DE68907024T2

DE68907024T2 - Ultraschallbehandlungsgeraet, gebrauchmachend von einer fokalisierenden und oszillierenden piezoelektrischen keramikvorrichtung.

Info

Publication number: DE68907024T2
Application number: DE8989402829T
Authority: DE
Inventors: Jacques Dory
Original assignee: EDAP International SA
Current assignee: EDAP International SA
Priority date: 1988-10-27
Filing date: 1989-10-13
Publication date: 1993-09-16
Anticipated expiration: 2009-10-14
Also published as: EP0370841B1; MA21658A1; DE68907024D1; RU1829928C; EP0370841A1; CA2001669C; DD286433A5; ATE90470T1; JPH0779824B2; JPH02177957A; FR2638532B1; CA2001669A1; FR2638532A1; ES2045507T3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Behandlung durch einen fokussierten Ultraschallstrahl von anatomischen Anomalien, und insbesondere von wenig tiefliegenden Strukturen, für die der Fokalfleck des Strahls relativ fein sein muß.
Das französische Patent No 84 06 877 beschreibt eine Hyperthermievorrichtung, die einen Leistungswandler in Form einer kugelförmigen Schale verwendet, der Ultraschallwellenzüge beispielsweise mit Frequenzen der Größenordnung von 500 kHz erzeugt. Die Lokalisierung des anatomischen Ziels und seine Beobachtung während der Schüsse geschehen mittels eines Hilfswandlers, der mechanisch mit der Schale gekoppelt ist und von einem Generator echographischer Impulse angeregt wird, der zum Beispiel eine Frequenz von 5 MHz hat.
Diese Vorrichtung kann tiefliegende Gewebe behandeln, wobei die Wellen der Frequenz von 500 kHz während ihrer Ausbreitung in den Geweben eine relativ geringe Absorption erfahren. Aufgrund ihrer Größe (Durchmesser z.B. 200 bis 300 mm) kann die Schale keiner schnellen Bewegung unterworfen werden, die ein echographisches Abtasten in Echtzeit erlauben würde, und in jedem Fall wäre ihre Betriebsfrequenz nicht geeignet zur Bildung echographischer Bilder guter Qualität.
Es wurde insbesondere in der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung No 58 188431 vorgeschlagen, den Leistungswandler alternativ zur Behandlung und zur Echographie zu verwenden. Wenn man ein solches Prinzip mit einem festen Leistungswandler anwendet, führt man entweder eine Echographie vom Typ A durch, die nur Entfernungsanzeigen des Ziels liefert, oder man erzeugt eine Abtastung des echographischen Strahls, indem der Wandler mit untereinander phasenverschobenen Wellen angeregt wird. Diese letztere Lösung ist kompliziert und liefert keine Abtastung des Ziels in einem ausreichenden Winkel. Außerdem erlaubt dieses Prinzip nicht die Beobachtung des Ziels während des Behandlungsablaufs.
DE-A-37 36 733 beschreibt eine Vorrichtung, in der der Leistungswandler zur Echographie verwendet wird und während einer ersten Betriebsphase schwingt, die es erlaubt festzustellen, daß der ausgesandte Strahl in den zu behandelnden Geweben auf keine Luftblase trifft. Diese Phase ermöglicht es, das Zielen einzustellen und wird gefolgt von einer Behandlungsphase, während der die Echographie angehalten wird und der Wandler unbeweglich ist.
Diese Vorrichtung ermöglicht natürlich nicht, eine Echographie in einem großen Beobachtungsfeld um das Ziel herum durchzuführen, während dieses behandelt wird.
Die Erfindung schlägt vor, den Leistungswandler während der Betriebsdauer mit einer Geschwindigkeit und einer Amplitude, die für ein echographisches Abtasten eines gegebenen Schußraums in Echtzeit geeignet sind, periodisch um eine gegebene Stellung schwingen zu lassen, die Stellung des Wandlers zu erfassen und diesen Wandler mit Behandlungswellen zu Zeitpunkten anzuregen, in denen er in einer begrenzten vorbestimmten Zone seines Oszillationsbereichs schwingt, und ihn während der Intervalle zwischen diesen Zeitpunkten mit echographischen Wellen anzuregen.
Unter Berücksichtigung der relativ geringen Dauer jedes Schußzwischenraums in Bezug auf die Schwingperiode reicht die mittlere Leistung so für bestimmte Behandlungen aus.
Die Erfindung bezieht sich hauptsächlich auf die Behandlung von Strukturen, die sich nur einige Zentimeter unter der Haut befinden, zum Beispiel okulare Strukturen oder Blutgefäße. Bei solchen Anwendungen verwendet man im allgemeinen Behandlungswellen mit Frequenzen der Größenordnung von 5 bis 10 MHz, die die notwendigen sehr feinen Fokalflecke liefern. Obwohl die Absorption dieser Wellen in den Geweben sehr stark ist, bleibt die erforderliche mittlere Leistung bei etwa 1 kW aufgrund der geringen Ausbreitungsentfernung und der Tatsache, daß die Erwärmung der Gewebe stark ist.
Da der Leistungswandler in diesem Fall einen relativ geringen Durchmesser haben kann, zum Beispiel etwa 70 mm, kann er mittels eines Elektromotors in Schwingung versetzt werden.
Andere Besonderheiten sowie die Vorteile der Erfindung gehen klar aus der nachfolgenden Beschreibung hervor.
In den beiliegenden Zeichnungen zeigen
Figur 1 schematisch eine Behandlungsvorrichtung entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 2 die entsprechenden Wellenformen und
Figur 3 die Wandlereinheit.
In Figur 1 ist eine kugelförmige Schale aus piezoelektrischer Keramik 1 dargestellt, die vorzugsweise um eine die Schale an ihrer Spitze S tangierende Achse schwingend angeordnet ist. Die Schwingungs-Winkelamplitude beträgt zum Beispiel zwischen 30 und 60º. Die Grenzen des so von der Achse SF der Schale abgetasteten flachen Sektors sind strichpunktiert dargestellt und der in F fokussierte Strahl F, der von der Schale in ihrer Mittelstellung ausgegeben wird, ist gestrichelt dargestellt.
Die Schwingbewegung der Schale wird in bekannter Weise mittels eines Elektromotors 2 erhalten, der von einem Abtastgenerator 3 über einen Verstärker 4 gesteuert wird. Ein Winkelstellungsgeber 5 bekannter Art liefert ein elektrisches Signal einer Amplitude, die in linearer Abhängigkeit vom Winkel θ variabel ist, den die Achse SF mit ihrer mittleren Bezugsstellung einschließt.
Zum Beispiel kann ein solcher Winkelgeber einen Dauermagneten enthalten, der fest mit der Welle des Motors verbunden ist und mit einem Magnetfeldgeber zusammenwirkt.
Das θ anzeigende Signal wird an zwei Operationsverstärker 6 und 7 angelegt, die außerdem zwei Bezugssignale erhalten, die zwei bestimmte Werte von e anzeigen, d.h. θ&sub1; und θ&sub2;. Diese Bezugssignale sind mittels Potentiometern 60 bzw. 70 einstellbar.
Die Ausgänge der Verstärker 6 und 7, die je auf dem Pegel 1 sind, wenn θ ≥ θ&sub1; bzw. θ ≥ θ&sub2;, sind mit den Eingängen eines ODER-Exklusiv-Tors 8 verbunden, das einen Modulator 9 steuert. Der Ausgang des Modulators 9 ist mit dem Steuereingang eines Senders 10 über ein ODER-Tor 11 verbunden, das außerdem Synchronisationssignale empfängt, die von einem Taktgeber 12 geliefert werden. Der Sender 10 treibt die Schale 1 an.
Diese hat zum Beispiel einen Durchmesser von 70 mm und besteht in bekannter Weise aus einer Vielzahl von voneinander isolierten und nebeneinander zu einem Mosaik angeordneten piezoelektrischen Elementen.
Der Sender 10 kann mehrere Sendevorrichtungen aufweisen, die je eine Gruppe von Elementen der Schale anregen. Da diese Technik bekannt ist, wird zur Klarheit der Beschreibung angenommen, daß der Sender 10 nur ein einziges Signal erzeugt, das, wie nachfolgend erklärt wird, gleichzeitig zur Behandlung bestimmte Leistungswellenzüge und echographische Impulse enthält. Für diese beiden Aussendungsarten ist die Trägerfrequenz vorzugsweise die gleiche, z.B. 5 MHz.
Die Schale dient gleichzeitig als Aussendewandler der Leistungswellen und der echographischen Impulse, und als Empfangswandler der Echos, die durch die Reflexion der echographischen Impulse auf dem Ziel gebildet werden.
Die empfangenen Echos werden über einen Verstärker 14 auf eine an sich bekannte echographische Vorrichtung 13 übertragen.
Figur 2 zeigt in (a) das vom Abtastgenerator 3 erzeugte Sägezahnsignal. Zum Beispiel hat dieses Signal eine Periode von 1/5 sec, so daß die Schwingfrequenz der Schale 5 Hz beträgt.
In (b) ist das Ausgangssignal des Verstärkers 6 dargestellt, das sich auf dem Pegel 1 befindet, wenn θ ≥ θ&sub1;, und in (c) das Ausgangssignal des Verstärkers 7, das sich auf dem Pegel 1 befindet, wenn θ ≥ θ&sub2;. Das Signal (d) am Ausgang des Tors 8 weist so einen Rechteckimpuls auf dem logischen Pegel 1 auf, wenn θ&sub1; ≥ θ ≥ θ&sub2; d.h. zweimal pro Periode. In den Intervallen zwischen diesen Rechteckimpulsen (d) überträgt das Tor 11 zum Sender 10 die Impulse des Taktgebers 12, die zum Beispiel eine hohe Frequenz von 5 MHz (also eine Dauer von 0,2 us) und eine Impulsfolgefrequenz von 10 kHz aufweisen. Diese Werte sind geeignet zur Erzeugung eines echographischen Bilds guter Qualität mit einer Abtastfrequenz von 5 Hz. Während der Dauer der echographischen Aussendung kann vorgesehen werden, den Sender 10 mit verringerter Leistung arbeiten zu lassen, z.B. indem seine Speisespannung reduziert wird.
Während der Dauer jedes Rechteckimpulses (d), die z.B. 20ms beträgt, erzeugt der Sender 10 Behandlungswellen der hohen Frequenz von 5 MHz.
Die Werte von θ&sub1;und θ&sub2; sind so eingestellt, daß das Ziel sich im Schußwinkel befindet.
Nach einer ursprünglichen Lokalisierung des Ziels, die dadurch geschieht, daß die schwingende Schale im Raum verschoben wird, bis eine Marke, die auf dem Bildschirm der echographischen Vorrichtung die theoretische Position ihres Brennpunkts F markiert, mit dem echographischen Bild der zu behandelnden Zone in Koinzidenz gebracht wird, die wie soeben beschrieben erhalten wird, kann man θ&sub1; und θ&sub2; einstellen, um ein präzises Ziel in der zu behandelnden Zone anzupeilen. Bei einer Verschiebung des Ziels während der Behandlung oder wenn man feststellt, daß die Schüsse schlecht gezielt sind, genügt es, die Lokalisierung durch eine kleine Verschiebung der schwingenden Schale wieder einzustellen.
Figur 3 zeigt, daß die schwingende Schale 1 und der sie in Schwingung versetzende Motor 2 in eine Koppelflüssigkeit eingetaucht sind, die in einem Behälter 15 enthalten ist, dessen Vorderseite mit einer für Ultraschall durchlässige verformbaren Membran 150 versehen ist. Diese Membran hat eine ausreichende Oberfläche, um den echographischen Abtastkonus zu übertragen und wird mit der Haut des Patienten in Berührung gebracht.
In Abhängigkeit von der Tiefe des Tumors werden die Behandlungswellen im Inneren jedes Rechteckimpulses durch unterbrochene Züge ausgesandt, wobei die Sendedauer jedes Zugs zwischen einigen zehn und einigen hundert us variieren kann. Die Aussende-Spitzenleistung, die umso größer ist, je kürzer der Zug ist, kann mehrere hundert kW erreichen, wobei die hohen Spitzenleistungen und die kurzen Aussendungen den Vorteil haben, die Thermodiffusion der Energie zu vermeiden, die die Präzision der Schüsse verringern würde.
Wenn die für die Behandlung erwünschte mittlere Leistung hoch ist, kann vorgesehen werden, die Geschwindigkeit des Motors während jedes Abtastzyklus zu variieren, um das Abtasten während der Aussenderechteckimpulse der Behandlungswellen zu verlangsamen.
Anstelle des Sektorabtastens kann man vorsehen, ein lineares Abtasten zu verwenden und zu diesem Zweck dem Wandler eine lineare Schwingbewegung zu verleihen.

Claims

1. Ultraschall-Behandlungsvorrichtung mit einem Leistungswandler in Form einer autofokussierenden Schale (1), der einem Leistungsanregungsgenerator (10) und einer Echographievorrichtung (13) zugeordnet ist, die den Wandler als Echoempfänger verwendet, gekennzeichnet durch Mittel (2), um diesen Wandler während der Betriebsdauer mit einer Geschwindigkeit und einer Amplitude, die für ein echographisches Abtasten eines gegebenen Schußraums in Echtzeit geeignet sind, periodisch um eine gegebene Stellung schwingen zu lassen, und durch Mittel (5 bis 12), um die Stellung des Wandlers zu erfassen und diesen Wandler mit Behandlungswellen zu Zeitpunkten anzuregen, in denen der Wandler in einer begrenzten vorbestimmten Zone seines Oszillationsbereichs schwingt, und ihn mit echographischen Wellen während der Intervalle zwischen diesen Zeitpunkten anzuregen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung ein sektorielles Überstreichen vom Typ B ist und daß die Zeitpunkte dem Durchgang des Strahls durch einen begrenzten vorbestimmten Winkelsektor entsprechen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der begrenzte Sektor definiert wird durch einen Winkelstellungsgeber (5), während die Sendezeitpunkte der Behandlungswelle ausgehend von Angaben des Gebers durch logische Mittel (6 bis 11) definiert werden, die Rechtecksignale zur Leistungsaussendung erzeugen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Echographieaussendung und die Leistungsaussendung den gleichen Anregungsgenerator (10) verwenden, der bei derselben Frequenz arbeitet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine lineare Schwingbewegung des Wandlers.