DE4311327A1 - Therapeutic equipment (device) for treatment using acoustic (sound) waves - Google Patents
Therapeutic equipment (device) for treatment using acoustic (sound) wavesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Therapiegerät zur Behandlung mit akustischen Wellen mit einer Quelle, die die akustischen Wellen aussendet.The invention relates to a therapy device for treatment with acoustic waves with a source that is acoustic Emits waves.
Derartige Therapiegeräte werden zur Behandlung sowohl von benignen als auch malignen Gewebeveränderungen eingesetzt. Die Quellen strahlen dabei gewöhnlich akustische Wellen im Ultraschallbereich ab. Die Quellen enthalten gewöhnlich elektroakustische Wandler, die auf ihrer Resonanzfrequenz oder nahe bei ihrer Resonanzfrequenz mit einer definierten Frequenz, d. h. monofrequent, betrieben werden. Bei der Behandlung können im Falle von fokussierten akustischen Wellen im Fokus Temperaturen im Bereich von 40 bis 100°C erzeugt werden, wobei die Temperatur in Abhängigkeit von dem jeweils zu behandelnden Krankheitsbild gewählt wird. Die genannten Temperaturen werden von dem Patienten ertragen, solange das zu behandelnde Organ bzw. Gewebeteil nicht temperaturempfindlich ist. Befindet sich der zu behandelnde Bereich tief innerhalb des Patienten, ist im Falle fokussierter akustischer Wellen deren Intensität an der Eintrittsstelle in den Körper und damit auch die Erwärmung der temperaturempfindlichen Haut gering. Probleme treten erst bei der Behandlung von dicht bei der Körperoberfläche liegenden Bereichen mit fokussierten akustischen Wellen und/oder bei längeren Behandlungsdauern (mehrere Sekunden) auf, im letzteren Falle unabhängig davon, ob die akustischen Wellen fokussiert sind oder nicht.Such therapy devices are used to treat both benign as well as malignant tissue changes used. The sources usually emit acoustic waves in the Ultrasound range. The sources usually contain electroacoustic transducers based on their resonance frequency or close to their resonance frequency with a defined one Frequency, d. H. be operated monofrequently. In the Treatment can be done in the case of focused acoustic Waves in focus Temperatures in the range of 40 to 100 ° C are generated, the temperature depending on the disease pattern to be treated is selected. The temperatures mentioned are borne by the patient, as long as the organ or tissue part to be treated is not is sensitive to temperature. Is the one to be treated Area deep within the patient is in the event focused acoustic waves whose intensity at the Entry point into the body and thus also the warming temperature sensitive skin. Problems only arise in the treatment of close to the body surface lying areas with focused acoustic waves and / or for longer treatment times (several seconds) on, in the latter case regardless of whether the acoustic Waves are focused or not.
Es kann dann nämlich zu schmerzlichen Verbrennungen der Haut kommen. Die Behandlung muß daraufhin abgebrochen werden. This can cause painful skin burns come. The treatment must then be stopped.
Neben der erhöhten Intensität der akustischen Wellen an der
Eintrittsstelle im Falle der Behandlung von oberflächennahen
Bereichen mit fokussierten akustischen Wellen kommen die
Probleme vor allem durch die Entstehung von stehenden Wellen
in der Haut oder hautnahen Fettschichten, die akustisch wie
zwei planparallele Platten wirken, zustande (siehe Do-Huu et
al., "Deep and Local Heating Induced by an Ultrasound Phased
Array Transducer", Proc. of the 1982 IEEE Ultrasonics
Symposium, 735-738)
Die genannten Probleme lassen sich beispielsweise durch die
Verwendung eines von P. M. Harari et al. in Int. J. Radiat.
Oncol. Biol. Phys. 21, (1991), 831-840, beschriebenen
sogenannten Scanned Focused Ultrasound Hyperthermia Systems
vermeiden, wobei mit der Realisierung eines solchen Systems
jedoch ein ganz erheblicher technischer Aufwand verbunden
ist.In addition to the increased intensity of the acoustic waves at the point of entry when treating near-surface areas with focused acoustic waves, the problems arise primarily from the formation of standing waves in the skin or fat layers close to the skin, which act acoustically like two plane-parallel plates (see Do-Huu et al., "Deep and Local Heating Induced by an Ultrasound Phased Array Transducer", Proc. Of the 1982 IEEE Ultrasonics Symposium, 735-738)
The problems mentioned can be solved, for example, by using a PM Harari et al. in Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 21, (1991), 831-840, to avoid so-called scanned focused ultrasound hyperthermia systems, but the implementation of such a system involves a very considerable technical outlay.
Eine andere Möglichkeit zur Vermeidung der genannten Probleme besteht darin, daß die Quelle keinen Dauerschall, sondern nur kurze Bursts ("Wellenpakete") der akustischen Wellen abstrahlt, die durch längere Pausen voneinander getrennt sind (siehe G. Vallancien et al., "Focussed Extracorporeal Pyrotherapy: Experimental Results", Eur. Urol, 20, (1991), 211-219). Dies führt jedoch zu einer unerwünschten Verlängerung der Behandlungsdauer.Another way to avoid the problems mentioned is that the source is not a continuous sound, but only short bursts ("wave packets") of acoustic waves emits that are separated from each other by longer pauses (See G. Vallancien et al., "Focussed Extracorporeal Pyrotherapy: Experimental Results ", Eur. Urol, 20, (1991), 211-219). However, this leads to an undesirable one Extension of treatment time.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Therapieeinrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß auf einfache Weise die Gefahr von Hautverbrennungen zumindest vermindert ist, ohne daß dies zu einer wesentlichen Erhöhung der Behandlungsdauer führt.The invention has for its object a Therapy device of the type mentioned above train that easily the risk of Skin burns are at least reduced without this leads to a substantial increase in the duration of treatment.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Therapiegerät zur Behandlung akustischen Wellen mit einer Quelle zur Erzeugung der akustischen Wellen, die eine durch eine obere und eine untere Grenzfrequenz begrenzte Bandbreite ausfüllen. Die sich bei der Behandlung in dem zu behandelnden Objekt ausbreitenden akustischen Wellen sind somit inkohärent, womit die grundlegende Voraussetzung für die Entstehung von stehenden Wellen entfällt. Es wird also deutlich, daß die Gefahr von Hautverbrennungen im Vergleich zum Stand der Technik zumindest deutlich vermindert ist. Somit besteht zumindest unter dem Gesichtspunkt der Vermeidung von Hautverbrennungen keine Notwendigkeit im Verlauf der Behandlungsdauer zeitliche Pausen einzulegen, d. h. die Vermeidung von Hautverbrennungen ist ohne Verlängerung der Behandlungsdauer möglich.According to the invention, this object is achieved by a Therapy device for the treatment of acoustic waves with a Source for generating the acoustic waves that pass through an upper and a lower limit frequency limited bandwidth to complete. Which is in the treatment in the to be treated Object-propagating acoustic waves are thus incoherent, which is the basic requirement for The formation of standing waves is eliminated. So it will clearly compared that the risk of skin burns is at least significantly reduced compared to the prior art. Thus, at least from the point of view of Avoiding skin burns no need im Take breaks during the course of the treatment, d. H. avoiding skin burns is without Extension of treatment time possible.
Als zweckmäßig hat es sich übrigens erwiesen, wenn die relative Bandbreite wenigstens gleich 5% der Mittenfrequenz der akustischen Wellen beträgt.Incidentally, it has proven useful if the relative bandwidth at least equal to 5% of the center frequency of acoustic waves.
Gemäß einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, daß die Quelle die akustischen Wellen in Form eines stochastischen akustischen Signals, insbesondere in Form von akustischem Rauschen, erzeugt. Durch die stochastische Natur der akustischen Wellen, d. h. durch innerhalb der Bandbreite statistische Verteilung von Amplitude und Frequenz, können zumindest im wesentlichen keine stehenden Wellen entstehen.According to a variant of the invention it is provided that the Source the acoustic waves in the form of a stochastic acoustic signal, especially in the form of acoustic Noise, generated. Due to the stochastic nature of the acoustic waves, d. H. through within the bandwidth statistical distribution of amplitude and frequency at least essentially no standing waves arise.
Gemäß einer anderen Variante der Erfindung ist vorgesehen, daß die Quelle die akustischen Wellen in Form eines deterministischen akustischen Signals erzeugt, und zwar gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform als Signal mit sich über der Zeit innerhalb der Bandbreite gleitend ändernder Frequenz. Auch in diesem Falle sind die sich in dem zu behandelnden Objekt ausbreitenden Schallwellen inkohärent, mit der Folge, daß sich zumindest im wesentlichen keine stehenden Wellen ausbilden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich die Frequenz in aufeinanderfolgenden Signalabschnitten jeweils über die gesamte Bandbreite ändert, da dann die gesamte zur Verfügung stehende Bandbreite für die Unterdrückung von stehenden Wellen ausgenutzt wird. Dabei kann sich die Frequenz in auf einanderfolgenden Signalabschnitten jeweils entweder gleitend von der unteren Grenzfrequenz auf die obere Grenzfrequenz oder umgekehrt ändern. Das heißt, die Frequenz der akustischen Wellen ändert sich zwischen auf einanderfolgenden Signalabschnitten sprunghaft. Um zu vermeiden, daß bei dieser sprunghaften Frequenzänderung unerwünschte Verzerrungsprodukte abgestrahlt werden, kann vorgesehen sein, daß sich die Frequenz in aufeinander folgenden Signalabschnitten abwechselnd von der unteren Grenzfrequenz auf die obere Grenzfrequenz und von der oberen Grenzfrequenz auf die untere Grenzfrequenz ändert.According to another variant of the invention, that the source is the acoustic waves in the form of a generated deterministic acoustic signal, according to a particularly preferred embodiment as a signal with sliding over time within the range changing frequency. In this case, too, they are in the sound waves propagating to the object to be treated are incoherent, with the result that at least essentially none train standing waves. It is particularly advantageous if the frequency is in consecutive Signal sections changes over the entire bandwidth, because then the entire available bandwidth for the Suppression of standing waves is used. Here the frequency can be in consecutive Signal sections either sliding from the lower one Cutoff frequency to the upper cutoff frequency or vice versa to change. That is, the frequency of the acoustic waves changes between successive signal sections erratic. To avoid jumping at this Frequency change emitted unwanted distortion products can be provided that the frequency in successive signal sections alternating from the lower cutoff frequency to the upper cutoff frequency and from the changes the upper limit frequency to the lower limit frequency.
Der technische Aufwand zur Realisierung der Frequenzänderung ist dann besonders gering, wenn sich diese gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung linear ändert.The technical effort to implement the frequency change is particularly low if this changes according to a preferred embodiment of the invention changes linearly.
Im Interesse einer möglichst kurzen Behandlungsdauer folgen die Signalabschnitte vorzugsweise unmittelbar aufeinander.Follow in the interest of the shortest possible duration of treatment the signal sections preferably directly one on top of the other.
Um unter allen Umständen die Entstehung von stehenden Wellen ausschließen zu können, ist es zweckmäßig, wenn die Dauer der Signalabschnitte jeweils höchstens dem 100fachen, vorzugsweise höchstens dem 25fachen Kehrwert der Mittenfrequenz entspricht. Aus dem gleichen Grund ist es zweckmäßig, wenn sich die Frequenz innerhalb der einzelnen Signalabschnitte über der Zeit mit einer Rate ändert, die wenigstens gleich dem Quotienten der Bandbreite und des 100fachen Kehrwertes der Mittenfrequenz ist. Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Mittenfrequenz und die Bandbreite der akustischen Wellen mit der Mittenfrequenz und der Bandbreite des Amplitudenfrequenzganges der Quelle wenigstens im wesentlichen identisch sind. Auf diese Weise wird eine optimale Ausnutzung der Bandbreite der Quelle ermöglicht. Bereits eine geringe relative Bandbreite, z. B. 5%, reicht zwar aus, jedoch sind möglichst große Bandbreiten im Interesse einer möglichst weitgehenden Vermeidung von stehenden Wellen günstig. Wenn die Quelle einen piezoelektrischen Wandler zur Erzeugung der akustischen Wellen enthält, sind relative Bandbreiten von mehr als 50% realisierbar.To the formation of standing waves under all circumstances to be able to exclude, it is appropriate if the duration of the Signal sections at most 100 times, preferably at most 25 times the reciprocal of Corresponds to the center frequency. For the same reason it is useful if the frequency is within each Signal sections change over time at a rate that at least equal to the quotient of the bandwidth and the Is 100 times the reciprocal of the center frequency. Especially It is useful if the center frequency and bandwidth the acoustic waves with the center frequency and the Bandwidth of the amplitude frequency response of the source at least are essentially identical. In this way, one allows optimal use of the bandwidth of the source. Even a small relative bandwidth, e.g. B. 5% is sufficient Although from, however, the widest possible bandwidth in Interested in avoiding standing waves cheap. If the source is one piezoelectric transducer for generating the acoustic Contains waves, are relative bandwidths of more than 50% realizable.
Falls im zu behandelnden Bereich derart hohe Intensitäten der akustischen Wellen benötigt werden, daß Schädigungen gesunden Gewebes zu erwarten sind, wenn dieses von den Schallwellen durchlaufen wird, ist es zweckmäßig vorzusehen, daß die Quelle fokussierte akustische Wellen erzeugt, da dann nur im zu behandelnden Bereich Intensitäten auftreten, die zu Schädigungen führen können.If such high intensities in the area to be treated Acoustic waves are needed to heal damage Tissue are expected if this is from the sound waves is run through, it is appropriate to provide that the Source generates acoustic waves, because then only in the to be treated area intensities occur, too Can cause damage.
Da zur Vermeidung von Hautverbrennungen Unterbrechungen des Behandlungsvorganges nicht erforderlich sind, ist es an sich im Interesse einer kurzen Behandlungsdauer zweckmäßig, wenn die Quelle die akustischen Wellen über einen Zeitraum kon tinuierlich erzeugt. Es ist jedoch zu beachten, daß die Be handlung ein und derselben Zone über eine Dauer von wesent lich mehr als 10 Sekunden hinaus nicht zweckmäßig ist, da dann ein merklicher Energieabtransport durch Blutperfusion eintritt. Es sollte daher nach jeweils etwa 10 Sekunden eine andere Zone des zu behandelnden Bereich behandelt werden.Because to avoid skin burns, interruptions of the Treatment process are not necessary, it is in itself useful in the interest of a short duration of treatment if the source the acoustic waves over a period of time generated continuously. However, it should be noted that the Be action in the same zone over a period of material Lich more than 10 seconds is not appropriate because then a noticeable removal of energy through blood perfusion entry. There should be one after every 10 seconds other zone of the area to be treated.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The invention will now be described with reference to the accompanying Drawings explained. Show it:
Fig. 1 in grob schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Therapiegerät, Fig. 1 shows an inventive therapy apparatus in a roughly schematic representation,
Fig. 2 für zwei unterschiedliche Betriebsarten des Gerätes gemäß Fig. 1 den Amplitudenfrequenzgang der abgestrahlten akustischen Wellen, Fig. 2 for two different modes of operation of the apparatus of Fig. 1 the amplitude frequency response of the emitted acoustic waves,
Fig. 3 ein weiteres erfindungsgemäßes Therapiegerät, Fig. 3 is a further inventive therapy device,
Fig. 4 und 5 für zwei unterschiedliche Betriebsarten den Verlauf der Frequenz der von dem Gerät gemäß Fig. 3 abgestrahlten akustischen Wellen über der Zeit, FIGS. 4 and 5 for two different modes of operation the course of the frequency of the of the device according to FIG. 3 emitted acoustic waves over time;
Fig. 6 eine Variante eines Details des Gerätes gemäß Fig. 3, und Fig. 6 shows a variant of a detail of the device according to FIG. 3, and
Fig. 7 für eine der Betriebsarten des Gerätes gemäß Fig. 6 den Verlauf der Frequenz der akustischen Wellen über der Zeit. Fig. 7 for one of the operating modes of the device according to FIG. 6 shows the variation of the frequency of the acoustic waves over time.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Therapiegerät dargestellt, dessen Quelle akustischer Wellen insgesamt mit 1 bezeichnet ist. Die grob schematisch veranschaulichte Quelle 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das an seinem einen Ende mit einem piezoelektrischen Ultraschallwandler 3 versehen ist, der auf einem Backing 4 (Tragkörper) angebracht ist. Das mit Wasser als Ausbreitungsmedium für die von dem piezoelektrischen Wandler 3 ausgehenden akustischen Wellen gefüllte Gehäuse 2 ist an seinem anderen Ende durch eine flexible Koppelmembran 5 verschlossen. Diese dient dazu, die Quelle 1 zur akustischen Ankopplung an die Körperoberfläche eines schematisch angedeuteten Patienten P anzupressen. Zur Fokussierung der von dem piezoelektrischen Wandler 3 ausgehenden akustischen Wellen ist in das in dem Gehäuse 1 befindliche akustische Ausbreitungsmedium eine akustische Sammellinse 6 eingesetzt. Durch deren Wirkung werden die akustischen Wellen in der in Fig. 1 strichliert angedeuteten Weise auf eine Fokuszone F fokussiert.In Fig. 1, a therapy device according to the invention is shown, the source of acoustic waves is designated by 1 in total. The roughly schematically illustrated source 1 has a housing 2 , which is provided at one end with a piezoelectric ultrasound transducer 3 , which is attached to a backing 4 (support body). The housing 2 filled with water as the propagation medium for the acoustic waves emanating from the piezoelectric transducer 3 is closed at its other end by a flexible coupling membrane 5 . This serves to press the source 1 for acoustic coupling to the body surface of a schematically indicated patient P. To focus the acoustic waves emanating from the piezoelectric transducer 3 , an acoustic converging lens 6 is inserted into the acoustic propagation medium located in the housing 1 . Due to their effect, the acoustic waves are focused on a focus zone F in the manner indicated by the broken line in FIG. 1.
Zur Durchführung einer Behandlung wird die Quelle 1 mit Hilfe einer Ortungseinrichtung, die beispielsweise auf Röntgen und/oder Ultraschall-Basis arbeiten kann, so ausgerichtet, daß der jeweils zu behandelnde Bereich, im Falle der Fig. 1 eine Gewebewucherung W, in der Fokuszone F zu Liegen kommt.To carry out a treatment, the source 1 is aligned with the aid of a locating device, which can work, for example, on an X-ray and / or ultrasound basis, in such a way that the area to be treated in each case, in the case of FIG. 1 a tissue growth W, in the focus zone F comes to rest.
Zum Antrieb des piezoelektrischen Wandlers 3 ist eine schematisch als Blockschaltbild dargestellte Stromversorgung vorgesehen. Diese enthält einen elektrischen Rauschgenerator 7, dessen Ausgangssignal über einen Leistungsverstärker 8 dem piezoelektrischen Wandler 3 zugeführt ist.A power supply, shown schematically as a block diagram, is provided for driving the piezoelectric transducer 3 . This contains an electrical noise generator 7 , the output signal of which is fed to the piezoelectric converter 3 via a power amplifier 8 .
Da der Amplitudenfrequenzgang des mit dem Backing 4 verbundenen und an das akustische Ausbreitungsmedium angrenzenden piezoelektrischen Wandlers 3 im Bereich von dessen Grundresonanz eine Bandpaßcharakteristik mit einer oberen und einer unteren Grenzfrequenz fo bzw. fu und einer Mittenfrequenz fm (2fm = fo+fu) aufweist und das von dem Rauschgenerator 7 gelieferte elektrische Rauschsignal ein stochastisches Signal mit statistisch verteilten Frequenzen und Amplituden ist, strahlt die Quelle 1 akustische Wellen ab, die die im Bereich der Grundresonanz vorhandene Bandbreite des Wandlers 3 ausfüllen. Die relative Bandbreite des Wandlers 3 und damit auch die der akustischen Wellen beträgt übrigens vorzugsweise wenigstens 5% der Mittenfrequenz, die einer der Resonanzfrequenzen, vorzugsweise der Grundresonanz, des mit dem Backing 4 verbundenen und an das Ausbreitungsmedium angrenzenden Wandlers 3 entspricht.Since the amplitude frequency response of the piezoelectric transducer 3 connected to the backing 4 and adjoining the acoustic propagation medium has a bandpass characteristic with an upper and a lower limit frequency f o and f u and a center frequency f m (2f m = f o + f u ) and the electrical noise signal supplied by the noise generator 7 is a stochastic signal with statistically distributed frequencies and amplitudes, the source 1 emits acoustic waves that fill the bandwidth of the transducer 3 that is present in the range of the fundamental resonance. The relative bandwidth of the transducer 3 and thus also that of the acoustic waves is preferably at least 5% of the center frequency, which corresponds to one of the resonance frequencies, preferably the fundamental resonance, of the transducer 3 connected to the backing 4 and adjacent to the propagation medium.
Infolge des Umstandes, daß es sich bei den abgestrahlten akustischen Wellen um ein die Bandbreite des Wandlers 3 ausfüllendes stochastisches Signal handelt, sind die sich in dem Körper des Patienten P ausbreitenden akustischen Wellen inkohärent. Dies hat zur Folge, daß praktisch keine stehenden Wellen im Körper des Lebewesens entstehen können, mit der Folge, daß die Gefahr von Hautverbrennungen deutlich gemindert ist. Es besteht daher auch keine Notwendigkeit, während der Behandlung des Patienten P zur Vermeidung von Hautverbrennungen Behandlungspausen einzulegen, in denen die Abstrahlung der zur Behandlung dienenden akustischen Wellen unterbleibt.Due to the fact that the emitted acoustic waves are a stochastic signal filling the bandwidth of the transducer 3 , the acoustic waves propagating in the patient P body are incoherent. The consequence of this is that practically no standing waves can arise in the body of the living being, with the result that the risk of skin burns is significantly reduced. There is therefore no need to take breaks during treatment of the patient P to avoid skin burns, during which the radiation of the acoustic waves used for the treatment does not occur.
Mittels eines Schalters 9 kann zwischen den Rauschgenerator 7 und den Leistungsverstärker 8 wahlweise ein Tiefpaßfilter 10 geschaltet werden, das oberhalb seiner Grenzfrequenz eine mit einer Flankensteilheit von -3 dB/Oktave abfallende Flanke aufweist. Da Rauschgeneratoren gewöhnlich weißes Rauschen erzeugen, besteht somit, sofern die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 10 nicht unterhalb der unteren Grenzfrequenz des piezoelektrischen Wandlers 3 liegt die Möglichkeit, mit der Quelle 1 akustische Wellen abzustrahlen, bei denen es sich wahlweise um weißes oder rosa Rauschen handelt, wobei zur Erzeugung von rosa Rauschen das Tiefpaßfilter 10 zwischen dem Rauschgenerator 7 und den Leistungsverstärker 8 geschaltet sein muß.By means of a switch 9 , a low-pass filter 10 can optionally be connected between the noise generator 7 and the power amplifier 8 , said filter having a slope falling above its cut-off frequency with a slope of -3 dB / octave. Since noise generators usually produce white noise, there is therefore the possibility, provided the cut-off frequency of the low-pass filter 10 is not below the lower cut-off frequency of the piezoelectric transducer 3 , of emitting acoustic waves with the source 1 , which are either white or pink noise, whereby To generate pink noise, the low-pass filter 10 must be connected between the noise generator 7 and the power amplifier 8 .
Die entsprechenden Amplitudenfrequenzgänge des Schalldruckes p der akustischen Wellen (dicht bei dem piezoelektrischen Wandler 3 gemessen) sind in Fig. 2 dargestellt. Dabei sind fw die untere Grenzfrequenz fm die Mittenfrequenz und fo die obere Grenzfrequenz der Bandbreite des akustischen Rauschsignales.The corresponding amplitude frequency responses of the sound pressure p of the acoustic waves (measured close to the piezoelectric transducer 3 ) are shown in FIG. 2. Here f w is the lower limit frequency f m the center frequency and f o the upper limit frequency of the bandwidth of the acoustic noise signal.
Zur Behandlung von Gewebeveränderungen sollte die Mittenfrequenz bei ca. 1 bis 3 MHz liegen. Obwohl auch geringere Werte ausreichen, sollten als Wert für die relative Bandbreite 40 bis 50% der Mittenfrequenz angestrebt werden.For the treatment of tissue changes, the Center frequency is around 1 to 3 MHz. Although too lower values should suffice as a value for the relative Bandwidth 40 to 50% of the center frequency should be aimed for.
Um eine unnötige Beaufschlagung des piezoelektrischen Wandlers 3 mit elektrischer Leistung zu vermeiden, ist es zweckmäßig, in in Fig. 1 nicht dargestellter Weise ein Bandpaßfilter zwischen den Rauschgenerator 7 und den Leistungsverstärker 8 zu schalten, der die Bandbreite des dem piezoelektrischen Wandler 3 zugeführten Rauschsignals auf die Bandbreite des piezoelektrischen Wandlers 3 beschränkt.In order to avoid unnecessary loading of the piezoelectric transducer 3 with electric power, it is appropriate to switch to in Fig. 1, not shown, a band-pass filter between the noise generator 7 and the power amplifier 8, which on the bandwidth of the piezoelectric transducer 3 supplied noise signal the bandwidth of the piezoelectric transducer 3 is limited.
Das erfindungsgemäße Therapiegerät gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von dem gemäß Fig. 1 zunächst dadurch, daß die Fokussierung der von der Quelle 1 erzeugten akustischen Wellen nicht mit Hilfe einer akustischen Sammellinse sondern durch eine sphärische Formgebung des wieder auf einem Backing 4′ angebrachten piezoelektrischen Wandlers 3′ erfolgt.1, the therapeutic device according to the invention shown in Fig. 3 differs from that of FIG. Initially characterized in that the focusing of the acoustic waves generated by the source 1 not using an acoustic converging lens but by a spherical shape of the back 'mounted on a backing 4 piezoelectric transducer 3 'takes place.
Als Stromversorgung für den piezoelektrischen Wandler 3′ ist ein Sinusgenerator 11 vorgesehen, der wieder über einen Leistungsverstärker 8′ mit dem piezoelektrischen Wandler 3′ verbunden ist. Der Sinusgenerator 11 ist frequenzmodulierbar und weist demnach einen Eingang für ein Modulationssignal auf, der mit einem dieses Signal erzeugenden Modulator 12 verbunden ist. Der Modulator 12 weist zwei Ausgänge auf. An dem einen Ausgang steht ein Sägezahn- und an dem anderen Ausgang ein Dreiecksignal zur Verfügung, wobei die Frequenz des Sägezahnsignals doppelt so groß wie die des Dreiecksignals ist. In Abhängigkeit von der Stellung eines Schalters 13 ist dem Sinusgenerator 11 als Modulationssignal entweder das Sägezahn- oder das Dreiecksignal zugeführt. Die Frequenz des mittels des Sinusgenerators 11 erzeugten Sinussignals ändert sich linear in Abhängigkeit von der Amplitude des Modulationssignals. Demnach ergibt sich für die in Fig. 3 dargestellte Stellung des Schalters 13 ein Verlauf der Frequenz fe des Sinussignals, wie er in Fig. 4 dargestellt ist. Für die in Fig. 3 nicht dargestellte Stellung des Schalters 13 ergibt sich der in Fig. 5 dargestellte Verlauf der Frequenz fe des Sinussignals über der Zeit t.As a power supply for the piezoelectric transducer 3 ', a sine generator 11 is provided, which is again connected via a power amplifier 8 ' to the piezoelectric transducer 3 '. The sine generator 11 can be frequency modulated and accordingly has an input for a modulation signal, which is connected to a modulator 12 generating this signal. The modulator 12 has two outputs. A sawtooth signal is available at one output and a triangular signal is available at the other output, the frequency of the sawtooth signal being twice that of the triangular signal. Depending on the position of a switch 13 , either the sawtooth or the triangular signal is fed to the sine wave generator 11 as a modulation signal. The frequency of the sine signal generated by the sine generator 11 changes linearly as a function of the amplitude of the modulation signal. Accordingly, for the position of the switch 13 shown in FIG. 3, there is a profile of the frequency f e of the sinusoidal signal, as shown in FIG. 4. For the position not shown in Fig. 3 of the switch 13, the course of the frequency shown in FIG. 5 produces f e of the sinusoidal signal over the time t.
Auch der piezoelektrische Wandler 3′ der Quelle 1′ weist einen bandpaßartigen Amplitudenfrequenzgang mit einer durch eine obere und eine untere Grenzfrequenz begrenzten Bandbreite auf. Die obere und die untere Amplitude des dem Sinusgenerator 11 zugeführten Modulationssignals sind derart gewählt, daß sich die obere und die untere Grenzfrequenz fo bzw. fu des Sinussignals innerhalb der Bandbreite des Amplitudenfrequenzganges des piezoelektrischen Wandlers 3′ befindet. Vorzugsweise sind die obere und die untere Amplitude des Modulationssignals so gewählt, daß die obere und die untere Grenzfrequenz fo und fu des Sinussignals mit der oberen und der unteren Grenzfrequenz der Bandbreite des piezoelektrischen Wandlers 3′ übereinstimmen.The piezoelectric transducer 3 'of the source 1 ' has a bandpass-like amplitude frequency response with a bandwidth limited by an upper and a lower limit frequency. The upper and lower amplitudes of the modulation signal supplied to the sine wave generator 11 are selected such that the upper and lower cutoff frequencies f o and f u of the sine wave signal are within the bandwidth of the amplitude frequency response of the piezoelectric transducer 3 '. Preferably, the upper and lower amplitudes of the modulation signal are chosen so that the upper and lower cut-off frequencies f o and f u of the sine signal match the upper and lower cut-off frequencies of the bandwidth of the piezoelectric transducer 3 '.
Der Verlauf der Frequenz fa der von dem piezoelektrischen Wandler 3′ abgestrahlten akustischen Wellen über der Zeit t entspricht jedenfalls dem in der Fig. 4 bzw. der Fig. 5 dargestellten Verlauf, d. h., sie füllen die Bandbreite zwischen der oberen Grenzfrequenz fo und der unteren Grenzfrequenz fu aus. Damit sind die sich in dem Gewebe des Patienten P ausbreitenden Schallwellen nicht kohärent, mit der Folge, daß dem Entstehen von stehenden Wellen entgegengewirkt ist.The course of the frequency f a of the acoustic waves emitted by the piezoelectric transducer 3 'over time t corresponds in any case to the course shown in FIG. 4 or FIG. 5, ie they fill the bandwidth between the upper limit frequency f o and the lower limit frequency f u . The sound waves propagating in the tissue of patient P are therefore not coherent, with the result that the formation of standing waves is counteracted.
Die einzelnen Signalabschnitte, in die der zeitliche Verlauf der akustischen Wellen unterteilt ist, weisen eine Zeitdauer T auf, die in der Größenordnung des 25fachen Kehrwertes der Mittenfrequenz der Bandbreite der akustischen Wellen liegt. Der Wert für T sollte höchstens in der Größenordnung des 100fachen Kehrwertes der Mittenfrequenz fm liegen.The individual signal sections into which the temporal course of the acoustic waves is divided have a time period T which is in the order of 25 times the reciprocal of the center frequency of the bandwidth of the acoustic waves. The value for T should be at most in the order of 100 times the reciprocal of the center frequency f m .
Innerhalb der einzelnen Signalabschnitte sollte sich die Frequenz der akustischen Wellen über der Zeit mit einer Rate ändern, die wenigstens gleich dem Quotienten aus der Band breite, d. h. der Differenz zwischen oberer und unterer Grenz frequenz fo-fu, und der Dauer T der Signalabschnitte ist. Dies ist der Fall, da diese Rate im Falle des Therapiegerätes gemäß Fig. 3 in der aus Fig. 4 und 5 ersichtlichen Weise gleich dem genannten Quotienten ist. Within the individual signal sections, the frequency of the acoustic waves should change over time at a rate that is at least equal to the quotient out of the band, ie the difference between the upper and lower limit frequencies f o -f u , and the duration T of the signal sections is. This is the case since, in the case of the therapy device according to FIG. 3, this rate is the same as the quotient mentioned in FIGS. 4 and 5.
Durch beide vorgenannte Maßnahmen ist sichergestellt, daß stehende Wellen auch unter ungünstigen Umständen praktisch nicht entstehen können.Both of the above measures ensure that standing waves practical even under unfavorable circumstances cannot arise.
Wie schon im Falle der Therapieeinrichtung gemäß Fig. 1 ist es nicht erforderlich, Behandlungspausen zur Vermeidung von Hautverbrennungen einzulegen. Vielmehr schließen sich aufeinanderfolgende Signalabschnitte unmittelbar aneinander an.As in the case of the therapy device according to FIG. 1, it is not necessary to take breaks to avoid skin burns. Rather, successive signal sections directly adjoin one another.
Eine Variante der in Fig. 3 dargestellten Therapieeinrichtung ist in Fig. 6 dargestellt. Diese unterscheidet sich von der gemäß Fig. 3 dadurch, daß zwischen den Schalter 13 und den Sinusgenerator 11 ein Analog-Addierer 14 geschaltet ist, der dazu dient, dem mittels des Modulators 12 erzeugten Sägezahn bzw. Dreiecksignal ein Sägezahn- bzw. Dreiecksignal und höherer Frequenz und vorzugsweise geringerer Amplitude zu überlagern. Zur Erzeugung dieses Signals ist ein Signalgenerator 15 vorgesehen, der zwei Ausgänge aufweist, von denen einer das Sägezahn- und der andere das Dreiecksignal liefert. Über einen Schalter 16 kann wahlweise das eine oder das andere Signal dem Addierer 14 zugeführt werden. Somit kann sowohl dem von dem Modulator 12 gelieferten Sägezahnsignal als auch dem von dem Modulator 12 gelieferten Dreiecksignal wahlweise ein Sägezahn- oder ein Dreiecksignal überlagert werden.A variant of the therapy device shown in FIG. 3 is shown in FIG. 6. This differs from that according to FIG. 3 in that an analog adder 14 is connected between the switch 13 and the sine generator 11 , which serves to generate a sawtooth or triangular signal and higher for the sawtooth or triangular signal generated by the modulator 12 Frequency and preferably lower amplitude superimpose. To generate this signal, a signal generator 15 is provided which has two outputs, one of which supplies the sawtooth and the other the triangular signal. One or the other signal can optionally be supplied to the adder 14 via a switch 16 . Thus, both the sawtooth signal supplied by the modulator 12 and the triangular signal supplied by the modulator 12 may optionally be a sawtooth or a triangular signal are superimposed.
Für die in Fig. 6 gezeigten Stellungen der Schalter 13 und 16 ergibt sich für das Ausgangssignal des Addierers 14 der in Fig. 7 gezeigte Verlauf der Frequenz fe des Sinussignals über der Zeit t. Den gleichen Verlauf der Frequenz fa über der Zeit t weisen auch die von dem piezoelektrischen Wandler 3′ abgestrahlten akustischen Wellen auf. Es wird somit deutlich, daß sich durch die beschriebene Signalüberlagerung die Rate, mit der sich die Frequenz der akustischen Wellen über der Zeit ändert, nochmals steigern läßt. Es versteht sich, daß die Frequenz und die Amplitude der von dem Signalgenerator 15 erzeugten Signale vorzugsweise derart gewählt sind, daß sich eine Vergrößerung der genannten Rate ergibt.For the positions of switches 13 and 16 shown in FIG. 6, the frequency f e of the sinusoidal signal over time t shown in FIG. 7 results for the output signal of adder 14 . The same course of the frequency f a over time t also have the acoustic waves radiated from the piezoelectric transducer 3 '. It is thus clear that the rate at which the frequency of the acoustic waves changes over time can be increased again by the described signal superimposition. It goes without saying that the frequency and the amplitude of the signals generated by the signal generator 15 are preferably selected such that there is an increase in the said rate.
Im Falle der Fig. 6 sind die Signale des Modulators 12 und des Signalgenerators 15 miteinander synchronisiert, was auch aus Fig. 7 ersichtlich ist. Für den Modulator 12 und den Signalgenerator 15 ist ein gemeinsamer Taktgenerator 17 vorgesehen, der mit einem Takteingang des Modulators 12 bzw. des Signalgenerators 15 verbunden ist. Dabei ist zwischen dem Taktgenerator 17 und dem Modulator 12 ein Teiler 18 geschaltet, durch dessen Teilerverhältnis das Verhältnis festgelegt ist, in dem die Frequenzen der Ausgangssignale des Modulators 12 und des Signalgenerators 15 zueinander stehen.In the case of FIG. 6, the signals of the modulator 12 and the signal generator 15 are synchronized with one another, which can also be seen from FIG. 7. A common clock generator 17 is provided for the modulator 12 and the signal generator 15 and is connected to a clock input of the modulator 12 and the signal generator 15 , respectively. A divider 18 is connected between the clock generator 17 and the modulator 12 , the divider ratio of which determines the ratio in which the frequencies of the output signals of the modulator 12 and the signal generator 15 are related to one another.
Obwohl die beschriebenen Ausführungsbespiele ausschließlich Therapievorrichtungen betreffen, die einen piezoelektrischen Wandler enthalten, der übrigens sowohl aus einer Vielzahl von mosaikartig angeordneten Wandlerelementen als auch aus einem einzigen Wandlerelement bestehen kann, können statt des piezoelektrischen Wandlers auch andere, beispielsweise magnetostriktive Wandler vorgesehen sein. Allerdings sind piezoelektrische Wandler für die erfindungsgemäße Therapieeinrichtung besonders geeignet, da sich bei diesen durch gute Bedämpfung mit einem Backing und/oder eine gute Ankopplung an das akustische Ausbreitungsmedium leicht große relative Bandbreiten realisieren lassen. Im Falle der beschriebenen Ausführungsbeispiele werden als akustische Wellen fokussierte Ultraschallwellen abgestrahlt. Die akustischen Wellen müssen jedoch nicht notwendigerweise fokussiert sein. Außerdem muß es sich bei den akustischen Wellen nicht notwendigerweise um Ultraschallwellen handeln.Although the execution examples described are exclusive Therapy devices relate to a piezoelectric Converters included, which by the way are both from a variety of mosaic-like transducer elements as well as from one single transducer element can exist instead of piezoelectric transducer also others, for example magnetostrictive transducers may be provided. However piezoelectric transducer for the invention Therapy facility particularly suitable, since these by good cushioning with a backing and / or a good one Coupling to the acoustic propagation medium slightly large have relative bandwidths realized. In case of Exemplary embodiments described are called acoustic Waves focused ultrasound waves emitted. The however acoustic waves do not necessarily have to be focused. In addition, the acoustic Waves are not necessarily ultrasonic waves.
Die im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Signalformen sind nur beispielhaft zu verstehen; wesentlich ist, daß die akustischen Wellen eine Bandbreite ausfüllen und somit in der zur Vermeidung von stehenden Wellen erforderlichen Weise inkohärent sind.The in connection with the embodiments The waveforms described are only examples understand; it is essential that the acoustic waves a Fill in bandwidth and thus in order to avoid standing waves are incoherent.
Die Quellen im Falle der beschriebenen Ausführungsbeispiele weisen jeweils ein Backing auf. Dieses kann auch entfallen. Es besteht auch die Möglichkeit, anstelle eines Backings oder zusätzlich zu diesem eine sogenannte λ/4-Ankoppelschicht zur Ankoppelung der Quelle bzw. des piezoelektrischen Ultraschallwandlers an das akustische Ausbreitungsmedium vorzusehen.The sources in the case of the described exemplary embodiments each have a backing. This can also be omitted. There is also the option of using a backing or in addition to this a so-called λ / 4 coupling layer for Coupling the source or the piezoelectric Ultrasonic transducer to the acoustic propagation medium to provide.
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| DE4311327C2 (en) | 1998-04-02 |
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