DE4037160C2

DE4037160C2 -

Info

Publication number: DE4037160C2
Application number: DE4037160A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. 8081 Pischertshofen De Viebach
Original assignee: Dornier Medizintechnik GmbH
Current assignee: Dornier Medizintechnik GmbH
Priority date: 1990-11-22
Filing date: 1990-11-22
Publication date: 1992-09-10
Also published as: DE4037160A1; EP0486815A1; JPH04266750A; US5240005A

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).

In der DE 85 23 024 U1 ist ein Ultraschallgenerator angegeben, der zwischen Ankoppelfläche an den Patientenkörper und einem piezoelektrischen Wandler eine formflexible Grenzfläche enthält, deren Krümmung durch Änderung des Drucks in der angrenzenden Flüssigkeit verändert werden kann. Die Fokusverlagerung kann alternativ auch durch die Verschiebung einer zusätzlichen Festkörperlinse erreicht werden.

In der DE 37 39 393 A1 ist ein Lithotripter mit verstellbarer Fokussierung beschrieben, bei der die Wandung einer Flüssigkeitslinse mit einem Teil einer Verstelleinrichtung verbunden ist. Durch Bewegen der Verstelleinrichtung in Stoßwellenausbreitungsrichtung ändert sich die Krümmung der Wandung. In der DE 33 28 051 A1 ist eine Vorrichtung zum berührungslosen Zertrümmern von Konkrementen beschrieben, bei der die Veränderung des Fokuspunkts durch Verschiebung einer oder mehrerer akustischer Linsen erreicht wird.

Aus der DE 36 05 277 A1 ist eine Stoßwellentherapieeinrichtung bekannt, bei der eine Linse von Koppelmedium umgeben ist, wobei die Flüssigkeitsbereiche vor und hinter der Linse miteinander in Verbindung stehen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Fokussiereinrichtung sehr gerin ger Baugröße zu schaffen, deren Fokuslänge (Schnittweite) in einem weiten Bereich veränderbar ist und darüber hinaus 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 bei einer akustischen Fokussiereinrichtung gemäß dem OBb durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprü chen.

Erfindungsgemäß werden zwischen Schallquelle und Ankoppelfläche an den Patienten drei Grenzflächen, die sich zwischen Flüssigkeiten unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit befinden, gebracht. Diese Grenzflächen 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. Eine der Grenzflächen jedoch ist aus formflexiblem Material, d. h. eine Verformung dieser Grenzfläche aufgrund Druckdifferenzen zwischen den angrenzenden Flüssigkeiten ist möglich.

Solche Druckdifferenzen werden dadurch erzeugt, daß erfindungsgemäß die dei Grenzflächen parallel zur Ausbreitungsrichtung der Schallwellen verschoben und danach in ihrer Lage arretiert werden kann, wodurch angrenzende Flüssigkeitsvolumina komprimiert bzw. entlastet werden. Unter der Ausbreitungsrichtung der Schallwellen wird hierbei die Ausbreitungsrichtung der ebenen Schallwellenfront vor ihrer Fokussierung verstanden.

Die 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 (insbesondere Brechkraft und Fokuslänge F) resultiert somit letztlich aus zwei Effekten:

1. der Lageänderung der verschobenen Grenzflächen
2. der Brechkraftänderung der formflexiblen Grenzfläche 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 zylindrischen Rohrs 6, das durch die Ankoppelfläche 4 an den Patientenkörper 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 Volumenbereiche 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 Volumina 11, 12 die erste Flüssigkeit, in den Volumina 13, 14 die zweite Flüssigkeit.

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

Die Linsengruppe 5 läßt sich innerhalb des Rohres 6 parallel zu dessen Wänden verschieben. Durch Gleitdichtungen an den Berührungsstellen von Linsengruppe 5 und Rohrwand wird auch während der Verschiebung der Austausch 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 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 Ultraschallwandler 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 Ultraschallwandler 20, bei drei verschiedenen Einstellungen der Fokuslänge F (Fig. 2a, 2b, 2c).

Der Ultraschallwandler 20 ist über eine Haltearm 21 an der Linsengruppe 5 befestigt, so daß er bei deren Verschiebung mitbewegt wird. Bevorzugt wird der Ultraschallwandler 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 Wandler gehäuse gering bleibt und bei großen Fokuslängen F (Fig. 2a) sich der Ultra schallwandler 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 Ultraschallwandler 20 weniger stark als die Fokuslänge F der Fokussiereinrich tung 10, d. h. die Lage des Fokus bleibt im mittleren Bildbereich des Ultraschallwanders 20 bei guter Abbildungsqualität.

Claims

1. Akustische Fokussiereinrichtung (10) zur Fokussierung von Ultra schall- und Stoßwellen für medizinische Anwendungen, wobei zwischen Schallquelle und Ankoppelfläche an den Patientenkörper mehrere hintereinanderliegende Grenzflächen zwischen Schallträgermedien unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit angeordnet sind, wobei eine der Grenzflächen formflexibel ist dadurch gekennzeichnet, daß

- zwischen Schallquelle (7) und Ankoppelfläche (4) drei hintereinanderliegende Grenzflächen (1, 2, 3) einer Linsengruppe (5) vorhanden sind, wobei die mittlere (2) der drei Grenzflächen (1, 2, 3) formflexibel ist, und die Schallträgermedien sämtlich Flüssigkeiten sind,
- die Linsengruppe (5) mit den drei Grenzflächen (1, 2, 3) parallel zur Ausbreitungsrichtung der Schallwellen verschoben werden kann,
- das Volumen (12) zwischen Grenzfläche (2) und (3) mit dem Volumen (11) zwischen Grenzfläche (1) und der Schallquelle (7) in Verbindung steht und das Volumen (13) zwischen Grenzfläche (1) und (2) mit dem Volumen (14) zwischen Ankoppelfläche (4) an den Patientenkörper und der Grenzfläche (3) in Verbindung steht,
- durch die Verschiebung der Linsengruppe (5) der Krümmungsradius und damit die Brechkraft der formflexiblen Grenzfläche (2) 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 sich ein Ultraschallwandler (20) innerhalb der Fokussiereinrichtung (10) zwischen Schallquelle (7) und Ankoppelfläche (4) an den Patientenkörper befindet.

6. Akustische Fokussiereinrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler (20) sich auf der Hauptachse (17) der Fokussiereinrichtung (10) befindet und einer der beweglichen Grenzflächen (1, 2, 3) verbunden ist.