DD286433A5 - ULTRA-RADIATION APPARATUS IN WHICH A BUILDING AND SWINGING PIEZO CERAMIC IS PLACED - Google Patents

ULTRA-RADIATION APPARATUS IN WHICH A BUILDING AND SWINGING PIEZO CERAMIC IS PLACED Download PDF

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DD286433A5
DD286433A5 DD89333933A DD33393389A DD286433A5 DD 286433 A5 DD286433 A5 DD 286433A5 DD 89333933 A DD89333933 A DD 89333933A DD 33393389 A DD33393389 A DD 33393389A DD 286433 A5 DD286433 A5 DD 286433A5
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Abstract

In an ultrasound treatment apparatus comprising a power transducer in the form of a spherical dish (1) both as generator of the treatment waves and as echographic emitter-receiver, the transducer is caused to oscillate (motor 2) during the period of the treatment, in order to obtain a sectoral scanning of type B, and excitation thereof takes place (circuits 1 to 14) with treatment waves only within a restricted angular sector of the scanning and with echographic waves within the remainder of the scanned sector. <IMAGE>

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

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.The invention relates to the treatment of anatomical anomalies by a focused ultrasound beam, and more particularly to the treatment of low-lying structures in which the blotch patch must be relatively fine.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

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.French Patent No. 84,06877 describes a hyperthermia device using a spherical shell power converter that generates ultrasonic wave trains at frequencies of, for example, 50 kHz. The localization of the anatomical target and its observation during the applications of the beam are accomplished by means of an auxiliary transducer mechanically coupled to the shell and energized by an echo pulse generator at a frequency of, for example, 5 MHz.

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.With this device, deep tissues can be treated, with the 50O kHz waves experiencing relatively low absorption during their propagation in the tissues. Due to their size (diameter 200 to 300mm, for example), the shell can not be spun into a fast motion that allows for echographic scanning in real time and, in any case, its operating frequency would not be suitable for forming good quality echographic images.

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.It has been proposed especially in Japanese Published Patent Application No. 58108431 to use the power converter alternately for the treatment and the echography. When such a principle is used with a fixed power converter, either Type A echography is performed, which provides only information about the distance from the target, or generates a scan through the echo beam while exciting the transducer with mutually phase-shifted ramps. This latter solution is complicated and does not provide a scan of the target at a sufficient angle. In addition, this principle does not allow observation of the target during the course of treatment.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziei der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden.Ziei of the invention is to avoid the disadvantages mentioned.

Darlegung des Wesens der Erfindung'Explanation of the essence of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Leistungswandler zur Behandlung von Strukturen zu schaffen, mit dessen Hilfe es möglich ist, feine Brennflecken zu schaffen.The object of the invention is to provide a power converter for the treatment of structures, with the help of which it is possible to create fine focal spots.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Leistungswandler während der Benandlungsdauer mechanisch in Schwingung zuAccording to the invention, it is proposed to mechanically vibrate the power converter during the aging period

versetzen mit einer Geschwindigkeit und mit einer Schwingamplitude, die zur Erzielung einer echographischen Abtastung desat a rate and with an amplitude of vibration necessary to obtain an echographic scan of the

Zielobjekte In Echtzeit, und vorzugsweise einer Sektorabtastung von Typ B und in einem vorherbestimmten, begrenztenTarget objects in real time, and preferably a sector scan of type B and in a predetermined, limited Winkelsektor geeignet sind, weiterhin diesen Wandler mit Behandlungswellen zu erregen (zumindest während bestimmterAngle sector are suitable to continue to excite this transducer with treatment waves (at least during certain Abtastperioden), wohingegen während wenigstens einem Teil des übrigen abgetasteten Sektors der Wandler mit EchoimpulsenSampling periods), whereas during at least a portion of the remaining sampled sector, the transducer has echo pulses

erregt wird.is excited.

Der begrenzte Winkelsektor wird durch einen Winkelstellungsgeber festgelegt, während die Sendezeitpunkte derThe limited angle sector is determined by an angle encoder, while the transmission times of the Behandlungsweile ausgehend von den Angaben dieses Gebers durch logische Mittel, die LeistungssenderechteckimpulseTreatment based on the information of this encoder by logical means, the Leistungssenderechteckimpulse

erzeugen, bestimmt werden.generate, be determined.

Die Echographiesendung und die Leistungssendung nutzen den gleichen Erregungserzeuger, der mit der gleichen FrequenzThe echography broadcast and the power broadcast use the same excitation generator, with the same frequency

arbeitet.is working.

Die Erfindung ist weiterhin gekennzeichnet durch eine lineare Schwingungsbbewegung des Wandlers.The invention is further characterized by a linear oscillation movement of the transducer. So ist in Anbetracht der relativ kurzen Dauer jedes Ultraschallstrahlenschusses im Verhältnis zur Schwingungsphase die mittlereThus, given the relatively short duration of each shot of ultrasound in relation to the vibration phase, the average Leistung bei einigen Behandlungsphasen ausreichend.Performance is sufficient for some treatment phases. Die Erfindung betrifft hauptsächlich die Behandlung von Strukturen, die sich nui wenige cm unter der Haut befinden, zumThe invention mainly relates to the treatment of structures which are only a few cm below the skin, for Beispiel Augenstrukturon oder Blutgefäße. Bei solchen Anwendungsfällen werden meist Behandlungswellen mit FrequenzenExample eye structure or blood vessels. In such applications are usually treatment waves with frequencies

von S bis 10MHz eingesetzt, die die notwendigen sehr feinen Brennflecken liefern. Obwohl die Absorption dieser Wellen in denfrom S to 10MHz, which provide the necessary very fine focal spots. Although the absorption of these waves in the

Gsweben sehr stark ist, bleibt die mittlere erforderliche Leistung in der Größenordnung von 1 kW aufgrund der erheblichenGsweben is very strong, the average required power remains on the order of 1 kW due to the considerable Erwärmung der Gewebe.Warming of the tissues. Da der Leistungswandler nun einen relativ geringen Durchmesser, zum Beispiel 70 mm, haben kann, ist es möglich, ihn mit HilfeSince the power converter can now have a relatively small diameter, for example 70 mm, it is possible to use it with the help of

eines Elektromotors in Schwingung zu versetzen.to vibrate an electric motor.

Ausführungsbeispieleembodiments

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung gehen deutlich aus dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel hervor. In der Zeichnung zeigenOther features and advantages of the invention will become apparent from the following embodiment. In the drawing show

Fig. 1: schematisch eine Behandlungsvorrichtung, die einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entspricht; Fig. 2: die entsprechenden Wellenformen; Fig. 3: den Wandlerkomplex.Fig. 1: schematically a treatment device, which corresponds to a preferred embodiment of the invention; Fig. 2: the corresponding waveforms; Fig. 3: the converter complex.

In der Fig. 1 wurde eine sphärische Schale 1 aus Piezokeramik dargestellt, die so montiert ist, daß sie vorzugsweise um eineIn Fig. 1, a spherical shell 1 made of piezoceramic has been shown, which is mounted so that they are preferably around a Achse schwingt, die die Schale an ihrem Scheitel 6 tangiert. Die Schwingungswinkelamplitude liegt beispielsweise zwischenAxis vibrates, which touches the shell at its apex 6. The oscillation angle amplitude is, for example, between

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.30 and 60 °. The boundaries of the flat sector thus scanned by the axis SF of the shell and the dashed line of the focus-focused beam emitted by the shell 1 in its central position were shown by dashed-dotted lines.

Die schwingende Bewegung der Schale wird auf bekannte Weise mit einem Elektromotor 2 erreicht, der von einemThe oscillating movement of the shell is achieved in a known manner with an electric motor 2, of a Abtastgenerator 3 über einen Verstärker 4 gesteuert wird. Ein an sich bekannter Winkelstellungsgeber 6 liefert βίη elektrischesScanning generator 3 is controlled via an amplifier 4. A known angular position sensor 6 provides βίη electrical Signal mit einer Amplitude, die sich in linearer Abhängigkeit vom Winkel Θ ändert, den die Achse SF mit ihrer BezugsmittellageSignal with an amplitude that varies in linear dependence on the angle Θ, the axis SF with its reference center position

bildet.forms.

Zum Beispiel kann ein solcher Winkelstellungsgeber 5 einen Dauermagneten enthalten, der mit der Welle des Elektromotors 2For example, such an angular position sensor 5 may include a permanent magnet connected to the shaft of the electric motor 2

formschlüssig verbunden ist und mit einem Magnetfeldgeber zusammenwirkt.is positively connected and cooperates with a magnetic encoder.

Das Kennsignal Θ wird an zwei Operationsverstärker 6 und 7 angelegt, die übrigen zwei Kennbezugssignale von zwei besonderenThe identification signal Θ is applied to two operational amplifiers 6 and 7, the remaining two characteristic reference signals of two special ones Werten von Θ, nämlich Θ| und O2, empfangen. Diese Bezugssignale sind jeweils mit den Potentiometern 60 und 70 regelbar.Values of Θ, namely Θ | and O 2 , received. These reference signals can be controlled in each case with the potentiometers 60 and 70. 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 EingängenThe outputs of the preamplifiers β and 7, which are each at the level L when Θ a Θ, and Θ & O 2 , are connected to the inputs

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.eir.es NAND gate 8 which controls a modulator 9. The output of the modulator 9 is connected to the control input of a transmitter 10 via an OR gate 11, which incidentally receives synchronization signals from a clock 12.

Der Sender 10 steuert die Schale 1 an. Diese hat zum Beispiel einen Durchmesser von 70mm und besteht in bekannter Weise ausThe transmitter 10 drives the shell 1. This has, for example, a diameter of 70mm and is made in a known manner

einer Vielzahl piezoelektrischer Elemente, die voneinander isoliert und mosaikartig nebeneinander angeordnet sind.a plurality of piezoelectric elements, which are isolated from each other and arranged in a mosaic side by side.

Der Sender 10 kann in Wirklichkeit mehrere Sendevorrichtungen enthalten, die jeweils eine Gruppe von Elementen der Schale 1The transmitter 10 may in fact include a plurality of transmitting devices, each having a group of elements of the shell. 1

erregen. Da das Verfahren bekannt ist, nimmt man zwecks Einfachheit der Darstellung an, daß der Sender 10 nur ein einzigesexcite. Since the method is known, it is assumed for the sake of simplicity of presentation that the transmitter 10 only a single

Signal erzeugt, das - wie in der Folge erklärt wird - gleichzeitig zur Behandlung bestimmte Leistungswellenzuge undSignal generated, which - as will be explained below - at the same time for the treatment certain power waveforms and

echographische Impulse enthält. Für diese beiden Sendearten ist die Trägerfrequenz vorzugsweise die gleiche, zum Beispielcontains echographic impulses. For these two types of transmission, the carrier frequency is preferably the same, for example

Die Schale 1 dient gleichzeitig als Sendewandler der Leistungswellen und der Echoimpulse und als Empfangswandler der durchThe shell 1 also serves as transmitting transducer of the power waves and the echo pulses and as a receiving transducer by

die Reflektierung der echographischen Impulse an dem Zielobjekt gebildeten Echos.the reflection of the echographic pulses on the target object formed echoes.

Die empfangenen Echos werden zu einer echographischen Vorrichtung 13 des an sich bekannten Typs über einen Verstärker 14The received echoes are sent to an echographic device 13 of the type known per se via an amplifier 14

übertragen.transfer.

Fig. 2 zeigt in (a) das Sägezahnsignal, das vom Abtastgenerator 3 erzeugt wird. Beispielsweise hat dieses Signal eine Periode vonFIG. 2 shows in (a) the sawtooth signal generated by the sampling generator 3. For example, this signal has a period of

1/5see, so daß die Schwingungsfrequenz der Schale 5Hz beträgt.1 / 5see, so that the oscillation frequency of the shell is 5Hz.

In (b) wurde das Ausgangssignal des Verstärkers 6 dargestellt, das sich auf Pegel L befindet, wenn Θ a O1, und in (c) dasIn (b) the output signal of the amplifier 6 is shown, which is at level L when Θ a O 1 , and in (c) the Ausgangssignal des Verstärkers 7, das sich auf Pegel L befindet, wenn O a O2. Das Signal (d) am Ausgang des Gatters 8 enthältOutput signal of the amplifier 7, which is at level L when O a O 2 . The signal (d) at the output of the gate 8 contains

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 hohethus a square pulse at the logic level L, if Θι <Θ s O 2 , ie twice per period. In the intervals between these square pulses (d), the gate 11 transmits the pulses of the clock 12 to the transmitter 10, for example a high one

Frequenz von 5MHz (damit eine Dauer von 0,2 μβ) und eine Rücklauffrequenz von 1OkHz haben. Diese Werte eignen sich zurFrequency of 5MHz (thus a duration of 0.2 μβ) and a return frequency of 1OkHz. These values are suitable for Bildung eines echographischen Bildes von guter Qualität mit einer Abtastfrequenz von 5 Hz. Während der Dauer derFormation of a good quality echographic image with a sampling frequency of 5 Hz. During the duration of the

echographischen Sendung kann ein Arbeiten des Senders 10 mit reduzierter Leistung in Betracht gezogen werden, indem zumechographic broadcasting may be considered a reduced power performance of the transmitter 10 by adding to the

Beispiel seine Speisespannung verringert wird.Example, its supply voltage is reduced. Während der Dauer jedes Rechteckirnpulses (d), die zum Beispiel 20 ms beträgt, erzeugt der Sender 10 Behandlungswellen mitDuring the duration of each square-wave pulse (d), which is 20 ms, for example, the transmitter 10 generates treatment waves

der hohen Frequenz von 5MHz.high frequency of 5MHz.

Die Werte Θ, und O2 werden so geregelt, daß sich das Ziel im Schußw'inkel des Strahls befindet.The values Θ, and O 2 are controlled so that the target is in the weft angle of the beam. Nach einer anfänglichen Lokalisierung des Ziels, die dadurch erfolgt, daß die schwingende Schale räumlich so verschoben wird,After an initial localization of the target, which occurs by spatially displacing the vibrating shell,

bis eine Markierung, die auf dem Bildschirm der Echographievorrlchtungt die thnroretische Stellung ihres Brennpunktes Fto a mark on the screen of the Echographievorrlchtungt the thnroretic position of its focal point 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,, and Q 2 can be adjusted to target the exact target in the zone to be treated. In the case of the displacement of the target in the run-up to the treatment or when it is determined that the ray shots are poorly targeted, it is sufficient to correct

Lokalisation durch eine kleine Verschiebung der Schwingschale.Localization by a small displacement of the oscillating shell. Fig. 3ze!gt, daß die schwingende Schale 1 und der Motor 2, der sie In Schwingung versetzt, in eine Koppelflüssigkeit eingetauchtFig. 3ze! Gt, that the oscillating shell 1 and the motor 2, which sets them in vibration, immersed in a coupling liquid

sind, die sich in einem Gehäuse 15 befindet, dessen Vorderseite mit einer für Ultraschall durchlässigen, nachgiebigenare, which is in a housing 15, the front with an ultrasound-permeable, compliant

Membrjan 150 versehen ist. Diese Membran hat eine ausreichend große Fläche, um den echographischen Abtastkegel zuMembrjan 150 is provided. This membrane has a large enough area to accept the echographic scanning cone

übertragen und wird mit der Haut des Patienten in Berührung gebracht.transferred and is brought into contact with the skin of the patient.

Je nach Tiefe des Tumors werden die Behandlungswellen innerhalb jedes Rechteckimpulses in diskontinuierlichen ZügenDepending on the depth of the tumor, the treatment waves within each rectangular pulse become discontinuous features

ausgesendet, wobei die Sendedauer für jeden Wellenzug zwischen einigen Zehn und einigen Hundert μα variieren kann. Dieemitted, wherein the transmission duration for each wave train can vary between a few tens and a few hundred μα . The

Spitzensendeleistung, die um so größer ist, je kürzer der Wellenzug ist, kann mehrere Hundert kW erreichen, wobei die hohenPeak transmission power, which is greater, the shorter the wave train can reach several hundred kW, with the high Spitzenleistungen und die kurzen Sendungen den Vorteil haben, daß die Thermodiffusion, die die Präzision derExcellence and the short shipments have the advantage that the thermal diffusion, the precision of the Wellenapplikationen verringern würde, vermieden wird.Wave applications would be avoided. Wenn die für die Behandlung erwünschte durchschnittliche Leistung hoch ist, kann in Betracht gezogen werden, daß dieIf the average power desired for the treatment is high, it can be considered that the Geschwindigkeit des Motors im Verlauf jedes Abtastzyklus so verändert wird, daß sich die Abtastung während derThe speed of the motor is changed in the course of each scan cycle so that the sampling during the Senderechteckimpulse der Behandlungswellen verlangsamt.Transmission rectangle pulses of treatment waves slows down. Anstelle der Sektorabtastung könnte der Einsatz einer linearen Abtastung vorgesehen und zu diesem Zweck der Wandler einerInstead of the sector scan, the use of a linear scan could be provided and for this purpose the converter

linearen Schwingbewegung unterzogen werden.be subjected to linear oscillatory motion.

Claims (5)

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.A device for ultrasonic treatment, in which a bundling and oscillating piezoceramic is used, which includes a power converter in the form of a self-collecting shell, which is connected to a power excitation generator and with an echoing device which uses this transducer as Echoempfängee, characterized in that it means to vibrate this transducer during the treatment period at a speed and vibration amplitude suitable for real time echographic scanning, and further comprising means (5 to 12) for exciting this transducer with treatment waves at times the emitted wave ray scans a predetermined limited zone of the wave application space, and means for exciting the transducer with echo waves during the intervals between these times. 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.2. Device according to claim 1, characterized in that the sample is a sector scan of the type B and said time points correspond to the transition of the beam to a predetermined limited Winkelsekior. 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.3. Apparatus according to claim 2, characterized in that this limited sector is determined by an angular position sensor (5), while the transmission times of the treatment wave, starting from the information of this encoder by logical means (6 to 11), the Leistungscender rectangle pulses generate determined. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Echographiesendung und die Leistungssendung den gleichen Erregungserzeuger (10), der mit der gleichen Frequenz arbeitet, nutzen.4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the echography broadcast and the power broadcast use the same excitation generator (10) operating at the same frequency. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine lineare Schwingungsbewegung des Wandlers.5. Apparatus according to claim 1, characterized by a linear oscillatory movement of the transducer.
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