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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein mechanisches Positioniersystem,
insbesondere ein Positioniersystem für ein Ultraschall-Behandlungsgerät, betrieben
unter Magnetresonanzbildgebung.
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STAND DER
TECHNIK
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Die
Verwendung von Magnetresonanzbildgebung (MRI) ist gut bekannt. MRI
stellt einem Radiologen detaillierte Innenansichten der Anatomie
eines Patienten bereit, die mit konventioneller Röntgentechnologie
nicht visualisierbar sind. Die von MRI-Systemen erzeugten Bilder
liefern dem Arzt einen visuellen Kontrast zwischen verschiedenen
Geweben, was beim Planen chirurgischer Eingriffe äußerst hilfreich
ist.
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Ultraschallbehandlung
verwendet konzentrierte, lokalisierte Erwärmung, um Tumore oder sonstige
Gewebeanomalien selektiv zu zerstören. Das Erwärmen von Gewebe über eine
kritische Temperatur hinaus während
längerer
Zeit verursacht Nekrosen, die Zerstörung des Gewebes. Die Verwendung
von MRI-Bildgebung zum Lenken des Brennpunkts eines Ultraschall-Behandlungsgerätes ist
bekannt. Zum Beispiel beschreiben die US-Patentschriften 5, 443, 068,
5, 275, 165 und 5, 247, 935 jeweils die Verwendung eines Ultraschallwandlers,
gelenkt durch ein MRI-System, um Gewebe selektiv zu zerstören.
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Die
Erfordernis, einen Ultraschallwandler zur Verwendung in selektiver
Gewebenekrose präzise
zu positionieren, ist bei Verwendung mit einem MRI-Lenkungssystem mit
speziellen Problemen behaftet. Insbesondere verwenden MRI-Systeme
große Magneten,
um ein homogenes Magnetfeld zu schaffen, und Gradientenspulen, um
das Magnetfeld zeitlich und/oder räumlich auf einheitliche Weise
zu ändern.
Dieses Verfahren schafft Magnetfeldgradienten. MRI-Systeme verwenden
außerdem
Radiofrequenz (RF)-Spulen zum Anwenden eines RF-Feldes auf das Gewebe,
das an dem die Bildgebung erfolgen soll, so dass das Gewebe schwingt
und ein MR-Antwortsignal erzeugt. Das MR-Antwortsignal wird dann
verwendet, um ein Bild des Gewebes, das einem Bediener gezeigt wird,
aufzubauen. Das Bild kann anschließend ausgedruckt oder anderweitig
zur späteren
Verwendung und Analyse gespeichert werden. Der Grad der Homogenität des Magnetfeldes und
die Linearität
des Magnetfeldgradienten über Raum
und Zeit sind wichtig, um ein klares, unverzerrtes Bild zu erzeugen.
Jede Störung
im RF-Feld reduziert die Bildqualität. Die beste und konsistenteste Bildgebung
erfolgt normalerweise, wenn chirurgische Ausrüstung oder sonstige Objekte
die vom MRI-System erzeugten Magnet- und RF-Felder nicht stören.
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Mehrere
Situationen können
die Leistung von MRI-Systemen
oder sonstiger Ausrüstung,
die damit verwendet wird, beeinträchtigen. Zum Beispiel darf
Ausrüstung,
die aus ferromagnetischen Materialen besteht, nicht in der Nähe eines
MRI-Systems verwendet werden, weil die vom MRI-System erzeugten
großen
Magnetfelder die magnetische Ausrüstung physikalisch anziehen.
Folglich leidet möglicherweise
die MRI-Leistung. Außerdem
stören
und verzerren leitfähige
Materialien die elektromagnetischen Radiofrequenzfelder, die für Resonanzbildgebung nötig sind.
Zu anderen Problemen kommt es bei Material, das Wirbelströme erzeugt,
wenn es in ein zeitvariables Magnetfeld platziert wird. Die Wirbelströme in diesem
Material, normalerweise elektrische Leiter, schaffen ihr eigenes
Magnetfeld, das die für
die Magnetresonanzbildgebung verwendeten Felder stört.
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Darum
darf Material mit guter Leitfähigkeit, wie
z.B. Aluminium oder Kupfer, nicht innerhalb eines zeitvariablen
Magnetfeldes verwendet werden.
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Um
ein Ultraschall-Behandlungsgerät
unter MRI-Lenkung
exakt zu positionieren, muss ein Präzisionspositioniersystem verwendet
werden. Außerdem
muss das Positioniersystem in der Lage sein, für eine wiederholt vorhersehbare
Kontrolle des Ultraschallwandlers zu sorgen, um die Präzisionsanforderungen
bestimmter klinischer Verfahren zu berücksichtigen. Tumore, die klein
oder von unregelmäßiger Form
sind, erfordern exaktes Positionieren des Ultraschallwandlers, um
nur das betreffende Gewebe zu zerstören ohne gesundes Gewebe zu
schädigen.
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Bekannte
Positioniersysteme wie sie in US-Patentschriften
5, 247, 935 und 5, 275, 165 beschrieben sind, verwenden Hydraulikmechanismen zum
Positionieren eines Ultraschallwandlers unter einem Patienten. Bei
diesen Systemen muss jedoch der Wandler direkt unter das zu behandelnde
Objekt (z.B. einen Tumor) platziert werden und das Positionieren
ist nur in den linearen x-, y- und z-Achsen möglich. Aufgrund von Beschränkungen,
bedingt durch den verfügbaren
akustischen Durchgang zu dem zu behandelnden Objekt, ist mit dieser
Anordnung möglicherweise
keine effiziente Behandlung möglich.
Außerdem
sind diese bekannten Systeme mit Problemen hinsichtlich Zuverlässigkeit
und Genauigkeit behaftet, weil Hydraulikpositionierer verwendet
werden, die Motorspiel verstärken
und die Genauigkeit des Positionierers beeinträchtigen.
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Da
die in diesen bekannten Systemen verwendeten Motoren aus Materialien
gefertigt sind, die den Betrieb des MRI-Systems stören, muss
der Motor in größerem Abstand
vom Ultraschallwandler und dem MRI-Bildgebungsbereich aufgestellt werden. Bekannte
Positioniersysteme erfordern daher die Verwendung langer Motorantriebswellen,
die den physikalischen Platzbedarf des Positioniersystems erhöhen. Außerdem müssen die
in bekannten Systemen verwendeten Motoren eingekuppelt und stromführend bleiben,
um Schlupf infolge des Spielproblems zu minimieren. Da ein stromführender
Motor ein stärkeres
elektrisches Feld erzeugt, das den Betrieb eines MRI-Systems stört, kann
der Motor nicht innerhalb oder in der Nähe von dem Bildgebungsbereich montiert
werden. Aus diesem Grund muss in bekannten Systemen der Motor in
einem erheblichen Abstand vom MRI-Bildgebungsbereich montiert werden.
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US-Patentschrift
Nr. 5, 443, 068, die ein Gerät
gemäß der Präambel von
Anspruch 1 offenbart, beschreibt ein MRI-geleitetes Ultraschall-Behandlungssystem,
das Gewindewellen verwendet, die durch Kardangelenk an Schraubantrieben
befestigt sind, um den Behandlungswandler in drei linearen Dimensionen
zu positionieren. Gemäß dem Patent '068 muss der Ultraschallwandler
außerdem
direkt unter das zu behandelnde Objekt platziert werden, und Positionieren ist
nur in den linearen x-, y- und z-Achsen möglich. Die Schraubantriebe
und insbesondere die Kardangelenke, die in diesem System verwendet werden,
verschlimmern das oben beschriebene Spielproblem und beeinträchtigen
also die vom System zu erzielende Positioniergenauigkeit noch mehr. Außerdem bestehen
die Motorantriebe von Patent '68
aus magnetischem Material und müssen
ebenfalls entfernt vom Bildgebungsbereich platziert werden, um Störungen des
MRI-Systems zu verhindern.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät nach Anspruch 1. In einer
ersten Ausführungsform umfasst
das Positioniersystem einen Energiewandler, einen ersten Positionierer
zum Einstellen der Position des Energiewandlers in einer lateralen
Richtung in einer ersten Ebene, einen zweiten Positionierer zum
Einstellen der Position des Energiewandlers in Längsrichtung in der ersten Ebene,
und einen dritten Positionierer zum Einstellen des Rollens des Energiewandlers.
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Bei
jedem der Positionierer handelt es sich vorzugsweise um Vibrationsmotoren
mit einer Antriebswelle und einem an die Antriebswelle gekoppelten
Linearstellglied.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst ein Gerät
zum Positionieren eines Ultraschall-Behandlungsgerätes unter
Magnetresonanzbildgebung einen Motor, gekoppelt an eine Antriebswelle,
einen ersten Positionsencoder, gekoppelt an den Motor, und einen
zweiten Positionsencoder, gekoppelt an die Antriebswelle. Der erste
Positionsencoder dient zum Messen der Bewegung in Bezug auf eine
vorbestimmte Position, und der zweite Positionsencoder dient zum
Messen der Bewegung in Bezug auf eine Zufallsposition.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst das Gerät
zum Positionieren eines Ultraschall-Behandlungsgerätes, geleitet
durch Magnetresonanzbildgebung, einen Vibrationsmotor, gekoppelt
an eine Antriebswelle, und eine Positionierergruppe mit einer Stützklammer,
einen Längsschieber,
gekoppelt an die Stützklammer,
und einen Lateralschieber, gekoppelt an den Längsschieber. Das Gerät kann außerdem einen
zweiten Vibrationsmotor, gekoppelt an eine zweite Antriebswelle,
einen dritten Vibrationsmotor, gekoppelt an eine dritte Antriebswelle, und
einen vierten Vibrationsmotor, gekoppelt an eine vierte Antriebswelle,
umfassen. Jeder der Vibrationsmotoren steuert eine spezifische direktionale
Bewegung der Stützklammer.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform
umfasst ein System zum Positionieren eines Ultraschall-Behandlungsgerätes, geleitet
durch Magnetresonanzbildgebung, Energie konzentrierende Vorrichtungen,
um die Energie an einen Brennpunkt zu richten, eine erste Positioniervorrichtung
zum Einstellen der lateralen Position der Energie konzentrierenden Vorrichtungen,
eine zweite Positioniervorrichtung zum Einstellen der Längsposition
der Energie konzentrierenden Vorrichtungen, und eine dritte Positioniervorrichtung
zum Einstellen des Rollens der Energie konzentrierenden Vorrichtungen.
Das System kann außerdem
eine vierte Positioniervorrichtung zum Einstellen der Stampfbewegung
der Energie konzentrierenden Vorrichtungen besitzen.
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Sonstige
und weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung gehen aus dem Folgenden
hervor.
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KURZDARSTELLUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Perspektivansicht eines beispielhaften Ultraschall-Behandlungssystems;
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2 ist
eine isolierte Perspektivansicht eines Positionierers, der in Verbindung
mit dem Ultraschall-Behandlungssystem
aus 1 verwendet wird;
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3 ist
eine weitere isolierte Perspektivansicht eines Positionierers, der
in Verbindung mit dem Ultraschall-Behandlungssystem aus 1 verwendet
wird;
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4 ist
eine Perspektivansicht einer Wandlergruppe und eines Wandlerhalters,
verwendet in Verbindung mit dem Positionierer aus 2 und 3;
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5 ist
eine zerlegte Perspektivansicht eines Positionierers, verwendet
in Verbindung mit dem Ultraschall-Behandlungssystem aus 1;
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6 ist
eine Perspektivansicht eines Gehäuses,
das den Positionierer einschließt;
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7 ist
eine Perspektivansicht einer Motorkonsole, verwendet in Verbindung
mit dem Ultraschall-Behandlungssystem
aus 1;
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8 ist
eine Detailansicht, die die Antriebswelle eines Positioniermotors,
der in Verbindung mit dem Ultraschall-Behandlungssystem aus 1 zeigt,
verwendet wird; und
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9 ist
eine Detailansicht eines Motors, der in Verbindung mit dem Ultraschall-Behandlungssystem
aus 1 verwendet wird.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt
ein Ultraschall-Behandlungssystem 20, gebaut gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das Ultraschall-Behandlungssystem 20 wird
in Verbindung mit einem Leitsystem auf MRI-Basis verwendet, um einen
Arzt präzise
zu einer Behandlungsstelle zu leiten. Das Ultraschall-Behandlungssystem 20 umfasst
einen MRI-Halter 32, der einen Positionierer 30 und
eine Motorkonsole 40 umfasst. Der Positionierer 30 wird verwendet,
um Energie von einem Ultraschall- oder sonstigen Energiewandler
zu leiten. Der Positionierer 30 ist in einem abgedichteten
Gehäuse 34 montiert, und
die Motorkonsole 40 umschlieißt vier Positioniermotoren 42, 44, 46 und 48.
Die Motoren 42, 44, 46 und 48 sorgen
jeweils für
die Rotation einer Antriebswelle und übernehmen jeweils die Steuerung
einer bestimmten Bewegungsrichtung des Positionierers 30 (d.h.,
lateral, längs,
rollen oder neigen). Die vertikale Position der Ultraschallenergie
wird elektronisch durch Ändern
des Brennpunktes des Ultraschallwandlers gesteuert. Vorzugsweise
und wie unten näher
beschrieben bestehen die Motoren 42, 44, 46 und 48 aus
nicht-magnetischen Materialien und verleihen der jeweiligen Antriebswelle
eine Rotationsbewegung durch Verwendung piezoelektrischer Vibrationsfinger.
Die Motorkonsole 40 ist starr am Gehäuse 34 befestigt und
bildet eine modulare Einheit, die in den MRI-Halter 32 platziert
und an diesem befestigt wird. Im zusammengebauten Zustand werden
der MRI-Halter 32, einschlieißlich Gehäuse 34, der Positionierer 30 und
die Motorkonsole 40 von einer Abdeckung (am besten in 6 zu
sehen) umschlossen. Das Ultraschall-Behandlungssystem 20 ist
so gebaut, dass ein Patient auf dem Halter positioniert werden kann, während das
System durch ein MRI-Bildgebungssystem bewegt wird. Ein Ultraschallwandler (nicht
gezeigt) ist am Positionierer befestigt, und unter Leitung des MRI-Systems kann ein
Tumor oder eine sonstige Gewebemasse im Körper eines Patienten präzise mit
Ultraschallenergie behandelt werden. Die Fähigkeit, den Ultraschallwandler
präzise
unter einem Patienten zu positionieren, ermöglicht erhöhte Genauigkeit und Effizienz
der Ultraschallbehandlung.
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In
Bezug auf 2 bis 5 wird der
Positionierer 30 detaillierter gezeigt. Jedes Bauteil des
Positionierers 30 besteht aus MRI-kompatiblem Material.
Um eine konsistente und vorhersehbare Anwendung von Ultraschallenergie
zu erzielen, wird der Positionierer 30 einschließlich des
Ultraschallwandlers während
des Betriebs in ein Wasserbad getaucht. Also müssen die Positioniererbauteile
aus einem Material gefertigt sein, das unter Wassereintauchbedingungen
eine gute Maßhaltigkeit
aufweist. Das Gehäuse 34 ist
mit einem entgasten Wasser gefüllt,
um Hohlsog der bewegenden Teile des Positionierers zu verhindern
und sicherzustellen, dass ein konsistentes Medium die Ultraschallenergie
vom Wandler zum Patienten überträgt. Alle
Bauteile des Positionierers, die das Gehäuse 34 durchdringen,
sind entsprechend gegen Lecks abgedichtet.
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Der
Positionierer 30 besteht aus fünf Hauptmontagegruppen: einer
Basis 50, einem lateralen Schieber 52, einem Längsschieber 54,
einem Wandlerhalter 56 und einer Wandlergruppe 58.
Diese Montagegruppen funktionieren zusammen und jede ist im Gehäuse 34 montiert.
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Die
Basis 50 ist normalerweise eine flache Platte, die den
Positionierer 30 starr in dem Gehäuse 34 montiert. Die
Basis 50 hat einen vorderen Kanal 51 und einen
hinteren Kanal 53, die beide entlang der Länge der Basis
verlaufen. Die Kanäle 51 und 53 stellen
eine Führung
bereit für
und ermöglichen
präzise,
reibungsarme Bewegung (d.h., entlang der Länge der Basis 50)
der restlichen Montagegruppen des Positionierers 30.
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Der
Lateralschieber 52 ist normalerweise wannenförmig und
umfasst L-förmige
Schienen 55 und 57 an seiner unteren Fläche, die
lotrecht zu seiner Länge
sind. Die Schienen 55 und 57 greifen in den vorderen
Kanal 51 bzw. den hinteren Kanal 53 auf der Basis 50 ein.
So bewegt sich der Lateralschieber 52 frei nur in Lateralrichtung
(d.h., entlang der Länge
der Basis 50). Die Bewegung des Lateralschiebers 52 geschieht
durch einen Schraubantriebsmechanismus, der eine Lateralpositionierwelle 62 umfasst,
die in eine entsprechende Mutter 69 innen am Lateralschieber 52 eingreift.
Die Lateralpositionierwelle 62 wird durch den Motor 46 angetrieben, der
sich in der Motorkonsole 40 befindet und in den Lateralschieber
durch eine Öffnung 63 eingreift.
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Eine
Rollpositionierwelle 60 steuert die Rollbewegung des Positionierers 30 und
greift in den Lateralschieber durch eine Öffnung 61 ein. Die
Rollpositionierwelle 64 wird durch den Motor 42 angetrieben.
Eine Längspositionierwelle 64 steuert
die Längsbewegung
des Positionierers 30 und greift in den Seitenschieber 52 durch
eine Öffnung 65 ein.
Die Längspositionierwelle 64 wird
durch den Motor 44 angetrieben. Eine Stampfbewegungspositionierwelle 66 steuert
die Stampfbewegung des Positionierers 30 und greift in
den Lateralschieber 52 durch eine Öffnung 67 ein. Die
Stampfbewegungspositionierwelle 66 wird durch den Motor 48 angetrieben.
Die Rollpositionierwelle 60, die Längspositionierwelle 64 und
die Stampfbewegungspositionierwelle 66 greifen in den Lateralschieber 52 ein
ohne dessen Fähigkeit, sich lateral
entlang der Länge
der Basis 50 zu bewegen, zu behindern.
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Die
Motoren 42, 44, 46 und 48 verleihen
den Positionierwellen 60, 64, 62 und 66 eine
Rotationsbewegung mittels Präzisionsriemenscheibe
und Riemenübertragung
(am besten zu sehen in 8). Die Rotationsbewegung der
Wellen wird dann entweder in eine Lateral-, Längs-, Roll- oder Stampfbewegung des
Positionierers 30 umgesetzt. Die Getriebe zum Umsetzen
der Rotationsbewegung der Wellen 60, 62, 64 und 66 in
die entsprechende Bewegung des Positionierers 30 befinden
sich im Lateralschieber 52. Es ist festzuhalten, dass die
Anordnung der Motoren in der Motorkonsole 40 und deren
Verbindung mit einer spezifischen Positionierwelle variieren kann.
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Die
Rotationsbewegung der Längspositionierwelle 64 wird über ein
Zahngetriebe 96 und ein Paar Schieberstifte 96a und 96b in
eine Längsbewegung
des Positionierers umgesetzt. Die Rotationsbewegung der Stampfbewegungspositionierwelle 66 wird
durch ein erstes Schneckengetriebe 90 und ein Spiralgetriebe 90a in
eine Stampfbewegung umgesetzt, und die Rotationsbewegung der Rollpositionierwelle 60 wird
durch ein zweites Schneckengetriebe 92 und ein Spiralgetriebe 92a in
eine Rollbewegung des Positionierers umgesetzt.
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Innerhalb
des Lateralschiebers 53 befinden sich die Antriebsgetriebe
für Stampfbewegungs-
und Rollachse. Das Stampfbewegungsgetriebe umfasst ein Spiralgetriebe 90a,
das in ein Schneckengetriebe 90 und eine runde Röhre 98 eingreift.
Die Röhre 98 hat
ein geformtes Loch 98a, das eine Welle 99 aufnimmt.
Die Welle 99 greift in das Spiralgetriebe 90a ein
und kann frei in die und aus der Röhre 98 gleiten und
die Stampfbewegung durch Rotation bewirken. Das Rollengetriebe umfasst
das Spiralgetriebe 92a, das in das Schneckengetriebe 92 eingreift,
und eine Wellenröhre 103,
die in das Spiralgetriebe 92a eingreift. Eine Kappe 91 schließt das Schneckengetriebe 90 im
Lateralschieber 52, und eine Kappe 93 schließt das Schneckengetriebe 92 im
Lateralschieber 52. Der obere Teil des Lateralschiebers
umfasst Schienen 100 und 102 zum Eingreifen in
den Längsschieber 54.
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Der
Längsschieber 54 umfasst
Kanäle 54a und 54b,
die in die Schienen 100 und 102 auf dem Lateralschieber 52 eingreifen.
Die Längsbewegung des
Längsschiebers 54 und
des Positionierers 30 erfolgt durch Eingreifen des Zahngetriebes 96 in
eine Zahnstange 97, die unten am Längsschieber 54 befestigt
ist. Die entsprechende Höhe
der Zahnstange 97 zum Zahngetriebe 96 ist einstellbar,
so dass Spiel in der Bewegung des Längsschiebers minimiert wird.
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Der
Wandlerhalter 56 greift in die Wellenröhre 103 ein und umfasst
eine Haltegabel 104. Die Haltegabel 104 ist zwischen
zwei separaten Teilen gebildet, einer Kettenradgruppe 104a und
einer Stützklammer 104b.
Die Wellenröhre 103 greift
an ihrem nahen Ende in eine Öffnung 101 im
Längsschieber 54 ein,
und greift an ihrem entfernten Ende in die Kettenradgruppe 104a der
Haltegabel 104 ein. Das entfernte Ende der Wellenröhre 103 ist
das Ende, das näher
bei der Wandlergruppe ist. Eine Längsbewegung des Längsschiebers 54 wird
daher direkt auf die Wellenröhre 103 und
die Haltegabel 104 umgesetzt. Ähnlich wird, da die Haltegabel 104 direkt
an der Wellenröhre 103 befestigt
ist, jede Rollbewegung der Welle direkt auf die Gabel übertragen.
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Die
Wellenröhre 103 enthält ein Lumen 103a,
gebildet zur Aufnahme der Röhre 98.
Das entfernte Ende der Röhre 98 greift
durch den inneren Durchgang 103a in die Kettenradgruppe 104a ein und
hat, wenn sie so eingreift, eine gemeinsame Längsachse mit der Längsachse
der Wellenröhre 103.
Mit dieser Anordnung kann der Stampfbewegungsantriebsmechanismus,
der in die Röhre 98 eingreift,
eine Stampfbewegung zum Positionierer 30 liefern, unabhängig von
der Orientierung von entweder dem Längsschieber 54 oder
dem Wandlerhalter 56. Ein Kettenrad 106 ist am
entfernten Ende der Röhre 98 montiert
und überträgt die Rotationsbewegung
des geformten Lochs 98a an die Kettenradgruppe 104a.
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Die
Wandlergruppe 56 ist durch zwei Wellen, 108 und 110,
die durch Löcher 105a und 105b im Stützteil 104b der
Gabel 104 passen, am Wandlerhalter 56 montiert.
Die Wandlergruppe 56 ist vorzugsweise ein kugelförmiges Bauteil,
das für
die Aufnahme eines entsprechend geformten Ultraschallwandlerelements
(nicht gezeigt) angepasst ist. Die Wandlergruppe 58 ist
von der Größe her so
ausgelegt, dass sie in die Haltegabel 104 eingreift und
frei um die Wellen 108 und 110 dreht. Ein Kettenrad 112 ist am
Ende der Welle 108 befestigt, und ein weiteres Kettenrad 113 ist
an der entsprechenden Seite der Kettenradgruppe 104a montiert.
Das Kettenrad 113 ist aus zwei gegendrehenden Kettenrädern gebildet, die
aufeinander auf einer gemeinsamen Antriebswelle montiert sind. Eine
Kette 114 verbindet die Kettenräder 112, 113 und 106 und
setzt die Rotationsbewegung der Röhre 98 in eine Stampfbewegung
der Wandlergruppe 58 um. Ein Spannmechanismus 116 stellt
sicher, dass die Kette 114 gespannt bleibt und die Rotationsbewegung
der Röhre 98 mit
minimalem Spiel umsetzt. Kabel 118 versorgen das Wandlerelement
mit Strom und sorgen für
Rückmeldung
von Daten an den Bediener.
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In
Bezug auf 6 ist das Gehäuse 34,
das den Positionierer 30 umschließt, detaillierter dargestellt.
Weil das Gehäuse
während
des Betriebs des Wandlers mit entgastem Wasser gefüllt ist,
müssen alle Öffnungen
und Montageschnittstellen abgedichtet sein. Dies wird vorzugsweise
mit einem O-Ring oder einer anderen Art von flexibler Dichtung bewerkstelligt.
Das Gehäuse 34 umfasst
eine Abdeckung 122, die am oberen Gehäuseumfang verschraubt und mit
einem O-Ring 120 abgedichtet ist. Eine Mylarplatte 124 ist
in die Abdeckung eingebettet und ist über der Position des Wandlerelements
positioniert. Die Mylarplatte 124 ist mit einem Rahmen 126 an
der Abdeckung 122 befestigt und mit einem O-Ring 130 abgedichtet.
Die Mylarplatte 124 stellt eine konsistente Schnittstelle
zum MRI-Bildgebungsbereich bereit und schützt diesen vor Schäden.
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Unter
Bezugnahme auf 7 bis 9 ist die
Motorkonsole detaillierter gezeigt. 7 zeigt
die vier Motoren 42, 44, 46 und 48,
die in der Motorkonsole 40 montiert sind. Jeder der Motoren
erzeugt eine Rotationsbewegung, die letztlich an die vier Positionierwellen 60, 64, 62 und 66 über Präzisionsriemenscheibe
und Riemengetriebe übertragen
wird. Jeder der Motoren sorgt für
eine bestimmte Bewegungsrichtung des Positionierers (d.h., lateral,
längs,
rollen und neigen). 8 zeigt ein typisches Detail
einer Motorantriebswelle 148, die an einer Präzisionsriemenscheibe 149 befestigt
ist, die wiederum in einen Riemen 150 eingreift. Der Riemen 150 verläuft entlang
der Länge
des Gehäuses 34 und
ist dann an einer der Positionierwellen, die sich aus dem Gehäuse 34 erstreckt,
befestigt. Eine ähnliche
Riemenscheibe ist an jeder der Positionierwellen befestigt. Die
von jedem der Motoren erzeugte Rotationsbewegung wird so auf die
Positionierwellen übertragen,
die wiederum die Rotationsbewegung in eine der bestimmten Bewegungsrichtungen
des Positionierers 30 umsetzen.
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Spezifisch
ist der Motor 42 an eine Rollpositionswelle 60 gekoppelt
und sorgt für
die Rollrichtung des Positionierers 30. Der Motor 44 ist
an die Längspositionswelle 64 gekoppelt
und sorgt für
die Längsrichtung
des Positionierers 30. Der Motor 46 ist an die Lateralpositionierwelle 62 gekoppelt
und sorgt für
die Lateralrichtung des Positionierers 30. Und der Motor 48 ist
an die Stampfbewegungspositionswelle 66 gekoppelt und sorgt
für die
Stampfbewegungsrichtung des Positionierers.
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Präzise Steuerung
jeder Positioniererbewegungsrichtung ist erforderlich, wenn ein
Ultraschall- oder sonstiger Energiewandler gerichtet wird. Insbesondere
bei der Behandlung kleiner Gewebemassen oder von einem Bereich eines
Patienten, der durch verschiedene Gewebeeigenschaften verdeckt wird. Um
diese präzise
Steuerung zu erzielen und aufrechtzuerhalten, verwendet ein Ultraschall-Behandlungssystem,
das gemäß der vorliegenden
Erfindung gebaut ist, zwei Sätze
von Positionsencodern.
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Die
Winkelposition jedes Motors wird durch einen absoluten Encoder 130, 132, 134 oder 136 gemessen.
Ein Beispiel eines solchen Encoders ist Modell Nr. 42-S-K-250, hergestellt
durch die amerikanische Digital Corporation. Jeder der Motoren 42, 44, 46 und 48 basiert
auf einem Paar Linearstellgliedern wie die von Nanomotion Ltd. hergestellten.
Jedes der Stellglieder hat zwei piezoelektrische Vibrationsfinger.
Die Stellglieder sind dafür
ausgelegt, die Vibrationsfinger in Linearrichtung anzutreiben.
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In
Bezug auf 9 ist der Motor 42 detaillierter
gezeigt. Der Motor 42 hat zwei Stellglieder 138 und 140,
die beidseitig an einem Ring 142 befestigt sind. Der Ring
besteht vorzugsweise aus Aluminiumoxid oder einem anderen harten,
nicht-magnetischen Material. Die Stellglieder 138 und 140 sind
in einem Abstand von 180° um
den Umfang des Rings 142 positioniert. Ein Paar Vibrationsfinger 144 sind
am Stellglied 138 befestigt, und ein Paar Vibrationsfinger 146 sind
am Stellglied 140 befestigt. Jedes Paar Vibrationsfinger 144 und 146 umfasst
Spannfedern (nicht gezeigt), die sie am Ring 142 befestigen.
Die Spannfedern erzeugen viel Reibung zwischen den Fingern und dem
Ring, so dass die Finger als Bremse für den Ring fungieren, wenn
die Finger still stehen (d.h., nicht durch die Stellglieder unter
Strom gesetzt). Wenn die Finger schwingen (d.h., durch die Stellglieder
mit Strom versorgt werden), wird die Linearbewegung der Finger in
eine Rotationsbewegung des Rings umgesetzt. Die Drehung des Rings 142 treibt die
Motorwelle 148 an, die wiederum das Getriebe (das oben
beschriebene Riemenscheiben- und Riemensystem) und den absoluten
Encoder 130 an. Alle Bauteile der Motorgruppe bestehen
aus nicht-magnetischem Material wie Plastik, Messing, Aluminiumoxid
usw. so dass sie im Magnetfeld eines MRI-Systems verwendet werden
können
ohne dessen Leistung zu beeinträchtigen.
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Ein
Ultraschall-Behandlungssystem, das gemäß der vorliegenden Erfindung
gebaut ist, verwendet außerdem
einen zweiten Satz Encoder, genauer gesagt „relative Encoder". Der erste Satz,
bezeichnet als „absolute
Encoder" und oben
kurz erwähnt
sind direkt auf jeder der Motorgruppen montiert und messen die absolute
Bewegung in Bezug auf die Ausgangsposition des Positionierers. Die
Ausgangsposition wird als „Home"Position bezeichnet.
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Der
zweite Satz Encoder 160, 162, 164 und 166 („relative
Encoder") ist auf
jeder der Antriebswellen der Motoren montiert und misst die Bewegung
in Bezug auf die Position des Systems beim Einschalten des Systems.
Ein solches Beispiel für
einen relativen Encoder ist Modell Nr. HD-9140, hergestellt durch
Hewlett Packard. Wie man erwarten kann, muss die Position des Systems
beim Einschalten nicht und ist meistens nicht dieselbe wie die „Home"-Position. Statt
dessen ist diese Position eine willkürliche Position, die während des
vorherigen Betriebs und vor dem Abschalten erreicht wurde. Die absoluten
Encoder stellen eine Grobpositioniermessung bereit, und die relativen
Encoder stellen eine Feinpositioniermessung bereit. Relative und
absolute Encoder sind vorzugsweise mit einer Kupferkugel abgeschirmt,
um RFI-Störungen
durch das MRI-System zu vermeiden.
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Die
relativen Encoder sorgen für
genug Bewegungsauflösung,
um die Genauigkeitsanforderungen eines Ultraschall-Behandlungssystems
zu unterstützen.
Sie zeichnen sich außerdem
durch eine kompakte Bauweise aus, um die kleinen Abmessungen des
Gehäuses 34 zu
berücksichtigen.
Vorzugsweise werden auch Encoder gewählt, die eine Indexfunktion
unterstützen.
Der Index ist ein Punkt auf dem Encoder, der ein Mal pro Umdrehung
angetroffen wird. Es ist zu notieren, dass der Encoder normalerweise
mehr als eine Umdrehung in vollständigen Bewegungsbereich des
Positionierers ausführt.
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Um
das System nach dem Einschalten in die Home-Position zu bringen und die relativen
Encoder korrekt zu initialisieren, wird der Positionierer basierend
auf den Messungen der absoluten Encoder in die Nähe der Home-Position gebracht. Da diese Ablesungen
nicht in dem vom System geforderten Maß exakt sind, wird die Home-Position durch Verwendung
der höheren
Auflösung
der relativen Encoder feiner abgestimmt. Die relativen Encoder haben
normalerweise die bis zu 10fache Auflösung der absoluten Encoder.
Während
eines anfänglichen
Kalibrierungsverfahrens wird der Wert der Indexposition jedes Encoders
um die Home-Position vorgespeichert. Befindet sich der Positionierer
in der Nähe
der Home-Position,
wird der Positionierer bewegt, bis die Indexposition des zugehörigen relativen
Encoders erreicht ist. An diesem Punkt wird der aktuelle Wert des Encoders
auf den kalibrierten vorgespeicherten Wert zurückgesetzt, und der Positionierer
wird basierend auf den Positionsablesungen des relativen Encoders zurück in die
Home-Position bewegt.
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Des
Weiteren werden doppelte Positionsablesungen verwendet, um einen
einzelnen Fehler in den absoluten oder relativen Encodern oder in
dem Stellglied-Controller
durch einen Vergleich der jeweiligen Werte der absoluten und relativen
Encoderablesungen zu ermitteln. Jede Abweichung löst einen
Sicherheitsmechanismus aus, der entweder eine automatische Wiederherstellungsroutine
ausführt
oder eine weitere Bewegung stoppt, bis ein Eingriff von Menschenhand
erfolgt.
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Jeder
der oben beschriebenen Motoren fungiert als Bremssystem, so dass
während
der MR-Bildgebung die Stromzufuhr zum Positionierer abgeschaltet
werden kann. Die Bremsfunktion der Motoren hält den Wandler in Position
ohne die Gefahr von Positionsverschiebung und ohne potenzielles Spiel.
Bekannte in MR-Bildgebungssystemen
verwendete Motoren erfordern eine ununterbrochene Stromversorgung,
um eine Bremskraft bereitzustellen, und darum müssen die Motoren entfernt von
den MR-Systemen aufgestellt sein, damit sie die MRI-Leistung nicht stören. Mit
einem Positioniersystem, das gemäß der vorliegenden
Erfindung gebaut ist, und weil die Stromzufuhr zu den Motoren abgeschaltet
werden kann, während
das MR-Bildgebungssystem aktiviert ist, können die Motoren näher beim
Bildgebungsvolumen platziert werden, und das gesamte System kann
kompakter ausgeführt
werden.
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Ein
Ultraschall-Behandlungssystem, das gemäß der vorliegenden Erfindung
gebaut ist, ermöglicht
also den Betrieb der Positioniermotoren innerhalb des MRI-Bildgebungsbereichs
ohne den Betrieb des MRI-Systems zu stören. Da versehentliche, durch
Spiel verursachte Motorbewegung an einer Behandlungsstelle verhindert
werden kann ohne die Motoren unter Strom zu setzen und einzukuppeln und
da die Bauteile der Motoren nicht magnetisch sind, kann sich der
Motor nahe beim Positionierer und innerhalb des MRI-Bildgebungsbereichs
befinden.
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Obschon
die Erfindung in der Beschreibung und den Zeichnungen oben beschrieben
und veranschaulicht wurde, ist klar, dass die Beschreibung nur als
Beispiel dient und dass der Fachmann viele Änderungen und Modifizierungen
vornehmen kann ohne den Bereich der Erfindung wie er in den angehängten Ansprüchen definiert
ist, zu überschreiten.