DE19935455C2

DE19935455C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer gezielten Wärmedeponierung in ein Material

Info

Publication number: DE19935455C2
Application number: DE19935455A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Kleffner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-10-27
Filing date: 1999-07-28
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2019-07-29
Also published as: DE19935455A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie auf eine Vorrichtung zur Regelung einer gezielten Wärmedeponierung in ein Material, vorzugsweise in biologisches Gewebe, mit einer Ultraschallwellen erzeugenden Einheit, die Ultraschallwellen in das Material einkoppelt, einer Ultraschallwellen detektierenden Einheit, die die aus dem Material austretenden Ultraschallwellen detektiert und einer Auswerteeinheit, die auf der Grundlage der detektierten Ultraschallwellen Aussageparameter generiert, die über die thermischen und strukturellen Änderungen innerhalb des Materials Aufschluß geben.

Stand der Technik

Verfahren der vorstehend genannten Gattung können in der Materialforschung und Materialbearbeitung im Allgemeinen eingesetzt werden, insbesondere bei Materialgefüge, die sich bei Wärmeeinwirkung strukturell zu verändern vermögen. Von besonderem Interesse in diesem Zusammenhang sind auch Thermotherapie- Verfahren, die zur gezielten Überwärmung begrenzter Gewebevolumen insbesondere in der Behandlung von Tumoren und Metastasen eingesetzt werden.

Bei derartigen, heute angewandten Verfahren der Thermotherapie läßt sich eine Unterteilung in zwei Gruppen vornehmen:

1. Moderate Erwärmung auf 43°C durch Felder von außen

Unter der sogenannten Hyperthermie kann die Erwärmung im Körperinneren gelegener Gewebebereiche durch Energieeintrag von Außen verstanden werden. Sie wird in der Onkologie zur Tumorbehandlung, z. B. zur Unterstützung der Strahlen- oder Chemotherapie, eingesetzt. Der Energieeintrag erfolgt durch elektrische Wechselfelder oder mittels Ultraschall hoher Leistung. Die therapeutisch angestrebten Temperaturerhöhungen liegen hier im allgemeinen bei 6°C über der Körperkerntemperatur, die mit typischen Behandlungsdauern zwischen 20 und 30 Minuten erreicht werden.

2. Erzeugung thermischer Nekrosen bei Temperaturen von 45°C bis 200°C durch intracavitäre oder minimal invasive Verfahren

Die lokal begrenzte Gewebeschädigung durch Wärme ist ein weit verbreitetes Verfahren in der minimal invasiven Chirurgie und Endochirurgie zur Behandlung pathologischer Gewebeveränderungen, wie Tumoren und Metastasen. Die gängigsten intracavitären oder minimal invasiven Methoden bestehen im Einsatz von Laserlicht im Infrarotbereich (LITT: Laser induzierte Thermotherapie) Hochfrequenz- Koagulatoren sowie energiereichem Ultraschall (HIFU: High Intensity Focussed Ultrasound). Bei diesen Applikationen werden im wesentlichen folgende Gewebereaktionen durchlaufen: reine Erwärmung, Ausdehnung des Gewebes, Denaturierung (Koagulation), Entstehung von Gasblasen. Eine sich daran anschließende Karbonisation ist therapeutisch unerwünscht. Unter den verschiedenen Applikationen lassen sich die Behandlung von Lebermetastasen, des Mammakarzinoms, Tumoren der Prostata sowie Tumoren im Gehirn als prominente Beispiele anführen. Gelegentlich wird, z. B. bei der Behandlung von Lebermetastasen eine strukturelle Schädigung durch Kälte (Kryotherapie) oder Alkohol erzielt. Bei der Behandlung der Prostata wird anstelle von Laserlicht oder Ultraschall auch heißes Wasser an das Zielvolumen gebracht.

In der Endochirurgie des Gastrointestinaltraktes kommen Laser- oder HF- Applikatoren, z. B. zur Verödung von Speiseröhrenvarizen oder zur Aufweitung von Stenosen, zum Einsatz.

Generelles therapeutisches Ziel dieser Therapie-Verfahren ist die maximale Schädigung des malignen, bösartigen, Gewebes unter möglichst weitgehender Erhaltung der umliegenden benignen, gutartigen, Gewebebereiche, die abhängig von ihrer Funktion äußerst sensible Strukturen darstellen können.

Einen Sonderfall stellt die Behandlung des Glaukoms mit Laserlicht im Infrarotbereich dar. Das Glaukom (= "Grüner Star) ist die Haupterblindungsursache in westlichen Ländern. Dabei wird das Ende einer Laserfiber von Außen auf die Sklera gesetzt und die darunterliegenden kammerwasserproduzierenden Strukturen koaguliert (Transsklerale Zyklophotokoagulation) bei zu hoher Laserenergie kommt es zu unerwünschter vollständiger Zerstörung (Disruption) des bestrahlten Ziliarkörperbereiches. Bei Behandlungszeiten um 2 Sekunden würde ein Abschaltkriterium für den Laser, basierend auf erfolgreicher Koagulation Abhilfe schaffen.

Effizienz und weitere klinische Durchsetzbarkeit dieser Behandlungsformen sind daher eng mit der Verfügbarkeit eines nichtinvasiven Verfahrens verknüpft, das dem Operateur in Echtzeit Auskunft über den aktuellen therapeutischen Effekt gibt, bzw. das Kontollparameter oder Steuersignale zur Rückkopplung an das wärmeerzeugende System bereitstellt.

Da diese Effekte im allgemeinen abhängig vom zeitlichen Temperaturgradienten sind, ist die alleinige Angabe erreichter Gewebetemperaturen zur Überwachung der Therapie nicht hinreichend. Besonders im Hinblick auf individuelle, gewebe- und tumorspezifische Unterschiede ist der Nachweis der strukturellen Gewebeveränderungen als aktuell erzielter therapeutischer Effekt präziser und aussagekräftiger.

Kostengünstige Verfahren zur nicht- oder minimal invasiven Echtzeit-Kontrolle dieser Therapieformen sind bis jetzt nicht verfügbar.

Bisher verfolgte Ansätze, diagnostischen Ultraschall zur Therapie-Kontrolle einzusetzen, zielen einzig und allein auf die Angabe erreichter Gewebetemperaturen ab. In der Literatur werden u. a. Verfahren vorgeschlagen, durch Messung der temperaturabhängigen Schallausbreitungsgeschwindigkeit eine Thermometrie zu erreichen. Siehe hierzu:
R. Seip, E. S. Ebbini, "Noninvasive estimation of tissue temperature response to heating fields using diagnostic ultrasound," IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 42, Aug. 1995
R. Seip, P. VanBaren, C. Simon, E. S. Ebbini, "Noninvasive spatio-temporal temperature estimation using diagnostic ultrasound," IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings, 1995
R. Seip, P. VanBaren, C. A. Cain, E. S. Ebbini, "Noninvasive real-time multipoint temperature control for ultrasound phased array treatments," IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., vol. 43, Nov. 1996
C. Simon, P. VanBaren, E. Ebbini, "Quantitative analysis and applications of non- invasive temperature estimation using diagnostic ultrasound," IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings, Oct. 1997
C. Simon, P. VanBaren, E. S. Ebbini, "Two-dimensional temperature estimation using diagnostic ultrasound," IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., vol. 45, July 1998.

In der DE 195 06 363 A1 ist ein Verfahren zur nicht-invasiven Thermometrie in Organen unter medizinischen Hyperthermie- und Koagulationsbedingungen beschrieben, das zur Gewinnung von Daten über Strukturveränderungen des Gewebes, das zu erwärmende Gewebe mit Ultraschallwellen durchsetzt, deren Amplitudenreflexionsfaktor als Signal meßtechnisch erfaßt wird. Auf der Grundlage der gewonnenen Amplitudenreflexionsfaktoren wird demnach die Summe aus temperatur- und strukturbedingten Veränderungen im wärmeausgesetzten Gewebe bestimmt.

Weiterhin werden in der Druckschrift [C. Simon et al.; "Two Dimensional Temperature Estimation Using Diagnostic Ultrasound"; IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control; Vol. 45, No. 4; July 1998; p. 1088-1099] Versuche erläutert, die den Zusammenhang zwischen lokaler Erwärmung eines Materials und der Laufzeitänderung von Ultraschallwellen, die durch das Material hindurchtreten bzw. reflektiert werden, aufzeigen (S. 1092, zweite Spalte (Abschnitt IVB) und Fig. 4a und 4b). Darüber hinaus werden in dieser Druckschrift allerdings keine Hinweise auf ein geeignetes Verfahren gegeben, mit dem die Wärmedeponierung in einem Material zu regeln ist.

Die DE 195 06 363 A1 beschreibt eine Möglichkeit zur Überwachung von erwärmtem Gewebe mit Hilfe einer Temperaturmessung. Mit der Ultraschall- Reflektometrie werden hierbei die Änderungen der viskoelastischen Eigenschaften biologischen Gewebes während der Erwärmung erfasst. Als charakteristische Größen werden die Größe, die Massendichte sowie die Kompressibilität Gewebes genutzt. Durch eine spezielle Zeitfenster- und Integrationstechnik werden ortsaufgelöst Daten über Strukturveränderungen des Gewebes während der Erwärmung gewonnen. Um mit dem vorbeschriebenen Verfahren die Überwachung erwärmten Gewebes sicher stellen zu können, ist daher die Aufnahme einer Vielzahl von Parametern möglich, so dass eine derartige Messung mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist.

Ferner beschreibt die Druckschrift [R. Seip et al.; "Noninvasive Estimation of Tissue Temperature Response to Heating Fields Using Diagnostic Ultrasound"; IEEE Transaction on Biomedical Engineering; Vol. 42, No. 8; August 1995, p. 828-839] ein Verfahren zur nicht-invasiven Erfassung einer Gewebetemperatur mittels eines Ultraschall-Diagnostizier-Verfahrens. Die Ultraschallwellensignale der am Material erfassten Ultraschallwellen werden hierzu spektral erfasst und entsprechend ausgewertet. Auch für die Durchführung des in dieser Druckschrift beschriebenen Meßverfahrens müssen somit mehrere Eigenschaften der erfassten Ultraschallwellen erfasst und ausgewertet werden.

In der JP 8173469 wird eine Vorrichtung zur gezielten Wärmedeponierung in einem Material beschrieben, die über Einheiten verfügt, die die Ultraschallwellen erzeugen bzw. detektieren und derart angeordnet sind, dass diese Einheiten die gleichen Raumbereiche erfassen und gemeinsam relativ zu dem zu behandelnden Material justierbar sind. Problematisch bei dem in dieser Druckschrift, beschriebenen System ist allerdings, das eine eindeutige Ausrichtung des Schallbündels auf den zu untersuchenden Bereich des Probenmaterials, insbesondere auf die zu behandelnde Geweberegion, nicht möglich ist. Dieser Umstand stellt einen erheblichen Nachteil für die Bereiche des Materials dar, in die keine Wärme eingebracht werden soll.

Auch übertragen auf den allgemeinen Fall der thermischen Materialbehandlung zur gezielten inneren Strukturveränderung in Materialien, bspw. der Übergang von kristallin zu amorph oder eine chemische Umwandlung, sind keine sicheren Verfahren bekannt, wann und in welchen Raumbereichen Strukturveränderungen auftreten. Das vorstehend bekannte Verfahren zur Temperaturbestimmung im Wege der Thermotherapie bzw. der Hyperthermie eignet sich nicht zur exakten Bestimmung des aktuellen räumlichen Ausmaßes und der im Inneren eines Materials auftretenden Strukturänderung.

Darstellung der Erfindung

Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Regelung einer gezielten Wärmedeponierung in ein Material, vorzugsweise in biologisches Gewebe, mit einer Ultraschallwellen erzeugenden Einheit, die Ultraschallwellen in das Material einkoppelt, einer Ultraschallwellen detektierenden Einheit, die die aus dem Material austretenden Ultraschallwellen detektiert und einer Auswerteeinheit, die auf der Grundlage der detektierten Ultraschallwellen Aussageparameter generiert, die über die thermischen und strukturellen Änderungen innerhalb des Materials Aufschluß geben, derart weiterzubilden, daß eine eindeutige Aussage über Art und Umfang einer Strukturänderung innerhalb des Materials im Wege des Wärmeeintrages möglich ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, den Wärmeeintrag in das Material derart zu regeln, daß ein gewünschtes Behandlungsziel innerhalb des Materials ohne eine ungewollte Strukturveränderung zu verursachen eindeutig erreicht werden kann. Schließlich soll eine Vorrichtung angegeben werden, mit der sich das Verfahren realisieren läßt.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 und 5 angegeben. Gegenstand des Anspruchs 9 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Den Erfindungsgedanken weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weitergebildet, dass die aus dem Material austretenden Ultraschallwellen zeitaufgelöst detektiert werden, wobei die detektierten Ultraschallwellen in der Auswerteeinheit zeitlich aufgelöst und nach dem Grad ihrer Laufzeitänderung relativ zu den Ultraschallwellensignalen, die von detektierten Ultraschallwellen herrühren, die am Material vor der Wärmedeponierung reflektiert worden sind und als Grundlage für eine räumliche Abgrenzung von sich, im Wege des Wärmeeintrages einstellenden strukturellen Änderungen innerhalb des Materials verwendet werden und dass die detektierten Ultraschallwellen nach maximalen Laufzeitänderungen untersucht werden, die die räumliche Lage der strukturellen Änderungen innerhalb des Materials bestimmen. Der zur Wärmedeponierung erforderliche Energieeintrag pro Zeit in das Material wird schließlich in Abhängigkeit der ermittelten strukturellen Änderungen im Material geregelt.

Während bei bisher verfolgten Methoden ein Ultraschallparameter alleinig zur Temperaturüberwachung vorgeschlagen wurde, werden beim erfindungsgemäßen Verfahren Größen zugrundegelegt, mit denen es möglich ist die strukturelle Gewebeveränderungen direkt zu messen und räumlich in ihrem zeitlichen Entstehungsverhalten zu erfassen.

So liegt der Erfindung die Idee zugrunde unter Ausnutzung von ortsaufgelösten Laufzeitänderungen der rückgestreuten Ultraschallwellen eine direkte Bestimmung der strukturellen Materialänderung vorzunehmen, die im Wege der Wärmedeposition verursacht worden ist. So ist es beispielsweise möglich, strukturelle biologische Gewebeirritationen ohne, wie bisher, den Umweg über eine Temperaturermittlung zu erfassen, indem einzig und allein die Messung der Laufzeitänderung der rückreflektierten Ultraschallwellen ausgenutzt wird.

Um Änderungen im Laufzeitverhalten überhaupt feststellen zu können, bedarf es zunächst der Ermittlung eines Maßstabes, der an dem zu untersuchenden bzw. mit Wärmeeintrag zu behandelnden Material gewonnen wird. So werden die am bzw. innerhalb des Materials rückgestreuten Ultraschallwellen detektiert und deren Ultraschallwellensignale entsprechend abgespeichert noch bevor das Material mit Wärme gezielt beaufschlagt wird. Die Meßsignale werden dabei mittels der detektierenden Einheit spektral erfaßt.

Anschließend wird das zu behandelnde Material gezielt erwärmt, beispielsweise durch lokales Einbringen von Laserlicht mit Hilfe einer Lichtleitfaser. Es sind jedoch auch andere Techniken zur gezielten Wärmedeposition möglich, wie bspw. einem Aussetzen des Materials externen elektromagnetischen Wechselfeldern oder Ultraschallfeldern, wobei zur Erwärmung mit niederfrequentem Ultraschall, zur Detektion mit höherfrequentem diagnostischem Ultraschall gearbeitet wird. Eine weitere Technik ist das Tiefgefrieren etwa mit flüssigem Stickstoff.

Die Wärmedeposition ist regelbar nach dem Grad an Energie, die pro Zeiteinheit in das Material eingetragen wird. So kann bei Verwendung von Lichtapplikationen die Lichtleistung entsprechend eingestellt werden.

Zur Detektion und Überwachung des Wärmeeintrages in das Material werden während des Wärmeeintrages die rückreflektierten Ultraschallwellen derart detektiert, daß sie zeitlich und gleichzeitig vollumfänglich spektral erfaßt werden. Dabei werden die gewonnenen Ultraschallwellensignale pro ausgesandten Ultraschallpuls zeitaufgelöst verarbeitet, wobei bei der eine Untersuchung Rückreflexes nach Bereichen der Ultraschallwellensignale gesucht wird, in denen eine maximale Laufzeitänderung verglichen zum Maßstab beobachtet wird. Unter Zugrundelegung der Meßgeometrie lassen sich anhand des Profils des Echosignals genaue Angaben über Lage und Ausdehnung struktureller Änderungen innerhalb des Materials ableiten. Mit diesen Erkenntnissen über den Ist-Zustand innerhalb des Materials können Regelgrößen zur Ansteuerung der Wärme deponierenden Einheit generiert werden, um nur gewünschte strukturelle Materialveränderungen zu erhalten. Insbesondere bei der Behandlung von biologischem Gewebe sollen nur jene Gewebebereiche mit ausreichend Wärme beaufschlagt werden, die es gezielt abzutöten gilt, aber jene angrenzende Gewebebereiche vor zu hohem Wärmeeintrag geschützt werden.

Ferner kann in Kombination zur vorstehenden Untersuchung mittels integrierter Rückstreuung der pro Ultraschallpuls erhaltenen Ultraschallwellensignale ein Kriterium erhalten werden, um weitergehende Strukturveränderungen, bspw. die Entstehung und räumliche Ausbildung von Gasblasen in biologischem Gewebe, bishin zur Verkohlung detektieren zu können.

Eine qualitative und quantitative Beurteilung der sich im Material durch Wärmeeintrag vollziehenden strukturellen Änderung kann demzufolge durch die ortsaufgelöst gemessenen Laufzeitänderungen der Ultraschallwellen angestellt werden. Die Laufzeitänderungen setzen sich aus der temperaturabhängigen Schallausbreitungsgeschwindigkeit c(T) und mit weiterer Erwärmung zusätzlich aus der naturgemäß verschiedenen, thermisch induzierten Ausdehnung des Materials ε(T) zusammen. Die Größe c(T) wird zur reinen Thermometrie, etwa bei moderater Erwärmung und niedrigen Temperaturerhöhungen herangezogen.

Durch Bestimmung des räumlichen Gradienten der Laufzeitänderungen über das behandelte Materialvolumen erhält man die maximalen räumlichen Verschiebungen rückgestreuter Ultraschall-Signalanteile, die in direktem Zusammenhang mit der Strukturänderung des Materials stehen und zur Angabe ihrer räumlichen Ausdehnung dienen.

Beide Effekte lassen sich jedoch trennen, zum Einen aufgrund des deutlich stärkeren Einflusses der makroskopischen Materialausdehnung, der sich in einem stärkeren zeitlichen Gradienten der Laufzeitänderungen niederschlägt, zum Anderen durch Richtung und unterschiedlicher Fortpflanzung des Effektes vom Herd weg. Eine Änderungen der sogenannten "Integrierten Rückstreuung" relativ zu einem Ausgangswert vor dem Wärmeeintrag oder relativ zu einer kennzeichnenden, strukturellen Materialveränderung während des Wärmeeintrages werden zur Kontrolle der Gasblasenbildung bei wärmebehandelten biologischem Gewebe herangezogen. Das Abklingen dieses Effektes zeigt die bevorstehende Karbonisation des Gewebes an.

Zur Durchführung des Verfahrens ist erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Regelung einer gezielten Wärmedeponierung in einem Material, vorzugsweise zur schonenden Behandlung biologischen Materials, insbesondere biologisches Gewebe, mit einer Ultraschallwellen erzeugenden Einheit, die Ultraschallwellen in das Material einkoppelt, einer Ultraschallwellen detektierenden Einheit, die aus dem Material austretende Ultraschallwellen detektiert, und einer Auswerteeinheit, die auf der Grundlage der detektierten Ultraschallwellen Aussageparameter generiert, die über die thermischen und strukturellen Änderungen innerhalb des Materials Aufschluß geben, derart ausgebildet, daß die Ultraschallwellen erzeugende und detektierende Einheit in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind und gemeinsam relativ zu dem, zu behandelnden Material justierbar sind, daß eine die Wärmedeponierung bewirkende Einheit weitgehend zentrisch zu den Ultraschallwellen erzeugende und detektierende Einheiten angeordnet ist und auf das Material ausgerichtet ist.

Weitere Merkmal können der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnommen werden.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1a, b Diagrammdarstellung der Laufzeitverschiebung eines reflektierten Ultraschallwellenpulses sowie Abbildung einer Gewebeschädigung durch lokalen Wärmeeintrag,

Fig. 2 Vorrichtungsvariante 1 zur Durchführung des Verfahrens,

Fig. 3 Vorrichtungsvariante 2 zur Durchführung des Verfahrens und

Fig. 4 Vorrichtungsvariante 3 zur Durchführung des Verfahrens.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

In Fig. 1 ist ein Diagramm dargestellt, entlang dessen Abszisse die Eindringtiefe eines Ultraschallwellenpulses in ein Material, im Beispiel der Fig. 1a, b in biologisches Gewebe dargestellt ist. Entlang der Ordinate sind Werte für die ortsaufgelösten Laufzeit-Verschiebungen für einen Ultraschallwellenpuls in µsec aufgetragen.

Die pro Ultraschallwellenpuls, der in ein biologisches Gewebe eingekoppelt wird, darstellbare Laufzeitverschiebung relativ zu einem Ausgangsverlauf eines Ultraschallpulses, der bei Normaltemperaturbedingungen, d. h. ohne künstlichen Wärmeeintrag, erhalten wurde ist in Fig. 1a dargestellt. Die Laufzeitveränderung, eines Ultraschallpulses bedingt durch eine, durch Wärmeeinwirkung verursachte Strukturumwandlung innerhalb eines Gewebebereiches ist mit Hilfe einer Kreuzkorrelation der aktuell erhaltenen Ultraschallwellensignale mit den abgespeicherten Werten vor Behandlungsbeginn zu erhalten. Nachfolgend wird die so gewonnene Kurve durch ein Polynom vorzugsweise niedriger Ordnung, geglättet und entsprechend ausgewertet.

Wie in Fig. 1a zu entnehmen ist, werden eben diese Bereiche der Kurve in Betracht gezogen, in denen der Gradient der Laufzeitveränderung am größten ist. Dies ist durch die zwei vertikalen Begrenzungslinien dargestellt, die zugleich einen räumlichen Bereich bereits festgestellter Strukturumwandlungen innerhalb des Gewebes begrenzen. In Fig. 1b, das ein Bild des betreffenden, wärmebehandelten Gewebebereichs darstellt, entspricht der helle Gewebebereich genau dem Bereich, in dem durch Wärmeeintrag strukturelle Gewebeirritationen zu beobachten sind. Dieser Bereich entspricht genau dem Bereich, in dem der Funktionsverlauf in Fig. 1a den größten Gradienten aufweist. Der Wärmeeintrag in Fig. 1b erfolgt durch Lichtapplikation mittels einer Lichtleitfaser, die in Bildmitte der Fig. 1b von unten in den Gewebebereich hineinragt.

Um von den Werten der Laufzeitverschiebung auf die Temperatur zu schließen, sind die ortsaufgelösten Ausbreitungsgeschwindigkeiten zu berechnen, die wiederum Grundlage zur Temperaturbestimmung sind, die besonders zur Kontrolle und Dokumentation der Erhaltung gesunden Gewebes herangezogen werden kann.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

An einem, an seiner Unterseite eine sphärische Kontur aufweisenden Gehäuseteil G befindet sich ein Ultraschallwandler 1 zur Ultraschallerzeugung und zugleich zur Detektion. Mittig zum Gehäuse G und zum Ultraschallwandler 1 ist eine Bohrung 2 vorgesehen, durch eine Lichtleitfaser 3 geführt ist, zur gezielten Lichtapplikation an einem Gewebevolumen 4.

Um eine eindeutige Ausrichtung des Ultraschallbündels auf das interessierende Behandlungsvolumen 4 sicherzustellen, bietet sich der Einsatz konventioneller Punktionsschallköpfe an. Anstelle der vorgesehenen Führung von Punktionsnadeln, eignet sich im dargestellten Fall eine Lichtleitfaser 3, die auch durch einen HF- Applikator ersetzt werden kann.

Um jedoch die geometrischen Faktoren eindeutig festzulegen, die das Verfahren beeinflussen und daher stets zu berücksichtigen sind, werden spezielle Schallwandler vorgeschlagen:
Einzelelementwandler, wie in Fig. 2 dargestellt, der auch fokussierend geformt sein kann, mit zentraler Bohrung 2 zur Aufnahme der Lichtleitfaser 3 oder einer Hochfrequenznadel. Durch die koaxiale Anordnung wird die eindeutige Ausrichtung des Schallbündels auf die zu behandelnde Geweberegion 4 sichergestellt.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel mit einem Ultraschallwandler-Linear-Array 5 dargestellt mit zentraler Bohrung 2 zur Aufnahme von Wärme-Applikatoren 3. Mithilfe des Arrays läßt sich eine elektronische Tiefenfokussierung erreichen, die die Positionierung des Applikators unterstützt, vor allem aber die Messung und Darstellung von Grad und Ausdehnung der therapeutisch erzielten Gewebeveränderung ermöglicht. Zusätzlich kann das Array rotierbar um die Applikatorachse 6 innerhalb eines Gehäuses 7 angebracht sein, so daß eine 3- dimensionale Führung des Schallbündels möglich ist, anhand derer eine Erfassung und Darstellung der 3-dimensionalen Gewebeveränderungen erfolgt. Auf diese Weise wird auch eine optimale Kompensation 3-dimensionaler Bewegungseinflüsse erreicht.

Das gleiche kann durch ein 2D-Array 8, gemäß Fig. 4, mit entsprechender Bohrung 2 zur Aufnahme eines Applikators 3 und elektronischer Schallfeldführung erreicht werden, mit dem Vorteil entfallender mechanischer Rotationsbewegungen.

Zusätzlich können die Lichtleitfaser oder HF-Applikatoren mit, für den Ultraschall besonders gut erkennbaren Markern (z. B. aus Metall) versehen werden.

Alle Ausführungen sind sterilisierbar, bzw. können mit sterilen Überzügen versehen werden.

Bezugszeichenliste

1

Ultraschallwandler

2

Bohrung

3

Lichtleitfaser

4

Gewebevolumen

5

lineares Wandler-Array

6

Drehachse

7

Gehäuse

8

Einzelelement eines zweidimensionalen Wandler-Arrays

Claims

1. Verfahren zur Regelung einer gezielten Wärmedeponierung in ein Material, vorzugsweise in biologisches Gewebe, mit
einer Ultraschallwellen erzeugenden Einheit, die Ultraschallwellen in das Material einkoppelt,
einer Ultraschallwellen detektierenden Einheit, die die aus dem Material austretenden Ultraschallwellen detektiert und
einer Auswerteeinheit, die auf der Grundlage der detektierten Ultraschallwellen Aussageparameter generiert, die über die thermischen und strukturellen Änderungen innerhalb des Materials Aufschluß geben,
dadurch gekennzeichnet,
daß die aus dem Material austretenden Ultraschallwellen zeitaufgelöst detektiert werden,
daß in der Auswerteeinheit die detektierten Ultraschallwellen zeitlich aufgelöst und nach dem Grad ihrer Laufzeitänderung relativ zu den Ultraschallwellensignalen untersucht werden, die von detektierten Ultraschallwellen herrühren, die am Material vor der Wärmedeponierung reflektiert worden sind und als Grundlage für eine räumliche Abgrenzung von sich im Wege des Wärmeeintrages einstellenden strukturellen Änderungen innerhalb des Materials verwendet werden,
daß die detektierten Ultraschallwellen nach maximalen Laufzeitänderungen untersucht werden, die die räumliche Lage der strukturellen Änderungen innerhalb des Materials bestimmen,
daß in Abhängigkeit der ermittelten strukturellen Änderungen im Material ein zur Wärmedeponierung erforderlicher Energieeintrag pro Zeit in das Material geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellen detektierende Einheit derart relativ zum, zu untersuchenden Material angeordnet wird, daß lediglich an dem Material zurückgestreute oder reflektierte Ultraschallwellen erfaßt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellensignale der am Material reflektierten Ultraschallwellen spektral erfaßt und über den gesamten Frequenzbereich integriert werden, und
daß die zeitliche Änderung des Integralwertes untersucht wird und bei auftretenden Abweichungen von einem Ausgangsintegral, das vor der Erwärmung des Materials gewonnen worden ist, ein Aussageparameter für eine Ausbildung von Gasblasen innerhalb des Materials gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn der Wärmedeponierung bei einer bekannten Temperatur innerhalb des zu untersuchenden Materials das Ausgangsintegral ermittelt wird, das als Referenzwert zum Feststellen auftretender Abweichungen im Integrationsverhalten dient.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach Abklingen auftretender Änderungen im Integrationsverhalten ein Aussageparameter für eine bevorstehende Karbonisierung innerhalb des Materials, vorzugsweise biologischen Gewebe, gewonnen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedeponierung innerhalb des Materials durch gezielte Bestrahlung des zu behandelnden Materials mittels elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise Laserlicht, oder durch Applikation eines elektrischen Wechselfeldes oder Ultraschallwellenfeldes erfolgt.

7. Vorrichtung zur Regelung einer gezielten Wärmedeponierung in einem Material, vorzugsweise zur schonenden Behandlung biologischen Materials, insbesondere biologisches Gewebe, mit einer Ultraschallwellen erzeugenden Einheit, die Ultraschallwellen in das Material einkoppelt, einer Ultraschallwellen detektierenden Einheit, die aus dem Material austretende Ultraschallwellen detektiert, und einer Auswerteeinheit, die auf der Grundlage der detektierten Ultraschallwellen Aussageparameter generiert, die über die thermischen und strukturellen Änderungen innerhalb des Materials Aufschluß geben,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellen erzeugende und detektierende Einheit so angeordnet sind, daß sie die gleichen Raumbereiche erfassen und gemeinsam relativ zu dem, zu behandelnden Material justierbar sind,
daß eine die Wärmedeponierung bewirkende Einheit weitgehend zentrisch zu den Ultraschallwellen erzeugenden und detektierenden Einheiten angeordnet ist und auf das Material ausgerichtet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche in der die Ultraschallwellen erzeugenden und detektierenden Einheiten angeordnet sind, derart, vorzugsweise sphärisch, ausgebildet ist, so daß die auf das Material einwirkenden Ultraschallwellen fokussiert sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse vorgesehen ist, das die Ultraschallwellen erzeugenden und detektierenden Einheiten umschließt, und daß das Gehäuse auf das zu behandelnde Material mittelbar oder unmittelbar aufsetzbar ist, so daß die Ultraschallwellen erzeugenden und detektierenden Einheiten einen bestimmten Abstand einnehmen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellen erzeugenden und detektierenden Einheiten eine flächige, arrayförmige Anordnung ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellen erzeugenden und detektierenden Einheiten eine lineare, arrayförmige Anordnung ist, die um eine Drehachse drehbar gelagert ist, die mit der die Wärmedeponierung bewirkenden Einheit zusammenfällt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedeponierung bewirkende Einheit eine Glasfaser ist, durch die Licht, vorzugsweise Laserlicht unmittelbar an das zu behandelnde Material geleitet wird.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedeponierung bewirkende Einheit ein diagnostisches Ultraschallgerät ist, das eine Temperaturerhöhung innerhalb des abgetasteten Gewebeareals erzeugt.