DE19935455C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer gezielten Wärmedeponierung in ein Material - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer gezielten Wärmedeponierung in ein MaterialInfo
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Description
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.
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:
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
1
Ultraschallwandler
2
Bohrung
3
Lichtleitfaser
4
Gewebevolumen
5
lineares Wandler-Array
6
Drehachse
7
Gehäuse
8
Einzelelement eines zweidimensionalen Wandler-Arrays
Claims (13)
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.
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.
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.
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.
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DE19506363A1 (de) * | 1995-02-24 | 1996-08-29 | Frost Lore Geb Haupt | Verfahren zur nicht-invasiven Thermometrie in Organen unter medizinischen Hyperthermie- und Koagulationsbedingungen |
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1999
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Patent Citations (2)
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JPH08173469A (ja) * | 1994-12-27 | 1996-07-09 | Toshiba Corp | 温熱治療装置 |
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