DE4205030C2 - Therapeutische Ultraschallvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine therapeutische Ultraschallvorrich­ tung, die zur Behandlung bösartiger Tumore, von Gallen- Blasen- Nieren- etc. -Steinen und dergleichen geeignet ist.

Aus US 48 21 730 ist es bekannt, zu einem Ultraschall- oder Schockwellen-Steinzertrümmerer eine Ultraschall-Ziel- und Überwachungsfunktion hinzuzufügen, um die Behandlungsmöglich­ keiten zu verbessern. Gemäß dieser Druckschrift wird in die Sendeapertur für die Ultraschall- oder Schockwellen ein Ultra­ schallprüfkopf integriert, der bezüglich der Sendeapertur rela­ tiv klein ist, um die Ziel- und Überwachungsfunktion mittels Ultraschall ausführen zu können. Da sowohl zum Hervorrufen der therapeutischen Effekte als auch für die Ziel- und Überwachungs­ funktion Schallwellen verwendet werden, ist dieses System im Prinzip vorteilhaft, da es selbstanpassende Eigenschaften hat und da es möglich ist, Zielfehler aufgrund des Einflusses der Brechung usw. in einem lebenden Körper auf ein geringes Maß herunterzudrücken.

Diese bekannte Technik hat eine Behandlung mit fokussierten Ultraschallwellen bei kleinen Zielabweichungen möglich gemacht. Unter dem Gesichtspunkt der Ziel- und Überwachungsfunktion ist jedoch die bekannte Technik nicht ausreichend. Im Falle der Be­ seitigung eines Steines ist es zwar möglich, durch Beobachtung der erhaltenen Ultraschallabbildung festzustellen, ob der der Schockwelle unterworfene Stein durch die Strahlungswirkung be­ wegt wird oder nicht und dadurch zu beurteilen, ob die Schock­ welle den Stein trifft oder nicht, und es ist demgemäß möglich, zu beurteilen, ob eine Zielposition richtig bestrahlt wird oder nicht. Im Falle der Behandlung eines Tumors ist es jedoch schwierig, Bewegungen des zu behandelnden Teiles durch die Strahlungswirkung in der Ultraschallabbildung zu beobachten, da die Unterschiede in der akustischen Impedanz zwischen dem Tumor und dem umgebenden Gewebe nur gering sind.

Aus US 4 620 546 ist eine therapeutische Ultraschallvorrich­ tung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merk­ malen bekannt, bei der eine Tumorbehandlung durch örtliche Erhitzung des Gewebes angestrebt wird. Dabei wird ein Ultra­ schallsender abwechselnd mit einer kontinuierlichen Welle und einer Stoßwelle beaufschlagt. Die kontinuierliche Ultra­ schallwelle dient zur eigentlichen Behandlung durch Erhitzung des Gewebes, während die Stoßwelle zur Lageermittlung der Fo­ kuszone durch Empfang von Harmonischen der fokussierten Ultraschallwellen und überlagerte Bilddarstellung dient.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Tumorbehandlung mittels Ultraschall zu schaffen, mit der sich die Behandlung auf die betreffende Stelle genau fokus­ sieren und Nebenwirkungen an benachbarten Stellen vermeiden läßt.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzei­ chenteil des Anspruchs 1 angegeben.

Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die Tumor­ behandlung durch Hervorrufen von Kavitationen an der zu be­ handelnden Stelle durch Schockwellen. Um Nebenwirkungen im umgebenden Gewebe zu verhindern, ist es wichtig, Kavitationen an anderen als der zu behandelnden Stelle zu vermeiden. Dazu werden die infolge der Kavitationen entstehenden Harmonischen der Behandlungs-Ultraschallwellen während deren Aussendung empfangen und damit gleichzeitig zur Lagebestimmung ausge­ nutzt. Im Gegensatz zum Stand der Technik findet keine Umschaltung zwischen einer Behandlungs- und einer Meßphase statt. Vielmehr arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung mit zwei Sende/Empfangs-Einheiten, um die Harmonischen während der kontinuierlichen Aussendung der Behandlungs-Ultraschall­ wellen zu erfassen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert, in denen

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Applikator zum Bestrahlen mit Ultraschallwellen und

Fig. 2 ein Blockschaltbild der gesamten therapeu­ tischen Ultraschallvorrichtung
zeigt.

Der im Applikator gemäß Fig. 1 verwendete Sender zum Erzeugen fokussierter Ultraschallwellen besteht aus einer Grundplatte 1 aus Leichtme­ tall, die gleichzeitig zur akustischen Anpassung, als Masseelek­ trode und zur Wärmeableitung dient. An einer Oberfläche der Grundplatte 1 ist eine Anzahl von piezoelektrischen Elementen 2 aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial (das so ausgewählt ist, daß die Resonanzfrequenz gleich 750 kHz ist) angebracht. An der anderen Oberfläche der Leichtmetall-Grundplatte 1 ist ein Wasserbeutel 3, der mit entgastem Wasser gefüllt ist, als aku­ stischer Koppler zu dem Körper 4 eines zu behandelnden Patienten angeordnet. Die Leichtmetall-Grundplatte 1 hat eine konkave sphärische Krümmung, um es zu ermöglichen, daß die Schallwellen auf die betroffene, zu behandelnde Stelle fokussiert werden können und um den Brennpunkt innerhalb des zu behandelnden Be­ reiches unter Verwendung einer so kleinen Anzahl von Wandler­ elementen wie möglich verändern zu können.

Am Applikator sind zwei Überwachungs-Sende/Empfangs-Einheiten angebracht, um eine Zielfunktion mit fokussierten Ultraschallwellen an der zu behandelnden Stelle und eine konti­ nuierliche Überwachung während der Bestrahlung mit dem fokus­ sierten Ultraschallstrahl mittels einer Ultraschallabbildung möglich zu machen. Jede der Sende/Empfangs-Einheiten 5-1 und 5-2 be­ steht aus einem arrayförmigen Ultraschallwandler aus zum Bei­ spiel hundert piezoelektrischen Elementen, mittels denen eine Ultraschallabbildung durch das echographische Verfahren mit elektronischer Impulsabtastung möglich ist. Über den Sende/Empfangs-Einheiten 5-1 und 5-2 ist jeweils ein Zahnrad 6-1 bzw. 6-2 so angeordnet, daß es über ein weiteres Zahnrad 8-1 bzw. 8-2, das an einem Drehmotor 7-1 bzw. 7-2 befestigt ist, gedreht werden kann. Die Drehwinkel der Sende/Empfangs-Einheiten 5-1 und 5-2 werden über Drehkodierer 9-1 bzw. 9-2 festgestellt. An den 5-1 und 5-2 ist darüberhinaus jeweils ein Linearmotor 10-1 bzw. 10-2 angebracht, so daß der Sender/Empfänger als Ganzes auf- und abwärts bewegt werden kann. Der Wert der Auf- und Abwärtsbewegung wird von Linearkodierern 11-1 bzw. 11-2 festgestellt. Der Applikator ist insgesamt an einer Haltevor­ richtung (nicht gezeigt) angebracht, mit der er über einen Arm 12 verbunden ist.

Dieser Applikator, der ein erstes Ausführungsbeispiel darstellt, wird durch die in der Fig. 2 dargestellte Schaltung gesteuert, wie es im folgenden beschrieben wird.

Eine Drehung und eine Verschiebung der Überwachungs-Sende/Empfangs-Einheiten 5-1 und 5-2 wird durch Ansteuern der Drehmoto­ ren 7-1 und 7-2 und der Linearmotoren 10-1 und 10-2 über Steuer­ schaltungen 16-1 und 16-2 bewirkt, die mit einer Hauptsteuer­ schaltung 20 in Verbindung steht. Die für den Betrieb der Vor­ richtung erforderlichen Befehle werden vom Bediener in die Hauptsteuerschaltung 20 eingegeben. Die Drehwinkel und die Werte für die Verschiebungen nach oben und unten werden erfaßt und zu der Hauptsteuerschaltung 20 zurückgeführt.

Von den Überwachungs-Sende/Empfangs-Einheiten 5-1 und 5-2 werden unter der Steuerung durch eine von der Hauptsteuerschal­ tung 20 angesteuerte Ultraschallimpuls-Sendesteuerung 25 und einen Ultraschallsende/Empfangs-Verstärker 24 Überwachungs- Ultraschallwellen ausgesendet. Von den ausgesendeten Überwa­ chungs-Ultraschallwellen reflektierte Wellen werden von den Sende/Empfangs-Einheiten 5-1 und 5-2 wieder erfaßt, über den Verstär­ ker 24 an eine Empfangswellen-Abtast- und -Fokussierschaltung 26 gegeben, die von der Hauptsteuerschaltung 20 angesteuert bzw. getriggert wird, und dort in echographische Ultraschallimpuls­ abbildungen umgewandelt. Die echographischen Abbildungen von den Sende/Empfangs-Einheiten 5-1 und 5-2 werden dann in Bildspeichern 27-1 und 27-2 aufgezeichnet und auf dem Bildschirm 30 einer Anzeige­ vorrichtung 28 als zweidimensionale tomographische Abb. 31-1 und 31-2 einander überlagert dargestellt, wie es in der Fig. 2 durch Schraffurlinien mit verschiedenen Richtungen ange­ zeigt wird. Da das Senden/Empfangen der Überwachungs-Ultra­ schallwelle, die Umwandlung in eine echographische Ultraschall­ impulsabbildung und die Darstellung an der Anzeigevorrichtung allgemein bekannt ist, wird auf eine Erläuterung davon hier verzichtet.

Wenn die Sende/Empfangs-Einheiten 5-1 und 5-2 gedreht werden, während die Überwachungs-Ultraschallwellen ausgesendet werden, ist es möglich, innerhalb eines konischen Bereiches, der durch die jeweiligen Abtastwinkel der gebündelten Strahlen bestimmt wird, dreidimensionale Abbildungen zu erstellen. In dem Bereich, in dem diese beiden konischen Bereiche einander überlagert werden, wird eine doppelt überlagerte dreidimensionale Abbildung er­ halten.

Wenn mit diesem Applikator eine Behandlung durchgeführt wird, bewegt ein Arzt den Applikator nach oben in eine Position, die für die Behandlung der betroffenen Stelle geeignet ist, während er die dargestellte Abbildung beobachtet, und fixiert den Appli­ kator dort. Dann gibt er die erforderlichen Befehle an die Hauptsteuerschaltung 20, richtet den Brennpunkt des fokussierten Ultraschallstrahles auf die betroffene Stelle und sendet den fo­ kussierten Ultraschallstrahl versuchsweise mittels einer An­ steuersignal-Berechnungsschaltung 21, einer Element-Ansteuer­ signal-Erzeugungsschaltung 22 und einem Ansteuerverstärker 23 aus. Dabei werden in der Umgebung des Brennpunktes des fokus­ sierten Ultraschallstrahls durch nichtlineare Effekte Harmo­ nische und insbesondere geradzahlige Harmonische hervorgerufen. Diese harmonischen Signale laufen über den gleichen Signalweg und werden der gleichen Verarbeitung unterworfen wie das Ultra­ schallimpuls-Echosignal und dann der echographischen Impulsab­ bildung überlagert dargestellt. Das heißt, daß die Signale für die Harmonischen von den Sende/Empfangs-Einheiten 5-1 und 5-2 aufge­ nommen werden, durch den Verstärker 24 und die Abtast- und Fokussierschaltung 26 laufen, in den Bildspeichern 27-1 und 27-2 gespeichert und auf dem Bildschirm 30 als einander überlagerte halbe geradlinige bandförmige Abb. 32-1 und 32-2 darge­ stellt werden. Wegen der kontinuierlichen und nicht impulsför­ migen Aussendung der fokussierten Ultraschallwellen und der entsprechend kontinuierlichen Erzeugung der Harmonischen erfolgt die Darstellung als halbe geradlinige bandförmige Abbildung. Bei der Verwendung eines einzigen Überwachungs-Ultraschallsenders/ Empfängers wäre es nicht möglich, die Position der Entstehung der Harmonischen in der Tiefenrichtung festzustellen. Da zwei Überwachungs-Sende/Empfangs-Einheiten verwendet werden, wird der Punkt der Entstehung der Harmonischen, das heißt der Brennpunkt der fokus­ sierten Ultraschallstrahlen, als diejenige Position dargestellt und erfaßt, bei der sich die beiden halben geradlinigen band­ förmigen Abb. 32-1 und 32-2 in der zweidimensionalen tomographischen Abbildung schneiden.

Der Arzt, der mit dem beschriebenen Gerät die Behandlung be­ wirkt, führt dann, nachdem bestätigt ist, daß die Position, an der infolge der Kavitationseffekte Harmonische entstehen, mit der zu behandelnden Stelle über­ einstimmt, die Hauptbestrahlung mit dem fokussierten Ultra­ schallstrahl aus. Wenn die Position, an der die Harmonischen entstehen, nicht mit der zu behandelnden Stelle übereinstimmt, werden die der Hauptsteuereinheit 20 zugeführten Befehle kor­ rigiert und die Bestrahlung wird erneut ausgeführt, nachdem der Brennpunkt des fokussierten Ultraschallstrahls auf elektronische Weise mittels der Ansteuersignal-Berechnungsschaltung 21 rich­ tiggestellt wurde.

Wenn festgestellt wird, daß das Ausmaß der Erzeugung von Harmo­ nischen nicht geeignet, sondern zu klein oder zu groß ist, wird die Größe des Ausgangssignals der Ansteuersignal-Berechnungs­ schaltung 21, das als Intensitätssignal für den fokussierten Ultraschallstrahl dient, auf dem Bildschirm 30 dargestellt, und die Bestrahlung wird erneut ausgeführt, nachdem das diesbezüg­ liche Befehlssignal korrigiert wurde.

Da der so erhaltene Brennpunkt des fokussierten Ultraschall­ strahls während des Aussendens des fokussierten Ultraschall­ strahls kontinuierlich dargestellt wird, kann der Arzt sofort die nötigen Maßnahmen ergreifen, um die Aussendung des fokus­ sierten Ultraschallstrahls zu unterbrechen, wenn der Brennpunkt von der gewünschten Position abweicht oder anderweitig ungeeig­ net wird, wodurch eine sicherere Behandlung möglich ist.

Obwohl es allgemein bekannt ist, wie der Brennpunkt des fokus­ sierten Ultraschallstrahls bestimmt wird, erfolgt hier eine kurze Erläuterung dazu.

Wenn der Mittelpunkt jedes der piezoelektrischen Elemente, die das Array des Senders zur Erzeugung des fokussierten Ultra­ schallstrahls bilden, mit Pn (n = 1, . . . , N) (N ist hier bei­ spielsweise gleich 100); der vorgesehene Brennpunkt mit F; die Länge des Segmentes PnF mit dn; der ungefähre Wert der Schall­ geschwindigkeit in einem lebenden Körper mit c und die Frequenz des fokussierten Ultraschallstrahls mit f bezeichnet wird, kann die Ultraschallwelle durch Ansteuern der verschiedenen piezo­ elektrischen Elemente mit jeweils einem Ansteuersignal, dessen Phase Φn zum Zeitpunkt t durch die Gleichung

Φn = 2πf(t - dn/c)

gegeben ist, auf den vorgesehenen Brennpunkt F fokussiert werden.

Es werden hier sowohl der Unterschied zwischen der Schallge­ schwindigkeit im Wasserbeutel und derjenigen im lebenden Körper als auch die Verteilung der Schallgeschwindigkeiten in einem lebenden Körper vernachlässigt. Ein Teil oder ein Hauptteil der Abweichung des Brennpunktes F aufgrund der Brechung der Schall­ wellen, die durch die Tatsache erzeugt wird, daß diese nicht Null ist, kann in sich konsistent dadurch korrigiert werden, daß die Bestimmung der Phase bei der Aussendung und dem Empfang der Überwachungs-Ultraschallwelle in der gleichen Weise wie oben bewirkt wird. Das heißt, daß keine Probleme auftreten, da für die Bestrahlung zur Behandlung und für das Aussenden und Empfangen der Ultraschallwellen zur Überwachung die Fehler jeweils in der gleichen Weise entstehen.

Die Berechnungen für die Ansteuerphase Φn werden in der An­ steuersignal-Berechnungsschaltung 21 ausgeführt. Das erhaltene Ergebnis wird zu den Element-Ansteuersignal-Erzeugungsschal­ tungen 22 gegeben, und die einzelnen piezoelektrischen Elemente 2 werden davon über den Ansteuerverstärker 23 angesteuert. Auf diese Weise wird ein elektronisches Brennpunkt-Abtasten mit dem fokussierten Ultraschallstrahl ausgeführt. Wenn zum Beispiel die Tiefe des Brennpunktes verändert werden soll, ist es folglich ausreichend, Befehle zum Ändern der Größe dn in der obigen Gleichung einzugeben.

Bei der gezeigten Ausführungsform sind die beiden Sende/Empfangs-Einheiten 5-1, 5-2 innerhalb des Wasserbeutels angeordnet. Dieser Aufbau ist für die Erfassung von Kavitationen sehr wirkungsvoll, die im Wasser­ beutel erzeugt werden. Wenn jedoch beabsichtigt ist, nur Kavi­ tationen zu erfassen, die im Körper des zu behandelnden Patien­ ten erzeugt werden, ist ein Aufbau günstiger, bei dem die Sende/Empfangs-Einheiten außerhalb des Wasserbeutels angeordnet sind. Alternativ wäre es auch möglich, einen Aufbau zu verwenden, bei dem überhaupt kein Wasserbeutel verwendet wird.

Um eine Abbildung darzustellen, die zur leichteren Beobachtbar­ keit von einer Anzahl von Sende/Empfangs-Einheiten er­ zeugt wird, ist es darüberhinaus günstig, eine Farbdarstellung zu verwenden und dabei die verschiedenen Farbtöne den Abbil­ dungssignalen von den verschiedenen Ultraschallsendern/Empfän­ gern zuzuordnen.

Claims (5)

1. Therapeutische Ultraschallvorrichtung, umfassend
einen Ultraschallsender (2) mit einer Fokussiereinrich­ tung (21, 22) zum Aussenden fokussierter Behandlungs-Ultra­ schallwellen,
eine Überwachungs-Sende/Empfangs-Einrichtung (5) mit steuerbarer Richtwirkung zum Aussenden von Überwachungs- Ultraschallwellen,
eine mit der Überwachungs-Sende/Empfangs-Einrichtung (5) gekoppelte Einrichtung (26, 27) zum Umwandeln von empfangenen Ultraschallwellen in echographische Bildinformation, und
eine mit der Umwandlungseinrichtung (26, 27) gekoppelte Einrichtung (30) zur überlagerten Darstellung eines aus re­ flektierten Überwachungs-Ultraschallwellen gewonnenen echo­ graphischen Bildes mit einem aus Harmonischen der fokussier­ ten Ultraschallwellen gewonnenen echographischen Bild, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsender (2) die Behandlungs-Ultraschallwellen kontinuierlich aussendet und die Überwachungs-Sende/Empfangs-Einrichtung (5) zwei Sen­ de/Empfangs-Einheiten (5-1, 5-2) umfaßt, die durch Kavitati­ onseffekte in der Umgebung des Zielpunktes erzeugte Harmoni­ sche der Behandlungs-Ultraschallwellen während der Aussendung dieser Behandlungs-Ultraschallwellen empfangen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (30) zur überlagerten Darstellung der echo­ graphischen Bilder (31-1, 31-2) den Zielpunkt als Schnitt­ punkt der beiden echographischen Bilder darstellt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Ultraschallsender eine Anzahl von piezoelektri­ schen Elementen (2) aus Keramik enthält, die an einer als Masseelektrode, zur akustischen Anpassung und zur Wärmeablei­ tung dienenden, konkav gekrümmten Grundplatte (1) aus Leicht­ metall angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (6-1, 6-2, 7-1, 7-2, 8-1, 8-2, 10-1, 10-2) zum Drehen sowie zum Aufwärts- und Abwärtsbewegen der Überwa­ chungs-Sende/Empfangs-Einheiten (5-1, 5-2) relativ zu der Grundplatte (1).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlungseinrichtung Bildspeicher (27-1, 27-2) zum Aufzeichnen der beiden echographischen Bil­ der umfaßt.