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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Therapievorrichtung zur therapeutischen Ultraschallbehandlung eines Gewebebereichs, der eine strömende Flüssigkeit enthält, wobei die Therapievorrichtung wenigstens eine Ultraschallquelle und wenigstens eine Steuereinheit aufweist, die dazu eingerichtet ist, die wenigstens eine Ultraschallquelle gemäß einem Impulsparametersatz anzusteuern, um Ultraschallimpulse zur therapeutischen Ultraschallbehandlung in den Gewebebereich einzustrahlen. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogrammprodukt mit Befehlen, welche bei Ausführung durch eine Therapievorrichtung diese dazu veranlassen, ein Verfahren zur therapeutischen Ultraschallbehandlung durchzuführen.
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Um Ablagerungen in Gefäßen oder an Herzklappen oder Gefäßverengungen, auch als Stenosen bezeichnet, abzubauen, können Verfahren zur therapeutischen Ultraschallbehandlung, wie etwa Histotripsieverfahren, intravaskulär eingesetzt werden. Dabei kann es, etwa durch Körperbewegungen, schlechte Fokussierbarkeit der Ultraschallwellen oder sonstige Unregelmäßigkeiten, dazu kommen, dass unerwünschter Weise gesunde Gewebebereiche geschädigt oder zerstört werden.
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Histotripsie ist ein Verfahren zur therapeutischen Ultraschallbehandlung, das unter anderem zur nicht-invasiven Tumorablation eingesetzt werden kann, wie beispielsweise in der Veröffentlichung Q. Shibin et al. „Non-thermal histotripsy tumor ablation promotes abscopal immune responses that enhance cancer immunotherapy“, Journal for ImmunoTherapy of Cancer, 8 (1), 2020 beschrieben, aber auch intravaskulär verwendet werden kann.
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Dabei werden durch hochintensive Ultraschallimpulse, die in einem Fokusbereich zusammenlaufen, extreme Druckunterschiede erzeugt, was zur Zerstörung der Zellstruktur führt. Dies geht zurück auf die Bildung und Zerstörung von Kavitationsblasen in Flüssigkeiten im Gewebe, die durch die Druckunterschiede erzeugt werden. Bei der Histotripsie werden die Impulsparameter zum Erzeugen der Ultraschallimpulse, wie etwa die Pulsdauer, Pulsamplitude oder Pausenzeiten zwischen einzelnen Ultraschallimpulsen oder zwischen Sequenzen von Ultraschallimpulsen, derart gewählt, dass ein hoher Energieeintrag stattfindet, der zur starken Ausdehnung und letztlich Zerstörung der Kavitationsblasen führt, ohne jedoch eine relevante Wärmeentwicklung zu verursachen. Das Zerplatzen der Kavitationsblasen geht mit Schockwellen und dementsprechend hohen Kräften auf umliegendes Gewebe einher, was zu der Zerstörung der Zellstruktur führt. Dies kann als zerstörungswirksame Kavitation bezeichnet werden.
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Je nach Wahl der Impulsparameter ist es jedoch auch möglich, die Kavitationsblasen zu erzeugen und gegebenenfalls stabil aufrecht zu erhalten, ohne diese durch weiteren Energieeintrag zu zerstören. Dies kann nicht zerstörungswirksame Kavitation bezeichnet werden.
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Die
US 2019 / 0 216 478 A1 beschreibt ein Verfahren zum Durchführen einer nicht-invasiven Thrombolyse unter Verwendung eines Ultraschallwandlers, um einen hochintensiven Ultraschallstrahl auf ein Blutgerinnsel oder einen anderen vaskulären Verschluss zu fokussieren.
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Aus der
US 2021 / 0 196 295 A1 ist eine Vorrichtung zur Behandlung von vaskulärer Thrombose bekannt, welche einen therapeutischen Ultraschallwandler umfasst, der geeignet ist, fokussierte Ultraschallwellen zu erzeugen, sowie einen bildgebenden Ultraschallwandler, der dem therapeutischen Wandler zugeordnet ist.
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Die
US 2018 / 0 064 412 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Behandeln einer Herzklappenerkrankung. Die Vorrichtung umfasst eine Ultraschallsonde, die außerhalb eines Herzens eines Patienten angeordnet ist und Ultraschallwellen erzeugen kann, die innerhalb des Herzens fokussiert sind.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der therapeutischen Ultraschallbehandlung eines Gewebebereichs, der eine strömende Flüssigkeit enthält, das Risiko der unerwünschten Schädigung von gesundem Gewebe zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Therapievorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch. Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit zu bestimmen und den Fokusbereich eingestrahlter Ultraschallimpulse mit der strömenden Flüssigkeit mitzubewegen, sodass ein Energieeintrag selektiv dort am höchsten ist, wo die Strömungsgeschwindigkeit mit der Bewegungsgeschwindigkeit des Fokusbereichs übereinstimmt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Therapievorrichtung zur therapeutischen Ultraschallbehandlung eines Gewebebereichs, der eine strömende Flüssigkeit enthält, angegeben. Die Therapievorrichtung weist wenigstens eine Ultraschallquelle und wenigstens eine Steuereinheit auf. Die wenigstens eine Steuereinheit ist dazu eingerichtet, die wenigstens eine Ultraschallquelle gemäß einem Impulsparametersatz anzusteuern, sodass die wenigstens eine Ultraschallquelle Ultraschallimpulse zur therapeutischen Ultraschallbehandlung in den Gewebebereich einstrahlt, insbesondere wenn die wenigstens eine Ultraschallquelle entsprechend bezüglich des Gewebebereichs positioniert ist. Die Therapievorrichtung weist ein Messsystem auf, das dazu eingerichtet ist, eine Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit zu bestimmen. Die Therapievorrichtung weist ein Fokussteuerungssystem auf, das dazu eingerichtet ist, einen Fokusbereich der Ultraschallimpulse abhängig von der bestimmten Strömungsgeschwindigkeit relativ zu dem Gewebebereich über einen Längenabschnitt zu bewegen, sodass eine Bewegungsrichtung der Bewegung des Fokusbereichs relativ zu dem Gewebebereich einer Strömungsrichtung der Flüssigkeit entspricht und eine Bewegungsgeschwindigkeit der Bewegung des Fokusbereichs der Strömungsgeschwindigkeit entspricht.
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Insbesondere ist das Messsystem dazu eingerichtet, auch die Strömungsrichtung der Flüssigkeit zu bestimmen.
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Dass der Fokusbereich über den Längenabschnitt bewegt wird, kann insbesondere derart verstanden werden, dass der Fokusbereich parallel zur Strömung der Flüssigkeit über eine bestimmte Strecke bewegt wird. Die Bewegung kann dabei im Wesentlichen geradlinig sein, kann aber gegebenenfalls auch gekrümmt sein.
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Der Impulsparametersatz weist entsprechende Werte für wenigstens einen vorgegebenen Impulsparameter auf. Der wenigstens eine Impulsparameter kann beispielsweise eine Impulsdauer der Ultraschallimpulse, eine Impulsamplitude der Ultraschallimpulse, eine Pausenzeit zwischen aufeinanderfolgenden Ultraschallimpulsen oder zwischen zusammenhängenden Sequenzen aufeinanderfolgender Ultraschallimpulse, einen Tastgrad oder Duty Cycle der Ultraschallimpulse, und so weiter beinhalten. Durch die Einstellung des wenigstens einen Impulsparameters kann die Stärke der in dem Gewebe durch die Ultraschallimpulse erzeugten Druckunterschiede, insbesondere in dem Fokusbereich, eingestellt werden. Der Impulsparametersatz kann also insbesondere derart aufgefasst werden, dass er eine durch die Ultraschallimpulse eingebrachte effektive Energie oder effektive Leistung quantifiziert, gegebenenfalls zeitabhängig. Auf diese Weise kann durch Einstellen des wenigstens einen Impulsparameters insbesondere eine Rate zur Erzeugung von Kavitationsblasen angepasst werden und zum anderen kann die Größe der erzeugten Kavitationsblasen gesteuert werden. Demzufolge kann durch Einstellen des wenigstens einen Impulsparameters gesteuert werden, ob und unter welchen Bedingungen eine zerstörungswirksame Kavitation auftritt.
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Die wenigstens eine Steuereinheit kann eine oder mehrere Recheneinheiten, Treiber und/oder Schaltkreise beinhalten.
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Zum Erzeugen der Ultraschallimpulse kann die wenigstens eine Steuereinheit die Parameterwerte des Impulsparametersatzes derart einstellen, dass durch die eingestrahlten Ultraschallimpulse in der Flüssigkeit Kavitationsblasen erzeugt werden. Erfolgt ein weiterer Energieeintrag durch die Ultraschallimpulse oder weitere eingestrahlte Ultraschallimpulse, so können die Kavitationsblasen zerstört werden, es liegt dann eine zerstörungswirksame Kavitation vor. Durch die Zerstörung der Kavitationsblasen können hohe Kräfte auf umliegendes Gewebe erzeugt werden, das dadurch zerstört werden kann, was einer gewünschten therapeutischen Wirkung entsprechen kann.
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Die wenigstens eine Steuereinheit kann die Parameterwerte des Impulsparametersatzes insbesondere derart einstellen, dass die zerstörungswirksame Kavitation in der Flüssigkeit auftritt, wenn sich die Flüssigkeit nicht oder im Wesentlichen nicht bezüglich des Fokusbereichs bewegt oder, mit anderen Worten, wenn sich der Fokusbereich ebenso schnell in dieselbe Richtung bewegt wie die Flüssigkeit. Findet dagegen eine signifikante Relativbewegung der Flüssigkeit bezüglich des Fokusbereichs statt, so ist die in ein bestimmtes Flüssigkeitsvolumen eingebrachte Energie geringer, da eine Einstrahlung nur kürzer erfolgt. Je größer die Geschwindigkeit der Flüssigkeit bezüglich des Fokusbereichs ist, desto geringer ist die in das Flüssigkeitsvolumen eingebrachte Energie. Dementsprechend kann die wenigstens eine Steuereinheit die Parameterwerte des Impulsparametersatzes insbesondere derart einstellen, dass eine zerstörungswirksame Kavitation nur dann auftritt, wenn die Geschwindigkeit der Flüssigkeit bezüglich des Fokusbereichs gleich Null ist oder in einem vorgegebenen Toleranzbereich um Null liegt.
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Die erfindungsgemäße Therapievorrichtung ermöglicht es also, eine lokal selektive zerstörungswirksame Kavitation zu erzeugen, sodass Gewebe nur im Bereich im Wesentlichen übereinstimmender Geschwindigkeiten der Flüssigkeit und des Fokusbereichs zerstört wird, außerhalb dieses Bereichs jedoch nicht.
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Die Bewegung des Fokusbereichs kann insbesondere auch wiederholt beziehungsweise zyklisch erfolgen, sodass der Fokusbereich mehrfach entlang desselben Längenabschnitts bewegt wird, um eine effektivere Einwirkung auf das Gewebe zu erreichen.
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Es sei darauf hingewiesen, dass Gewebe im Allgemeinen sowohl festes als auch flüssiges Gewebe, wie insbesondere Blut oder Lymphe oder Zellflüssigkeit, beinhalten kann. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Gewebebereich um ein Gefäß, insbesondere ein Blutgefäß, oder einen Teil eines Gefäßes, und bei der Flüssigkeit um eine im Inneren des Gefäßes strömende Flüssigkeit, insbesondere um Blut.
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Die Strömungsgeschwindigkeit in dem Gefäß ist nicht notwendigerweise räumlich konstant und ist insbesondere nicht räumlich konstant, wenn eine Gefäßverengung, auch als Stenose bezeichnet, vorliegt. In diesem Fall ist die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der Stenose im Vergleich zu Abschnitten vor und nach der Stenose erhöht.
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Alternativ oder zusätzlich zu der räumlichen Variabilität kann die Strömungsgeschwindigkeit auch zeitlich variieren, beispielsweise mit einer Herzphase oder einem Herzzyklus. Es ist daher auch möglich, die Ultraschalleinstrahlung an eine oder mehrere Herzphasen eines Herzzyklus angepasst und/oder getaktet vorzunehmen.
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Die wenigstens eine Steuereinheit kann die Parameterwerte des Impulsparametersatzes daher derart einstellen, dass im Bereich der Stenose eine zerstörungswirksame Kavitation auftritt, die zu einer Zerstörung des die Stenose erzeugenden Gewebes führen kann. Weiter entfernt von der Stenose und an den Gefäßwänden beziehungsweise außerhalb des Gefäßes kommt es vorzugsweise aufgrund der oben beschriebenen Selektivität nicht zur Gewebeschädigung.
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Im Idealfall könnte der Fokusbereich der Ultraschallimpulse punktförmig sein. In der Realität hat dieser jedoch stets eine endliche Ausdehnung, so dass der Fokusbereich wenigstens näherungsweise durch eine dreidimensionale geometrische Figur beschrieben werden kann. Das Zentrum des Fokusbereichs kann beispielsweise im Volumenschwerpunkt der geometrischen Figur liegen. Beispielsweise kann der Fokusbereich näherungsweise durch eine Kugel, ein Ellipsoid oder ein Ovoid beschrieben werden. Das Zentrum des Fokusbereichs wird insbesondere im Bereich der strömenden Flüssigkeit positioniert, im Falle eines Gefäßes also im Inneren des Gefäßes.
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Die Form und/oder Ausdehnung des Fokusbereichs kann in manchen Ausführungsformen durch, insbesondere gleichzeitiges, Aussenden von weiteren Ultraschallpulsen entgegengesetzter Polarität, deren weitere Fokusbereiche an den Fokusbereich angrenzen, gegebenenfalls exakter definiert beziehungsweise gewissermaßen geschärft werden.
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Das Messsystem beinhaltet je nach Ausgestaltungsform beispielsweise eine Sensorik und eine Messsteuereinheit zur Auswertung von mittels der Sensorik erhaltenen Messwerten oder Bildern oder Bildsequenzen, um die Strömungsgeschwindigkeit zu bestimmen.
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Die Therapievorrichtung weist beispielsweise eine Histotripsievorrichtung auf oder ist als Histotripsievorrichtung ausgestaltet, welche die wenigstens eine Ultraschallquelle enthält. Die wenigstens eine Ultraschallquelle ist dann insbesondere als wenigstens ein Histotripsie-Wandler ausgestaltet.
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Um den Fokusbereich relativ zu dem Gewebebereich zu bewegen kann grundsätzlich der Gewebebereich, beziehungsweise eine Patientenliege oder dergleichen, in einem ortsfesten Bezugskoordinatensystem, beispielsweise eines Untergrunds, auf dem sich die Therapievorrichtung befindet, bewegt werden, beispielsweise robotisch bewegt werden, während die wenigstens eine Ultraschallquelle in dem Bezugskoordinatensystem unbewegt bleibt oder die wenigstens eine Ultraschallquelle kann in dem Bezugskoordinatensystem bewegt werden, während der Gewebebereich unbewegt bleibt. Auch eine Kombination beider Bewegungen ist denkbar.
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Das Fokussteuerungssystem beinhaltet dann beispielsweise entsprechende Aktuatoren, Motoren, Roboter und/oder sonstige Antriebskomponenten zum Bewegen der wenigstens einen Ultraschallquelle und/oder des Gewebebereichs aufweisen, sowie eine Fokussteuereinheit zum Ansteuern der genannten Komponenten. Die Fokussteuereinheit kann dabei auch Teil der wenigstens einen Steuereinheit sein.
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Beispielsweise kann ein Gehäuse mit einem Gelkissen auf einer Patientenoberfläche positioniert werden. Ein Roboter kann die wenigstens eine Ultraschallquelle auf der Patientenoberfläche mechanisch bewegen, sodass der Fokusbereich wie erläutert mitbewegt wird. Der Fokusbereich kann dabei entlang einer longitudinalen Achse elektronisch angepasst werden.
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In bevorzugten Ausführungsformen wird jedoch weder die wenigstens eine Ultraschallquelle noch der Gewebebereich in dem Bezugskoordinatensystem bewegt. Vielmehr kann die wenigstens eine Ultraschallquelle mittels einer Ansteuerelektronik derart angesteuert werden, dass sich die Position des Fokusbereichs durch Überlagerung von Ultraschallwellen unterschiedlicher Phasenlagen gezielt verändern lässt. Solche Ultraschallquellen können auch als phasengesteuerte Array-Wandler oder Phased-Array-Wandler bezeichnet werden. Das Fokussteuerungssystem enthält dabei die Ansteuerelektronik oder besteht aus dieser. Die Ansteuerelektronik kann auch Teil der wenigstens einen Steuereinheit sein.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Therapievorrichtung das Fokussteuerungssystem dazu eingerichtet ist, die Bewegung des Fokusbereichs durch elektronische Steuerung der wenigstens eine Ultraschallquelle zu steuern, wobei während der Bewegung des Fokusbereichs relativ zu dem Gewebebereich eine Position und eine Orientierung der wenigstens einen Ultraschallquelle relativ zu dem Gewebebereich unverändert sind.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die wenigstens eine Ultraschallquelle als wenigstens ein Phased-Array-Wandler ausgestaltet und das Fokussteuerungssystem, insbesondere die Ansteuerelektronik, ist dazu eingerichtet, die Bewegung des Fokusbereichs durch Phasensteuerung des wenigstens einen Phased-Array-Wandlers zu steuern.
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Mit Vorteil kann der Fokusbereich dadurch sehr exakt und mit sehr hohen Geschwindigkeiten bewegt werden, da keine mechanischen Komponenten bewegt werden müssen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der wenigstens eine Phased-Array-Wandler als wenigstens ein Annular-Phased-Array-Wandler oder als wenigstens ein Curved-Phased-Array-Wandler ausgebildet.
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In alternativen Ausführungsformen kann die wenigstens eine Ultraschallquelle mehrere Ultraschalltransducer oder Ultraschalltransducer-Arrays aufweisen, welche jeweils einen entsprechenden Fokusbereich in dem Gewebebereich aufweisen. Die Ultraschalltransducer oder Ultraschalltransducer-Arrays können dann sequenziell aktiviert werden, sodass die einzelnen Fokusbereiche sequenziell entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit angeschaltet werden.
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In manchen Ausführungsformen können auch mehrere Fokusbereiche gleichzeitig entlang des Längenabschnitts bewegt werden, sodass insbesondere eine Kette oder ein Zug von Fokusbereichen entlang des Längenabschnitts bewegt wird. Dadurch kann die Behandlungsdauer reduziert werden.
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Zwei oder mehr der hinsichtlich der Bewegung des Fokusbereichs beschriebenen Varianten können in verschiedenen Ausführungsformen auch kombiniert werden. So können beispielsweise Beschränkungen überwunden werden, die durch eine rein mechanische oder eine rein elektronische Steuerung gegeben wären, beispielsweise hinsichtlich der möglichen Bewegungsamplitude oder der Bewegungsgeschwindigkeit.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Therapievorrichtung ist das Messsystem als Doppler-Sonographiesystem ausgestaltet.
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Das Messsystem weist also wenigstens einen Ultraschallwandler auf und eine Messsteuereinheit, die beispielsweise Teil der wenigstens einen Steuereinheit sein kann, welche den wenigstens einen Ultraschallwandler zur Bildgebung gemäß Doppler-Sonographie ansteuern kann. Die Messsteuereinheit oder die wenigstens eine Steuereinheit ist dazu eingerichtet, basierend auf einem Ergebnis der Bildgebung die Strömungsgeschwindigkeit zu bestimmen und beispielsweise auch die Strömungsrichtung der Flüssigkeit.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die wenigstens eine Ultraschallquelle zum Erzeugen der Ultraschallimpulse zur therapeutischen Ultraschallbehandlung grundsätzlich unabhängig von dem wenigstens einen Ultraschallwandler des Messsystems sein kann.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Messsystem dazu eingerichtet, die Strömungsgeschwindigkeit entlang der Strömungsrichtung positionsabhängig zu bestimmen. Das Fokussteuerungssystem ist dazu eingerichtet, die Bewegung des Fokusbereichs so zu steuern, dass die Bewegungsgeschwindigkeit der Bewegung des Fokusbereichs einer maximalen Strömungsgeschwindigkeit der positionsabhängig bestimmten Strömungsgeschwindigkeit entspricht.
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So kann erreicht werden, dass der maximale Energieeintrag dort stattfindet, wo die maximale Strömungsgeschwindigkeit vorliegt. Im Beispiel einer Gefäßverengung wird also der Bereich der Gefäßverengung therapiert, wohingegen umliegende Bereiche im Wesentlichen unbeeinflusst bleiben können.
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Insbesondere erscheint der Bereich der maximalen Strömungsgeschwindigkeit stationär zum bewegten Fokusbereich, während die umliegenden Bereiche mit geringerer Strömungsgeschwindigkeit eine Relativbewegung zum Fokusbereich aufweisen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Fokussteuerungssystem dazu eingerichtet, die Bewegung des Fokusbereichs so zu steuern, dass der Fokusbereich entlang der Strömungsrichtung über den Längenabschnitt bewegt wird, wobei in einem ersten Teil des Längenabschnitts die maximale Strömungsgeschwindigkeit vorliegt und in einem zweiten Teil des Längenabschnitts eine Strömungsgeschwindigkeit, die geringer ist als die maximale Strömungsgeschwindigkeit.
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Beispielsweise kann es sich bei dem ersten Teil um den konkreten Bereich der Gefäßverengung handeln und bei dem zweiten Teil um einen Bereich des Gefäßes, in dem keine oder eine weniger starke Verengung vorliegt. Der Fokusbereich wird dann mit konstanter Geschwindigkeit, die der maximalen Strömungsgeschwindigkeit entspricht, entlang des ersten und des zweiten Teils des Längenabschnitts bewegt. Die wenigstens eine Steuereinheit kann dabei den Parametersatz derart festlegen, dass es im ersten Teil, nicht jedoch im zweiten Teil, zur zerstörungswirksamen Kavitation kommt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die wenigstens eine Steuereinheit dazu eingerichtet, den Impulsparametersatz abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit, insbesondere der ortsabhängig bestimmten Strömungsgeschwindigkeit, derart zu bestimmen, dass durch die eingestrahlten Ultraschallimpulse in dem ersten Teil des Längenabschnitts eine zerstörungswirksame Kavitation verursacht wird und in dem zweiten Teil des Längenabschnitts keine zerstörungswirksame Kavitation verursacht wird. Beispielsweise kann in dem zweiten Teil des Längenabschnitts eine nicht zerstörungswirksame Kavitation verursacht werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Messsystem dazu eingerichtet, eine weitere Strömungsgeschwindigkeit der von Kavitationsblasen, die durch die nicht zerstörungswirksame Kavitation erzeugt werde, zu bestimmen und die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit basierend auf der weiteren Strömungsgeschwindigkeit der Kavitationsblasen zu bestimmen.
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Dazu kann das Messsystem eine Bildgebungsmodalität aufweisen, beispielsweise eine ultraschallbasierte Bildgebungsmodalität, eine röntgenbasierte Bildgebungsmodalität oder ein Magnetresonanztomographiesystem, welches die Bewegung der Kavitationsblasen darstellen kann und damit deren Geschwindigkeit bestimmen kann. Da sich die Kavitationsblasen mit der strömenden Flüssigkeit mitbewegen, kann insbesondere davon ausgegangen werden, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit der Strömungsgeschwindigkeit der Kavitationsblasen entspricht.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Messsystem dazu eingerichtet, eine zeitliche Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit, insbesondere der maximalen Strömungsgeschwindigkeit, festzustellen. Das Fokussteuerungssystem ist dazu eingerichtet, die Bewegung des Fokusbereichs so zu steuern, dass der Fokusbereich wiederholt beziehungsweise zyklisch entlang des Längenabschnitts bewegt wird, und die Bewegungsgeschwindigkeit der Bewegung des Fokusbereichs gemäß der Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit an die Strömungsgeschwindigkeit anzupassen.
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Dabei kann die Bewegungsgeschwindigkeit der Bewegung des Fokusbereichs beispielsweise während eines Zyklus konstant bleiben und die Bewegungsgeschwindigkeit bei einer festgestellten Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit im folgenden Zyklus angepasst werden. Alternativ kann die Bewegungsgeschwindigkeit der Bewegung des Fokusbereichs während einer Gruppe mit einer vorgegebenen Anzahl von Zyklen konstant bleiben und bei einer festgestellten Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit in der folgenden Gruppe von Zyklen angepasst werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogramm mit Befehlen angegeben. Bei Ausführung der Befehle durch eine erfindungsgemäße Therapievorrichtung, insbesondere durch die wenigstens eine Steuereinheit der Therapievorrichtung, veranlassen die Befehle die Therapievorrichtung dazu, ein Verfahren zur therapeutischen Ultraschallbehandlung durchzuführen.
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Gemäß dem Verfahren zur therapeutischen Ultraschallbehandlung werden Ultraschallimpulse zur therapeutischen Ultraschallbehandlung in den Gewebebereich eingestrahlt und es wird eine Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit bestimmt. Der Fokusbereich der Ultraschallimpulse wird relativ zu dem Gewebebereich über einen Längenabschnitt abhängig von der bestimmten Strömungsgeschwindigkeit bewegt, wobei eine Bewegungsrichtung der Bewegung des Fokusbereichs einer Strömungsrichtung der Flüssigkeit entspricht und eine Bewegungsgeschwindigkeit der Bewegung des Fokusbereichs der Strömungsgeschwindigkeit entspricht.
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Das Verfahren zur therapeutischen Ultraschallbehandlung kann beispielsweise ein Verfahren zur Ultraschallbehandlung einer Gefäßverengung sein, wobei und der Gewebebereich einem Gefäß entspricht, welches die Gefäßverengung aufweist. Der Fokusbereich kann insbesondere im Gefäßinneren des Gefäßes bewegt werden.
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Weitere Ausführungsformen des Verfahrens und damit des erfindungsgemäßen Computerprogramms folgen unmittelbar aus den verschiedenen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Therapievorrichtung und umgekehrt. Insbesondere lassen sich einzelne Merkmale und entsprechende Erläuterungen bezüglich der verschiedenen Ausführungsformen zu der erfindungsgemäßen Therapievorrichtung analog auf entsprechende Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Computerprogramms übertragen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird auch ein computerlesbares Speichermedium angegeben, welches ein erfindungsgemäßes Computerprogramm speichert.
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Ein erfindungsgemäßes Computerprogramm und ein erfindungsgemäßes computerlesbares Speichermedium können als jeweilige Computerprogrammprodukte mit den Befehlen aufgefasst werden.
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Ist im Rahmen der vorliegenden Offenbarung die Rede davon, dass eine Komponente der erfindungsgemäßen Therapievorrichtung, insbesondere die wenigstens eine Steuereinheit oder das Fokussteuerungssystem der Therapievorrichtung, dazu eingerichtet, ausgebildet, ausgelegt, oder dergleichen ist, eine bestimmte Funktion auszuführen oder zu realisieren, eine bestimmte Wirkung zu erzielen oder einem bestimmten Zweck zu dienen, so kann dies derart verstanden werden, dass die Komponente, über die prinzipielle oder theoretische Verwendbarkeit oder Eignung der Komponente für diese Funktion, Wirkung oder diesen Zweck hinaus, durch eine entsprechende Anpassung, Programmierung, physische Ausgestaltung und so weiter konkret und tatsächlich dazu in der Lage ist, die Funktion auszuführen oder zu realisieren, die Wirkung zu erzielen oder dem Zweck zu dienen.
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Unter einer Recheneinheit kann insbesondere ein Datenverarbeitungsgerät verstanden werden, die einen Verarbeitungsschaltkreis enthält. Die Recheneinheit kann also insbesondere Daten zur Durchführung von Rechenoperationen verarbeiten. Darunter fallen gegebenenfalls auch Operationen, um indizierte Zugriffe auf eine Datenstruktur, beispielsweise eine Umsetzungstabelle, LUT (englisch: „look-up table“), durchzuführen.
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Die Recheneinheit kann insbesondere einen oder mehrere Computer, einen oder mehrere Mikrocontroller und/oder einen oder mehrere integrierte Schaltkreise enthalten, beispielsweise eine oder mehrere anwendungsspezifische integrierte Schaltungen, ASIC (englisch: „application-specific integrated circuit“), eines oder mehrere feldprogrammierbare Gate-Arrays, FPGA, und/oder eines oder mehrere Einchipsysteme, SoC (englisch: „system on a chip“). Die Recheneinheit kann auch einen oder mehrere Prozessoren, beispielsweise einen oder mehrere Mikroprozessoren, eine oder mehrere zentrale Prozessoreinheiten, CPU (englisch: „central processing unit“), eine oder mehrere Grafikprozessoreinheiten, GPU (englisch: „graphics processing unit“) und/oder einen oder mehrere Signalprozessoren, insbesondere einen oder mehrere digitale Signalprozessoren, DSP, enthalten. Die Recheneinheit kann auch einen physischen oder einen virtuellen Verbund von Computern oder sonstigen der genannten Einheiten beinhalten.
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In verschiedenen Ausführungsbeispielen beinhaltet die Recheneinheit eine oder mehrere Hardware- und/oder Softwareschnittstellen und/oder eine oder mehrere Speichereinheiten.
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Eine Speichereinheit kann als flüchtiger Datenspeicher, beispielsweise als dynamischer Speicher mit wahlfreiem Zugriff, DRAM (englisch: „dynamic random access memory“) oder statischer Speicher mit wahlfreiem Zugriff, SRAM (englisch: „static random access memory“), oder als nicht-flüchtiger Datenspeicher, beispielsweise als Festwertspeicher, ROM (englisch: „read-only memory“), als programmierbarer Festwertspeicher, PROM (englisch: „programmable read-only memory“), als löschbarer Festwertspeicher, EPROM (englisch: „erasable read-only memory“), als elektrisch löschbarer Festwertspeicher, EEPROM (englisch: „electrically erasable read-only memory“), als Flash-Speicher oder Flash-EEPROM, als ferroelektrischer Speicher mit wahlfreiem Zugriff, FRAM (englisch: „ferroelectric random access memory“), als magnetoresistiver Speicher mit wahlfreiem Zugriff, MRAM (englisch: „magnetoresistive random access memory“) oder als Phasenänderungsspeicher mit wahlfreiem Zugriff, PCRAM (englisch: „phase-change random access memory“), ausgestaltet sein.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen können nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen von der Erfindung umfasst sein. Es sind insbesondere auch Ausführungen und Merkmalskombinationen von der Erfindung umfasst, die nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen von der Erfindung umfasst, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand konkreter Ausführungsbeispiele und zugehöriger schematischer Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren können gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Beschreibung gleicher oder funktionsgleicher Elemente wird gegebenenfalls nicht notwendigerweise bezüglich verschiedener Figuren wiederholt.
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In den Figuren zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Therapievorrichtung und
- 2 eine schematische Darstellung eines Gewebebereichs.
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In 1 ist schematisch eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Therapievorrichtung 1 dargestellt. Ferner sind ein Patient 3 und ein Gewebebereich des Patienten 3, beispielsweise ein Gefäß 2 mit einer Gefäßwand 2a und einer im Inneren des Gefäßes strömenden Flüssigkeit 2b, insbesondere Blut, schematisch dargestellt. Das Gefäß 2 ist schematisch in 2 nochmals dargestellt.
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Die Therapievorrichtung 1 weist eine oder mehrere Ultraschallquellen 4 auf, sowie eine Steuereinheit 6 aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Ultraschallquellen 4 gemäß einem Impulsparametersatz anzusteuern, um Ultraschallimpulse zur therapeutischen Ultraschallbehandlung in das Gefäß 2 einzustrahlen, sodass sich insbesondere ein Fokusbereich 8 der Ultraschallimpulse zumindest auch innerhalb des Gefäßes 2 befindet. Die Ausdehnung des Fokusbereichs 8 kann dabei größer sein als ein Gefäßquerschnitt, sodass der Fokusbereich 8 beispielsweise mit dem Gefäß 2 überlappt.
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Die Therapievorrichtung 1 weist ein Messsystem 7 auf, insbesondere ein Doppler-Sonographiesystem, welches von der Steuereinheit 6 gesteuert werden kann. Dadurch kann die Steuereinheit 6 eine Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit 2b positionsabhängig bestimmen. Gegebenenfalls kann auch eine separate Messsteuereinheit (nicht gezeigt) zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit und/oder Ansteuerung des Messsystems 7 vorgesehen werden.
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Die Ultraschallquellen 4 sind beispielsweise als Phased-Array-Wandler ausgestaltet, sodass ein Fokussteuerungssystem 5 die Position des Fokusbereichs 8 elektronisch steuern kann, ohne dass die Ultraschallquellen 4 selbst bewegt werden müssen. Das Fokussteuerungssystem 5 ist dazu eingerichtet, den Fokusbereich 8 der Ultraschallimpulse relativ zu dem Gefäß 2 parallel zu der Strömung der Flüssigkeit 2b zu bewegen, wobei eine Bewegungsgeschwindigkeit der Bewegung des Fokusbereichs 8 der maximalen Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit 2b entspricht.
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Weist das Gefäß 2 also beispielsweise eine Gefäßverengung 9 auf, so ist die Geschwindigkeit der Flüssigkeit 2b im Bereich der Gefäßverengung 9 maximal und in angrenzenden Bereichen 10a, 10b vor und nach der Gefäßverengung 9 geringer.
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Der Fokusbereich 8 kann also entlang des Bereichs 10a, der Gefäßverengung 9 und des Bereichs 10b mit der maximalen Strömungsgeschwindigkeit bewegt werden. Im Bereich der Gefäßverengung 9 ist die Relativgeschwindigkeit des Fokusbereich 8 bezüglich der Flüssigkeit 2b daher gleich Null oder näherungsweise Null, wohingegen die Relativgeschwindigkeit in den Bereichen 10a, 10b höher ist.
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Dadurch kann zerstörungswirksame Kavitation zur Histotripsie selektiv beziehungsweise resonant an der Position der Gefäßverengung 9 erzeugt werden. Durch den Bläschenkollaps in der Flüssigkeit 2b im Bereich der Gefäßverengung 9 entsteht ausreichend Energie, um die Wandbereiche Gefäßwände der der Gefäßverengung 9 nach und nach abzutragen. In den Bereichen 10a, 10b bewegen sich gegebenenfalls erzeugte Kavitationsbläschen vom Fokusbereich 8 weg, sodass keine effiziente Multipuls-Anregung und -Kollabierung der Kavitationsbläschen stattfindet.
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Hierbei wird ausgenutzt, dass die zerstörungswirksame Kavitation im Sinne der Histotripsie durch eine Abfolge von mehreren stark fokussierten Pulsen ausgelöst wird, wobei ein Puls alleine keinen oder nur geringen Gewebeschaden verursacht. Die Anregung des gleichen Gewebe- oder Flüssigkeitsvolumenelements durch die gesamte Pulsfolge führt zu einer effizienten Gewebezerstörung mittels Histotripsie. Anwendungsbeispiele sind etwa Shock-Scattering Histotripsie oder Boiling Histotripsie.
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Wird der Fokusbereich nicht mit der Strömungsgeschwindigkeit bewegt, kann es zu einem für die zerstörungswirksame Kavitation unzureichendem Energieeintrag kommen, da zwischen der Flüssigkeit und dem Fokusbereich eine Relativbewegung stattfindet. Im Idealfall sind durch die an die Strömungsgeschwindigkeit angepasste Bewegung des Fokusbereichs die Flüssigkeit und der Fokusbereich stationär zueinander, sodass eine zerstörungswirksame Kavitation erreicht werden kann.
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Phaseneffekte können dabei insbesondere zu einer erhöhten Selektivität führen. Wenn bewegte Strukturen immer resonant mit der entsprechend optimierten Ultraschall-Phasenlage angeregt werden, so wird hier die Bläschenbildung nochmals verstärkt. Umgekehrt kann eine nicht phasen-optimierte Anregung deutlich weniger effizient beim resonanten Energieeintrag in die Bläschenwolke sein.
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Anhand der Doppler-Sonographie können Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsrichtung der Flüssigkeit 2b im Bereich der Gefäßverengung 9 überwacht und die beschriebene Bewegung des Fokusbereichs 8 dynamisch angepasst werden.
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Beispielsweise wenn die Gefäßverengung 9 durch die Behandlung ihre Form verändert hat, kann die dadurch verursachte Änderung der Strömungsgeschwindigkeit somit ausgeglichen werden. Auch die Anpassung der Strömungsgeschwindigkeit auf den Pulszyklus ist so möglich, etwa durch Gating bei der maximalen Strömungsgeschwindigkeit innerhalb eines Pulszyklus und/oder durch fortwährende Anpassung der Impulsparameter.
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Zusammenfassend wird durch die Erfindung eine höhere Selektivität und Sicherheit der Behandlung von Gewebebereichen, insbesondere Gefäßstenosen, mittels Histotripsie ermöglicht. Die Schädigung von gesundem Gewebe kann verhindert oder reduziert werden.
