DE3545379A1 - Verfahren zur kontrolle der eigenschaften des fokus eines ultraschallfeldes und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kon­ trolle der Eigenschaften des Fokus eines fokussier­ ten Ultraschallfeldes und auf Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.

Fokussierte Ultraschallfelder werden beispielsweise in der Medizin eingesetzt, um im Körper befindliche Kon­ kremente, wie z.B. Nierensteine, zu zerstören. Der Vor­ teil eines derartigen Verfahrens besteht darin, daß operative Eingriffe oder das Einführen von Sonden in den Körper des Patienten und die damit verbundene Ge­ fährdung durch Infektionen vermieden werden.

Aus der EP-A 2 01 33 665 ist eine Einrichtung zum be­ rührungslosen Zertrümmern eines Konkrements bekannt, bei dem die in einem Stoßwellenrohr erzeugte, annähernd ebene Ultraschallwelle mittels einer akustischen Linse oder eines akustischen Linsensystems auf das Zielgebiet fokussiert wird. Zwischen der Linse bzw. dem Linsen­ system und einer als Ultraschall-Sender dienenden Kupfer-Membran befindet sich ein flüssiges Koppel­ medium. Durch eine Halterung kann das Stoßwellenrohr auf das Konkrement so ausgerichtet werden, daß der bildseitige Brennpunkt der Linse im Konkrement liegt. Die Linse kann außerdem zur genauen Justierung der Lage des Brennpunktes mit Hilfe einer Feinregulierung längs der Achse des Stoßwellenrohres verschoben werden.

Ein Nachteil der genannten Einrichtung besteht nun darin, daß Veränderungen der Eigenschaften des Fokus, wie beispielsweise eine Veränderung seiner Lage oder eine Änderung seiner lateralen und axialen Ausdehnung, während der Anwendung der Einrichtung nicht erfaßt werden können. Zur Bestimmung der Eigenschaften des Fokus muß nämlich das Gerät vom Patienten entfernt und in einer geeigneten Vorrichtung überprüft werden. Solche Veränderungen der Eigenschaften des Fokus können beispielsweise durch eine Änderung des vom Ultraschall- Sender abgestrahlten Wellenfeldes oder durch eine mecha­ nische Dejustierung des Abbildungssystems entstehen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren anzugeben, das die Kontrolle der Eigenschaften des Fokus eines in einem Objekt fokussierten Ultra­ schallfeldes auch während der Beschallung des Objektes ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Anspruchs 1. Ein Teil des fokussierten Ultra­ schallfeldes wird an einem Spiegel reflektiert und im Spiegelfokus gebündelt. Zwischen der räumlichen Schall­ druckverteilung des reflektierten Ultraschallfeldes und der räumlichen Schalldruckverteilung des transmittier­ ten Ultraschallfeldes besteht bei einer gegebenen Lage des Spiegels eine eindeutige mathematische Beziehung. Somit können aus der mittels eines Ultraschall-Empfän­ gers ermittelten Schalldruckverteilung des reflektier­ ten Schallfeldes die Eigenschaften des bildseitigen Schallfeldes während der Beschallung des Objekts er­ mittelt werden. Für einfache Kontrollzwecke ist es ausreichend, wenn die Eigenschaften des reflektierten Ultraschallfeldes an einem festen Meßort gemessen und mit entsprechenden, bei einer Kalibrierung ermittelten Sollwerten verglichen werden. Als Meß- und Sollwerte eignen sich beispielsweise die Schallintensität oder bei gepulsten Ultraschallfeldern die Pulshöhe und die Pulsbreite des reflektierten Ultraschallfeldes. Eine Änderung der Eigenschaften des Fokus wird somit während der Beschallung des Objektes erkannt. Bei Anwendung des Verfahrens beispielsweise während des Betriebs eines Nierensteinzertrümmerers wird die Gefahr einer Schädi­ gung des das Konkrement umgebenden Gebietes, bei­ spielsweise des gesunden Gewebes verringert.

Das am Spiegel reflektierte Ultraschallfeld kann außer­ dem an weiteren spiegelnden Flächen, die auch gekrümmt sein können, zusätzlich reflektiert werden, um die Lage und die Eigenschaften des Spiegelfokus in einer für den Anwender günstigen Weise zu beeinflussen. Der Spiegel kann zu diesem Zweck selbst mit gekrümmten Flächen versehen sein.

Ist der Ort der Messung des reflektierten Ultraschall­ feldes innerhalb des von der gesendeten Ultraschall­ welle erfaßten Gebietes, so können sich am Meßort die beiden Wellenfelder überlagern und die Trennung der Meßwerte in die von den beiden Wellenfeldern her­ rührenden Anteile ist erschwert. Wird der Ultra­ schall-Sender im Puls- oder Burst-Betrieb verwendet, so kann das vom teildurchlässigen Spiegel reflektierte Wellenfeld vom gesendeten Wellenfeld getrennt werden, wenn die zeitliche Pulsbreite des gesendeten Ultra­ schallfeldes kleiner ist als die Laufzeit einer Ultra­ schallwelle vom Ort der Messung zum teildurchlässigen Spiegel und zurück und der Zeitpunkt des Beginns der Messung des reflektierten Ultraschallfeldes gegenüber dem Zeitpunkt des Sendens um ein geeignetes Zeitinter­ vall derart verzögert ist, daß das gesendete Ultra­ schallfeld den Meßort bereits durchlaufen hat. Dies ist bei Pulsbreiten, die üblicherweise kleiner sind als 10 µs, leicht möglich, da die Laufzeit einer Ultra­ schallwelle in Wasser auf einer Strecke von beispiels­ weise 10 cm etwa 67 µs beträgt.

In einer vorteilhaften Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist zur Fokussierung des Ultraschallfeldes eine akustische Linse vorgesehen. Zwischen der akustischen Linse und ihrem bildseitigen Brennpunkt ist ein ebener teildurchlässiger Spiegel angeordnet. Zwi­ schen der Linse und dem teildurchlässigen Spiegel be­ findet sich ein Ultraschall-Empfänger. Außerdem ist der teildurchlässige Spiegel oder der Ultraschall-Empfänger beweglich angeordnet. Für einfache Kontrollzwecke ge­ nügt es, wenn der teildurchlässige Spiegel und der Ultraschall-Empfänger räumlich fest angeordnet sind. lnsbesondere kann der Ultraschall-Empfänger auch im teildurchlässigen Spiegel angeordnet sein. Wird als Ultraschall-Empfänger eine lineare oder matrixförmige Anordnung mehrerer Ultraschall-Empfänger verwendet, so kann die Anzahl der zur Ausmessung des Ultraschall­ feldes erforderlichen Bewegungsfreiheitsgrade des Ultraschall-Empfängers in vorteilhafter Weise ver­ ringert werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren

Fig. 1, 2 und 3 das Prinzip des Verfahrens gemäß der Erfindung erläutert ist und in deren

Fig. 4 eine Vorrichtung zur Durchführung des Ver­ fahrens schematisch im Schnitt dargestellt ist.

Fig. 5 zeigt eine Anordnung, die zur Fokussierung des Ultraschallfeldes einen Hohlspiegel enthält und deren Ultraschall-Empfänger aus einer linearen oder matrixförmigen Anordnung mehrerer Ultra­ schallwandler besteht. In

Fig. 6 ist eine matrixförmige oder lineare Ultra­ schallwandler-Anordnung dargestellt, die in vorteilhafter Weise zur Messung des reflek­ tierten Ultraschallfeldes eingesetzt werden kann.

Gemäß Fig. 1 wird an einem teildurchlässigen Spiegel 12 ein fokussiertes, kugelförmgiges Ultraschallfeld 14 beispielsweise in ein transmittiertes Ultraschallfeld 16 und ein reflektiertes Ultraschallfeld 18 aufgespal­ ten. Bei hohen Schallintensitäten kann auch ein reflektierender, beispielsweise metallischer Spiegel, dessen Fläche klein gegenüber der Apertur des kugel­ förmigen Ultraschallfeldes 14 ist, zur Erzeugung eines reflektierten Schallfeldes verwendet werden. Der Radiusmittelpunkt des transmittierten kugelförmigen Ultraschallfeldes 16 ist der bildseitige Fokus F _t′ . Dieser Fokus fällt mit dem bildseitigen Brennpunkt einer zur Fokussierung des Ultraschallfeldes erfor­ derlichen, in Fig. 1 nicht dargestellten Abbildungs­ vorrichtung, die beispielsweise aus akustischen Linsen oder aus einem Hohlspiegel aufgebaut sein kann, nicht notwendigerweise zusammen. In Fig. 1 ist die durch die Brechung an den beiden Grenzflächen des teildurch­ lässigen Spiegels 12 auftretende Parallelverschiebung der transmittierten Ultraschallwelle 16 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Der Radiusmittel­ punkt des reflektierten Ultraschallfeldes 18 ist der Spiegel-Fokus F _r′ . Trifft beispielsweise durch mecha­ nische Dejustierung der Abbildungsvorrichtung verur­ sacht ein verändertes Ultraschallfeld 20 auf den teildurchlässigen Spiegel 12, deren verändertes trans­ mittiertes Ultraschallfeld 22 im bildseitigen Fokus F _t′′ gebündelt wird, so verändert sich auch die Lage des Spiegel-Fokus F _{r′′ der am teildurchlässigen Spiegel 12 reflektierten veränderten Ultraschallwelle 24. Die Lage und die Eigenschaften des Spiegel-Fokus F r′ bzw. F r′′ können vermessen werden und ermöglichen eine indirekte Bestimmung der Lage und der Eigenschaften des bildseitigen Fokus F t′ bzw. F t′′ . Der teildurchlässige Spiegel 12 kann zu diesem Zweck auch kleiner als die Apertur der einfallenden Ultraschallwelle 14 bzw. 20 sein. Zur Kontrolle der Lage des Fokus F t′ kann es ausreichend sein, wenn beispielsweise die Intensität der reflektierten Welle 18 an einem Ort gemessen wird und mit einem durch vorhergehende Kalibrierung ermittelten Sollwert ermittelt wird. Wird bei­ spielsweise ein Ultraschall-Empfänger in der Nähe des Spiegel-Fokus F r′ zur Messung angeordnet, so bewirkt eine Veränderung des einfallenden Ultraschallfeldes 14 bzw. 20 gemäß Fig. 1 eine Verschiebung des Spiegel- Fokus vom Punkt F r′ zum Punkt F r′′ und somit eine deutliche Verringerung des Empfangssignals. Die räumliche und zeitliche Verteilung des Schalldruckes des am teildurchlässigen Spiegel 12 reflektierten Ultraschallfeldes 18 bzw. 24 entspricht wenigstens annähernd der räumlichen Verteilung des Schalldruckes des transmittierten Ultraschallfeldes 16 bzw. 22. Die Lage und Eigenschaften des bildseitigen Fokus F t′ bzw. F t′′ können dadurch gemessen werden, daß der Ultraschall-Empfänger oder der teildurchlässige Spiegel 12 beweglich angeordnet ist. Bei Kenntnis der Meß­ position im reflektierten Ultraschallfeld 18 bzw. 24 relativ zum teildurchlässigen Spiegel 12, läßt sich somit das transmittierte Ultraschallfeld 16 bzw. 22 rekonstruieren. Gemäß Fig. 2 und 3 kann im Strahlengang des reflek­ tierten Ultraschallfeldes 18 noch eine weitere wenigstens teilweise reflektierende Fläche 124, bei­ spielsweise ein Hohlspiegel, angeordnet sein, mit der die Lage und die Eigenschaften des Spiegel-Fokus in gewünschter Weise verändert werden können. Zusätzlich wird durch Mehrfachreflektion die Schallintensität im reflektierten Ultraschallfeld 18 weiter verringert. Dies ist bei sehr hoher Schallintensität des Ultra­ schallfelds 14 von Vorteil. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 kann die reflektierende Fläche 124 auch Teil eines die Fokussierung bewirkenden Abbildungssystems sein. Zusätzlich kann auch der teildurchlässige Spiegel 12 mit gekrümmten Oberflächen versehen sein. In Fig. 4 ist eine Einrichtung 1 zum berührungslosen Zerstören eines Konkrementes 62 im Schnitt dargestellt, bei der die Lage des Fokus mit Hilfe des Verfahrens gemäß der Erfindung überwacht wird. Ein Ultraschall- Sender 2 erzeugt Ultraschallwellen, die mittels einer akustischen Linse 4 in einem Objekt 6 auf ein dort befindliches Konkrement 62 fokussiert werden. Zwischen dem Ultraschall-Sender 2 und der akustischen Linse 4 befindet sich ein wasserähnliches Trägermedium 30, das zur akustischen Ankopplung des Ultraschall-Senders 2 an das Objekt 6 dient. Zwischen der akustischen Linse 4 und ihrem bildseitigen Brennpunkt F t ist ein ebener teildurchlässiger Spiegel 12 senkrecht zur Linsenachse 8 angeordnet, so daß ein mit dem Trägermedium 30 gefüllter Zwischenraum 100 entsteht, in dem sich ein Ultraschall-Empfänger 10 befindet. Der Ultraschall- Empfänger 10 ist mit einer elektronischen Auswerte­ einheit 102 verbunden, in der die Meßdaten ver­ arbeitet und mit den dort gespeicherten Sollwerten verglichen werden. Die akustische Linse 4 ist eine bikonkave Linse, die ebenso wie der teildurchlässige Spiegel 12 aus einem Kunststoff, vorzugsweise Poly­ methacrylsäuremethylester PMMA oder Polystyrol PS besteht. In einer anderen Ausführungsform kann auch eine plankonkave Linse verwendet werden, deren ebene Seite direkt am Ultraschall-Sender 2 anliegt. Ebenso kann ein aus mehreren akustischen Linsen bestehendes Linsensystem Verwendung finden. Der Ultraschall- Empfänger 10 ist vorzugsweise in der Nähe des Brenn­ punktes F r des aus teildurchlässigem Spiegel 12 und aus der ihm zugewandten konkaven Oberfläche 42 der akustischen Linse 4 bestehenden Spiegelsystems ange­ ordnet. Der teildurchlässige Spiegel 12 oder der Ultra­ schallempfänger 10 können in der Einrichtung 1 auch beweglich angebracht sein. Bei idealer geometrischer Lage des Ultraschall-Senders 2 und der abbildenden Komponenten, sowie bei idealen Eigenschaften des vom Ultraschall-Sender 2 emittierten Ultraschallfeldes, stimmt die Lage der Foki der transmittierten und des reflektierten Ultraschallfeldes 16 bzw. 18 mit der Lage der jeweils zugeordneten Brennpunkte F t bzw. F r überein. Zu reinen Kontrollzwecken genügt es, wenn der Ultraschall-Empfänger 10 und der teildurchlässige Spie­ gel 12 in der Einrichtung 1 unbeweglich positioniert sind. Bei einer beispielsweise in einem Wasserbecken durchgeführten Kalibrierung der Einrichtung 1 wird die Lage des bildseitigen Fokus F t′ bestimmt und die zu­ gehörigen Meßwerte der reflektierten Ultraschallwelle 18 mit dem Ultraschallempfänger 10 ermittelt und als Sollwerte gespeichert. Werden diese Sollwerte während des Betriebs am Objekt 6 innerhalb vorgegebener Grenzen eingehalten, so ist gewährleistet, daß sich die Lage des bildseitigen Fokus innerhalb vorgegebener Grenzen am vermuteten Zielort befindet. Der Ultraschall-Empfänger 10 oder der teildurchlässige Spiegel 12 können in einer bevorzugten Ausführungsform auch beweglich angeordnet sein, um während des Betriebs am Objekt 6 eine Bestimmung der Lage und der Eigen­ schaften des bildseitigen Fokus F t′ zu ermöglichen. Für diesen Zweck ist eine mechanische Einheit 104 vorgesehen, mit der beispielsweise die Lage des Ultraschall-Empfängers 10 verändert werden kann. Die mechanische Einheit 104 ist in vorteilhafter Weise über eine elektronische Steuereinheit 106 zur Übermittlung der Positionsinformation mit der elektronischen Aus­ werteeinheit 102 verbunden. Dann kann das reflektierte Ultraschallfeld abgetastet und die räumliche Schall­ druckverteilung ermittelt werden. Aus der Position des Ultraschall-Empfängers 10 bei Messung der maximalen Druckamplitude kann auf die Lage des Fokus zurückge­ schlossen werden. In einer derartigen Anordnung kann somit die Lage des Fokus nicht nur kontrolliert, son­ dern auch ermittelt werden. In einer weiteren Ausführungsform kann der Ultra­ schall-Empfänger 10 auch an der dem Ultraschall-Sender 2 zugewandten Oberfläche des teildurchlässigen Spiegels 12 angeordnet sein. Der teildurchlässige Spiegel 12 wird dann vorzugsweise in der Brennebene der reflektier­ ten Ultraschallwelle 18 angeordnet. Der Ultraschall- Empfänger 10 besteht vorzugsweise aus einem mit Elek­ troden versehenen piezoelektrischen Polymer um eine möglichst geringe Störung des vom Ultraschall-Sender 2 emittierten Schallfeldes zu verursachen. Die Schallamplitude der reflektierten Welle 18 im Spie­ gel-Brennpunkt F r ist wesentlich geringer als die Schallamplitude im bildseitigen Brennpunkt F t . Die ist bei hohen Schallintensitäten zur Vermeidung von Schäden am Ultraschall-Empfänger 10 von Vorteil. Die reflek­ tierte Welle 18 wird an der Grenzfläche zwischen dem teildurchlässigen Spiegel 12 und dem Koppelmedium 30 und der Grenzfläche zwischen der akustischen Linse 4 und dem Koppelmedium 30 reflektiert. Für eine zwei­ malige Reflektion an einer durch Wasser und Poly­ styrol PS gebildeten Grenzfläche ergibt sich eine Reduktion der Schallamplitude im Spiegel-Brennpunkt F r auf etwa 5% des entsprechenden Wertes im bildseitigen Brennpunkt F t . Zur weiteren Reduktion der Schall­ amplitude kann außerdem die Fläche des teildurch­ lässigen Spiegels 12 reduziert werden, so daß nur ein Teil der von der Linse 4 fokussierten Ultraschallwelle 16 auf den teildurchlässigen Spiegel 12 trifft. In der Vorrichtung nach Fig. 5 wird die vom Ultra­ schall-Sender 2 erzeugte nahezu ebene Ultraschallwelle mittels eines Parabolspiegels 44, dessen Oberfläche beispielsweise metallisch sein kann, im Fokus F t fokussiert. Der zwischen dem Parabolspiegel 44 und dem Fokus F t angeordnete teildurchlässige Spiegel 12 reflektiert einen Teil 18 der fokussierten Ultra­ schallwelle 14 zum Parabolspiegel 44 zurück von dem dieser Teil 18 im Spiegel-Brennpunkt F r vereinigt wird. In der Nähe des Spiegel-Brennpunktes F r ist ein Ultraschall-Empfänger 10 angeordnet. Entsprechend Fig. 6 kann in den Vorrichtungen nach Fig. 4 und 5 auch beispielsweise ein Ultraschall- Empfänger in Gestalt eines im Schnitt dargestellten linearen oder matrixförmigen Ultraschall-Empfangs- Arrays 110 verwendet werden, dessen einzelne Empfangselemente 112 unabhängig voneinander ausge­ lesen werden können. Das Ultraschall-Empfangs-Array 110 kann in vorteilhafter Weise mit seiner Empfangsfläche 114 in der Spiegel-Brennebene 180 des reflektierten Ultraschallfeldes 18 angeordnet sein. In einer der­ artigen Anordnung können beispielsweise die lateralen Abmessungen des bildseitigen Fokus F t′ ermittelt wer­ den, ohne daß eine Verschiebung des Ultraschall- Empfangs-Arrays 110 in der Spiegel-Brennebene 180 er­ forderlich ist.}

Claims (6)

1. Verfahren zur Kontrolle der Eigenschaften des bild­ seitigen Fokus (F _t′ ) eines fokussierten Ultraschall­ feldes (16), gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - vor dem bildseitigen Fokus (F _t′ ) wird aus dem fokussierten Ultraschallfeld (16) ein reflektiertes Ultraschallfeld (18) erzeugt,
• - das reflektierte Ultraschallfeld (18) wird an wenig­ stens einem vorgegebenen Meßort gemessen,
• - die Meßwerte werden mit vorgegebenen Sollwerten ver­ glichen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeich­ net durch folgende Merkmale:

• - der Ultraschall-Sender (2) arbeitet im Puls- oder Burst-Betrieb,
• - die Messung des reflektierten Ultraschallfeldes an einem Meßort, der sich in einem vom gesendeten Ultra­ schallfeld (14) erfaßten Gebiet befindet, beginnt erst, wenn das gesendete Ultraschallfeld (14) diesen Meßort durchlaufen hat.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - die Vorrichtung enthält eine akustische Linse (4),
• - zwischen der akustischen Linse (4) und ihrem bild­ seitigen Brennpunkt (F _t) ist ein teildurchlässiger Spiegel (12) angeordnet,
• - zwischen der akustischen Linse (4) und dem teil­ durchlässigen Spiegel (12) befindet sich ein Ultra­ schall-Empfänger (10).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der teildurchlässige Spiegel (12) und/oder der Ultraschall-Empfänger (10) beweglich angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Empfänger (10) an der der akustischen Linse (4) zugewandten Oberfläche des teildurchlässigen Spie­ gels angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Empfänger (10) aus einer linearen oder matrixförmigen Anordnung (110) mehrerer Ultraschall- Empfänger besteht.