DE4421794C2 - Vorrichtung zur Messung der Temperatur in einem Ultraschallfeld - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Tem­ peratur in einem Ultraschallfeld.

Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise benötigt, um die Funktionsfähigkeit von therapeutischen Zwecken dienenden Ultraschallquellen zu überprüfen. Dies geschieht, indem die Ultraschallwellen in ein akustisches Ausbreitungsmedium ein­ geleitet werden, in dem die Vorrichtung zur Messung der Tem­ peratur bzw. deren Temperatursensor angeordnet ist. Bei be­ kannten Vorrichtungen ist als Temperatursensor ein Thermo­ element vorgesehen. Die Vorrichtung enthält dann außerdem die zur Temperaturmessung erforderliche Elektronik und Anzeige­ mittel.

Nachteilig an derartigen Vorrichtungen ist, daß sie ver­ gleichsweise kompliziert aufgebaut und umständlich zu benut­ zen sind. Außerdem ist nachteilig, daß eine Vielzahl von Mes­ sungen erforderlich ist, wenn die Temperaturverteilung in ei­ nem größeren Gebiet ermittelt werden soll, wobei außerdem zwischen aufeinanderfolgenden Messungen jeweils die Abkühlung des Thermoelementes abgewartet werden muß.

In der Zeitschrift "Fotografie", Heft 8, 1978, Seiten 30, 33 und 34, wird Ultraschall sichtbar gemacht, indem ein zu be­ schallendes Objekt mit Flüssigkristallen bestrichen wird.

In der DE 26 36 700 A1 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von thermographischen Abbildungen beschrieben, welche eine in ei­ nem Rahmen aufgenommene, mit Flüssigkristallen bedeckte Folie enthält, die zur Erzeugung eines thermographischen Bildes an die Oberfläche eines thermographisch abzubildenden Objektes angepreßt wird.

In "Zeitschrift für angewandte Physik", 7. Band, Mai 1955, Heft 5, Seiten 213 bis 218, ist es beschrieben, zur Ultra­ schallbildwandlung auf thermischem Wege einen Schirm mit so­ genannten Wärmefarben zu präparieren. Dabei besteht auch die Möglichkeit, quantitative Messungen durchzuführen, wenn die Temperatur-Farb-Kurve der verwendeten Wärmefarbe bekannt ist.

In der Zeitschrift "Nachrichtentechnik", 5. Jahrgang, Februar 1955, Heft 2, Seiten 170 bis 172, ist ein Schall­ sichtverfahren unter Verwendung eines elektronenoptischen Bildwandlers beschrieben. Dabei wird eine schallschluckende Schicht vor dem Eingangsleuchtschirm des Bildwandlers ange­ bracht, in der sich bei Beschallung eine von der lokalen Ultraschallintensität abhängige Temperaturverteilung ergibt. Da der Dunkelstrom des Bildwandlers temperaturabhängig ist, ergibt sich ein der Temperaturverteilung entsprechendes Bild auf dem Ausgangsleuchtschirm.

In der Zeitschrift "msr 22" (1975) Heft 3, Seiten 122 bis 124, ist ein Verfahren zur Temperaturfeldmessung mit Flüssig­ kristallen beschrieben. Dabei wird derart vorgegangen, daß die relevante Oberfläche eines Objektes mit Flüssigkristallen bepinselt wird und nach Herbeiführung eines interessierenden thermischen Zustandes eine fotografische Farbaufnahme ange­ fertigt wird, aus der die Lage der Isothermen des Temperatur­ feldes entnommen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die einfach aufgebaut, in ihrer Benutzung unkompliziert ist und außerdem die Voraus­ setzung bietet, auf einfache und zeitsparende Weise Tempera­ turverteilungen zu ermitteln.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vor­ richtung zur Messung der Temperatur in einem sich in einem akustischen Ausbreitungsmedium ausbreitenden Ultraschallfeld enthaltend einen Abschnitt thermosensitiven Papiers, einen Rahmen, in dem der Abschnitt thermosensitiven Papiers ange­ bracht ist, und ein in den Rahmen eingebettetes, mit einer diagnostischen Bildgebungseinrichtung abbildbares Ortungs­ teil. Durch die Einwirkung des Ultraschallfeldes tritt eine Schwärzung bzw. Verfärbung des thermosensitiven Papiers auf, deren Grau- bzw. Farbwert ein Maß für die Temperatur ist. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich also auf unkomplizierte Weise Temperaturmessungen in einem Ultra­ schallfeld vornehmen, da es genügt, den Abschnitt thermosen­ sitiven Papiers an geeigneter Stelle in dem akustischen Aus­ breitungsmedium des Ultraschallfeldes zu plazieren. Dabei er­ folgt in vorteilhafter Weise eine Messung an mehreren Stellen des Ultraschallfeldes, nämlich in den Punkten der Schnittfläche des Abschnittes thermosensitiven Papiers mit dem Ultraschallfeld. Da die Vorrichtung keinerlei Elektronik oder Anzeigemittel enthält, ist sie in ihrem Aufbau äußerst einfach. Da die Vorrichtung einen Rahmen aufweist, in dem der Abschnitt thermosensitiven Papiers angebracht ist, ist sichergestellt, daß die Messung in einer definierten, vor­ zugsweise ebenen Schnittfläche des Ultraschallfeldes mit dem Abschnitt thermosensitiven Papiers erfolgt. Da die Vorrich­ tung außerdem ein mit einer diagnostischen Bildgebungsein­ richtung abbildbares Ortungsteil enthält, besteht, im Falle von Ultraschallquellen, die als Ortungsvorrichtung für den jeweils zu behandelnden Bereich eine diagnostische Bild­ gebungseinrichtung, z. B. auf Röntgen-, Ultraschall- oder NMR- Basis, verfügen, die Möglichkeit, anhand des im Bild der Bildgebungseinrichtung sichtbaren Ortungsteils den Abschnitt thermosensitiven Papiers so auszurichten, daß die Messung in einer gewünschten Ebene bzw. Fläche des Ultraschallfeldes er­ folgt. Die Einbettung des Ortungsteils in den Rahmen ist kon­ struktiv besonders einfach.

Unter thermosensitivem Papier soll hier ein Papier, eine Po­ lymerfolie oder dergleichen verstanden werden, das, z. B. durch Aufbringen einer geeigneten Beschichtung, derart behan­ delt ist, daß es in denjenigen Bereichen, die einer gegenüber Raumtemperatur erhöhten Temperatur ausgesetzt werden, eine Verfärbung oder Schwärzung erfährt, deren Intensität (zumin­ dest innerhalb des bei der Messung interessierende Tempera­ turbereichs) temperaturabhängig ist. Als besonders geeignet hat sich bei Versuchen handelsübliches thermosensitives Mate­ rial für sogenannte Thermodrucker erwiesen.

Um die Plazierung des Abschnitts thermosensitiven Papiers an der gewünschten Stelle im Ultraschallfeld zu erleichtern, ist gemäß einer Variante der Erfindung ein gegebenenfalls an dem Rahmen angebrachtes Halterungsteil vorgesehen.

An sich ist es von Vorteil, wenn zumindest diejenigen Teile der Vorrichtung, die sich in dem akustischen Ausbreitungs­ medium befinden und nicht klein im Vergleich zur Wellenlänge der Ultraschallwellen des Ultraschallfeldes sind, sich hin­ sichtlich ihrer akustischen Eigenschaften möglichst wenig von denen des akustischen Ausbreitungsmediums unterscheiden. Den­ noch ist aber gemäß einer Variante der Erfindung vorgesehen, daß das Ortungsteil hinsichtlich seiner akustischen Impedanz von der des jeweiligen Ausbreitungsmediums abweicht. Das Ortungsteil ist dann nämlich mittels diagnostischer Ultra­ schallwellen ortbar.

Grundsätzlich genügt es zur Auswertung eines Abschnittes des thermosensitiven Papiers, das einem Ultraschallfeld ausge­ setzt war, die Schwärzung bzw. Verfärbung des Papiers mit ei­ ner Grau- oder Farbwert/Temperatur-Skala zu vergleichen, die der Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zu­ geordnet ist. Es können aber gemäß einer weiteren Ausfüh­ rungsform der Erfindung auch Mittel zur Abtastung des Ab­ schnittes thermosensitiven Papiers vorgesehen sein, welche Daten hinsichtlich der Verteilung der Farb- oder Grauwerte auf dem Abschnitt thermosensitiven Papiers ermitteln, und Auswertemittel aufweist, die auf Grundlage der mittels der Mittel zur Abtastung gewonnenen Daten die Temperaturvertei­ lung in dem Ultraschallfeld, vorzugsweise in Form eines Iso­ thermen-Diagramms, ermitteln.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in grob schematischer Darstellung die Vorrichtung ge­ mäß den Fig. 2 bis 4 während ihrer Verwendung,

Fig. 2 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in perspektivischer Darstellung,

Fig. 3 einen Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 4 eine Ansicht der Vorrichtung gemäß der Erfindung gemäß den Fig. 1 und 2,

Fig. 5 und 6 Ultraschallbilder, wie sie bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einer eine Ultraschall-Ortungseinrichtung enthaltenden Ultraschallquelle auftreten,

Fig. 7 den Abschnitt thermosensitiven Papiers nach Durchfüh­ rung der Messung mit einer Grauwert/Temperatur-Skala zur Auswertung der Messung, und

Fig. 8 eine Einrichtung zur Auswertung von Messungen.

In Fig. 1 ist eine Quelle 1 therapeutischer Ultraschallwellen dargestellt, wie sie z. B. zur Behandlung pathologischer Ge­ webebereiche durch Hyperthermie oder Thermotherapie verwendet wird. Die Quelle 1 ist über einen wassergefüllten, flexiblen Ankoppelbalg mit der Wand eines Bassins 2 gekoppelt, das eine dämpfende Flüssigkeit als akustisches Ausbreitungsmedium für von der Quelle 1 in das Bassin 2 eingestrahlte Ultraschall­ wellen enthält. Geeignete Flüssigkeiten sind Alkohole, Öle oder Gemische mit einem Ultraschalldämpfungskoeffizienten, der dem von typischem Gewebe entspricht. Dadurch erreicht man vergleichbare Erwärmungsraten. Bei Aktivierung der Quelle 1 baut sich also in der Flüssigkeit ein Ultraschallfeld auf. Im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels sind die von der Quelle 1 erzeugten Ultraschallwellen auf eine auf der akusti­ schen Achse A der Quelle 1 liegende Fokuszone fokussiert, de­ ren Zentrum in Fig. 1 mit FZ bezeichnet ist. Die Quelle 1 ent­ hält einen diagnostischen Ultraschall-Applikator 3, der Be­ standteil einer nicht dargestellten Ultraschall-Ortungsein­ richtung ist und an sich dazu dient, zu behandelnde Gewebebe­ reiche zu lokalisieren und in einem entsprechenden Ultra­ schallbild darzustellen. Im Falle des beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispiels handelt es sich bei dem Ultraschall-Applikator 3 um einen sogenannten Sektor-Scanner mittels dessen eine kreissektorförmige Schicht darstellbar ist, deren Rand­ strahlen RS in Fig. 1 strichpunktiert angedeutet sind.

Um zu Kontroll- und/oder Testzwecken in dem Ultraschallfeld der Quelle 1 Temperaturmessungen vornehmen zu können, ist ei­ ne insgesamt mit 4 bezeichnete Vorrichtung vorgesehen, die an einem Stativ 5 derart angebracht ist, daß sie sich in der Flüssigkeit in dem Ultraschallfeld der Quelle 1 befindet.

Wie aus den Fig. 2 bis 4 ersichtlich ist, enthält die Vor­ richtung 4 als Sensor einen etwa rechteckigen Abschnitt 6 thermosensitiven Papiers, der in einem beispielsweise nach Art eines Diarahmens ausgebildeten Rahmen 7 aufgenommen ist.

Der Rahmen 7 besteht aus einem Grundteil 8, das ringsum mit einem erhöhten Rand 9 versehen ist, und einem Halterahmen 10, der in die von dem Rand 9 begrenzte Vertiefung eingeschnappt wird, nachdem der Abschnitt 6 thermosensitiven Papiers in die Vertiefung eingelegt wurde. Der Rahmen 7, d. h., das Grundteil 8 und der Halterahmen 10 sind aus einem Material, insbesondere einem Kunststoff wie beispielsweise TPX (Polymethylpentene), gebildet, das gut an die akustischen Eigenschaften, insbeson­ dere die akustische Impedanz, der Flüssigkeit angepaßt ist.

Um die Vorrichtung 4 und die Quelle 1 in der für die jeweils durchzuführende Messung geeigneten Weise mit Hilfe des Ultra­ schall-Applikators 3 und der Ultraschall-Ortungseinrichtung relativ zueinander ausrichten zu können, sind Ortungskörper 11, 12, 13 vorgesehen, die durch den Rahmen 7 bzw. einen Be­ reich des Rahmens 7 gebildet nämlich in das Grundteil 8 des Rahmens 7 eingebettet sind.

Die Ortungsteile 11, 12, 13 sind aus Stahl gebildet und weichen somit hinsichtlich ihrer akustischen Impedanz sowohl von dem Rahmen 7 als auch von der Flüssigkeit ab. Die Ortungsteile 11, 12, 13 sind daher in mittels der Ultraschall-Ortungseinrichtung er­ zeugten Ultraschallbildern gut identifizierbar.

Bei dem Ortungsteil 11 handelt es sich um eine Kugel, die in dem einen Schenkel 14 des Grundteiles 8 mittig eingebettet ist. Bei den Ortungsteilen 12 und 13 handelt es sich um Stäbchen, die in einander gegenüberliegenden Schenkein 15, 16 des Grundteiles 8 eingebettet sind, und zwar derart, daß ihre Längsachsen in der Ebene des Abschnittes 6 thermosensitiven Papiers liegen und sich rechtwinklig schneiden. Die Längs­ achse des Ortungsteiles 13 verläuft parallel zur Längsachse des Schenkels 16; die Längsachse des Ortungsteiles 12 ver­ läuft quer zur Längsachse des Schenkels 15.

Soll eine Messung durchgeführt werden, bei der die Ebene des Abschnittes 6 thermosensitiven Papiers in der mittels der Ul­ traschall-Ortungseinrichtung 8 gebildeten Ebene liegt, müssen also die Vorrichtung 4 und die Quelle 1 durch Verstellen des Stativs 5 und/oder der Quelle 1 in eine solche Position relativ zueinander gebracht werden, daß, wie in Fig. 5 darge­ stellt, die Abbilder 11', 12', 13' der Ortungsteile 11, 12, 13 in dem mittels der Ultraschall-Ortungseinrichtung erzeugten Ultraschallbild erscheinen. Wenn in das Ultraschallbild eine das Zentrum der Fokuszone kennzeichnende Marke FZ' eingeblen­ det ist, dies ist normalerweise der Fall, sollte die Ausrich­ tung der Vorrichtung 4 und der Quelle 1 relativ zueinander so erfolgen, daß die Marke FZ' etwa mittig auf der Verbindungs­ linie der Abbilder 12' und 13' der Ortungsteile 12 und 13 liegt. Das Zentrum der Fokuszone liegt dann etwa im Schnitt punkt der Diagonalen des Abschnittes 6 ther­ mosensitiven Papiers.

Soll die Messung in einer rechtwinklig zur akustischen Achse A der Quelle 1 verlaufenden Ebene erfolgen, müssen die Vor­ richtung 4 und die Quelle 1 relativ zueinander derart ausge­ richtet werden, daß in dem Ultraschallbild die Abbilder 12' und 13' der Ortungsteile 12 und 13 klar erscheinen und das Abbild 13' des Ortungsteiles 13 möglichst klein und scharf ist. Wenn die Ausrichtung außerdem derart gewählt wird, daß sich die Lage der Fokuszone kennzeichnende Marke FZ' etwa auf der Mitte der Verbindungslinie zwischen den Abbildern 12' und 13' befindet, verläuft die akustische Achse A wenigstens im wesentlichen durch den Schnittpunkt der Diagonalen des Ab­ schnittes 6 thermosensitiven Papiers.

Sind die Quelle 1 und die Vorrichtung 4 in der jeweils erfor­ derlichen Weise relativ zueinander ausgerichtet, wird die Quelle 1 für eine vorgegebene Zeit, z. B. einige Sekunden, zur Abgabe von Ultraschallwellen aktiviert. Unter der Einwirkung der Ultraschallwellen tritt dann eine Schwärzung bzw. Verfär­ bung des thermosensitiven Papiers auf, so wie dies an dem in Fig. 7 dargestellten Abschnitt 6 thermosensitiven Papiers beispielhaft veranschaulicht ist. Eine quantitative Auswer­ tung der an einer bestimmten Stelle des Abschnittes 6 aufge­ tretenen Schwärzung bzw. Verfärbung ist mittels einer Grau- bzw. Farb/Temperatur-Skala 17 möglich, auf der bestimmten Grau- bzw. Farbwerten Temperaturwerte zugeordnet werden. Die Grau- bzw. Farb/Temperatur-Skala 17 kann durch statische Eichung des thermosensitiven Papiers in einer Flüssigkeit bekannter Temperatur erzeugt werden.

Im Falle der Quelle, bei deren Überprüfung der in Fig. 7 dar­ gestellte Abschnitt 6 thermosensitiven Papiers verwendet wurde, sind offensichtlich neben einem Hauptfokus, der die in Fig. 7 mit F'' bezeichnete Schwärzung bzw. Verfärbung hervor­ gerufen hat, auch Nebenfoki vorhanden, die die mit NF' und NF'' bezeichneten Schwärzungen bzw. Verfärbungen bewirkt ha­ ben.

Sofern es sich bei der überprüften Quelle nicht um ein defek­ tes Exemplar handelt, muß also bei der Behandlung die Existenz der Nebenfoki berücksichtigt werden, um nicht unbe­ absichtigterweise gesundes Gewebe zu schädigen.

Die Auswertung von Abschnitten 6 thermosensitiven Papiers kann auch mittels der in Fig. 8 veranschaulichten Vorrichtung erfolgen. Es handelt sich hier um eine elektronische Daten­ verarbeitungseinrichtung 18 mit Monitor 19, Tastatur 20 und Handscanner 21. Mittels des Handscanners 21 wird der jeweils auszuwertende Abschnitt 6 thermosensitiven Papiers abgeta­ stet. Die dabei gewonnenen Daten, die der Verteilung der Farb- bzw. Grauwerte auf dem Abschnitt 6 thermosensitiven Papiers entsprechen, wertet die entsprechend programmierte Datenverarbeitungseinrichtung dahingehend aus, daß sie die Temperaturverteilung in dem Ultraschallfeld ermittelt. Die ermittelte Temperaturverteilung wird vorzugsweise graphisch angezeigt, und zwar in Form eines Isothermen-Diagramms, so wie dies in Fig. 8 auf dem Bildschirm des Monitors 19 ange­ deutet ist.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Messung der Temperatur in einem sich in einem akustischen Ausbreitungsmedium ausbreitenden Ultra­ schallfeld enthaltend einen Abschnitt (6) thermosensitiven Papiers, einen Rahmen (7), in dem der Abschnitt (6) thermosensitiven Papiers angebracht ist, und ein in den Rahmen (7) eingebettetes, mit einer diagnostischen Bildgebungseinrichtung abbildbares Ortungsteil (11, 12, 13).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, deren Ortungsteil (11, 12, 13) hinsichtlich seiner akustischen Impedanz von der des jeweiligen Ausbreitungsmediums abweicht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, welcher eine Grau- oder Farbwert/Temperatur-Skala (17) zugeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welche Mit­ tel zur Abtastung des Abschnittes (6) thermosensitiven Papiers, welche Daten hinsichtlich der Verteilung der Farb- oder Grauwerte auf dem Abschnitt (6) thermosensitiven Papiers ermitteln, und Auswertemittel (18) aufweist, die auf Grund­ lage der mittels der Mittel zur Abtastung gewonnenen Daten die Temperaturverteilung in dem Ultraschallfeld ermitteln.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, deren Auswertemittel (18) ein Isothermen-Diagramm erzeugen.