Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hyperthermiegerät oder
Thermotherapieinstrument eines Ultraschallerwärmungssystems, und insbesondere eine
Verbesserung bei einer vorderseitig an einem Ultraschallvibrator anzuordnenden
akustischen Linse.
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Bei der Behandlung eines angegriffenen Körpers mit abnormalem Zellgewebe wie
beispielsweise Krebs oder einem anderen Tumor ist es klinisch gut bekannt, daß
eine Wärmebehandlung (Hyperthermie) umfassend die Erwärmung des
angegriffenen Teils in einem Temperaturbereich von 43 bis 45ºC für ein Dutzend oder
mehrere Dutzend Minuten eine effektive Behandlung ist.
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Normalerweise wird die Erwärmung in der Weise erwirkt, daß eine
Ultraschallerwärmungszone 7a im Körper des Patienten durch Steuerung der Phase unter
Verwendung eines ringförmigen Vibrators (ringförmige Anordnung) 4a, wie in Fig.
9 gezeigt, gebildet wird.
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Wie in Fig. 9 gezeigt, werden jedoch unerwünschte heiße Flecken 7b hinter der
Erwärmungszone 7a mit diesen Einrichtungen des Standes der Technik erzeugt.
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Um diese unerwünschten heißen Flecken zu beseitigen wird ein ringförmiger
Vibrator 4b (Fig. 10) ferner in radialer Richtung geteilt, wie in der Offenlegungsschrift
der japanischen Patentanmeldung Nr. 42773/1987 offenbart ist. Bei dieser
Anordnung werden unerwünschte heiße Flecken durch Teilen der Erwärmungszone 7a
in zwei Teile beseitigt, und die Phasen konvergierender Ultraschallwellen sind an
der Position hinter der Erwärmungszone 7a, an welcher die unerwünschten
heißen Flecken produziert werden, invers zueinander.
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Jedoch weist dieser vorgeschlagene, in radialer Richtung geteilte Vibrator
Nachteile darin auf, daß die Struktur des Vibrators sehr kompliziert ist und der
Steuerapparat, welchem ein Verzögerungsschaltkreis zugefügt ist, ist kompliziert, was in
hohen Kosten resultiert.
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FR-A-1022047 beschreibt eine akustische Linse, welche Segmente, die von
Hügel- und Kantenlinien begrenzt sind, besitzt, jedoch zeigt diese Linse das
Heißfleck-Problem.
Zusammenfassung der Erfindung
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Hyperthermiegerät zu schaffen, bei dem
die Form der zusammen mit einem Vibrator verwendeten akustischen Linse
verbessert ist, so daß kein heißer Punkt hinter der Erwärmungszone gebildet wird,
wobei eine gleichförmige Erwärmungszone erreichbar ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine akustische Linse (5) geschaffen, die
zur Verwendung in einem Hyperthermiegerät des Typs, bei welchem eine
Ultraschallwelle, die durch Verwendung eines Ultraschallvibrators (4) erhalten wird, in
einen körper (7) eines Patienten über die akustische Linse (5) und entgastes
Wasser (6) fokussiert wird, um eine Erwärmungszone zu bilden, geeignet ist,
wobei die akustische Linse (5) umfaßt:
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einen Linsenkörper (15), der im Querschnitt im wesentlichen kreisförmig ist, und
eine ebene kreisförmige Fläche und eine zweite Fläche besitzt, welche eine
Vielzahl von altenierenden Hügel (5c)- und Tal (5d)-Linien definiert, wobei jede Hügel-
Linie (5c) und benachbarte Tal-Linie (5d) einen Oberflächenabschnitt (5e)
zwischeneinander begrenzen, dadurch gekennzeichnet, daß:
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die besagte zweite Oberfläche, die eine Vielzahl von Oberflächenabschnitten (5e)
umfaßt, konkav ist;
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die genannten Hügel-Linien (5c) und die Tal-Linien (5d) sich relativ zum Zentrm
des Linsenkörpers (5) radial nach außen erstrecken, die Oberfiächenabschnitte
(5e) gleich in ihrer Größe und symmetrisch um das Zentrum des körpers
angeordnet sind, wobei jeder Oberflächenabschnitt durch eine plane oder gekrümmte
Oberfläche gebildet ist und geneigt bezüglich der Ebene der planaren
kreisförmigen
Fläche des Linsenkörpers angeordnet ist, wobei die Dicke der Linse um
wenigstens eine Wellenlänge zwischen benachbarten Hügel-Linien (5c) und Tal-
Linien (5d) variiert und die Anordnung so getroffen ist, daß die Phasen der jeden
Oberflächenabschnitt (Se) verlassenden Wellen kontinuierlich in Umfangsrichtung
variieren, so daß sich die Wellen im Brennpunkt der Linse auslöschen und
dadurch verhindern, daß irgendwelche unerwünschte heiße Flecken hinter der
Erwärmungszone erzeugt werden.
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Ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es, ein Hyperthermiegerät zu
schaffen, bei welchem, um eine gleichförmige Erwärmungszone zu erhalten, die
akustische Linse rotierbar um das Zentrum zusammen mit dem Vibrator ist, so
daß der in Kontakt mit dem zu untersuchenden Teil stehende Bereich feststehend
ist.
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Als Mittel zum Fokussieren der Ultraschallwellen wird eine akustische Linse
verwendet, und auf dem konkaven Oberflächenteil davon sind schiefe Ebenen oder
gekrümmte Oberflächen gebildet, welche Bereiche ergeben, an welchen eine
Abweichung von wenigstens einer Wellenlänge erhalten wird.
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In diesem Fall wird ferner kein diskontinuierlicher Bereich zwischen den geneigten
Ebenen erzeugt.
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Weiterhin ist die konkave Oberfläche einer wie oben beschrieben ausgebildeten
akustischen Linse nicht sphärisch, weshalb eine gleichförmige Erwärmungszone
durch Rotieren der Linse erreichbar ist.
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Andere weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine Ausführungsansicht eines Hauptteils, das eine erfindungsgemäße
Ausführungsform zeigt.
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Fig. 2 ist eine Vorderseitenansicht, teilweise im Schnitt, eines Beispiels einer
erfindungsgemäßen akustischen Linse.
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Fig. 3 ist eine Ansicht der Bodenoberfläche oder eine Netzansicht eines konkaven
Oberflächenabschnitts derselben.
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Fig. 4 ist eine Erläuterungsdarstellung zum Anzeigen der Beziehung zwischen der
akustischen Linse und ihrem Brennpunkt.
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Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht eines weiteren bevorzugten Hauptteils.
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Fig. 6 ist ein Graph, der eine Isothermallinienverteilung einer Ausführungsform
nach Fig. 5 und ein Graph einer Temperaturverteilung entlang der Linie A-A'
dieser Darstellung ist.
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Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht eines Hauptteils wie im Fall von Fig. 1.
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Fig. 8 ist ein Graph einer Isothermallinienverteilung einer Ausführungsform nach
Fig. 7.
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Fig. 9 ist eine Aufsicht, Querschnittsansicht und den Betrieb erläuternde Ansicht
eines konventionellen Beispiels.
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Fig. 10 ist eine Aufsicht auf ein weiteres konventionelles Beispiel.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsformen werden bezüglich der
Figuren 1 bis 4 beschrieben.
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Fig. 1 ist eine Anordnung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellende
Ansicht. Bei dieser Ansicht wird eine hochfrequente, mittels eines Oszillators 1
erzeugte Welle mittels eines Verstärkers 2 verstärkt und einem Ultraschallvibrator
4 über einen Anpassungsschaltkreis 3 zugeführt. Eine von dem Ultraschallvibrator
4 erhaltene Ultraschallwelle wird einem Patientenkörper 7 über eine akustische
Linse 5 und entgastes Wasser 6 erfindungsgemäß übertragen.
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Fig. 4 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Verhältnis zwischen der
erfindungsgemäßen akustischen Linse und ihrem Brennpunkt darstellt.
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Eine Brennweite F einer akustischen Linse (Krümmung = R) aus Aluminium wird
durch F = R/(1-VW/VA) beschrieben, worin VW die Schallgeschwindigkeit in
Wasser (ungefähr 1530 m/s) und VA die Schallgeschwindigkeit in Aluminium (ungefähr
R/0,76) ist.
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Wie in Fig. 4 gezeigt müssen folgende Gleichungen erfüllt sein, um die Dicke der
Linse um L ohne Änderung des Brennpunkts O zu variieren.
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F' = R'/0,76, F = F' + L
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Als Konsequenz ist, wenn » L, bei Betrachtung des Brennpunktes O die
Differenz zwischen einer Linse mit einem Radius R und einer Linse mit einem Radius
R' nur die Phasendifferenz, bedingt durch die Dickendifferenz L. Um eine
Phasendifferenz von eine Wellenlänge zu erzeugen, muß zusätzlich L gesetzt werden
als
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wobei λ die Wellenlänge der Ultraschallwelle im entgasten Wasser ist.
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Demgemäß kann bei Verwendung der Linse mit der oben beschriebenen
Dikkendifferenz ein akustisches Feld ähnlich dem akustischen Feld erhalten werden,
wie es bei Verwendung eines Vibrators wie in Fig. 10 gezeigt erhalten wird.
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Fig. 2 ist eine frontseitige Ansicht, teilweise im Schnitt, die ein Beispiel einer
erfindungsgemäßen akustischen Linse zeigt, und Fig. 3 ist eine
Bodenoberflächenansicht oder eine Netzansicht des konkaven Oberflächenteils dieser Linse.
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Wie in Fig. 2 gezeigt, besitzt die akustische Linse eine Dickendifferenz von L. R ist
der Krümmungsdadius und Z ist der Abstand zwischen der Bodenoberfläche der
Linse und der Lage des Krümmungszentrums.
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Das Bezugszeichen 5a kennzeichnet eines Zentrumsausnehmung, und das
Bezugszeichen 5b kennzeichnet einen gestuften Abschnitt, und diese Abschnitte
werden für die Bearbeitung bei der Herstellung der akustischen Linse mit Metall
wie beispielsweise Aluminium benötigt.
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Das Bezugszeichen 5c kennzeichnet Hügelkantenlinien, und das Bezugszeichen
5d kennzeichnet Talkantenlinien. Die jeweiligen mehreren Kantenlinien 5c und 5d
werden in äquidistanter Weise in Azimutrichtung ausgebildet, und ein schräger
Ebenenabschnitt 5e wird zwischen zwei Kantenlinien 5c und 5d gebildet.
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Nachfolgend wird ein schräger Ebenenabschnitt 5e beschrieben.
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In Fig. 3 haben eine Hügelkantenlinie 5c und eine imaginäre Linie 5f, die sich in
radialer Richtung erstreckt und einen schrägen ebenen Abschnitt 5e teilt, beim
Fokussieren zueinander inverse Phasen. Auch eine radiale Linie 5g, die einen
Winkel α mit der Hügelkantenlinie 5c einschließt, und eine radiale Linie 5h, die
den gleichen Winkel α mit der Linie 5f einschließt, haben gleichfalls zueinander
inverse Phasen. Wenn die gesamte Schrägebene 5e wie oben beschrieben
ausgebildet ist, wird eine Abweichung von einer Wellenlänge kontinuierlich in
Umfangsrichtung erzeugt, um den Phasenzustand zueinander invers zu machen, und
die Ultraschallwellen löschen einander aus.
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Demgemäß wird bei Verwendung solch einer akustischen Linse ein akustisches
Feld gebildet, bei welchem keine unerwünschten heißen Flecken an der Position
des Fokus erzeugt werden.
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Zusätzlich wird das Material der akustischen Linse aus Materialien mit einer
Schallgeschwindigkeit höher als der von Wasser gewählt, wie beispielsweise
Acrylatharz, Polystyrolharz oder Aluminium.
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Wird die akustische Linse aus Aluminium hergestellt, ist ferner eine maschinelle
Bearbeitung mit numerischer Steuerung wirkungsvoll, und in diesem Fall wird die
Bearbeitung durch Auswerten der Arbeitsbedingungen für jeden Winkel in
Umfangsrichtung von der Bezugslinie in Azimutrichtung durchgeführt, beispielsweise
mit dem Krümmungsradius R, der Position des Krümmungszentrums Z u.dgl. als
Parameter.
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In Fig. 5 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Wellengenerators mit
einer akustischen Linse 5 der gleichen, oben beschriebenen Konfiguration
gezeigt. Die mittels des Vibrators 4 generierte Ultraschallwelle wird mittels einer
akustischen Linse 5 fokussiert, und auf den Patienten durch das entgaste Wasser
6 und eine poröse Wand 9 projiziert.
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Bezugzeichen 10 kennzeichnet einen Einlaß für das entgaste Wasser. Das
entgaste Wasser wird durch einen Zirkulationskühlapparat (nicht dargestellt)
durchgeführt und durch den Einlaß 10, um zu zirkulieren, und die Wassertemperatur auf
einem konstanten Wert zu halten.
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Fig. 8 stellt die bei Verwendung eines oben beschriebenen Applikators erhaltene
Temperaturverteilung dar. Diese Ansicht zeigt Isothermenlinien bei dem
rechtwinklig zu der Zentrumsachse (Z-Richtung) des Applikators verlaufenden
Querschnitt. Die Temperaturverteilung dehnt sich in einer definierten ringförmigen
Form aus, und insbesondere punktförmige Temperaturbereiche werden in
isolierter Weise an einem Umfang gebildet, und die Temperaturverteilung ist über den
Gesamtbereich ungleich.
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Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform zur Vermeidung solch einer Ungleichheit in der
Temperaturverteilung. In Fig. 5 ist ein O-Ring 11 in dem Bereich, in dem der
Vibrator 4 und die akustische Linse 5 gehaltert sind, relativ zu der porösen Wand 9
(Kontaktbereich mit dem zu untersuchenden Abschnitt) rotierbar ausgebildet.
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Fig. 6a ist eine Darstellung der Isothermenlinienverteilung, die die
Wärmeverteilung darstellt, die bei Rotieren des Vibrators 4 und der akustischen Linse 5 aus
Fig. 5 erhalten worden ist, und Fig. 6b ist ein Wärmeverteilungsdiagramm
entlange der Linie A-A' aus Fig. 6a.
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Wie dargestellt, dehnt sich die Isothermenverteilung des Heizbereichs in
konzentrischer Umfangsform aus, und die Erwärmungszone wird gleichförmig erwärmt,
und diese gleichförmige Verteilung ist, wenn sie für die Wärmebehandlung
angewendet wird, wirkungsvoll.
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Weiterhin ist die Drehrichtung der akustischen Linse zusammen mit dem Vibrator
nicht auf eine Richtung begrenzt, und ein Verfahren mit Rückwärtsrotation auf
einer Ein-Umdrehungs-Basis kann angewendet werden. Zwar ist das
Rotationsmittel nicht speziell dargestellt, jedoch wird es unter den verschiedenen bekannten
Mechanismen ausgewählt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es nicht erforderlich, den Vibrator zu teilen,
weshalb der Vibrator und der Antriebskreis desselben vereinfacht sind, und durch
Verwendung dieser akustischen Linse kann ein Ultraschallwärmegerät mit
niedrigem Preis erhalten werden, bei dem keine unerwünschten heißen Flecken
erzeugt werden und eine Erwärmungszone mit gleichförmiger Erwärmung erhalten
wird.