DE4322955A1

DE4322955A1 - Verfahren und Vorrichtung zur invasiven bzw. endoskopischen Therapie mittels Ultraschall und Laser

Info

Publication number: DE4322955A1
Application number: DE4322955A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Prof Dr Mueller; Johannes Tschepe
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 1992-07-20
Filing date: 1993-07-09
Publication date: 1994-01-27
Anticipated expiration: 2013-07-10
Also published as: DE4322955B4; JP3515783B2; US6238386B1; WO1994002074A1; JPH06511410A

Description

In der Medizin hat sich die Ultraschalltechnik sowohl in der Diagnostik als auch in der Therapie etabliert. Neben den bekannten extrakorporalen, bildgebenden Verfahren findet Ultraschall in der Diagnostik Anwendung in der Laparoskopie und in der Angioplastie. Beispielsweise wird im hochfrequenten Ultraschallbereich zwischen 5 MHz und 40 MHz mit einem Ultraschallkatheter Plaque in Arterien diagnostiziert.

In der offenen Chirurgie kommt niederfrequenter Leistungsultraschall zwischen 20 und 40 kHz zum Schneiden von Gewebe zum Einsatz. Beispielsweise wird in der Neuro- Chirurgie und der allgemeinen Chirurgie die sogenannte CUSA-Technik (Cavitation Ultrasonics Surgical Aspirator) vorzugsweise bei der Exzision von Hirn- und Lebertumoren verwendet. Der Vorteil der CUSA-Methode liegt in einem gewebedifferenzierenden Schneiden. Denn während die weichen Tumorzellen sich blutarm trennen lassen, bleiben die elastischen organversorgenden Gefäße und Nerven erhalten.

Einen endoskopisch nutzbaren Applikator, der Schall mit einer für das Schneiden von Gewebe ausreichenden Amplitude zur Verfügung stellt, gibt es aber bis heute nicht. Denn die bisher verwendeten metallischen Schalleiter besitzen zu hohe Verluste mit der Folge einer starken und für endoskopische Anwendungen unerwünschten Wärmeentwicklung im Schalleiter. Metallische Hohlwellenleiter und entsprechende Applikatoren für die Ultraschallangioplastie sind an sich bekannt und beispielsweise beschrieben von U. Stumpf "Die Erzeugung und Übertragung von Ultraschalldehnwellen hoher Energiedichten in flexiblen Wellenleitern im 20 kHz-Bereich für therapeutische Anwendungen" Dissertationsschrift an der RWTH Aachen, 1978.

Aus der internationalen Patentanmeldung Veröffentlichungs nummer WO 87/01269 ist es bekannt, flexible Glasfasern als Schalleiter bei einem bildgebenden Ultraschall-Diagnose verfahren einzusetzen. Bei diesem Verfahren werden jedoch nur relativ geringe Schalleistungen über den Wellenleiter übertragen.

Auch aus der älteren aber nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE 41 15 447 sowie der Patentanmeldung DE 41 03 145 ist es bekannt, Ultraschall beispielsweise mit Hilfe von Quarzglasfasern in das Körperinnere zu übertragen, einmal zur Überwachung des Zerstörungsgrads von Konkrementen bei der extrakorporalen Stoßwellenlitho tripsie, zum anderen beispielsweise für die medizinische Endosonografie. In beiden Fällen wird jedoch ebenfalls nur eine relativ geringe Schalleistung von dem Quarzglaswellen leiter übertragen. Insoweit in der vorstehend genannten DE 41 03 145 zusätzlich die Übertragung optischer Signale bzw. von Lichtenergie angesprochen ist, handelt es sich auch hierbei nur um geringe Strahlungsintensitäten wie sie beispielsweise zur Beleuchtung das mit dem Endoskop anvisierten Objekts benötigt werden.

Des weiteren ist es bekannt, über optische Lichtwellen leiter, insbesondere auch aus Quarzglas, hochintensives Licht bzw. Laserstrahlung zu transportieren und diese Strahlung beispielsweise mit Hilfe von Endoskopen und Kathetern zum Schneiden und Koagulieren von Gewebe im Körperinneren zu nutzen.

Die beiden angesprochenen Verfahren, die Ultraschall therapie nach der z. B. CUSA-Technik und die Laserchirurgie werden bisher jedoch alternativ benutzt, je nachdem ob das eine oder das andere Verfahren für den gewünschten Zweck besser geeignet ist. Eine Verbindung beider Verfahren ist bisher nicht bekannt geworden.

Aus der DE-OS 39 35 528 ist es bekannt, die Strahlung eines gepulsten Lasers für die Bearbeitung an biologischem Gewebe zu übertragen und gleichzeitig die distal bei der Bear beitung auftretenden Stoßwellen über die Quarzglasfaser an einen proximal an die Faser angekoppelten Druckaufnehmer zurückzuleiten. Dieses bekannte System ist jedoch weder zur Ultraschalltherapie noch für die Ultraschalldiagnose geeignet.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit der sich sowohl Ultra schallenergie als auch Laserenergie gleichzeitig bzw. während ein und desselben Behandlungsvorganges in das Körperinnere übertragen lassen.

Diese Aufgabe wird mit den in den Ansprüchen 1, 22 und 23 genannten Merkmalen gelöst.

Gemäß der Erfindung werden also simultan Laserenergie, vorzugsweise im nahen Infrarotbereich, und Ultraschall mit der für die jeweilige medizinische Applikation hinreichenden Leistung und dem geeigneten Frequenzbereich über Wellenleiter ins Körperinnere übertragen. Damit wird es möglich, die Vorteile der beiden Verfahren miteinander zu kombinieren und beispielsweise mit Ultraschall sehr gewebedifferenziert zu schneiden, während gleichzeitig oder alternierend die Schnittränder mit Hilfe der Laserstrahlung koaguliert werden, um Blutungen zu verhindern. Andererseits ist es auch möglich, den Laser selektiv zum Schneiden der Gewebeteile einzusetzen, die sich mit Ultraschall nicht oder nur schwer trennen lassen. Somit ergeben sich neue, innovative Behandlungsmethoden im Rahmen der minimal invasiven Medizin.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist es auch möglich, über die Wellenleiter Ultraschall vom distalen Ende zurück zu einem proximalen Empfänger zu leiten und das Instrument damit zusätzlich zur Diagnose, für das Ultra schall-Monitoring nach dem sogenannten A-Scan-Verfahren zu verwenden. Dieses A-Scan-Verfahren ist eine eindimensionale Darstellungsmethode, bei der akustische Energie von einem ortsfesten Schallkopf aus auf die zu untersuchende Körper region gesendet wird. Der an jeder Grenzfläche reflektierte Teil der Schallwelle wird vom Schallkopf wieder empfangen, so daß sich bei bekannter Schallgeschwindigkeit aus der Laufzeit die Entfernung zur Reflexionsstelle berechnen und auf einem Monitor darstellen läßt. Auf diese Weise lassen sich bewegende Grenzflächen durch die auf der Zeitachse verschiebenden Amplituden erkennen. (E. Krestel "Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik" erschienen 1980, Siemens AG Verlag. 2. Auflage 1988).

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nach folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Fig. 1-9 der beigefügten Zeichnungen.

Es zeigen

Fig. 1 den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Instruments in stark verein fachter, schematisierter Darstellung;

Fig. 2 eine abgewandelte Variante des Instruments gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungs gemäßen Instruments;

Fig. 4 ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Instruments;

Fig. 5 eine detailliertere Skizze des für die Instru mente nach Fig. 1 und 3 verwendeten Schallkopfs;

Fig. 6 eine detailliertere Skizze des für die Instru mente nach Fig. 2 und 4 verwendeten Schallkopfs;

Fig. 7 eine detailliertere Darstellung eines für hohle Wellenleiter geeigneten Schallkopfs;

Fig. 8 ein Blockschaltbild der Elektronik für den Ultra schall-Diagnoseteil des Instruments nach Fig. 3;

Fig. 9 eine vereinfachte Skizze, die den Einsatz des erfindungsgemäßen Instruments in Verbindung mit einem Endoskop verdeutlicht.

In Fig. 1 ist der Aufbau des erfindungsgemäßen Instruments nach einem ersten Ausführungsbeispiels schematisch dar gestellt. Dabei ist der Wellenleiter (3), eine kunststoff beschichtete flexible Quarzglasfaser wie sie z. B. von der Ensign Bickford Optic Company unter der Bezeichnung HCP- fiber bezogen werden kann, am proximalen Ende an den in Fig. 5 näher dargestellten Ultraschallschwinger ange koppelt, der elektrisch mit einer Ansteuerelektronik (2) verbunden ist. Umgeben ist die Quarzglasfaser von einem ebenfalls flexiblen dünnen, koaxialen Hüllschlauch (4). In diesem Hüllschlauch (4) wird die Quarzglasfaser (3) von einem flüssigen Medium (5b) umspült, das ein Spülaggregat (5a) liefert. Bei dem flüssigen Medium handelt es sich beispielsweise um Glycerol (85%). Die Flüssigkeit tritt am distalen Ende der Quarzglasfaser (3) aus den Hüllschlauch (4) aus und dient dort als akustische Immersionsflüssig keit, die den akustischen Kontakt zwischen dem Ende der Quarzglasfaser (3) und dem Körpergewebe (16) herstellt, auf das die Ultraschallenergie (1c) gerichtet ist. Gleichzeitig dient die Flüssigkeit im Hüllschlauch (4) zur Kühlung der Quarzglasfaser (3).

Neben dem Wellenleiter (3) ist ein zweiter Wellenleiter (103), ebenfalls eine Quarzglasfaser angeordnet. Über diese zweite Quarzglasfaser (103) wird der Strahl eines Therapielasers (7), der über eine Optik (6) umgelenkt und auf das proximale Eintrittsende der Faser (103) fokussiert ist, zum distalen Ende des Instrumentes übertragen. Die am distalen Ende austretende Laserstrahlung trifft direkt vor dem Wellenleiter (3), der die Ultraschallenergie überträgt, auf das Gewebe (16) auf.

Bei dem Laser (7) handelt es sich um einen Therapielaser, der im Wellenlängenbereich zwischen 300 nm und 3 µm, vorzugsweise im nahen Infrarot zwischen 1 µm und 1,5 µm strahlt, beispielsweise einen Nd:YAG-Laser. Die Quarzfasern (103 und 3) besitzen beide einen Durchmesser von mindestens 0,1 mm, im dargestellten Ausführungsbeispiel von 0,5 mm und sind zum einen dafür geeignet, Lichtenergie mit einer Leistung von mindestens 5 Watt an das distale Ende zu transportieren, eine Leistung wie sie zum Koagulieren von Gewebe erforderlich ist. Sie sind ebenfalls dazu in der Lage, Ultraschallenergie von mindestens 5 Watt an das distale Ende zu transportieren, wie sie für das Schneiden bzw. Zertrümmern von Weichgewebe erforderlich ist und zwar in einem Frequenzbereich von weniger als 1 MHz, vorzugs weise zwischen 30 kHz und 200 kHz.

Mit der Ultraschallenergie (1c) wird nun das Gewebe (16), beispielsweise ein Tumor, zertrümmert und über den im nicht dargestellten Endoskop vorhandenen Spülkanal abgesaugt, während gleichzeitig mit dem während der Behandlung aktivierten Laser (7) die verbleibenden Schnittränder zum gesunden Gewebe koaguliert werden.

In Fig. 5 ist der auf das proximale Ende des Wellenleiters (3) aufgesetzte Schallkopf (20) detaillierter dargestellt. Er besteht aus einem Dämpfungsglied (22) in Form einer Stahlscheibe, einem davorgesetzten Schallwandler in Form zweier Scheiben (23) aus piezokeramischen Material, einem Impedanzwandler (24) in Form einer ebenfalls zylindrischen Scheibe aus einem Material mit nachstehend noch zu bestimmenden Eigenschaften sowie einem Amplitudentrans formator (25) in Form eines Tapers, der den Übergang von dem im Querschnitt größeren Durchmesser des Schallwandlers auf den kleineren Durchmesser des daran angesetzten Wellen leiters (3) herstellt und die aufgrund der Streckgrenze kleinere Auslenkung der Piezokeramik auf die größere longitudinale Amplitudenauslenkung des Quarzwellenleiters (3) vergrößert. Der Amplitudentransformator (25) besteht ebenfalls aus Quarzglas. Seine nach Art eines Schallhorns ausgebildete Exponentialform bewirkt, daß die Auslenkungs amplitude der von den Piezokeramikscheiben (24) erzeugten Ultraschallwelle umgekehrt proportional zum Durchmesser des Amplitudentransformators zunimmt. Mit (26) ist die Kunst stoffschicht bezeichnet, von der käufliche Quarzglasfasern üblicherweise umhüllt sind.

Die für den Quarzglaswellenleiter distal maximal zulässige Amplitude der Auslenkung läßt sich berechnen:

Hierbei sind
P_Q: max. Zugspannung in Quarz
C_Q: Schallgeschwindigkeit in Quarz
D_Q: spez. Dichte des Quarzes
f: Frequenz des Ultraschalls.

Um eine für die Ultraschalltherapie ausreichend hohe distale Auslenkungsamplitude zu realisieren, muß die aufgrund der Streckgrenze kleinere Auslenkung der Keramik scheiben (23) mit dem Amplitudentransformator (25) vergrößert werden. Besitzt dieser eine Exponentialform, nimmt die Auslenkungsamplitude umgekehrt proportional zum Durchmesser zu.

Für die Dimensionierung des Amplitudentransformators wird angenommen, daß der schlanke Teil des Transformations stückes lambda/4 lang ist, der Querschnittssprung also im Spannungsbauch liegt.

Es gilt

mit D_ATd: Dichte des Amplitudentransformators
C_ATd: Schallgeschwindigkeit im Amplitudentransformator.

Da sowohl Wellenleiter (3) als auch Amplitudentransformator (25) aus Quarzglas sind, läßt sich der Spannungswert des schlanken Teils aus Gleichung 1 berechnen.

Weiterhin gilt für das Verhältnis der Querschnittsflächen ε:
P_ATp = ε P_ATd (3).
mit P_ATp: Zugspannung des Amplitudentransformators am proximalen Ende, und
P_ATd: Zugspannung des Amplitudentransformators am distalen Ende.

Für die Streckgrenze des Impedanzwandlers P_IW ergibt sich dann

mit D_IW: Dichte des Impedanzwandlers (24).
C_IW: Schallgeschwindigkeit im Impedanzwandler (24).

Hieraus folgt für die Streckgrenze des Schallwandlers P_PW:

mit D_PW: Dichte des Schallwandlers (23)
C_PW: Schallgeschwindigkeit im Schallwandler (23).

Da P_PW jedoch anfangs als Materialkonstante vorgegeben worden ist, kann ε berechnet werden:

Somit ist der Amplitudentransformator dimensioniert.

Die Schallwelle läuft von den Keramikscheiben (23) in Richtung Quarzglaswellenleiter (3). Damit es an der Grenz fläche zwischen Keramik und Quarz minimale Reflexions verluste gibt, ist eine Impedanzanpassung nötig. Hierzu wird im folgenden der Impedanzwandler (24) berechnet.

Es wird eine lambda/4 Impedanzanpassung angesetzt: Z_X = D_X, C_X sei die mechanische Impedanz des Materials x. Dann gilt für senkrechten Schalleinfall für die Impedanz des Impedanzwandlers

und für seine Länge l_IW

Anhand der berechneten Impedanz muß dann ein geeignetes Impedanzwandlermaterial ausgewählt werden. Hierfür eignen sich z. B. Gläser entsprechender Zusammensetzung, Keramik oder Metall. Es muß aber hierbei berücksichtigt werden, daß die Streckgrenze nach Gleichung 1 nicht überschritten wird.

Bei optimaler lambda/4 Anpassung verschwindet der Reflexionsfaktor des Gesamtsystems und die einfallende Energie wird vollständig (unter Vernachlässigung der inneren Verluste) von den Piezokeramikscheiben (23) zum Wellenleiter (3) übertragen.

Für die geometrische Dimensionierung ist folgendes zu berücksichtigen:

Durch die Materialvorgabe sind die Streckgrenzen des Wellenleiters (3), des Amplitudentransformators (25) und des Schallwandlers (23) bekannt.

Es sind die Streckgrenze von Quarz P_Q = 20-30·10⁷ Pa
und die Streckgrenze von Keramik P_PW = 12,5·10⁷ Pa.

Weiterhin sind die Dichte D und die Schallgeschwindigkeit C_L für die Longitudinalwellen sowohl für Quarz (D_Q und C_LQ) als auch für Keramik (D_P und C_LP) vorgegeben.

Als freie Parameter bleiben dann noch

i) der distale Durchmesser des Wellenleiters d_d und
ii) die Frequenz f oder die Auslenkung s am distalen Ende des Wellenleiters.

Damit lassen sich für einen Wellenleiter aus Quarzglas mit einem Durchmesser von 1 mm unter Verwendung von Piezo keramikscheiben von 2,4 mm Durchmesser für den Schallgeber bei einer Frequenz von 25 kHz Auslenkungsamplituden von 0,15 mm am distalen Ende des Wellenleiters (3) erzielen, wenn man die folgenden Werte für Impedanz und Zugspannungen als gegeben annimmt:

Z_Q = 1,33 · 10⁷ kg/m²s,
P_Q = 3 · 10⁸ Pa,
Z_PW = 3,12 · 10⁷ kg/m²s,
P_PW = 1,25 · 10⁸ Pa,
Z_IW = 2,07 · 10⁷ kg/m²s,
P_IW = 8,4 · 10⁷ Pa.

Das entspricht einer theoretisch erreichbaren Schalleistung von 2,6 kW am distalen Ende des Wellenleiters (3). Eine solche Schalleistung ist zum Schneiden von Gewebe mehr als ausreichend. Bei höheren Frequenzen liegt die aufgrund der Streckgrenze maximal erreichbare Auslenkungsamplitude entsprechend niedriger.

In Fig. 2 ist eine alternative Ausführungsform des Instruments nach Fig. 1 dargestellt. Gemäß dieser zweiten Ausführungsform werden Ultraschall- und Laserstrahlung über den selben Wellenleiter übertragen und auf das Gewebe (16) am distalen Ende gerichtet. Hierzu wird die vom Laser generator (7) abgegebene Laserstrahlung von der Umlenk- und Fokussieroptik (6) in das proximale Ende des Wellenleiters (3) eingekoppelt und der Ultraschallgenerator (2) ist mit einem dem Wellenleiter umgebenden ringförmigen Ultraschall kopf (30) verbunden, wie er in Fig. 6 näher dargestellt ist. Die übrigen Bauteile entsprechen denen im Ausführungs beispiel nach Fig. 1 und werden deshalb an dieser Stelle nicht nochmals erläutert.

Wie aus Fig. 6 hervorgeht ist der Wellenleiter (3) im Bereich des Ultraschallkopfes (30) geteilt. Das proximale Teilstück (3a) des Quarzglas-Wellenleiters ist in eine koaxiale Bohrung des Ultraschallkopfes eingesetzt und zwar erstreckt sich diese Bohrung durch das Dämpfungsglied (32) und die Piezokeramikscheiben (33) des Schallwandlers hindurch und endet vor dem Impedanzwandler (34), der in diesem Falle aus für die Wellenlänge des Lasers (7) transparentem Glas besteht. Der sich an den Impedanzwandler (34) anschließende Amplitudentransformator (35) besteht wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ebenso wie der daran anschließende Wellenleiter (3b) aus Quarzglas.

Der Impedanzwandler (34) und der Amplitudentransformator (35) sind ebenso wie der Wellenleiter (3) mit einem optischen Cladding (36) versehen, um das Austreten von Laserlicht zu verhindern. Hierbei kann es sich beispiels weise um im Tauchverfahren aufgebrachte Hartpolymere handeln, wie sie ohnehin bei handelsüblichen sogenannten HCP(Hard Clad Plastic)-Fasern verwendet werden.

Mit dem in Fig. 2 dargestellten Applikator werden also gleichzeitig oder intermittierend Ultraschall- und Laser strahlung über den gleichen Wellenleiter (3) auf das zu behandelnde Gewebe (16) gerichtet, so daß beispielsweise Weichgewebe mit Ultraschall geschnitten und simultan mit dem Neodym-YAG-Laser (7) koaguliert wird. Im übrigen gelten die zu Fig. 1 gemachten Angaben hinsichtlich der Abmessung der Faser, der übertragenen Laser- und Schalleistung und die verwendeten Frequenz- bzw. Wellenlängenbereiche in gleicher Weise für das Instrument nach Fig. 2 bzw. Fig. 6.

Der Wellenleiter (3a) kann beispielsweise im Behandlungs kanal des in Fig. 9 dargestellten Endoskops (18) verlegt sein. Dieses Endoskop ermöglicht die Führung und Posi tionierung des Wellenleiters an den Behandlungsort in der betreffenden Körperöffnung. Sofern es sich um ein flexibles Endoskop handelt, besitzt es auch die erforderlichen Einrichtungen, um das distale Ende (19) zu bewegen bzw. abzuwinkeln. Es enthält außerdem die notwendigen Kanäle und Pumpeinrichtung (17) mit der die über den Hüllschlauch (4) zugeführte Flüssigkeit (5b) abgesaugt werden kann.

In Fig. 3 ist der Wellenleiter (3) gemäß Fig. 1 mit einem zusätzlichen Signalgeber und Empfänger (8) für Ultraschall- Meßsignale zur Vermessung von Gewebeschichten nach dem sogenannten A-Scan-Verfahren ausgestattet. Mit dem Signal geber und Empfänger (8) werden Ultraschallsignale geringer Leistung erzeugt und über den Wellenleiter (3) an das distale Ende transportiert. Die Schalleistung für die Diagnose liegt unter einem Watt und die Schallintensität am distalen Ende beträgt weniger als 100 Watt/cm², um Gewebe schädigungen auszuschließen. Jedoch wird bei der Diagnose mit Ultraschallfrequenzen größer 1 MHz gearbeitet, bis zu 50 MHz, vorzugsweise zwischen 1 und 10 MHz.

Das sogenannte A-Scan-Verfahren ist eine eindimensionale Darstellungsmethode. Hierbei wird akustische Energie vom Wandler (8) über den Wellenleiter (3) in die zu unter suchende Körperregion gesendet. An jeder Grenzfläche wird ein Teil der Schallwellen reflektiert. Die durch den Wellenleiter (3) zurücklaufende Welle wird vom Schall wandler (8) wieder empfangen. Bei bekannter Schall geschwindigkeit läßt sich aus der Laufzeit die Entfernung der Reflexionsstelle errechnen. Die empfangenen Signale können z. B. auf einem Monitor dargestellt werden. Hierbei läuft auf dem Monitor in der X-Achse ein Punkt und ein Taktsignal steuert die Bildröhre derart, daß der Beginn der Punktbewegung zeitlich mit dem Empfang des reflektierten Schallsignals zusammenfällt. Die Punktlaufzeit kann so eingestellt werden, daß die Abstände der Reflexionsstellen wie z. B. Organgrenzflächen direkt vom Monitor abgelesen werden können. Reflektierte Signale werden durch eine zur Schallintensität proportionale Amplitude auf der Y-Achse dargestellt. Mit zunehmender Eindringtiefe nehmen die Schallwellenintensitäten ab. Mit Hilfe einer zeitabhängigen Verstärkung werden später eintreffende Signale aber mehr verstärkt, um so die Intensitätsverluste im Gewebe auszugleichen. Sich bewegende Grenzflächen sind durch die sich auf der Zeitachse (X-Achse) verschiebenden Amplituden erkennbar. Die dafür erforderliche Meßsende- und Auswerte elektronik (9) ist im Blockschaltbild nach Fig. 8 näher dargestellt. Darin bezeichnen die Bezugszeichen (60) den Taktgeber, (61) den Ultraschallsender, (63) den Verstärker für die Empfangssignale, (62) die Elektronik für den Tiefenausgleich, die den Verstärkungsfaktor zeitabhängig steuert, (64) den Bildverstärker und (65) den Monitor, auf dem die Signale dargestellt werden.

Wenn mit dem Instrument nach Fig. 3 zusätzlich Ultra schalldiagnose betrieben wird, sind die Reflexionsverluste durch den Impedanzsprung am distalen Ende des Wellenleiters (3) zu berücksichtigen. Die Verluste können beim Abstrahlen noch durch eine Erhöhung der Sendeleistung kompensiert werden. Für das rücklaufende Echosignal ist das jedoch nicht mehr möglich, da dann zum distalen Ende ein nochmals höhere Sendeleistung übertragen werden müßte, was das Gewebe unnötig belastet, oder man einem Signalverlust in Kauf zu nehmen hat. Deshalb ist bei der Ultraschalldiagnose über eine Quarzglasfaser eine Impedanzanpassung nötig. Der große Impedanzsprung von 13,3×10⁶ kgm^-2 s^-1 für Quarz glas auf 0,5-1,7×10⁶ kgm^-2 s^-1 für typische Weich gewebe verstärkt diese Forderung noch. Zu erwarten wären hierbei Intensitätsverluste zwischen 60 und 85% beim Senden und Empfangen.

Die über das Füllrohr (4) übertragene Spülflüssigkeit kann zwar prinzipiell für Impedanzanpassung verwendet werden, problematisch ist es jedoch, entsprechend hohe Impedanzen zwischen 2,5-4,5×10⁶ kgm^-2 s^-1 zu erreichen. Außerdem ist die Schichtdicke der Spülflüssigkeit nicht leicht auf die für die Impendanzanpassung erforderlichen Wert von lambda/4 konstant zu halten. Deshalb ist auf das distale Ende des Wellenleiters (3) zusätzlich ein Impendanzwandler in Form eines geeigneten Glases mit einer Impedanz von ca. 4×10⁶ kgm^-2 s^-1 aufgesetzt. Dieser Impedanzwandler (109) ist schallhart mit der Quarzglasfaser (3) z. B. durch Klebe-, Spleiß- oder Kraftschlußtechnik verbunden.

In Fig. 4 ist eine weitere, bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Instruments dargestellt. Hier wird durch eine zentrische Quarzglasfaser (13) gleichzeitig der Ultra schall des in Fig. 6 dargestellten Schallkopfes und die Laserstrahlung des Neodym-YAG-Lasers (7) nach Umlenkung und Fokussierung mit Hilfe der Optik (6) auf das proximale Ende des Wellenleiters (13) übertragen. Insofern entspricht dieser Teil des Instruments dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2. Der zentrische Wellenleiter (13) hat einen Durch messer von 600 µm.

Um die zentrale Quarzglasfaser (13) ist ein sogenannter Multifaser-Ringkatheter (14) gelegt. Dieser Ringkatheter (14) besteht aus mehreren Lichtleitfasern (12) mit geringem Durchmesser von ca. 50 µm. Dieses Ringkatheterfaserbündel dient zur Übertragung des höherfrequenten Ultraschalls im Bereich zwischen 1 MHz und 50 MHz für die Ultraschall diagnose. Hierzu sind die Enden der Fasern (12) am proxi malen Ende zusammengefaßt, beispielsweise miteinander verklebt und an dieses gemeinsame Faserende ist ein kombinierter Ultraschallsender/empfänger (18) angekoppelt, der mit der Diagnoseeinheit (9) verbunden ist, wie sie in Fig. 8 dargestellt ist.

Der über die Quarzglasfaser (13) übertragene Leistungs ultraschall für die Therapie liegt im Frequenzbereich zwischen 30 kHz und 200 kHz, vorzugsweise bei ca. 100 kHz.

Der ringförmige Kanal zwischen dem Ringkatheter (14) und dem zentrischen, dickeren Wellenleiter (13) kann zur Übertragung der Spülflüssigkeit dienen.

Die Glasfasern (12) können weiterhin dazu benutzt werden, optische Signale vom distalen Ende des Instruments zurück zuübertragen, beispielsweise Fluoreszenzstrahlung, die mit Hilfe von an das proximale Ende der Fasern (12) angesetzten photoelektrischen Detektoren (nicht gezeichnet) in Remission nachgewiesen wird.

In den bisherigen Ausführungsbeispielen ist immer eine Quarzglasfaser mit vollem Kern als Wellenleiter zur Übertragung des Leistungs-Ultraschalls für die Therapie bzw. der Laserstrahlung dargestellt worden. Anstelle einer solchen Faser ist es jedoch auch möglich, eine Kapillare zu verwenden, wie das in Fig. 7 dargestellt ist. Dort besteht der Wellenleiter aus einer hohlen Quarzglaskapillare (48). Diese Quarzglaskapillare ist wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 im Bereich des Schallwandlers geteilt. Das Proximalstück (48a) des hohlen Wellenleiters ist wieder in ein zentrische Bohrung im Dämpfungsglied (42) und den piezokeramischen Scheiben (43) des Schallwandlers ein gesteckt. Jedoch erstreckt sich hier die Bohrung durch den Impedanzwandler hindurch, so daß das Ende dieses Wellen leiterstücks (48a) direkt auf das dickere Ende des Amplitudentransformators (45) aufgesetzt ist. Der Amplitudentransformator (45) besitzt ebenfalls eine zentrische Bohrung und zwar in gleicher Größe wie der Kapillarinnendurchmesser. An den Amplitudentransformator schließt sich dann das zweite, distale Stück (48b) des hohlen Wellenleiters an.

In diesem Ausführungsbeispiel wird der Leistungsultraschall für die Therapie, der vom Schallwandler (43) erzeugt wird, von den Wänden der Quarzglaskapillare (48b) übertragen. Durch das Innenlumen (49) wird zur Kühlung des Wellen leiters eine Flüssigkeit gespült. Diese Flüssigkeit ist für die Wellenlänge der simultan zu übertragenden Laser strahlung transparent, die vom proximalen Ende her in den flüssigen Kern des Wellenleiters (48a) eingekoppelt wird.

Mit (46) ist auch in diesem Ausführungsbeispiel wieder das optische Cladding mit niedrigerer Brechzahl bezeichnet, das ein Austreten von Licht aus dem Wellenleiter (48b) verhindern soll.

Claims

1. Invasives bzw. endoskopisches Instrument mit einem Übertragungskanal, der mindestens einen Wellenleiter (3; 13, 48) zur Übertragung von Schallenergie einer proximalen Ultraschallquelle (8; 23; 33; 43) und zur Übertragung von Lichtenergie einer proximal angeord neten Laserstrahlquelle (7) zum distalen Ende des Instruments enthält.

2. Instrument nach Anspruch 1, wobei die Intensität und Frequenz des von der Ultraschallquelle (23; 33; 43) erzeugten Schalls so gewählt ist, daß sie für das Schneiden von Gewebe ausreichen.

3. Instrument nach Anspruch 2, wobei die an das distale Ende übertragene Ultraschalleistung mindestens 5 Watt beträgt und die Frequenz des Ultraschalls kleiner als 1 MHz ist, vorzugsweise zwischen 30 und 200 kHz liegt.

4. Instrument nach Anspruch 2, wobei der Durchmesser des Wellenleiters größer als 0,05 mm ist.

5. Instrument nach Anspruch 1, wobei die Intensität und die Frequenz des von der Ultraschallquelle (23; 33; 43) oder von einer separaten, zweiten Ultraschall quelle (8) erzeugten Schalls so wählbar ist, daß sie zur Diagnose von Gewebeschäden geeignet ist.

6. Instrument nach Anspruch 5, wobei die an das distale Ende übertragene Ultraschalleistung weniger als 1 W beträgt oder die an das distale Ende übertragene Ultraschallintensität geringer als 100 W cm^-2 ist, und die Frequenz des Ultraschalls größer als 1 MHz ist.

7. Instrument nach Anspruch 5, wobei der Durchmesser der Wellenleiter (12) kleiner als 0,1 mm ist.

8. Instrument nach Anspruch 1, wobei die Laserstrahl quelle (7) ein Therapielaser ist und die optische Leistung am distalen Ende des Instruments mindestens 5 Watt beträgt oder die Intensität am distalen Ende mindestens 1 kW cm^-2 beträgt.

9. Instrument nach Anspruch 8, wobei die Wellenlänge des Lasers zwischen 300 nm und 3 µm liegt, vorzugsweise im nahen Infrarotbereich zwischen 1 µm und 1,5 µm.

10. Instrument nach einem der Ansprüche 1-9, wobei der Ultraschall und die Laserstrahlung über ein und den selben Wellenleiter (3) geführt sind.

11. Instrument nach einem der Ansprüche 1-10, wobei der Wellenleiter eine Kapillare (48) ist.

12. Instrument nach Anspruch 10 und 11, wobei die Wand der Kapillare (48) den Ultraschall und das Innere (49) der Kapillare (48) die Laserstrahlung überträgt.

13. Instrument nach Anspruch 11, wobei die Kapillare von einer Flüssigkeit oder einem Gas durchströmt wird.

14. Instrument nach einem der Ansprüche 1-9, wobei der Ultraschall und/oder die Laserstrahlung über ein Wellenleiterbündel geführt sind und ein Teil (3) der Wellenleiter den Ultraschall und ein anderer Teil (103) der Wellenleiter die Laserstrahlung zum distalen Ende überträgt.

15. Instrument nach einem der Ansprüche 1-14, wobei zusätzliche Wellenleiter (12) zur Übertragung eines Schallsignals vom distalen Ende zu einem oder mehreren proximal angeordneten Schallempfängern (18) vorgesehen sind.

16. Instrument nach Anspruch 15, wobei die zur Übertragung von Schallsignalen vom distalen Ende zum proximalen Ende dienenden Wellenleiter (12) den an die Ultra schallquelle (20) bzw. Laserstrahlquelle (7) angeschlossenen Wellenleiter (13) ringförmig umgeben.

17. Instrument nach einem der Ansprüche 1-16, wobei die Wellenleiter eine Umhüllung (26; 36; 46) mit vom Faserkern abweichendem Brechungsindex und/oder abweichender akustischer Impedanz besitzen.

18. Instrument nach einem der Ansprüche 1-18, wobei die Wellenleiter (3, 13) von einer Umhüllung (4) umgeben sind, innerhalb der ein flüssiges Medium vorgesehen ist, das den Wellenleiter umspült.

19. Instrument nach einem der Ansprüche 1-18, wobei der Ultraschallquelle (20; 30; 40) ein Dämpfungsglied (22; 32; 42), ein Schallwandler (23; 33; 43) ein Impedanz wandler (24; 34; 44) und ein Amplitudentransformator (25; 35; 45) vorzugsweise in Form eines Tapers zugeordnet sind.

20. Instrument nach Anspruch 19, wobei das Dämpfungsglied (32), der Schallwandler (33) und der Impedanzwandler (34) zylindrische Bauteile sind, die aufeinander gesetzt sind, und wobei das Dämpfungsglied (32) und der Schallwandler (33) mit einer Innenbohrung versehen sind, in die ein mit der Laserstrahlquelle (7) verbun dener Lichtleiter (3a) eingesetzt ist.

21. Instrument nach Anspruch 20, wobei der Impedanzwandler (34, 44) und der Amplitudentransformator (35, 45) aus für die Laserstrahlung transparentem Material bestehen.

22. Verfahren zum Schneiden von Gewebe mittels einer Ultraschallsonde, die den Ultraschall über einen Wellenleiter dem zu schneidenden Gewebe zuführt, wobei gleichzeitig oder alternierend die Strahlung eines Therapielasers auf das Gewebe gerichtet wird.

23. Verfahren zum Schneiden vom Gewebe mittels einer Ultraschallsonde, die den Ultraschall über einen Wellenleiter dem zu schneidenden Gewebe zuführt, wobei die Strahlung eines Therapielasers während des Behand lungsvorganges über den gleichen Wellenleiter mitüber tragen wird.