DE4037160A1 - Akustische fokussiereinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine akustische Fokussiereinrichtung, insbesondere zur Fokussierung von Ultraschall- und Stoßwellen zum berührungslosen Zerklei­ nern eines im Körper eines Lebewesens befindlichen Konkrements.

Zur Fokussierung von ebenen oder schwach gekrümmten Stoßwellenfronten, wie sie bei Lithotripsiegeräten erzeugt werden, die z. B. nach dem elektro­ magnetischen oder piezoelektrischen Wandlerprinzip arbeiten, wird ein aku­ stisches Linsensystem benötigt. Die fokussierte Stoßwelle wird im Körper auf den zu behandelnden Stein ausgerichtet. Dabei sind je nach Lage des Steins verschiedene Eindringtiefen der Stoßwelle erforderlich.

Die Forderung nach variabler Eindringtiefe kann erfüllt werden durch fest­ brennweitige Systeme mit einer zusätzlichen variablen Vorlaufstrecke (z. B. balgförmiges Wasserkissen) oder durch ein System mit veränderlicher Brenn­ weite.

Weitere Forderungen an eine Therapieeinheit für die Lithotripsie sind z. B. die Baugröße, Gewicht sowie möglichst geringer technischer Aufwand bei den Peripheriegeräten (z. B. lageunabhängige, sensible Druck-/Volumenrege­ lung).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Fokussiereinrichtung sehr gerin­ ger Baugröße zu schaffen, dessen Fokuslänge (Schnittweite) in einem weiten Bereich veränderbar ist und darüberhinaus den technischen Aufwand bei den Therapiegeräten vermindert. Unter der Fokuslänge F bzw. Schnittweite eines Linsensystems wird hierbei und im folgenden der Abstand zwischen Fokus und dem nächstliegenden Punkt der, von der Stoßwellenquelle aus gesehen, letzten brechenden Fläche des Linsensystems verstanden.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprü­ chen.

Erfindungsgemäß werden zwischen Schallquelle und Ankoppelfläche an den Patienten eine oder mehrere Grenzflächen, die sich zwischen Flüssigkeiten unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit befinden, gebracht. Diese Grenzflä­ chen können dabei aus Materialien bestehen, die formfest sind, d. h. ihre Form wird insbesondere nicht durch Druckdifferenzen zwischen den auf beiden Seiten der Grenzfläche angrenzenden Flüssigkeiten beeinflußt. Mindestens eine der Grenzflächen jedoch ist aus formflexiblen Material, d. h. eine Verfor­ mung dieser Grenzfläche aufgrund Druckdifferenzen zwischen den angren­ zenden Flüssigkeiten ist möglich. Solche Druckdifferenzen werden dadurch erzeugt, daß erfindungsgemäß mindestens eine der Grenzflächen parallel zur Ausbreitungsrichtung der Schallwellen verschoben und danach in ihrer Lage arretiert werden kann, wodurch angrenzende Flüssigkeitsvolumina kompri­ miert bzw. entlastet werden. Unter der Ausbreitungsrichtung der Schallwellen zylindrischen Rohrs 6, das durch die Ankoppelfläche 4 an den Patientenkör­ per abgeschlossen wird. Durch das Bauteil 5, im weiteren als Linsengruppe bezeichnet, das die Grenzflächen 1, 2, 3 umfaßt, wird das Volumen innerhalb des Rohres 6 in zwei Volumenbereiche unterteilt, die mit zwei Flüssigkeiten unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit gefüllt sind. Diese beiden Volumen­ bereiche sind ihrerseits unterteilt in die Volumina 11, 12 und 13, 14, wobei die Volumina 11, 12 über den Zugang 15 und die Volumina 13, 14 über den Zugang 16 miteinander verbunden sind. Somit befindet sich in den Volu­ mina 11, 12 die erste Flüssigkeit, in den Volumina 13, 14 die zweite Flüssig­ keit.

Eine in der Schallquelle 7 erzeugte Wellenfront durchläuft nacheinander die Flüssigkeiten in den Volumina 11, 13, 12, 14, bis sie über die Ankoppel­ fläche 4 an den Patientenkörper geführt wird. Dabei erfolgen an den Grenz­ flächen 1, 2, 3 Übergänge zwischen den beiden Flüssigkeiten unterschied­ licher Schallgeschwindigkeit.

Die Linsengruppe 5 läßt sich innerhalb des Rohres 6 parallel zu dessen Wän­ den verschieben. Durch Gleitdichtungen an den Berührungsstellen von Lin­ sengruppe 5 und Rohrwand wird auch während der Verschiebung der Aus­ tausch zwischen den beiden Flüssigkeiten in den Volumina 11, 12 und 13, 14 unterbunden.

Die Flächen 1, 3 der Linsengruppe 5 sind formstabil, während die Fläche 2 aus elastischem Material besteht und somit formflexibel ist.

Bei einer Verschiebung der Linsengruppe 5 in Richtung der Schallquelle 7 wird Flüssigkeit aus dem Volumen 11 verdrängt und strömt durch den Zugang 15 in Volumen 12. Dadurch wird die formflexible Grenzfläche 2 aufgewölbt und verdrängt wiederum Flüssigkeit aus dem Volumen 13 durch den Zugang 16 in das Volumen 14. Die Stoffmengen jeder der beiden Flüssigkeiten in wird hierbei die Ausbreitungsrichtung der ebenen Schallwellenfront vor ihrer Fokussierung verstanden.

Eine formflexible Grenzfläche wird sich solange verformen, bis ein Gleichge­ wicht zwischen den Drücken in den angrenzenden Flüssigkeiten und der ela­ stischen Kraft aufgrund ihrer eigenen Verformung eintritt. Diese Verformung wiederum bewirkt eine Veränderung der Brechkraft dieser Grenzfläche. Eine Veränderung der brechenden Eigenschaften der gesamten Fokussier­ einrichtung, als insbesondere Brechkraft und Fokuslänge F, resultiert somit letztlich aus zwei Effekten:

• 1. der Lageänderung einer oder mehrerer verschobener Grenzflächen
• 2. der Brechkraftänderung einer oder mehrerer formflexibler Grenzflächen aufgrund ihrer Verformung.

Eine Ausführung und weitere Vorteile der Erfindung werden im folgenden an­ hand von Zeichnungen beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 den Querschnitt einer erfindungsgemäßen akustischen Fokussierein­ richtung 10 bei drei verschiedenen Einstellungen der Fokuslänge F (Fig. 1a, 1b, 1c),

Fig. 2 den Querschnitt einer erfindungsgemäßen akustischen Fokussierein­ richtung 10 mit einem Ultraschalltransducer 20 bei drei verschiedenen Einstellungen der Fokuslänge F (Fig. 2a, 2b, 2c).

In Fig. 1a ist der Querschnitt einer erfindungsgemäßen Fokussiereinrichtung 10 dargestellt.

Eine Schallquelle 7, z. B. eine Stoßwellenquelle nach dem elektromagneti­ schen oder piezomagnetischen Wandlerprinzip, bildet die Grundfläche eines den Volumina 11, 12 bzw. 13, 14 bleiben vor, während und nach der Ver­ schiebung gleich.

Um bei den hier dargestellten Krümmungsradien der Grenzflächen 1, 2, 3, 4 ein fokussierendes System zu erhalten, ist die Flüssigkeit in den Volumina 11, 12 so zu wählen, daß sie eine geringere Schallgeschwindigkeit besitzt als die Flüssigkeit in den Volumina 13, 14. Ein Beispiel hierfür ist H₂O in den Volumina 11, 12 und Glycerin in den Volumina 13, 14.

In einer vorteilhaften Ausführung wird die Ankoppelfläche 4 formfest gewählt. Ihre brechende Wirkung bestimmt sich allgemein aus der Schallgeschwindig­ keit in der angrenzenden Flüssigkeit in Volumen 14 im Verhältnis zu der im Patientenkörper.

Wird die Flüssigkeit im Volumen 14 so gewählt, daß diese beiden Schallge­ schwindigkeiten gleich sind, so hat die Ankoppelfläche 4 keine brechende Wirkung. Unter dieser Bedingung ist es besonders vorteilhaft, sie aus formfle­ xiblen Materialien herzustellen, da hierdurch die Ankopplung an den Patien­ tenkörper erleichtert wird.

Für die Steuerung der Fokuslänge F ist nur die Lage der beweglichen Linsen­ gruppe 5 maßgebend. In Fig. 1b und 1c ist dieselbe Fokussiereinrichtung 10 wie in Fig. 1a abgebildet, wobei jedoch die bewegliche Linsengruppe 5 sich innerhalb des zylindrischen Rohres 6 in anderen Positionen befindet. Daraus resultiert jeweils eine andere Krümmung der formflexiblen Grenzfläche 2, was wiederum eine andere Brechkraft dieser Grenzfläche 2 und somit auch der gesamten Fokussiereinrichtung 10 zur Folge hat. Zur Veränderung der Fokus­ länge F trägt sowohl diese Brechkraftänderung wie auch die Änderung der Lage der Linsengruppe 5 innerhalb des Rohres 6 bei.

Durch die Erfindung werden die folgenden Vorteile erzielt:

• - geringe Baugröße Da die Veränderung der Fokuslänge F aus der Verschiebung der Lin­ sengruppe 5 und der Brennweitenänderung der flexiblen Grenzfläche 2 resultiert, ergibt bereits ein kleiner Verschiebungsweg eine deutliche Fokuslängenänderung. Die Gesamtlänge der Therapieeinheit wird ge­ genüber einem System mit fester Brennweite und Wasservorlaufstrecke oder einem System mit festbrennweitiger verschiebbarer Linse deutlich geringer.
• - Druck- und Volumenregelung entfallen vollständig, da die im System enthaltene Flüssigkeitsmenge konstant bleibt.
• - unkomplizierte Steuerung der Fokuslage Die Fokuslage ist eine eindeutige Funktion des Verschiebungswegs der Linsengruppe 5. Eine Messung des Befüllungsgrads in der flexiblen Linse (innerhalb des Volumens 13) ist nicht notwendig.
• - Bei kurzen Fokuslängen F vergrößert sich die Apertur der Fokussierein­ richtung 10, das heißt die Energiedichte an der Hautoberfläche - auch bei dünnen Patienten - bleibt gering.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird ein Ultraschalltransducer 20 in die Fokussiereinrichtung 10 integriert. Fig. 2 zeigt den Querschnitt einer Fo­ kussiereinrichtung 10, die der in Fig. 1 gezeigten entspricht, jedoch mit zusätz­ lichem Ultraschalltransducer 20, bei drei verschiedenen Einstellungen der Fokuslänge F (Fig. 2a, 2b, 2c).

Der Ultraschalltransducer 20 ist über eine Haltearm 21 an der Linsengruppe 5 befestigt, so daß er bei deren Verschiebung mitbewegt wird. Bevorzugt wird der Ultraschalltransducer 20 auf der Hauptachse 17 (die in diesem Falle der Rohrachse entspricht) der Fokussiereinrichtung 10 angeordnet. Durch die Verbindung mit der Linsengruppe 5 wird erreicht, daß bei kurzer Fokuslänge F (Fig. 2c) die Abschattung der Stoßwelle durch das Transducer­ gehäuse gering bleibt und bei großen Fokuslängen F (Fig. 2a) sich der Ultra­ schalltransducer sehr nahe am Körper des Patienten befindet, so daß dessen Eindringtiefe optimal genutzt werden kann.

Durch das Verschieben der Linsengruppe 5 ändert sich die Fokuslage relativ zum Transducer 20 weniger stark als die Fokuslänge F der Fokussiereinrich­ tung 10, d. h. die Lage des Fokus bleibt im mittleren Bildbereich des Transdu­ cers 20 bei guter Abbildungsqualität.

Claims (9)

1. Akustische Fokussiereinrichtung (10) zur Fokussierung von Ultra­ schall- und Stoßwellen für medizinische Anwendungen, dadurch gekennzeichnet, daß

• - zwischen Schallquelle (7) und Ankoppelfläche (4) an den Patien­ tenkörper, sich eine oder mehrere Grenzflächen (1, 2, 3) zwischen Flüssigkeiten unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit befinden,
• - mindestens eine (2) dieser Grenzflächen (1, 2, 3) formflexibel ist,
• - mindestens eine (1, 2, 3) der Grenzflächen (1, 2, 3) parallel zur Ausbreitungsrichtung der Schallwellen verschoben werden kann
• - durch diese Verschiebung der Krümmungsradius und damit die Brechkraft einer (2) oder mehrerer der vorhandenen formflexiblen Grenzflächen verändert wird.

2. Akustische Fokussiereinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Stoffmengen aller Flüssigkeiten innerhalb der Fokussiereinrichtung (10) vor, während und nach der Verschiebung konstant sind.

3. Akustische Fokussiereinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ankoppelfläche (4) an den Patientenkörper formstabil ist.

4. Akustische Fokussiereinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ankoppelfläche (4) an den Patientenkörper formflexibel ist.

5. Akustische Fokussiereinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen Schallquelle (7) und Ankoppelfläche (4) an den Patientenkörper drei hintereinanderliegende Grenzflächen (1, 2, 3) einer Linsengruppe (5) angeordnet sind, wobei die mittlere (2) dieser drei Grenzflächen (1, 2, 3) formflexibel ist.

6. Akustische Fokussiereinrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Volumen (12) zwischen Grenzfläche (2) und (3) mit dem Volumen (11) zwischen Grenzfläche (1) und der Schall­ quelle (7) in Verbindung steht und das Volumen (13) zwischen Grenz­ fläche (1) und (2) mit dem Volumen (14) zwischen Ankoppelfläche (4) an den Patientenkörper und der Grenzfläche (3) in Verbindung steht.

7. Akustische Fokussiereinrichtung (10) nach Anspruch 5 und 6, da durch gekennzeichnet, daß die Linsengruppe (5) mit den drei Grenzflächen (1, 2, 3) parallel zur Ausbreitungsrichtung der Schall­ wellen verschiebbar ist.

8. Akustische Fokussiereinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich ein Ultraschalltransducer (20) innerhalb der Fokussiereinrichtung (10) zwischen Schallquelle (7) und Ankoppel­ fläche (4) an den Patientenkörper befindet.

9. Akustische Fokussiereinrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ultraschalltransducer (20) sich auf der Haupt­ achse (17) der Fokussiereinrichtung (10) befindet und mit einer der beweglichen Grenzflächen (1, 2, 3) verbunden ist.