DE3721187C2

DE3721187C2 -

Info

Publication number: DE3721187C2
Application number: DE3721187A
Authority: DE
Inventors: Akinori Kawasaki Jp Ishida; Ayao Yokohama Jp Itoh
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-06-27
Filing date: 1987-06-26
Publication date: 1993-08-19
Also published as: FR2600521A1; US4803995A; FR2600521B1; DE3721187A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Lithotripsievor richtung, mit der eine Ultraschallwelle zum Zerbrechen oder "Zertrümmern" eines in einem lebenden Körper gebil deten Steins fokussierbar ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Vorrichtung zum Zerbrechen oder Zertrümmern eines in einem lebenden Körper gebildeten Nieren- oder Gallen steins durch von außen her erfolgende Beaufschlagung mit durch eine Entladung oder Pulverexplosion erzeugter Schock wellenenergie ist an sich bekannt (vgl. US-PS 39 42 531).

Als Alternative zu der mit Schockwellenenergie arbeiten den Vorrichtung ist jedoch in neuerer Zeit eine Vorrich tung zum Zertrümmern eines solchen Steins mittels Ultra schallenergie zum praktischen Einsatz gelangt. Eine solche Vorrichtung besitzt kleine Abmessungen, kann kostensparend zur Verfügung gestellt werden und eignet sich ohne wei teres zur Feststellung des Vorhandenseins/Nichtvorhanden seins eines Steins.

Eine z. B. in der US-PS 46 17 931 beschriebene bisherige Ultraschall-Lithotripsievorrichtung besteht aus einem Lithotripsiewandler und einem Bildwandler. Der eine kon kave Form aufweisende Lithotripsiewandler bildet den Brennpunkt einer Ultraschallwelle in seinem geometrischen Zentrum und dient zum Zertrümmern eines Steins durch Fokussieren der emittierten Ultraschallenergie auf den Stein. Der Bildwandler dient zur Gewinnung tomographischer Bilddaten eines Patienten, d. h. das Bild eines Steins, als Teil des mittels des Bildwandlers gewonnenen tomo graphischen Bilds oder Tomogramms, wird so positioniert, daß es mit dem geometrischen Brennpunkt des Lithotripsie wandlers koinzidiert. Nach Feststellung einer solchen Koinzidenz wird eine Welle intensiver Ultraschallenergie vom Lithotripsiewandler emittiert und auf den Stein fokussiert (oder gebündelt), wodurch der Stein zerbrochen bzw. zertrümmert wird.

Bei Anwendung dieser bisherigen Lithotripsievorrichtung erfolgt jedoch eine Brechung einer Ultraschallwelle an einem Teil der Körper(ober)fläche des Patienten oder im Körper selbst. Aus diesem Grund koinzidiert der Brenn punkt im Inneren des Patienten, wo eine vom Lithotripsie wandler emittierte Ultraschallwelle fokussiert wird, nicht immer mit der tatsächlichen, durch den Bildwandler bestimmten Lage des Steins. Infolgedessen wird die Ultra schallwelle manchmal in unerwünschter Weise auf einen von der tatsächlichen Lage des Steins verschiedenen Punkt fokussiert, was Probleme bezüglich der Sicherheit des Patienten aufwirft.

Außerdem wird ein Stein selten mittels nur einmaliger Emission der Ultraschallenergie zertrümmert. Aus diesem Grund wird die Ultraschallenergie normalerweise mehrmals emittiert. Während einer Reihe von Ultraschallemissionen kann sich der Patient im Laufe der wiederholten Operationen zeitweilig bewegen, mit dem Ergebnis, daß der Brennpunkt der Ultraschallwelle von der tatsächlichen Lage des Steins abweichen kann. Wie im oben erwähnten Fall wird daher die Ultraschallwelle in unerwünschter Weise auf von der Lage des Steins verschiedene Stellen oder Punkte fokussiert, was möglicherweise eine Gesundheitsgefährdung des Pa tienten bedeuten kann.

Aus der FR 25 56 582 A1 ist eine gattungsgemäße Lithotripsievorrichtung bekannt, bei der der zum Zerbrechen des Steins benutzte Ultraschallwandler ausschließlich als Emitter ausgebildet ist.

Aus der DE 31 19 295 A1 ist eine Einrichtung zum Zerstören von Konkrementen in Körperhöhlen bekannt, bei der der fokussierende Ultraschallwandler gleichzeitig auch noch zur Aufzeichnung von Echtzeit-Bildern ausgebildet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Lithotripsievorrichtung derart auszuführen, daß gewährleistet ist, daß der Brennpunkt der zum Zerbrechen oder Zertrümmern eines Steins dienenden Ultraschallwelle mit der Lage des Steins übereinstimmt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Ultraschall-Lithotripsievorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der oben umrissenen Ultraschall-Lithotripsievorrich tung wird eine Ultraschallwelle zum Zertrümmern eines Steins emittiert, während das Vorhandensein/Nichtvorhanden sein eines Steins festgestellt oder bestimmt wird, so daß der Stein sicher und ohne Beschädigung lebenden Gewebes zertrümmert werden kann.

Da hierbei zudem eine etwaige Abweichung zwischen der Lage des Steins und dem Brennpunkt der Ultraschallwelle automatisch festgestellt wird, kann eine kontinuierliche Steinzertrümmerungsoperation zuverlässig und sicher durch geführt werden.

Da weiterhin die Lage des Steins durch Änderung der Po sition eines Ultraschallwandlers erfaßt oder festgestellt werden kann, läßt sich der Stein in einem lebenden Körper genau und einfach zertrümmern.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Er findung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Darstellung der Anordnung einer Ultraschall-Lithotripsievorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Steinbestimmungseinheit gemäß Fig. 1,

Fig. 3A bis 3C graphische Darstellungen von Wellenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 2,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungs form der Erfindung und

Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Bewegung oder Verschiebung und der Schall feldfläche eines Ultraschallwandlers gemäß Fig. 4.

Die folgende Beschreibung einer Ausführungsform der Er findung erfolgt gemäß Fig. 1 anhand eines Falls, in wel chem ein in einer Niere 1 eines lebenden Körpers ent standener Nierenstein 2 zertrümmert werden soll.

Die erfindungsgemäße Ultraschall-Lithotripsievorrichtung umfaßt einen Applikator oder (Bestrahlungs-)Tubus 4 aus einem akustischen Koppler 9, der mit der Oberfläche 6 des lebenden Körpers, z. B. seinem Rücken, in Berührung bring bar ist, einem konkaven Wandler 5 (zweiter Ultraschallwandler 5), der eine Resonanzfrequenz von 500 kHz sowie einen Krümmungsdurchmesser von 10 cm aufweist, und einem an der Rückseite des Wandlers 5 angeklebten Versteifungs- oder Stützelement 7. Ein Kabel 8 ist mit zwei nicht dar gestellten, für den Wandler 5 vorgesehenen Elektroden verbunden, wobei der Wandler 5 über das Kabel 8 mit einer externen Schaltung verbunden ist. Der Koppler 9 besteht aus einem Beutel 10, der aus einer dünnen Folie mit einer akustischen Impedanz praktisch entsprechend derjenigen von Wasser besteht und mit Wasser 11 gefüllt ist. Der Koppler 9 vermag wirksam eine Ultraschallwelle zwischen dem Wandler 5 und dem lebenden Körper auszusenden und zu empfangen. Der Applikator 4 wird mittels einer Applikator- Fixiereinheit 3 positioniert. Diese Positionierung erfolgt in der Weise, daß die Lage eines Nierensteins 2 in einem mittels eines ersten Ultraschall-Wandlers 21 (Bildwandler) gewonnenen tomographischen Bild oder Tomogramm mit dem Brennpunkt der Ultraschallwelle vom Wandler 5 koinzidiert. Der Bild wandler 21 ist dabei in einer speziellen relativen Lagen beziehung zum Applikator 4 angeordnet. Der Bildwandler 21 wird mittels der Fixiereinheit 3 positioniert und durch eine B-Modus-Abbildungseinheit 22 angesteuert.

Die externe Schaltung 23 für die Ansteuerung des Wandlers 5 ist über das Kabel 8 mit den beiden Elektroden ver bunden. Bei Betätigung eines Impulserzeugungsschalters 12 liefert die Schaltung 23 ein Steuersignal über ein ODER- Glied (OR) 13 zu einem ersten Impulsgeber (Ansteuereinheit 14), der (darauf hin) ein Impulssignal einer kleinen Amplitude erzeugt und dieses zum Wandler 5 liefert. Als Ergebnis wird eine schwache Ultraschallwelle von etwa 240 mW/cm² (SPTA (Spatial Peak-Temporal Average intensity)) vom Wandler 5 über den Koppler 9 zu einem befallenen Teil im lebenden Körper ausgesandt. Die Ultraschallwelle wird vom Gewebe des le benden Körpers reflektiert, vom Wandler 5 empfangen und in ein Echosignal umgewandelt. Ein Empfänger 15 empfängt das Echosignal über das Kabel 8 und liefert ersteres zu einer Zentral- oder Prozessoreinheit 16, die nur ein von einer Stelle nahe dem Brennpunkt der in den lebenden Körper ausgesandten Ultraschallwelle reflektierte Echo signal erfaßt und ein Detektions- oder Meßsignal zu einer Stein-Bestimmungseinheit 17 liefert. Letztere bestimmt nach Maßgabe des empfangenen Echosignals das Vorhanden sein oder Nichtvorhandensein eines Nierensteins 2.

Fig. 2 veranschaulicht ein Beispiel für den Schaltungs aufbau der Bestimmungseinheit 17. Diese enthält einen Spitzenwerthaltekreis 24 zum Empfangen des Echosignals a. Ein Ausgangssignal b des Kreises 24 wird in einem Komparator 25 mit einem Bezugswertsignal c von einem Schwellenwert- Vorgabekreis 26 verglichen.

Fig. 3A veranschaulicht das Signal a, eine Peak- oder Spitzenpegelgröße b vom Kreis 24 und eine Regelgröße c des Bezugswertsignals vom Kreis 25.

Wenn ein Ausgangssignal d vom Komparator 25 gemäß Fig. 3B einen hohen Pegel aufweist, ist die Größe b größer als die Größe c (b < c); dies bedeutet, daß aufgrund des Vor handenseins eines Nierensteins ein großes Echosignal ein gegeben wird. Dies ist deshalb der Fall, weil die akustische Impedanz des Nierensteins größer ist als die jenige lebenden Gewebes.

Wenn kein Nierenstein vorhanden ist, wird als Ausgangs signal d gemäß Fig. 3B eine niedrige Pegelgröße erhalten (b < c).

Das Ausgangssignal d des Komparators 25 wird zusammen mit einem Abtastsignal e einem UND-Glied 27 eingespeist. Das Ausgangssignal d wird auch zusammen mit dem Signal e über einen Inverter 28 einem UND-Glied 29 eingespeist.

Wenn das Ausgangssignal d den hohen Pegel besitzt, wird ein Ausgangssignal vom UND-Glied 27 erhalten und als Steuersignal dem Impulsgeber 18 (weitere Aussteuereinheit 18) (vgl. Fig. 1) zugeführt. Wenn nämlich die Bestimmungseinheit 17 das Vorhandensein eines Steins feststellt, wird dem Impulsgeber 18 ein An steuersignal zugeführt, der daraufhin ein Impulssignal einer großen Amplitude über das Kabel 8 zum Wandler 5 liefert. Infolgedessen emittiert der Wandler 5 eine kräftige Ultraschallwelle mit einer für das Zertrümmern eines Steins ausreichend großen Spitzenleistung von z. B. 100 kW oder mehr zum Nierenstein 2 im lebenden Körper, wodurch der am Brennpunkt der Ultraschallwelle positio nierte Nierenstein 2 zerbrochen oder zertrümmert wird.

Wenn andererseits die Bestimmungseinheit 17 das Fehlen eines Steins feststellt, wird dem Impulsgeber 18 kein An steuersignal geliefert, und die Ultraschallwelle wird nicht emittiert. Bestimmungssignale zur Anzeige, daß kein Stein vorhanden ist, werden als niedrigpegelige Signale vom UND-Glied 29 (Fig. 2) zu einem Lagenbestimmungs-Im pulsgenerator 19 und einer Lagenversatzanzeigeschaltung oder -einheit 20 geliefert. Der Impulsgenerator 19 erzeugt einen Bestimmungsimpuls und liefert diesen wiederum als Steuersignal über das ODER-Glied 13 zum Impulsgeber 14. Der Wandler 5 emittiert die Ultraschallwelle auf den Nierenstein 2 und wiederholt diesen Vorgang mehrfach.

Wenn die Schaltung oder Einheit 20 drei aufeinanderfolgende Lagenbestimmungssignale zur Angabe des Nichtvorhanden seins eines Steins empfängt, liegt ein(e) große(r) Lagen- Verschiebung oder -Versatz zwischen einem Stein und dem Brennpunkt der Ultraschallwelle vor. Die Bedienungsperson betätigt daher die Fixiereinheit 3 zum Verschieben des Applikators 4 in eine neue Stellung. Infolgedessen kann die intensive Ultraschallwelle nach der Bestimmung oder Feststellung eines Nierensteins emittiert werden, so daß lediglich der Stein zertrümmert, das lebende Gewebe aber nicht geschädigt wird. Nach Maßgabe des Steuersignals vom Impulsgeber 14 emittiert der Wandler 5 eine schwache Ultraschallwelle für die Bestimmung des Vorhandenseins/ Nichtvorhandenseins eines Nierensteins. Diese schwache Ultraschallwelle kann unmittelbar vor jedem Signal oder jeder vorbestimmten Zahl der Emissionen der intensiven oder starken Ultraschallwellen abgestrahlt werden.

Im folgenden ist anhand der Fig. 4 und 5 eine andere Aus führungsform der Erfindung beschrieben, bei welcher die Lage eines Steins durch Bewegen oder Verschieben eines Ultraschallwandlers bestimmt wird. Nach einwandfreier Ausführung des Positioniervorgangs wird eine intensive oder starke Ultraschallwelle emittiert, durch welche der Stein ohne Beschädigung des lebenden Gewebes zertrümmert wird.

Um beispielsweise einen Nierenstein 2 in der Niere 1 zu zertrümmern, wird der konkave Wandler 5, der als Ultra schallwandler mit einer Resonanzfrequenz von z. B. 500 kHz arbeitet, mittels des akustischen Kopplers 9 am lebenden Körper positioniert. Der von einer Achse 40 getragene Wandler 5 ist mit einem Antriebsmechanismus 41 gekoppelt, der einen Sektorabtaster 42 und einen Vertikaltreiber (oder -an trieb) 43 aufweist. Der Sektorabtaster 42 ist auf einer Achse oder Welle 44 drehbar gelagert, um den Wandler 5 sektormäßig in einer Richtung von links nach rechts abzu tasten. Der Vertikaltreiber 43 hält oder trägt den Wandler 5 und den Abtaster 42 über eine Achse 45, um beide lot recht zu bewegen. Der Sektorabtaster 42 und der Vertikal treiber 43 werden nach Maßgabe eines Steuersignals von einem (einer) Treiber(stufe) 37 einer elektronischen Schal tung 46 mit einem Mikrorechner 31 angesteuert. Ein Schal ter 33 empfängt zuerst ein Anweisungs- oder Befehlssignal vom Mikrorechner 31 über einen Ein/Ausgabepuffer (I/0) 32, wobei die Kontaktteile a und b des Schalters 33 mitein ander verbunden (überbrückt) werden. Über den Schalter 33 wird dem Wandler 5 ein Impuls kleiner Amplitude von einem Impulsgeber 34 zugeführt, so daß der Wandler 5 zu einem in einem lebenden Körper befindlichen Stein hin einen schwachen Ultraschallimpuls ausstrahlt, der vom Stein reflektiert wird. Ein zurückgeworfenes Ultraschall echo wird vom Wandler 5 empfangen und über den Schalter 33 einem Empfänger 35 zur Verstärkung zugeführt. Sodann wird eine Hüllkurve des Echosignals durch einen Signalprozessor 36 abgeleitet. Dabei liefert der Mikrorechner 31 über den Treiber 37 einen Ansteuerimpuls zum Sektorabtaster 42. Infolgedessen wird eine Schwenk- bzw. Drehbewegung der Welle 44 auf den Wandler 5 über tragen, der daraufhin die Ultraschallwelle unter verschie denen Winkeln entsprechend verschiedenen Positionen in der Reihenfolge der Positionen (a) → (b) → (a) → (c) → (a) gemäß Fig. 5 emittiert. Bei jeder Winkeländerung des Wandlers 5 wird die Ultraschallwelle wiederholt gegen den Stein aus gesandt und von ihm empfangen, wobei Hüllkurven der Ultra schallechos durch den Mikrorechner 31 über den Schalter 33, den Empfänger 35, den Signalprozessor 36 sowie einen A/D-Wandler 38 erfaßt werden. Ein dann, wenn das Ultra schallecho am größten ist, ermittelter Neigungswinkel, d. h. die Lage des Wandlers 5, und die Größe des entspre chenden Echosignals werden im Mikrorechner 31 abge speichert. Die Erfassung des größten Echosignals bedeutet, daß das Vorhandensein eines Steins im Körper festgestellt worden ist. Anschließend weist der Mikrorechner 31 den Treiber 37 für die Ansteuerung des Vertikaltreibers 43 an, um damit die Stellung des Wandlers 5 über Achse 45 und Sektorabtaster 42 in der Reihenfolge der Positionen (a) → (d) → (e) → (d) → (a) gemäß Fig. 5 lotrecht zu ver schieben. Auf oben beschriebene Weise wird bei jeder Be wegung oder Verschiebung des Wandlers 5 die Ultraschall welle ausgesandt/empfangen, wobei der Mikrorechner 31 das augenblickliche größte Echosignal und die Stellung des Wandlers 5 speichert.

Die Lage eines Steins im Körper kann auf diese Weise mit hoher Genauigkeit festgestellt werden. Der Mikrorechner 31 steuert sodann über den Ein/Ausgabepuffer (I/O) 32 den Schalter 33 an, um dessen Kontaktteile a und c miteinander zu verbinden. Demzufolge wird ein Ausgangssignal vom Im pulsgeber 34 durch einen Leistungsverstärker 39 verstärkt und zum Wandler 5 übertragen, der daraufhin die starke Ultraschallwelle auf den im Körper ausgebildeten Stein ausstrahlt und den Stein dadurch zertrümmert.

Auf oben beschriebene Weise wird somit die Lage eines Steins mit hoher Genauigkeit festgestellt oder bestimmt, worauf die Ultraschallwelle zum Zertrümmern des Steins abgestrahlt wird. Auf diese Weise kann der Stein sicher und ohne Schaden für das Körpergewebe zertrümmert wer den.

Claims

1. Ultraschall-Lithotripsievorrichtung, mit einem ersten Ultraschallwandler (21) zum Erzeugen eines Bildes von einem lebenden Körper, mit einem zweiten Ultraschallwandler (5) zum Emittieren einer Ultraschallwelle, die einen Brennpunkt bildet, um einen Stein zu zerbrechen,
mit einer Einstelleinrichtung (3, 4) zum Einstellen der Positionen des ersten (21) und des zweiten (5) Ultraschallwandlers derart, daß die Position des Brennpunktes der Ultraschallwelle mit der Position des Steines übereinstimmt,
mit einer Ansteuereinheit (14), um den zweiten Ultraschallwandler (5) zu veranlassen, eine Ultraschallwelle zu emittieren, um das Vorhandensein/Nichtvorhandensein eines Steines an dem Brennpunkt zu bestimmen, mit einer Bestimmungseinrichtung (15, 16, 17) zum Empfangen einer reflektierten Welle der Ultraschallwelle vom lebenden Körper und zum nach Maßgabe der empfangenen Welle erfolgenden Bestimmen, ob der Brennpunkt der Ultraschallwelle mit der Lage eines Steines koinzidiert, und mit einer mit der Bestimmungseinrichtung verbundenen, weiteren Ansteuereinheit (18), die dann, wenn die Bestimmungseinrichtung eine Koinzidenz des Brennpunktes der Ultraschallwelle mit der Lage eines Steines feststellt, ein Bestimmungssignal von der Bestimmungseinrichtung abnimmt und den zweiten Ultraschallwandler für das Emittieren einer Ultraschallwelle zum Zerbrechen des Steines ansteuert, wobei die Intensität der Ultraschallwelle zum Zerbrechen des Steines verschieden ist von der Intensität der Ultraschallwelle zum Bestimmen des Vorhandenseins/Nichtvorhandenseins eines Steines, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Ultraschallwandler (5) als Sender/Empfänger gestaltet ist, so daß eine von dem zweiten Ultraschallwandler (5) emittierte und von einem Stein reflektierte Ultraschallwelle von dem zweiten Ultraschallwandler (5) empfangen wird, und
daß die Bestimmungseinrichtung (15, 16, 17) einen Komparator (25) zum Vergleichen eines Schwellenwertes mit der reflektierten Ultraschallwelle aufweist und nach Maßgabe eines Ausgangssignals des Komparators (25) bestimmt, ob der Brennpunkt der Ultraschallwelle mit der Lage des Steines zusammenfällt und die mit der Bestimmungseinrichtung (15, 16, 17) verbundene weitere Ansteuereinheit (18) den zweiten Ultraschallwandler (5) veranlaßt, die Ultraschallwelle zum Zerbrechen des Steines zu emittieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung (3, 4) den zweiten Ultraschallwandler (5) eine Sektorabtastung in bezug auf den Stein durchführen und ihn sich an den Stein annähern oder von ihm weg bewegen läßt.