DE3932967A1 - Ultraschall-stosswellenwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Stoßwellen­ wandler für die Anwendung in der Lithotripsie, Hyperthermie und dergl., der von ihm erzeugte Ultraschall-Stoßwellen auf das zu zerstörende Konkrement oder Gewebe sendet.

Derartige Ultraschall-Stoßwellenwandler sind seit längerem bekannt. Beispielsweise wird diesbezüglich verwiesen auf die DE-OS 35 10 341.

Kalottenförmige oder planare Wandler, bei denen eine elektronische (DE-OS 31 19 295) oder akustische Fokussierung der Ultraschallwellen stattfindet, dienen in der Medizin zur Desintegration von in Körperhöhlen befindlichen Konkrementen, zur Zerstörung von Gewebe und dergleichen.

Stets wird bei den bekannten Wandlern versucht, die Ultra­ schall-Stoßwellen möglichst punktgenau auf einen geometrischen oder akustischen Ort, den Fokus, zu bündeln, um hier eine für die jeweilige Indikation notwendige Energiedichte zu verfügen. Für die Applikation von Ultraschall-Stoßwellen ist der genannte Fokus des Wandlers auf das zu zerstörende Objekt ausgerichtet.

Ultraschall-Stoßwellen der genannten Art erfüllen ihren Zweck im allgemeinen zufriedenstellend im Hinblick auf die erste Applikation der Ultraschall-Stoßwellen. So wird ein hinreichend großes Konkrement mit hoher Wahrscheinlichkeit bei der ersten Behandlung zerstört werden. Zurück bleiben häufig eine Anzahl kleinerer Fragmente, die ihrerseits zerstört werden müssen. Der hierfür erforderliche Aufwand ist beträchtlich, denn jedes Fragment ist Objekt einer Nachbehandlung.

Vor diesem Hintergrund ist es nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ultraschall-Stoßwellenwandler so weiter zu entwickeln, daß die Trefferwahrscheinlichkeit der Ultraschall-Stoßwellen, insbesondere für kleinere Fragmente oder Steine erhöht wird; eine schnellere Zerstörung von Haufen kleinerer Objekte soll ermöglicht werden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 1.

Die Trefferwahrscheinlichkeit wird also durch eine gezielte Vergrößerung des Fokusgebietes erhöht.

Denktheoretisch wäre selbstverständlich eine Aufweitung des Fokusgebietes einfach durch eine Verringerung der Apertur von bekannten Wandlern möglich. Dies hätte aber die gravierenden Nachteile zur Folge, daß die Energiedichte der Ultraschall-Stoßwellen an der Eintrittfläche zum Körper des Patienten erhöht würde, woraus ein Schmerzempfinden beim Patienten resultieren würde, und daß die Vergrößerung des Fokusgebietes in der Abstrahlebene der Wellen auch zu dessen Vergrößerung in der räumlichen Tiefe führen würde, so daß in diesem Bereich die Energie nicht auf die gewünschten Zonen verteilt würde.

Demgegenüber gestattet der erfindungsgemäße Ultraschall- Stoßwellenwandler die Bündelung der Energie auf mindestens zwei Punkte, die auf einer vorgewählten beliebigen raumgekrümmten Linie liegen. Hierbei werden die Nachteile des denktheoretischen Ansatzes vermieden.

Gemäß einer Ausführungsform fokussiert der Wandler die Energie der Ultraschall-Stoßwellen auf unendlich viele Punkte, so daß sich eine in sich geschlossene raumge­ krümmte Linie ergibt. Wenn die raumgekrümmte Linie als Kreis­ ring ausgewählt wird, ergibt sich demgemäß bei diesem Ausführungsbeispiel ein ringförmiger Fokusbereich.

Grundsätzlich kann jeder planare und im wesentlichen kalotten­ förmige Wandler in der beschriebenen Weise ausgestaltet sein.

Ist der Wandler als die von ihm erzeugten Ultraschall- Stoßwellen selbst auf das Konkrement oder Gewebe lenkender Wandler ausgebildet, weist er gemäß einer vor­ teilhaften Weiterbildung eine rotationssymmetrische Gestalt mit einer im Querschnitt schalenförmigen Form mit diffus reflektierender Basis auf. Das Fokusgebiet wird in diesem Falle ein Kreisring sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Wandler als die von ihm erzeugten Ultraschall-Stoßwellen selbst auf das Konkrement oder Gewebe lenkender Wandler so aufgebaut sein, daß er aus mehreren Einzelsegmenten mit jeweils einem Fokus besteht, die auf der gedachten beliebig raum­ gekrümmten Linie liegen. Sind die Einzelsegmente Segmente einer Kalotte, so werden die Einzelfoki der Segmente auf einen gedachten Kreisring um die Wandlerhauptachse liegen.

Diese Ausführungsform kann dadurch weitergebildet werden, daß die Einzelsegmente in einer Ebene in bezug auf die Hauptachse des Wandlers translatorisch verfahrbar sind. Wird wieder von dem Beispiel ausgegangen, daß die Einzel­ segmente Kalottensegmente sind, so wird sich der Durchmesser des Kreisringes, auf dem die Einzelfoki liegen, vergrößern, wenn alle Einzelsegmente im selben Maße auseinandergerückt werden. Entsprechend wird er sich verkleinern, wenn die Einzelsegmente im selben Maße näher aneinander gerückt werden, ohne sich hierbei zu überlappen. Aber selbst eine Überlappung der Einzelschallkegel ist denkbar.

Eine weitere Verstellmöglichkeit der beliebig raumgekrümmten, aber durch die konkrete Bauform des Wandlers vorgegebene Linie ist bei einer Weiterbildung des aus Einzelsegmenten bestehenden Wandlers gegeben, wenn die Einzelsegmente in bezug auf die Hauptachse des Wandlers im Winkel schwenkbar abgeordnet sind.

Wenn dabei wieder die Einzelsegmente Kalottensegmente sind, so wird sich der Durchmesser des gedachten Kreisringes, auf dem die Einzelfoki liegen, vergrößern, wenn alle Segmente um den selben Winkel von der Wandlerhauptachse fort geschwenkt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Wandler auf seinerAbstrahlfläche mit einer akustischen Linse versehen, die mehrere akustische Foki aufweist.

Wenn diese Linse einstückig und rotationssymmetrisch ausgebildet ist und ihre Dicke vom Rand des Wandlers zu dessen Mitte hin stetig zunimmt, wird der Wandler einen ringförmigen Fokusbereich aufweisen.

Mit allen vorbeschriebenen Ausführungsformen des Wandlers wird ein guter Wirkungsquerschnitt erzielt, d. h., daß der Querschnitt des Fokusbereiches, in welchem eine genügend große Energiedichte vorliegt, um noch zur Zerstörung des Konkrementes, Gewebe und dergleichen beizutragen, hinreichend groß ist.

Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele gemäß der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1 eine Aufsicht (a), Schnittansicht (b) eines bekannten Wandlers im Vergleich zur Aufsicht (c) und Schnittansicht (d) einer ersten Ausführungs­ form des Wandlers,

Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht eines bekannten Kalottenwandlers (a) im Vergleich zu jener der ersten Ausführungsform des Wandlers (b),

Fig. 3 eine Aufsicht (a), Schnittansicht (b) eines bekannten Wandlers im Vergleich zur Aufsicht (c) und Schnitt­ ansicht (d) einer zweiten Ausführungsform des Wandlers,

Fig. 4 Aufsichten auf eine dritte Ausführungsform des Wandlers,

Fig. 5 Schnittansichten einer weiteren Ausführungsform des Wandlers,

Fig. 6 Schnittansichten einer anderen Ausführungsform des Wandlers,

Fig. 7 Schnittansicht eines bekannten Wandlers (a) im Vergleich zu jener einer weiteren Ausführungsform des Wandlers (b), und

Fig. 8 eine Schnittansicht einer noch weiteren Ausführungs­ form des Wandlers.

Alle gezeigten Ausführungsbeispiele können zur Erzeugung der Ultraschall-Stoßwellen beispielsweise mosaikartig mit piezokeramischen Elementen bestückt sein. Hierauf wird nachfolgend aber nicht weiter eingegangen.

In den Zeichnungen sind gleiche Teile mit den selben Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 sind die Aufsicht (a) und der Querschnitt (b) eines bekannten kalottenförmigen, selbstfokussierenden Wandlers (16) den Entsprechungen (c und d) eines ersten Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Wandlers 1 gegenüber gestellt.

Der bekannte Wandler 16 weist einen idealisiert als Punkt dargestellten Fokus 15 auf, auf den die Ultraschall- Stoßwellen gebündelt werden. Der Fokus 15 wird während der Applikation der Ultraschallstoßwellen auf das zu zerstörende Objekt ausgerichtet, so daß beide koinzident sind.

Der Wandler 1 ist von rotationssymmetrischer Gestalt und weist zentral eine planare Basis 1 auf. Im Bereich der planaren Basis 4 weist der Wandler 1 keine Wandlerelemente, beispielsweise piezoelektrische Elemente wie an den Abstrahlflächen 2 auf. Der Wandler 1 gibt ein rotationssymmetrisches Schall­ feld ab. Aufgrund seiner Formgebung fokussiert er die Energie der Ultraschallstoßwellen auf unendlich viele Punkte, die auf einer geschlossenen raumgekrümmten Linie 3 um seine Hauptachse 13 liegen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die raumgekrümmte Linie 3 ein geschlossener Kreisring. Demnach weist der Wandler 1 vorliegend ein geschlossenes, ringförmiges Fokusgebiet auf.

Fig. 2 zeigt nochmals die Wandler 16 und 1 in perspektivischer Ansicht zur Veranschaulichung. In der Darstellung stellen die gekrümmten Linien im Wandlerinneren lediglich den gekrümmten Verlauf der Abstrahlflächen 2 dar, nicht hingegen eine Segmentierung der Wandler.

In Fig. 3 sind die schon beschriebenen Darstellungen des bekannten Wandlers 16 den Entsprechungen einer zweiten Ausführungsform des Wandlers 1 gegenübergestellt.

Der Wandler 1 ist hier in vier Segmente 5, 6, 7, 8 unter­ teilt. Die Segmente 5, 6, 7, 8 sind kalottenförmig gestaltet, so daß jedes von ihnen einen Einzelfokus 9, 10, 11, 12 aufweist. Die Segmente 5, 6, 7, 8 sind vorliegend so zueinander angeordnet dargestellt, daß die Einzelfoki 9, 10, 11, 12 auf einer gedachten raumgekrümmten Linie 3 in Form eines Kreisringes liegen.

Die Einzelsegmente 5, 6, 7, 8 sind in einer Ebene in Bezug auf die Hauptachse 13 des Wandlers 1 translatorisch ver­ fahrbar, wie dies in der Aufsicht (c) durch die Doppelpfeile angedeutet ist. Wenn die Einzelsegmente ausgehend von der dargestellten Position jeweils um denselben Streckenanschnitt von der Hauptachse 13 fortbewegt werden, so vergrößert sich der Durchmesser des gedachten Kreisringes 3. Entsprechend kleiner wird er bei Bewegung der Einzelsegmente auf die Hauptachse 13 zu.

Mit diesem Ausführungsbeispiel des Wandlers 1 lassen sich auch andere raumgekrümmte Linien 3 als einen Kreisring darstellen, wenn nämlich die Strecken, um welche die Einzel­ segmente 5, 6, 7, 8 in bezug auf die Hauptachse 13 bewegt werden, nicht gleich sind.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform des Wandlers dargestellt, welche wie jene gemäß Fig. 3 von nicht­ rotationssymmetrischer Gestalt ist. Gegenüber jenem weist der Wandler vorliegend in seiner maximal ausgefahrenen Stellung (b) eine kreisförmige Außenkontur auf, während dies beim Wandler gemäß Fig. 3 dann der Fall ist, wenn alle Einzelsegmente 5, 6, 7, 8 weitestmöglich an die Hauptachse 13 des Wandlers 1 herangefahren sind. Dann nimmt der Wandler im Prinzip die Stellung (a) des Wandlers 16 ein.

In Fig. 5 (a) sind Kalottensegmente 5, 6 an ihrer Basis in einem gewissen Abstand voneinander entfernt angeordnet. Die Einzelfoki 9, 10 sind in dieser Stellung koinzident. Ausgehend von dieser Stellung können die Einzelsegmente 5, 6 nun in Richtung der Hauptachse 13 verfahren werden.

Die Endstellung (b) ist erreicht, wenn sich beide Segmente 5, 6 an der Hauptachse 13 berühren. In dieser Stellung (b) überlappen sich die von den Einzelsegmenten 5, 6 ausgehenden Schallkegel, so daß die Einzelfoki 9, 10 sich voneinander entfernen. Zwischen Stellung (a) und Stellung (b) ist selbstverständlich jede beliebige Zwischenstellung möglich.

Fig. 6 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des Wandlers. Hier sind die Segmente 5, 6 in bezug auf die Hauptachse 13 im Winkel schwenkbar. Ausgehend von der Extremposition (a), in der die Einzelfoki 9, 10 koinzident sind, können die Segmente 5, 6 beispielsweise in die Stellung (b) geschwenkt werden, wodurch sich die Einzel­ foki 9, 10 voneinander entfernen. Selbstverständlich brauchen die einzelnen Winkel, um welche die Einzelsegmente geschwenkt werden, nicht stets gleich groß sein. Durch unterschiedliche Verschwenkwinkel lassen sich von einem Kreisring unter­ schiedliche raumgekrümmte Linien erzeugen, auf denen die Einzelfoki zu liegen kommen.

In Fig. 7 (b) ist eine weitere Variante des Wandlers dargestellt, der hier aus einem einzigen rotationssymmetrischen Körper besteht. Er geht aus dem kalottenförmigen, bekannten Wandler (a) durch Kippen der Querschnittshälften hervor und besitzt einen Ringfokus.

Fig. 8 zeigt eine weitere interessante Ausführungs­ form des Wandlers 1. Auf der Abstrahlfläche 2 des Wandlers 1 ist eine akustische Linse 14 aufgebracht, die mehrere Foki 17, 18 aufweist. Hierbei wird eine Vergrößerung des Fokusgebietes also nicht durch Verfahren oder Verschwenken von Einzelelementen in bezug auf die Hauptachse 13 erzielt, sondern durch ein "akustisches Kippen".

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Linse 14 einstückig und rotationssymmetrisch ausgebildet. Ihre Dicke nimmt vom Rand des Wandlers 1 zu dessen Mitte hin stetig zu.

Der gezeigte Wandler weist ein Fokusgebiet auf, welches auf einem geschlossenen Kreisring als raumgekrümmte Linie liegt. In Abhängigkeit von der Linsendicke in der Wandlermitte und von der Schallgeschwindigkeit in ihrem Material lassen sich unterschiedliche Durchmesser der geschlossenen kreisringförmigen Linie und damit unter­ schiedliche Durchmesser des ringförmigen Fokusgebietes erzielen.

Claims (8)

1. Ultraschall-Stoßwellenwandler für die Anwendung in der Lithotripsie, Hyperthermie und dergl., der von ihm er­ zeugte Ultraschall-Stoßwellen auf das zu zerstörende Konkrement oder Gewebe sendet, dadurch gekennzeichnet, daß er die Energie der Ultraschall-Stoßwellen anteilig auf mindestens zwei Punkte fokussiert, welche auf einer gedachten, um seine Hauptachse (13) liegenden und von seiner Abstrahlfläche (2) beabstandeten beliebig raumgekrümmten Linie (3) angeordnet sind (Fig. 1 bis 8).

2. Ultraschall-Stoßwellenwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er die Energie der Ultraschall- Stoßwellen auf unendlich viele Punkte fokussiert, so daß diese eine in sich geschlossene raumgekrümmte Linie (3) bilden (Fig. 1, 2, 8).

3. Ultraschall-Stoßwellenwandler nach Anspruch 2 als die von ihm erzeugten Ultraschall-Stoßwellen selbst auf das Konkrement oder Gewebe lenkender Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß er eine rotationssymmetrische Gestalt aufweist und rückseitig so geformt ist, daß die an ihm reflektierten Schallwellen nicht konphas im Fokus zusammenlaufen können (Fig. 1, 2).

4. Ultraschall-Stoßwellenwandler nach Anspruch 1 als die von ihm erzeugten Ultraschall-Stoßwellen selbst auf das Konkrement oder Gewebe lenkender Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß er aus mehreren Einzelsegmenten (5, 6, 7, 8) mit jeweils einem Fokus (9, 10, 11, 12) besteht, die auf der gedachten beliebig raumgekrümmten Linie (3) liegen ( Fig. 3 bis 7).

5. Ultraschall-Stoßwellenwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelsegmente (5, 6, 7, 8) in einer Ebene in bezug auf die Hauptachse (13) des Wandlers (1) translatorisch verfahrbar sind ( Fig. 3 bis 5).

6. Ultraschall-Stoßwellenwandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelsegmente (5, 6, 7, 8) in bezug auf die Hauptachse (13) des Wandlers (1) im Winkel schwenkbar angeordnet sind ( Fig. 6, 7).

7. Ultraschall-Stoßwellenwandler nach Anspruch 1 oder 2 als kalottenförmiger Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Abstrahlfläche (2) des Wandlers (1) eine Linse (14) aufgebracht ist, welche mehr als einen akustischen Fokus aufweist.

8. Ultraschall-Stoßwellenwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (14) einstückig und rotationssymmetrisch ausgebildet ist und ihre Dicke vom Rand des Wandlers (1) zu dessen Mitte hin stetig zunimmt.