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Die Erfindung betrifft eine Ultraschallvorrichtung für medizintechnische Anwendungen mit einem Schallkopf, der mehrere Schallkopfelemente aufweist, wobei die Schallkopfelemente in einem flexiblen Träger aufgenommen sind.
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Gegenwärtig finden Ultraschallvorrichtungen in der Medizintechnik verbreitet Anwendung für diagnostische Fragestellungen, beispielsweise in der Kardiologie, in der mit Ultraschall Bildaufnahmen bzw. Filme des Herzens erstellt werden. Ein weiterer Anwendungsbereich ist durch die Lithotripsie gegeben, bei der die Schallwellen dazu genutzt werden, Nieren- und Gallensteine zu zertrümmern.
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Prinzipiell ist die Ultraschalltechnik interessant für die Behandlung von Tumoren, indem der Ultraschall auf einen bzw. mehrere Punkte fokussiert würde, an denen dann eine hohe Energiedichte erzeugt würde, die den Tumor zerstören soll. Bisher ist es allerdings nicht möglich, für diese Aufgabe Ultraschall einzusetzen, da die Köperpartien, an die der Schallkopf angelegt werden müsste, wie beispielsweise der Kopf eines menschlichen oder tierischen Patienten, nicht eben, sondern gekrümmt sind, wobei außerdem die vorliegenden Krümmungen patientenspezifisch ausgebildet und damit individuell sind. Deshalb ist mit den gegenwärtig vorliegenden Ultraschallvorrichtungen eine kontrollierte Einschallung in den Patientenkörper nicht möglich. Gerade bei einem Einsatz in der Tumorbekämpfung, insbesondere im Bereich des Gehirns, ist jedoch die Exaktheit der Behandlung Grundvoraussetzung, da der Patient ansonsten irreparable Schäden erleiden könnte. Nur an den Stellen, an denen tatsächlich Tumorgewerbe zerstört werden soll, darf die hierfür erforderliche hohe Energiedichte auftreten.
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Aus diesen Gründen erfolgt eine Behandlung von Tumoren bisher nicht unter Verwendung von Ultraschall, sondern ausschließlich operativ, mit Röntgenstrahlung oder chemisch.
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DE 22 60 257 A offenbart eine Ultraschallwandleranordnung mit einem Träger und Wandlern, mit der eine Überwachung eines möglichst großen Flächenbereichs mit gleichmäßiger Empfindlichkeit erreicht werden soll. Der Träger ist aus einem flexiblen Werkstoff hergestellt und passt sich der Oberfläche eines Patienten an.
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US 5,762,616 betrifft eine Ultraschall-Behandlungsvorrichtung, mit der die Knochenstruktur behandelt werden soll. Hierzu sind zwei Wandler in einem Gehäuse angeordnet, dessen Abdeckung und dessen Hülle flexibel und nachgiebig ausgebildet sein können. Eine Steuereinrichtung wird vom Patienten, beispielsweise an einem Gürtel, getragen.
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WO 2005/061053 A1 betrifft eine Ultraschallvorrichtung zur Diagnose und Behandlung von Patienten, insbesondere auch zur Behandlung von Gewebe. Eine geschirrähnliche Vorrichtung wird am Kopf eines Patienten befestigt, wobei eine Wandlervorrichtung nur in einem kleinen Bereich an den Kopf des Patienten angelegt wird. Die Positionen von Wandlerelementen sind fest.
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DE 20 2004 006 536 U1 offenbart eine Vorrichtung zur vorteilhaften Gewinnung von Informationen zur lokalen Lungenventilation mit akustischen Methoden. Dabei sind auf einem elastischen Brustgürtel mehrere Schallwandlereinrichtungen zum Aussenden beziehungsweise Empfangen eines Schallsignals zum Zwecke der Messung angeordnet. Eine ähnliche Vorrichtung zur übersichtlichen und ortsauflösenden Darstellung der Lungenventilation ist in der
DE 20 2004 002 930 U1 gezeigt.
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Ein Ultraschall-Untersuchungsgerät für biologische Untersuchungen mit mehreren Sende- und Empfangswandlern ist durch
AT-PS 294 301 offenbart. Die sende- und Empfangswandler sind entlang der Längsachse eines flachen, langgestreckten im Wesentlichen nur um eine zur Längsachse senkrechte Querachse biegsamen Trägerelement angeordnet. Zweck soll eine indirekte Blutdruckmessung sein.
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WO 02/44753 A2 betrifft Systeme und Methoden zur Fokussierung eines akustischen Energiestrahls, der durch nicht gleichmäßiges Gewebe gestrahlt wird. Dabei misst ein Empfangswandler die Signale und passt die Phasenverschiebung und die Amplituden der Wandlerelemente an, um Verzerrungen zu kompensieren. Die Anordnung der Wandlerelemente und des Empfangswandlers zueinander sind fest.
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WO 02/43805 A1 betrifft ein System zur Steuerung eines fokussierten Ultraschallarrays. Dabei ist ein System vorgesehen, das ein Wandlerarray aus einer Mehrzahl von sogenannten Subarrays aufweist, wobei die Subarrays mit Hilfe von Aktoren bewegt werden können, um die Orientierung der Emissionsoberfläche der jeweiligen Subarrays anzupassen.
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DE 27 11 098 betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung von Körpern durch Ultraschallabtastung mit einer Mehrzahl von Ultraschall-Strahlerblöcken, die miteinander in Serie verkettet sind. Hierzu sind Drehgelenke vorgesehen.
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Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschallvorrichtung anzugeben, die bezüglich der bekannten Ultraschallvorrichtungen verbessert ist und eine Anwendung von Ultraschall in bisher nicht zugänglichen Gebieten bzw. medizinischen Bereichen, insbesondere in der Tumorbehandlung, ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Ultraschallvorrichtung der eingangs genannten Art vorgesehen, die sich dadurch auszeichnet, dass die Ultraschallvorrichtung (1, 11) eine Messvorrichtung aufweist, die zur Ermittlung der Abstände und der Verdrehungen der Schallkopfelemente bezüglich eines Referenzpunktes ausgebildet ist, insbesondere bezüglich eines an der Ultraschallvorrichtung (1, 11) vorgesehenen Referenzpunktes und/oder eines virtuellen Referenzpunktes.
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Das heißt, dass die Schallkopfelemente, manchmal auch Prüfkopfelemente genannt, die zumindest zum Senden von Ultraschall, gegebenenfalls zum Senden und Empfangen von Ultraschall ausgebildet sind, in ein flexibles Trägerelement eingearbeitet sind, wodurch die bisherigen ebenen und starren Anordnungen von Schallkopfelementen ersetzt werden. Die Schallkopfelemente zum Senden bzw. Empfangen der Schallwellen werden so in eine Trägermatrix eingearbeitet, dass aufgrund der Flexibilität dieses Trägers eine personenspezifische Anpassung an die Oberfläche, auf der die Elemente aufliegen, ermöglicht wird. Dadurch wird eine kontrollierte Einschallung in den Körper möglich.
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Des Weiteren weist die Ultraschallvorrichtung eine Messvorrichtung auf, die zur Ermittlung der Abstände und der Verdrehungen der Schallkopfelemente bezüglich eines Referenzpunktes ausgebildet ist, insbesondere bezüglich eines an der Ultraschallvorrichtung vorgesehen Referenzpunktes und/oder eines virtuellen Referenzpunktes. Dadurch wird eine Bestimmung der Parametrisierung für die Durchführung der Untersuchung bzw. der Behandlung mit der Ultraschallvorrichtung möglich. Als Referenzpunkt kann ein beliebiger Punkt an der Apparatur vorgegeben werden oder auch ein rein virtueller Referenzpunkt, der lediglich dazu dient, einen Bezugspunkt für die Angabe von Abständen und Positionen der einzelnen Schallkopfelemente zu erhalten. Mit Hilfe des Referenzpunkts und der Messvorrichtung, die gegebenenfalls aus einer Testreihe, gemäß der die einzelnen Schallkopfelemente Schallwellen aussenden, mit Hilfe einer Steuerungsvorrichtung aus dem empfangenen Schall auf die Positionen der einzelnen Elemente rückschließt, ist eine exakte Positionsbestimmung möglich, die letztlich eine kontrollierte Einschallung in den Körper des Patienten ermöglicht. Wenn z. B. für eine Behandlung nicht alle Schallkopfelemente verwendet werden, kann die Messvorrichtung gegebenenfalls nur die Abstände und Verdrehungen der benötigten Elemente bestimmen.
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Der Einschallwinkel und/oder ein Fokuspunkt kann für wenigstens ein, insbesondere alle, Schallkopfelemente mittels einer Steuerungseinrichtung der Ultraschallvorrichtung elektronisch einstellbar und/oder veränderbar und/oder definierbar sein, insbesondere in Abhängigkeit von Vorgaben eines Bedieners. Die Ultraschallvorrichtung ist vorteilhafterweise in der Phased-Array-Technik ausgebildet, bei der die vielen kleinen Schallkopfelemente des Schallkopfs bezüglich ihrer Einschallwinkel und Fokuspunkte einzeln elektronisch eingestellt werden können. Hierzu kann ein Bediener, beispielsweise ein Naturwissenschaftler oder medizintechnischer Assistent, gegebenenfalls auch ein Arzt, mittels einer Steuerungseinrichtung, die über einen Monitor bzw. über ein Display mit einer Eingabevorrichtung bedient werden kann, die grundlegenden Angaben eingeben, mit deren Hilfe die Steuerungseinrichtung die Einschallwinkel bzw. den Fokuspunkt oder auch mehrere Fokuspunkte, gegebenenfalls automatisch, berechnet.
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Das heißt, ein die Ultraschallvorrichtung bedienender Arzt wählt beispielsweise anhand einer anatomischen Aufnahme des Patienten einen Punkt eines Tumors aus, an dem durch Einstrahlung einer hohen Energiedichte eine Behandlung stattfinden soll. Daraus bestimmt die Steuerungseinrichtung anhand der patientenspezifischen Lage der Schallkopfelemente, die durch das Auflegen des flexiblen Trägers auf den Körper des Patienten im Behandlungsbereich gegeben ist, die benötigten Einschallwinkel bzw. den Fokuspunkt und stellt diese ein. Die Einschallwinkel können verändert werden, beispielsweise um die Behandlung in einem angrenzenden Bereich fortzusetzen oder gegebenenfalls Korrekturen vorzunehmen. Gegebenenfalls kann eine Definition des Fokuspunkts anhand von Koordinaten in einem Patientenkoordinatensystem vorgegeben werden.
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Durch die weitgehend elektronische Einstellung über eine Steuerungseinrichtung wird die Verwendung der Ultraschallvorrichtung für einen Arzt oder Techniker deutlich vereinfacht, so dass Fehler, die beispielsweise bei der Tumorbehandlung gravierende Auswirkungen haben können, vermieden werden. Mit Hilfe der Steuerungseinrichtung kann zudem ein Behandlungsplan, der beispielsweise eine Folge von zu beschallenden Fokuspunkten in einem Tumorgebiet definiert, vorgegeben werden. Dieser Plan kann dann in einer bestimmten Zeit abgearbeitet werden. Der Behandlung mit Hilfe hoher Energiedichten kann zudem eine Diagnostik bei niedrigeren Energien vorausgehen, wenn die Schallkopfelemente bzw. Prüfkopfelemente zum Senden und Empfangen ausgebildet sind, um so Bildaufnahmen zu erstellen. So wird mit der erfindungsgemäßen Ultraschallvorrichtung sowohl eine Diagnose bei schwachen Energien möglich, als auch eine darauf folgende Behandlung, die an die Diagnose angeschlossen wird, nachdem eine geeignete Parametrisierung für die Aussendung der Schallwellen durchgeführt wurde. Für die Behandlung werden höhere Energien verwendet.
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Der Einschallwinkel und/oder ein Fokuspunkt für wenigstens ein, insbesondere alle, Schallkopfelemente kann seitens eines Bedieners einstellbar und/oder veränderbar und/oder definierbar sein. Es ist also neben der vollständig automatischen bzw. halbautomatischen Einstellung von Einschallwinkeln und Fokuspunkten durch eine Steuerungseinrichtung, die hierzu gegebenenfalls auf vorliegende Bildaufnahmen bzw. Daten zurückgreift, alternativ oder ergänzend eine manuelle Einstellung durch einen Bediener möglich. Zweckmäßigerweise erfolgt die manuelle Einstellung ergänzend beispielsweise für solche Fälle, bei denen aufgrund einer komplexen Struktur eines Tumors eine automatische Erkennung des geeigneten Fokuspunkts durch eine Steuerungseinrichtung nur schwer möglich ist bzw. andere Probleme dieser Art auftreten. Denkbar ist beispielsweise, dass der Fokuspunkt rein manuell, gegebenenfalls unterstützt durch ein Bildverarbeitungsprogramm, vorgegeben wird, während im Übrigen die Einstellung der einzelnen Schallkopfelemente über die elektronische Steuerung erfolgt.
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Erfindungsgemäß kann die Steuerungseinrichtung zur Veränderung des Einschallwinkels und/oder des Fokuspunkts in Abhängigkeit der Anwendung ausgebildet sein, insbesondere in Abhängigkeit der gewünschten Stärke und/oder Verteilung der Schallfeldenergie für eine Diagnose und/oder Behandlung. Auf diese Art und Weise kann beispielsweise im Vorfeld ein Untersuchungs- bzw. Behandlungsplan festgelegt werden, der beispielsweise an einem Programmmittel der Steuerungseinrichtung ausgewählt werden kann und zum Inhalt hat, dass zunächst diagnostische Bildaufnahmen erstellt werden sollen, anhand welcher Bildaufnahmen anschließend die Behandlung mit der Ultraschallvorrichtung durchgeführt werden soll. In diesem Fall kann die Steuerungseinrichtung vollautomatisch und/oder unter Berücksichtigung von Eingaben eines Bedieners die Einschallwinkel bzw. Fokuspunkte und die Ansteuerung anpassen, um beispielsweise die niedrigeren Energien, die für Bildaufnahmen erforderlich sind, zu erhalten, während bei Bildaufnahmen gleichzeitig ein größerer Bereich abgedeckt werden muss. So kann die Verteilung der Feldenergie flexibel an eine bestimmte Anwendung abgepasst werden. Es ist auch möglich, die Fokustiefen je nach der Art der Behandlung für eine umfassende Tumorbehandlung mit verschiedenen Fokuspunkten zu verändern.
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Die Messvorrichtung kann Teil des Schallkopfes sein, ist also in den flexiblen Träger eingearbeitet, wobei die Messvorrichtung durch eine oder mehrere zum Empfang ausgebildete Schallkopfelemente gebildet sein kann bzw. ein reines Empfangselement an einer oder mehreren Positionen darstellt oder zum Senden und Empfangen ausgebildet ist. Zur Positionsbestimmung können zudem andere Techniken verwendet werden.
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Die Ultraschallvorrichtung kann in Abhängigkeit von einem ermittelten Abstand und einer Verdrehung der Schallkopfelemente bezüglich eines Referenzpunktes zur Bestimmung der Zeiten und/oder Zeitdifferenzen für eine Ansteuerung der Schallkopfelemente derart ausgebildet sein, dass ein gewünschtes Schallfeld erzeugt wird. Es werden also vorzugsweise mit Hilfe einer Steuerungseinrichtung, die hierzu über ein geeignetes Programmmittel verfügt, die Zeiten bzw. die Zeitunterschiede bestimmt, mit denen die einzelnen Schallkopfelemente angesteuert werden müssen, um ein Schallfeld zu erhalten, das beispielsweise auf einen Punkt fokussiert ist und an diesem Punkt die benötigte oder gewünschte hohe Energiedichte erzeugt, die dazu geeignet ist, einen Tumor beispielsweise im Gehirn eines Patienten zu zerstören. So werden die erforderlichen „Focal Laws” bestimmt, die die Ansteuerung der Schallkopfelemente vorgeben. Mit den „Focal Laws” sind die Zeitunterschiede für die Ansteuerung der einzelnen Elemente bestimmt, mit denen die Fokussierung auf einen gegebenen Punkt unter gegebenen Winkeln erreicht wird. Der Abstand der Elemente wird hierbei über die zuvor erwähnte Messvorrichtung bestimmt, wobei alternativ oder ergänzend eine Bestimmung von Abständen und Verdrehungen der einzelnen Schallkopfelemente aus älteren Daten des Patienten, beispielsweise aus mit anderen Modalitäten aufgenommenen Daten des betroffenen Körperteils wie Bildern oder dergleichen erfolgen kann. Hilfsweise können Daten aus Datenbanken oder dergleichen herangezogen werden, aus denen sich beispielsweise für diagnostische Aufgaben eine hinreichend genaue Festlegung der Abstände und Verdrehungen für eine bestimmte Körperpartie ableiten lässt.
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Die Zeitdifferenzen können bezüglich einer, gegebenenfalls auf den Wert Null gesetzten, Zeit bestimmt werden, die dem Schallkopfelement mit dem geringsten Abstand zu einem gegebenen Fokuspunkt zugeordnet ist. In diesem Fall wird durch das Target, also durch den Fokuspunkt, der für die Behandlung gewählt wurde, der Zeitbezug vorgegeben, so dass die positiven Relativzeiten zu dieser kürzesten Laufzeit ermittelt werden können. Relativ zu der auf Null gesetzten Zeit werden die Offsetzeiten für die übrigen Schallkopfelemente bestimmt.
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Erfindungsgemäß können die Schallkopfelemente und/oder die Frequenz und/oder die Energie der Ultraschallstrahlung in Abhängigkeit der Anwendung änderbar sein. Gegebenenfalls können also einige oder alle Schallkopfelemente der Trägermatrix ausgetauscht werden bzw. in anderer Art und Weise angesteuert werden, beispielsweise derart, dass die Steuerungseinrichtung eine Ansteuerung nur einer beschränkten Anzahl von Elementen mit einer geringeren Schallaussendung bewirkt. Die Frequenzen und Energien sowie die Wahl der Schallkopfelemente hängen vom gewünschten Einsatzgebiet ab, also von der Körperpartie, die behandelt werden soll, bzw. von der Art der Anwendung, ob also eine diagnostische Verwendung der Ultraschallvorrichtung bzw. eine Anwendung zur Tumorbehandlung oder dergleichen beabsichtigt ist.
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Der flexible Träger kann wenigstens teilweise aus Gummi und/oder einem Gummi enthaltenden und/oder gummiartigen Material und/oder einem flexiblen Kunststoff bestehen. Denkbar sind Träger, die aus geeigneten Materialkombinationen aufgebaut sind bzw. unterschiedliche Materialbereiche aufweisen, um gegebenenfalls in Bereichen, in denen eine größere Krümmung erwartet wird, flexibler zu sein, als in Bereichen, die bei der überwiegenden Mehrheit der in Frage kommenden Patienten weitgehend eben ausgebildet sind. Selbstverständlich können weitere hier nicht genannte Materialien verwendet werden, die die notwendige Flexibilität zur geeigneten Ausrichtung der Ultraschallkopfelemente aufweisen. Der flexible Träger kann, wenn er aus Gummi oder dergleichen besteht, an verschiedene Patienten angepasst werden, indem die dehnbaren Eigenschaften des Materials genutzt werden.
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Der Schallkopf kann etwa 10 bis 1000 Schallkopfelemente aufweisen, insbesondere 128 oder 256 Schallkopfelemente. Der angegebene Zahlenbereich ist beispielhaft zu verstehen, wobei die Wahl von vielen Schallkopfelementen den Vorteil einer sehr flexibel möglichen Ansteuerung aufweist, so dass selbst bei schwer zugänglichen Behandlungsbereichen, beispielsweise Tumoren in der Nachbarschaft von gesundem Gewebe, das auf keinen Fall beeinträchtigt werden darf, eine Behandlung ermöglicht wird, indem eine geeignete Anzahl von Elementen gegebenenfalls in einer bestimmten Ansteuerungssequenz zur Beschallung genutzt wird. Übliche bzw. wünschbare Anzahlen von Schallkopfelementen liegen bei 128 bzw. 256 Elementen, die in einen gummiartigen Träger oder dergleichen eingearbeitet werden können.
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Der flexible Träger kann zur Anpassung an eine gekrümmte Körperoberfläche, insbesondere an die Kopfoberfläche, eines Patienten ausgebildet bzw. vorgeformt sein. Denkbar sind Träger, die beispielsweise zur Behandlung des Gehirns in der Art von Badekappen ausgebildet sind, die dem jeweiligen Patienten aufgesetzt werden. Damit ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Ultraschallvorrichtung eine Anordnung der Schallkopfelemente an flexiblen Positionen, die durch die spezifische Anatomie des Patienten vorgegeben werden. Dadurch wird eine exakte Einschallung in den Körper ermöglicht, die bisher nicht denkbar ist. So wird es möglich, Ultraschall zur Zerstörung von Tumoren zu verwenden, da der Fokuspunkt mit hoher Genauigkeit eingestellt werden kann, mit dem Ergebnis, dass nur an den für eine Zerstörung vorgewählten Stellen die hohe, für das Gewebe schädliche Energiedichte erreicht wird. Dadurch wird mit der erfindungsgemäßen Ultraschallvorrichtung für den Ultraschall ein völlig neues Einsatzgebiet erschlossen.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer Ansteuerung für eine Ultraschallvorrichtung, insbesondere wie vorstehend beschrieben, mit einem Schallkopf, der mehrere Schallkopfelemente aufweist. Die Schallkopfelemente sind in einem flexiblen Träger, insbesondere in einem zur Anpassung an eine gekrümmte Oberfläche ausgebildeten Träger, aufgenommen, wobei, insbesondere mittels einer Messvorrichtung, die Abstände und Verdrehungen der Schallkopfelemente ermittelt und in Abhängigkeit davon Zeiten und/oder Zeitdifferenzen für die Ansteuerung der Schallkopfelemente derart bestimmt werden, dass bei Ansteuerung der Elemente ein Ultraschallfeld mit vorgegebenen Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich wenigstens eines Fokuspunkts und/oder Einschallwinkels und/oder wenigstens einer Energie und/oder Frequenz, erzeugt wird.
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So erfolgt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zunächst eine Positionierung von Schallkopfelementen in einer flexiblen Art und Weise, beispielsweise durch Auflegen eines gegebenenfalls dehnbaren Gummiträgers auf eine gekrümmte Oberfläche, bei der es sich beispielsweise um eine Körperoberfläche eines Patienten handeln kann. Anschließend werden mit Hilfe einer Messvorrichtung Abstände und Verdrehungen der Schallkopfelemente ermittelt, indem Ultraschallstrahlung oder andere Signale ausgesendet und von einem oder mehreren Empfängern der Messvorrichtung empfangen werden. Beispielsweise kann in Abhängigkeit eines Referenzpunktes eine Bestimmung der Abstände und Verdrehungen vorgenommen werden. Daraus lassen sich die Zeiten oder Zeitdifferenzen („Focal Laws”) bestimmen, die für eine Ansteuerung der Schallkopfelemente erforderlich sind, damit ein Ultraschallfeld mit Eigenschaften wie einer bestimmten Energiedichte in einem bestimmten Fokuspunkt erzeugt wird.
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Die Bestimmung dieser gewünschten Ansteuerung zur Erzeugung des Ultraschallfeldes kann automatisch mittels einer Steuerungseinrichtung, gegebenenfalls in Abhängigkeit von bestimmten Vorgaben oder einer Kontrolle oder Bestätigung durch einen Techniker oder Naturwissenschaftler, erfolgen. Das Verfahren kann im medizinischen und außermedizinischen Bereich eingesetzt werden, wobei beim Einsatz in der Medizin zur Diagnostik oder Tumorbehandlung usw. nach der den Gegenstand des Verfahrens bildenden Bestimmung der erforderlichen Ansteuerung zur Erreichung des gewünschten Ziels die eigentliche Beschallung im Anschluss an das Verfahren beispielsweise durch einen Arzt durchgeführt werden kann. Es ist auch denkbar, dass die erforderliche Ansteuerung, um später das gewünschte Ultraschallfeld mit den benötigten Energien bzw. Frequenzen zu erhalten, nicht direkt durch Anlegen des Trägers am Patienten, sondern durch Berechnungen beispielsweise mittels einer Steuerungseinrichtung bestimmt wird. Hierzu kann gegebenenfalls auf Bilder des Patienten oder Datenbankbilder und Informationen zurückgegriffen werden, mit deren Hilfe das Auflegen des flexiblen Trägers mit den Schallkopfelementen simuliert wird.
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Letztlich wird durch die Verwendung des flexiblen Trägers für die Schallkopfelemente ein flexibler Einsatz von Gruppenstrahlern u. a. für die Behandlung von Tumoren, aber auch für die Diagnostik, mit einer präzisen Erzeugung der gewünschten Ultraschallfelder ermöglicht.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Ultraschallvorrichtung mit einem dem Kopf eines Patienten aufliegenden Träger,
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2 eine Skizze zur Bestrahlung eines Tumors mit einer erfindungsgemäßen Ultraschallvorrichtung,
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3 eine Skizze zum Einsatz einer erfindungsgemäßen Ultraschallvorrichtung zur Diagnostik und Behandlung und
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4 eine Ablaufskizze eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Ultraschallvorrichtung 1 mit einem dem Kopf 2 eines Patienten 3 aufliegendem Träger dargestellt. Die Ultraschallvorrichtung 1 besteht aus einem Schallkopf 4, der von einer Vielzahl von Schallkopfelementen 5 gebildet wird, von denen hier lediglich eine Auswahl dargestellt ist. Die einzelnen Schallkopfelemente 5 sind in Abhängigkeit von ihrer Ansteuerung zum Aussenden von Ultraschall unter bestimmten Einschallwinkeln derart, dass der Ultraschall auf einen Fokuspunkt 6 fokussiert wird, ausgebildet.
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Der Fokuspunkt 6, der von den Schallkopfelementen 5 bestrahlt wird, befindet sich in einem Tumor 7, der wiederum im Kopf 2 des Patienten festgestellt wurde. Die Schallkopfelemente 5 sind im flexiblen Träger 8 der Ultraschallvorrichtung 1 aufgenommen, der aus einem gummiartigen Material besteht. Mit Hilfe des flexiblen Trägers 8 können die Schallkopfelemente 5 nach Art einer Badekappe auf dem Kopf 2 des Patienten 3 positioniert werden. Die Ankopplung des Ultraschalls erfolgt mittels Gel bzw. Wasser, z. B. im Wasserbad.
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Das von den Schallkopfelementen 5 der Ultraschallvorrichtung 1 erzeugte Schallfeld kann im Fokus und Winkel variiert werden, so dass sowohl eine Diagnose bei schwachen Energien als auch eine darauf folgende Behandlung, nach einer Diagnose und der festlegenden Parametrisierung der „Focal Laws”, die die Zeiten bzw. Zeitunterschiede für die Ansteuerung der Schallkopfelemente 5 vorgeben, mit gesteigerter Energie möglich ist.
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So kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Ultraschallvorrichtung 1, die durch den flexiblen Träger 8 den Vorteil bietet, dass die Schallkopfelemente 5 in ihren Positionen variabel an die individuelle Körperoberfläche des Patienten 3 angepasst werden können, eine exakte Einschaltung in den gewünschten Körperbereich erfolgen. Dabei wird durch das völlig neuartige Konzept des flexiblen Trägers 8 in Kombination mit der Phased-Array-Technik der elektronischen Einstellung des Einschaltwinkels bzw. Fokuspunkts der Schallkopfelemente 5 eine exakte Einstellung erreicht. Die Bestimmung der „Focal Laws” erfolgt mittels einer Messvorrichtung, die in den Schallkopf 4 integriert und zum Empfang von Ultraschallsignalen ausgebildet ist. So können die Abstände und Verdrehungen der einzelnen Schallkopfelemente 5 bezüglich einander bzw. bezüglich eines Referenzpunkts bestimmt werden. Hierzu sowie zur Diagnostik können einzelne Schallkopfelemente 5 zum Senden und Empfangen ausgebildet sein.
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Die 2 zeigt eine Skizze zur Bestrahlung eines Tumors mit einer erfindungsgemäßen Ultraschallvorrichtung. Der Tumor 9 weist unterschiedliche Punkte P1 bis PN auf, bei denen es sich um gewünschte Fokuspunkte für eine Ultraschallbehandlung handelt. Mit Hilfe einer Ultraschallvorrichtung, wie sie in der 1 dargestellt ist, können die Einschaltwinkel und Fokustiefen, die durch Aussenden von Ultraschall über die einzelnen Schallkopfelemente erreicht werden, elektronisch variiert werden. Im dargestellten Fall findet eine Bestrahlung des ausgewählten Fokuspunkts P1 durch die Ultraschallstrahlen 10 statt, die aus unterschiedlichen Richtungen von den Schallkopfelementen eines hier nicht dargestellten flexiblen Trägers eingestrahlt werden. Wird ein bestimmtes Target definiert, hier also der Fokuspunkt P1, so wird das Schallkopfelement bestimmt, das den geringsten Schalllaufweg bezüglich dieses Nullpunkts der Laufzeit aufweist. Die Schalllaufzeit dieses Elements mit dem kürzesten Abstand wird auf Null gesetzt, daraufhin werden die Offset-Zeiten relativ zu dieser Zeit für die anderen Schallkopfelemente berechnet. Die erforderlichen Frequenzen und Energien hängen vom Einsatzgebiet ab. Im dargestellten Fall soll eine Zerstörung von Tumorgewebe erfolgen, so dass die Fokuspunkte P1 bis PN nacheinander mit hohen Energien bestrahlt werden.
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Die 3 zeigt eine Skizze zum Einsatz einer erfindungsgemäßen Ultraschallvorrichtung 11 zur Diagnostik und Behandlung. Die Ultraschallvorrichtung 11 weist eine Steuerungseinrichtung 12 auf, die über entsprechende Leitungen 13 sowohl mit einer Bildausgabe- und Eingabevorrichtung 14 als auch mit dem Schallkopf 15 der Ultraschallvorrichtung 11 verbunden ist. An der Bildausgabe- und Eingabevorrichtung 14 ist ein Bediener 16 dargestellt, der die Ansteuerung des Schallkopfs 15, die in Abhängigkeit von seinen Vorgaben mit Hilfe der Steuerungseinrichtung 12 in geeigneter Art und Weise berechnet wird, überwacht. Dies kann gegebenenfalls so erfolgen, dass als Bediener 16 zunächst für die Bestimmung der eigentlichen Ansteuerung ein Naturwissenschaftler herangezogen wird, während in der Folge einer Tumorbehandlung bzw. eine Diagnostik unter Begleitung eines Arztes durchgeführt werden.
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Der Schallkopf 15 weist verschiedene Schallkopfelemente 19 auf, von denen hier lediglich einige angedeutet sind. Die Schallkopfelemente 19 sind zum Senden und Empfangen von Ultraschall ausgebildet. Aufgenommen sind die Schallkopfelemente 19 in einem flexiblen Träger 17, der hier am gekrümmten Oberarm- bzw. Schulterbereich eines Patienten 18 anliegt.
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Mit Hilfe eines Programmmittels, das der Bediener 16 über die Bildausgabe- und Eingabevorrichtung 14 bedient, werden Vorgaben für die durchzuführende Diagnostik und Behandlung mit der Ultraschallvorrichtung 11 aufgenommen und von der Steuerungseinrichtung 12 verarbeitet. In Abhängigkeit von diesen Vorgaben, die bestimmen, in welcher Art und Weise Ultraschallaufnahmen des Behandlungsbereichs des Patienten 18 angefertigt werden sollen, die in der Folge durch Berechnungsschritte der Steuerungseinrichtung 12 zur Bestimmung geeigneter Fokuspunkte für eine Tumorbehandlung automatisch verarbeitet werden, erfolgt die Behandlung. Die einzelne Ansteuerung der Schallkopfelemente 19 ermöglicht so in Verbindung mit dem flexiblen Träger 17, in dem die Schallkopfelemente 19 des Schallkopfs 15 eingearbeitet sind, eine exakte Beschallung des Patienten 18. Unerwünschte Gewerbeschädigungen können so weitgehend ausgeschlossen werden. Dadurch wird es möglich, Ultraschallvorrichtungen wie die dargestellte Ultraschallvorrichtung 11 in einem wesentlich breiteren Bereich als bisher einzusetzen.
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In der 4 ist eine Ablaufskizze eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Dabei wird zunächst im Schritt S1 der Träger mit den darin eingearbeiteten Schallkopfelementen, die in Abhängigkeit vom gewünschten Anwendungsbereich ausgetauscht oder in anderer Art und Weise angesteuert werden können, beispielsweise auf einer Körperoberfläche oder einer anderen Oberfläche positioniert. Im Schritt S2 wird ein Messverfahren durchgeführt, mit dem die Abstände und Verdrehungen der Schallkopfelemente mit Bezug auf Referenzvorgaben bzw. bezüglich einander ermittelt werden.
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Im Schritt S3 wird schließlich die Ansteuerung der Ultraschallvorrichtung in der Art und Weise, dass ein gewünschtes Ultraschallfeld erzeugt wird, bestimmt. Dies erfolgt, indem die Zeiten bzw. Zeitdifferenzen für die Ansteuerung der Schallkopfelemente, damit sich das gewünschte Schallfeld ergibt, berechnet werden. Mit Hilfe dieser Zeiten kann eine Steuerungseinrichtung die gewünschte Beschallung, wie im fakultativen Schritt S4 angedeutet, durchführen. Die Bestimmung der Ansteuerung kann dabei getrennt von der nachfolgenden Beschallung erfolgen, so dass die Ansteuerung beispielsweise durch einen medizinisch-technischen Assistenten bestimmt wird, während die Beschallung selbst unter Überwachung eines Arztes durchgeführt wird. In anderen Anwendungsgebieten kann die Beschallung in das Verfahren integriert sein, wobei nach der Positionierung des Trägers ein vollautomatischer Verfahrensablauf mit Hilfe einer Steuerungseinrichtung erreicht werden kann.
