DE3150513C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur lokalen Hyper­ thermiebehandlung mit einem piezoelektrischen Ultraschall- Wandlersystem.

Es ist bekannt, daß cancerogenes Gewebe durch Erhitzen auf Temperaturen zwischen 40 und 45°C geschädigt wird. Insbeson­ dere können dabei Tumoren in Kombination mit Röntgenstrahlung oder Cytostatika mit kleinerer Dosis im Wachstum begrenzt bzw. zurückgebildet werden. Durch lokale Überhitzung läßt sich ein Tumor unter Schonung des gesamten Umfeldes besser, d. h. für den Patienten weniger belastend, therapieren.

Neben Ganzkörper-Hyperthermie durch Warmwasser- oder Wachs­ bäder sowie Heißluft und Kurzwelleneinstrahlung sind Behand­ lungsmethoden mittels Perfusion, d. h. Aufheizung der Blutver­ sorgung eines Körperteils in einem Bypass, und lokale Hyper­ thermie mit Kurzwellen oder Mikrowellen bekannt. Der Nachteil der letzteren Methoden besteht insbesondere darin, daß die Intensität und damit die Aufheizrate durch Schwächung im vor­ gelagerten Gewebe im Bereich tieferliegender Tumore geringer als an der Einstrahlstelle ist. Zur Vermeidung des Tempera­ turgefälles muß die Einstrahlungsstelle, d. h. die Körperober­ fläche, gekühlt werden.

Durch fokussierte Einstrahlung von Ultraschallwellen von 0,5 bis 5 MHz lassen sich dagegen wegen der Kurzwelligkeit in tieferliegenden Gewebepartien hohe Intensitäten erreichen. (Vgl. IRE Transactions on Medical Electronics, 1960, S. 166- 181.) Es zeigt sich jedoch, daß bei Langzeittherapien von 20 bis 40 min pro Behandlung der Intensitätsgewinn durch Ultra­ schall-Fokussierung durch eine höhere Wärmeableitung im Fokus­ bereich zum Teil oder ganz kompensiert wird. Der zunächst relativ schnelle Temperaturanstieg im Fokusbereich verlang­ samt sich also relativ zum Temperaturanstieg in der Vorlauf­ strecke, bis diese schließlich trotz Fokussierung wärmer wird als der Fokusbereich.

Die US-PS 27 89 557 beschreibt eine Vorrichtung mit den ein­ gangs genannten Merkmalen, bei der ein einziger Wandler vorge­ sehen ist, der längs der Achse des Systems strahlt. Eine Fokussierung der Strahlen ist mit dieser bekannten Vorrichtung nicht möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Ultraschall-Hyperthermie zu entwickeln, mit der der Temperaturanstieg im Therapiebereich höher ist und während der langen Behandlung höher bleibt als in den vorge­ lagerten bzw. umliegenden Bereichen.

Es hat sich gezeigt, daß sich diese Aufgabe mit einer Vor­ richtung der eingangs genannten Art lösen läßt, bei der das Ultraschall-Wandlersystem aus mindestens drei Einzelwandlern besteht, die in einer mit Flüssigkeit gefüllten Kammer auf einem Kreis in gleichem Abstand voneinander angeordnet sind, wobei die Strahlungsachsen der Einzelwandler gegen die gemeinsame Achse des Ultraschall-Wandlersystems gleiche Winkel bilden und die Winkelstellung der Einzelwandler variierbar ist.

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vor­ richtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 beschrieben.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung werden die Nachteile bekannter Anordnungen vermieden, indem der Effektivdurchmesser des Ultraschalls tiefenunabhängig gewählt wird und im Zielge­ biet mehrere unfokussierte Strahlen unter verschiedenen Ein­ fallswinkeln nach der sogenannten Cross-fire-Technik zusammen­ treffen. Bei genügend kleinem Strahlenquerschnitt kann die ab­ sorbierte Wärmeenergie in der nicht interferierenden Vorlauf­ strecke nahezu ungehindert nach allen Seiten abfließen. Die additive Überlagerung der Einzelstrahlen im Überlagerungsbe­ reich - dessen Ausdehnung größer als beim Einzelstrahl ist - führt zur Kompensation bzw. Überkompensation der Absorptions­ verluste in der Vorlaufstrecke, so daß im eigentlichen Ziel­ gebiet auch langfristig eine höhere Temperatur erreicht werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt in schematischer Vereinfachung

Fig. 1 im Längsschnitt die erfindungsgemäße Vorrichtung;

Fig. 2 im Längsschnitt den Aufbau eines Einzelwandlers;

Fig. 3 in Aufsicht von der Abstrahlungsfläche aus die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung und

Fig. 4 ein Blockschaltbild des Regelsystems, mit dem die Tempe­ ratur im Therapiebereich konstant gehalten wird.

In Fig. 1 ist im Längsschnitt der gesamte Ultraschall-Appli­ kator gezeigt. Das Ultraschall-Wandlersystem wird in einer zylindrischen Kammer 1 untergebracht, die mit einer geeigneten Flüssigkeit wie Wasser oder Öl gefüllt ist. Die Flüssigkeit sollte zur Vermeidung von Kavitation entgast sein. Das Ultra­ schall-Wandlersystem besteht aus mehreren piezoelektrischen Einzelwandlern 2, die im Kreis und gleichem Abstand vonein­ ander in der Kammer 1 angeordnet sind. Nach der dargestellten Ausführungsform werden sechs Einzelwandler 2 vorgesehen, die jeweils einen effektiven Durchmesser von ca. 15 mm und eine Frequenz von 1 bis 2 MHz besitzen können. Die Strahlungsachsen der einzelnen Wandler 2 bilden gegen die gemeinsame Achse 3 des Ultraschall-Wandlersystems bzw. der Vorrichtung jeweils den gleichen Winkel. Die Winkelstellung der Wandler kann je­ doch variiert werden, um eine gezielte Therapie sowohl bei oberflächennahen als auch bei tieferliegenden Tumoren zu er­ möglichen. Damit die Winkelstellung der Einzelwandler 2 geän­ dert werden kann, werden sie nach einer bevorzugten Ausführungs­ form an der Peripherie bei 4 gelenkig gelagert. Auf der anderen Seite liegen sie auf einer Stellscheibe 5, deren Lage in axia­ ler Richtung geändert werden kann. Durch Federelemente 6 ist eine Rückstellung der Einzelwandler 2 in die Ausgangslage möglich.

Die Stellscheibe 5 ist mittels einer rohrförmigen Verbindungs­ stange 7, die eine Gewindeführung 8 und ein Rändelrad 9 auf­ weist, verbunden. Durch Einstellung des Rändelrades 9 kann die Stellscheibe 5 höher oder tiefer gestellt und somit die Winkel­ stellung der Einzelwandler 2 beliebig geändert werden. Die Einzelwandler 2 bestehen im allgemeinen aus einer dünnen Piezo­ scheibe 10, die mit einer Kapsel 11 derart verbunden und abge­ dichtet ist, daß zwischen der Scheibe 10 und der Kapsel 11 ein kleiner Luftraum 12 verbleibt. Diese Anordnung wird in Fig. 2 verdeutlicht.

Aus Fig. 3 geht hervor, wie die Einzelwandler 2 in der Kam­ mer 1 gelenkig bei 4 gelagert werden können.

Vorzugsweise werden die seitlichen Wände der Kammer 1 gekühlt. Dies kann z. B. erfolgen, wenn die Kammer 1 doppelwandig aus­ geführt wird, so daß eine Kühlflüssigkeit in den Zwischenraum 13 ein- bzw. abgeleitet werden kann.

Die Kammer 1 kann rotierbar sein. Zu diesem Zweck wird ein Motor 14 mit Zahnrad 15 in einer getrennten, nicht mit Flüs­ sigkeit gefüllten Vorkammer angebracht. In dieser Vorkammer befinden sich ferner die elektrische Versorgung 16 bzw. bei Rotation des Wandlersystems die elektrischen Schleifkontakte.

Zur Temperaturkontrolle im therapeutischen Zielgebiet sollte ein Thermoelement, d. h. eine dünne Muskelsonde in das Gewebe eingeführt werden. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß durch die hohle Verbindungsstange 7 hindurch ein weiteres Rohr 17 zentral bis zur Abstrahlungsfläche der Kammer 1 durch­ geführt wird. Dieses Rohr sollte sterilisierbar sein, z. B. durch Einspritzen von Sterilisationsflüssigkeiten oder -gasen. Eine solche Anordnung ermöglicht die zentrale Einführung der Muskelsonde bis zum Tumor 18.

Die Abstrahlungsfläche der Kammer 1 wird erfindungsgemäß mit einer schalldurchlässigen Folie 19 abgeschlossen, die ca. 50 bis 100 µm dick ist und z. B. aus Polyvinylchlorid besteht. Die Folie ist im Zentralbereich, dort wo das Einfuhrrohr 17 für die Muskelsonde endet, mit der Öffnung des Rohres 17 was­ serdicht verbunden. Die mit Flüssigkeit gefüllte und durch die Folie 19 abgeschlossene Kammer 1 weist eine gewisse Flexi­ bilität auf, um sich an etwaige Unebenheiten der Körperfläche anzupassen. Die gesamte Vorrichtung ist dadurch auch so ge­ kapselt, daß sie durch Gase oder Flüssigkeiten insgesamt ste­ rilisiert werden kann.

Das mit der durch das zentrale Rohr 17 in den Tumor einführ­ baren Muskelsonde verbundene Regelsystem dient erfindungs­ gemäß im wesentlichen dazu, die Temperatur im Zielgebiet ungeachtet der durch Konduktion und Konvektion im Körper entstehenden Wärme­ ableitung konstant zu halten. Das Blockschaltbild des Regel­ systems wird in Fig. 4 dargestellt. Die geringe Thermospan­ nung des Thermoelements 20 wird mit einem chopperstabilisier­ ten Meßverstärker 21 so weit verstärkt, daß 100 mV = 1°C entsprechen. Diese Spannung wird von einer digitalen Anzeige 22 als Temperatur in °C angezeigt und kann an einer Ausgangs­ buchse 23 zum Anschluß eines Schreibers entnommen werden.

Über 10-Gang Potentiometer 24 kann eine Solltemperatur vorge­ geben werden. Ist- und Solltemperatur werden in einer Diffe­ renzverstärkerstufe 25 verglichen und verstärkt. Das Diffe­ renzsignal gelangt über eine PDI-Reglerstufe 26 und eine Be­ grenzerstufe 27 zu einem steuerbaren Netzteil 28. Dieses Netz­ teil 28 ist aus Verlustleistungsgründen als Schaltnetzteil ausgeführt und steuert einen z. B. 1,7 MHz-Leistungs-Oszilla­ tor 29 an, der mit den Einzelwandlern verbunden ist.

Die Begrenzerstufe 27 dient zur Einstellung der maximalen An­ steuerspannung 30 für den Leistungs-Oszillator 29. Der PDI- Regler 26 hat die Aufgabe, die Temperatur an der Meßstelle auf der Solltemperatur zu halten. Dabei darf die Temperatur nicht mehr als ¹/₁₀ bis ²/₁₀°C überschwingen. Da die Span­ nung des Leistungs-Oszillators 29 an einem Schreiberausgang 31 herausgeführt ist, kann die Leistungsaufnahme des Tumors innerhalb der gesamten Therapiezeit mit einem Schreiber re­ gistriert und damit überwacht werden. Digital angezeigt werden die Soll-Temperatur, die Ist-Temperatur, die Ist-Span­ nung und die Maximalspannung am Oszillator. Für kleinere Leistungen reicht eine interne Spannung von 30 V aus, die durch Stromversorgung bei 32 bereitgestellt wird. Werden größere Leistungen gebraucht, so kann eine externe Spannungs­ quelle von bis zu 60 V angeschlossen werden.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur lokalen Hyperthermiebehandlung mit einem piezoelektrischen Ultraschall-Wandlersystem, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Ultraschall-Wandlersystem aus min­ destens drei Einzelwandlern (2) besteht, die in einer mit Flüssigkeit gefüllten Kammer (1) auf einem Kreis in glei­ chem Abstand voneinander angeordnet sind, wobei die Strah­ lungsachsen der Einzelwandler (2) gegen die gemeinsame Achse (3) des Ultraschall-Wandlersystems gleiche Winkel bilden und daß die Winkelstellung der Einzelwandler (2) variierbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sechs Einzelwandler (2) mit einem Durchmesser von 15 mm und einer Eigenfrequenz von 1 bis 2 MHz vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelwandler (2) an der Peripherie einerseits an der seitlichen Berandung der Kammer (1) gelenkig gelagert (4) und andererseits durch Federn (6) posi­ tioniert sind und mit einer Stellscheibe (5) in Verbindung stehen, deren Lage längs der Achse (3) des Wandlersystems veränderbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der axialen Lage der Stellscheibe (5) mittels eines Rändelrades (9) und einer gewindegeführten Verbindungsstange (7) erfolgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstange (7) hohl ist und daß zur Führung eines Thermoelements (20) ein sterilisierbares Rohr (17) durch die Verbindungsstange (7) hindurchgeführt und mit der Abstrahlungsfläche der Kammer (1) verbunden ist, wobei die Abstrahlungsfläche in diesem Bereich das Ende des Rohres (17) offen läßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Thermoelement (20) mit einem Regelsystem (21-32) verbunden ist, mit dem die im Therapiebereich erzielte Temperatur ungeachtet der Wärmeleitungswerte im Körper konstant gehalten wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (1) an der Abstrahlungsfläche mit einer schalldurchlässigen Folie (19) abgeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an die seitlichen Wände der Kammer (1) ein Kühlfluid (13) zuführbar ist.