CH698341B1 - Verfahren zum Erzeugen eines Ultraschallbildes sowie Lithotripsie-Einrichtung. - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Erzeugen eines den Stosswellenfokus einer Stosswellenquelle einer Lithotripsie-Einrichtung enthaltenden Ultraschallbildes sowie nach diesem Verfahren betriebene Lithotripsie-Einrichtung. Bei einem Verfahren zum Erzeugen eines den Stosswellenfokus (F) einer Stosswellenquelle einer Lithotripsie-Einrichtung enthaltenden Ultraschallbildes (B), das mit einem Ultraschallwandler (10) erzeugt wird, dessen Abstand (a) zum Stosswellenfokus (F) verstellbar ist, und in dem die aktuelle Lage (m 0 , m 1 ) des Stosswellenfokus (F) mit einer Markierung (M) wiedergegeben wird, und bei einer mit diesem Verfahren betriebene Lithotripsie-Einrichtung, wird die Fokustiefe (d 0 , d 1 ) des vom Ultraschallwandler 10 gesendeten und/oder empfangenen Ultraschallfeldes durch Auswerten des empfangenen Ultraschallfeldes automatisch der sich beim Verändern des Abstandes (a) verändernden Tiefe (t) des Stosswellenfokus (F) nachgeführt.

Description

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen eines den Stosswellenfokus einer Stosswellenquelle einer Lithotripsie-Einrichtung enthaltenden Ultraschallbildes. Ausserdem bezieht sich die Erfindung auf eine nach diesem Verfahren betriebene Lithotripsie-Einrichtung.

[0002] Bei der Lithotripsie handelt es sich um eine therapeutische Methode, ein im Körper eines Lebewesens befindliches Konkrement ohne operativen Eingriff mit Hilfe einer fokussierten Ultraschallstosswelle zu zerstören, die von einer in einem Stosswellenkopf angeordneten Stosswellenquelle erzeugt wird. Die Stosswellenquelle wird hierzu mit einem Koppelbalg an die Körperoberfläche eines Patienten akustisch angekoppelt, der mit einem Koppelfluid, in der Regel Wasser, gefüllt ist. Um Schäden im das Konkrement umgebenden Gewebe weitgehend zu vermeiden, ist es erforderlich, den Fokus des Lithotripters exakt im Konkrement zu positionieren. Zur Unterstützung dieser Positionierung ist es bekannt, bildgebende Ultraschallgeräte zu verwenden, mit denen Ultraschallbilder, in der Regel B-Bilder, aus der Umgebung des Stosswellenfokus erzeugt werden. Die Ultraschallwandler dieser Ultraschallgeräte befinden sich entweder ausserhalb des Stosswellenkopfes (Outlinie-Anordnung) oder innerhalb des Stosswellenkopfes. Wenn sich der Ultraschallwandler innerhalb des Stosswellenkopfes in dessen Zentrum befindet, wird dies als Inline-Anordnung bezeichnet. Die Ultraschallwandler dienen zum Erfassen der Lage des Konkrementes, um dieses im Fokus der Stosswellenquelle korrekt zu positionieren. Die Lage dieser Ultraschallwandler relativ zur Lage des Stosswellenfokus, d.h. deren Ort und deren Ausrichtung (Lage der Mittenachse der von diesen gesendeten Ultraschallwellen), ist bekannt, so dass im Ultraschallbild die Lage des Stosswellenfokus mit einer Markierung angezeigt werden kann.

[0003] Das vom Ultraschallwandler erzeugte B-Bild hat die grösste laterale Auflösung in der Echotiefe, in der die gesendeten Ultraschallwellen fokussiert sind (Fokustiefe). Diese Fokustiefe kann vom Benutzer eingestellt werden, um das Auffinden des Konkrements zu erleichtern. Wenn der Benutzer das Konkrement im Ultraschallbild gefunden hat, verändert er die relative Lage zwischen Stosswellenquelle und Patient so lange, bis sich das Konkrement im Ultraschallbild innerhalb eines in diesem mit einer Markierung angezeigten Stosswellenfokus der Stosswellenquelle befindet. Bei dieser Lageveränderung wandert das Konkrement aus der vom Benutzer zum Auffinden eingestellten Fokustiefe aus. Dies kann im ungünstigsten Fall dazu führen, dass das Konkrement im Ultraschallbild nicht mehr zu erkennen ist.

[0004] Aus der DE 19 520 749 C1 ist es beispielsweise bekannt, die Fokustiefe des Ultraschallwandlers entsprechend der Lageveränderung unter Berücksichtigung eines Positionsgebersignals des Lithotripters einzustellen.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren zum Erzeugen eines den Stosswellenfokus einer Stosswellenquelle enthaltenden Ultraschallbildes einer Lithotripsie-Einrichtung anzugeben, bei der die korrekte Positionierung des Konkrements im Stosswellenfokus der Stosswellenquelle erleichtert ist. Ausserdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine nach diesem Verfahren betriebene Lithotripsie-Einrichtung anzugeben.

[0006] Hinsichtlich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe gemäss der Erfindung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Gemäss diesen Merkmalen wird bei einem Verfahren zum Erzeugen eines den Stosswellenfokus einer Stosswellenquelle einer Lithotripsie-Einrichtung enthaltenden Ultraschallbildes, das mit dem Ultraschallwandler erzeugt wird, dessen Abstand zum Stosswellenfokus verstellbar ist, und in dem die aktuelle Lage des Stosswellenfokus mit einer Markierung wiedergegeben wird, die Fokustiefe des vom Ultraschallwandler gesendeten und/oder empfangenen Ultraschallfeldes durch Auswerten des empfangenen Ultraschallfeldes automatisch der sich beim Verändern des Abstandes verändernden Tiefe des Stosswellenfokus (F) nachgeführt wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das Ultraschallbild stets in der vom Anwender gewünschten und in fester Relativposition zum Stosswellenfokus befindlichen Zone (region of interest) die grösstmögliche laterale Auflösung aufweist, so dass das im Stosswellenfokus positionierte Konkrement im Ultraschallbild optimal dargestellt wird. Ausserdem erfolgt die Fokustiefennachführung intern im Ultraschallgerät. Es sind somit keine externen Signale der Lithotripsie-Einrichtung notwendig.

[0007] In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden zur Fokusnachführung die Laufzeiten von Echosignalen herangezogen, die an einer Grenzschicht zwischen Wasservorlaufstrecke und einem an den Körper eines Patienten anlegbaren Koppelbalg reflektiert werden. Die Wasservorlaufstrecke ist die üblicherweise mit Wasser gefüllte Strecke, die ein Ultraschallsignal zurücklegt, bevor es in das gewünschte Objekt eingekoppelt wird, und wird daher von dem Ultraschallwandler und dem Koppelbalg begrenzt. Sie ist nahezu frei von Reflexionen. Die ersten starken Reflexionen werden daher an der Grenzschicht von der Wasservorlaufstrecke zum am Körper des Patienten liegenden Koppelbalg hervorgerufen. Um die Länge der Wasservorlaufstrecke zu bestimmen, wird die Laufzeit eines von der Grenzschicht reflektierten Echosignals, das vom Ultraschallwandler empfangen wird, gemessen. Da durch das Wasser in der Wasservorlaufstrecke selbst keine Reflexionen hervorgerufen werden, ist das erste nennenswerte Echo, das vom Ultraschallwandler nach Beginn des Sendens empfangen wird dasjenige, das den kürzesten Weg zwischen Ultraschallwandler und Grenzschicht – die Wasservorlaufstrecke – zurückgelegt hat. Wenn der Ultraschallwandler bezüglich der Stosswellenquelle bewegt wird, wird auch die Länge der Wasservorlaufstrecke verändert. Diese Längenänderung kann durch Auswertung der entsprechenden Echosignale detektiert werden und dient als Mass für die Fokustiefennachführung.

[0008] Durch Luftblasen, insbesondere Kavitationsblasen oder andere schwimmende Partikel innerhalb des Koppelbalgs können jedoch Artefakte hervorgerufen werden, die zu einer Fehlinterpretation von Echosignalen führen können. Um dies zu vermeiden, werden bei einer bevorzugten Ausführungsform die an der Grenzschicht reflektierten Echosignale durch Auswerten des Ultraschallbildes identifiziert. Dazu wird zunächst eine Mehrzahl von aus unterschiedlichen Richtungen gesendeten Ultraschallsignalen und deren Echos in Betracht gezogen. Es können danach entweder mittels Signalverarbeitung Echodaten von einzelnen aus unterschiedlichen Richtungen gesendeten Ultraschallsignalen herausgefiltert werden oder es wird mittels Bilderkennung die Grenzschicht zwischen Wasser und Koppelbalg identifiziert.

[0009] Vorzugsweise wird die Fokustiefe des Ultraschallfeldes stets auf die Tiefe des Stosswellenfokus eingestellt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Auflösung in der Umgebung des Stosswellenfokus maximal ist, so dass das korrekt positionierte Konkrement im Ultraschallbild stets optimal dargestellt ist.

[0010] Hinsichtlich der Lithotripsie-Einrichtung wird die Aufgabe gemäss der Erfindung gelöst mit einer Lithotripsie-Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5, deren Vorteile sinngemäss den zu den Verfahrensansprüchen jeweils angegebenen Vorteilen entsprechen.

[0011] Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das Ausführungsbeispiel der Zeichnung verwiesen. Es zeigen: <tb>Fig. 1<sep>eine Lithotripsie-Einrichtung gemäss der Erfindung in einer schematischen Prinzipdarstellung, <tb>Fig. 2<sep>ein den Stosswellenfokus der Stosswellenquelle enthaltendes Ultraschallbild, in dem die automatische Einstellung der Tiefenlage des Fokus des Ultraschallfeldes veranschaulicht ist.

[0012] Gemäss Fig. 1 enthält eine Lithotripsie-Einrichtung gemäss der Erfindung einen Lithotripter 2 mit einem bogenförmigen Tragarm 4, an dem ein Stosswellenkopf 6 angeordnet ist. Dem Lithotripter 2 ist ein bildgebendes Ultraschallgerät 8 zugeordnet, das einen im Stosswellenkopf. 6 angeordneten, in Richtung seiner Mittenachse verschiebbaren Ultraschallwandler 10 steuert und die von diesem empfangenen Echosignale zu einem in einem Monitor 12 wiedergegebenen Ultraschallbild verarbeitet. Der Lithotripter 2 und das Ultraschallgerät 8 können mit Hilfe von Bedien- und Eingabeelementen gesteuert werden, die in der Figur beispielhaft durch Tastaturen 14a, b veranschaulicht sind.

[0013] Im Ausführungsbeispiel ist der Ultraschallwandler 10 im Stosswellenkopf 6 derart angeordnet, dass die Mittenachse der vom Ultraschallwandler 10 erzeugten Ultraschallwellen mit der Mittenachse der von einer im Stosswellenkopf angeordneten Stosswellenquelle erzeugten und in einem Stosswellenfokus F fokussierten Stosswelle zusammenfällt (Inline-Anordnung).

[0014] Der Ultraschallwandler 10 ist eine aus einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Ultraschallwandlerelementen aufgebaute lineare oder gekrümmte Ultraschallwandleranordnung, deren einzelne jeweils zum Senden oder Empfang verwendeten Ultraschallwandlerelemente zur Einstellung der Fokustiefe des von ihnen erzeugten oder empfangenen Ultraschallfeldes untereinander phasenverzögert angesteuert werden können. Bei dieser Ultraschallwandleranordnung kann es sich um ein lineares Array handeln, mit dem ein Linearscan oder bei phasenverzögerter Ansteuerung der einzelnen Ultraschallwandlerelemente ein elektronischer Schwenk durchgeführt werden kann. Alternativ hierzu kann auch ein gekrümmtes Array vorgesehen sein, um einen Raumwinkel darzustellen.

[0015] Der Ultraschallwandler 10 kann in Richtung seiner Mittenachse verschoben sowie um diese geschwenkt werden, so dass sich der Stosswellenfokus F stets auf einer in der Mitte des Bildfeldes liegenden Achse befindet. Der Abstand a zwischen der Sendefläche des Ultraschallwandlers 10 und dem Stosswellenfokus F ist für jede Position des Ultraschallwandlers 10 bekannt, so dass sich der Stosswellenfokus F im Ultraschallbild in einer bekannten Tiefe an einer bekannten Bildposition befindet.

[0016] Die Bildposition des Stosswellenfokus F ist bekannt und wird gemäss Fig. 2 im Ultraschallbild B mit einer Markierung M angezeigt.

[0017] In einer Ausgangsposition ist die Fokustiefe d des vom Ultraschallwandler gesendeten Ultraschallfeldes auf die aktuelle Lage des Stosswellenfokus F eingestellt und befindet sich im Ultraschallbild an der Markierung M. Der Anwender kann nun mit Hilfe der Eingabeelemente 14a, b (Fig. 1) die Fokustiefe d verändern, so dass diese nicht mehr der Tiefe t des Stosswellenfokus F entspricht. Ein solcher Offset D = t–d dient beispielsweise dazu, eine vor oder hinter dem Stosswellenfokus F liegende Zone besonders kontrastreich und hochaufgelöst abzubilden.

[0018] Wenn nun der Anwender den Ultraschallwandler axial um eine bekannte Wegstrecke s verschiebt, verschiebt sich die Bildposition der Markierung M automatisch um einen dieser Wegstrecke s entsprechenden Betrag. Zugleich wird die Fokustiefe d ebenfalls um diese Wegstrecke s geändert, um sicherzustellen, dass sich diese noch im selben Abstand zum Stosswellenfokus F befindet.

[0019] In Fig. 2 ist nun eine Situation dargestellt, in der sich die Markierung M und damit der Stosswellenfokus F des Stosswellenfeldes in einer Ausgangsposition m0 in einer Tiefe t0 befindet und mit der Fokustiefe d0 des vom Ultraschallwandler zur Bildgebung erzeugten Ultraschallfeldes zusammenfällt (kein Offset). Wenn sich nun durch Verschieben des Ultraschallwandlers 10 entlang der Mittenachse um eine bekannte Wegstrecke s der Abstand a zwischen Ultraschallwandler 10 und Stosswellenfokus F verändert, im dargestellten Ausführungsbeispiel vergrössert, verschiebt sich die Markierung M in Richtung des Pfeiles 20 in die in einer Tiefe t1befindliche Bildposition m1. Bei dieser Verschiebung wird die Fokustiefe d des Ultraschallfeldes automatisch nachgeführt und auf die der Tiefe t1 der Markierung M in der Position m1 entsprechende aktuelle Fokustiefe d1 eingestellt. Das Nachführen der Fokustiefe d des vom Ultraschallwandler 10 erzeugten Ultraschallfeldes erfolgt mit Hilfe eines Steuersignals S zum Ansteuern des Ultraschallwandlers 10, das in einer nur schematisch in der Fig. 2 angedeuteten Steuer- und Auswerteeinrichtung 22 im Ultraschallgerät 8 (Fig. 1) in Abhängigkeit vom aktuellen Abstand a und gegebenenfalls von einem vom Anwender eingestellten Offset D generiert wird. Dazu werden die Eigenschaften der Ausbreitung von Ultraschall durch die Wasservorlaufstrecke verwendet. Da die Wasservorlaufstrecke nahezu frei von Reflexionen ist, werden die ersten starken Reflexionen an der Grenzschicht von der Wasservorlaufstrecke zum am Körper des Patienten liegenden Koppelbalges hervorgerufen. Diese Reflexionen können automatisch durch Signalbearbeitungstechniken detektiert werden und können dazu verwendet werden, um die Länge der Wasservorlaufstrecke zu bestimmen. Die einfachste Methode ist es, die Laufzeit eines von der Grenzschicht reflektierten Echosignals zu messen. Da durch das Wasser in der Wasservorlaufstrecke selbst keine Reflexionen hervorgerufen werden, ist das erste nennenswerte Echo, das vom Ultraschallwandler 10 nach Beginn des Sendens empfangen wird dasjenige, das den kürzesten Weg zwischen Ultraschallwandler und Grenzschicht zurückgelegt hat. Wenn durch Bewegen des Ultraschallwandlers 10 entlang seiner Mittenachse um eine bekannte Wegstrecke s der Abstand a zwischen Ultraschallwandler 10 und Stosswellenfokus F verändert wird, wird auch die Länge der Wasservorlaufstrecke um diesen Betrag s verändert. Wenn der Fokus des Ultraschallwandlers 10 zu Anfang auf eine Tiefe d0 gesetzt wird und die Wasservorlaufstrecke zu dieser Zeit die Länge w0 aufweist, sollte eine Veränderung in der Wasservorlaufstrecke um einen Wert s auch zu einer entsprechenden Änderung der Fokustiefe d führen.

[0020] Insbesondere im Falle auftretender Artefakte, die durch Luftblasen oder andere schwimmende Partikel innerhalb des Koppelbalgs hervorgerufen werden, kann eine Mehrzahl von aus unterschiedlichen Richtungen gesendeten Ultraschallsignalen und deren Echos benutzt werden, um das Risiko einer Falschinterpretation der ersten starken durch den Ultraschallwandler empfangenen Reflexionen zu minimieren. In diesem Fall können entweder mittels Signalverarbeitung Echodaten von einzelnen aus unterschiedlichen Richtungen gesendeten Ultraschallsignalen herausgefiltert werden oder es wird mittels Bilderkennung die Grenzschicht zwischen Wasser und Koppelbalg identifiziert. Oder es kann ein einfacher Filter verwendet werden, der einen Durchschnitt der empfangenen Echosignale bildet, um dann die störenden Echos, die unter einem bestimmten Schwellwert liegen, zu unterdrücken. Alternativ kann ein nichtlinearer Medianfilter verwendet werden, mit dessen Hilfe die durch Artefakte hervorgerufenen Echodaten durch Nullen ersetzt werden, während der Filter die mehr oder weniger kontinuierlich auftretenden Echosignale, die von der Grenzschicht zwischen der Wasservorlaufstrecke und dem am Körper eines Patienten liegenden Koppelbalg erzeugt werden, nicht durch Nullen ersetzt.

[0021] Der Bilderkennungsansatz kann am besten eingesetzt werden, wenn in der Wasservorlaufstrecke viele Blasen vorhanden sind, beispielsweise durch Kavitation beim Einschalten des Lithotripters. Die Kavitation tritt vorwiegend nahe des Zentralstrahls in der Wasservorlaufstrecke auf. Wenn der Ultraschallwandler jedoch ein phased array ist, das einen Bereich von bis zu 90° abdecken kann, gibt es beachtliche Bereiche in dem Ultraschallbild auf jeder Seite der Zentralachse, wo keine Kavitation stattfindet. Diese Bildbereiche der Wasservorlaufstrecke bleiben relativ frei von Blasen, so dass die Grenzschicht zum Koppelbalg leicht in den entsprechenden Bildbereichen bestimmt werden kann. Ein Algorithmus, der die Grenzschicht des Koppelbalgs in einem derartigen Bild detektiert, bevor die Lithotripsie beginnt, kann dazu verwendet werden, jegliche Bewegung der Grenzschicht des Koppelbalgs innerhalb der verbleibenden sichtbaren Segmente des Bildes während und sofort nach einem Stosswelleneinsatz zu verfolgen. Die detektierte Bewegung der Grenzschicht entlang der Mittenachse des Ultraschallwandlers 10 ist ein Mass für s und kann dazu verwendet werden, die Fokustiefe auf die korrekte neue Position nachzuführen.

[0022] Im Falle eines vom Anwender eingestellten Offset D = t0–d0(Fokustiefe d des Ultraschallfeldes und Tiefe t des Stosswellenfokus fallen nicht zusammen) wird beim Verschieben des Ultraschallwandlers dessen Fokustiefe d automatisch entsprechend der Differenz t1–t0nachgeführt, so dass die Beziehung d1 = d0+ (t1–t0) erfüllt ist und der vom Anwender eingestellte Offset D erhalten bleibt.

Claims (5)

1. Verfahren zum Erzeugen eines den Stosswellenfokus (F) einer Stosswellenquelle einer Lithotripsie-Einrichtung enthaltenden Ultraschallbildes (B) mit einem Ultraschallwandler (10), dessen Abstand (a) zum Stosswellenfokus (F) verstellbar ist, wobei in dem Ultraschallbild (B) die aktuelle Lage (m0, m1) des Stosswellenfokus (F) mit einer Markierung (M) wiedergegeben wird und wobei die Fokustiefe (d0, d1) des vom Ultraschallwandler 10 gesendeten und/oder empfangenen Ultraschallfeldes durch Auswerten des empfangenen Ultraschallfeldes automatisch der sich beim Verändern des Abstandes (a) verändernden Tiefe (t) des Stosswellenfokus (F) nachgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Fokusnachführung die Laufzeitdaten von Echosignalen herangezogen werden, die an einer Grenzschicht zwischen Wasservorlaufstrecke und einem an den Körper eines Patienten anlegbaren Koppelbalg reflektiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem zur Fokusnachführung die an der Grenzschicht reflektierten Echosignale durch Auswerten des Ultraschallbildes identifiziert werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Fokustiefe des Ultraschallfeldes stets auf die Tiefe des Stosswellenfokus eingestellt wird.

5. Lithotripsie-Einrichtung mit einer Stosswellenquelle zum Erzeugen einer in einem Stosswellenfokus fokussierten Stosswelle und mit einem bildgebenden Ultraschallgerät zum Erzeugen eines den Stosswellenfokus enthaltenden und die aktuelle Lage des Stosswellenfokus mit einer Markierung wiedergebenden Ultraschallbildes mit einem Ultraschallwandler, dessen Abstand zum Stosswellenfokus verstellbar ist, sowie mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung zum automatischen Nachführen der Fokustiefe mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4.