DD286433A5

DD286433A5 - Vorrichtung zur ultrabestrahlung, in der eine buendelnde und schwingende piezokeramik eingesetzt ist

Info

Publication number: DD286433A5
Application number: DD89333933A
Authority: DD
Inventors: Jacques Dory
Original assignee: ��@��k��
Priority date: 1988-10-27
Filing date: 1989-10-26
Publication date: 1991-01-24
Also published as: ATE90470T1; CA2001669A1; RU1829928C; EP0370841B1; JPH0779824B2; MA21658A1; ES2045507T3; JPH02177957A; FR2638532A1; FR2638532B1; DE68907024T2; CA2001669C; DE68907024D1; EP0370841A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ultraschallbehandlung, in der eine buendelnde und schwingende Piezokeramik eingesetzt ist, bei welcher die Ultraschallbehandlungsvorrichtung mit einem Leistungswandler in Form einer sphaerischen Schale ausgeruestet ist, die zugleich als Behandlungswellenerzeuger und als echographischer Sender-Empfaenger dient. Der Wandler wird waehrend der Dauer der Behandlung in Schwingung versetzt, um eine Sektorabtastung vom Typ B zu erhalten, und wird mit Behandlungswellen lediglich in einem beschraenkten Winkelsektor der Abtastung und mit Echowellen im uebrigen Teil des abgetasteten Sektors erregt. Fig. 1{Ultraschallbehandlung; Piezokeramik, buendelnd, schwingend; Schale, sphaerisch; Sektorabtastung; Behandlungswellen; Echowellen; Leistungswandler}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Behandlung von anatomischen Anomalien durch einen fokussieren Ultraschallstrahl und speziell die Behandlung von nicht tiefliegenden Strukturen, bei denen der Bfennfleck relativ fein sein muß.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Das französische Patent Nr. 84 06877 beschreibt eine Hyperthermievorrichtung unter Verwendung eines Leistungswandlers in Form einer sphärischen Schale, die Ultraschallwellenzüge mit Frequenzen von beispielsweise 50OkHz erzeugt. Die Lokalisierung des anatomischen Zielobjekts und seine Beobachtung während der Applikationen des Strahls erfolgen mit Hilfe eines Hilfswandlers, der mechanisch mit der Schale gekoppelt ist und durch einen Echoimpulsgenerator mit einer Frequenz von beispielsweise 5 MHz erregt wird.

Mit dieser Vorrichtung können tiefliegende Gewebe behandelt werden, wobei die Wellen mit der Frequenz von 50OkHz während ihrer Ausbreitung in den Geweben eino relativ geringe Absorption erfahren. Auf Grund ihrer Größe (Durchmesser 200 bis 300mm zum Beispiel) kann die Schale in keine schnelle Bewegung versetzt werden, die eine echographische Abtastung in Echtzeit gestattete, und in jedem Fall wäre ihre Betriebsfrequenz nicht für die Bildung echographischer Bilder in guter Qualität geeignet.

Es wurde vor allem in der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. 58108431 vorgeschlagen, den Leistungswandler abwechselnd für di j Behandlung und die Echographie zu verwenden. Wenn ein solches Prinzip mit einem feststehenden Leistungswandler angewendet wird, wird entweder eine Echographie vom Typ A ausgeführt, die nur Angaben über die Entfernung vom Ziel liefert, oder eine Abtastung durch den Echostrahl unter Erregung des Wandlers mit untereinander phasenverschobenen Wallen erzeugt. Diese letztere Lösung ist kompliziert und liefert keine Abtastung des Ziels in einem ausreichenden Winkel. Außerdem gestattet dieses Prinzip keine Beobachtung des Ziels während der Behandlungsfolge.

Ziel der Erfindung

Ziei der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden.

Darlegung des Wesens der Erfindung'

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Leistungswandler zur Behandlung von Strukturen zu schaffen, mit dessen Hilfe es möglich ist, feine Brennflecken zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Leistungswandler während der Benandlungsdauer mechanisch in Schwingung zu

versetzen mit einer Geschwindigkeit und mit einer Schwingamplitude, die zur Erzielung einer echographischen Abtastung des

Zielobjekte In Echtzeit, und vorzugsweise einer Sektorabtastung von Typ B und in einem vorherbestimmten, begrenzten Winkelsektor geeignet sind, weiterhin diesen Wandler mit Behandlungswellen zu erregen (zumindest während bestimmter Abtastperioden), wohingegen während wenigstens einem Teil des übrigen abgetasteten Sektors der Wandler mit Echoimpulsen

erregt wird.

Der begrenzte Winkelsektor wird durch einen Winkelstellungsgeber festgelegt, während die Sendezeitpunkte der Behandlungsweile ausgehend von den Angaben dieses Gebers durch logische Mittel, die Leistungssenderechteckimpulse

erzeugen, bestimmt werden.

Die Echographiesendung und die Leistungssendung nutzen den gleichen Erregungserzeuger, der mit der gleichen Frequenz

arbeitet.

Die Erfindung ist weiterhin gekennzeichnet durch eine lineare Schwingungsbbewegung des Wandlers. So ist in Anbetracht der relativ kurzen Dauer jedes Ultraschallstrahlenschusses im Verhältnis zur Schwingungsphase die mittlere Leistung bei einigen Behandlungsphasen ausreichend. Die Erfindung betrifft hauptsächlich die Behandlung von Strukturen, die sich nui wenige cm unter der Haut befinden, zum Beispiel Augenstrukturon oder Blutgefäße. Bei solchen Anwendungsfällen werden meist Behandlungswellen mit Frequenzen

von S bis 10MHz eingesetzt, die die notwendigen sehr feinen Brennflecken liefern. Obwohl die Absorption dieser Wellen in den

Gsweben sehr stark ist, bleibt die mittlere erforderliche Leistung in der Größenordnung von 1 kW aufgrund der erheblichen Erwärmung der Gewebe. Da der Leistungswandler nun einen relativ geringen Durchmesser, zum Beispiel 70 mm, haben kann, ist es möglich, ihn mit Hilfe

eines Elektromotors in Schwingung zu versetzen.

Ausführungsbeispiele

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung gehen deutlich aus dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel hervor. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1: schematisch eine Behandlungsvorrichtung, die einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entspricht; Fig. 2: die entsprechenden Wellenformen; Fig. 3: den Wandlerkomplex.

In der Fig. 1 wurde eine sphärische Schale 1 aus Piezokeramik dargestellt, die so montiert ist, daß sie vorzugsweise um eine Achse schwingt, die die Schale an ihrem Scheitel 6 tangiert. Die Schwingungswinkelamplitude liegt beispielsweise zwischen

30 und 60°. Mit Strich-Punkt-Linien wurden die Grenzen des so durch die Achse SF der Schale abgetasteten flachen Sektors undmit gestrichelter Linie der im Fokus fokusslerte, von der Schale 1 in ihrer Mittelstellung emittierte Strahl dargestellt.

Die schwingende Bewegung der Schale wird auf bekannte Weise mit einem Elektromotor 2 erreicht, der von einem Abtastgenerator 3 über einen Verstärker 4 gesteuert wird. Ein an sich bekannter Winkelstellungsgeber 6 liefert βίη elektrisches Signal mit einer Amplitude, die sich in linearer Abhängigkeit vom Winkel Θ ändert, den die Achse SF mit ihrer Bezugsmittellage

bildet.

Zum Beispiel kann ein solcher Winkelstellungsgeber 5 einen Dauermagneten enthalten, der mit der Welle des Elektromotors 2

formschlüssig verbunden ist und mit einem Magnetfeldgeber zusammenwirkt.

Das Kennsignal Θ wird an zwei Operationsverstärker 6 und 7 angelegt, die übrigen zwei Kennbezugssignale von zwei besonderen Werten von Θ, nämlich Θ| und O₂, empfangen. Diese Bezugssignale sind jeweils mit den Potentiometern 60 und 70 regelbar. Die Ausgänge der Vorstärker β und 7, die sich jeweils auf dem Pegel L befinden, wenn Θ a Θ, und Θ &O₂, sind mit den Eingängen

eir.es NAND-Gatters 8 verbunden, das einen Modulator 9 steuert. Der Ausgang des Modulators 9 ist mit dem Steuereingangeines Senders 10 über ein ODER-Gatter 11 verbunden, das übrigens Synchronisationssignale von einem Taktgeber 12 empfängt.

Der Sender 10 steuert die Schale 1 an. Diese hat zum Beispiel einen Durchmesser von 70mm und besteht in bekannter Weise aus

einer Vielzahl piezoelektrischer Elemente, die voneinander isoliert und mosaikartig nebeneinander angeordnet sind.

Der Sender 10 kann in Wirklichkeit mehrere Sendevorrichtungen enthalten, die jeweils eine Gruppe von Elementen der Schale 1

erregen. Da das Verfahren bekannt ist, nimmt man zwecks Einfachheit der Darstellung an, daß der Sender 10 nur ein einziges

Signal erzeugt, das - wie in der Folge erklärt wird - gleichzeitig zur Behandlung bestimmte Leistungswellenzuge und

echographische Impulse enthält. Für diese beiden Sendearten ist die Trägerfrequenz vorzugsweise die gleiche, zum Beispiel

Die Schale 1 dient gleichzeitig als Sendewandler der Leistungswellen und der Echoimpulse und als Empfangswandler der durch

die Reflektierung der echographischen Impulse an dem Zielobjekt gebildeten Echos.

Die empfangenen Echos werden zu einer echographischen Vorrichtung 13 des an sich bekannten Typs über einen Verstärker 14

übertragen.

Fig. 2 zeigt in (a) das Sägezahnsignal, das vom Abtastgenerator 3 erzeugt wird. Beispielsweise hat dieses Signal eine Periode von

1/5see, so daß die Schwingungsfrequenz der Schale 5Hz beträgt.

In (b) wurde das Ausgangssignal des Verstärkers 6 dargestellt, das sich auf Pegel L befindet, wenn Θ a O₁, und in (c) das Ausgangssignal des Verstärkers 7, das sich auf Pegel L befindet, wenn O a O₂. Das Signal (d) am Ausgang des Gatters 8 enthält

somit einen Rechteckimpuls auf dem Logikpegel L, wenn Θι < Θ s O₂, d. h. zweimal je Periode. In den Intervallen zwischendiesen Rechteckimpulsen (d) überträgt das Gatter 11 die Impulse des Taktgebers 12 zum Sender 10, die zum Beispiel eine hohe

Frequenz von 5MHz (damit eine Dauer von 0,2 μβ) und eine Rücklauffrequenz von 1OkHz haben. Diese Werte eignen sich zur Bildung eines echographischen Bildes von guter Qualität mit einer Abtastfrequenz von 5 Hz. Während der Dauer der

echographischen Sendung kann ein Arbeiten des Senders 10 mit reduzierter Leistung in Betracht gezogen werden, indem zum

Beispiel seine Speisespannung verringert wird. Während der Dauer jedes Rechteckirnpulses (d), die zum Beispiel 20 ms beträgt, erzeugt der Sender 10 Behandlungswellen mit

der hohen Frequenz von 5MHz.

Die Werte Θ, und O₂ werden so geregelt, daß sich das Ziel im Schußw'inkel des Strahls befindet. Nach einer anfänglichen Lokalisierung des Ziels, die dadurch erfolgt, daß die schwingende Schale räumlich so verschoben wird,

bis eine Markierung, die auf dem Bildschirm der Echographievorrlchtungt die thnroretische Stellung ihres Brennpunktes F

verkörpert, mit dem echographischen Bild der zu behandelnden Zone in Übereinstimmung gebracht wird, können Θ, und Q₂eingestellt werden, um das genaue Ziel in der zu behandelnden Zone anzuvisieren. Im Fall der Verschiebung dos Ziels im Vorlaufder Behandlung oder wenn festgestellt wird, daß die Strahlenschüsse schlecht gezielt sind, genügt eine Korrektur der

Lokalisation durch eine kleine Verschiebung der Schwingschale. Fig. 3ze!gt, daß die schwingende Schale 1 und der Motor 2, der sie In Schwingung versetzt, in eine Koppelflüssigkeit eingetaucht

sind, die sich in einem Gehäuse 15 befindet, dessen Vorderseite mit einer für Ultraschall durchlässigen, nachgiebigen

Membrjan 150 versehen ist. Diese Membran hat eine ausreichend große Fläche, um den echographischen Abtastkegel zu

übertragen und wird mit der Haut des Patienten in Berührung gebracht.

Je nach Tiefe des Tumors werden die Behandlungswellen innerhalb jedes Rechteckimpulses in diskontinuierlichen Zügen

ausgesendet, wobei die Sendedauer für jeden Wellenzug zwischen einigen Zehn und einigen Hundert μα variieren kann. Die

Spitzensendeleistung, die um so größer ist, je kürzer der Wellenzug ist, kann mehrere Hundert kW erreichen, wobei die hohen Spitzenleistungen und die kurzen Sendungen den Vorteil haben, daß die Thermodiffusion, die die Präzision der Wellenapplikationen verringern würde, vermieden wird. Wenn die für die Behandlung erwünschte durchschnittliche Leistung hoch ist, kann in Betracht gezogen werden, daß die Geschwindigkeit des Motors im Verlauf jedes Abtastzyklus so verändert wird, daß sich die Abtastung während der Senderechteckimpulse der Behandlungswellen verlangsamt. Anstelle der Sektorabtastung könnte der Einsatz einer linearen Abtastung vorgesehen und zu diesem Zweck der Wandler einer

linearen Schwingbewegung unterzogen werden.

Claims

1. Vorrichtung zur Ultraschallbehandlung, in der eine bündelnde und schwingende Piezokeramik eingesetzt ist, die einen Leistungswandler in Form einer selbstkassierenden Schale enthält, die mit einem Leistungserregungserzeuger und mit einer Echographievorrichtung verbunden ist, die diesen Wandler als Echoempfängee nutzt, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel enthält, um diesen Wandler während der Behandlungsdauer mit einer Geschwindigkeit und einer Schwingungsamplitude, die zur Erzielung einer echographischen Abtastung in Echtzeit geeignet sind, in Schwingung zu versetzen, und weiterhin Mittel (5 bis 12) zur Erregung dieses Wandlers mit Behandlungswellen zu den Zeitpunkten, in denen der ausgesendete Wellenstrahl eine vorherbestimmte begrenzte Zone des Wellenapplikationsraumes abtastet, und Mittel zur Erregung des Wandlers mit Echowellen während der Intervalle zwischen diesen Zeitpunkten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung eine Sektorabtastung vom Typ B ist und die besagten Zeitpunkte dem Übergang des Strahls in einen vorherbestimmten begrenzten Winkelsekior entsprechen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieser begrenzte Sektor durch einen Winkelstellungsgeber (5) festgelegt wird, während die Sendezeitpunkte der Behandlungswelle ausgehend von den Angaben dieses Gebers durch logische mittel (6 bis 11), die Leistungscenderrechteckimpulse erzeugen, bestimmt werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Echographiesendung und die Leistungssendung den gleichen Erregungserzeuger (10), der mit der gleichen Frequenz arbeitet, nutzen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine lineare Schwingungsbewegung des Wandlers.