ook is nog niet duidelijk op moment van schrijven van dit verslag

of de aangepaste drempelschakeling resultaat heeft. Wel- licht is .nodig de diverse oorzaken verder te onderzoeken

om uiteindelijk tot een goed meetresultaat te komen. Hier- b i j zal zich het onderzoek vooral moeten richten op zaken d i e buiten de Alvar-snelheidsmeter gebeuren.

40

LITERATUURLIJST

BHARADVAJ ( 1982 ) :

Steady f l o w in a model of the human carotid bifurcation. Journal of Biomechanics, v o l . 15, no. 5, blz. 363-378 BROUNTS ( 1 983 ) :

D e Echovar F8 van Alvar, een ultrasoondoppler snelheids- meter.

Af s t ud e erver s lag, T H -E i nd hov en JORGENSEN ( 1973 ) :

Physical and mathematical modelling of the pulsed ultra- sonic flowmeter.

Medical and Biological Engineering, 1973, b l z 404-421 PERONNEAU ( 1970 ) :

Velocimetre sanguin par effet Doppler.

41

L I J S T VAN FIGUREN fig.

blad

5

i. schets van de halsslagaderv.ertakking aan de hand van een groot aantal röntgenopnamen

fig.

f i g .

2.

3 .

visualisatie van stromingen 9

schematische weergaven van stromingsprofielen 10 fig. 4. opstelling bij bloedstroommetingen

13

fig. 5 . spanningen op het kristal bij zenden en

ontvangen

14

fig. 6 . blokschema ontvangstversterker met verster- kingsregelunit

15

fig. 7 . demodulatie en sample en holdschakeling

16

fig.

a .

signalen tijdens doorkruisen van de bundel door één deeltje met een constante snelheid

17

18 fig. 9. gesampeld signaal

fig. 10. banddoorlaatkarakteristieken fig. 11.

fig. 12,

fig.

13.

laatste gedeelte van de schakeling

de spanningen behorende bij figuur

1 1

vereenvoudigde puls-spanning-omzetter

20

21

22 fig.

14.

uitgangsspanning a l s functie van de doppler- 23

frequent

i

e

f i g .

15.

verschillende bundels met de bijbehorende _{2 4} kristalvormen

fig. 16. spectrum van een dopplersignaal

fig. 17. de Schmidt-trigger schakeling

fig. 18. verschillende in- en uitgangsspanningen ’ van de Schmidt-trigger

fig. 1 9 . tabel met de overschatting van de span- ning en daarmee de snelheid

f i g . 20. h e t model gefotografeerd

fig. 21. d e probe gemonteerd

26 27 28 2 9 30 31

fig. 22. d e probe met twee onafhankelijke kristallen 31

fig. 23. d e snelheidsproflelen in d e halssagader 32

fig. 24. de profielen gemeten met ultrasoon geluid 33

fig. 25. invloed van d e bundelbreedte b i j dwars- - 34 versering

fig. 26 opgenomen snelheidsprofielen 35

fig. 27. snelheidsdetectie door secundaire reflectie 35

fig. 28. d e diepte gevoeligheid van de gebruikte probe 36

fig. 29. locatie van de meetvolumina 36

fig. 30. spanning- en geluidsvormen van de probe 37

43 bijlage I

:,fs tudeeropdracht

Naam student : Thco t-1. Hendriks, Binnenveld 3 2 , 5 5 5 2 LG Valkenswaard

school : HTS-Eindhoven, afd. Electrotechniek, Postbus 347, Eindhoven

---

---

---

Instelling : TH-Eindhoveii, afd. Werktuigbouwkunde, Postbus 513

5600 M B Eindhoven

MeEL25

í55q~&e~eigq~~gs~pt : Ir. Tomesen

: Dr.Ir. A.A. van Steenhoven, vakgroep Fundamentele Werktuigbouwkunde, W.hoog -1.125, tel. 472811

I n het kader-van het interuniversitaire (THE, RL, THD) project Atherosclerose

wordt onderzoek gedaan m a r de invloed van kleine vernauwingen in de hafsslag- ddervertakking 013 i:et-. strouiingcgebeuren aldiiar. Hei uiteindeli jic doel is

ineetmethoclen te í.~ntwikkelen voor de vroegti j d i y e d e t e c t i e vdn atherosclerose. Een mogelijke en rceds klinisch veel toegepaste nierttechniek is die gebdseerti

up het meten van ;nelheidspro€ielen in bloedvaten m.b.v. gepulst ultra-geluid.

Pannen het project i s Z C ' ) ~ anemometer (Alvar Fe) voorhanden.

Doel van de afsta,!ecropdracht is nu liet voornoemdl= spparaat nader te 2vai.u- cren, en de te mt.*:'-rl -;nr:I!;eidsprofielen in een elastisch model van de liul:j-*

jlagadervertakkii~~ t c

~ e r c ~ . l ~

jken met d i e w e W e m . n . v . een lascr-Doppier

zaernorneter gemeib..: zi jr, i n c i r l r ~ e Iiiouzllen er\ ,m. fie Iíit'tinqJt:n worciari d ~ a A si,

ìseperkt t o t s t a t i . a . 4 Y G t;t~oningsomstandiyhede:i.

Jpdr ach t

-

----e-

io: BOUW <ie opst -*LJ ir.0; r i a u voorbc-eiri van B r o u i i r :, , , ~ ~ i t i . ' ~ u w .Jp 1-i; íirriiadì í i i i - x s stationaire nwtingen a m een %echte buis niet iiernduwinj, XI&IY 1111 met de veel beter qefocuseercie double probe.

t o t veel lagere amglitudes van de gereflectcerdc golf dan de "primaire".

Zo ja, bouw een drempel in. Overleg m.b.t. dit aspect ook met Dr.'Hoeks (RL), die ook m e t dit probleem geconfronteerd zijn.

3 O : Analyseer de stromingssituatie in een 2 , 5 maai vergroot model van de halsslagader onder stationaire stromingscondities. Verwerk de gemeten

snelheden z~r*rei statistisch als tot profi2ler. m.b.v. de signaalverwerkings- programmatuur op de afdelingscornputer ( P R ï M E )

.

Vergelijk de gevonden pro- fielen met d i ? welke uit laser-Doppler rrietingen volgden en geef een moge- lijke verkldring voor de gevonden verschiilen. G e e f ook aan hoe het met het betreffer.dc LJ : Lr-d-qcluid appdraat nog nai:dkeuriger kari worden gemeten.

Lo: Onderzoek of riet fencineen van "secundaire ref

1

cxties" inderdaad leidt

Literatuur : L. % m c ~ r ì t s : Afstudeerverslag "AthrLosclerose"

,

december 1983.

bijlage I1 blad 44 i i __ I k a, .rl L a a, v)

m

6-r ... l i j I ' I

!

I ' ,,,,

f

- i

i

I

I

--I

- i ! i I

l

i

!

i

I

I

l a ..

I

I I - I i I I 8. , ! l I I i l

1

1

i ! I L

i

i-

8 L -

i

"

:

!

-

-<

B

i -I

r t

i I j 1

7

_{; - -}

,-i

I

w H h 4 bijlage

111

b l a d 45

46 bijlage IV L a -rl 5 ri

5

k -;..i.c. .

-$-

.. -,.. . ,

..

. .i' " b. , n .' ., ' . ..

.

:. ....,. .*-..r.- . O u1 PI k O O 3 ..

.

..I

!

l

i

Y

a 4

i

i

i

I

i

i

i

i

j

l

i

i

j

I

j

I

I

i

N I rn i 0 - J - % O > N T m T

I

i

i

i

i

I

.' .:- : I 1

f

o

UI a bijlage V b l a d 47

-

48 bijlage ' V I

L

cl

I 3

..

o, c, U a o, k P U E: (d P a

>

ri (d

c

1