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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum
Ermitteln des Zerstörungsgrades
eines Konkrementes bei der Lithotripsie.
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Bei
der Lithotripsie werden im Körper
eines Patienten befindliche Konkremente, beispielsweise Nierensteine,
mit Stoßwellen
sukzessive zerstört
und in kleine Krümel
oder Fragmente zerlegt. Die Zerstörung des Konkrementes ist erst
dann erfolgreich durchgeführt,
wenn dieses in Fragmente oder Krümel zerlegt
ist, deren Durchmesser kleiner als etwa 2 mm ist. Um eine unnötige Belastung
des Patienten mit überflüssigen Ultraschall-Stoßwellenpulsen
zu vermeiden, ist es deshalb für
den behandelnden Arzt von Interesse, Informationen über den
Zerstörungsgrad
des Konkrementes zu erhalten, die ihm ermöglichen, zu entscheiden, ob
die Behandlung fortgeführt werden
muss oder ob sie beendet werden kann. Zur Visualisierung der sukzessiven
Zerstörung
des Konkrementes beispielsweise in einem B-Bild stehen ihm grundsätzlich bildgebende
Ultraschallscanner zur Verfügung,
die entweder im Zentrum des zum Erzeugen des Ultraschall-Stoßwellenpulses
verwendeten Stoßwellenkopfes
(In-Line-Scanner) oder außerhalb des
Stoßwellenkopfes
(Out-Line-Scanner) angeordnet sind und zum Erfassen der Lage des
Konkrementes dienen, um dieses im Fokus des Ultraschall-Stoßwellenpulses
korrekt zu positionieren.
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In
einem Körper
befindliche, d. h. in einem Gewebe eingebettete Konkremente erzeugen
jedoch im Ultraschall-B-Bild unabhängig davon, ob sie kompakt
oder in kleine Fragmente zerlegt sind, die gleiche Darstellung.
Ursache hierfür
ist, dass das das Konkrement umgebende Gewebe verhindert, dass die
Konkremente bei der Fragmentierung in voneinander räumlich in
ausreichendem Maße
getrennte Fragmente zerfallen. Ist der Abstand der einzelnen Fragmente
voneinander jedoch in der Grö ßenordnung
oder kleiner als die Wellenlänge
des zum Erzeugen des B-Bildes verwendeten Ultraschalls, ist im B-Bild
ein verwertbarer Unterschied zwischen dem ursprünglichen, unzerstörten, kompakten
Konkrement und dem zerlegten Konkrement praktisch nicht feststellbar,
so dass das Ausmaß der
Fragmentierung nur sehr schwer einzuschätzen ist.
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Zwar
besteht grundsätzlich
die Möglichkeit, den
therapeutischen Fortschritt bei der Zertrümmerung des Konkrementes mit
einem bildgebenden Röntgensystem
zu beobachten. Dies erfordert aber einen erheblichen zusätzlichen
apparativen Aufwand und führt
außerdem
zu einer unerwünschten
Strahlenbelastung des Patienten.
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Um
eine sichere Kontrolle des Zerstörungsgrades
des Konkrementes mit Hilfe von Ultraschallwellen zu ermöglichen,
d. h. um den Einsatz einer Röntgeneinrichtung
zu vermeiden, sind im Stand der Technik, beispielsweise aus der
DE 102 28 550 B3 , sogenannte
Ultraschall-Doppler-Verfahren bekannt, bei denen ausgenützt wird,
dass das Konkrement im Körper
bei einem Treffer auf Grund des Impulsübertrages vom Ultraschall-Stoßwellenpuls
eine makroskopische Bewegung ausführt, deren Geschwindigkeit um
so größer ist,
je kleiner die Fragmente sind. Eine zunehmende Dopplerverschiebung
indiziert dann eine Zunahme des Zerstörungsgrades.
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Alternativ
hierzu ist in C. Bohris, „Ultrasound based
methods for hit/miss control in extracorporal shockwave lithotripsy", Biomedizinische
Technik, Band 49, Ergänzungsband
2, 2004, Seiten 856 bis 857, vorgeschlagen worden, einen Korrelationskoeffizienten
von zwei nacheinander am Konkrement reflektierten Ultraschallimpulsen
zu bestimmen. Dabei hat sich herausgestellt, dass dieser Korrelationseffizient
nach der Applikation eines Ultraschall-Stoßwellenpulses signifikant kleiner
ist als unmittelbar vor der Einwirkung des Ultraschall-Stoßwellenpulses.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Ermitteln
des Zerstörungsgrades
einen Konkrementes bei der Lithotripsie anzugeben, das mit geringem
technischem Aufwand durchgeführt
werden kann und mit dem eine zuverlässige Beurteilung des therapeutischen
Fortschritts möglich ist.
Außerdem
liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde eine Einrichtung zum Durchführen des
Verfahrens anzugeben.
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Hinsichtlich
des Verfahrens wird die genannte Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit einem Verfahren
mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen werden vom
Konkrement im zumindest zwei voneinander verschiedenen Frequenzbereichen
Ultraschall-Echosignale in einem Impuls-Echoverfahren aufgenommen
und der Zerstörungsgrad
des Konkrementes wird durch Vergleich dieser Ultraschall-Echosignale
ermittelt.
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Die
Erfindung beruht dabei auf der Überlegung,
dass Ultraschallwellen, deren Wellenlänge kleiner als die räumliche
Ausdehnung der Konkremente oder Fragmente ist, an der Oberfläche des Konkrements
spiegelnd reflektiert werden. In einem solchen Fall sind weder der
Reflektionskoeffizient noch die Reflektionsrichtung von der Wellenlänge bzw.
der Frequenz der bei der Bilderzeugung verwendeten Ultraschallwellen
abhängig.
Somit ergeben sich in diesem Fall zwischen den in verschiedenen
Frequenzbereichen erzeugten Ultraschall-Echosignalen praktisch keine
Unterschiede. Wenn nun mit fortschreitender Zerstörung des
Konkrementes Fragmente entstehen, deren Ausmaße vergleichbar sind mit den
Wellenlängen
der zur Erzeugung der Echosignale verwendeten Ultraschallwellen,
werden die auf das fragmentierte Konkrement auftreffenden Ultraschallwellen
nicht reflektiert, sondern gestreut. Diese Streuung, d. h. die Winkelverteilung
der Intensität I(Θ) oder der
Schalldruckamplitude der gestreuten Ultraschallwellen, ist signifikant
von der Frequenz bzw. Wellenlänge λ der Ultraschallwelle
abhängig.
In den 8 bis 10 sind beispielhaft drei Richtdiagramme
einer an einer akustisch starren Kugel mit dem Radius a gestreuten
Ultraschallwelle mit der Wellenzahl k = 2π/λ angegeben, wobei im Beispiel der 8 die
Wellenlänge λ etwa das
3-fache des Durchmessers 2a der Kugel beträgt, während in 9 die
Wellenlänge λ etwa dem
1,5-fachen und in 10 etwa dem 0,6-fachen des Durchmessers 2a entsprechen.
Den 8 bis 10 ist nun zu entnehmen, dass
das Streuverhalten für
Wellenlängen λ in der Größenordnung
des Durchmessers 2a der Kugel signifikant vom Verhältnis aus
Durchmesser 2a und Wellenlänge λ abhängt, so dass mit unterschiedlichen
Wellenlängen λ erzeugte
Ultraschall-Echosignale dann signifikant voneinander abweichen,
wenn der Zerstörungsgrad
des Konkrementes so weit fortgeschritten ist, dass sich der Durchmesser
der Fragmente im Bereich der verwendeten Wellenlängen λ befindet.
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Grundsätzlich ist
es möglich,
die zumindest zwei Ultraschall-Echosignale
mit zeitlich aufeinanderfolgenden Ultraschallimpulsen zu erzeugen.
Ein besonders geringer technischer Aufwand ist jedoch dann erforderlich,
wenn die zumindest zwei Ultraschall-Echosignale mit einem einzigen
Ultraschall-Sendeimpuls durch Auswertung der in einem Ultraschallempfänger in
unterschiedlichen Frequenzbereichen empfangenen Ultraschall-Echosignale erzeugt
werden. Mit anderen Worten: Das Empfangssignal wird in einem Bandfilter
in zwei Signalanteile aufgespalten, die unterschiedlichen Frequenzbereichen
zugeordnet sind.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die in unterschiedlichen
Frequenzbereichen empfangenen Ultraschall-Echosignale einem Grundmode
und einem ersten harmonischen Oberschwingungsmode des zum Erzeugen
des Ultraschall-Sendeimpulses
verwendeten Ultraschallwandlers zugeordnet. Da die Mittenfrequenz
des Oberschwingungsmodes doppelt so groß ist wie die Mittenfrequenz
des Grundmodes, beispielsweise 4Mhz bei einer Grundmode-Mittenfrequenz
von 2Mhz, ergibt sich ein hoher Abstand zwischen den beiden Frequenzbereichen,
der eine besonders gute Erkennung des Zerstörungsgrades ermöglicht.
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Vorzugsweise
wird in den zumindest zwei Frequenzbereichen jeweils ein A-Scan
durchgeführt und
es wird der Zeitverlauf der zumindest zwei A-Scans verglichen.
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Alternativ
hierzu werden in den zumindest zwei Frequenzbereichen B-Bilder erzeugt
und miteinander verglichen.
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In
einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens
werden die Ultraschall-Echosignale mit einem Sendewandler und einem
räumlich
davon getrennten Empfangswandler erzeugt. Der räumlich getrennte Empfangswandler empfängt dann
die unter einem von 180° abweichenden
Winkel, beispielsweise einem Winkel von 90° gestreuten Ultraschall-Echosignale.
In dieser Anordnung wird ausgenutzt, dass unter manchen Winkeln die
Amplitude der Ultraschall-Echosignale besonders signifikant von
der Frequenz bzw. der Wellenlänge abhängt.
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Die
zweitgenannte Aufgabe wird gelöst
mit einer Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 7.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung sind in den
diesem Patentanspruch 7 untergeordneten Patentansprüchen angegeben.
Die Vorteile der in den Patentansprüchen 7 bis 12 angegebenen Einrichtungen
ergeben sich sinngemäß aus den
Vorteilen der ihnen jeweils zugeordneten Verfahrensansprüche.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele
der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen:
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1 eine
Einrichtung gemäß der Erfindung bei
ihrer Applikation auf ein unzerstörtes Konkrement in einer Prinzipdarstellung,
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2 veranschaulicht
die durch Zerstörung des
Konkrements hervorgerufene Streuung der einfallenden Ultraschallwelle,
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3 eine
Ausführungsform,
bei der ein von einem Sendewandler räumlich getrennter Empfangswandler
vorgesehen ist, der das vom Konkrement unter einem von 180° verschiedenen
Winkel gestreute Ultraschall-Echosignal empfängt,
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4 und 5 jeweils
in schematischen Diagrammen ein Ultraschall-B-Bild und einen A-Scan,
die von einem unzerstörten
Konkrement bei unterschiedlichen Frequenzen aufgenommen ist,
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7 und 8 ebenfalls
jeweils ein B-Bild und einen A-Scan in voneinander verschiedenen Frequenzbereichen
eines fragmentierten Konkrementes.
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Gemäß 1 enthält die Einrichtung
eine im Impuls-Echo-Betrieb arbeitende Ultraschall-Sende-/Empfangseinrichtung 2 mit
einem sowohl als Sende- als auch als Empfangswandler dienenden Ultraschallwandler.
Der Ultraschallwandler sendet einen Ultraschall-Sendeimpuls S, der
an einem Konkrement 6 unter einem Winkel von 180° reflektiert oder
gestreut und als Ultraschall-Echosignal E vom Ultraschallwandler
empfangen wird. Beim Ultraschallwandler kann es sich um einen Einzelwandler oder
um ein Wandler-Array handeln, mit dem die Erzeugung eines B-Bildes
möglich
ist. Zum Steuern der Ultraschall-Sende/Empfangseinrichtung 2 und
zum Auswerten der von ihr empfangenen Ultraschall-Echosignale E
ist eine Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 vorgesehen,
die aus in voneinander verschiedenen Frequenzbereichen empfangenen
Ultraschall-Echosignalen E A-Scans oder A-Scan-Signale A1 und A2
erzeugt, d. h. das empfangene Ultraschall-Echosignal wird gleichgerichtet
und einer Tiefpassfilterung unterzogen, so dass es den geglätteten zeitlichen
Verlauf der Amplitude des Ultraschall-Echosignals E wiedergibt.
Diese A-Scans A1 und A2 werden in einer Wiedergabeeinrichtung 10 visualisiert.
Der Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 ist außerdem eine
Vergleichseinrichtung 12 zugeordnet, in der die den beiden
A-Scans A1 und A2 zugeordneten, in der Regel in digitaler Form vorliegenden
Messdaten miteinander verglichen werden. In dieser Vergleichseinrichtung 12 werden
durch geeignete Algorithmen die Unterschiede zwischen den beiden A-Scans
A1,A2 analysiert
und quantifiziert, um eine Aussage über den Zerstörungsgrad
des Konkrementes 6 zu ermöglichen. Der Zerstörungsgrad
des Konkrementes 6 kann dann dem Anwender an einer Anzeigeeinrichtung,
beispielsweise in der Wiedergabeeinrichtung 10 selbst,
angezeigt werden. Ebenso kann der Lithotripter selbst durch entsprechende
von der Steuer- und Auswerteinrichtung 8 generierte Steuersignale
in Abhängigkeit
vom Zerstörungsgrad gesteuert,
beispielsweise bei festgestellter vollständiger Zerstörung ausgeschaltet
werden.
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In
der Regel ist es ausreichend, den Ultraschallwandler der Ultraschall-Sende/Empfangseinrichtung 2 bei
einer einzigen Mittenfrequenz, beispielsweise bei 3,5 MHz zu betreiben.
Die Bandbreite eines solchen Ultraschallwandlers ist dabei breit
genug, um das empfangene Ultraschall-Echosignal E in zwei deutlich
voneinander getrennten Frequenzbändern
mit einer Mittenfrequenz von beispielsweise 3 und 4 MHz mit ausreichender
Signalstärke
zu separieren. Aus den in diesen Frequenzbändern empfangenen Ultraschall-Echosignalen
E werden dann die beiden A-Scans A1 und A2 gewonnen, die, wie eingangs
erläutert,
dann signifikant voneinander abzuweichen beginnen, wenn bei zunehmender
Behandlung die Größe der Fragmente
den Bereich der zu diesen Frequenzbändern gehörenden Wellenlängen erreichen.
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Grundsätzlich ist
es aber auch möglich,
den Ultraschallwandler zeitlich nacheinander mit voneinander verschiedenen
Mittenfrequenzen anzusteuern.
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Alternativ
hierzu kann auch ein A-Scan im Grundmode und ein A-Scan im sogenannten
harmonic imaging mode erzeugt werden, das ausschließlich auf
Ultraschall-Echosignalen E aufgebaut ist, die von der ersten harmonischen
Grundwelle stammen.
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Anstelle
eines A-Scans oder ergänzend
hierzu können
auch in unterschiedlichen Frequenzbereichen B-Bilder erzeugt und
miteinander verglichen werden.
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In 2 ist
veranschaulicht, dass der auf ein in mehrere kleine Fragmente 60 zerlegtes
Konkrement 6 auftreffende Ultraschallimpuls 5 in
unterschiedliche Winkel Θ gestreut
wird. Die Winkelabhängigkeit
dieser Streuung hängt,
wie vorstehend erläutert,
bei Fragmentgrößen im Bereich
der Wellenlängen
der den Ultraschallimpuls S bildenden Ultraschallwellen signifikant
von deren Frequenz ab.
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Eine
alternative Ausführungsform
gemäß 3 zeigt
eine Ultraschall-Sende/Empfangseinrichtung bei der ein Sendewandler 2a und
ein Empfangswandler 2b räumlich voneinander getrennt
angeordnet sind, so dass der Empfangswandler 2b die vom fragmentierten
Konkrement 6 unter einem von 180° abweichenden Winkel Θ gestreuten
Ultraschall-Echosignale E empfängt.
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4 und 5 zeigen
nun die an einem unzerstörten
Konkrement in verschiedenen Frequenzbereichen aus den Ultraschall-Echosignalen erhaltenen
A-Scans A1 bzw. A2 und B-Bilder B1 bzw. B2. Im oberen Bereich der 4 und 5 ist
jeweils ein B-Bild B1 bzw. B2 dargestellt, das sich bei einem durch
einen Doppelpfeil symbolisch veranschaulichten Linearscan von einem
kugelförmigen kompakten
Konkrement ergibt. Bei einem solchen Linearscan entsteht in der
Tiefe d0 ein im wesentlichen sichelförmiges,
durch Schraffur hervorgehobenes zweidimensionales Abbild des Konkrementes,
das durch Reflektion an seiner Oberfläche entstanden ist. Die scheinbare
Tiefenausdehnung entsteht dabei durch Reflektion von Ultraschallwellen
aus Gebieten die oberhalb und unterhalb der Scanebene liegen. Im unteren
Teil der 4 und 5 ist jeweils
ein von statistischen Schwankungen befreiter geglätteter A-Scan
A1 bzw. A2, d. h. der Verlauf der Amplitude A des Ultraschall-Echosignals
gegen die Zeit t bzw. Tiefe d, dargestellt, wie er sich entlang
der gestrichelten Linie 14 im oberen Teil der FIG (B-Bild) ergibt.
Der in 4 dargestellte A-Scan A1 und das B-Bild B1 sind bei
einer Mittenfrequenz von 2 MHz erzeugt, während der in 5 dargestellte
A-Scan A2 und das B-Bild
B2 aus dem der ersten Oberschwingung zugeordneten Echoimpuls bei
4 MHz (harmonic mode) gebildet sind.
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Den 4 und 5 ist
nun zu entnehmen, dass weder die in unterschiedlichen Frequenzbereichen
erzeugten A-Scans A1 und A2 noch die B-Bilder B1 und B2 signifikant
voneinander abweichen. Diese Identität, die allenfalls von aus Gründen der Übersichtlichkeit
eliminierten statistischen Schwankungen beeinträchtigt ist, ist ein signifikantes
Indiz dafür, dass
der Zerstörungsgrad
des Konkrements noch nicht so weit fortgeschritten ist, dass die
Behandlung beendet werden kann.
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Eine
andere Situation ist in den 6 und 7 dargestellt,
die A-Scans A1 bzw. A2 und die B-Bilder B1 bzw. B2 wiedergeben,
die ebenfalls bei einer Mittenfrequenz von 2 MHz und 4 MHz (harmonic
mode) gewonnen sind, und bei denen sowohl in den B-Bildern B1, B2
als auch in den A-Scans A1, A2 signifikante Unterschiede erkennbar
sind. Das fragmentierte Konkrement erzeugt im höheren Frequenzbereich (7)
ein signifikant schmäleres
B-Bild B2, das mit einem ebenfalls signifikant schmäleren Ultraschall-Echosignal
im A-Scan A2 korrespondiert. Diese unterschiedliche Breite (b1 in 6 bei
2 MHZ und b2 in 7 bei 4 MHz) ist ein signifikantes
Indiz dafür,
dass die Fragmentierung des Konkrementes Ausmaße erreicht hat, bei denen
die einzelnen Fragmente Größenordungen
im Bereich der Wellenlänge der
verwendeten Ultraschallwellen aufweisen. Eine weitere signifikante
Abweichung zwischen dem gestrichelt in 7 eingezeichneten
A-Scan A1 gemäß 6 und
dem A-Scan A2 der 7 besteht auch darin, dass der
bei höherer
Frequenz erzeugte A-Scan A2 (7) mit wachsender
Tiefe d die Null-Linie erreicht, während im bei niedrigerer Frequenz
gemäß 6 erzeugten
A-Scan A1 auch aus größerer Tiefe
d noch Ultraschall-Echosignale empfangen werden.