DE3839649A1 - Vorrichtung zur messung und medizinischen behandlung mit ultraschall - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Diagnose-Ultraschall-Meßvorrich­ tung zur Abbildung der Gestalt eines bestimmten Blutgefäßes, beispielsweise eines Herzkranzgefäßes, und zum Messen der Fließgeschwindigkeit des Blutes in dem Gefäß, sowie eine Vorrichtung zur Behandlung eines bestimmten Blutgefäßes.

Es ist bekannt, daß das Vorhandensein von zahlreichen Mikro­ bläschen in einer Flüssigkeit einen ausgeprägten Abbildungs­ effekt bei der Ultraschall-Echographie ergibt. Das bei­ spielsweise in der US-PS 42 65 251 beschriebene Verfahren beinhaltet die Einführung eines festen Vorgängers in Blut, typischerweise einer Saccharidverbindung, und die zahl­ reichen Mikrobläschen, die sich bilden, wenn sich das Sac­ charid im Blut auflöst, werden zur Photographie eines aus­ gewählten Teiles eines Blutgefäßes verwendet. In der EP-A 00 52 575 ist die Verwendung eines blutlöslichen Vorgängers ähnlich wie vorstehend beschrieben, der jedoch hier in der Form von Teilchen vorliegt, die jeweils aus noch feineren Teilchen zusammengesetzt sind, wobei die Räume zwischen den feineren Teilchen mit Gas gefüllt sind. Nach einem anderen, in der US-PS 42 76 885 dargestellten Verfahren werden durch Gelatine fixierte Mikrobläschen direkt in die Blutbahn inji­ ziert, wodurch ein Ultraschall-Abbild verstärkt wird.

Nach den herkömmlichen Verfahren werden entweder Mikrobläs­ chen in der zu untersuchenden Blutbahn erzeugt oder Mikro­ bläschen in die zu untersuchende Blutbahn injiziert, die vorher extern erzeugt wurden. Keines der bekannten Verfahren ist jedoch geeignet, nur ein bestimmtes Blutgefäß, insbeson­ dere eine Koronararterie, abzubilden. Die Injektion in eine Vene hat nämlich zur Folge, daß die Bläschen oder Vorgänger alle die peripheren Blutgefäße im Herz und in der Lunge er­ reichen, bevor sie in die Koronararterie gelangen. Obwohl ein Arterienkatheder die Einführung von Bläschen oder Vor­ gängern in den Beginn der Aorta ermöglichen würde, so daß das Kontrastmedium die Koronararterie sofort erreicht, ist die Anwendung eines solchen Arterienkatheders in vielen Fällen aus dem Gesichtspunkt der aufzuwendenden Zeit und Mühe und des Risikos für den Patienten nicht möglich.

Ähnlich wie bei der Zuführung eines Kontrastmediums zu dem vorgesehenen Teil eines Blutgefäßes für eine Ultraschall-Ab­ bildung ist es auch schwierig, andere Mittel, beispielsweise Thrombose-Verflüssigungsmittel, zu einem vorgesehenen Teil, beispielsweise dem Ende der Koronararterie, effektiv und konzentriert über die Einführung des Mittels durch eine Vene zuzuführen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum selekti­ ven und konzentrierten Zuführen eines Kontrastmediums oder eines anderen Mittels zu einem vorgesehenen bestimmten Blut­ gefäß sowie ein dafür geeignetes Mittel zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird bezüglich des Mittels diese Aufgabe da­ durch gelöst, daß der Wirkstoff des Mittels in feine Kapseln eingeschlossen wird, die durch Schockwellen zerbrochen wer­ den können, oder in Teilchen aus zusammengesetzten feineren Teilchen unterzubringen, wobei die feinen Kapseln oder zu­ sammengesetzten Teilchen in einer Flüssigkeit im Zustand einer Emulsion verteilt sind. Die feinen Kapseln oder zu­ sammengesetzten Teilchen haben eine solche Größe, daß sie Kapillargefäße durchdringen können. Nachdem sich die zahl­ reich in eine Vene eingeführten Kapseln oder zusammenge­ setzten Teilchen im Körper des Patienten verteilt und eine geeignete Position eingenommen haben, werden sie mittels einer Schockwelle zerbrochen, und der Wirkstoff wird selek­ tiv im Blut verteilt.

Hinsichtlich der Vorrichtung wird die obige Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Einrichtung zum Injizieren zahlreicher fei­ ner Kapseln mit einem darin untergebrachten Mittel in den Körper des Patienten und eine Einrichtung zum Aufbringen einer Schockwelle vorgesehen ist, wobei die Schockwelle einen vorherrschend positiven Druck von der Außenseite zu der vorgesehenen Position entwickelt, so daß von allen im Körper des Patienten verteilten Kapseln nur die in der vorgesehenen Position befindlichen Kapseln bzw. Teilchen selektiv aufgebrochen werden.

Zur wirksamen Einbringung des Mittels in die Koronararterie enthält die Vorrichtung noch eine Einrichtung zur Feststel­ lung des Herzschlages und eine Einrichtung zur zeitlichen Steuerung der Erzeugung der Schockwelle mit Bezug zum Herz­ schlag.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an­ hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Vor­ richtung zur Ultraschallmessung;

Fig. 2A bis 2D Diagramme für die zeitliche Steuerung der Aktivierung mit Bezug zum Herzschlag; und

Fig. 3A und 3B den Aufbau eines Schockwellensenders bzw. die Wellenform des davon hervorgerufenen Schalldruckes.

Die Fig. 1 zeigt eine Anordnung für eine Vorrichtung zur Ultraschallmessung, die sowohl zur Beobachtung als auch zur Behandlung der Koronararterie vorgesehen ist. Eine Injek­ tionseinrichtung 1 wird dabei dazu verwendet, ein Mittel wie ein Kontrastmedium über eine Vene 10 in den Körper eines Patienten zu bringen. Das Mittel 2, das der Injektionsein­ richtung 1 zugeführt wird, besteht typischerweise aus zahl­ reichen Teilchen oder feinen Kapseln, die aus Fettsäureester oder Lecithin gemacht sind und in denen ein Material wie Natriumhydrogenbikarbonat enthalten ist, das ein Gas ent­ wickelt, wenn es mit Wasser in Berührung kommt. Die Teilchen oder Kapseln sind in einer wäßrigen Trägerlösung wie bei­ spielsweise einer physiologischen Kochsalzlösung im Zustand einer Emulsion verteilt. Die Größe der Teilchen ist so be­ messen, daß alle Teilchen die Lungenkapillaren passieren können, das heißt die Teilchen haben größtenteils einen Durchmesser von wenigen Mikrometern. Typischerweise haben die Teilchen einen mittleren Durchmesser von 1,9 µm, wobei 90% der Teilchen einen Durchmesser von 3,0 µm oder weniger aufweisen. Vorzugsweise haben alle Teilchen einen Durch­ messer von 2,0 µm oder weniger. Die injizierten Partikel mit dem Mittel werden im Körper des Patienten mit dem Blut ver­ teilt und gelangen über die rechte Herzkammer, die Lunge und die linke Herzkammer zur Aorta.

Ein Schockwellensender 3 sendet unter der Ansteuerung eines Treibers 4 pulsierend Schockwellen aus. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Sender 3 so angebracht und ausge­ richtet, daß die Schockwelle zu dem Beginn 22 der Aorta hin ausgesendet wird, wobei beabsichtigt ist, die Koronararterie 21 abzubilden und die Fließgeschwindigkeit des Blutes in ihr zu messen. Die Teilchen mit dem Mittel, die den Beginn der Aorta erreicht haben, werden aufgebrochen, wenn sie von der Schockwelle getroffen werden, und der Wirkstoff wird in das Blut freigegeben. Folglich werden Mikrobläschen im Blut erzeugt, die teilweise in die Koronararterie gelangen.

Eine Zeitsteuerung 12 steuert den Treiber 4 so, daß die Schockwelle zu einem bestimmten Zeitpunkt auf dem Kardio­ gramm des Patienten, das von einem Elektrokardiograph 7 ge­ liefert wird, abgegeben wird. Die Fig. 2A bis 2D zeigen zur Erläuterung dieser zeitlichen Steuerung den zeitlichen Ab­ lauf. In der Fig. 2A ist die von dem Kardiograph 7 geliefer­ te Kardiogramm-Wellenform dargestellt. Die systolische Periode des Herzens beginnt um die Q-Welle des Kardiogramms und dauert bis etwa dem Ende der T-Welle, woraufhin das Herz in die diastolische Periode eintritt. Da arterielles Blut während der diastolischen Periode in die Koronararterie ein­ geführt wird, liegt der bevorzugte Zeitpunkt zum Aussenden der Schockwelle zwischen dem Ende der systolischen Periode und dem Beginn der diastolischen Periode, um die am Beginn der Aorta erzeugten Mikrobläschen wirkungsvoll in die Koro­ nararterie einzubringen. Zusätzlich darf die Schockwelle mindestens im letzten Abschnitt der diastolischen Periode keinesfalls ausgesendet werden, um einen verfrühten Herz­ schlag zu vermeiden.

Bei der vorliegenden Ausführungsform gibt die Zeitsteuerung 12 nach Ablauf einer bestimmten Zeitspanne t, die auf die R-Welle im Kardiogramm folgt, ein Auslösesignal zur Erzeu­ gung der Schockwelle an den Treiber 4, wie es in der Fig. 2B gezeigt ist. Die Verzögerungszeit t wird an einer Einstell­ skala 13 gemäß der Herzschlagperiode des Patienten einge­ stellt. Mehrere Herzschlagperioden nach der Injektion der Partikel mit dem Mittel in die Vene 10 steigt die Konzen­ tration der Partikel in der Aorta an, wie es in der Fig. 2C dargestellt ist. Die Zeitsteuerung 12 zählt die Herzschläge, die auf den Beginn der Injektion des Mittels durch die In­ jektionseinrichtung 1 folgen, auf der Basis des Ausgangs­ signales des Kardiographen 7 und gibt das Auslösesignal mehrmals nach einer bestimmten Anzahl von Herzschlägen aus.

Der Kardiograph 7 zeigt konstant das momentane Kardiogramm und auch den Zeitpunkt der Aussendung der Schockwelle auf der Basis eines Zeitsteuerung-Anzeigesignales an, das von der Zeitsteuerung 12 ausgegeben wird. Das heißt, daß der Zeitpunkt der Aussendung als ein "Einschnitt" in der Wellen­ form des Kardiogramms, wie es in der Fig. 2A gezeigt ist, dargestellt wird.

Auf der Basis der bekannten sektorweisen Ultraschall-Ab­ tastung erzeugt ein B-Mode-Ultraschall-Diagnosegerät 5 ein Ultraschall-Echogramm. Die Aussendung der Schockwelle er­ zeugt zahlreiche Mikrobläschen im arteriellen Blut, und die Bläschen, die als wirksame Reflektoren dienen, verstärken das Abbild des Echos aus der Koronararterie, wenn sie in die Koronararterie gelangen. Das im Blut innerhalb des Herzens und der Lungenkapillaren verteilte Mittel verbleibt dabei in Partikelform, wodurch davon im Vergleich zu den Bläschen eine schwächere Schallwelle reflektiert wird. In dem sich ergebenden Echogramm ist damit nur das Abbild der Koronar­ arterie selektiv verstärkt.

Das Vorhandensein einer hochreflektiven Substanz im Blut innerhalb der Koronararterie ermöglicht darüber hinaus die Messung der Fließgeschwindigkeit des Blutes in der Koronar­ arterie mittels eines Doppler-Fließgeschwindigkeitsmeßge­ rätes 8. In diesem Fall wird die Stelle der Koronararterie über das von dem B-Mode-Ultraschall-Diagnosegerät 5 erzeug­ ten Echogramm festgestellt, so daß ein Meßfühler 6 geeignet angebracht und ausgerichtet werden kann, und es wird mittels des Meßfühlers 6 ein Ultraschallimpuls ausgesendet und die Dopplerverschiebung der reflektierten Welle gemessen. Es ist anzumerken, daß die Messung der Fließgeschwindigkeit des Blutes in der Zirkumflex-Koronararterie auf der Rückseite des Herzens nur durch die vorstehend beschriebene selektive Bläschenerzeugung möglich ist.

Um zu verhindern, daß durch die Schockwelle vom Sender 3 störendes Rauschen im Abbildungs- und Dopplersignal erzeugt wird, wird dem Ultraschall-Diagnosegerät 5 und dem Doppler- Meßgerät 8 ein Sperrsignal zugeführt. Das von der Zeitsteue­ rung 12 ausgegebene Sperrsignal steigt gleichzeitig mit dem Schockwellen-Auslösesignal an und fällt nach einer bestimm­ ten Zeitspanne ab. Während das Sperrsignal aktiv ist, werden das Diagnosegerät 5 und das Doppler-Meßgerät 8 daran gehin­ dert, ihre internen Anzeigespeicher neu zu schreiben. Alter­ nativ kann auch der Meßvorgang dieser Geräte durch das Sperrsignal angehalten werden. In jedem Fall dauert das Sperrsignal so lange, daß wenigstens die Zeitspanne abge­ deckt ist, in der durch die Schockwelle verursachte, stören­ de Schallwellen vorhanden sind, das heißt wenigstens etwa 10 ms.

Die Fig. 3A zeigt eine besondere Anordnung für den Sender 3 und Treiber 4. Der Sender 3 weist eine nichtmagnetische, leitende Membran 31 auf, die nahe an einer Spiralspule 32 angebracht ist. Die Membran 31 ist an ihrer konkaven Vorder­ seite mit einer Abdeckung 34 versehen, in der eine Flüssig­ keit 35 für das Hindurchleiten der Schallwelle enthalten ist. Die Membrane 31, die Spule 32 und die Abdeckung 34 werden von einem Rahmen 33 gehalten, der eine ausreichend größere Masse als die Membrane 31 hat. Der Sender wird so verwendet, daß die Abdeckung 34 in engen Kontakt mit der Oberfläche des Körpers des Patienten gebracht wird.

Die Spiralspule 32 ist mit einer Treiberschaltung verbunden, die einen Kondensator 41, eine Ladeeinrichtung 42, einen Schalter 43 und einen Entladewiderstand 44 aufweist. Der Kondensator 44 wird durch die Ladeeinrichtung 42 aufgeladen, wenn der Schalter 43 geöffnet ist, und er liefert in dem Moment des Schließens des Schalters 43 einen Entladestrom zu der Spiralspule 32. Die nichtmagnetische, leitende Membran 31 gibt in Reaktion auf den Strom aufgrund der magnetischen Abstoßung eine Schockwelle ab.

Die Fig. 3B zeigt den zeitlichen Verlauf des Schalldruckes im Brennpunkt der gekrümmten Membran 31. Wenn der Schalter 43 zum Zeitpunkt t _o geschlossen wird, steigt der Schalldruck schnell an, und es wird ein Schalldruckimpuls mit einem vor­ herrschend positiven Druck erzeugt. Der Schalldruckimpuls mit einem vorherrschend positiven Druck verursacht weniger Unannehmlichkeiten für den Patienten als eine Schallwelle mit vorherrschend negativem Druck, und die beabsichtigte Zerstörung der Teilchen mit dem Mittel in der Blutbahn kann sicher ausgeführt werden.

Bei der beschriebenen Ausführungsform ist es möglich, das vom Kardiograph 7 gelieferte Kardiogramm, das vom Diagnose­ gerät 5 erzeugte Ultraschall-Echogramm und die vom Doppler- Meßgerät 8 gemessene Fließgeschwindigkeit des Blutes gleich­ zeitig auf einer einzigen Anzeigeeinheit anzuzeigen, wobei auf dem Schirm eine geeignete Aufteilung vorgesehen ist. Es ist auch möglich, den gemessenen Wert vom Doppler-Fließgeschwin­ digkeitsmeßgerät 8 farbig auf dem Ultraschall-Echogramm an­ zuzeigen. Auch können das Ultraschall-Diagnosegerät 5 und das Doppler-Meßgerät 8 einen einzigen Meßfühler 6 auf der Basis einer Zeitschachtelung gemeinsam haben.

Das vorstehend beschriebene Mittel ist eine Substanz zur Er­ zeugung von Bläschen, die in Teilchen oder feinen Kapseln enthalten ist, die in einer Trägerflüssigkeit verteilt sind. Das Mittel kann jedoch auch aus Teilchen gebildet werden, die in einer Trägerflüssigkeit verteilt sind und jeweils aus noch feineren Teilchen zusammengesetzt sind. Solche zusam­ mengesetzten Teilchen verteilen sich in der Blutbahn, und wenn sie von der Schockwelle getroffen werden, geben sie Gas als Bläschen frei, das in Zwischenräumen zwischen den Teil­ chen festgehalten wurde, und die auseinandergefallenen Teilchen lösen sich sehr schnell, um Gas freizugeben, das an die feste Substanz gebunden war. Das Material für das ge­ wählte Mittel ist derart, daß es sich im zusammengesetzten Zustand nicht sehr schnell im Blut auflöst. Das erzeugte Gas muß für den menschlichen Körper unschädlich sein, vorzugsweise ist es Sauerstoff oder Kohlendioxid, da es dann sehr schnell im Blut absorbiert wird.

Obwohl die vorstehende Ausführungsform auf die Erzeugung von Bläschen als Kontrastmedium für eine Ultraschalldiagnose gerichtet ist, kann das von der Injektionseinrichtung 1 ein­ gespritze Mittel ein Medikament für eine Behandlung sein. Beispielsweise kann ein Thrombose-Verflüssigungsmittel wie Urokinase zusammen mit dem bläschenerzeugenden Mittel in Mikrokapseln eingeschlossen und in einer Trägerflüssigkeit verteilt sein. Nachdem die verkapselte Substanz injiziert wurde, wird die Schockwelle auf das zu behandelnde Blutgefäß oder auf eine im Blutstrom davor liegende Stelle gerichtet, so daß dort die Kapseln zerbrechen und das Medikament kon­ zentriert nur in dem erforderlichen Bereich abgegeben wird.

Die vorstehende Ausführungsform ist eine medizinische Vor­ richtung. Die Erfindung kann jedoch auch bei geeigneter Wahl der Mittel industriell verwendet werden, beispielsweise für Reparatureinrichtungen.

Claims (12)

1. Ultraschall-Meßvorrichtung, gekennzeich­ net durch

• - eine Injektionseinrichtung (1) zum Einspritzen eines Mit­ tels, das zahlreiche feine Teilchen enthält, in die ein Wirkstoff zur Erzeugung von Gas eingeschlossen ist, in ein Blutgefäß (22) eines zu untersuchenden biologischen Kör­ pers;
• - eine Einrichtung (3, 4) zum Aussenden einer Schockwelle mit überwiegend positivem Druck zu einem bestimmten Blut­ gefäß (22) in dem biologischen Körper, so daß die feinen Teilchen, die das bestimmte Blutgefäß erreicht haben, zerbrochen werden und der gaserzeugende Wirkstoff in das Blut freigegeben wird; und durch
• - eine Meßeinrichtung (5, 8), die eine Ultraschallwelle auf eine bestimmte Stelle in dem biologischen Körper richtet und eine von den Bläschen, die durch die Zerstörung der feinen Teilchen in der Blutbahn erzeugt werden, reflek­ tierte Schallwelle aufnimmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (3, 4) zur Aussendung der Schockwelle eine Schallwelle in einer bestimmten Phasenbeziehung zum Herz­ schlag des biologischen Körpers aussendet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung ein B-Mode-Ultraschall-Diagnosegerät (5) enthält.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung ein Doppler-Fließgeschwindigkeitsmeßgerät (8) enthält, das die Fließgeschwindigkeit des Blutes auf der Basis der Doppler-Verschiebung der reflektierten Schallwelle mißt.

5. Ultraschall-Meßvorrichtung, gekennzeich­ net durch

• - eine Injektionseinrichtung (1) zum Einspritzen eines Mit­ tels, das zahlreiche feine Teilchen enthält, in die ein Wirkstoff zur Erzeugung von Gas eingeschlossen ist, in ein Blutgefäß (22) eines zu untersuchenden biologischen Kör­ pers;
• - einen Kardiograph (7) zur Erzeugung eines Kardiogramms des biologischen Körpers;
• - eine Zeitsteuerung (12), die in einer bestimmten Phasenbe­ ziehung zu dem von dem Kardiographen (7) gelieferten Kar­ diogramm ein Auslösesignal abgibt;
• - eine Einrichtung (3, 4) zum Aussenden einer Schockwelle mit überwiegend positivem Druck zu einem bestimmten Blut­ gefäß (22) in dem biologischen Körper in Reaktion auf das Auslösesignal, so daß die feinen Teilchen, die das be­ stimmte Blutgefäß erreichen, aufgebrochen werden und der gaserzeugende Wirkstoff in das Blut freigegeben wird; und durch
• - eine Meßeinrichtung (5, 8), die eine Ultraschallwelle auf eine gewünschte Stelle des biologischen Körpers richtet und eine von den Bläschen, die durch die Zerstörung der feinen Teilchen in der Blutbahn erzeugt werden, reflek­ tierte Schallwelle aufnimmt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslösesignal in einer bestimmten Phasenbeziehung zu dem Herzschlag des biologischen Körpers, die die letzte Hälfte der diastolischen Periode des Herzens ausschließt, ausgege­ ben wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kardiograph ein Elektrokardiograph (7) ist und daß die Zeitsteuerung (12) wiederholt das Auslösesignal nach Ablauf einer bestimmten Verzögerungszeit nach einer bestimmten Welle im Elektrokardiogramm ausgibt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (13) zum beliebigen Einstellen der Verzögerungs­ zeit.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrokardiograph (7) eine Einrichtung zur Anzeige eines Kardiogramms und eine Einrichtung zur Anzeige des Zeitpunktes der Abgabe der Schockwelle in Bezug auf das Elektrokardiogramm auf der Basis eines Signales von der Zeitsteuerung (12) aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt der Erzeugung der Schockwelle als eine Mar­ kierung auf der Wellenform des Elektrokardiogramms angezeigt wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitsteuerung (12) an die Meßeinrichtung (5, 8) ein Sperrsignal abgibt, das die Messung durch die Meßeinrichtung wenigstens während der Zeit unterdrückt, während der von der Schockwelle verursachte störende Schallwellen existieren.

12. Ultraschall-Behandlungsvorrichtung, gekenn­ zeichnet durch

• - eine Injektionseinrichtung (1) zum Einspritzen eines Medi­ kamentes, das zahlreiche feine Teilchen enthält, in die ein medizinischer Wirkstoff eingeschlossen ist, in ein Blutgefäß eines zu behandelnden biologischen Körpers; und durch
• - eine Einrichtung (3, 4), die eine Schockwelle mit überwie­ gend positivem Druck auf ein bestimmtes Blutgefäß (22) des biologischen Körpers richtet, so daß die feinen Teilchen, die das bestimmte Blutgefäß erreichen, aufgebrochen werden und der medizinische Wirkstoff in die Blutbahn freigegeben wird.