WO2000024468A9

WO2000024468A9 - Verfahren und vorrichtung zur regelung einer gezielten wärmedeponierung in ein material

Info

Publication number: WO2000024468A9
Application number: PCT/EP1999/006867
Authority: WO
Inventors: Bernhard Kleffner; Robert Lemor
Original assignee: Fraunhofer Ges Forschung; Bernhard Kleffner; Robert Lemor
Priority date: 1998-10-27
Filing date: 1999-09-16
Publication date: 2000-09-28
Also published as: US6576875B1; EP1124614A1; WO2000024468A1

Abstract

Beschrieben wird 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. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, 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.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer gezielten Wärmedeponierung in ein

Material

Technisches Gebiet

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.

Stand der Technik

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.

Bei derartigen, heute angewandten Verfahren der Thermotherapie läßt sich eine Unterteilung in zwei Gruppen vornehmen:

1. Moderate Erwärmung auf 43 °C durch Felder von außen:

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Kostengünstige Verfahren zur nicht- oder minimal invasiven Echtzeit-Kontrolle dieser Therapieformen sind bis jetzt nicht verfügbar.

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:

R. 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, 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. 1996

C. 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.

In der DE 195 06 363 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.

Darstellung der Erfindung

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.

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. Er indungsgemäß 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Somit kann eine Bestimmung der Veränderung des Dämpfungskoeffizienten zur ortsaufgelösten Bestimmung der strukturellen Veränderung des Materials herangezogen werden.

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.

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.

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.

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.

Weitere Merkmal können der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnommen werden. Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1a, b Diagrammdarstellung der Laufzeitverschiebung eines reflektierten Ultraschallwellenpulses sowie Abbildung einer Gewebeschädigung durch lokalen Wärmeeintrag,

Fig. 2 Vorrichtungsvariante 1 zur Durchführung des Verfahrens,

Fig. 3 Vorrichtungsvariante 2 zur Durchführung des Verfahrens und

Fig. 4 Vorrichtungsvariante 3 zur Durchführung des Verfahrens.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

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.

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.

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 1b, 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 1b von unten in den Gewebebereich hineinragt.

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.

Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

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.

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.

Um jedoch die geometrischen Faktoren eindeutig festzulegen, die das Verfahren beeinflussen und daher stets zu berücksichtigen sind, werden spezielle Schallwandler vorgeschlagen:

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.

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.

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.

Alle Ausführungen sind sterilisierbar, bzw. können mit sterilen Überzügen versehen werden

Bezugszeichenliste

Ultraschallwandler

Bohrung

Lichtleitfaser

Gewebevolumen lineares Wandler-Array

Drehachse

Gehäuse Einzelelement eines zweidimensionalen Wandler-Arrays

Claims

Patentansprüche

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 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, 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.

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.

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.

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.

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 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, daß für jeden aktuellen Fensterabschnitt ein direkter oder indirekter

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 zeitliche

Verhalten des Dämpfungskoeffizienten des Materials durchgeführt wird, an dem die Ultraschallwellen, die den detektierten Signalen in den einzelnen

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.

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.

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.

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.

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 detektierende

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 den

Ultraschallwellen erzeugende und detektierende Einheiten angeordnet ist und auf das Material ausgerichtet ist.

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.

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.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellen erzeugende und detektierende Einheit eine flächige, arrayförmige Anordnung ist.

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.

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.

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.