EP1124614A1 - Method and device for controlling a targeted thermal deposition into a material - Google Patents

Method and device for controlling a targeted thermal deposition into a material

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EP1124614A1
EP1124614A1 EP99948766A EP99948766A EP1124614A1 EP 1124614 A1 EP1124614 A1 EP 1124614A1 EP 99948766 A EP99948766 A EP 99948766A EP 99948766 A EP99948766 A EP 99948766A EP 1124614 A1 EP1124614 A1 EP 1124614A1
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EP
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ultrasonic waves
detected
ultrasound
unit
waves
Prior art date
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Withdrawn
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EP99948766A
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Bernhard Kleffner
Robert Lemor
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N7/00—Ultrasound therapy
    • A61N7/02—Localised ultrasound hyperthermia
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/48—Diagnostic techniques
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B2017/00017—Electrical control of surgical instruments
    • A61B2017/00022—Sensing or detecting at the treatment site
    • A61B2017/00084—Temperature

Definitions

  • the invention relates to a method and to a device for controlling a targeted heat deposition in a material, preferably in biological tissue, with an ultrasonic wave generating unit that couples ultrasonic waves into the material, an ultrasonic wave detecting unit that detects the ultrasonic waves emerging from the material detected and an evaluation unit that generates statement parameters based on the detected ultrasonic waves, which provide information about the thermal and structural changes within the material.
  • thermotherapy procedures which are used for the targeted overheating of limited tissue volumes, particularly in the treatment of tumors and metastases.
  • hyperthermia can be understood to mean the warming of tissue areas located inside the body through the input of energy from outside. She is used in oncology for tumor treatment, e.g. to support radiation or chemotherapy.
  • the energy input occurs through alternating electrical fields or by means of high-power ultrasound.
  • the therapeutically desired temperature increases are generally 6 ° C above the core body temperature, which can be achieved with typical treatment times between 20 and 30 minutes.
  • liver metastases a malignant neoplasm originating from liver metastases.
  • breast cancer a malignant neoplasm originating from liver metastases.
  • tumors of the prostate a malignant neoplasm originating from liver metastases.
  • tumors of the prostate a malignant neoplasm originating from liver metastases.
  • hot water is also brought to the target volume instead of laser light or ultrasound.
  • Laser or HF applicators are used in endosurgery of the gastrointestinal tract, e.g. for sclerotherapy of esophageal varices or for widening stenoses.
  • a method according to the preamble of claim 1 is further developed such that the ultrasound waves emerging from the material are detected in a time-resolved or location-resolved manner, the detected ultrasound waves being temporally resolved in the evaluation unit and according to the degree of their change in transit time relative to the ultrasound wave signals which Detected ultrasonic waves originate, which have been reflected on the material before the heat deposition, are examined and used as the basis for a spatial delimitation from itself, by means of heat input structural changes within the material. On the basis of a treatment goal in the material and the determined structural changes in the material, an energy input required for heat deposition into the material is then regulated.
  • the heat deposition can be regulated according to the degree of energy that is entered into the material per unit of time.
  • the light output can be set accordingly when using light applications.
  • the back-reflected ultrasound waves are detected during the heat input in such a way that they are recorded spectrally over time and at the same time in full.
  • the ultrasound wave signals obtained are processed in a time-resolved manner for each emitted ultrasound pulse, with an examination of the back reflexes looking for areas of the ultrasound wave signals in which a maximum change in transit time compared to the scale is observed.
  • the profile of the echo signal can be used to derive precise information about the position and extent of structural changes within the material. With this knowledge of the actual state within the material, control variables can be generated to control the heat-depositing unit in order to obtain only the desired structural material changes.
  • the reflected ultrasound signal is divided into individual window sections, that is to say windowed over time, and the relative shift of the spectra of these windows to one another is considered.
  • the average damping coefficient for the area between the respective windows can be estimated from the shift of the spectra to one another.
  • a device for controlling a targeted heat deposition in a material preferably for the gentle treatment of biological material, in particular biological tissue, with an ultrasound wave-generating unit that couples ultrasound waves into the material, an ultrasound-wave-detecting unit that consists of the material emerging ultrasound waves, and an evaluation unit that generates information parameters based on the detected ultrasound waves that provide information about the thermal and structural changes within the material, such that the ultrasound waves generating and detecting unit are arranged in a common plane and together relative can be adjusted to the material to be treated such that a unit which effects the heat deposition is arranged largely centrally to the units generating and detecting the ultrasonic waves et and is aimed at the material.
  • FIG. 1 shows a diagram along the abscissa of which the depth of penetration of an ultrasound wave pulse into a material, in the example of FIGS. 1 a, b into biological tissue. Values for the spatially resolved transit time shifts for an ultrasound wave pulse are plotted along the ordinate in ⁇ sec.

Abstract

The invention relates to a method and device for controlling a targeted thermal deposition into a material, preferably into a biological tissue, comprising a unit which generates ultrasonic waves and which injects ultrasonic waves into the material. The inventive device is also comprised of a unit which detects ultrasonic waves and which detects the ultrasonic waves leaving the material, and of an evaluation unit which generates proposition parameters on the basis of the detected ultrasonic waves. Said parameters provide information concerning the thermal and structural changes within the material. The invention is characterized in that the ultrasonic waves leaving the material are detected in a time or location-resolved manner such that, in the evaluation unit, the detected ultrasonic waves are temporally resolved and are analyzed according to the degree of their change in propagation time with regard to the ultrasonic wave signals stemming from detected ultrasonic waves that were reflected on the material before the thermal deposition. The analyzed detected ultrasonic waves are used as a basis for a three-dimensional delimitation of structural changes within the material which appear in the path of the thermal entry, and an input of energy necessary for thermal deposition is controlled per period in the material according to a treatment objective in the material and to the detected structural changes in the material.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer gezielten Wärmedeponierung in ein Method and device for controlling a targeted heat deposition in one
Materialmaterial
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie auf eine Vorrichtung zur Regelung einer gezielten Wärmedeponierung in ein Material, vorzugsweise in biologisches Gewebe, mit einer Ultraschallwellen erzeugenden Einheit, die Ultraschallwellen in das Material einkoppelt, einer Ultraschallwellen detektierenden Einheit, die die aus dem Material austretenden Ultraschallwellen detektiert und einer Auswerteeinheit, die auf der Grundlage der detektierten Ultraschallwellen Aussageparameter generiert, die über die thermischen und strukturellen Änderungen innerhalb des Materials Aufschluß geben.The invention relates to a method and to a device for controlling a targeted heat deposition in a material, preferably in biological tissue, with an ultrasonic wave generating unit that couples ultrasonic waves into the material, an ultrasonic wave detecting unit that detects the ultrasonic waves emerging from the material detected and an evaluation unit that generates statement parameters based on the detected ultrasonic waves, which provide information about the thermal and structural changes within the material.
Stand der TechnikState of the art
Verfahren der vorstehend genannten Gattung können in der Materialforschung und Materialbearbeitung im Allgemeinen eingesetzt werden, insbesondere bei Materialgefüge, die sich bei Wärmeeinwirkung strukturell zu verändern vermögen. Von besonderem Interesse in diesem Zusammenhang sind auch Thermotherapie- Verfahren, die zur gezielten Überwärmung begrenzter Gewebevolumen insbesondere in der Behandlung von Tumoren und Metastasen eingesetzt werden.Methods of the type mentioned above can generally be used in material research and material processing, in particular in the case of material structures which can change structurally when exposed to heat. Of particular interest in this context are also thermotherapy procedures which are used for the targeted overheating of limited tissue volumes, particularly in the treatment of tumors and metastases.
Bei derartigen, heute angewandten Verfahren der Thermotherapie läßt sich eine Unterteilung in zwei Gruppen vornehmen:With such thermotherapy methods used today, a division can be made into two groups:
1. Moderate Erwärmung auf 43 °C durch Felder von außen:1. Moderate warming to 43 ° C from outside fields:
Unter der sogenannten Hyperthermie kann die Erwärmung im Körperinneren gelegener Gewebebereiche durch Energieeintrag von Außen verstanden werden. Sie wird in der Onkologie zur Tumorbehandlung, z.B. zur Unterstützung der Strahlenoder Chemotherapie, eingesetzt. Der Energieeintrag erfolgt durch elektrische Wechselfelder oder mittels Ultraschall hoher Leistung. Die therapeutisch angestrebten Temperaturerhöhungen liegen hier im allgemeinen bei 6 °C über der Körperkerntemperatur, die mit typischen Behandlungsdauern zwischen 20 und 30 Minuten erreicht werden.So-called hyperthermia can be understood to mean the warming of tissue areas located inside the body through the input of energy from outside. she is used in oncology for tumor treatment, e.g. to support radiation or chemotherapy. The energy input occurs through alternating electrical fields or by means of high-power ultrasound. The therapeutically desired temperature increases are generally 6 ° C above the core body temperature, which can be achieved with typical treatment times between 20 and 30 minutes.
2. Erzeugung thermischer Nekrosen bei Temperaturen von 45 °C bis 200 °C durch intracavitäre oder minimal invasive Verfahren: Die lokal begrenzte Gewebeschädigung durch Wärme ist ein weit verbreitetes Verfahren in der minimal invasiven Chirurgie und Endochirurgie zur Behandlung pathologischer Gewebeveränderungen, wie Tumoren und Metastasen. Die gängigsten intracavitären oder minimal invasiven Methoden bestehen im Einsatz von Laserlicht im Infrarotbereich (LITT: Laser induzierte Thermotherapie) Hochfrequenz- Koagulatoren sowie energiereichem Ultraschall (HIFU: High Intensity Focussed Ultrasound). Bei diesen Applikationen werden im wesentlichen folgende Gewebereaktionen durchlaufen: reine Erwärmung, Ausdehnung des Gewebes, Denaturierung (Koagulation), Entstehung von Gasblasen. Eine sich daran anschließende Karbonisation ist therapeutisch unerwünscht. Unter den verschiedenen Applikationen lassen sich die Behandlung von Lebermetastasen, des Mammakarzinoms, Tumoren der Prostata sowie Tumoren im Gehirn als prominente Beispiele anführen. Gelegentlich wird, z. B. bei der Behandlung von Lebermetastasen eine strukturelle Schädigung durch Kälte (Kryotherapie) oder Alkohol erzielt. Bei der Behandlung der Prostata wird anstelle von Laserlicht oder Ultraschall auch heißes Wasser an das Zielvolumen gebracht. In der Endochirurgie des Gastrointestinaltraktes kommen Laser- oder HF- Applikatoren, z.B. zur Verödung von Speiseröhrenvarizen oder zur Aufweitung von Stenosen, zum Einsatz.2. Generation of thermal necrosis at temperatures from 45 ° C to 200 ° C by intracavitary or minimally invasive procedures: The localized tissue damage by heat is a widespread procedure in minimally invasive surgery and endosurgery for the treatment of pathological tissue changes, such as tumors and metastases. The most common intracavitary or minimally invasive methods are the use of laser light in the infrared range (LITT: laser-induced thermotherapy), high-frequency coagulators and high-energy ultrasound (HIFU: High Intensity Focused Ultrasound). The following tissue reactions are essentially carried out in these applications: pure heating, expansion of the tissue, denaturation (coagulation), formation of gas bubbles. Subsequent carbonization is therapeutically undesirable. Among the various applications, the treatment of liver metastases, breast cancer, tumors of the prostate and tumors in the brain can be cited as prominent examples. Occasionally, e.g. B. in the treatment of liver metastases structural damage caused by cold (cryotherapy) or alcohol. When treating the prostate, hot water is also brought to the target volume instead of laser light or ultrasound. Laser or HF applicators are used in endosurgery of the gastrointestinal tract, e.g. for sclerotherapy of esophageal varices or for widening stenoses.
Generelles therapeutisches Ziel dieser Therapie-Verfahren ist die maximale Schädigung des malignen, bösartigen, Gewebes unter möglichst weitgehender Erhaltung der umliegenden benignen, gutartigen, Gewebebereiche, die abhängig von ihrer Funktion äußerst sensible Strukturen darstellen können.The general therapeutic goal of this therapy method is the maximum damage to the malignant, malignant, tissue, as far as possible Preservation of the surrounding benign, benign, tissue areas, which, depending on their function, can represent extremely sensitive structures.
Einen Sonderfall stellt die Behandlung des Glaukoms mit Laserlicht im Infrarotbereich dar. Das Glaukom (= „Grüner Star) ist die Haupterblindungsursache in westlichen Ländern. Dabei wird das Ende einer Laserfiber von Außen auf die Sklera gesetzt und die darunterliegenden kammerwasserproduzierenden Strukturen koaguliert (Transskierale Zyklophotokoagulation) bei zu hoher Laserenergie kommt es zu unerwünschter vollständiger Zerstörung (Disruption) des bestrahlten Ziliarkörperbereiches. Bei Behandlungszeiten um 2 Sekunden würde ein Abschaltkriterium für den Laser, basierend auf erfolgreicher Koagulation Abhilfe schaffen.A special case is the treatment of glaucoma with laser light in the infrared range. Glaucoma (= "glaucoma) is the main cause of blindness in western countries. The end of a laser fiber is placed on the sclera from the outside and the underlying structures that produce the aqueous humor are coagulated (transskieral cyclophotocoagulation). If the laser energy is too high, the irradiated ciliary body area is completely destroyed (disruption). With treatment times of around 2 seconds, a switch-off criterion for the laser based on successful coagulation would remedy the situation.
Effizienz und weitere klinische Durchsetzbarkeit dieser Behandlungsformen sind daher eng mit der Verfügbarkeit eines nichtinvasiven Verfahrens verknüpft, das dem Operateur in Echtzeit Auskunft über den aktuellen therapeutischen Effekt gibt, bzw. das Kontollparameter oder Steuersignale zur Rückkopplung an das wärmeerzeugende System bereitstellt.The efficiency and further clinical feasibility of these forms of treatment are therefore closely linked to the availability of a non-invasive procedure that provides the surgeon with real-time information about the current therapeutic effect or provides control parameters or control signals for feedback to the heat-generating system.
Da diese Effekte im allgemeinen abhängig vom zeitlichen Temperaturgradienten sind, ist die alleinige Angabe erreichter Gewebetemperaturen zur Überwachung der Therapie nicht hinreichend. Besonders im Hinblick auf individuelle, gewebe- und tumorspezifische Unterschiede ist der Nachweis der strukturellen Gewebeveränderungen als aktuell erzielter therapeutischer Effekt präziser und aussagekräftiger.Since these effects are generally dependent on the temperature gradient over time, simply specifying the tissue temperatures reached is not sufficient to monitor the therapy. Particularly with regard to individual, tissue- and tumor-specific differences, the detection of structural tissue changes as the therapeutic effect currently achieved is more precise and meaningful.
Kostengünstige Verfahren zur nicht- oder minimal invasiven Echtzeit-Kontrolle dieser Therapieformen sind bis jetzt nicht verfügbar.Inexpensive methods for non-invasive or minimally invasive real-time control of these forms of therapy are not yet available.
Bisher verfolgte Ansätze, diagnostischen Ultraschall zur Therapie-Kontrolle einzusetzen, zielen einzig und allein auf die Angabe erreichter Gewebetemperaturen ab. In der Literatur werden u. a. Verfahren vorgeschlagen, durch Messung der temperaturabhängigen Schallausbreitungsgeschwindigkeit eine Thermometrie zu erreichen. Siehe hierzu:Attempts so far to use diagnostic ultrasound to monitor therapy are aimed solely at specifying the tissue temperatures reached. Methods are proposed in the literature, inter alia, by measuring the temperature-dependent sound propagation speed to achieve a thermometry. See also:
R. Seip, E. S. Ebbini, "Noninvasive estimation of tissue temperature response to heating fields using diagnostic ultrasound," IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 42, Aug. 1995R. Seip, E. S. Ebbini, "Noninvasive estimation of tissue temperature response to heating fields using diagnostic ultrasound," IEEE Trans. Biomed. Eng., Vol. 42, Aug. 1995
R. Seip, P. VanBaren, C. Simon, E. S. Ebbini, "Non-invasive spatio-temporal temperature estimation using diagnostic ultrasound," IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings, 1995R. Seip, P. VanBaren, C. Simon, E. S. Ebbini, "Non-invasive spatio-temporal temperature estimation using diagnostic ultrasound," IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings, 1995
R. Seip, P. VanBaren, C. A. Cain, E. S. Ebbini, "Noninvasive real-time multipoint temperature control for ultrasound phased array treatments," IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., vol. 43, Nov. 1996R. Seip, P. VanBaren, C. A. Cain, E. S. Ebbini, "Noninvasive real-time multipoint temperature control for ultrasound phased array treatments," IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., Vol. 43, Nov. 1996
C. Simon, P. VanBaren, E. Ebbini, "Quantitative analysis and applications of noninvasive temperature estimation using diagnostic ultrasound," IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings, Oct. 1997C. Simon, P. VanBaren, E. Ebbini, "Quantitative analysis and applications of noninvasive temperature estimation using diagnostic ultrasound," IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings, Oct. 1997
C. Simon, P. VanBaren, E. S. Ebbini, "Two-dimensional temperature estimation using diagnostic ultrasound," IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., vol. 45, July 1998.C. Simon, P. VanBaren, E. S. Ebbini, "Two-dimensional temperature estimation using diagnostic ultrasound," IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., Vol. 45, July 1998.
In der DE 195 06363 A1 ist ein Verfahren zur nicht-invasiven Thermometrie in Organen unter medizinischen Hyperthermie- und Koagulationsbedingungen beschrieben, das zur Gewinnung von Daten über Strukturveränderungen des Gewebes, das zu erwärmende Gewebe mit Ultraschallwellen durchsetzt, deren Amplitudenreflexionsfaktor als Signal meßtechnisch erfaßt wird. Auf der Grundlage der gewonnenen Amplitudenreflexionsfaktoren wird demnach die Summe aus temperatur- und strukturbedingten Veränderungen im wärmeausgesetzten Gewebe bestimmt. Auch übertragen auf den allgemeinen Fall der thermischen Materialbehandlung zur gezielten inneren Strukturveränderung in Materialien, bspw. der Übergang von kristallin zu amorph oder eine chemische Umwandlung, sind keine sicheren Verfahren bekannt, wann und in welchen Raumbereichen Strukturveränderungen auftreten. Das vorstehend bekannte Verfahren zur Temperaturbestimmung im Wege der Thermotherapie bzw. der Hyperthermie eignet sich nicht zur exakten Bestimmung des aktuellen räumlichen Ausmaßes und der im Inneren eines Materials auftretenden Strukturänderung.DE 195 06363 A1 describes a method for non-invasive thermometry in organs under medical hyperthermia and coagulation conditions which, in order to obtain data on structural changes in the tissue, intersperses the tissue to be heated with ultrasound waves, the amplitude reflection factor of which is recorded as a signal by measurement technology. On the basis of the amplitude reflection factors obtained, the sum of temperature and structure-related changes in the tissue exposed to heat is determined. Also when applied to the general case of thermal material treatment for the targeted internal structural change in materials, for example the transition from crystalline to amorphous or a chemical conversion, no reliable methods are known when and in which spatial areas structural changes occur. The previously known method for determining the temperature by means of thermotherapy or hyperthermia is not suitable for the exact determination of the current spatial extent and the structural change occurring in the interior of a material.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Regelung einer gezielten Wärmedeponierung in ein Material, vorzugsweise in biologisches Gewebe, mit einer Ultraschallwellen erzeugenden Einheit, die Ultraschallwellen in das Material einkoppelt, einer Ultraschallwellen detektierenden Einheit, die die aus dem Material austretenden Ultraschallwellen detektiert und einer Auswerteeinheit, die auf der Grundlage der detektierten Ultraschallwellen Aussageparameter generiert, die über die thermischen und strukturellen Änderungen innerhalb des Materials Aufschluß geben, derart weiterzubilden, daß eine eindeutige Aussage über Art und Umfang einer Strukturänderung innerhalb des Materials im Wege des Wärmeeintrages möglich ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, den Wärmeeintrag in das Material derart zu regeln, daß ein gewünschtes Behandlungsziel innerhalb des Materials ohne eine ungewollte Strukturveränderung zu verursachen eindeutig erreicht werden kann. Schließlich soll eine Vorrichtung angegeben werden, mit der sich das Verfahren realisieren läßt.It is the object of the invention to provide a method and a device for regulating a targeted heat deposition into a material, preferably in biological tissue, with an ultrasound wave-generating unit that couples ultrasound waves into the material, an ultrasound wave-detecting unit that detects the ultrasound waves emerging from the material detected and an evaluation unit, which generates on the basis of the detected ultrasonic waves, statement parameters that provide information about the thermal and structural changes within the material, in such a way that a clear statement about the type and extent of a structural change within the material is possible by means of heat input . Furthermore, it is an object of the invention to provide a way of regulating the heat input into the material in such a way that a desired treatment goal can be clearly achieved within the material without causing an unwanted structural change. Finally, a device is to be specified with which the method can be implemented.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 und 5 angegeben. Gegenstand des Anspruchs 9 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Den Erfindungsgedanken weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche. Erfindungsgemäß ist ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weitergebildet, daß die aus dem Material austretenden Ultraschallwellen zeit- bzw. ortsaufgelöst detektiert werden, wobei die detektierten Ultraschallwellen in der Auswerteeinheit zeitlich aufgelöst und nach dem Grad ihrer Laufzeitänderung relativ zu den Ultraschallwellensignalen, die von detektierten Ultraschallwellen herrühren, die am Material vor der Wärmedeponierung reflektiert worden sind, untersucht werden und als Grundlage für eine räumliche Abgrenzung von sich, im Wege des Wärmeeintrages einstellenden strukturellen Änderungen innerhalb des Materials verwendet werden. Unter Zugrundelegung eines Behandlungsziels im Material sowie der ermittelten strukturellen Änderungen im Material wird sodann ein zur Wärmedeponierung erforderlicher Energieeintrag pro Zeit in das Material geregelt.The solution to the problem on which the invention is based is specified in claims 1 and 5. The subject matter of claim 9 is a device according to the invention. Features further developing the inventive concept are the subject of the subclaims. According to the invention, a method according to the preamble of claim 1 is further developed such that the ultrasound waves emerging from the material are detected in a time-resolved or location-resolved manner, the detected ultrasound waves being temporally resolved in the evaluation unit and according to the degree of their change in transit time relative to the ultrasound wave signals which Detected ultrasonic waves originate, which have been reflected on the material before the heat deposition, are examined and used as the basis for a spatial delimitation from itself, by means of heat input structural changes within the material. On the basis of a treatment goal in the material and the determined structural changes in the material, an energy input required for heat deposition into the material is then regulated.
Während bei bisher verfolgten Methoden ein Ultraschallparameter alleinig zur Temperaturüberwachung vorgeschlagen wurde, werden beim erfindungsgemäßen Verfahren Größen zugrundegelegt, mit denen es möglich ist die strukturelle Gewebeveränderungen direkt zu messen und räumlich in ihrem zeitlichen Entstehungsverhalten zu erfassen.While in the methods followed up to now an ultrasound parameter was proposed solely for temperature monitoring, the method according to the invention is based on variables with which it is possible to directly measure the structural tissue changes and to spatially record their temporal development behavior.
So liegt der Erfindung die Idee zugrunde unter Ausnutzung von ortsaufgelösten Laufzeitänderungen der rückgestreuten Ultraschallwellen eine direkte Bestimmung der strukturellen Materialänderung vorzunehmen, die im Wege der Wärmedeposition verursacht worden ist. So ist es beispielsweise möglich, strukturelle biologische Gewebeirritationen ohne, wie bisher, den Umweg über eine Temperaturermittlung zu erfassen, indem einzig und allein die Messung der Laufzeitänderung der rückreflektierten Ultraschallwellen ausgenutzt wird.The invention is based on the idea of making a direct determination of the structural change in material, which was caused by heat deposition, using spatially resolved changes in the transit time of the backscattered ultrasonic waves. For example, it is possible to detect structural biological tissue irritation without, as previously, the detour via temperature determination, by only using the measurement of the change in the transit time of the back-reflected ultrasound waves.
Um Änderungen im Laufzeitverhalten überhaupt feststellen zu können, bedarf es zunächst der Ermittlung eines Maßstabes, der an dem zu untersuchenden bzw. mit Wärmeeintrag zu behandelnden Material gewonnen wird. So werden die am bzw. innerhalb des Materials rückgestreuten Ultraschallwellen detektiert und deren Ultraschallwellensignale entsprechend abgespeichert noch bevor das Material mit Wärme gezielt beaufschlagt wird. Die Meßsignale werden dabei mittels der detektierenden Einheit spektral erfaßt.In order to be able to determine changes in the runtime behavior at all, it is first necessary to determine a scale which is obtained from the material to be examined or treated with heat input. The ultrasound waves backscattered on or within the material are thus detected and their ultrasound wave signals are correspondingly stored even before the material is included Heat is specifically applied. The measurement signals are recorded spectrally by means of the detecting unit.
Anschließend wird das zu behandelnde Material gezielt erwärmt, beispielsweise durch lokales Einbringen von Laserlicht mit Hilfe einer Lichtleitfaser. Es sind jedoch auch andere Techniken zur gezielten Wärmedeposition möglich, wie bspw. einem Aussetzen des Materials externen elektromagnetischen Wechselfeldern oder Ultraschallfeldern, wobei zur Erwärmung mit niederfrequentem Ultraschall, zur Detektion mit höherfrequentem diagnostischem Ultraschall gearbeitet wird. Eine weitere Technik ist das Tiefgefrieren etwa mit flüssigem Stickstoff.The material to be treated is then specifically heated, for example by locally introducing laser light with the aid of an optical fiber. However, other techniques for targeted heat deposition are also possible, such as exposing the material to external electromagnetic alternating fields or ultrasound fields, with heating being used with low-frequency ultrasound and detection with higher-frequency diagnostic ultrasound. Another technique is deep freezing with liquid nitrogen.
Die Wärmedeposition ist regelbar nach dem Grad an Energie, die pro Zeiteinheit in das Material eingetragen wird. So kann bei Verwendung von Lichtapplikationen die Lichtleistung entsprechend eingestellt werden.The heat deposition can be regulated according to the degree of energy that is entered into the material per unit of time. The light output can be set accordingly when using light applications.
Zur Detektion und Überwachung des Wärmeeintrages in das Material werden während des Wärmeeintrages die rückreflektierten Ultraschallwellen derart detektiert, daß sie zeitlich und gleichzeitig vollumfänglich spektral erfaßt werden. Dabei werden die gewonnenen Ultraschallwellensignale pro ausgesandten Ultraschallpuls zeitaufgelöst verarbeitet, wobei bei der eine Untersuchung Rückreflexes nach Bereichen der Ultraschallwellensignale gesucht wird, in denen eine maximale Laufzeitänderung verglichen zum Maßstab beobachtet wird. Unter Zugrundelegung der Meßgeometrie lassen sich anhand des Profils des Echosignals genaue Angaben über Lage und Ausdehnung struktureller Änderungen innerhalb des Materials ableiten. Mit diesen Erkenntnissen über den Ist-Zustand innerhalb des Materials können Regelgrößen zur Ansteuerung der Wärme deponierenden Einheit generiert werden, um nur gewünschte strukturelle Materialveränderungen zu erhalten. Insbesondere bei der Behandlung von biologischem Gewebe sollen nur jene Gewebebereiche mit ausreichend Wärme beaufschlagt werden, die es gezielt abzutöten gilt, aber jene angrenzende Gewebebereiche vor zu hohem Wärmeeintrag geschützt werden. Ferner kann in Kombination zur vorstehenden Untersuchung mittels integrierter Rückstreuung der pro Ultraschallpuls erhaltenen Ultraschallwellensignale ein Kriterium erhalten werden, um weitergehende Strukturveränderungen, bspw. die Entstehung und räumliche Ausbildung von Gasblasen in biologischem Gewebe, bishin zur Verkohlung detektieren zu können.To detect and monitor the heat input into the material, the back-reflected ultrasound waves are detected during the heat input in such a way that they are recorded spectrally over time and at the same time in full. The ultrasound wave signals obtained are processed in a time-resolved manner for each emitted ultrasound pulse, with an examination of the back reflexes looking for areas of the ultrasound wave signals in which a maximum change in transit time compared to the scale is observed. Based on the measurement geometry, the profile of the echo signal can be used to derive precise information about the position and extent of structural changes within the material. With this knowledge of the actual state within the material, control variables can be generated to control the heat-depositing unit in order to obtain only the desired structural material changes. In the treatment of biological tissue in particular, only those areas of the tissue that are to be selectively destroyed should be exposed to sufficient heat, but those adjacent areas of the tissue should be protected against excessive heat input. Furthermore, in combination with the above investigation, by means of integrated backscattering of the ultrasonic wave signals obtained per ultrasonic pulse, a criterion can be obtained in order to be able to detect further structural changes, for example the formation and spatial formation of gas bubbles in biological tissue, up to the point of charring.
Eine qualitative und quantitative Beurteilung der sich im Material durch Wärmeeintrag vollziehenden strukturellen Änderung kann demzufolge durch die ortsaufgelöst gemessenen Laufzeitänderungen der Ultraschallwellen angestellt werden. Die Laufzeitänderungen setzen sich aus der temperaturabhängigen Schallausbreitungsgeschwindigkeit c (T) und mit weiterer Erwärmung zusätzlich aus der naturgemäß verschiedenen, thermisch induzierten Ausdehnung des Materials ε (T) zusammen. Die Größe c (T) wird zur reinen Thermometrie, etwa bei moderater Erwärmung und niedrigen Temperaturerhöhungen herangezogen.A qualitative and quantitative assessment of the structural change taking place in the material due to the introduction of heat can therefore be carried out by means of the spatially resolved changes in the transit time of the ultrasonic waves. The changes in transit time are made up of the temperature-dependent sound propagation speed c (T) and, with further heating, additionally of the naturally different, thermally induced expansion of the material ε (T). The size c (T) is used for pure thermometry, for example with moderate heating and low temperature increases.
Durch Bestimmung des räumlichen Gradienten der Laufzeitänderungen über das behandelte Materialvolumen erhält man die maximalen räumlichen Verschiebungen rückgestreuter Ultraschall-Signalanteile, die in direktem Zusammenhang mit der Strukturänderung des Materials stehen und zur Angabe ihrer räumlichen Ausdehnung dienen.By determining the spatial gradient of the transit time changes over the volume of material treated, the maximum spatial displacements of backscattered ultrasound signal components are obtained, which are directly related to the structural change of the material and serve to indicate their spatial extent.
Beide Effekte lassen sich jedoch trennen, zum Einen aufgrund des deutlich stärkeren Einflusses der makroskopischen Materialausdehnung, der sich in einem stärkeren zeitlichen Gradienten der Laufzeitänderungen niederschlägt, zum Anderen durch Richtung und unterschiedlicher Fortpflanzung des Effektes vom Herd weg. Eine Änderungen der sogenannten „Integrierten Rückstreuung,, relativ zu einem Ausgangswert vor dem Wärmeeintrag oder relativ zu einer kennzeichnenden, strukturellen Materialveränderung während des Wärmeeintrages werden zur Kontrolle der Gasblasenbildung bei wärmebehandelten biologischem Gewebe herangezogen. Das Abklingen dieses Effektes zeigt die bevorstehende Karbonisation des Gewebes an. Alternativ zur vorbeschriebenen Weise der Untersuchung der Laufzeitänderungen in den rückreflektierten Ultraschallwellen sowie deren Auswertung kann zur Bestimmung der strukturellen Veränderung in einem Material, vorzugsweise biologisches Gewebe, prinzipiell auch die Veränderung des akustischen Dämpfungskoeffizienten als Aussageparameter herangezogen werden.However, both effects can be separated, on the one hand due to the significantly stronger influence of the macroscopic material expansion, which is reflected in a stronger time gradient of the changes in transit time, and on the other hand by the direction and different propagation of the effect away from the hearth. A change in the so-called "integrated backscattering", relative to a starting value before the heat input or relative to a characteristic, structural material change during the heat input, is used to control the formation of gas bubbles in heat-treated biological tissue. The decay of this effect indicates the impending carbonization of the tissue. As an alternative to the previously described way of examining the transit time changes in the back-reflected ultrasound waves and evaluating them, the change in the acoustic damping coefficient can in principle also be used as a parameter for determining the structural change in a material, preferably biological tissue.
Erfindungsgemäß ist daher ein gattungsgemäßes Verfahren alternativ derart ausgebildet, daß die aus dem Material austretenden Ultraschallwellen zeit- bzw. ortsaufgelöst detektiert werden, wobei in der Auswerteeinheit die detektierten Ultraschallwellen pro Ultraschallpuls einer zeitlich dynamisch angepaßten Fensterung derart unterzogen werden, daß die Abschnittsanfänge jedes einzelnen Fensterabschnittes jeweils in einem festen Bezug zum Signalverlauf der detektierten Ultraschallwellen stehen. Für jeden aktuellen Fensterabschnitt wird ein direkter oder indirekter Spektrenvergleich mit wenigstens einem Fensterabschnitt eines zeitlich älteren Utraschallwellenpulses vorgenommen, der bezogen auf den zeitlichen Signalverlauf den gleichen Abschnittsanfang aufweist wie der aktuelle Fensterabschnitt. - Die Begriffe „direkt „ und „indirekt" stellen auf die Möglichkeit ab, den spektralen Signalverlauf sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich zu analysieren. - Dies stellt sicher, daß nur jene Fensterabschnitte miteinander verglichen werden, die auch räumlich zu ein und demselben Reflexionsbereich innerhalb des zu behandelnden Materials gehören. Aus dem Spektrenvergleich wird eine Abschätzung über das zeitliche Verhalten des Dämpfungskoeffizienten des Materials durchgeführt, an dem die Ultraschallwellen, die den detektierten Signalen in den einzelnen Fensterabschnitten entsprechen, reflektiert worden sind. Das hieraus zu gewinnende zeitliche Verhalten des Dämpfungskoeffizienten innerhalb des jeweiligen Materialbereiches dient als Grundlage für eine räumliche Abgrenzung von sich, im Wege des Wärmeeintrages einstellenden strukturellen Änderungen innerhalb des Materials. Schließlich wird unter Zugrundelegung eines Behandlungsziels im Material sowie der ermittelten strukturellen Änderungen im Material ein zur Wärmedeponierung erforderlicher Energieeintrag pro Zeit in das Material geregelt.According to the invention, therefore, a generic method is alternatively designed such that the ultrasound waves emerging from the material are detected in a time-resolved or location-resolved manner, the detected ultrasound waves per ultrasound pulse being subjected to a dynamically adapted windowing in the evaluation unit such that the section starts of each individual window section in each case have a fixed relationship to the signal curve of the detected ultrasonic waves. For each current window section, a direct or indirect spectrum comparison is carried out with at least one window section of a temporally older ultrasound wave pulse, which has the same section start as the current window section in relation to the temporal signal curve. - The terms "direct" and "indirect" focus on the possibility of analyzing the spectral signal curve both in the time and in the frequency domain. - This ensures that only those window sections that are spatially related to one and the same are compared The spectral comparison is used to estimate the temporal behavior of the damping coefficient of the material, on which the ultrasound waves, which correspond to the detected signals in the individual window sections, were reflected Damping coefficients within the respective material area serve as the basis for a spatial delimitation of structural changes within the material that result from the introduction of heat. Finally, on the basis of a treatment goal in the material and the determined s structural changes in the material regulates an energy input required for heat deposition into the material per time.
Ein Vergleich eines lokalen Dämpfungskoeffizienten zu verschiedenen Zeitpunkten vor bzw. während des Wärmeeintrags zur Bestimmung einer Veränderung im Material ist nur dann sinnvoll, wenn der Bereich, für den der Dämpfungskoeffizient abgeschätzt wird, immer derselbe ist, d.h. man muß dafür Sorge tragen, daß bei der Untersuchung einzelner Gewebebereiche all jene reflektierten Ultraschallsignale, die jeweils zu zeitlich unterschiedlichen Ultraschallpulsen gehören, miteinander verglichen werden, die auch aus den gleichen Materialbereichen reflektiert worden sind.A comparison of a local damping coefficient at different times Before or during the heat input to determine a change in the material, it only makes sense if the area for which the damping coefficient is estimated is always the same, ie care must be taken to ensure that all those reflected ultrasound signals are examined when examining individual tissue areas, which each belong to temporally different ultrasound pulses are compared with one another, which have also been reflected from the same material areas.
Dies wird erreicht, indem das reflektierte Signal zur Bestimmung der lokalen Spektren nicht mit einer zeitlich starren Fensterung versehen wird, sondern mit einer mitlaufenden, dynamischen Fensterung. Mitlaufend in dem Sinn, daß das reflektierte Signal in Einzelne, in der Größe gleichbleibende Abschnitte unterteilt wird, wobei die Abschnittsanfänge eines jeden Fensters bezüglich des gesamten rückreflektierten Signalverlaufs stets in einem festem Zusammenhang stehen. Diese mitlaufende Fensterung kann zum Beispiel durch bekannte Korrelationsverfahren bestimmt werden.This is achieved by the fact that the reflected signal for determining the local spectra is not provided with a temporally rigid window, but with a dynamic window that moves with it. Simultaneously in the sense that the reflected signal is divided into individual sections of constant size, the section beginnings of each window always having a fixed relationship with respect to the entire back-reflected signal course. This continuous windowing can be determined, for example, by known correlation methods.
Durch den Vergleich der spektralen Information eines Signals in einer mitlaufenden Fensterung zur Abschätzung des Dämpfungskoeffizienten ist eine Ortsfestigkeit der Bereiche, für die der Dämpfungskoeffizient abgeschätzt wird, in Bezug auf das Material auf diese Weise gewährleistet.By comparing the spectral information of a signal in a moving window to estimate the damping coefficient, a spatial stability of the areas for which the damping coefficient is estimated with respect to the material is ensured in this way.
Somit kann eine Bestimmung der Veränderung des Dämpfungskoeffizienten zur ortsaufgelösten Bestimmung der strukturellen Veränderung des Materials herangezogen werden.A determination of the change in the damping coefficient can thus be used for the spatially resolved determination of the structural change in the material.
Zur Bestimmung des Dämpfungskoeffizienten zwischen zwei jeweiligen Fensterabschnitten bedient man sich der spektralen Verschiebung. Ein Ultraschallsignal wird aufgrund einer bestehenden Frequenzabhängigkeit des Dämpfungskoeffizienten beim Durchlaufen durch eine dämpfende Schicht in seinen spektralen Anteilen unterschiedlich stark abgeschwächt. Dadurch ergibt sich eine Verschiebung des gesamten Spektrums des Signals im Frequenzbereich. Diese Verschiebung des Spektrums kann durch unterschiedliche bekannte Methoden bestimmt werden, wobei die Bestimmung der Verschiebung im Zeitbereich wie auch im Frequenzbereich durchgeführt werden kann.The spectral shift is used to determine the damping coefficient between two respective window sections. Due to an existing frequency dependence of the damping coefficient when it passes through a damping layer, the spectral components of an ultrasonic signal are attenuated to different extents. This results in a shift of the entire spectrum of the signal in the frequency domain. This Shift of the spectrum can be determined by different known methods, the determination of the shift can be carried out in the time domain as well as in the frequency domain.
Um den Dämpfungskoeffizienten ortsaufgelöst nach der Methode der spektralen Verschiebung abzuschätzen, wird das reflektierte Ultraschallsignal in einzelne Fensterabschnitte unterteilt, also zeitlich gefenstert, und die relative Verschiebung der Spektren dieser Fenster zueinander betrachtet. Aus der Verschiebung der Spektren zueinander läßt sich der mittlere Dämpfungskoeffizient für den Bereich zwischen den jeweiligen Fenstern abschätzen.In order to estimate the attenuation coefficient in a spatially resolved manner using the spectral shift method, the reflected ultrasound signal is divided into individual window sections, that is to say windowed over time, and the relative shift of the spectra of these windows to one another is considered. The average damping coefficient for the area between the respective windows can be estimated from the shift of the spectra to one another.
Analoges gilt für die Methode der spektralen Differenz, nur daß hierbei der Dämpfungskoeffizient nicht über die Verschiebung der Spektren, sondern über die Differenz der Spektren bestimmt wird.The same applies to the method of spectral difference, only that the attenuation coefficient is determined not by the shift of the spectra, but by the difference of the spectra.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Vorrichtung zur Regelung einer gezielten Wärmedeponierung in einem Material, vorzugsweise zur schonenden Behandlung biologischen Materials, insbesondere biologisches Gewebe, mit einer Ultraschallwellen erzeugenden Einheit, die Ultraschallwellen in das Material einkoppelt, einer Ultraschallwellen detektierenden Einheit, die aus dem Material austretende Ultraschallwellen detektiert, und einer Auswerteeinheit, die auf der Grundlage der detektierten Ultraschallwellen Aussageparameter generiert, die über die thermischen und strukturellen Änderungen innerhalb des Materials Aufschluß geben, derart ausgebildet, daß die Ultraschallwellen erzeugende und detektierende Einheit in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind und gemeinsam relativ zu dem, zu behandelnden Material justierbar sind, daß eine die Wärmedeponierung bewirkende Einheit weitgehend zentrisch zu den Ultraschallwellen erzeugende und detektierende Einheiten angeordnet ist und auf das Material ausgerichtet ist.To carry out the method according to the invention, a device for controlling a targeted heat deposition in a material, preferably for the gentle treatment of biological material, in particular biological tissue, with an ultrasound wave-generating unit that couples ultrasound waves into the material, an ultrasound-wave-detecting unit that consists of the material emerging ultrasound waves, and an evaluation unit that generates information parameters based on the detected ultrasound waves that provide information about the thermal and structural changes within the material, such that the ultrasound waves generating and detecting unit are arranged in a common plane and together relative can be adjusted to the material to be treated such that a unit which effects the heat deposition is arranged largely centrally to the units generating and detecting the ultrasonic waves et and is aimed at the material.
Weitere Merkmal können der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnommen werden. Kurze Beschreibung der ErfindungFurther features can be found in the description below with reference to the drawings. Brief description of the invention
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:The invention is described below by way of example without limitation of the general inventive concept using exemplary embodiments with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1a, b Diagrammdarstellung der Laufzeitverschiebung eines reflektierten Ultraschallwellenpulses sowie Abbildung einer Gewebeschädigung durch lokalen Wärmeeintrag,1a, b diagram representation of the propagation time shift of a reflected ultrasound wave pulse and image of tissue damage due to local heat input,
Fig. 2 Vorrichtungsvariante 1 zur Durchführung des Verfahrens,2 device variant 1 for carrying out the method,
Fig. 3 Vorrichtungsvariante 2 zur Durchführung des Verfahrens undFig. 3 device variant 2 for performing the method and
Fig. 4 Vorrichtungsvariante 3 zur Durchführung des Verfahrens.Fig. 4 device variant 3 for performing the method.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwendbarkeitWAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION, INDUSTRIAL APPLICABILITY
In Figur 1 ist ein Diagramm dargestellt, entlang dessen Abszisse die Eindringtiefe eines Ultraschallwellenpulses in ein Material, im Beispiel der Figur 1 a, b in biologisches Gewebe dargestellt ist. Entlang der Ordinate sind Werte für die ortsaufgelösten Laufzeit-Verschiebungen für einen Ultraschallwellenpuls in μsec aufgetragen.FIG. 1 shows a diagram along the abscissa of which the depth of penetration of an ultrasound wave pulse into a material, in the example of FIGS. 1 a, b into biological tissue. Values for the spatially resolved transit time shifts for an ultrasound wave pulse are plotted along the ordinate in μsec.
Die pro Ultraschallwellenpuls, der in ein biologisches Gewebe eingekoppelt wird, darstellbare Laufzeitverschiebung relativ zu einem Ausgangsverlauf eines Ultraschallpulses, der bei Normaltemperaturbedingungen, d.h. ohne künstlichen Wärmeeintrag, erhalten wurde ist in Figur 1 a dargestellt. Die Laufzeitveränderung, eines Ultraschallpulses bedingt durch eine, durch Wärmeeinwirkung verursachte Strukturumwandlung innerhalb eines Gewebebereiches ist mit Hilfe einer Kreuzkorrelation der aktuell erhaltenen Ultraschallwellensignale mit den abgespeicherten Werten vor Behandlungsbeginn zu erhalten. Nachfolgend wird die so gewonnene Kurve durch ein Polynom vorzugsweise niedriger Ordnung, geglättet und entsprechend ausgewertet.The time delay shift that can be represented per ultrasound wave pulse that is coupled into a biological tissue relative to an output profile of an ultrasound pulse that was obtained under normal temperature conditions, ie without artificial heat input, is shown in FIG. 1 a. The change in transit time of an ultrasound pulse due to a structural transformation within a tissue area caused by the action of heat can be cross-correlated with the currently obtained ultrasound wave signals receive saved values before the start of treatment. The curve obtained in this way is then smoothed by a polynomial, preferably of a low order, and evaluated accordingly.
Wie in Figur 1a zu entnehmen ist, werden eben diese Bereiche der Kurve in Betracht gezogen, in denen der Gradient der Laufzeitveränderung am größten ist. Dies ist durch die zwei vertikalen Begrenzungslinien dargestellt, die zugleich einen räumlichen Bereich bereits festgestellter Strukturumwandlungen innerhalb des Gewebes begrenzen. In Figur 1 b, das ein Bild des betreffenden, wärmebehandelten Gewebebereichs darstellt, entspricht der helle Gewebebereich genau dem Bereich, in dem durch Wärmeeintrag strukturelle Gewebeirritationen zu beobachten sind. Dieser Bereich entspricht genau dem Bereich, in dem der Funktionsverlauf in Figur 1a den größten Gradienten aufweist. Der Wärmeeintrag in Figur 1b erfolgt durch Lichtapplikation mittels einer Lichtleitfaser, die in Bildmitte der Figur 1 b von unten in den Gewebebereich hineinragt.As can be seen in FIG. 1a, those areas of the curve are considered in which the gradient of the transit time change is greatest. This is represented by the two vertical boundary lines, which at the same time delimit a spatial area of structural changes already identified within the tissue. In FIG. 1 b, which shows an image of the heat-treated tissue area in question, the light-colored tissue area corresponds exactly to the area in which structural tissue irritation can be observed through the introduction of heat. This area corresponds exactly to the area in which the function curve in FIG. 1a has the largest gradient. The heat input in FIG. 1b takes place by light application by means of an optical fiber which projects into the tissue area from below in the center of the image in FIG. 1b.
Um von den Werten der Laufzeitverschiebung auf die Temperatur zu schließen, sind die ortsaufgelösten Ausbreitungsgeschwindigkeiten zu berechnen, die wiederum Grundlage zur Temperaturbestimmung sind, die besonders zur Kontrolle und Dokumentation der Erhaltung gesunden Gewebes herangezogen werden kann.In order to infer the temperature from the values of the transit time shift, the spatially resolved propagation velocities have to be calculated, which in turn are the basis for the temperature determination, which can be used in particular for the control and documentation of the maintenance of healthy tissue.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.Figure 2 shows an embodiment for performing the method according to the invention.
An einem, an seiner Unterseite eine sphärische Kontur aufweisenden Gehäuseteil G befindet sich ein Ultraschallwandler 1 zur Ultraschallerzeugung und zugleich zur Detektion. Mittig zum Gehäuse G und zum Ultraschallwandler 1 ist eine Bohrung 2 vorgesehen, durch eine Lichtleitfaser 3 geführt ist, zur gezielten Lichtapplikation an einem Gewebevolumen 4.An ultrasound transducer 1 for ultrasound generation and at the same time for detection is located on a housing part G which has a spherical contour on its underside. A bore 2 is provided in the center of the housing G and the ultrasound transducer 1, through which an optical fiber 3 is guided, for targeted light application to a tissue volume 4.
Um eine eindeutige Ausrichtung des Ultraschallbündels auf das interessierende Behandlungsvolumen 4 sicherzustellen, bietet sich der Einsatz konventioneller Punktionsschallköpfe an. Anstelle der vorgesehenen Führung von Punktionsnadeln, eignet sich im dargestellten Fall eine Lichtleitfaser 3, die auch durch einen HF - Applikator ersetzt werden kann.In order to ensure a clear alignment of the ultrasound bundle with the treatment volume 4 of interest, conventional ones can be used Puncture transducers. Instead of the intended guidance of puncture needles, an optical fiber 3 is suitable in the illustrated case, which can also be replaced by an HF applicator.
Um jedoch die geometrischen Faktoren eindeutig festzulegen, die das Verfahren beeinflussen und daher stets zu berücksichtigen sind, werden spezielle Schallwandler vorgeschlagen:However, in order to clearly define the geometric factors that influence the process and must therefore always be taken into account, special sound transducers are proposed:
Einzelelementwandler, wie in Figur 2 dargestellt, der auch fokussierend geformt sein kann, mit zentraler Bohrung 2 zur Aufnahme der Lichtleitfaser 3 oder einer Hochfrequenznadel. Durch die koaxiale Anordnung wird die eindeutige Ausrichtung des Schallbündels auf die zu behandelnde Geweberegion 4 sichergestellt.Single element transducer, as shown in Figure 2, which can also be shaped focusing, with a central bore 2 for receiving the optical fiber 3 or a radio frequency needle. The coaxial arrangement ensures that the sound bundle is clearly aligned with the tissue region 4 to be treated.
In Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel mit einem Ultraschallwandler-Linear-Array 5 dargestellt mit zentraler Bohrung 2 zur Aufnahme von Wärme-Applikatoren 3. Mithilfe des Arrays läßt sich eine elektronische Tiefenfokussierung erreichen, die die Positionierung des Applikators unterstützt, vor allem aber die Messung und Darstellung von Grad und Ausdehnung der therapeutisch erzielten Gewebeveränderung ermöglicht. Zusätzlich kann das Array rotierbar um die Applikatorachse 6 innerhalb eines Gehäuses 7 angebracht sein, so daß eine 3 - dimensionale Führung des Schallbündels möglich ist, anhand derer eine Erfassung und Darstellung der 3 - dimensionalen Gewebeveränderungen erfolgt. Auf diese Weise wird auch eine optimale Kompensation 3-dimensionaler Bewegungseinflüsse erreicht.FIG. 3 shows an exemplary embodiment with an ultrasound transducer linear array 5 with a central bore 2 for receiving heat applicators 3. The array can be used to achieve electronic depth focusing which supports the positioning of the applicator, but above all the measurement and Presentation of the degree and extent of the therapeutically achieved tissue change. In addition, the array can be mounted rotatably about the applicator axis 6 within a housing 7, so that a 3-dimensional guidance of the sound bundle is possible, on the basis of which the 3-dimensional tissue changes are recorded and displayed. In this way, an optimal compensation of 3-dimensional movement influences is achieved.
Das gleiche kann durch ein 2 D - Array 8, gemäß Figur 4, mit entsprechender Bohrung 2 zur Aufnahme eines Applikators 3 und elektronischer Schallfeldführung erreicht werden, mit dem Vorteil entfallender mechanischer Rotationsbewegungen. Zusätzlich können die Lichtleitfaser oder HF - Applikatoren mit, für den Ultraschall besonders gut erkennbaren Markern (z.B. aus Metall) versehen werden.The same can be achieved by means of a 2D array 8, according to FIG. 4, with a corresponding bore 2 for receiving an applicator 3 and electronic sound field guidance, with the advantage that mechanical rotary movements are eliminated. In addition, the optical fiber or HF applicators can be provided with markers (eg made of metal) that are particularly easy to recognize for ultrasound.
Alle Ausführungen sind sterilisierbar, bzw. können mit sterilen Überzügen versehen werden All versions can be sterilized or can be provided with sterile covers
BezugszeichenlisteReference list
UltraschallwandlerUltrasonic transducer
Bohrungdrilling
LichtleitfaserOptical fiber
Gewebevolumen lineares Wandler-ArrayTissue volume linear transducer array
DrehachseAxis of rotation
Gehäusecasing
Einzelelement eines zw Single element of a tw

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Regelung einer gezielten Wärmedeponierung in ein Material, vorzugsweise in biologisches Gewebe, mit einer Ultraschallwellen erzeugenden Einheit, die Ultraschallwellen in das Material einkoppelt, einer Ultraschallwellen detektierenden Einheit, die die aus dem Material austretenden1. A method for controlling a targeted heat deposition in a material, preferably in biological tissue, with an ultrasound wave-generating unit that couples ultrasound waves into the material, an ultrasound-wave-detecting unit that exits the material
Ultraschallwellen detektiert und einer Auswerteeinheit, die auf der Grundlage der detektierten UltraschallwellenDetected ultrasonic waves and an evaluation unit based on the detected ultrasonic waves
Aussageparameter generiert, die über die thermischen und strukturellen Änderungen innerhalb des Materials Aufschluß geben, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Material austretenden Ultraschallwellen zeit- bzw. ortsaufgelöst detektiert werden, daß in der Auswerteeinheit die detektierten Ultraschallwellen zeitlich aufgelöst und nach dem Grad ihrer Laufzeitänderung relativ zu den Ultraschallwellensignalen, die von detektierten Ultraschallwellen herrühren, die am Material vor der Wärmedeponierung reflektiert worden sind, untersucht werden und als Grundlage für eine räumliche Abgrenzung von sich, im Wege des Wärmeeintrages einstellenden strukturellen Änderungen innerhalb des Materials verwendet werden, und daß unter Zugrundelegung eines Behandlungsziels im Material sowie der ermittelten strukturellen Änderungen im Material ein zur Wärmedeponierung erforderlicher Energieeintrag pro Zeit in das Material geregelt wird.Information parameters are generated that provide information about the thermal and structural changes within the material, characterized in that the ultrasound waves emerging from the material are detected in a time- or location-resolved manner, that in the evaluation unit the detected ultrasound waves are temporally resolved and relative to the degree of their change in transit time to the ultrasonic wave signals, which originate from detected ultrasonic waves that have been reflected on the material before the heat deposition, are investigated and are used as the basis for a spatial delimitation of themselves, by means of heat input structural changes within the material, and that on the basis of a Treatment goal in the material and the determined structural changes in the material, an energy input required for heat deposition into the material per time is regulated.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellensignale der am Material reflektierten Ultraschallwellen spektral erfaßt und über den gesamten Frequenzbereich integriert werden, und daß die zeitliche Änderung des Integralwertes untersucht wird und bei auftretenden Abweichungen von einem Ausgangsintegral, das vor der Erwärmung des Materials gewonnen worden ist, ein Aussageparameter für eine Ausbildung von Gasblasen innerhalb des Materials gebildet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the ultrasonic wave signals of the ultrasonic waves reflected on the material are spectrally detected and integrated over the entire frequency range, and that the temporal change in the integral value is investigated and in the event of deviations from an output integral which occurs before the heating of the Materials a statement parameter for the formation of gas bubbles within the material is formed.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn der Wärmedeponierung bei einer bekannten Temperatur innerhalb des zu untersuchenden Materials das Ausgangsintegral ermittelt wird, das als Referenzwert zum Feststellen auftretender Abweichungen im Integrationsverhalten dient.3. The method according to claim 2, characterized in that at the beginning of the heat deposition at a known temperature within the material to be examined, the output integral is determined, which serves as a reference value for determining deviations occurring in the integration behavior.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach Abklingen auftretender Änderungen im Integrationsverhalten ein Aussageparamter für eine bevorstehende Karbonisierung innerhalb des Materials, vorzugsweise biologischen Gewebe, gewonnen wird.4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that after decaying changes in the integration behavior, a statement parameter for an impending carbonization within the material, preferably biological tissue, is obtained.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Material austretenden Ultraschallwellen zeit- bzw. ortsaufgelöst detektiert werden, daß in der Auswerteeinheit die detektierten Ultraschallwellen pro5. The method according to any one of claims 1 to 4 or the preamble of claim 1, characterized in that the ultrasonic waves emerging from the material are detected in a time-resolved or spatially resolved manner that the detected ultrasonic waves per in the evaluation unit
Ultraschallpuls einer zeitlich dynamisch angepaßten Fensterung derart unterzogen werden, daß die Abschnittsanfänge jedes einzelnenUltrasound pulse are subjected to a dynamically adapted window in such a way that the beginning of each section
Fensterabschnittes jeweils in einem festen Bezug zum Signalverlauf der detektierten Ultraschallwellen stehen, daß für jeden aktuellen Fensterabschnitt ein direkter oder indirekterWindow section each have a fixed relationship to the signal curve of the detected ultrasound waves, that a direct or indirect for each current window section
Spektrenvergleich mit wenigstens einem Fensterabschnitt eines zeitlich älteren Utraschallwellenpulses vorgenommen wird, der bezogen auf den zeitlichen Signalverlauf den gleichen Abschnittsanfang aufweist wie der aktuelle Fensterabschnitt, daß aus dem Spektrenvergleich eine Abschätzung über das zeitlicheSpectra comparison is carried out with at least one window section of a temporally older ultrasound wave pulse which, based on the temporal signal profile, has the same beginning of the section as the current window section, that from the spectrum comparison an estimate of the temporal
Verhalten des Dämpfungskoeffizienten des Materials durchgeführt wird, an dem die Ultraschallwellen, die den detektierten Signalen in den einzelnenBehavior of the damping coefficient of the material is carried out which the ultrasonic waves that the detected signals in the individual
Fensterabschnitten entsprechen, reflektiert worden sind, daß das zeitliche Verhalten des Dämpfungskoeffizienten als Grundlage für eine räumliche Abgrenzung von sich, im Wege des Wärmeeintrages einstellenden strukturellen Änderungen innerhalb des Materials verwendet wird, und daß unter Zugrundelegung eines Behandlungsziels im Material sowie der ermittelten strukturellen Änderungen im Material ein zur Wärmedeponierung erforderlicher Energieeintrag pro Zeit in das Material geregelt wird.Window sections correspond, it has been reflected that the temporal behavior of the damping coefficient is used as the basis for a spatial delimitation of structural changes within the material that result from the introduction of heat, and that a treatment goal in the material and the determined structural changes in the material are used an energy input required for heat deposition into the material is regulated per time.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spektrenvergleich im Zeit- oder Frequenzbereich im Wege einer spektralen Differenzbildung oder durch Feststellen der spektralen Verschiebung durchgeführt wird.6. The method according to claim 5, characterized in that the spectral comparison in the time or frequency domain is carried out by way of spectral difference formation or by determining the spectral shift.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellen detektierende Einheit derart relativ zum, zu untersuchenden Material angeordnet wird, daß lediglich an dem Material zurückgestreute oder reflektierte Ultraschallwellen erfaßt werden.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the ultrasonic wave detecting unit is arranged relative to the material to be examined that only backscattered or reflected ultrasonic waves are detected on the material.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedeponierung innerhalb des Materials durch gezielte Bestrahlung des zu behandelnden Materials mittels elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise Laserlicht, oder durch Applikation eines elektrischen Wechselfeldes oder Ultraschallwellenfeldes erfolgt.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the heat deposition within the material is carried out by targeted irradiation of the material to be treated by means of electromagnetic radiation, preferably laser light, or by application of an alternating electric field or ultrasonic wave field.
9. Vorrichtung zur Regelung einer gezielten Wärmedeponierung in einem Material, vorzugsweise zur schonenden Behandlung biologischen Materials, insbesondere biologisches Gewebe, mit einer Ultraschallwellen erzeugenden Einheit, die Ultraschallwellen in das Material einkoppelt, einer Ultraschallwellen detektierenden Einheit, die aus dem Material austretende Ultraschallwellen detektiert, und einer Auswerteeinheit, die auf der Grundlage der detektierten Ultraschallwellen Aussageparameter generiert, die über die thermischen und strukturellen Änderungen innerhalb des Materials Aufschluß geben, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellen erzeugende und detektierende9.Device for controlling a targeted heat deposition in a material, preferably for the gentle treatment of biological material, in particular biological tissue, with an ultrasound wave-generating unit that couples ultrasound waves into the material, an ultrasound wave-detecting unit that detects ultrasound waves emerging from the material, and an evaluation unit based on the detected ultrasonic waves Generated information parameters that provide information about the thermal and structural changes within the material, characterized in that the ultrasonic waves generating and detecting
Einheit so angeordnet sind, daß sie die gleichen Raumbereiche erfassen und gemeinsam relativ zu dem, zu behandelnden Material justierbar sind, daß eine die Wärmedeponierung bewirkende Einheit weitgehend zentrisch zu denUnit are arranged so that they cover the same areas and can be adjusted together relative to the material to be treated, that a unit effecting heat deposition largely centrally to the
Ultraschallwellen erzeugende und detektierende Einheiten angeordnet ist und auf das Material ausgerichtet ist.Ultrasonic wave generating and detecting units is arranged and is aligned with the material.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene in der die Ultraschallwellen erzeugende und detektierende Einheit angeordnet sind, derart, vorzugsweise sphärisch, ausgebildet ist, so daß die auf das Material einwirkenden Ultraschallwellen fokussiert sind.10. The device according to claim 9, characterized in that the plane in which the ultrasonic waves generating and detecting unit are arranged, such, preferably spherical, is formed so that the ultrasonic waves acting on the material are focused.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse vorgesehen ist, das die Ultraschallwellen erzeugende und detektierende Einheit umschließt, und daß das Gehäuse auf das zu behandelnde Material mittelbar oder unmittelbar aufsetzbar ist, so daß die Ultraschallwellen erzeugende und detektierende Einheit einen bestimmten Abstand einnehmen.11. The device according to claim 9 or 10, characterized in that a housing is provided which encloses the ultrasonic wave generating and detecting unit, and that the housing can be placed directly or indirectly on the material to be treated, so that the ultrasonic wave generating and detecting unit take a certain distance.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellen erzeugende und detektierende Einheit eine flächige, arrayförmige Anordnung ist.12. Device according to one of claims 9 to 11, characterized in that the ultrasonic wave generating and detecting unit is a flat, array-shaped arrangement.
13. Vorrichtung nach Anspruch einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellen erzeugende und detektierende Einheit eine lineare, arrayförmige Anordnung ist, die um eine Drehachse drehbar gelagert ist, die mit der die Wärmedeponierung bewirkenden Einheit zusammenfällt. 13. The device according to claim one of claims 9 to 11, characterized in that the ultrasonic wave generating and detecting unit is a linear, array-shaped arrangement which is rotatably mounted about an axis of rotation which coincides with the unit causing heat deposition.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedeponierung bewirkende Einheit eine Glasfaser ist, durch die Licht, vorzugsweise Laserlicht unmittelbar an das zu behandelnde Material geleitet wird.14. Device according to one of claims 9 to 13, characterized in that the heat depositing unit is a glass fiber through which light, preferably laser light is passed directly to the material to be treated.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedeponierung bewirkende Einheit ein diagnostisches Ultraschallgerät ist, das eine Temperaturerhöhung innerhalb des abgetasteten Gewebeareals erzeugt. 15. Device according to one of claims 9 to 14, characterized in that the unit causing heat deposition is a diagnostic ultrasound device which generates a temperature increase within the scanned tissue area.
EP99948766A 1998-10-27 1999-09-16 Method and device for controlling a targeted thermal deposition into a material Withdrawn EP1124614A1 (en)

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