DE19743294C1 - Vorrichtung zur lokalen Erwärmung und globalen Überwachung eines Gewebes und deren Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur lokalen thermi­ schen Erwärmung und globalen Überwachung eines Gewebes, um­ fassend eine bildgebende Einrichtung zur Überwachung des Ge­ webes, in welcher Einrichtung das Gewebe anzuordnen und mit welcher Einrichtung das Gewebe überwachbar ist, sowie eine Quelle zur Erzeugung von Ultraschall. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung der Vorrichtung.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Vorrichtung zur Behandlung, insbesondere Zerstörung, einer aus gesuchten Zone innerhalb eines Gewebes in einem menschlichen Körper. Dabei wird das Gewebe mittels fokussierten Ultraschalls für einen hinreichenden Zeitraum auf eine vergleichsweise hohe, zur Abtötung des Gewebes ausreichende Temperatur erhitzt. Der Fokus des Ultraschalls, also dasjenige Gebiet, in welchem die Energie des Ultraschalls eine hinreichend hohe Dichte er­ reicht, hat üblicherweise eine Abmessung entsprechend etwa 3 mm im Durchmesser und etwa 10 mm in der Länge. Ist die Be­ handlung einer größeren Zone des Gewebes erwünscht, so kann diese Zone in ein entsprechendes Raster aufgeteilt und durch variables Fokussieren des Ultraschalls in geeigneter Weise therapiert werden. Von hohem Interesse dabei ist die Kontrol­ le der in der Zone erreichten Temperatur und auch die Vertei­ lung dieser Temperatur; dabei kommt es insbesondere darauf an, die Zerstörung gesunden Gewebes, welches unmittelbar ne­ ben krankem, insbesondere tumorartigem Gewebe liegt, zu ver­ hindern. Daher gibt es Bemühungen, die Temperaturverteilung einem mit fokussiertem Ultraschall behandelten Gewebe zu überwachen.

Ein Kernspintomograph mit einer Liege für ein zu behandelndes Individuum, in welche Liege eine Quelle für fokussierten Ul­ traschall eingebaut ist, wird von dem amerikanischen Unter­ nehmen General Electric vertrieben. Bei dieser Vorrichtung sind aufwendige Maßnahmen zur elektromagnetischen Abschirmung erforderlich, um zu verhindern, daß die Quelle den Betrieb des eigentlichen Kernspintomographen stört. Auch ist ein auf­ wendiger Schutz des zu behandelnden Individuums vor elektri­ schen Strömen aus der Quelle vorgesehen.

Der Aufsatz "Temperature Monitoring of Focused Ultrasound Therapy by MRI" von P. Huber et. al., Ultrasonics Symposium 1994, Seiten 1825 ff., beschreibt eine Kombination einer Quelle für fokussierten Ultraschall mit einem Kernspintomographen, bei welcher die Quelle und der Kernspintomograph abwechselnd be­ trieben werden, der Kernspintomograph ist dabei derart einge­ richtet, daß er die Lage des Fokus sowie die Temperaturver­ teilung in dem behandelten Gewebe erkennen und darstellen kann.

Grundsätzliche Informationen zur Temperaturmessung mittels Kernspintomographie unter Verwendung eines Kontrastmittels gehen hervor aus dem Aufsatz "Non-Invasive In Vivo Tempera­ ture Mapping of Ultrasound Heating Using Magnetic Resonance Techniques", von N. B. Smith et. al., Ultrasonics Symposium 1994, Sei­ ten 1829 ff.

Aus dem Aufsatz "New Developments in Therapeutic Ultrasound" von N. T. Sanghvi et al., IEEE Engineering in medicine and biology, November/December 1996, Seiten 83 bis 92 ist eine gattungs­ gemäße Einrichtung bekannt, die über fokussierten Hochintensitäts-Ul­ traschall tumoröses Gewebe in einem menschlichen Körper er­ hitzt und diese Erhitzung mit einem Kernspintomographen über­ wacht. Dazu wird das mittels Ultraschall zu therapierende Ge­ webe in den Kernspintomographen eingebracht.

Mit der EP 0 534 607 A1 wird ein Kernspintomograph offenbart, der ebenfalls der Überwachung einer Therapie-Behandlung mit­ tels fokussiertem Hochintensitäts-Ultraschall dient. Dazu er­ zeugt der Kernspintomograph während der Behandlung Bilder mit einer Temperaturverteilung des behandelten Gebiets. Der Ul­ traschall wird durch einen geeigneten Ultraschall-Wandler, der zugleich die notwendige Fokussierung herbei führt, er­ zeugt.

Aus dem Aufsatz "Simultane Übertragung von Laserstrahlung und Ultraschall über Quarzglasfasern" von J. Tschepe et al., La­ ser und Optoelektronik, Bd. 28 (4), 1996, Seiten 44 bis 50, ist es prinzipiell bekannt, bei der Ultraschalltherapie den Ultraschall über eine Quarzglasfaser zum Behandlungsort zu leiten.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe einer Vor­ richtung der einleitend bezeichneten Art, womit eine Behand­ lung eines Gewebes mittels Ultraschall unter im wesentlichen gleichzeitiger Überwachung durch eine bildgebende Einrichtung störungsfrei und ohne die Möglichkeit einer unerwünschten Be­ einträchtigung des Gewebes erfolgen kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe angegeben wird eine Vorrichtung entsprechend dem unabhängigen Patentanspruch. Bevorzugte Wei­ terbildungen der Vorrichtung sind in abhängigen Patentansprü­ chen beschrieben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur lokalen Erwärmung und globalen Überwachung eines Gewebes, umfassend eine bildgeben­ de Einrichtung zur Überwachung des Gewebes, in welcher Ein­ richtung das Gewebe anzuordnen und mit welcher Einrichtung das Gewebe überwachbar ist, sowie eine Quelle zur Erzeugung von Ultraschall, ist dadurch ausgezeichnet, daß die Quelle außerhalb der bildgebenden Einrichtung angeordnet und ein Wellenleiter zur Leitung des Ultraschalls von der Quelle in die bildgebende Einrichtung vorgesehen ist.

Dementsprechend ist im Sinne der Erfindung die bisher stets erforderliche enge Verbindung zwischen der Quelle für den Ul­ traschall und der bildgebenden Einrichtung aufgelöst worden. Um den zur Behandlung des Gewebes erforderlichen Ultraschall in das Gewebe hineinzubringen, ist lediglich ein Wellenleiter erforderlich. Jedwede elektronische Schaltung zur Erzeugung des Ultraschalls, die, jedenfalls wenn sie den eingangs er­ läuterten Zwecken dienen soll, einen Leistungsverstärker zur Bereitstellung von Ultraschall mit relativ hoher Leistung enthalten müßte und damit grundsätzlich durchaus geeignet wä­ re, elektromagnetische Interferenzen in wesentlichem Umfange zu verursachen, kann abseits der bildgebenden Einrichtung an­ geordnet und in jeder Hinsicht abgeschirmt werden. Lediglich der Wellenleiter steht in engem räumlichem Kontakt zu der bildgebenden Einrichtung; dieser Wellenleiter muß freilich nur akustische, nicht etwa elektromagnetische Signale in die bildgebende Einrichtung hineinführen und stellt somit keine eigenständige Quelle für elektromagnetische Interferenz dar. Insbesondere kann der Wellenleiter als elektrischer Isolator ausgeführt sein.

Die bildgebende Einrichtung arbeitet insbesondere mit zumin­ dest einem elektromagnetischen Feld mit zugehöriger Arbeits­ frequenz, und die Quelle erzeugt den Ultraschall mit einer zugehörigen Ultraschallfrequenz, wobei die zumindest eine Ar­ beitsfrequenz verschieden ist von jedem ganzzahligen Vielfa­ chen der Ultraschallfrequenz. Auf diese Weise ist sicherge­ stellt, daß, bedingt durch die Verschiedenheit der Arbeits­ frequenz von der Ultraschallfrequenz und ihren ganzzahligen Vielfachen, ein weitgehend störungsfreier Betrieb der bildge­ benden Einrichtung sichergestellt ist. Zu der räumlichen Di­ stanzierung zwischen der bildgebenden Einrichtung und der Quelle tritt somit eine funktionsbedingte Distanzierung, da die Möglichkeit einer elektromagnetischen Beeinflussung der bildgebenden Einrichtung durch die Quelle weiter vermindert ist.

Weiterhin wird eine Leistung gemessen, mit welcher der Ultra­ schall das Gewebe erwärmt. Diese Messung kann mit bekannten Meßeinrichtungen verschiedener Art durchgeführt werden, ins­ besondere kann eine thermooptische Meßeinrichtung eingesetzt werden. In dieser Meßeinrichtung wird die Energie des Ultra­ schalls in einem entsprechenden Absorber in Wärme umgesetzt und mittels eines faseroptischen Sensors als Temperatur ge­ messen. Damit ist eine zusätzliche Möglichkeit der Überwa­ chung der Wirkung des Ultraschalls gegeben und somit eine weitgehend anwendungssichere Ausgestaltung des Verfahrens ge­ schaffen.

Außerdem kann der Ultraschall eine zeitlich variable Fokus­ sierung haben. Dadurch kann die räumliche Lage desjenigen Be­ reiches in dem Gewebe, welcher von dem Ultraschall besonders beeinflußt wird, verschoben werden, und somit kann eine rela­ tiv große Zone in dem Gewebe der Erwärmung mittels Ultra­ schall zugänglich gemacht werden.

Die bildgebende Einrichtung arbeitet insbesondere mittels Kernspintomographie. Die Kernspintomographie ermöglicht eine besonders schonende Überwachung eines Gewebes und ist somit besonders zur Anwendung im Rahmen der Medizin geeignet. Dabei kann mit weiterem Vorzug eine Methode der Kernspintomographie Anwendung finden, mit welcher eine Überwachung der Tempera­ turverteilung in dem Gewebe möglich ist und somit die Folgen der Behandlung mit Ultraschall unmittelbar nachweisbar sind. Die Überwachung der Temperaturverteilung kann insbesondere anhand eines vorher in das Gewebe eingebrachten Konstrastmit­ tels erfolgen.

Die lokale Erwärmung und globale Überwachung des Gewebes er­ folgen vorzugsweise tatsächlich gleichzeitig miteinander, wo­ für die Erfindung durch die Vermeidung gegenseitiger Beein­ flussung zwischen bildgebender Einrichtung und Quelle eine günstige Voraussetzung liefert.

Das Gewebe wird mittels des Ultraschalls lokal auf eine Tem­ peratur zwischen 60°C und 90°C erwärmt. Damit kann ein kran­ ker, insbesondere tumoröser, Bereich in einem lebenden Gewebe zerstört werden. Dazu leistet auch einen wesentlichen Beitrag die Möglichkeit, daß die Wirkung des Ultraschalls auf das be­ handelte Gewebe zeitlich unmittelbar überprüft werden kann, indem das Gewebe global, d. h. über einen Bereich, welcher ei­ ne mit dem Ultraschall zu behandelnde Zone als vergleichswei­ se kleinen Bestandteil enthält und somit einen eindeutigen, vorzugsweise quantitativen Rückschluß auf die von dem Ultra­ schall verursachte Temperaturerhöhung in dem Gewebe zuläßt.

Eine Weiterbildung der Vorrichtung gemäß der Erfindung zeich­ net sich aus durch einen Wellenleiter, welcher aus Glas be­ steht. Ein solcher Wellenleiter kann beispielsweise ein Stab aus Quarzglas sein.

Besonders bevorzugt ist es, den Wellenleiter als Glasfaseran­ ordnung vorzusehen, und weiterhin bevorzugt ist es, diesen Wellenleiter an jedem seiner Enden mit einem Horn zu verse­ hen. Ein solches Horn an einem der Quelle zugewandten Ende des Wellenleiters verringert den Querschnitt eines von der Quelle ausgehenden Ultraschallstrahls, was das Vorsehen einer besonders kompakten und ggf. biegsamen Glasfaseranordnung er­ laubt. Ein Horn an dem dem Gewebe zugewandten Ende dieses Wellenleiters erweitert den Querschnitt des von der Quelle ausgehenden Ultraschallstrahls wieder und ermöglicht somit, daß dieser mit einem entsprechend großen Querschnitt und ent­ sprechend geringer Wirkung in das Gewebe eintritt. Dies trägt mit dazu bei, eine unerwünschte Beeinflussung des Gewebes au­ ßerhalb der zur Behandlung mit Ultraschall vorgesehenen Zone verhindern. Dies ist wiederum im Zusammenhang mit einer medizinischen Anwendung der Vorrichtung von großem Interesse.

Eine alternative Weiterbildung der Vorrichtung sieht einen Wellenleiter in Form einer Röhre, insbesondere aus Keramik bestehend, vor, welche Röhre mit Flüssigkeit, wofür insbeson­ dere Wasser in Frage kommt, gefüllt ist.

Ein in der Vorrichtung vorgesehener Fokussierer besteht ins­ besondere aus einer Linse oder einem Spiegel, vorzugsweise jeweils verstellbar.

Der Wellenleiter in der Vorrichtung ist vorzugsweise versehen mit Marken, welche von der bildgebenden Einrichtung erkennbar sind. Damit kann unter Zuhilfenahme der bildgebenden Einrich­ tung abgeschätzt werden, wie der Ultraschall durch das Gewebe verläuft und so die zur Behandlung gelangende Zone in dem Ge­ webe sicher bestimmt werden. Auch diese Ausgestaltung ist von großer Bedeutung, um die Vorrichtung auf dem Gebiete der Me­ dizin zur Zerstörung kranken, insbesondere tumorösen, Gewebes verwenden. Die Weiterbildung gestattet es, eine enge Ein­ grenzung des zu zerstörenden Gewebes vor zunehmen und damit bei der Abtötung kranken Gewebes eine unerwünschte Schädigung gesunden Gewebes zu vermeiden.

Bevorzugte Verwendungen der Vorrichtung, welche insbesondere spezifische Einrichtungen der Vorrichtung betreffen, liegen der Behandlung von Gewebe in der menschlichen weiblichen Brust oder in dem menschlichen Bauchraum. Im letztgenannten Falle kommt für eine Behandlung unter Benutzung der Erfindung insbesondere die männliche Prostata in Betracht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung erläutert. Zur Verdeutlichung gewisser Merkmale ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt und teilweise schematisiert gehalten. Die Ergänzung der aus der Zeichnung oder den nachfolgenden Ausführungen erkennbaren Hinweise für die konkrete Ausführung der dargestellten Ausführungsbeispie­ le stehen den einschlägig bewanderten und tätigen Fachperso­ nen im Rahmen ihres Fachwissens, aus den vorstehenden Ausfüh­ rungen und den zitierten Dokumenten des Standes der Technik Gebote. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 und Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur lokalen Erwärmung und globalen Über­ wachung eines Gewebes sowie

Fig. 3 und Fig. 4 Ausführungsbeispiele für Wellenleiter, die im Zusammenhang mit der Erfindung An­ wendung finden können.

Fig. 1 zeigt eine schematisierte Ansicht einer Vorrichtung zur Behandlung eines Gewebes 1 mittels Ultraschall 2, umfas­ send eine bildgebende Einrichtung 3, konkret einen Kernspin­ tomographen, und eine Quelle 4 für Ultraschall 2. Diese An­ sicht entspricht einer Sichtrichtung, welche im gewöhnlichen Sinne vertikal von oben nach unten gerichtet ist. Fig. 2 zeigt dieselbe Vorrichtung, gesehen entlang einer im gewöhn­ lichen Sinne horizontalen Sichtrichtung. Beide Figuren werden nunmehr gemeinsam abgehandelt.

Um den Ultraschall 2 aus der Quelle 4 in die bildgebende Ein­ richtung 3 und zu dem zu behandelnden Gewebe 1 zu leiten, ist besonderer Wellenleiter 5 vorgesehen. Dieser Wellenleiter 5 kann vorliegend beispielsweise ein Stab aus Quarzglas sein. Die Quelle 4 stellt den Ultraschall 2 mit einer bestimmten Ultraschallfrequenz bereit; zur Behandlung des Gewebes 1 im vorstehend mehrfach erwähnten Sinne, wobei Teile des Gewebes 1 abgetötet werden sollen, liegt die Ultraschallfrequenz ge­ wöhnlich oberhalb von 1 MHz. Auch die bildgebende Einrichtung 3 benutzt elektromagnetische Felder 6 mit bestimmten Arbeits­ frequenzen, wie fachnotorisch bekannt. Dabei sind jeweils die Arbeitsfrequenz und die Ultraschallfrequenz so gewählt, daß die Arbeitsfrequenz verschieden von jedem ganzzahligen Viel­ fachen der Ultraschallfrequenz ist. Auf diese Weise wird eine Beeinflussung der bildgebenden Einrichtung 3 durch die Quelle 4 so gering wie möglich gehalten.

Um den Ultraschall 2 in das Gewebe 1 zu fokussieren, ist ein Fokussierer 7 vorgesehen, im vorliegenden Fall ein auf dem Wellenleiter 5 angebrachter Spiegel 7. Dieser Fokussierer 7 sorgt dafür, daß die Energie des Ultraschalls in einem räum­ lich sehr begrenzten Fokus 13 fokussiert wird und im Bereich dieses Fokus 13 somit eine relativ hohe Aufheizung des Gewe­ bes 1 bewirkt. Zur Bestimmung derjenigen Energie, welche im Fokus 13 in Wärme umgewandelt wurde, ist eine Meßeinrichtung 11 vorgesehen, die die Leistung des Ultraschalls 2 mißt, wel­ cher aus dem Gewebe 1 austritt. Die im Bereich des Fokus 13 deponierte Energie ergibt sich damit als Differenz zwischen der von der Quelle 4 gelieferten Energie, die mit einer ge­ eigneten Meßeinrichtung noch bestimmt werden muß, und der von der Meßeinrichtung 11 gemessenen Energie. Damit ist eine si­ chere Handhabung der Vorrichtung möglich.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den Wellenleiter 5. Dieser besteht aus einer Glasfaseranordnung 5 und ist an je­ dem Ende jeweils mit einem Horn 8 versehen. An dem der Quelle 4 (symbolhaft dargestellt als Ultraschall-Transduktor) zuge­ wandten Ende des Wellenleiters 5 dient das Horn 8 dazu, die der Quelle 4 gelieferte Energie in dem geringen Quer­ schnitt des Wellenleiters 5 zu konzentrieren. An dem dem Ge­ webe 1 zugewandten Ende des Wellenleiters 5 dient das Horn 8 dazu, die Energie des Ultraschalls 2 wieder auf einen großen Querschnitt zu verteilen und damit zu ermöglichen, daß der Ultraschall 2 in einem vergleichsweise großen Querschnitt in das zu behandelnde Gewebe 1 eintritt. Zur Fokussierung des Ultraschalls 2 vorgesehen ist eine Linse 7; diese konzen­ triert die Energie des Ultraschalls in einem vergleichsweise kleinen Bereich um den Fokus 13 und führt dort zu einer gro­ ßen Temperaturerhöhung. Diese wird insbesondere dazu benutzt, das Gewebe 1 in der Nähe des Fokus 13 abzutöten.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Wellenleiters 5. Dieser umfaßt eine Röhre 9, bestehend aus einer geeigneten Keramik, gefüllt mit einer Flüssigkeit 10, und zwar Wasser, und verschlossen mit zwei Fenstern 12. Dargestellt ist auch der Fokussierer 7, umfassend in diesem Fall zwei gegeneinan­ der verschiebliche Linsen (dies ist angedeutet mit einem Dop­ pelpfeil) und eine zugehörige Betätigungseinrichtung.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur lokalen Erwärmung und globalen Überwachung eines Gewebes. Die Erfindung ermög­ licht ein echtes zeitliches Nebeneinander von lokaler Erwär­ mung mittels fokussiertem Ultraschall und globaler Überwa­ chung, insbesondere mittels Kernspintomographie. Dabei sind gegenseitige Beeinflussungen zwischen der Quelle für den Ul­ traschall und der bildgebenden Einrichtung für die Überwa­ chung vermieden, und es sind auch mögliche Beeinträchtigungen des zu behandelnden Gewebes durch die Quelle oder zu ihr füh­ rende elektrische Zuleitungen und dergl. ausgeschlossen. Die Erfindung ist besonders geeignet zur medizinischen Anwendung, insbesondere im Rahmen einer Tumortherapie an der menschli­ chen weiblichen Brust oder der menschlichen männlichen Pro­ stata.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur lokalen Erwärmung und globalen Überwachung eines Gewebes (1), umfassend eine bildgebende Einrichtung (3) zur Überwachung des Gewebes (1), in welcher Einrichtung (3) das Gewebe (1) anzuordnen und mit welcher Einrichtung (3) das Gewebe (1) überwachbar ist, eine Quelle (4) zur Erzeugung von Ultraschall (2) und einen Fokussierer (7) zur Fokussierung des Ultraschalls (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (4) außerhalb der bildgebenden Einrichtung (3) ange­ ordnet und ein akustischer Wellenleiter (5) zur Leitung des Ultraschalls (2) von der Quelle (4) in die bildgebende Ein­ richtung (3) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der akustische Wel­ lenleiter (5) aus Glas, insbesondere Quarzglas, besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Wellenleiter (5) eine Glasfaseranordnung (5) ist, und insbesondere an jedem Ende mit einem Horn (8) versehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Wellenleiter (5) eine mit einer Flüssigkeit (10), insbesondere Wasser, gefüll­ te Röhre (9), insbesondere bestehend aus einer Keramik, ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Fokussierer (7) eine Linse oder ein Spiegel, insbesondere verstellbar, ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die bildgebende Einrichtung (3) ein Kernspintomopraph (3) ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der Wellenleiter (5) mit Marken versehen ist, welche von der bildgebenden Einrichtung (3) wahrnehmbar sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, welche eine Meßeinrichtung (11) zur Messung einer Leistung, mit welcher der Ultraschall (2) das Gewebe (1) erwärmt, aufweist.

9. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Erwärmung und Überwachung eines Gewebes (1) in ei­ ner menschlichen weiblichen Brust.

10. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Erwärmung und Überwachung eines Gewebes (1) in ei­ nem menschlichen Bauchraum.