DE3406180A1

DE3406180A1 - Device for the measurement of the position of at least one measurement point by means of ultrasound

Info

Publication number: DE3406180A1
Application number: DE19843406180
Authority: DE
Inventors: Markus Dr.rer.nat. 5300 Bonn Hansen; Günter Dr.Dr. 2509 Meckenheim Schumpe
Original assignee: Travenol GmbH
Current assignee: Schumpe Guenter Prof Dr Dr 5309 Meckenheim
Priority date: 1984-02-21
Filing date: 1984-02-21
Publication date: 1985-09-05
Also published as: DE3406180C2

Abstract

Published without abstract.

Description

Beschreibungdescription

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Lage wenigstens eines Meßpunktes sowie gegebenenfalls dessen Bewegung und daraus abgeleiteter Meßgrößen, insbesondere für die medizinische Diagnostik und Rehabilitation, den Sportunterricht und für das Vermessen von Oberflächen, mit einem an jedem Meßpunkt befestigten Ultraschallsender bzw. -empfänger und mit wenigstens drei raumfest angeordneten Ultraschallempfängern bzw. -sendern, wobei die Ultraschallsender Ultraschallsignale abstrahlen, die nach einer gewissen Laufzeit von den Ultraschallempfängern empfangen werden, ferner mit einer EDV-Anlage, die aus den ihr eingegebenen Koordinaten der raumfesten Ultraschallempfänger bzw. -sender und aus den jeweiligen Laufzeiten die momentane Lage des betreffenden Meßpunktes im Raum bestimmt, diese speichert und die die Messung in kurzen Abständen oftmals wiederholt und daraus eine zwischenzeitlich gegebenenfalls erfolgte Ortsveränderung des Meßpunktes in der Zeit mißt, und mit einer Anzeige und gegebenenfalls mit einem Speicher für die Meßwerte.The invention relates to a device for measuring the position at least of a measuring point and, if applicable, its movement and the measured variables derived from it, especially for medical diagnostics and rehabilitation, physical education and for measuring surfaces, with an ultrasonic transmitter attached to each measuring point or -receiver and with at least three spatially fixed arranged ultrasonic receivers or transmitters, wherein the ultrasonic transmitters emit ultrasonic signals that according to a certain transit time are received by the ultrasonic receivers, also with a computer system, which is based on the coordinates of the fixed ultrasound receiver entered in it or sender and the current location of the relevant from the respective transit times Determines the measuring point in the room, stores it and takes the measurement at short intervals often repeated and from this a change in location that may have taken place in the meantime of the measuring point in time, and with a display and possibly with a Memory for the measured values.

Fernerhin bezieht sich die Erfindung auf einen Ultraschall sender zur Verwendung bei einer solchen Vorrichtung.The invention also relates to an ultrasonic transmitter for use in such a device.

Eine derartige Vorrichtung ist beschrieben in dem Aufsatz von Schumpe u.a. mit dem Titel "Ganguntersuchungen und funktionelle Wirbelsäulenvermessungen mittels eines neu entwickelten Echtzeit-Ultraschall-Topometers" in der Zeitschrift "Funktionelle Diagnostik in der Orthopädie", Enke, Stuttgart, 1979, S. 69 ff. Einzelheiten über die dort verwendete Schaltungsanordnung, mit der man aus den Laufzeiten der Ultraschallsignale die Entfernungen mißt sowie über die dort verwendeten Ultraschallsender sind in diesem Aufsatz nicht angegeben. Außerdem wird dort vorgeschlagen, die Ultraschallsender zu Stoßwellen anzuregen. Stoßwellen zeichnen sich zwar durch eine hohe Energie aus, sie beinhalten jedoch stets mehrere Wellenzüge. Dadurch leidet aber die Meßgenauigkeit, weil gegebenenfalls auch die Schwingungen nach dem ersten, ansteigenden Impuls von den Ultraschallempfängern gemessen werden können. Dies führt entweder zu Fehlmessungen oder es muß durch eine geeignete Programmierung der EDV-Anlage dafür gesorgt werden, daß diese Wellenzüge, die ja eine geringere Amplitude haben, bei der Auswertung der Messung nicht berücksichtigt werden.Such a device is described in the article by Schumpe among others with the title "Gait examinations and functional spinal column measurements using a newly developed real-time ultrasound topometer "in the journal "Functional diagnostics in orthopedics", Enke, Stuttgart, 1979, p. 69 ff. Details on the circuit arrangement used there, with which one can get from the running times of the Ultrasonic signals that measure distances as well as about the ultrasonic transmitters used there are not given in this article. Also there is suggested to stimulate the ultrasonic transmitter to generate shock waves. Shock waves are characterized by a high energy, but they always contain several wave trains. This suffers but the measuring accuracy, because possibly also the vibrations after the first, increasing impulse can be measured by the ultrasonic receivers. this leads to either to incorrect measurements or it must be due to a suitable programming of the EDP system it is ensured that these wave trains, which have a lower amplitude, are not taken into account when evaluating the measurement.

Dies kann gegebenenfalls zu erhöhten Rechnerzeiten führen und damit wiederum zu einer gewissen Verzögerung bei der Darstellung der gemessenen Werte, was bei einigen Anwendungsfällen stört.This can possibly lead to increased computer times and thus again to a certain delay in the display of the measured values, which interferes with some applications.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung vorzuschlagen, mit der die Vorrichtung der eingangs genannten Art zufriedenstellend arbeitet derart, daß die Meßwerte mit großer Genauigkeit und Schnelligkeit zur Verfügung stehen und angezeigt werden können. Außerdem soll ein neuartiger Ultraschallsender zur Verwendung bei einer solchen Vorrichtung vorgeschlagen werden, der kurze Meßzeiten und praktisch fehlerfreie Messungen ermöglicht.The invention is therefore based on the object of a circuit arrangement to propose with which the device of the type mentioned is satisfactory works in such a way that the measured values are available with great accuracy and speed stand and can be displayed. In addition, a new type of ultrasonic transmitter is to be used be proposed for use in such a device, the short measurement times and enables practically error-free measurements.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltungsanordnung vorgesehen ist, die einen Zeitgeber aufweist, der über einen Senderverstärker den Ultraschallsender mit einem Stoßimpuls beaufschlagt und der gleichzeitig einen Startimpuls an einen Zähler abgibt, der von einem HF-Oszillator mit Zählimpulsen beaufschlagt ist, daß der Ausgang des Zählers mit einem empfängerseitigen Speicher für die Zählimpulse verbunden ist, dessen Eingang über einen Empfangsverstärker auch an den Ultraschallempfänger angeschlossen ist und an dessen Ausgang die Anzeige angeschlossen ist.The device according to the invention is thereby able to achieve this object characterized in that circuitry is provided which has a timer has, which via a transmitter amplifier the ultrasonic transmitter with a shock pulse applied and at the same time emits a start pulse to a counter that is acted upon by an HF oscillator with counting pulses that the Output of the counter connected to a receiver-side memory for the counting pulses whose input is also to the ultrasonic receiver via a receiving amplifier is connected and to whose output the display is connected.

Sobald der Zeitgeber einen Impuls abgibt, wird der betreffende Ultraschallsender zu einem Stoßimpuls erregt, der sich durch eine hohe Amplitude und damit durch einen hohen Energie inhalt sowie durch eine nur kurzzeitige Erregung mit sofort daran anschließendem Abfall auf Null auszeichnet. Der Stoßimpuls hat vorzugsweise nur eine einzige vordere Anstiegsflanke und geht dann sofort auf die Intensität Null zurück, oder doch im wesentlichen auf Null. Fehlmessungen werden dadurch weitestgehend ausgeschlossen. Gleichzeitig mit der Aussendung des Startimpulses über den Zeitgeber wird der Zähler auf Null gesetzt, der jetzt die ihm fortlaufend zuge führten Schwingungen des HF-Oszillators zählt. Diese Zahl wird in den empfängerseitigen Speicher übertragen, sobald dieser den Empfangsimpuls erhält.As soon as the timer emits a pulse, the relevant ultrasonic transmitter becomes excited to a shock pulse, which is by a high amplitude and thus by a high energy content as well as only short-term excitement with it immediately subsequent drop to zero. The shock pulse has preferably only a single leading leading edge and then immediately goes to zero intensity back, or at least essentially to zero. This means that incorrect measurements are largely eliminated locked out. Simultaneously with the transmission of the start pulse via the timer if the counter is set to zero, the oscillations that are now continuously fed to it are set to zero of the RF oscillator counts. This number is transferred to the receiver's memory, as soon as this receives the receive pulse.

Die im Speicher befindliche Zahl ist somit ein direktes Maß für das Zeitintervall zwischen dem Aussenden des Stoßimpulses und dessen Empfang im Empfänger. Aufgrund der bekannten Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Schalls in dem betreffenden Medium, im allgemeinen in Luft, kann daraus der Anzeige direkt die Entfernung zwischen Sender und Empfänger angezeigt werden.The number in memory is therefore a direct measure of that Time interval between the emission of the shock pulse and its reception in the receiver. Due to the known speed of propagation of the sound in the relevant Medium, generally in air, can be used to directly display the distance between Sender and receiver are displayed.

Es ist auch möglich, die Schaltungsanordnung so zu treffen, daß der Zähler die ihm vom HF-Oszillator zugeleiteten Impulse ständig an den empfängerseitigen Speicher weiterleitet, der dann die betreffende Zahl anzeigt, sobald er den zugehörigen Empfangsimpuls erhält.It is also possible to make the circuit arrangement so that the Constantly counter the impulses sent to it by the HF oscillator to the receiver Memory forwards, which then the number in question displays as soon as he receives the corresponding receive pulse.

Auf die beschriebene Art und Weise werden alle Impulse zwischen einem Sender und wenigstens drei Empfängern verarbeitet, und zwar unter Zuhilfenahme der erwähnten EDV-Anlage einschließlich ihres Programms.In the manner described, all impulses are between one Transmitter and at least three receivers processed, with the help of mentioned computer system including its program.

Mit der beschriebenen Vorrichtung ist es ohne weiteres möglich, den Ort des Meßpunktes innerhalb einer Kugel mit einem Durchmesser kleiner als 1 mm zu bestimmen.With the device described, it is easily possible to the Location of the measuring point within a sphere with a diameter smaller than 1 mm to determine.

Diese Messungen werden kurz nacheinander wiederholt, wobei die Wiederholungsfrequenz durch die Frequenz des Zeitgebers bestimmt ist. Dies ist daher vorzugsweise einstellbar, beispielsweise zwischen Werten von 1 und 100 Hz. Je nach der jeweils verwendeten Meßanordnung, wobei insbesondere die Zahl der jeweils verwendeten Sender und Empfänger eine Rolle spielt sowie das zur Auswertung der Signale eingesetzte Software-Programm und natürlich auch die Schmelligkeit des verwendeten Rechners, wird man die Frequenz des Zeitgebers auf einen passenden Wert einstellen, der natürlich eine den jeweiligen Umständen angepaßte gute zeitliche Auflösung ergeben sollte. Versuche haben gezeigt, daß bei Frequenzen um 40 Hz bei einer nicht zu großen Anzahl von Sendern und Empfängern gute Meßergebnisse erzielbar sind.These measurements are repeated in quick succession, the repetition frequency being is determined by the frequency of the timer. This is therefore preferably adjustable, for example between values of 1 and 100 Hz. Depending on the one used Measuring arrangement, in particular the number of transmitters and receivers used in each case The software program used to evaluate the signals also plays a role and of course the smoothness of the computer used, one becomes the frequency of the timer to a suitable value, which of course depends on the respective Good temporal resolution adapted to the circumstances should result. Tests have shown that at frequencies around 40 Hz with a not too large number of transmitters and receivers good measurement results can be achieved.

Die Schwingungsfrequenz des HF-Oszillators stellt man vorteilhaft so ein, daß die in der Anzeige erscheinende Zahl, die, wie erläutert, proportional zur Laufzeit des Stoßimpulses ist und damit auch proportional zur Entfernung zwischen Sender und Empfänger, direkt eine Anzeige für die jeweils gemessene Entfernung in dem betreffenden Maßsystem, im allgemeinen im metrischen System, gibt. Nachdem die Schallgeschwindigkeit in Luft bei einer Temperatur von 200 C bekanntlich 343,8 m/sek.The oscillation frequency of the RF oscillator is set to advantage so that the number appearing in the display, as explained, is proportional is the duration of the shock pulse and therefore also proportional to the distance between Transmitter and receiver, a direct display for the respective measured distance in the system of measurement in question, generally in the metric system. after the Speed of sound in air at a temperature of 200 C is known 343.8 m / sec.

beträgt, bringt es daher für den Schaltungsaufwand und die Anzeige Vorteile, wenn man die Frequenz des HF-Oszillators auf einen Zahlenwert einstellt, der diesem Zahlenwert entspricht, multipliziert mit 10n, wobei n eine Zahl = i, 2, 3 ... ist. Vorzugsweise ist n = 4, wobei dann die auf der Anzeige erscheinenden Zahlen die jeweils gemessene Entfernung direkt in ein Zehntel Millimeter wiedergeben. Dieselben Uberlegungen gelten natürlich auch für Anzeigen in anderen Maßsystemen, beispielsweise im Zoll-System.is, it therefore adds to the circuit complexity and the display Advantages of setting the frequency of the RF oscillator to a numerical value, which corresponds to this numerical value, multiplied by 10n, where n is a number = i, 2, 3 ... is. Preferably n = 4, in which case those appearing on the display Numbers reflect the distance measured in each case directly in a tenth of a millimeter. The same considerations naturally also apply to displays in other systems of measurement, for example in the customs system.

Nachdem die Schallgeschwindigkeit in Luft temperaturabhängig ist, kann auch die Frequenz des HF-Oszillators einstellbar sein, um zur Erzielung einer noch verbesserten Meßgenauigkeit auch Temperaturschwankungen oder Abweichungen von der erwähnten Zimmertemperatur von 200 C zu berücksichtigen.Since the speed of sound in air is temperature-dependent, The frequency of the RF oscillator can also be adjustable in order to achieve a still improved measurement accuracy also temperature fluctuations or deviations from the mentioned room temperature of 200 ° C must be taken into account.

Es wurde bereits erwähnt, daß es wesentliche Vorteile mit sich bringt, wenn der Ultraschallsender Stoßimpulse abgibt. Um dies zu erreichen, gibt es mehrere konstruktive Möglichkeiten. Besondere Vorteile gibt ein Ultraschallsender aus piezokeramischem Material, obgleich auch andere Prinzipien verwendet werden können, wie weiter unten noch näher erläutert werden wird.It has already been mentioned that there are significant advantages when the ultrasonic transmitter emits shock pulses. There are several to achieve this constructive possibilities. A piezo-ceramic ultrasonic transmitter has particular advantages Material, although other principles can be used as below will be explained in more detail.

Ein solcher Ultraschallsender ist vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, daß er zwei gleichformatige, über einander gelegte und miteinander verklebte Plättchen aus piezokeramischem Material aufweist, die so polarisiert sind, daß sie bei Anlegen einer Spannung vorgegebener Polarität an ihre metallisierten Außenflächen kugelschalenförmig in der einen Richtung und bei Spannungsumkehr in der anderen Richtung ausgelenkt werden und die an ihrer Unterseite im Bereich ihrer Kanten schwingungsgedämpft an einem Gehäuse befestigt sind. Dieser Ultraschallsender strahlt eine nahezu ideale Kugelwelle nullter bzw. erster Ordnung aus, verbunden mit einer hohen, stoßartig ansteigenden Amplitude, d.h. mit anderen Worten den angestrebten Stoßimpuls. Auch dies wird weiter unten noch näher erläutert.Such an ultrasonic transmitter is preferably characterized by that he has two plates of the same size, placed one on top of the other and glued together made of piezoceramic material, which are polarized so that they are when applied a voltage of predetermined polarity on their metallized outer surfaces spherical shell-shaped deflected in one direction and, if the voltage is reversed, in the other direction and the vibration damped on their underside in the area of their edges are attached to a housing. This ultrasonic transmitter emits an almost ideal Spherical wave of the zeroth or first order, connected with a high, jerky one increasing amplitude, i.e. in other words the desired shock pulse. Even this is explained in more detail below.

Bevorzugt wird es, wenn der Durchmesser der Plättchen klein ist im Vergleich zu der Wellenlänge des abzustrahlenden Schalls in dem piezokeramischen Material.It is preferred if the diameter of the platelets is small Comparison to the wavelength of the sound to be emitted in the piezoceramic Material.

Bei diesen Bedingungen wird ein Kugelstrahler nullter Ordnung erreicht.Under these conditions, a zero order spherical emitter is achieved.

Versuche haben gezeigt, daß sich besonders gute Ergebnisse erzielen lassen, wenn die Plättchen quadratisch sind und nur an ihren Ecken am Gehäuse befestigt sind.Tests have shown that particularly good results can be achieved if the platelets are square and only attached to the housing at their corners are.

Bei vielen Anwendungsfällen ist es vorteilhaft, wenn die Ultraschallsender die Stoßimpulse in einem möglichst großen Raumwinkel abstrahlen, um nämlich sicherzustellen, daß jeder Stoßimpuls von wenigstens drei Empfängern empfangen und ausgewertet wird, und zwar unabhängig von den jeweiligen Bewegungen und auch Verschwenkungen des Meßpunktes mitsamt dem an ihm befestigten Ultraschallsender. Andererseits hat die Abstrahlung in einem großen Raumwinkel den Nachteil einer führbar verringerten Empfangsleistung. Hierzwischen wird man also einen Kompromiß suchen.In many applications it is advantageous if the ultrasonic transmitter radiate the shock pulses in as large a solid angle as possible in order to ensure that that every shock pulse is received and evaluated by at least three receivers, namely independently of the respective movements and also pivoting of the measuring point including the ultrasonic transmitter attached to it. On the other hand, the radiation has in a large solid angle the disadvantage of a feasibly reduced reception power. A compromise will therefore be sought in between.

Um zu erreichen, daß der Stoßimpuls in einem möglichst großen Winkel im Raum abgestrahlt wird, wird es bevorzugt, wenn eine Lochblende dicht vor der schallabstrahlenden Fläche der Plättchen angeordnet ist. An der Kante der Lochblende wird der Stoßimpuls gebeugt und erreicht somit die gewünschte Raumabstrahlung. Der Durchmesser des Lochs der Lochblende soll in der Größenordnung der Wellenlänge liegen, um zu große Energieverluste durch die Blende zu verhindern. Gute Ergebnisse wurden mit Lochblenden mit einem Durchmesser von etwa 4 mm bei einer Schallwellenlänge von 7 mm erzielt.In order to achieve that the shock pulse in as large an angle as possible If it is radiated in the room, it is preferred if a pinhole is close in front of the sound-radiating surface of the platelets is arranged. On the edge of the aperture the shock pulse is bent and thus achieves the desired room radiation. Of the The diameter of the hole in the pinhole diaphragm should be in the order of magnitude of the wavelength, in order to prevent excessive energy losses through the diaphragm. Good results have been with pinhole diaphragms with a diameter of about 4 mm at a sound wavelength of 7 mm achieved.

Die Lochblende wird vorzugsweise sehr nahe, beispielsweise in einem Abstand von etwa 0,1 mm, vor der schwingenden Fläche der Plättchen angebracht. Dadurch wird der akustische Kurzschluß, den die Rückseite der Membran (= schwingende Plättchenanordnung) mit ihrer Vorderseite hat, zum größten Teil blockiert und die Energieabstrahlung weiterhin verbessert. Es dient demselben Zweck, wenn auf die schallabstrahlende Fläche der Plättchen ein Schalltrichter aufgesetzt ist.The pinhole is preferably very close, for example in one Distance of about 0.1 mm, placed in front of the vibrating surface of the platelets. Through this the acoustic short circuit that the back of the membrane (= oscillating plate arrangement) with its front side has, for the most part, blocked and the energy radiation further improved. It serves the same purpose when on the sound radiating A bell is placed on the surface of the plate.

Es sei erwähnt, daß Ultraschallsender mit gleichformatigen und miteinander verklebten sowie entsprechend polarisierten piezokeramischen Plättchen mit einem solchen Schalltrichter an sich bekannt sind. Die bekannten Ultraschallsender sind jedoch nicht elektrisch vorgespannt, und sie sind in ihrem Schwingungsknoten aufgehängt, so daß sie in Resonanz schwingen. Mit diesen bekannten Ultraschallsendern lassen sich daher keine Stoßimpulse abstrahlen.It should be mentioned that ultrasonic transmitters with the same format and with each other glued and appropriately polarized piezoceramic plates with a such horns are known per se. The well-known ultrasonic transmitters are but not electrically biased, and they are suspended in their vibration node, so that they vibrate in resonance. Let with these well-known ultrasonic transmitters therefore no shock pulses are emitted.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, aus dem sich weitere wichtige Merkmale ergeben. Es zeigt: Figur 1 schematisch das Prinzip einer eindimensionalen Meßstrecke anhand eines Blockschaltbildes zur Erläuterung der wesentlichen Merkmale der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung; Figur 2 perspektivisch und ebenfalls schematisch die wesentlichen Bauteile eines erfindungsgemäßen Ultraschallsenders; Figur 3 einen ebenfalls schematischen Querschnitt durch den Ultraschallsender nach Fig. 2 im Ruhezustand, d.h. ohne an seine Plättchen angelegte Spannung; Figur 4 die Situation von Fig. 3 in vorgespanntem Zustand der Membran; Figur 5 die Situation nach Fig. 3 und 4 im Augenblick des Abstrahlens eines Stoßimpulses, d.h. bei umgepolter Spannung an der Membran.The invention is illustrated below using an exemplary embodiment explained in more detail, from which other important features result. It shows: figure 1 schematically shows the principle of a one-dimensional measuring section on the basis of a block diagram to explain the essential features of the circuit arrangement according to the invention; FIG. 2 shows, in perspective and also schematically, the essential components of a ultrasonic transmitter according to the invention; FIG. 3 shows a likewise schematic cross section by the ultrasound transmitter according to Fig. 2 in the resting state, i.e. without touching its platelets applied voltage; FIG. 4 shows the situation of FIG. 3 in the pretensioned state of Membrane; FIG. 5 shows the situation according to FIGS. 3 and 4 at the moment of the emission of a Shock pulse, i.e. when the polarity of the voltage on the membrane is reversed.

Bezüglich des grundsätzlichen Aufbaus der beschriebenen Vorrichtung sei auf den eingangs erwähnten Aufsatz von Schumpe u. a. verwiesen. Figur 1 zeigt das Blockschaltbild einer solchen Meßstrecke zwischen einem einzigen Sender 1 und einem einzigen Empfänger 2, d.h. bei einer eindimensionalen Meßstrecke. Es wird bevorzugt, insbesondere bezüglich einer Vereinfachung der Software, wenn der Sender am Meßpunkt befestigt wird und daher beweglich ist und die Empfänger - wenigstens drei Empfänger sind vorgesehen - raumfest sind. Es ist aber grundsätzlich auch die umgekehrte Anordnung möglich, d.h. mit raumfesten Sendern und an den Meßpunkten angebrachten Empfängern, wenngleich dies einen größeren Aufwand bei der Software mit sich bringt. Das im folgenden beschriebene Prinzip der eindimensionalen Meßstrecke bleibt bei allen diesen Meßstrecken zwischen jedem Sender und jedem Empfänger beibehalten. Die EDV-Anlage kann über ihre Software die Empfangsimpulse jedem Empfänger und jedem Sender zuordnen, was nicht Gegenstand dieser Erfindung ist.With regard to the basic structure of the device described refer to the above-mentioned article by Schumpe et al. referenced. Figure 1 shows the block diagram of such a measuring section between a single transmitter 1 and a single receiver 2, i.e. in the case of a one-dimensional measuring section. It will preferred, especially with regard to a simplification of the software if the sender is attached to the measuring point and is therefore movable and the receiver - at least three receivers are provided - are fixed in space. But it is basically The reverse arrangement is also possible, i.e. with transmitters fixed in space and at the measuring points attached receivers, although this involves a greater effort in terms of software brings with it. The principle of the one-dimensional measuring section described below remains the same for all these test sections between each transmitter and each receiver. The EDP system can use its software to send the received impulses to every recipient and everybody Assign transmitter, which is not the subject of this invention.

Ein Zeitgeber 3 ist auf eine bestimmte Frequenz, vorzugsweise zwischen 1 und 100 Hz, eingestellt, vorzugsweise auf eine Frequenz von etwa 25 Hz. Bei dieser Einstellung gibt der Zeitgeber 3, der ein frei schwingender Oszillator ist, alle 40 Millisekunden einen Startimpuls an einen Senderverstärker 4 ab, worauf der Ultraschallsender 1 dann einen Ultraschall-Stoßimpuls abgibt.A timer 3 is on a certain frequency, preferably between 1 and 100 Hz, set, preferably to a frequency of about 25 Hz. In this case Timer 3, which is a free-running oscillator, gives all settings 40 milliseconds from a start pulse to a transmitter amplifier 4, whereupon the ultrasonic transmitter 1 then emits an ultrasonic shock pulse.

Gleichzeitig wird ein Zähler 5 auf Null gesetzt. Hierfür wird beispielsweise ein fünfstelliger Zähler verwendet. Der Zähler 5 beginnt jetzt, die Zählimpulse eines HF-Oszillators 6 zu zählen, der ein Quarzoszillator ist und mit einer Hochfrequenz von 3,438 MHz schwingt.At the same time a counter 5 is set to zero. For this purpose, for example a five-digit counter is used. The counter 5 now starts the counting pulses of an RF oscillator 6 which is a crystal oscillator and which has a high frequency oscillates from 3.438 MHz.

Sobald ein Empfängerverstärker 9 über den Ultraschallempfänger 2 den Stoßimpuls empfängt, sendet dieser ein Ubernahmesignal an einen Zwischenspeicher 7 (Latch-Zwischenspeicher), der daraufhin den gegenwärtigen Zählerstand des Zählers 5 übernimmt und bis zum entsprechenden Impuls bei der nächsten Einzelmessung speichert. Der Inhalt des Speichers 7, d.h. der Zählerstand, wird an eine Anzeige 10 weiter geleitet und dort sichtbar gemacht und/oder gespeichert. Die Anzeige ist beispielsweise eine Schirmbildanzeige, ein Schreiber, ein Drucker oder auch eine direkte Digitalanzeige des betreffenden Meßwertes. Auch können aus den gemessenen Koordinaten des Senders i dessen Bewegungen abgeleitet werden, weil die Messungen, wie erwähnt, kurz nacheinander durchgeführt werden. Aus diesen Meßdaten können auch alle anderen, jeweils interessierenden Daten abgeleitet werden, beispielsweise die Beschleunigung und, bei Vorhandensein von wenigstens drei Meßpunkten, der Winkel zwischen den drei Meßpunkten, die Winkelgeschwindigkeit, die Winkelbeschleunigung, Symmetrieabweichungen und weitere, interessierende Daten.As soon as a receiver amplifier 9 via the ultrasonic receiver 2 the Receives shock pulse, this sends a takeover signal to a buffer 7 (latch), which then shows the current count of the counter 5 takes over and saves until the corresponding pulse in the next individual measurement. The content of the memory 7, i.e. the count, is forwarded to a display 10 directed and made visible and / or saved there. The ad is for example a screen display, a writer, a printer or also a direct digital display of the relevant measured value. Can also be measured from the Coordinates of the transmitter i whose movements are derived because the measurements, as mentioned, can be carried out in quick succession. From this measurement data can also all other data of interest are derived, for example the Acceleration and, if there are at least three measuring points, the angle between the three measuring points, the angular velocity, the angular acceleration, Symmetry deviations and other interesting data.

Die Zählimpulse werden vom Zähler 5 dem Speicher 7 über eine Leitung 8 zugeleitet.The counting pulses are sent from the counter 5 to the memory 7 via a line 8 forwarded.

Der in den Figuren 2 bis 4 gezeigte Ultraschallsender besteht in seinen wesentlichen Bauteilen aus einem Gehäuse 11, in dem eine schwingende Membran untergebracht ist. Diese besteht aus zwei gleichformatigen und über einander gelegten sowie entgegengesetzt polarisierten piezokeramischen Plättchen 12, 13, die miteinander verklebt sind. Über einen Anschlußleiter 14 kann ein elektrisches Potential auf die metallisierte Oberfläche des oberen Plättchens 13 aufgebracht werden und über einen weiteren Anschlußleiter 15 ein elektrisches Potential an die metallisierte Unterseite des unteren Plättchens 12 angelegt werden.The ultrasonic transmitter shown in Figures 2 to 4 consists of his essential components from a housing 11 in which a vibrating membrane is housed is. This consists of two of the same format, one on top of the other and opposite one another polarized piezoceramic plates 12, 13 which are glued together. An electrical potential can be applied to the metallized via a connecting conductor 14 Surface of the upper plate 13 are applied and via a further connecting conductor 15 an electrical potential on the metallized underside of the lower plate 12 can be created.

Beim gezeigten Ausführungsbeispiel sind die beiden Plättchen 12, 13 quadratisch mit Kantenlängen von etwa 8 mm. Die aus den Plättchen 12, 13 bestehende schwingende Membran ist an ihren vier Ecken über Körper 16 aus Silikonkautschuk am Gehäuse 11 befestigt. Auf die Mitte der Oberseite der Membran ist weiterhin ein schallabstrahlender Trichter 17, vorzugsweise aus Kunststoffmaterial, aufgesetzt und dort mit der Membran verklebt.In the embodiment shown, the two plates 12, 13 square with edge lengths of about 8 mm. The consisting of the plates 12, 13 vibrating At its four corners, the membrane is attached to the housing 11 by means of a body 16 made of silicone rubber attached. In the middle of the top of the membrane is still a sound radiating Funnel 17, preferably made of plastic material, placed there and with the membrane glued.

Das Gehäuse ii umschließt die Membran mit ihren Bauteilen allseitig. Nur an der Oberseite, das ist die schallabstrahlende Seite, ist über ein Loch 18 eine Blende im Gehäuse angebracht.The housing ii encloses the membrane with its components on all sides. Only at the top, that is the sound-emitting side, is a hole 18 a cover is attached in the housing.

Die Figuren 3 bis 5 erläutern die Funktionsweise dieses Ultraschallsenders. Figur 3 zeigt den Ruhezustand, bei dem also keine Spannung über die Anschlußleiter 14, 15 an der Membran anliegt. In Figur 4 ist die Membran nach unten, d.h. zum Boden des Gehäuses 11 hin, vorgespannt. Dies wird durch die Anlage einer entsprechenden Spannung an die Membran erzielt.Figures 3 to 5 explain the mode of operation of this ultrasonic transmitter. FIG. 3 shows the idle state, in which there is no voltage across the connecting conductors 14, 15 rests against the membrane. In Figure 4 the membrane is down, i.e. towards the bottom of the housing 11 towards, biased. This is done by creating an appropriate Tension achieved on the membrane.

Soll jetzt ein Stoßimpuls abgegeben werden, so wird die Spannung umgepolt und über den vorstehend beschriebenen piezokeramischen Effekt, der an sich bekannt ist, nimmt die Membran die in Figur 5 gezeigte Gestalt ein und der Stoßimpuls wird über die Lochblende mit dem Loch 18 abgegeben, wie bei Pos. 19 angedeutet. Daraus ist auch ersichtlich, daß eine gute Raumcharakteristik erzielt wird.If a shock pulse is to be delivered now, the polarity of the voltage is reversed and about the piezoceramic effect described above, which is known per se is, the membrane takes the shape shown in Figure 5 and the shock pulse becomes released via the perforated diaphragm with the hole 18, as indicated at item 19. From it it can also be seen that a good spatial characteristic is achieved.

Die Aufhängung der Membran an den Kanten bzw. Ecken bringt den Vorteil einer erhöhten Amplitude mit sich, weil, wie ein Vergleich der Figuren 4 und 5 besonders deutlich ergibt, dann der mittlere Bereich der Membran aus der vorgespannten Lage nach Figur 4 über die hohe Lage nach Figur 3 in die Abstrahlungslage nach Figur 5 geht, und zwar innerhalb kürzester Zeit. Die Aufhängung der Membran über die kleinen Körper aus Silikonkautschuk oder einem anderen, schalldämmenden Material, dämpft die Schwingung sehr gut, so daß sie tatsächlich einen Impulscharakter bekommt. Der Schalltrichter 17 verstärkt die Schallabstrahlung,und die Lochblende mit dem Loch 18 ist so bemessen, daß sie einerseits über die Beugung am Rand des Lochs 18 den Abstrahlungswinkel des Stoßimpulses im Raum vergrößert und andererseits aber noch ausreichend Schallenergie durch das Loch 18 hindurchtreten kann.The suspension of the membrane at the edges or corners has the advantage an increased amplitude with it, because, as a comparison of FIGS. 4 and 5 in particular clearly shows, then the middle area of the membrane from the pretensioned position according to Figure 4 over the high Position according to Figure 3 in the radiation position goes according to Figure 5, and within a very short time. The suspension of the membrane About the small body made of silicone rubber or some other sound-absorbing Material dampens the oscillation very well, so that it actually has an impulse character receives. The horn 17 amplifies the sound radiation, and the pinhole with the hole 18 is dimensioned so that it is on the one hand over the inflection at the edge of the Hole 18 increases the angle of radiation of the shock pulse in space and on the other hand but sufficient sound energy can still pass through the hole 18.

Grundsätzlich können auch andere Ultraschallsender bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden, obgleich diese nach jetzigem Kenntnisstand gegenüber dem beschriebenen Ultraschallsender nachteilig sind.In principle, other ultrasonic transmitters can also be used with the inventive Device are used, although this compared to the current state of knowledge the described ultrasonic transmitter are disadvantageous.

Eine gute Kugelcharakteristik hat beispielsweise eine aus einem kleinen Luftvolumen bestehende schwingende Kugel, die durch plötzliches Erhitzen expandiert. Eine solche schwingende Kugel hat den Vorteil, daß eine optimale Anpassung der Impedanzen zwischen Schallstrahler und Schalleiter gegeben ist, weil beides Luft ist. Im Prinzip wird ein solcher Schallstrahler aufgebaut wie ein Ionenhochtöner eines modernen Lautsprechers, bei dem eine Metallspitze mit einem extrem kleinen Krümmungsradius amplitudenmodulierte Hochfrequenz aussendet, die durch den starken Feldstärkegradienten Luftmoleküle ionisiert und durch die Amplitudenmodulation in Schwingungen versetzt. Der Wirkungsgrad eines solchen Wandlersystems ist bis zirka 100 KHz sehr gut, so daß es grundsätzlich für den erfindungsgemäßen Zweck geeignet ist. Das große und schwere Gehäuse und die relativ starre Hochfrequenzzuleitung lassen aber die Verwendung eines solchen Schallstrahlers für die Messung feiner Bewegungsstrukturen, die auch durch das Meßgerät möglichst wenig beeinflußt werden sollen, als nachteilig erscheinen.A good omnidirectional characteristic is, for example, one from a small one A volume of air consisting of a vibrating sphere that expands through sudden heating. Such a vibrating ball has the advantage that an optimal matching of the impedances exists between the sound emitter and sound conductor because both are air. Basically such a sound emitter is constructed like an ion tweeter of a modern one Loudspeaker with a metal tip with an extremely small radius of curvature emits amplitude-modulated high frequency caused by the strong field strength gradient Air molecules ionized and caused to vibrate by the amplitude modulation. The efficiency of such a converter system is very good up to about 100 KHz, see above that it is basically suitable for the purpose according to the invention. The great and heavy housing and the relatively rigid high-frequency lead, however, leave the use such a sound emitter for the measurement of fine movement structures, which also should be influenced as little as possible by the measuring device, appear to be disadvantageous.

Ein solcher Luftkugelschallstrahler, der nur eine Druckwelle aussenden soll, läßt sich grundsätzlich auch durch einen kurzzeitig gezündeten Lichtbogen erzeugen.Such an air-ball sound emitter that only emits a pressure wave can basically also be achieved by a briefly ignited arc produce.

Solche Lichtbogensender arbeiten aber nicht sehr zuverlässig und müssen außerdem mit einer Spannung in der Größenordnung von mehreren Kilovolt betrieben werden, was wiederum sicherheitstechnische Probleme mit sich bringt, insbesondere bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung an Patienten, Sportlern und anderen Personen. Auch wäre ein solcher Sender relativ unhandlich und schwer, während der beschriebene Ultraschallsender nach Figuren 2 bis 5 sich durch sehr kleine Abmessungen und ein geringes Gewicht auszeichnet sowie durch verhältnismäßig niedrige, ihm zuzuführende Spannungen, die keine besonderen Sicherheitsvorkehrungen notwendig machen.However, such arc transmitters do not work very reliably and must also operated with a voltage on the order of several kilovolts which in turn brings with it security problems, in particular when using the device according to the invention on patients, athletes and other people. Also, such a transmitter would be relatively unwieldy and heavy while the described ultrasonic transmitter according to FIGS. 2 to 5 is characterized by very small dimensions and is characterized by a low weight and a relatively low weight to be fed to it Tensions that do not require any special safety precautions.

Der beschriebene Ultraschallsender kann nicht nur zusammen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt werden, wie sie in dem erwähnten Aufsatz beschrieben wurde, sondern auch, und zwar vorteilhaft, zusammen mit der Schaltungsanordnung nach Figur 1.The ultrasonic transmitter described can not only work together with the The device according to the invention can be used, as described in the article mentioned has been described, but also, and advantageously, together with the circuit arrangement according to Figure 1.

Versuche haben ergeben, daß das zeitliche Auflösungsvermögen der beschriebenen Vorrichtung bei der Verwendung von sechs Ultraschall sendern etwa gleich ein Dreißigstel Sekunde ist. Dieser Wert wird bei Verwendung von weniger Sendern noch verbessert.Experiments have shown that the time resolution of the described Device with the use of six ultrasonic transmitters approximately equal to one-thirtieth Second is. This value is even improved if fewer transmitters are used.

Verglichen mit anderen, bisher bekannten Meßsystemen, die vorzugsweise optisch über Filmaufnahmen arbeiten, zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung durch eine etwa dreißigfach bis einhundertfach verbesserte Ortsauflösung auf. Je nach der verwendeten Anzahl der Sender und Empfänger und auch der Rechnergescliwindigkeit ergibt sich eine Meß- und Analysenzeit von wenigen Minuten bis herab zu etwa ein Hundertstel Sekunde.Compared to other, previously known measuring systems, the preferred Working optically over film recordings, the device according to the invention is distinguished due to an approximately thirty to one hundredfold improved spatial resolution. Ever according to the number of transmitters and receivers used and also the computer speed results in a measurement and analysis time of a few minutes down to about one Hundredths of a second.

Eine solch kurze Zeitspanne zwischen dem Ereignis (Bewegung) und dessen Darstellung erschließt neue Anwendungsgebiete, beispielsweise für die medizinische Rehabilitation und für den Sportunterricht, wobei dann die betreffende Person selbst, gegebenenfalls zusammen mit einem Arzt oder Sportlehrer, die betreffenden Bewegungen praktisch momentan sieht und kontrollieren kann. - Leerseite -Such a short period of time between the event (movement) and its Representation opens up new areas of application, for example in medicine Rehabilitation and for physical education, in which case the person concerned himself, if necessary, together with a doctor or sports teacher, the movements concerned can see and control practically at the moment. - blank page -

Claims

Claims device for measuring the position of at least one measuring point and, if applicable, its movement and measured variables derived therefrom, in particular for medical diagnostics and rehabilitation, physical education and for the measurement of surfaces, with an ultrasonic transmitter attached to each measuring point or receivers and receivers with at least three space-fixedly arranged ultrasound or transmitters, the ultrasonic transmitters emitting ultrasonic signals that are after a certain transit time are received by the ultrasonic receivers, also with a computer system, which is based on the coordinates of the fixed ultrasound receiver entered in it or sender and the current location of the relevant from the respective transit times Determines the measuring point in the room, stores it and takes the measurement at short intervals often repeated, resulting in a change of location that may have taken place in the meantime of the measuring point in time, and with a display and possibly with a Memory for the measured values, characterized in that a circuit arrangement is provided which has a timer (3) via a transmitter amplifier (4) the ultrasonic transmitter (1) is subjected to a shock pulse and that at the same time emits a start pulse to a counter (5), which is fed by an HF oscillator (6) Counting pulses are applied to the output of the counter (5) with a receiver-side Memory (7) for the counting pulses is connected, the input of which is via a receiver amplifier (9) is also connected to the ultrasonic receiver (2) and to its output the display (10) is connected.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the frequency of the timer (3) is adjustable.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the frequency of the timer (3) can be set between 1 Hz and 100 Hz.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the numerical value of the frequency of the HF oscillator measured in oscillations per second (6) divided by the numerical value of the speed of sound measured in meters per second in air at the measuring temperature of the air has the value 10n with n = a whole positive Number.

5. Apparatus according to claim 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the frequency of the RF oscillator (6) is approximately = 3.438 MHz.

6. Apparatus according to claim 4 or claim 5, d a d u r c h g e It is not indicated that the frequency of the HF oscillator (6) can be adjusted.

7. Ultrasonic transmitter for use in a device according to Preamble of claim 1, d a d u r c h e k e n n n z e i c h n e t that he emits a shock pulse when he is excited.

8. Ultrasonic transmitter according to claim 7, characterized in that the ultrasonic transmitter is two identical format, one on top of the other and one with the other has glued platelets (12, 13) made of piezoceramic material, which polarizes in this way are that they are metallized when a voltage of predetermined polarity is applied to their Outer surfaces spherical shell-shaped in one direction and, if the voltage is reversed, in the other direction are deflected and those on their underside in the area of their Edges are attached to a housing (11) in a vibration-damped manner (body 16).

9. Ultrasonic transmitter according to claim 8, characterized in that the diameter of the platelets (12, 13) is small compared to the wavelength of the sound to be emitted in the piezoceramic material.

10. Ultrasonic transmitter according to claim 8 or claim 9, characterized in that that the plates (12, 13) are square and only at their corners on the housing (11) are attached.

11. Ultrasonic transmitter according to one of claims 8 to 10, d a d u r c h g e k e n nn n z e i c h n e t that a perforated screen (18) close in front of the sound radiating Surface of the plate (12, 13) is arranged.

12. Ultrasonic transmitter according to one of claims 8 to ii, d a d u r c h e k e k e n n n n e i n e t that on the sound-radiating surface of the platelets (12, 13) a horn (17) is attached.