DE19963194C2 - Positioniereinrichtung zum genauen Positionieren und Ausrichten von Energiequellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Positioniereinrichtung, die mittels eines Rechners steuerbar ist, zum genauen und reproduzierbaren Posi­ tionieren und Ausrichten von zur Behandlung von Objekten oder Geweben eingesetzten Energiequellen, beispielsweise Ultra­ schallquellen.

Von Kullero Hynynen, Christaski A. Damianon u. a. in MR moni­ toring of Focused Ultrasonic Surgery of Renal Corex: Experi­ mental and Simulation Studies, IMRI, 1995, Nr. 5, S. 259 bis 266 ist zur Positionierung einer Ultraschallquelle ein System beschrieben, bei welchem mit Hilfe von drei Hydraulikzylin­ dern ein XYZ-Positioniertisch positioniert wird. Die Positio­ nierung erfolgt hierbei in den drei translatorischen Frei­ heitsgraden.

Nachteilig bei dieser Positioniereinrichtung ist jedoch, daß eine genaue Positionierung problematisch ist, da aufgrund von Reibung an den Dichtflächen der Zylinder und aufgrund von Elastizitäten in den Zuleitungen zwischen Stellweg und dem Flüssigkeitsvolumen ein verfälschter Zusammenhang besteht. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Behandlungslage für den Patienten festgelegt ist, da der Patient auf dem als Wasserbett ausgeführten Tisch mit integriertem XYZ-Positio­ niertisch liegen muß.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, zur Behand­ lung bzw. Bestrahlung von Objekten und/oder Geweben einge­ setzte Energiequellen, beispielsweise Ultraschallquellen mit einer hohen, reproduzierbaren Genauigkeit zu positionieren, ohne daß das Magnetfeld eines MR-Geräts beeinträchtigt wird.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfin­ dung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung sind bei einer Positioniereinrichtung drei Linearantriebe gemäß Patent DE 197 52 696 C1 zu einem Dreibein angeordnet. Hierbei sind die drei als Beine fungie­ renden Linearantriebe so auf einer Grundplatte befestigt, daß sie die Eckpunkte eines gleichseitigen Dreiecks bilden; jedes Bein ist dabei so drehbar gelagert, daß es zur Mitte der An­ ordnung gekippt werden kann. Hierzu ist gemäß einer vorteil­ haften Weiterbildung der Erfindung zum Kippen einer energie­ reichen Behandlungsquelle an jedem Bein ein Kugelgelenk vor­ gesehen. Von besonderem Vorteil ist, daß die Linearantriebe frei von metallischen, insbesondere magnetisierbaren Materia­ lien ausgeführt sind.

Durch gleiches oder unterschiedliches Verfahren der Linearan­ triebe kann eine zur Behandlung eingesetzte Energie- bzw. Be­ strahlungsquelle, beispielsweise eine Ultraschallquelle in drei Freiheitsgraden, nämlich zwei rotatorischen und einem translatorischen, in die geforderte Position gebracht werden.

Gemäß der Erfindung ist somit eine Einrichtung geschaffen, mit welcher eine genaue, reproduzierbare Positionierung vor­ genommen werden kann. Obendrein arbeitet eine solche Positio­ niereinrichtung lageunabhängig. Neben einem kompakten Aufbau weist die Positioniereinrichtung auch einen verhältnismäßig großen Verfahrbereich auf.

Ferner sind gemäß der Erfindung drei identisch ausgeführte Linearantriebe als Beine verwendet, wobei im Aufbau der Line­ arantriebe keine metallischen, insbesondere keine magnetisierbaren Materialien verwendet sind. Obendrein kann gemäß einer vor­ teilhaften Weiterbildung der Erfindung als Hydraulikflüssig­ keit der Linearantriebe das Kühlmittel, beispielsweise einer Ultraschallquelle, eingesetzt werden.

Eine bevorzugte Einsatzmöglichkeit der gemäß der Erfindung ausgeführten Positioniereinrichtung liegt in der Medizintech­ nik und der Lebensmitteltechnologie. Beispielsweise kann in besonders vorteilhafter Weise die gemäß der Erfindung ausge­ legte Positioniereinrichtung zum genauen und reproduzierbaren Positionieren und Ausrichten einer Ultraschallquelle insbe­ sondere zur Behandlung von Tumoren in der Krebstherapie ein­ gesetzt werden. Hierbei können mit Hilfe der mittels eines Rechners gesteuerten Positioniereinrichtung die von der Ul­ traschallquelle abgegebenen Ultraschallwellen sehr genau und jederzeit reproduzierbar auf das zu behandelnde Gewebe ausge­ richtet werden.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die an­ liegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung ei­ ner Positioniereinrichtung mit gleichmäßig ausge­ fahrenen Beinen und einer auf diesen gehalterten, zur Behandlung vorgesehenen Energiequelle/Be­ strahlungsquelle;

Fig. 2 ebenfalls in einer perspektivischen schematischen Darstellung eine Vorderansicht der Positio­ niereinrichtung der Fig. 1;

Fig. 3 wiederum in einer schematischen perspektivischen Darstellung die Positioniereinrichtung mit einer nach hinten, d. h. in die Zeichenebene gekippten Bestrahlungsquelle;

Fig. 4 eine schematische Draufsicht von oben auf die Positioniereinrichtung, bei welcher die Bestrah­ lungsquelle abgenommen ist;

Fig. 5a in einer perspektivischen Wiedergabe eine schema­ tisierte Darstellung eines Linearantriebs, und

Fig. 5b bis 5e in gegenüber Fig. 5a vergrößerten, perspektivi­ schen Darstellungen im wesentlichen den Ablauf einer Pendelbewegung einer von zwei Kulissen ei­ nes Linearantriebs gemäß Fig. 5a sowie die dadurch bewirkte Drehbewegung einer Gewindemutter.

In Fig. 5a ist ein Ausführungsbeispiel eines Linearantriebs gemäß DE 197 52 696 C1 perspektivisch dargestellt, bei welchem in einem Gehäuse 514 verschiebbar geführte Kulissen 54 und 55 vorgesehen sind, welche über Kolbenstangen 561 bzw. 571 mit­ tels hydraulisch beaufschlagter Kolben 56 und 57 betätigbar sind.

Hierbei ist in Fig. 5a die Kulisse 54 in der der einen Endlage entsprechenden Ausgangsposition wiedergegeben, während die Kulisse 55 in der zweiten möglichen Endlage wiedergegeben ist. Zum Beaufschlagen der Hydraulikkolben 56 und 57 wird Hy­ draulikfluid an Eintrittsöffnungen 58 und 59 über nicht näher dargestellte Leitungen zugeführt, an deren anderen Ende eine vorzugsweise elektrisch betätigbare Hydraulikeinheit vorgese­ hen ist.

In Fig. 5a ist links vorne ein Ende einer Gewindestange 51 zu erkennen, während im Bereich der Kulissen 54 und 55 die Ge­ windemutter 52 zu erkennen ist, von deren Außenumfang in ra­ dialer Richtung Zapfen 53 vorstehen, von welchen in Fig. 5a lediglich zwei Zapfen 53 teilweise wiedergegeben sind.

Wie den Fig. 5b bis 5e zu entnehmen ist, sind beispielsweise insgesamt zwölf vom Außenumfang der Gewindemutter 52 in ra­ dialer Richtung vorstehende Zapfen 53 ausgebildet, welche so­ mit einen Winkelabstand von 30° voneinander haben. Ferner sind in Fig. 5a noch zwei senkrecht zur Achse der Gewindestan­ ge 51 verlaufende, rohrförmige Ansätze 511 und 512 angedeu­ tet, über welche das Gehäuse 514 drehbar gehaltert sein kann.

In der perspektivischen Wiedergabe der Fig. 5b sind lediglich die Gewindemutter 52 mit von ihrem Außenumfang vorstehenden zwölf Zapfen 53 sowie die beiden Kulissen 54 und 55 darge­ stellt. Ferner ist in Fig. 5b bis 5e das im Inneren der Gewin­ demutter 52 ausgebildete Gewinde 521 teilweise wiedergegeben. Auf der den Zapfen 53 zugewandten Seite der beiden Kulissen 54 und 55 sind jeweils Segmente 541 und 542 bzw. 551 und 552 eines steilen auf den Kulissen ausgebildeten Gewindes zu er­ kennen.

Bei einer Betätigung der Kulisse 54 mittels des Kolbens 57 (Fig. 5a) wird die Gewindemutter 52 in der durch einen in Fig. 5b ausgezogen wiedergegebenen Pfeil angezeigten Richtung gedreht, während bei einer Betätigung der Kulisse 55 durch den Kolben 56 (Fig. 5a) die Gewindemutter 52 in der Richtung eines in Fig. 5b gestrichelt wiedergegebenen Pfeils gedreht würde. Um die Gewindemutter 52 um den Winkelabstand zweier Zapfen 53 schrittweise weiterzudrehen, wird sowohl der Vor­ wärtshub der Kolben 54 oder 55 aus der in Fig. 5b dargestell­ ten Ausgangslage als auch der Rückwärtshub der Kolben in die Ausgangslage ausgenutzt.

Wie bereits ausgeführt, befinden sich in Fig. 5b beide Kulis­ sen 54 und 55 in der Ausgangsposition. In Fig. 5c ist der Be­ ginn des Eingriffs des Segments 541 der Kulisse 54 an dem Zapfen 53 dargestellt. Um eine schrittweise Drehbewegung nachvollziehen zu können, ist der dem Zapfen 53 benachbarte Zapfen sowohl in Fig. 5b als auch in Fig. 5c und 5e mit dem Be­ zugszeichen 53' versehen.

In Fig. 5d befindet sich die Kulisse 54 in ihrer oberen Endla­ ge; dies bedeutet, mit der Kulisse 54 ist ein Vorwärtshub durchgeführt worden, wodurch die Gewindemutter 52 bereits um einen halben Zapfenabstand in der durch den ausgezogenen Pfeil angezeigten Richtung gedreht worden ist. (Siehe die durch eine gestrichelt wiedergegebene Bezugslinie angedeute­ te, nicht erkennbare Lage des Zapfens 53.) Ferner sind in Fig. 5d an der Kulisse 54 ausgebildete Rasten 544 angedeutet, durch welche die Kulisse 54 in der jeweiligen Ruhestellung gegen ein unbeabsichtigtes Verdrehen der Gewindemutter 52 gehalten ist.

In Fig. 5e ist der beginnende Rückwärtshub der Kulisse 54 dar­ gestellt, und zwar kurz bevor das Segment 542 der Ku­ lisse 54 bei dem Rückwärtshub mit dem Zapfen 53 der Gewinde­ mutter 2 in Eingriff bzw. in Anlage kommt. Nach Beendigung des Rückwärtshubes der Kulisse 4 befindet sich diese wieder in der in Fig. 5b wiedergegebenen Ausgangslage. Hierbei ist jedoch im Unterschied zu der Darstellung in Fig. 5b die Gewin­ demutter 52 um einen Zapfenabstand in der durch den ausgezo­ genen Pfeil angegebenen Richtung weitergedreht. Somit befin­ det sich nach Beendigung eines Doppelhubes der Zapfen 53' nunmehr in der Lage, in der sich vor Beginn des Doppelhubes der Zapfen 53 befunden hat (siehe Fig. 5b).

Nach Beendigung des Doppelhubes ist die mit dem Gewinde 521 der Gewindemutter 52 in Eingriff stehende Gewindestange 51 bei zwölf Zapfen um ein Zwölftel der Gewindesteigung des Ge­ windes 521 der Gewindemutter 52 in axialer Richtung der Spin­ delstange 51 linear bewegt worden. Wenn die Steigung des Ge­ windes 521 beispielsweise 1 mm beträgt, wird bei jedem Dreh­ schritt von 30° der Gewindemutter 52 die Gewindespindel line­ ar um 1/12 mm, d. h. um etwa 0,083 mm linear vorwärts bewegt.

In Fig. 1 ist eine Positionierungseinrichtung mit drei gleich­ mäßig verfahrbaren Beinen in Form von drei identisch ausgebil­ deten Linearantrieben (siehe Fig. 5a bis 5e) perspektivisch dargestellt. Die gesamte Anordnung ist auf einer Grundplatte 3 montiert, an der nach der Montage auch eine in Fig. 1 nicht näher dargestellte Abdeckung befestigt wird. Auf der Grund­ platte 3 sind drei Hydraulikblöcke 4 für die drei Linearan­ triebe mit Anschlußbuchsen für in Fig. 1 nicht dargestellte Zuleitungen befestigt.

Über vorzugsweise drei Stützelemente 30 ist eine Basisplatte 2 mit der Grundplatte 3 verbunden. An der Basisplatte 2 sind die drei Linearantriebe über Kippgelenke 8 aufgehängt, von welchen in Fig. 3 jeweils nur zwei Lagerachsen zu erkennen sind. Eine Behandlungs- bzw. Bestrahlungsquelle in Form einer Ultraschallquelle 100 ist über schematisch angedeutete Kugel­ gelenke 10 mit - der Gewindestange 51 in Fig. 5a entsprechen­ den - Gewindestangen 9 befestigt.

Eine Positionierung der Ultraschallquelle 100 erfolgt durch Verfahren der drei die Beine darstellenden Linearantriebe, indem deren Gewindestange 9 jeweils gegenüber einem - dem Ge­ häuse 514 in Fig. 5a entsprechenden - Führungsblock 7 verscho­ ben wird. Hierzu wird eine in Fig. 1 nicht dargestellte (der Gewindemütter 52 in Fig. 5a entsprechende) Führungsmutter an dem jeweiligen Führungsblock 7 bei einem Vorwärts- und Rück­ wärtshub von - den Kulissen 54 und 55 in Fig. 5a entsprechen­ den - Kulissen um einen genau festgelegten Winkel, bei zwölf Zapfen (siehe Fig. 5b bis 5e) um 30°, gedreht. Auf dieser Ver­ drehung der Führungsmutter resultiert die Verschiebung der Gewindestange 9. Die Kulissen 5 werden hierbei von einem in Fig. 1 nicht näher dargestellten Hydraulikblock angetrieben.

Zur Überwachung der einen End- und der Referenzposition ist am Führungsblock 7 an einer Halterung 12 eine in Fig. 1 nicht näher dargestellte Lichtschranke als eine Art Endanschlag an­ gebracht, die durch einen an der Gewindestange 9 angebrach­ ten, nach außen vorstehenden Reiter 13 ausgelöst wird. Zur Überwachung der Schrittausführung ist an der Halterung 12 ei­ ne weitere - ebenfalls nicht dargestellte - Lichtschranke vorgesehen, welche durch die Bewegung der Führungsmutter aus­ gelöst wird.

In Fig. 2 ist in einer wiederum perspektivischen Darstellung die Positioniereinrichtung mit einer nach rechts geneigten Ultraschallquelle 100 wiedergegeben. In Fig. 2 ist ferner der obere Teil der zweigeteilten Basisplatte 3 entfernt. Der Dar­ stellung in Fig. 2 ist deutlich zu entnehmen, wie ein unter­ schiedliches Ausfahren der die Beine bildenden Linearantriebe zu einem Verdrehen an den Kugelgelenken 10 der Anordnung führt.

So ist der links in Fig. 2 dargestellte Linearantrieb über das an seinem oberen Ende vorgesehene Kippgelenk 10 deutlich zur Mitte der Anordnung gekippt. An dem Linearantrieb in der Mit­ te der Anordnung in Fig. 2 ist das Kugelgelenk 10 seitlich verdreht. Außerdem sind in Fig. 3 die Enden der Kulissen 5 zu erkennen, wobei sich die rechte in der Grundstellung befindet und die linke zur Ausführung eines Schrittes in einem nicht näher dargestellten Kulissengehäuse nach oben gefahren ist.

In Fig. 3 ist die Positioniereinrichtung, ähnlich wie in Fig. 2 mit einer geneigten bzw. gekippten Ultraschallquelle 100 in einer perspektivischen Darstellung wiedergegeben, wobei der Blick durch die Positioniereinrichtung hindurch auf die In­ nenseite eines gegenüberliegenden Beines bzw. Linearantriebs gerichtet ist.

Auch in dieser Darstellung nehmen die Linearantriebe und da­ mit die Beine an den Kippgelenken 10 aufgrund des jeweiligen Verfahrens der Linearantriebe unterschiedliche Winkel ein. In der Mitte der Positioniereinrichtung ist hier außerdem noch ein Anschlußverteiler 14 für nicht dargestellte Hydrauliklei­ tungen zu erkennen.

In Fig. 4 ist die Ultraschallquelle 100 abgenommen, wodurch der Blick von oben durch die Einrichtung hindurch senkrecht auf die Grundplatte 3 fällt. In der Darstellung der Fig. 4 ist noch einmal die Anordnung der Beine verdeutlicht, die als Eckpunkte eines gleichseitigen Dreiecks ausgebildet sind.

Hierdurch sind die drei Freiheitsgrade für eine Positionie­ rung einer in den Kugelgelenken 10 befestigten Bestrahlungsquelle, beispielsweise einer Ultraschallquelle 100 bestimmt. Außerdem ist in Fig. 4 zu erkennen, wie die Rei­ ter 13 in die Lichtschrankenhalterung 12 fahren.

Bezugszeichenliste

2

Basisplatte

3

Grundplatte

30

Stützelement

4

Hydraulikblock

5

Kulisse

7

Führungsblock

8

Kippgelenk

9

Gewindestange

10

Kugelgelenk

12

Halterung

13

Reiter

14

Anschlußverteiler für Hydraulikleitung

51

Gewindestange

52

Gewindemutter

53

,

53

' Zapfen

54

,

55

Kulissen

56

,

57

Kolben

58

,

59

Eintrittsöffnungen

514

Gehäuse

541

,

542

Gewindesegmente

551

,

552

Segmente

561

,

571

Kolbenstangen

Claims (5)

1. Positioniereinrichtung, die mittels eines Rechners steuer­ bar ist, zum genauen und reproduzierbaren Positionieren und Ausrichten von zur Behandlung von Objekten und/oder Geweben eingesetzten Energiequellen, dadurch gekennzeichnet, daß zum Kippen der Energiequelle (100) mindestens drei in Form eines Dreibeins angeordnete Linearantriebe vorgesehen sind.

2. Positioniereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Linearantriebe in den Eckpunkten eines gleichseitigen Dreiecks auf einer Grundplatte befestigt sind.

3. Positioniereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearantriebe nur in nicht metallischen, insbesondere nicht magnetisierbaren Materialien ausgeführt sind.

4. Positioniereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Kippen der Energiequelle (100) zwischen den hydraulisch betätigbaren Linearantrieben und der Energiequelle (100) jeweils Kugelgelenke (10) vorgese­ hen sind.

5. Positioniereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Hydraulikfluid der Linearan­ triebe das Kühlmittel der Energiequelle verwendet ist.