DE19742379C1 - Verfahren zum Betrieb eines Ultraschall-Therapiegeräts sowie entsprechendes Gerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Ultra­ schall-Therapiegeräts, bei dem ein Hochfrequenzgenerator ein in seiner Frequenz zeitlich veränderliches elektrisches Si­ gnal erzeugt, welches Signal über einen Sendeverstärker einer Ultraschallwandleranordnung zugeführt wird.

Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Ultraschall-Therapiege­ rät mit einem Hochfrequenzgenerator, der über einen Sendever­ stärker mit einer Ultraschallwandleranordnung verbunden ist.

Zur Vermeidung von Hautverbrennungen werden bei Ultraschall- Therapiegeräten, wie in der gattungsbildenden DE 43 11 327 A1 beschrieben, lokale Schallfelderhöhungen im Ankoppelbereich durch Wobbeln der Therapiefrequenz innerhalb eines Frequenz­ bandes unschädlich gemacht. Dabei wird die Therapiefrequenz innerhalb einer oberen und unteren Grenzfrequenz stetig ver­ ändert, wodurch Nebenmaxima im Schallfeld stetig örtlich ver­ schoben werden. Die Nebenmaxima verursachen bei längerer Ein­ wirkung Hautverbrennungen. Aus der EP 0 534 607 A1 ist eine Geräteanordnung bekannt, in der mittels fokussiertem Ultra­ schall Wärmetherapie von Tumoren innerhalb eines Magnetreso­ nanzgerätes durchgeführt werden kann.

Wird zusammen mit dem Ultraschall-Therapiegerät ein diagno­ stisches Magnetresonanzgerät z. B. zur Überwachung des Thera­ pieverlaufs gleichzeitig betrieben, führt der Betrieb des Ul­ traschall-Therapiegeräts zu Störungen im Magnetresonanzbild, weil Oberwellen der Therapiefrequenz in den Hochfrequenzemp­ fangskanal einkoppeln. Insbesondere schnelle Magnetresonanz­ sequenzen mit einer Empfangsbandbreite von bis zu +/- 200 kHz sind sehr empfindlich bezüglich Störeinstrahlungen. Dann ist nur ein nicht zeitgleicher Betrieb des Ultraschall-Therapie­ geräts mit dem Magnetresonanzgerät möglich. Eine Therapie­ überwachung durch das Magnetresonanzgerät ist stark einge­ schränkt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zum Betrieb eines Ultraschall-Therapiegeräts anzugeben, das die Bildgebung des Magnetresonanzgeräts nicht beeinträchtigt. Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, ein Ultra­ schall-Therapiegerät anzugeben, das bei zeitgleichem Betrieb eine Magnetresonanz-Bildgebung nicht beeinträchtigt.

Die erstgenannte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Hoch­ frequenzgenerator zeitlich nacheinander elektrische Signale mit verschiedenen diskreten Frequenzwerten, die innerhalb ei­ nes ersten Frequenzbandes liegen, erzeugt und daß ganzzahlige Vielfache der diskreten Frequenzen nicht in einem zweiten Frequenzband liegen, das dem Empfangsband eines gleichzeitig betriebenen diagnostischen Magnetresonanzgeräts entspricht. Dabei werden die Therapiefrequenzen im Vergleich zum Erwär­ mungsvorgang des Gewebes rasch umgeschaltet. Mit einem derar­ tigen Betriebsverfahren kann ein Ultraschall-Therapiegerät gleichzeitig mit einem diagnostischen Magnet-Resonanzgerät betrieben werden, wodurch eine unmittelbare Therapieüberwa­ chung mit Hilfe des diagnostischen Magnetresonanzgeräts er­ möglicht wird. Lokale Intensitätsüberhöhungen im Ultraschall­ feld, die möglicherweise bei längerer Einwirkung zu lokalen Verbrennungen der Haut führen würden, sind durch die Ver­ schiebungen aufgrund der unterschiedlichen Therapiefrequenzen ausgeschlossen. Über die gesamte Zeitdauer der Therapie ist damit die Intensität des Schallfeldes homogener verteilt und das Risiko für den Patienten deutlich vermindert.

Die vom Hochfrequenzgenerator erzeugten Oberwellen sind dann maximal von der kritischen Empfangsbandbreite des diagnosti­ schen Magnetresonanzgeräts entfernt, wenn bei dem Verfahren die verschiedenen Frequenzen durch Herunterteilen einer Aus­ gangsfrequenz mit ungradzahligen Teilern bestimmt werden, wo­ bei die Ausgangsfrequenz das doppelte einer Mittenfrequenz der Empfangsbandbreite beträgt.

Die zweitgenannte Aufgabe betreffend ein Ultraschall-Thera­ piegerät, das nach dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren arbeitet, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzge­ nerator einen Oszillator umfaßt, der mit mindestens zwei Fre­ quenzteilern verbunden ist, und daß die Frequenzteiler aus­ gangsseitig mit einer Schaltmatrix zum wahlweisen elektri­ schen Verbinden eines der Frequenzteiler mit dem Sendever­ stärker verbunden sind.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von zwei Figuren er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einem Blockschaltbild den Aufbau eines Ultra­ schall-Therapiegeräts, dessen Betrieb eine Magnetresonanz­ bildgebung nicht beeinträchtigt und

Fig. 2 in einem Frequenzdiagramm die Lage der Therapiefre­ quenzen des Ultraschall-Therapiegeräts mit entsprechenden Oberschwingungen.

In Fig. 1 sind die Komponenten eines Ultraschall-Therapiege­ räts in einem Blockschaltbild dargestellt, die einen stö­ rungsfreien Betrieb zusammen mit einem diagnostischen Magne­ tresonanzgerät ermöglichen. Das Ultraschall-Therapiegerät um­ faßt einen Ultraschallwandler 2, der zur Therapie an eine Hautoberfläche oder auch an eine Organoberfläche akustisch angekoppelt werden kann. Während einer Therapie werden lei­ stungsstarke Ultraschallsignale im MHz-Bereich fokussiert in das zu therapierende Gewebe eingestrahlt, um im Bereich des Fokus eine lokale Temperaturerhöhung im Gewebe zu bewirken. Angesteuert wird der Ultraschallwandler 2 über ein Zulei­ tungskabel 3 von einem Sendeverstärker 4, der ein an seinem Eingang 6 anliegendes leistungsschwaches Steuersignal zum Aussenden verstärkt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ultra­ schall-Therapiegeräten wird das dem Eingang 6 zugeführte Steuersignal in seiner Frequenz nicht stetig verändert, son­ dern zeitlich nacheinander nimmt das Steuersignal verschiede­ ne diskrete Frequenzwerte an, die innerhalb der betreibbaren Bandbreite des Ultraschallwandlers 2 liegen. Dabei werden die Frequenzen im Vergleich zum Erwärmungsvorgang im Gewebe rasch umgeschaltet, typischerweise 2 bis 5 mal pro Sekunde gegen­ über einer üblicherweise auftretenden Erwärmungsgeschwindig­ keit von 37°C auf 60°C bis 90°C innerhalb von 10 Sekunden Be­ schalldauer, um lokale Erhitzungen insbesondere im Ankoppel­ bereich des Ultraschallwandlers 2 an der Haut zu vermeiden.

Die diskreten Frequenzen werden von einem Hochfrequenzgenera­ tor 8 erzeugt. Der Aufbau und die Dimensionierung des Hoch­ frequenzgenerators 8 wird von der Arbeitsfrequenz des Magne­ tresonanzgeräts einschließlich der Empfangsbandbreite be­ stimmt. Bei der nachfolgenden Beschreibung wird von einem Ma­ gnetresonanzgerät mit einem 1,5 Tesla Grundmagnetfeld ausge­ gangen, wodurch sich eine Magnetresonanzfrequenz von 63,5 MHz als Arbeitsfrequenz ergibt. Die im Magnetresonanzgerät zur Bildgebung benötigten Gradientenfelder verschieben die Magne­ tresonanzsignale in einem Frequenzbereich von Δf_MR = +/- 200 kHz, so daß die untere Grenzfrequenz des Magnetresonanzgeräts 63,3 MHz und die obere Grenzfrequenz des Magnetresonanzgeräts 63,7 MHz beträgt. Ein zum Hochfrequenzgenerator 8 des Thera­ piegeräts gehörender Oszillator 10 schwingt nun konstant auf einer Frequenz, die der zweifachen Mittenfrequenz des Emp­ fangsbereichs des Magnetresonanzgeräts entspricht, hier also mit 127 MHz. Diese Masterfrequenz wird parallel fünf Fre­ quenzteilern 12A bis 12E zugeführt, die die vom Oszillator 10 erzeugte Masterfrequenz ungeradzahlig herunterteilen. Die Teiler sind so gewählt, daß die heruntergeteilte Frequenz in­ nerhalb der Betriebsbandbreite des Ultraschallwandlers 2 liegt.

Hier wird davon ausgegangen, daß die Betriebsfrequenz des Ul­ traschallwandlers 2.f_ous = 1,7 MHz mit einer Bandbreite von Δf_us = +/- 0,1 MHz beträgt. Damit liegen die Teilerwerte für die Frequenzteiler 12A bis 12E fest. Der Frequenzteiler 12A teilt die Masterfrequenz mit einem Teiler T1 = 79, der Fre­ quenzteiler 12B mit einem Teiler T2 = 77, der Frequenzteiler 12G mit einem Teiler T3 = 75, der Frequenzteiler 12D mit ei­ nem Teiler T4 = 73 und der Frequenzteiler 12E mit einem Tei­ ler T₅ = 71 herunter.

Die Ausgänge der Frequenzteiler 12A bis 12E sind mit den Ein­ gängen einer Schaltmatrix in Form eines Multiplexers 14 ver­ bunden, der in Abhängigkeit eines Steuersignals an seinem Steuereingang 16 einen der Frequenzteiler 12A bis 12E mit seinem Ausgang 18 verbindet. Ein nachgeschaltetes Abschwäch­ glied 20 regelt in Abhängigkeit eines Steuersignals an seinem Steuereingang 22 die Signalhöhe an seinem Ausgang 24. In der Signalkette folgt ein Tiefpaßfilter 26, das nur die Grund­ schwingungsanteile der heruntergeteilten Frequenzen f₁ bis f₅ durchläßt, so daß als Steuersignal am Eingang 6 des Sendever­ stärkers 4 ein sinusförmiges Signal anliegt. Zur Anpassung des Ultraschallwandlers 2 an die Impedanz des Zuleitungska­ bels 3 dient ein Anpaßglied 28. Die Steuersignale an den Steuereingängen 16 und 22 liefert ein Ablaufcontroller 30, der das fortlaufende Umschalten der Frequenzteiler 12A bis 12E bewirkt und die applizierte Leistung festlegt. Der Con­ troller 30 wird an seinem Steuereingang 32 durch eine Bedien­ kontrolle 34 programmiert.

Fig. 2 zeigt in einem Frequenzdiagramm die Lage der einzel­ nen Frequenzen. Der Empfindlichkeitsbereich 36 oder das Emp­ fangsband des Magnetresonanzgeräts ist gekennzeichnet durch die Mittenfrequenz f_OMR = 63,5 Mhz und die Bandbreite Δf_MR = +/- 200 kHz. Die zeitlich nacheinander vom Ultraschallgerät abgestrahlten Therapiefrequenzen besitzen die Frequenzen f₁ bis f₅, die sich durch entsprechende ungeradzahlige Teilung aus der doppelten Arbeitsfrequenz des Magnetresonanzgeräts 2 f_OMR ergeben. Hier kann das Ultraschall-Therapiegerät insge­ samt fünf diskrete Ultraschallfrequenzen f₁ bis f₅ zeitlich nacheinander abstrahlen. Die nachfolgende Tabelle gibt die im Ultraschall-Therapiegerät erzeugten Therapiefrequenzen f₁ bis f₅ und Oberschwingungen an, die im Bereich der Arbeitsfre­ quenz des Magnetresonanzgeräts liegen. Die Frequenzen sind in MHz angegeben.

Mit den gewählten Teilern T₁ bis T₅ besitzen die Oberschwin­ gungen der Therapiefrequenzen f₁ bis f₅ einen maximalen Ab­ stand zum Empfindlichkeitsbereich 36 des Magnetresonanzge­ räts. Unterhalb des Empfindlichkeitsbereichs 36 des Magnetre­ sonanzgeräts liegen dicht beieinander - symbolisiert durch einen ersten schrägschraffierten Bereich 38 - die 35. Ober­ schwingung der Therapiefrequenz f₅, die 36. Oberschwingung der Therapiefrequenz f₄, die 37. Oberschwingung der Therapie­ frequenz f₃, die 38. Oberschwingung der Therapiefrequenz f₂ und die 39. Oberschwingung der Therapiefrequenz f₁. Oberhalb des Empfindlichkeitsbereichs 36 des Magnetresonanzgeräts lie­ gen - symbolisiert durch einen zweiten schrägschraffierten Bereich 40 - die 36. Oberschwingung der Therapiefrequenz f₅, die 37. Oberschwingung der Therapiefrequenz f₄, die 38. Ober­ schwingung der Therapiefrequenz f₃, die 39. Oberschwingung der Therapiefrequenz f₂, und die 40. Oberschwingung der The­ rapiefrequenz f₁.

Claims (3)

1. Verfahren zum Betrieb eines Ultraschalltherapiegeräts, bei dem ein Hochfrequenzgenerator (8) ein in seiner Frequenz zeitlich veränderliches elektrisches Signal erzeugt, welches Signal über einen Sendeverstärker (4) einer Ultraschallwand­ leranordnung (2) zugeführt wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Hochfrequenzgenerator (8) zeitlich nacheinander elektrische Signale mit verschiedenen diskreten Frequenzwerten (f₁, f₂, f₃, f₄, f₅), die innerhalb eines ersten Frequenzbandes (f_ous ± Δf_us) liegen, erzeugt und daß ganzzahlige Vielfache der diskreten Frequenzwerte (f₁, f₂, f₃, f₄, f₅) nicht in einem zweiten Frequenzband liegen, das dem Empfang-band (f_OMR ± Δf_MR) eines gleichzeitig betrie­ benen diagnostischen Magnetresonanzgeräts entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die verschiedenen diskreten Frequenzwerte (f₁, f₂, f₃, f₄, f₅) durch Herunterteilen einer Ausgangsfrequenz mit ungeradzahligen Teilern (T₁, T₂, T₃, T₄, T₅) bestimmt werden, wobei die Ausgangsfrequenz das Doppelte einer Mittenfrequenz (f_OMR) des Empfangsbandes beträgt.

3. Ultraschalltherapiegerät, das nach einem der vorstehenden Verfahrensansprüche betreibbar ist, mit einem Hochfrequenzge­ nerator (8), der über einen Sendeverstärker (4) mit einer Ul­ traschallwandleranordnung (2) verbunden ist, da­ durch gekennzeichnet, daß der Hochfre­ quenzgenerator (8) einen Oszillator (10) umfaßt, der mit min­ destens zwei Frequenzteilern (12A, . . ., 12E) verbunden ist, und daß die Frequenzteiler (12A, . . . 12E) ausgangsseitig mit einer Schaltmatrix (14) verbunden sind zum wahlweisen elek­ trischen Verbinden eines der Frequenzteiler (12A, . . . 12E) mit einem Eingang (6) des Sendeverstärkers (4).