DE3119295C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Zer­ stören von Konkrementen in Körperhöhen unter Zuhilfe­ nahme eines Ultraschallwandlers als Schwingungserzeuger, der als Direktbeschaller für das Konkrement dient und auf das Konkrement fokussierbar ist.

Eine Einrichtung dieser Art ist aus dem Aufsatz "The Application of Ultrasonic Energy to Urinary and Biliary Calculi", The Journal of Urology, Vol. 75, No. 5, Mai 1956, Seiten 865 bis 874, bekannt. Dort ist ein Ultra­ schall-Gerät beschrieben, bei welchem ein Konkrement durch fokussierte Abstrahlung mit Ultraschallenergie be­ aufschlagt wird. Die Abstrahlung erfolgt mit geringer Leistungsdichte im Dauerbetrieb und führt nicht bei allen Konkrementarten zum gewünschten Erfolg. Durch die DE-OS 20 53 982 ist weiterhin eine Einrichtung zum Zer­ stören von Steinen in der Harnblase, im Harnleiter, in der Niere u. dgl. bekannt, bei der die Schallenergie eines Ultraschallwandlers dazu verwendet wird, einen Arbeitsan­ satz an der Spitze einer Sonde in longitudinale Schwingungen zu versetzen. Der Arbeitsansatz zertrümmert dann den Stein. Eine solche Einrichtung ist jedoch technisch recht kompliziert; sie ist halbinvasiv und in der Anwendung auch nicht sehr treffsicher. Durch die US-PS 32 37 623 ist im Zusammenhang mit der Zerstörung von Zellen eines Zellverbandes im Auge oder Gehirn auch noch eine weitere Einrichtung, die mit einem Ultraschallwandler als Erre­ gungsschwinger arbeitet, bekannt. Bei dieser Einrichtung werden jedoch mit Hilfe des Ultraschalls punktförmige Felder höherer Temperatur erzeugt, durch die dann der jeweilige Zellverband abgetötet wird. Bei derarigen Einrichtungen ist die Energiedichte zu gering, um Kon­ kremente, wie Steine od. dgl. , zerstören zu können. Die vorstehend genannten Zerstörungseinrichtungen, die mit Ultraschall arbeiten, sind also zur Zerstörung von Kon­ krementen speziell in Körperhöhlen wenig geeignet. Aus diesem Grunde wurden in der Praxis bisher auch nur solche Einrichtungen eingesetzt, die nicht auf der Basis von Ultraschallerregung arbeiten. Bei diesen Einrichtungen handelt es sich um Stoßwellenerzeuger mit Fokussierungs­ kammer. Im Brennpunkt eines wassergefüllten Rotations­ ellipsoids sitzt eine Funkenentladungsstrecke, die bei elektrischer Zündung durch Funkenentladung eine Stoßwelle erzeugt. Die Stoßwelle wird über eine Ankoppelmembran zum Körper des Patienten übertragen; sie gelangt somit zum Konkrement, das aufgrund entsprechender vorheriger Justierung der Fokussierungskammer sich im gedachten zweiten Brennpunkt des Rotationsellipsoids befindet. Ein­ richtungen dieser Art sind beispielsweise aus der DE-PS 22 23 319 und der DE-PS 23 51 247 vorbekannt. Funkenent­ ladungen benötigen hohe Zündspannungen im Bereich zwi­ schen 15 bis 30 kV. Diese hohen Zündspannungen werfen je­ doch Probleme hinsichtlich einer einwandfreien Isolierung gegenüber dem Patienten auf. Funkenentladungen führen außerdem immer zu Abbrand. Dies fordert ständige Wartung und die Zahl sowie Frequenz der Zündungen, die zu einer Behandlung nötig sind, ist begrenzt.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, eine Einrichtung zum Zerstören von Konkrementen aufzubauen, die bei ein­ fachem technischem Aufbau funktionssicher und variabel zu handhaben ist und die gleichzeitig hinsichtlich des er­ wünschten Zerstörungseffektes besonders ergiebig ist.

Die Aufgabe wird mit einer Einrichtung der eingangs ge­ nannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ultraschallwandler im Pulsbetrieb zur Erzeugung von Stoßwellen arbeitet und wenigstens eine Pulsspitzen­ leistung von 100 kW über seine Fläche verteilt abgibt.

Gemäß der Erfindung wird jetzt die Schockwelle zum Zer­ trümmern des Konkrementes direkt durch einen fokussie­ renden Ultraschallwandler erzeugt. Dieser Ultraschall­ wandler hat eine derart große Fläche, daß sich im Fokus eine Schalleistungsdichte ergibt, die das Konkrement sicher zerstört, die aber entlang sonstigem Körpergewebe keine Gewebeschäden verursacht. Ein solcher Ultraschall­ wandler als Direktbeschaller ist technisch sehr einfach aufgebaut, er ist funktionssicher und auch sehr variabel zu handhaben. Ein Ultraschallwandler kann darüber hinaus isolationsmäßig gut abgekapselt werden. Probleme hin­ sichtlich der Isolation treten also selbst dann nicht auf, wenn der Ultraschallwandler zur Ankopplung an ei­ nen Patienten in ein Wasserbad getaucht wird. Ein be­ sonders zweckmäßiger Einsatz des Ultraschallwandlers ergibt sich, wenn dieser gleichzeitig auch noch zur Aufzeichnung von Echtzeit-Bildern, z. B. B-Bild oder C-Bild, ausgebildet ist. In einem solchen Falle kann dann z. B. anhand des Echtzeit-Bildes der günstigste Einstrahlwinkel für die Schockwelle in Richtung auf das Konkrement ermittelt werden. Ferner kann anhand eines solchen Echtzeit-Bildes auch ermittelt werden, inwieweit die Schockanwendung zu Erfolgen geführt hat. Hierzu braucht lediglich ein entsprechendes Splitter­ echobild ausgewertet zu werden. Selbstverständlich kann anstelle der B-Bildauswertung oder zusammen mit dieser eine zusätzliche Auswertung in Richtung einer Spektral­ analyse vorgenommen werden. Zu diesem Zwecke ist dann dem Ultraschallwandler eine gesonderte Auswerteeinrich­ tung zugeordnet, die die nach einer Schockwelle an­ fallenden Echos in ihrer spektralen Zusammensetzung untersucht. Aus dem Auswerteergebnis können dann wie­ der Rückschlüsse auf den Erfolg der Schockanwendung ge­ zogen werden. In bevorzugter Ausgestaltung kann dem Ultraschallwandler aber auch eine Einrichtung zur Ände­ rung der Apertur der Abstrahlungsfläche und eine Ein­ richtung zur Überprüfung des Durchschallungsweges vom Ultraschallwandler zum Konkrement zugeorndet sein. Durch Änderung der Apertur läßt sich der Durchmesser des Durchschallungsweges einengen. Körperbezirke, wie z. B. die Rippen od. dgl., die durch die Schockwelle zu­ sätzlich gefährdet werden könnten, können damit ausge­ blendet werden. Die Schockwelle durchläuft dann nur noch solche Bezirke in Richtung Konkrement, die keiner zusätzlichen Gefährdung ausgesetzt sind. Falls er­ wünscht und zweckmäßig, kann zum Voraborten eines Kon­ krementes der Einrichtung zum Zerstören von Konkremen­ ten auch noch eine Röntgeneinrichtung zugeordnet sein. Das Konkrement kann aber auch mit Hilfe eines Ultra­ schall-Ortungssystems geortet werden, das der Einrich­ tung zugeordnet ist oder der Ultraschallwandler der Einrichtung kann selbst Teil eines solchen Ortungs­ systems bilden. Derartige zusätzliche Systeme zum Orten eines Konkrementes sind durch die DE-PS 27 22 252 be­ reits vorbekannt.

Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem fokussierenden Ultraschallwandler, bestehend aus konzentrischen Ringen,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung mit einem fokussierenden flächenhaften Ultraschallarray als Ultraschallwandler, das eine Vielzahl von einzelnen Schwinger­ elementen in matrixartiger Anordnung enthält,

Fig. 3 eine Modifikation des Ausführungsbeispiels der Fig. 2,

Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung mit Gürtelstruktur eines Ultraschall- Arrays und Ankopplung im Wasserbad,

Fig. 5 und 6 zwei weitere Ausführungsbeispiele für mechanisch fokussierende Ultraschall­ wandler,

Fig. 7 drei Diagramme für mögliche Signalformen zur Erzeugung von Schockformationen in unterschiedlichen Abständen zur Wandler­ fläche.

In der Fig. 1 ist ein fokussierender Ultraschallwand­ ler 1 der eine Mehrzahl von Ultraschallschwingern 2 in konzentrischer Ringanordnung aufweist, über einen Wassersack 3 an der Körperoberfläche 4, z. B. am Rücken, in Höhe einer Niere 5 eines Patienten angeordnet. Die Niere 5 enthält schematisch angedeutet ein Konkrement 6 in Form eines Nierensteines. Der Ultraschallwandler 1 mit Ringstruktur der Schwingerelemente 2 ist mechanisch und elektronisch fokussiert, so wie es z. B. in der DE-OS 22 02 989 beschrieben ist. Er umfaßt demnach eine der Zahl der Ringe entsprechende Zahl von Verzögerungs­ gliedern 7 bis 11, die mittels einer elektronischen Stelleinrichtung 12 auf unterschiedliche Verzögerungs­ zeiten einstellbar sind. Durch Einstellung unterschied­ licher Verzögerungszeiten läßt sich der Abstand des Fokus des Ultraschallwandlers von dessen Abstrahlfläche variieren. Durch entsprechende Einstellung der Verzö­ gerungszeiten der Verzögerungsglieder kann also der Fo­ kus so lange verschoben werden, bis er am Ort des Kon­ krementes 6 innerhalb der Niere 5 liegt. In der Fig. 1 ist dieser Ort des Fokus mit I angedeutet. II zeigt einen weiteren Ort der Lage eines Fokus außerhalb der Niere. Zur Erzeugung von Schockwellen nach Einstellung des richtigen Fokus dient ein entsprechender Ultra­ schallsender 13. In Modifikation der Anordnung können die Verzögerungsglieder auch durch eine entsprechende Zahl von triggerbaren Pulssendern ersetzt werden, die zu unterschiedlichen Zeiten angesteuert werden.

In der Fig. 2 ist der fokussierende Ultraschallwandler ein Ultraschall-Array 14, das aus einer Vielzahl von einzelnen Schwingerelementen 15 besteht, die mosaik­ artig an einem Trägerteil 16 angebracht sind. Das Ultra­ schall-Array ist wieder elektronisch fokussiert, in der Weise, daß sich nicht nur der Abstand des Fokus von der Abstrahlfläche des Arrays, sondern zusätzlich auch noch zur Durchführung von Strahlschwenks der Winkel der Ver­ bindungsgeraden zum Fokus verändern läßt. Ultraschall- Arrays, die in derartiger Weise fokussiert sind, sind z. B. durch die DE-OS 26 45 738 vorbekannt. Im Ausfüh­ rungsbeispiel der Fig. 2 ist die Möglichkeit der Fo­ kussierung unter unterschiedlichem Winkel und Abstand durch Darstellung zweier Fokuspunkte III und IV ange­ deutet. Die Einrichtung zur Einstellung unterschiedli­ cher Verzögerungszeiten, die auch gleichzeitig noch die Ansteuerschalter für die einzelnen Schwingerelemente 15 des Arrays 14 umfaßt, trägt in der Fig. 2 die Kennzif­ fer 17. Dieser Einrichtung 17 ist auch noch eine Ein­ richtung 18 zur Veränderung der Apertur der Abstrahl­ fläche des Ultraschall-Arrays 14 zugeordnet. Mit 19 ist der Sendergenerator bezeichnet, dem wiederum eine Ein­ richtung 20 zur Einstellung unterschiedlicher Signal­ formen zugeordnet ist.

Dem Schockwellenerzeuger der Fig. 2 ist darüber hinaus auch noch eine übliche Einrichtung zur Aufzeichnung von Echtzeit-Bildern, z. B. B-Bild oder C-Bild, insbesondere Sektorbild mit der gesamten Wandlerapertur als aktive Fläche, zugeordnet. Diese Einrichtung umfaßt einen Echo­ empfänger 21, dessen Ausgangssignale einer Bildröhre 22 mit Zeilenkippgenerator 23 und Bildkippgenerator 24 zur Aufzeichnung in Form eines Echtzeit-Bildes zugeleitet werden. Bei Umschaltung eines Schalters 25 in die ge­ strichelte Schaltstellung wird in den Weg zwischen Echo­ signalempfänger 21 und Bildröhre 22 ein Zeittor 26 ein­ geschaltet. Mit Hilfe dieses Zeittores 26 lassen sich dann z. B. C-Bilder darstellen. Mittels Schalter 27 läßt sich am Ausgang des Echoverstärkers 21 auch noch eine Auswerteeinrichtung 28 anschalten, die anfallende Echo­ signale in dem Sinne auswertet, daß sie den Erfolg einer Zerstörungsaktion durch Analyse des anfallenden Echo­ spektrums ermittelt. Das Ergebnis wird an einem Anzeige­ gerät 29 angezeigt. Mittels des Echtzeit-Bildes kann die Lage des Konkrementes in Relation zum Ultraschallwandler sicher ermittelt werden. Damit ergibt sich der richtige Einstrahlwinkel für die Schockwelle. Zum Orten können zusätzlich aber auch noch eine Röntgeneinrichtung oder ein Ultraschallortungssystem eingesetzt werden, wobei im letzteren Falle der Ultraschallwandler selbst Teil dieses Ortungssystems sein kann. Am Bildschirm der Bild­ röhre 22 kann aber auch der Erfolg einer Schockausübung anhand eines sich z. B. bei Zertrümmerung des Konkremen­ tes ergebenden Splitterechobildes überprüft werden. Die­ se Überprüfung kann zusätzlich zu jener der Einrichtung 28 erfolgen. Mit der Einrichtung 18 kann die Apertur der Abstrahlfläche des Ultraschallwandlers 14 geändert wer­ den. Hierdurch kann, wie eingangs schon angedeutet, der Laufweg der Schockwelle durch das Körpergewebe des Pa­ tienten auf Körperbezirke eingegrenzt werden, die von der Schockwelle nicht gefährdet sind. Es versteht sich von selbst, daß alle anhand der Fig. 2 beschriebenen Zusatz­ einrichtungen für Aufbau eines Echtzeit-Bildes, Durch­ führung einer Spektralanalyse bzw. auch zur Änderung der Apertur auf jeden beliebigen anderen erfindungs­ gemäß eingesetzten Ultraschallwandler, insbesondere solche, wie sie in den Fig. 1 und 3 bis 6 dargestellt sind, anwendbar sind.

Das Ultraschall-Array der Fig. 2 kann zur Erreichung hoher Pulsspitzenleistungen bei gleichzeitig niedriger Anregungsspannung der Wandler aus mehreren hinterein­ andergeschichteten Einzelwandlern bestehen, die zeit­ lich nacheinander so ansteuerbar sind, daß in Abstrahl­ richtung eine Energieaufaddierung der Teilenergien der einzelnen Wandler erfolgt. Eine derartige Ausführungs­ form mit hintereinandergeschichteten Einzelwandlern ist in der Fig. 3 dargestellt. Mit 30 ist das geschichtete Ultraschall-Array bezeichnet; die Wandlerschichten selbst tragen die Kennziffern 31 bis 34. Zur zeitkorrekten ver­ zögerten Ansteuerung der einzelnen Schichten dient ein Sendegenerator 35 mit Verzögerungsgliedern 36, 37 und 38, die Verzögerungszeiten τ 1, τ 2 und τ 3 haben. Die Abstrahlrichtung des Arrays ist mit z angegeben.

Die Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform für An­ wendungen in einem Wasserbad 39, z. B. medizinisches Bad. Der Ultraschallwandler 40 hat die Form eines Gürtels oder Reifens. Dieser Gürtel oder Reifen liegt im Wasser­ bad mit der nach innen gerichteten Abstrahlfläche der mosaikartig angeordneten Schwingerelemente um den Kör­ per des Patienten. Die Lage wird so justiert, daß sich der Fokus 41 des Wandlers 40 am Ort des zu zerstörenden Konkrementes im Körper des Patienten befindet.

Die Fig. 5 zeigt einen Ultraschallwandler 42, der durch mechanische Formgebung rein mechanisch fokussiert ist.

Die Fig. 6 zeigt einen Ultraschallwandler 43, der an sich plan ist und dem eine Linse 44 zur Fokussierung vorgeschaltet ist.

Die Fig. 7 zeigt unterschiedliche Anregungsformen für einen fokussierenden Ultraschallwandler gemäß der Er­ findung. Die Anregungsform S 1 hat die normalerweise üb­ liche Sinusform. Zur Variation des Abstandes der Schock­ formation von der Wandlerfläche sollte jedoch mit einer von der Sinusform S 1 abweichenden zeitlichen Signalform gesendet werden. Derartige mögliche Signalformen sind in der Fig. 7 durch Signale S 2 und S 3 angedeutet.

In sämtlichen Ausführungsbeispielen haben die fokussie­ renden Ultraschallwandler eine Abstrahlfläche, die im Bereich wenigstens des Fünffachen der Fläche eines her­ kömmlichen Ultraschallwandlers für Ultraschalltherapie liegt. Die Fläche üblicher Ultraschallwandler für Ultra­ schalltherapie beträgt etwa 20 cm². Ein fokussierender Ultraschallwandler gemäß der Erfindung sollte also eine Abstrahlfläche aufweisen, die wenigstens 100 cm² beträgt. Die Pulsspitzenleistung eines solchen fokussierenden Ul­ traschallwandlers liegt zweckmäßigerweise wenigstens im Bereich von 100 kW. Verteilt über die vorstehend genann­ te Abstrahlfläche ergibt sich eine Schalleistungsdichte von 1 kW/cm². Bei einer derartigen Dimensionierung werden Konkremente zertrümmert, während auf dem Transmissions­ weg keine Gefährdung sonstigen Gewebes gegeben ist. Die erfindungsgemäße Einrichtung läßt sich möglicherweise auch bei der Krebsbekämpfung einsetzen.

Claims (15)

1. Einrichtung zum Zerstören von Konkrementen in Körper­ höhlen unter Zuhilfenahme eines Ultraschallwandlers als Schwingungserzeuger, der als Direktbeschaller für das Konkrement dient und auf das Konkrement fokussierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler (1; 14; 30; 40; 42; 43) im Pulsbetrieb zur Erzeugung von Stoßwellen arbeitet und wenigstens eine Pulsspitzenleistung von 100 kW über seine Fläche verteilt abgibt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zum Erreichen der hohen Pulsspitzenleistung bei gleichzeitig niedriger Anregungs­ spannung der Wandler (30) aus mehreren in Abstrahlrichtung hintereinander ge­ schichteten Einzelwandlern (31 bis 34) besteht, die zeit­ lich nacheinander derart ansteuerbar sind, daß in Ab­ strahlrichtung eine Energieaufaddierung der Teilenergien der einzelnen Wandler (31 bis 34) erfolgt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der fokussierende Ultra­ schallwandler (1; 14; 30; 40; 42; 43) mit einer von der Sinusform (S 1) abweichen­ den zeitlichen Signalform (S 2, S 3) beaufschlagt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fläche des fokussieren­ den Ultraschallwandlers (1, 14, 30, 40, 42, 43) größer ist als 20 cm².

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der fokussierende Ultra­ schallwandler (1, 14, 30, 40, 42, 43) eine Fläche auf­ weist, die im Bereich von wenigstens 100 cm² liegt.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der fokussierende Ultra­ schallwandler (1; 14; 30; 40; 42; 43) wahlweise einen einzigen großflächigen Schwinger oder eine Mehrzahl von einzelnen Schwingern (2; 15) aufweist, die in vorgegebener Anordnung die Wandler­ fläche bilden.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei Anwendung eines Ultraschallwandlers (1; 14; 30; 40; 42; 43) mit einer Mehrzahl von Schwingern die einzelnen Schwingerelemente (15) in Matrixform an­ geordnet sind oder ringförmige Schwinger (2) konzen­ trisch zueinander angeordnet sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierung mechanisch oder elektrisch erfolgt.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die mechanische Fokus­ sierung durch mechanische Formgebung des Ultraschallwandlers (1; 14; 30; 40; 42; 43) und/oder Vorschal­ tung eines Linsensystems vor dem Schwinger erfolgt.

10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei Anwendung eines elek­ tronisch fokussierenden Ultraschallwandlers (1; 14; 30; 40; 42; 43) eine Ein­ richtung (7 bis 12; 17) zur elektronischen Verschiebung des Fokuspunktes vorhanden ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ultraschallwandler (1; 14; 30; 40; 42; 43) ein Flüssigkeitssack (3) vor­ schaltbar ist, der mit einer den Ultraschall gut leitenden und diesen gut an Körpergewebe anpassenden Flüssigkeit gefüllt ist.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler (1; 14; 30; 40; 42; 43) in einem Wasserbad am Patientenkörper ankoppelbar ist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ultraschallwandler (1; 14; 30; 40; 42; 43) ein Echoempfänger (21) mit einer Aus­ werteeinrichtung (22, 28, 29) angeschlossen ist, wobei der Echoempfänger (21) Echosignale, die von Zerstörungsimpulsen herrühren, empfängt und der Auswerteeinrichtung zuführt, welche den Erfolg einer Zer­ störungsaktion ermittelt und in Form eines Splitterecho­ bildes oder einer Spektraldarstellung anzeigt.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ultraschallwandler (1; 14; 30; 40; 42; 43) eine Einrichtung (18) zur Änderung der Apertur der Abstrahlungsfläche und eine Bildröhre (22) zur Überprüfung des Durchschallungsweges vom Ultra­ schallwandler zum Konkrement zugeordnet ist.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler (1; 14; 30; 40; 42; 43) Teil eines Ultraschall-Ortungssystems zum Orten des Konkrements ist.