[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Erzeugen von Ultraschallstrahlen für die Ultraschalltherapie.
[0002] Beim therapeutischen Einsatz von Ultraschallstrahlen mit hoher Intensität, beispielsweise bei der Lithotripsie oder bei der Hyperthermie, ist es erforderlich, die Tiefenlage des Fokus im Körper verändern zu können. Darüber hinaus besteht auch ein Bedarf, die Form des Fokus den jeweiligen Einsatzbedingungen - Grösse des Konkrements oder des nekrotischen Gewächses - anzupassen, ohne dass es hierzu einer Änderung der Position der Ultraschallquelle relativ zum Körper oder eines mechanischen Austausches von abbildenden Komponenten bedarf.
[0003] Ein Lithotripter mit veränderbarem Fokus ist beispielsweise aus der DE 3 739 390 A1 bekannt.
Bei diesem bekannten Lithotripter ist konzentrisch um eine erste Stosswellenquelle mit kreisförmiger Abstrahlfläche eine zweite Stosswellenquelle mit ringförmiger Abstrahlfläche angeordnet. Beabstandet von der ersten Stosswellenquelle befindet sich in der Wasservorlaufstrecke eine akustische Linse, die die von der ersten Stosswellenquelle erzeugten Stosswellen in einem ersten Fokus fokussiert. Diese Linse ist von einem Parabolreflektor umgeben, der die von der zweiten Stosswellenquelle emittierten Stosswellen in einem zweiten Fokus bündelt. Erste und zweite Stosswellenquelle können gemeinsam oder getrennt voneinander angesteuert werden, so dass Stosswellen mit unterschiedlichen Fokuslagen erzeugt werden können.
Um einen Fokus ausserhalb des Lithotripters zu erzeugen und um einen möglichst grossen Anteil der von der ringförmigen Stosswellenquelle abgestrahlten Schallwellen zu erfassen, ist eine grosse axiale Ausdehnung des Parabolspiegels erforderlich. Da die von der ersten Stosswellenquelle ausgehenden Ultraschallwellen sich in alle Raumrichtungen ausbreiten und sich nicht als paralleles Strahlenbündel fortpflanzen, ist die Qualität des von der zweiten Stosswellenquelle erzeugten Fokus unbefriedigend.
[0004] Zum Verändern der axialen Lage des Fokus einer Ultraschall-Stosswelle ist es aus der EP 0 486 815 A1 bekannt, eine Fokussiereinrichtung zu verwenden, die aus mehreren mit Flüssigkeit gefüllten Zwischenräumen besteht, deren Grenzflächen formflexibel sind,
so dass deren Kontur und damit deren abbildende Eigenschaften durch die Menge der Füllung geändert werden kann.
[0005] Aus der EP 0 421 290 A1 ist ein Ultraschall-Stosswellenwandler bekannt, der aus einer Mehrzahl von Segmenten besteht, die gegenseitig verkippt oder deren gegenseitiger Abstand verändert werden kann. Jedes dieser Segmente erzeugt einen punktförmigen Fokus, so dass sich bei Überlagerungen der von den Segmenten jeweils erzeugten Stosswellen eine variable Ausdehnung des Fokusgebietes gibt.
[0006] Die beiden letztgenannten Einrichtungen haben den Nachteil, dass zur Veränderung des Fokus eine mechanische Veränderung der Abbildungsgeometrie erforderlich ist.
[0007] Alternativ hierzu ist aus J.Y.
Chapelon et al., "The Feasibility of Tissue Ablation using High Intensity Electronically Focused Ultrasound", Proceedings IEEE Ultrasonic Symposium, Seiten 1211-1214, ein ringförmiges Array bekannt, dessen einzelne Wandlerelemente phasenverzögert angesteuert werden können, so dass die Tiefenlage des Fokus elektronisch einstellbar ist. Die Ansteuerung eines solchen Phased Array ist jedoch technisch aufwendig.
[0008] Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, eine Einrichtung zum Erzeugen von Ultraschallstrahlen für die Ultraschalltherapie anzugeben, die auf einfache Weise eine Veränderung der Fokuslage oder der Fokusform bei zugleich hoher Fokusqualität ermöglicht.
[0009] Die genannte Aufgabe wird gelöst mit einer Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Gemäss diesen Merkmalen enthält eine Einrichtung zum Erzeugen von Ultraschallstrahlen für die Ultraschalltherapie eine Mehrzahl von getrennt voneinander ansteuerbaren Ultraschallsendern, die Ultraschallstrahlen erzeugen, deren jeweilige Foki voneinander verschieden sind, d.h. sich an unterschiedlichen Orten befinden und/oder unterschiedlichen Durchmesser aufweisen. Jeder Ultraschallsender umfasst eine Ultraschallquelle, der zum Fokussieren der von ihr erzeugten Ultraschallstrahlen eine nahe an der Abstrahlfläche der Ultraschallquelle angeordnete Linse zugeordnet ist. Mit jedem Ultraschallsender können somit auch dann, wenn er allein angesteuert wird, zur Ultraschalltherapie geeignete fokussierte Ultraschallstrahlen mit hoher Fokusqualität erzeugt werden, da die Linsen nahe an den Abstrahlflächen der Ultraschallquellen angeordnet sind.
Die Auswahl des jeweils verwendeten Ultraschallsenders hängt nur von den in der konkreten therapeutischen Situation gegebenen Anforderungen an die Eigenschaften des Fokus, d.h. in erster Linie seine Tiefenlage und Fokusausdehnung, ab. Da eine Mehrzahl von Ultraschallsendern mit voneinander verschiedenen Foki vorgesehen ist, können mit ein und derselben Einrichtung ohne die Notwendigkeit von zeitaufwendigen Umbaumassnahmen unterschiedliche therapeutische Anforderungen erfüllt werden. Da ausserdem jeder Ultraschallsender für sich einen therapeutisch nutzbaren fokussierten Ultraschallstrahl erzeugt, entfällt die Notwendigkeit einer aufwendigen phasenverzögerten Ansteuerung einer Vielzahl von Ultraschallsendern.
Des Weiteren können durch die Verwendung von Linsen zur Abbildung Ultraschallquellen verwendet werden, die eine ebene Abstrahlfläche und somit einen konstruktiv einfachen Aufbau aufweisen.
[0010] Insbesondere in Verbindung mit Ultraschallquellen mit planen Abstrahlflächen ist die Verwendung von plankonkaven Linsen von Vorteil, deren Planfläche jeweils der ihr zugeordneten Ultraschallquelle zugewandt ist.
Dies ermöglicht einen kompakten Aufbau der Einrichtung, da die Linsen unmittelbar, d.h. flächenbündig an die Abstrahlfläche angekoppelt werden können.
[0011] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die zu verschiedenen Ultraschallsendern gehörenden Linsen aus unterschiedlichen Werkstoffen aufgebaut.
[0012] Ein besonders kompakter Aufbau lässt sich dann verwirklichen, wenn die Ultraschallsender eine um eine gemeinsame Mittenachse rotationssymmetrische Sendefläche aufweisen und jeweils einen Fokus erzeugen, der auf dieser gemeinsamen Mittenachse liegt.
[0013] Die genannte Aufgabe wird ausserdem mit einer Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 5 gelöst.
Anstelle der Verwendung von Linsen zum Erzeugen von fokussierten Stosswellen ist gemäss Patentanspruch 5 die Verwendung von Ultraschallquellen vorgesehen, die von vornherein eine gekrümmte Abstrahlfläche derart aufweisen, dass die von ihnen emittierten Ultraschallwellen fokussiert sind.
[0014] Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>eine Einrichtung gemäss der Erfindung in einer schematischen Prinzipdarstellung,
<tb>Fig. 2<sep>eine alternative Ausgestaltung der Erfindung mit einer aus Werkstoffen mit unterschiedlicher akustischer Ausbreitungsgeschwindigkeit zusammengesetzten akustischen Linse,
<tb>Fig. 3<sep>eine Ausführungsform, die lediglich eine Variation der Form des Fokusgebietes ermöglicht,
<tb>Fig. 4<sep>eine alternative Ausführungsform mit Ultraschallquellen, die eine gekrümmte Abstrahlfläche aufweisen.
[0015] Gemäss Fig. 1 umfasst eine Einrichtung zum Erzeugen eines Ultraschallstrahls U1, U2, U3 für die Ultraschalltherapie eine Mehrzahl von Ultraschallsendern S1 bis S3, die konzentrisch um eine gemeinsame Mittenachse A angeordnet sind und eine um diese Achse rotationssymmetrische Sendefläche aufweisen. Jeder Ultraschallsender S1 bis S3 enthält eine Ultraschallquelle Q1 bis Q3 mit einer planen Abstrahlfläche. Die innenliegende Ultraschallquelle Q1 hat eine kreisscheibenförmige Abstrahlfläche, während die aussenliegenden Ultraschallquellen Q2 und Q3 jeweils ringförmige Abstrahlflächen haben.
Jeder Ultraschallquelle Q1 bis Q3 ist eine plankonkave akustische Linse L1 bis L3 zugeordnet, deren konkave Oberflächen voneinander verschiedene Krümmungsradien aufweisen, so dass die zu den Ultraschallsendern S1 bis S3 jeweils gehörenden Foki F1 bis F3 auf dieser gemeinsamen Mittenachse A an räumlich voneinander verschiedenen Stellen liegen. Die aussenliegenden Linsen L2, L3 sind ringförmig, während die innenliegende Linse L1 durch eine plankonkave Scheibe gebildet ist.
Die Linsen L1 bis L3 sind mit ihren Planflächen nahe an den Abstrahlflächen der Ultraschallquellen Q1 bis Q3, d.h. in einem Abstand, der kleiner als 10 cm ist, vorzugsweise in einem Abstandsbereich zwischen 0.1 und 4 cm angeordnet.
[0016] Die Ultraschallsender S1 bis S3 sind einzeln ansteuerbar, so dass sich je nach Auswahl des angesteuerten Ultraschallsenders (in der Figur S1) eine unterschiedliche Tiefenlage des Fokus (in der Figur Ultraschallstrahl U1 mit Fokus F1) ergibt.
Werden mehrere Ultraschallsender S1 bis S3 gleichzeitig angesteuert, so ergibt sich je nach Auswahl der Ultraschallsender S1 bis S3 eine Veränderung der räumlichen Lage und Ausdehnung des Fokusgebietes.
[0017] In der alternativen Ausgestaltung gemäss Fig. 2 ist anstelle einer konzentrischen Linsenanordnung mit unterschiedlichen Krümmungsradien eine konzentrische Anordnung von Linsen M1, M2 vorgesehen, deren konkave Oberflächen denselben Krümmungsradius aufweisen, die jedoch aus Werkstoffen bestehen, in denen sich der Ultraschall mit unterschiedlicher Geschwindigkeit ausbreitet, so dass sich auch in diesem Fall die räumliche Lage der von ihnen erzeugten Foki F1 bzw.
F2 unterscheidet.
[0018] Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 ist eine konzentrische Anordnung von Ultraschallsendern S1 und S2 vorgesehen, deren Ultraschallquellen Q1 und Q2 eine einzige plankonkave Linse L zugeordnet ist. Mit dieser Einrichtung ist zwar die Tiefenlage der Foki F1 bzw. F2 der von den Ultraschallsendern S1 und S2 jeweils erzeugten Ultraschallstrahlen U1 bzw. U2 identisch, jedoch ist deren Ausdehnung (Fokusdurchmesser und Fokuslänge) verschieden und somit durch Auswahl oder Kombination der angesteuerten Ultraschallsender S1 und S2 veränderbar.
Wird nur der innerste Ultraschallsender S1 aktiviert, so ergibt sich ein Fokus F1 mit grösserem Durchmesser d1 als bei Aktivierung des äusseren Ultraschallsenders S2, der einen Ultraschallstrahl U2 mit einem Fokus mit kleinerer Fokuslänge und kleinerem Durchmesser d2 erzeugt.
[0019] Anstelle der Verwendung von Abbildungseinrichtungen ist es grundsätzlich auch möglich, die schallabstrahlenden Flächen der Ultraschallquellen Q1 bis Q3 selbst mit einem Krümmungsradius zu versehen, um die gewünschte Fokussierung zu erzielen, wie dies in Fig. 4 schematisch veranschaulicht ist.
[0020] Die Erfindung ist ausserdem nicht auf konzentrische, ringförmige Anordnungen der Ultraschallsender beschränkt.
Vielmehr ist es ausreichend, wenn die Einrichtung eine Mehrzahl von Ultraschallsendern enthält, die getrennt voneinander angesteuert werden können, und die Ultraschallstrahlen erzeugen, deren jeweilige Foki unterschiedliche Eigenschaften (Fokuslage, Fokuslänge oder Fokusdurchmesser) aufweisen.
The invention relates to a device for generating ultrasound beams for ultrasound therapy.
When therapeutic use of ultrasound beams with high intensity, such as in lithotripsy or hyperthermia, it is necessary to be able to change the depth of focus in the body. In addition, there is also a need to adapt the shape of the focus to the particular conditions of use - size of the concrement or of the necrotic growth - without this necessitating a change in the position of the ultrasound source relative to the body or a mechanical exchange of imaging components.
A lithotripter with variable focus is known for example from DE 3 739 390 A1.
In this known lithotripter, a second shock wave source with an annular emission surface is arranged concentrically around a first shock wave source with a circular emission surface. Spaced away from the first shockwave source is an acoustic lens in the water advance path which focuses the shockwaves generated by the first shockwave source in a first focus. This lens is surrounded by a parabolic reflector, which focuses the shock waves emitted by the second shock wave source in a second focus. First and second shock wave source can be controlled together or separately, so that shock waves can be generated with different focal positions.
In order to generate a focus outside the lithotripter and to capture as large a proportion as possible of the sound waves emitted by the annular shock wave source, a large axial extent of the parabolic mirror is required. Since the ultrasonic waves emanating from the first shock wave source propagate in all spatial directions and do not propagate as a parallel beam, the quality of the focus generated by the second shock wave source is unsatisfactory.
For changing the axial position of the focus of an ultrasonic shock wave, it is known from EP 0 486 815 A1 to use a focusing device which consists of a plurality of liquid-filled intermediate spaces whose interfaces are dimensionally flexible,
so that their contour and thus their imaging properties can be changed by the amount of filling.
From EP 0 421 290 A1 an ultrasonic shock wave transducer is known, which consists of a plurality of segments, which tilt each other or whose mutual distance can be changed. Each of these segments generates a point-like focus, so that there is a variable expansion of the focus area in superimpositions of the shock waves generated by the segments.
The two latter devices have the disadvantage that a change in the focus of a mechanical change in the imaging geometry is required.
Alternatively, J.Y.
Chapelon et al., "The Feasibility of Tissue Ablation Using High Intensity Electronically Focused Ultrasound," Proceedings IEEE Ultrasonic Symposium, pages 1211-1214, discloses an annular array whose individual transducer elements can be driven in a phase-delayed manner so that the depth of focus can be electronically adjusted is. However, the control of such a phased array is technically complicated.
The invention is based on the object to provide a device for generating ultrasound beams for ultrasound therapy, which allows a simple way to change the focus position or the focus shape at the same time high focus quality.
The above object is achieved with a device having the features of claim 1.
According to these features, means for generating ultrasound beams for ultrasound therapy includes a plurality of separately controllable ultrasound transmitters that generate ultrasound beams whose respective foci are different from each other, i. are in different locations and / or have different diameters. Each ultrasound transmitter comprises an ultrasound source, which is associated with a lens arranged close to the emission surface of the ultrasound source for focusing the ultrasound beams generated by it. With each ultrasound transmitter, focused ultrasound beams suitable for ultrasound therapy can thus be produced with high focus quality, even when it is driven alone, since the lenses are arranged close to the emission surfaces of the ultrasound sources.
The choice of the ultrasound transmitter used depends only on the requirements of the properties of the focus given in the specific therapeutic situation, i. primarily its depth and focus extent, from. Since a plurality of ultrasound transmitters having different foci are provided, different therapeutic requirements can be met with one and the same device without the need for time-consuming reconstructions. In addition, since each ultrasonic transmitter generates a therapeutically usable focused ultrasound beam for itself, eliminating the need for a complex phase-delayed control of a variety of ultrasound transmitters.
Furthermore, the use of lenses for imaging ultrasound sources can be used, which have a flat radiating surface and thus a structurally simple structure.
In particular, in conjunction with ultrasound sources with flat radiating surfaces, the use of plano-concave lenses is advantageous, the plane surface of each of which faces its associated ultrasound source.
This enables a compact construction of the device, since the lenses are directly, i. flush with the surface can be coupled to the radiating surface.
In a further advantageous embodiment, the belonging to different ultrasonic transmitters lenses are constructed of different materials.
A particularly compact design can be realized when the ultrasonic transmitter having a rotationally symmetric about a common center axis transmitting surface and each generate a focus that lies on this common center axis.
The above object is also achieved with a device having the features of claim 5.
Instead of the use of lenses for generating focused shock waves according to claim 5, the use of ultrasound sources is provided, which from the outset have a curved radiating surface such that the ultrasound waves emitted by them are focused.
For further explanation of the invention reference is made to the embodiments of the drawing. Show it:
<Tb> FIG. 1 <sep> a device according to the invention in a schematic schematic diagram,
<Tb> FIG. FIG. 2 shows an alternative embodiment of the invention with an acoustic lens composed of materials having a different acoustic propagation velocity, FIG.
<Tb> FIG. 3 <sep> an embodiment which only allows a variation of the shape of the focus area,
<Tb> FIG. 4 shows an alternative embodiment with ultrasound sources having a curved radiating surface.
According to FIG. 1, a device for generating an ultrasound beam U1, U2, U3 for ultrasound therapy comprises a plurality of ultrasound transmitters S1 to S3, which are arranged concentrically about a common center axis A and have a transmitting surface rotationally symmetrical about this axis. Each ultrasonic transmitter S1 to S3 includes an ultrasonic source Q1 to Q3 having a plane radiating surface. The internal ultrasonic source Q1 has a circular disk-shaped radiating surface, while the external ultrasonic sources Q2 and Q3 each have annular radiating surfaces.
Each ultrasound source Q1 to Q3 is assigned a plano-concave acoustic lens L1 to L3 whose concave surfaces have mutually different radii of curvature, so that the foci F1 to F3 respectively associated with the ultrasound transmitters S1 to S3 lie on these common central axes A at spatially different locations. The outer lenses L2, L3 are annular, while the inner lens L1 is formed by a plano-concave disk.
The lenses L1 to L3 are with their plane surfaces close to the radiating surfaces of the ultrasonic sources Q1 to Q3, i. at a distance which is smaller than 10 cm, preferably arranged in a distance range between 0.1 and 4 cm.
The ultrasonic transmitters S1 to S3 are individually controllable, so that, depending on the selection of the controlled ultrasonic transmitter (in the figure S1) results in a different depth of focus (in the figure ultrasonic beam U1 with focus F1).
If a plurality of ultrasound transmitters S1 to S3 are actuated simultaneously, a change in the spatial position and extent of the focus area results, depending on the selection of the ultrasound transmitters S1 to S3.
In the alternative embodiment according to FIG. 2, instead of a concentric lens arrangement with different radii of curvature, a concentric arrangement of lenses M1, M2 is provided whose concave surfaces have the same radius of curvature, but which consist of materials in which the ultrasound at different speeds spreads, so that in this case, the spatial position of them Foki F1 or
F2 makes a difference.
In the embodiment according to FIG. 3, a concentric arrangement of ultrasound transmitters S1 and S2 is provided, whose ultrasound sources Q1 and Q2 are assigned a single plano-concave lens L. Although the depth position of the foci F1 or F2 of the ultrasound beams U1 and U2 respectively generated by the ultrasound transmitters S1 and S2 is identical with this device, their extent (focus diameter and focus length) is different and thus by selection or combination of the controlled ultrasound transmitters S1 and S2 S2 changeable.
If only the innermost ultrasonic transmitter S1 is activated, the result is a focus F1 with a larger diameter d1 than when the external ultrasonic transmitter S2 is activated, which generates an ultrasound beam U2 with a focus with a smaller focal length and a smaller diameter d2.
Instead of using imaging devices, it is also possible in principle to provide the sound-radiating surfaces of the ultrasound sources Q1 to Q3 themselves with a radius of curvature in order to achieve the desired focus, as illustrated schematically in FIG. 4.
The invention is also not limited to concentric, annular arrangements of the ultrasonic transmitter.
Rather, it is sufficient if the device contains a plurality of ultrasound transmitters, which can be controlled separately from one another, and which generate ultrasound beams whose respective foci have different properties (focal position, focal length or focus diameter).