DE2722252B2 - Einrichtung zur räumlichen Ortung von Konkrementen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur räumlichen Ortung von Konkrementen, die sich im Körper von Lebewesen befinden und mittels Stoßwellen berührungslos zertrümmert werden, in Verbindung mit einem auf der Körperoberfläche angebrachten Koppeigerät in Form eines Ellipsoids mit einer Stoßwellenquelle im Brennpunkt.

Gegenstand der DE-PS 23 51 247 ist eine Einrichtung zum Zertrümmern von im Körper eines Lebewesens befindlichen Konkrementen mit einer Fokussierungskammer, die ein Teil eines Rotationsellipsoids ist und in deren einem Brennpunkt Stoßwellen durch Funkenentladung erzeugbar sind. Durch diese Einrichtung ergeben sich bei der Behandlung von Steinleiden erhebliche Vorteile. Damit ist die Zerstörung von z. B. Nierensteinen ohne jeglichen operativen Eingriff oder Einführung von Sonden möglich. Der Nierenstein wird beispielsweise mittels eines Röntgenbildes in seiner Größe und seiner Lage im Körper des Patienten lokalisiert. Dann wird der Stein mittels dosierbarer und fokussierter Stoßwellen beaufschlagt, so daß er zu einem feinen Gries zerfällt, der leicht auf natürliche Weise aus dem Körper herausgeschwemmt wird.

ίο Aus Münch. med. Wschr. 114 (1972) Nr. 22 S. 1041/ 1043 ist es bekannt, in der allgemeinen Chirurgie und Urologie, die Ultraschalldiagnostik zur Lokalisation von Steinen im Gallengang zu verwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde für die berührungsfreie Zertrümmerung von Nierensteinen durch Stoßwellen ein räumliches Ortungsverfahren zu schaffen, mit dessen Hilfe das Konkrement des Patienten sicher im objektseitigen Fokus des Koppelgeräts positioniert werden kann. Neben der sicheren Lokalisation des Konkrements muß auch durch das Ortungsverfahren erfaßbar sein, ob die Stoßwellenausbreitung im Körper frei erfolgen kann oder durch Knochenstrukturen gestört wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Wand des Koppelgeräts mindestens ein Ultraschallsender und ein Ultraschallempfänger derart angeordnet sind, daß deren Rotationsachsen sich mit der Symmetrieachse des Stoßwellengenerators unter einem Winkel von 30° im konkrementseitigen Brennpunkt schneiden. Die Wirkungsweise der Einrichtung beruht darauf, daß Ultraschallwellen wegen der unterschiedlichen akustischen Eigenschaften von Körpergewebe und Konkrement an Grenzflächen reflektiert werden. Ultraschall ist zur Ortung geeignet, weil Stoßwellen und Ultraschall identische Laufwege besitzen. In der medizinischen Ultraschalldiagnostik werden im wesentlichen zwei Verfahren angewendet:

Das A-Bild-Verfahren (E η g e I k i η g und B i 11 η e r: Erfahrungen mit dem A-Bild-Verfahren bei der Ultraschalldiagnostik, HeI. Chir. Acta 38, 1971, 515) und das B-BiId-Verfahren (Lutz, Rettenmeier in Sonografische Nierendiagnostik, Deutsche Medizinische Wochenschrift 18/1973, S. 361).

Das A-BiId und das B-Bild werden bei der differentialdiagnostischen Abklärung raumfordernder Prozesse an der Niere erfolgreich eingesetzt. (Hierzu auch Engelking, R. P. und Bittner in Deutsche Medizinische Wochenschrift 97 — 1800 — 1972, Morgner, K. D. u.a.: Deutsche Medizinische Wochenschrift 95 - 1519 - 1974). Mit beiden Methoden konnten Nierensteine erfolgreich diagnostiziert werden. Beide Verfahren können jedoch nicht ohne weiteres für die Ortung von Nierensteinen in Zusammenhang mit der berührungsfreien Zertrümmerung eingesetzt werden, da eine Positionierung des Koppelgeräts mit den auf dem Markt befindlichen Geräten nur mit erheblichen Schwierigkeiten möglich ist. Dieser Nachteil kann dadurch vermieden werden, daß die für die Ortung notwendigen Ultraschallsender- und Empfänger in den Stoßwellengenerator integriert werden.

Ein Ultraschallkopf, der gleichzeitig als Sender und Empfänger benutzt wird, wird seitlich im Koppelgerät so befestigt, daß sich die Rotationsachse des Senders/ Empfängers unter etwa 30° mit der Symmetrieachse des Stoßwellengenerators im objektseitigen Brennpunkt schneidet. Die Suche nach dem Konkrement erfolgt dadurch, daß mit der gesamten Anordnung die Nierengegend des Patienten rasterartig abgetastet wird,

bis das Konkrement innerhalb des Schallfeldes lokalisiert ist Das Konkrement wird nach der Methode des A-Bildes identifiziert Die Positionierung des Konkrements in den objektseitigen Brennpunkt wird in der Weise durchgeführt daß die Entfernung vom Konkrement zum Ultraschallkopf aus der Impulslaufzeit bestimmt wird und anschließend die Anordnung längs der Symmetrieachse des Ultraschallkopfs verschoben wird. Das Konkrement liegt dann optima! im objektseitigen Brennpunkt wenn die Impulslaufzeit multipliziert mit der Schallgeschwindigkeit des Ausbreitungsmediums gleich der Entfernung Ultraschallkopf — objektseitiger Brennpunkt ist.

Störende Knochenstrukturen, die im Stoßwellenfeld liegen, können aufgefunden werden, indem die Anordnung um die Symmetrieachse des Koppelgeräts gedreht wird, wenn der Stein im objektseitigen Brennpunkt positioniert ist Störende Gasblasen im Darm, die bei den huitigen diagnostischen Verfahren irrtümlich als Konkrement erkannt werden könnten, lassen siv_h durch eine Bestimmung der Phasenlage der reflektierten Ultraschallwellen identifizieren.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die Anordnung dadurch erweitert werden, daß ein zweiter Ultraschallkopf in gleicher Weise im Koppelgerät angebracht wird. Neben einer schnelleren Abrasterung können störende Ultraschallechos unterdrückt werden, wenn in der Anordnung ein Ultraschallkopf als Sender, der andere als Empfänger benutzt wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Anordnung werden drei Ultraschallköpfe in das Koppelgerät eingebaut, so daß sich ihre Rotationsachsen im objektseitigen Brennpunkt schneiden und die Kanten eines Tetraeders bilden. Die Ultraschailköpfe können im Impulsecho betrieben oder wechselseitig als Sender oder Empfänger eingesetzt werden. Die Identifizierung des Konkrements erfolgt wie oben beschrieben. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß Knochenstrukturen im Stoßwellenfeld direkt festgestellt werden, ohne daß das Koppelgerät um seine Symmetrieachse gedreht werden muß. Zur Positionierung des Konkrements in den Brennpunkt wird die Anordnung so lange in den drei Raumrichtungen verschoben, bis die Amplitude des reflektierten Ultraschallechos maximale Höhe erreicht hat. Für eine genauere Positionierung können ein Ultraschallkopf als Sender und Empfänger, die beiden anderen als Empfänger benutzt werden. Aus den drei zugeordneten Impulslaufzeiten läßt sich die Lage des Konkrements bestimmen. Das Konkrement ist dann optimal für eine Zertrümmerung im objektseitigen Brennpunkt positioniert, wenn bei der gewählten Anordnung die drei Impulslaufzeiten gleich sind.

Die Ultraschallköpfe lassen sich durch eine Teleskopanordnung an den Körper des Patienten direkt ankoppeln. Hierdurch verringert sich die Wegstrecke in der Koppelflüssigkeit und die durch sie bedingte Dämpfung.

Eine weitere vorteilhafte Lösung der Aufgabenstellung ist dadurch gekennzeichnet, daß die StoRwellenquelle zunächst Stoßwellenimpulse mit verminderter Energie erzeugt und daß in der Wandung des Koppelgeräts breitbandige Drucksensoren angeordnet sind, die die von einem Konkrement ausgehende Kugelwelle registrieren.

Mit der für die Erzeugung von Stoßwellen verwendeten Unterwasserfunkenstrecke lassen sich, wenn die Stoßwellenintensität herabgesetzt wird, breitbandige akustische Impulse mit einer Impulslänge von 0,5 μ sec.

herstellen. Da diese den gleichen akustischen Weg zurücklegen wie nachher die zur Steinzertrümmerung verwendeten Stoßwellen, ergibt sich die gleiche Geometrie für die Stoßwellenausbreitung und das 5 Ortungssystem.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 die Ortung eines Konkrements mittels Ultraschall, wobei ein Sender und ein -Empfänger ίο verwendet werden,

F i g. 2 die Ortung eines Konkrements mittels eines Ultraschall-Aufzeichnungsverfahrens (B-scan),

F i g. 3 eine Ortungseinrichtung, bei der sowohl vom Gegenstand der F i g. 1 wie auch vom Gegenstand der F i g. 2 Gebrauch gemacht wird,

Fig.4 Ortung eines Konkrements mittels durch Funkenentladung erzeugter Stoßwellen und

Fig.5 die Anzeige der Druckimpulse auf einem Bildschirm.

F i g. 1 zeigt ein Ortungssystem mit dessen Hilfe ein Nierenstein lokalisiert und in den objektseitigen Brennpunkt gebracht werden kann. Ein Ultraschallsender 2 ist dabei so seitlich in einem Koppelgerät 4 in Form eines Ellipsoids mit einer Stoßwellenquelle 28 im Brennpunkt angebracht so daß sich die Symmetrieachse 6 des Koppelgeräts und die Rotationsachse 8 des Senders unter 30° im objektseitigen Brennpunkt 20 schneiden. In gleicher Weise sind ein oder zwei Empfänger 12 in das Koppelgerät 4 eingebaut, so daß sich die Rotationsachse 8 des Senders und die Rotationsachse 16 des Empfängers im objektseitigen Brennpunkt treffen. Mit dem Sender wird periodisch ein gerichteter Ultraschallimpuls ausgesendet. Befindet sich ein Nierenstein 18 im objektseitigen Brennpunkt 20 und wird dieser von einem Ultraschallimpuls getroffen, so wird ein dem Reflexionskoeffizienten entsprechender Teii des Ultraschallimpulses zurückgeworfen und im Empfänger 12 registriert. Es ist vorteilhaft, wenn man anstelle des einen Empfängers 12 zwei Empfänger verwendet, die auf dem Kreisumfang eines Ellipsoidschnittes verteilt angeordnet sind. Dies ist in Fig. 1 nicht gezeigt. Die Lagebestimmung erfolgt über eine Laufzeitmessung der Ultraschallinipulse.

F i g. 2 zeigt die Ortung eines Konkrements mittels eines Ultraschallaufzeichnungsve.-fahrens (B-Scan). Dabei wird ein Koppelgerät 4 verwendet, das auch schon in Fig. 1 gezeigt ist. Der Ultraschallkopf 22 für die Bildaufzeichnung ist seitlich so angebracht, daß die Symmetrieachse 6 des elliptischen Koppelgeräts 4 mit der Bildebene zusammenfällt. Die Bildaufzeichnung erfolgt in der Weise, daß der Ultraschallkopf 22 um einen festen Drehpunkt geschwenkt wird. Dabei überstreicht der Schallkegel 24 des Ultraschallkopfs das zu untersuchende Areal und trifft notwendigerweise auf v-, das Konkrement 18. Drei Stellungen des Ultraschallkopfes 22 und des Ultraschallkegels 24 sind in F i g. 2 dargestellt. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß der Nierenstein 18 auch dann aufgezeichnet wird, wenn er beliebig in der Bildebene liegt. Aufgrund von Laufzeitbestimmungen läßt sich die Lage des Steins errechnen und das Konkrement über eine Justiervorrichtung dann in den Brennpunkt 20 des elliptischen Koppelgeräts 4 einjustieren.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung

kann das in Fig.2 gezeigte Ultraschallortungsgerät

auch in der Wandung des Koppelgeräts 4 angeordnet

werden, wie dies prinzipiell in F i g. 1 dargestellt ist.

F i g. 3 zeigt eine Ortungseinrichtung bei der sowohl

beim Gegenstand der F i g. 1 wie auch vom Gegenstand der F i g. 2 Gebrauch gemacht wird.

Fig.4 zeigt eine Einrichtung, die in ihrem wesentlichen Aufbau mit dem Gegenstand von F i g. 1 übereinstimmt, wobei die Ortung des Konkrements hier über den Nachweis der Beugungswelle eines Stoßwellenimpulses erfolgt. Im Brennpunkt 26 des Ellipsoids befindet sich dabei eine Funkenstrecke 28, die eine Stoßwelle aussendet, die mit Hilfe des Koppelgeräts 4 die Stoßwelle auf den Brennpunkt 20 fokussiert. In Fig.4 ist dieses von der Funkenstrecke erzeugte Stoßwellenfeld nicht eingezeichnet. Trifft die Stoßwelle auf das Konkrement 18, so gehen vom Konkrement kugelförmige Beugungswellen 30 aus, die in F i g. 4 für verschiedene Zeitabstände dargestellt sind. Die Kugelwelle 30 wird mit drei Sensoren 32 (von denen einer in Fig.4 gezeigt ist) und die seitlich in der Koppelgerätwandung angebracht sind, erfaßt.

Die Lagebestimmung des Konkrements erfolgt über eine Analyse der Laufzeiten der Stoßwelle vom Zeitpunkt der Erzeugung bis zur Registrierung mit dem Drucksensor. Treten Laufzeitdifferenzen zwischen den einzelnen Drucksensoren 32 auf, so befindet sich das Konkrement 18 noch nicht auf der Symmetrieachse 6 des Reflektors. Dies ist in Fig.5 auf einem Bildschirn 34 für drei Druckaufnehmer dargestellt. Zunächs erfolgt eine Einjustierung des Konkrements in di< Symmetrieachse 6. Dabei wird das Konkrement 18 se verschoben, daß die mit allen drei Druckaufnehmerr gemessenen Laufzeiten gleich groß sind. Auf derr Bildschirm 34 in Fig. 5 werden sich dabei die : Druckimpulse übereinanderliegend abbilden. Dies isi gestrichelt angedeutet. Die weitere Einjustierung in der Brennpunkt 20 erfolgt aufgrund der durch die Geometrie festgelegten Laufzeit, die exakt aus dei Geometrie bestimmbar ist. Die Weglänge, durch die die Laufzeit bestimmt wird, ist = 2a (a=große Halbachse der Ellipse) plus dem Abstand zwischen dem Brennpunkt 2C und dem Drucksensor 32.

Die Höhe des Drucksignals ist ebenfalls ein Maß für die Brennpunktlage des Steins. Befindet sich der Nierenstein im Brennpunkt, dann wird auf der Bildschirmanzeige ein höheres Drucksignal sichtbar.

Mit Hilfe des in F i g. 2 gezeigten Verfahrens läßt sich die Lage des Konkrements 18 bezüglich des Koppelgeräts 4 grob vorpositionieren und dann eine genaue Positionierung gemäß dem in Fig.4 dargestellten Verfahren vornehmen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur räumlichen Ortung von Konkrementen, die sich im Körper von Lebewesen befinden und mittels Stoßwellen berührungslos zertrümmert werden, in Verbindung mit einem auf der Körperoberfläche angebrachten Koppelgerät in Form eines Ellipsoids mit einer Stoßwellenquelle im Brennpunkt, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wand des Koppelgeräts (4) mindestens ein Ultraschallsender (2) und ein Ultraschallempfänger (12) derart angeordnet sind, daß deren Rotationsachsen (8,16) sich mit der Symmetrieachse (6) des Stoßwellengenerators (28) unter einem Winkel von 30° im konkrementseitigen Brennpunkt (20) schneiden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Koppelgerät (4) drei Ultraschallsender (2) und Empfänger (12) symmetrisch über den kreisförmigen Querschnitt verteilt angeordnet sind.

3. Einrichtung nach Ansprüchen 1—2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ultraschallschwinger (22) zum Aufbau eines B-Bilds schwenkbar im Koppelgerät (4) angebracht ist.

4. Einrichtung nach Ansprüchen 1 —3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbau eines B-Bilds eine Wandleranordnung im Koppelgerät (4) angebracht ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelgerät (4) oder das Lebewesen in drei Ebenen relativ zueinander bewegbar sind.

6. Einrichtung zur räumlichen Ortung von Konkrementen, die sich im Körper von Lebewesen befinden und mittels Stoßwellen berührungslos zertrümmert werden, in Verbindung mit einem auf der Körperoberfläche angebrachten Koppeigerät in Form eines Ellipsoids mit einer Stoßwellenquelle im Brennpunkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßwellenquelle (28) zunächst Stoßwellenimpulse mit verminderter Energie erzeugt und dab in der Wandung des Koppelgeräts (4) breitbandige Drucksensoren (32) angeordnet sind, die die von einem Konkrement ausgehende Kugelwelle (30) registrieren.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei Drucksensoren symmetrisch über den kreisringförmigen Querschnitt des Koppelgeräts (4) verteilt angeordnet sind.