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Dokumentenidentifikation DE19507478C1 15.05.1996
Titel Therapiegerät zur Behandlung mit fokussiertem Ultraschall
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Bieger, Johannes, Dr.rer.nat., 91096 Möhrendorf, DE;
Schätzle, Ulrich, Dipl.-Ing., 91341 Röttenbach, DE;
Schmidt, Erhard, Ing.(grad.), 91054 Erlangen, DE;
Schneider, Siegfried, Dr.rer.nat., 91056 Erlangen, DE
DE-Anmeldedatum 03.03.1995
DE-Aktenzeichen 19507478
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.05.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.05.1996
IPC-Hauptklasse A61N 7/02
IPC-Nebenklasse B06B 3/00   A61B 8/00   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Therapiegerät zur Behandlung mit fokussiertem Ultraschall, aufweisend eine als phased array ausgeführte Ultraschallquelle (1), eine dieser vorgelagerte akustische Linse (6). Außerdem weist die Ultraschallquelle (1) eine zwischen der Linse (6) und der Ultraschallquelle (1) angeordnete Grundplatte (3) auf, auf deren von der Linse (6) abgewandten Seite die Ultraschallwandlerelemente (21 bis 26, 271 bis 2719, 271a bis 2719f, 281 bis 2878, 291a bis 2978b) des phased arrays angebracht sind, wobei die Grundplatte (3) aus einem Material guter Wärmeleitfähigkeit besteht, wobei sich zwischen der Linse (6) und der Ultraschallquelle (1) eine an die der Linse (6) zugewandte Seite der Grundplatte (3) angrenzende, Ultraschall leitende Kühlflüssigkeit befindet, und wobei die Grundplatte (3) wenigstens im Bereich der Ultraschallwandlerelemente (21 bis 26, 271 bis 2719, 271a bis 2719f, 281 bis 2878, 291a bis 2978b) eine Dicke, die gleich einem ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge des Ultraschalls in dem Material der Grundplatte (3) ist, aufweist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Therapiegerät zur Behandlung mit fokussiertem Ultraschall, aufweisend eine als phased array ausgeführte gekühlte Ultraschallquelle und eine dieser vorgelagerte akustische Linse.

Derartige Therapiegeräte werden zur Behandlung sowohl von benignen als auch malignen Gewebeveränderungen eingesetzt. Bei der Behandlung können im Fokus Temperaturen im Bereich von 40 bis 100°C erzeugt werden, wobei die Temperatur in Abhängigkeit von dem jeweils zu behandelnden Krankheitsbild gewählt wird.

Die Verwendung von phased arrays zur Ultraschall-Therapie ist in der DE 31 19 295 C2 beschrieben. Der Vorteil der Verwendung von phased arrays liegt darin, daß die Fokuszone des Ultraschalls durch geeignete Ansteuerung des phased arrays verlagert werden kann, ohne daß es der Verlagerung der Ultraschallquelle relativ zu dem zu behandelnden Objekt bedarf.

Um die Zahl der Ultraschallwandlerelemente des phased arrays, die nötig ist, um eine bestimmte Verlagerung der Fokuszone zu ermöglichen, zu verkleinern, ist in der EP-0 214 782 B1, die ein Therapiegerät der eingangs genannten Art betrifft, eine Vorfokussierung durch eine akustische Linse vorgesehen. Um Bauraum zu sparen, ist die akustische Linse als Fresnel-Linse ausgeführt. Die Fresnel-Linse dient zugleich als Träger für die Ultraschall-Wandlerelemente des phased arrays, die auf der von der Fokuszone abgewandten Rückseite der Fresnel-Linse angebracht sind. An ihrer Vorderseite ist die auch als akustische Anpaßschicht wirksame Fresnel-Linse mit einer weiteren akustischen Anpaßschicht versehen.

Zur Wärmeabfuhr ist die Fresnel-Linse im Bereich ihres äußeren Randes mit einem Kühlkanal versehen. Da der Kühlkanal nur im Bereich des Randes der Fresnel-Linse vorgesehen sein kann, ist die Kühlung wenig effektiv. Es kommt hinzu, daß mit der Realisierung einer einen Kühlkanal enthaltenden Fresnel-Linse ein ganz erheblicher Aufwand verbunden ist. Auch die Herstellung der auf der Fresnel-Linse angebrachten Anpaßschicht ist mit einem hohen Aufwand verbunden.

Ein Therapiegerät mit einer Ultraschallquelle und einer dieser vorgelagerten akustischen Linse ist auch aus der US 4 936 303 bekannt. Zur Kühlung der Ultraschallquelle befindet sich zwischen der Linse und der Ultraschallquelle eine an die der Linse zugewandten Seite der Ultraschallquelle angrenzende Ultraschall leitende Kühlflüssigkeit.

Außerdem ist aus der US 4 586 512 ein Therapiegerät zur Behandlung mit fokussiertem Ultraschall bekannt, bei dem eine als phased array ausgeführte Ultraschallquelle mittels einer angrenzenden Kühlflüssigkeit gekühlt wird. Eine akustische Linse ist nicht vorhanden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Therapiegerät der eingangs genannten Art so auszubilden, daß auf einfache Weise eine effektive Kühlung der Ultraschallquelle und eine gute Impedanzanpassung der Ultraschallquelle gewährleistet ist.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Ultraschallquelle eine separat von der Linse angeordnete Grundplatte aufweist, auf deren von der Linse abgewandten Seite die Ultraschallwandlerelemente angebracht sind, wobei die Grundplatte aus einem Material guter Wärmeleitfähigkeit besteht, wobei sich zwischen der Linse und der Ultraschallquelle eine an die der Linse zugewandten Seite der Grundplatte angrenzende Ultraschallwellen leitende Kühlflüssigkeit befindet, wobei die Grundplatte wenigstens im Bereich der Ultraschallwandlerelemente eine Dicke aufweist, die gleich einem ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge des Ultraschalls in dem Material der Grundplatte ist, und im Bereich der Ultraschallwandlerelemente eine akustische Impedanz aufweist, die in der Größenordnung von 10&sup7; kg/(m²s) liegt. Da eine von der Linse getrennte Grundplatte für die Ultraschallwandlerelemente des phased arrays vorgesehen ist, an deren von der Linse abgewandten Seite die Ultraschallwandlerelemente abgebracht sind, und da an die andere Seite der gut wärmeleitenden Grundplatte eine Kühlflüssigkeit angrenzt, ist auch ohne Kühlkanal eine gute Kühlung der Ultraschallquelle gewährleistet. Infolge des Umstandes, daß die Grundplatte im Bereich der Ultraschallwandlerelemente eine Dicke aufweist, die gleich einem ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge der Ultraschallwellen in dem Material der Grundplatte ist, wirkt diese als Resonanz-Anpaßschicht und gewährleistet somit eine optimale Schallimpedanzanpassung vom Werkstoff der Ultraschallwandlerelemente an die Kühlflüssigkeit, durch die der erzeugte Ultraschall zu der Linse gelangt. Es ist also keine zweite Anpaßschicht erforderlich, die übrigens auch im Hinblick auf die Kühlung der Ultraschallquelle unerwünscht ist, da sie eine Wärmeisolation darstellt.

Für Fälle, in denen eine besonders gute Kühlwirkung erforderlich ist, ist gemäß einer Variante der Erfindung vorgesehen, daß der zwischen der Linse und der Grundplatte befindliche Raum von Kühlflüssigkeit durchströmt ist, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einem Kreislauf durch ein Kühlaggregat strömen kann, wodurch eine nochmals verbesserte Kühlwirkung erreicht wird.

Wenn die Ultraschallquelle periodischen Ultraschall erzeugt, ist die akustische Linse gemäß einer Variante der Erfindung im Interesse eines geringen Bauraumbedarfs und geringer Dämpfungsverluste als Fresnel-Linse ausgeführt. Als Fresnel-Linse soll eine in mehrere Zonen unterteilte Linse verstanden werden, bei der zwischen aus benachbarten Linsenzonen austretenden Schallwellen eine Phasenverschiebung vorliegt, die gleich einem Ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge der Schallwellen in demjenigen Medium ist, in das die Schallwellen aus der Fresnel-Linse eintreten.

Wenn das phased array gemäß einer Variante der Erfindung als annular array mit ringförmigen Ultraschallwandlerelementen ausgeführt ist, besteht die Möglichkeit, die Fokuszone des Ultraschalls durch geeignete Ansteuerung des phased arrays längs der Mittelachse der Ultraschallquelle zu verlagern.

Wenn die ringförmigen Ultraschallwandlerelemente zu den ringförmigen Zonen der Fresnel-Linse deckungsgleich angeordnet sind, ergibt sich der Vorteil, daß Fehler bezüglich der Fresnel-Übergänge, z. B. infolge Fertigungsungenauigkeiten, elektronisch korrigiert werden können. Wenn die ringförmigen Ultraschallwandlerelemente jeweils die gleiche Fläche haben, ergibt sich der Vorteil, daß die Lastimpedanz der Ultraschallwandlerelemente konstant bleibt und die Kanäle der elektronischen Ansteuereinrichtung des phased array für die einzelnen Ultraschallwandlerelemente gleichartig aufgebaut werden können.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das phased array als 2D-array ausgeführt. Dies bietet den Vorteil, daß die Fokuszone räumlich verlagert werden kann. Wenn bevorzugt Gebiete behandelt werden sollen, die in unterschiedlichen Richtungen quer zur Mittelachse des 2D-arrays gemessen unterschiedliche Dicken aufweisen, kann es gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zweckmäßig sein, wenn in entsprechender Weise bei dem 2D-array in unterschiedlichen Richtungen quer zur Mittelachse des 2D-arrays gemessen die Zahl der Ultraschallwandlerelemente pro Längeneinheit unterschiedlich groß ist.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß das phased array als linear array ausgeführt und um seine Längsachse bzw. eine wenigstens im wesentlichen parallel zu dieser verlaufende Achse schwenkbar und/oder wenigstens im wesentlichen quer zur Richtung seiner Längsachse verstellbar ist. Ein solcher Aufbau des Therapiegerätes ist vor allem dann von Vorteil, wenn bevorzugt längliche Gebiete behandelt werden sollen oder endoluminale Zugangswege benutzt werden.

Um die Fokuszone des Ultraschalls über die infolge der Ausbildung der Ultraschallquelle als phased array mögliche Verlagerung hinaus weiter verlagern zu können, ist gemäß einer Variante der Erfindung vorgesehen, daß die Ultraschallquelle und die Linse gemeinsam kardanisch schwenkbar aufgehängt sind.

Eine Variante der Erfindung sieht vor, daß das Therapiegerät eine Ultraschall-Ortungseinrichtung enthält. Obwohl grundsätzlich die Möglichkeit besteht, die Ultraschallquelle selbst auch zu Ortungszwecken zu verwenden, ist es im Interesse einer guten Bildqualität zweckmäßig, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung einen besonderen diagnostischen Ultraschallwandler vorzusehen. Dieser erstreckt sich vorzugsweise durch eine in der Linse und der Ultraschallquelle vorgesehene Öffnung und ist derart ausrichtbar, daß der die Fokuszone des Ultraschalls enthaltende Körperbereich in einem Ultraschallbild abbildbar ist. Wenn auch eine Fokussierung des von dem diagnostischen Ultraschallwandler ausgehenden Ultraschalls erwünscht ist, erstreckt sich die Öffnung nicht durch die Linse. Falls der diagnostische Ultraschallwandler auf die Ultraschallquelle aufgesetzt ist, ist eine Öffnung in der Ultraschallquelle nicht erforderlich.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß die Ultraschallquelle und die Linse einen röntgentransparenten Bereich aufweisen. Es besteht dann die Möglichkeit, mittels einer Röntgen-Ortungseinrichtung durch den röntgentransparenten Bereich von Ultraschallquelle und Linse hindurch einen zu behandelnden Bereich zu orten.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß sich durch die Ultraschallquelle und unter Umständen auch durch die Linse eine Öffnung erstreckt, in die wahlweise der diagnostische Ultraschallwandler oder ein röntgentransparenter Tubus einführbar ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Therapiegerät im Längsschnitt,

Fig. 2 die Ansicht eines Details des Gerätes gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch die Ultraschallquelle und die Linse einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Therapiegerätes,

Fig. 4 die Ansicht eines Details des Gerätes gemäß Fig. 3,

Fig. 5 bis 8 zwei weitere Varianten erfindungsgemäßer Therapiegeräte in zu den Fig. 3 und 4 analoger Darstellung,

Fig. 9 einen Schnitt durch die Fokuszone des Therapiegerätes nach den Fig. 7 und 8 gemäß Linie IX-IX in Fig. 8, und

Fig. 10 und 11 weitere Varianten erfindungsgemäßer Therapiegeräte im teilweisen Längsschnitt.

Das Therapiegerät gemäß den Fig. 1 und 2 enthält eine insgesamt mit 1 bezeichnete therapeutische Ultraschallquelle. Diese enthält sechs kreisringförmige Ultraschallwandlerelemente 21 bis 2&sub6;, die auf der einen Seite eines eine Grundplatte bildenden Trägers 3 befestigt sind. Der Träger 3 besteht aus einem Leichtmetall, beispielsweise Aluminium oder Magnesium.

Auch der Träger 3 ist von im wesentlichen kreisringförmiger Gestalt und weist sowohl an seinem inneren als auch an seinem äußeren Umfangsrand einen Flansch 4 bzw. 5 auf. Zwischen diese ist eine als Fresnel-Linse ausgeführte akustische Linse, und zwar eine Sammellinse 6 eingesetzt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nur bezüglich der äußersten ringförmigen Linsenzone der Fresnel-Linse in Fig. 1 die umlaufenden Kanten dargestellt.

Die Ultraschallquelle 1 ist in einem topfförmigen Gehäuse 7 aufgenommen, das an seinem Applikationsende durch eine Ankoppelmembran 8 verschlossen ist. Das Gehäuse 7 ist mit einer als akustisches Ausbreitungsmedium für den Ultraschall geeigneten Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, gefüllt. Die entsprechende Schraffur ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingetragen. Mittels der Ankoppelmembran 8 wird das Therapiegerät in der in Fig. 1 veranschaulichten Weise an die Körperoberfläche eines zu behandelnden Patienten P angepreßt, um eine gute akustische Koppelung zur Einleitung des von der Ultraschallquelle 1 ausgehenden Ultraschalls in den Körper des Patienten P zu gewährleisten. Auch der zwischen der Sammellinse 6 und dem Träger 3 befindliche Raum ist mit dem akustischen Ausbreitungsmedium gefüllt. Hierdurch ist eine gute Kühlung des Trägers 3 gewährleistet, der einen Teil der beim Betrieb der Ultraschallquelle 1 anfallenden Verlustwärme aufnimmt und an das akustische Ausbreitungsmedium, das also zugleich als Kühlmedium wirkt, abgibt.

Die kreisringförmigen Ultraschall-Wandlerelemente 2&sub1; bis 2&sub6; bilden ein als annular array 2 ausgeführtes phased array. Dieses ist über ein mehradriges, insgesamt mit 9 bezeichnetes Kabel mit einer nicht dargestellten, herkömmlichen Ansteuereinrichtung verbunden.

Werden die Ultraschall-Wandlerelemente 2&sub1; bis 2&sub6; des phased array konphas angesteuert, d. h., ohne daß Phasenverschiebungen zwischen den den einzelnen Ultraschall-Wandlerelementen 2&sub1; bis 2&sub6; zugeführten Ansteuersignalen vorliegen, ist der abgestrahlte Ultraschall auf eine in Fig. 1 mit F&sub0; bezeichnete Fokuszone fokussiert, die auf der Mittelachse M der Ultraschallquelle 1 liegt. Durch in geeignete Weise phasenversetzte Ansteuerung der Ultraschall-Wandlerelemente 2&sub1; bis 2&sub6; läßt sich die Fokuszone längs der Mittelachse M zwischen den beiden Extrempositionen F&sub1; und F&sub2; verschieben.

Die Dicke der Ultraschallwandlerelemente ist in an sich bekannter Weise derart bemessen, daß bei der Frequenz, mit der die Ansteuereinrichtung die Ultraschallquelle 1 ansteuert, Resonanz vorliegt. Die Ansteuerung erfolgt übrigens derart, daß entweder Dauerschall einer konstanten Frequenz oder Ultraschallpulse erzeugt werden, deren Länge im Hinblick darauf, daß als Sammellinse 6 eine Fresnel-Linse vorgesehen ist, jeweils mehrere Perioden des Signals konstanter Frequenz umfaßt. Die konstante Frequenz ist unter Berücksichtigung der Frequenz, für die die Fresnel-Linse ausgelegt ist gewählt.

Um die Fokuszone innerhalb eines in Fig. 1 strichliert angedeuteten, zur Mittelachse M rotationssymmetrischen Bereiches mit kegliger Mantelfläche und zwei konzentrischen, sphärischen Stirnflächen verschieben zu können, ist die Ultraschallquelle 1 gemeinsam mit der Sammellinse 6 kardanisch schwenkbar in dem Gehäuse 7 aufgehängt. Dazu ist der Träger 3 um eine erste in der Zeichenebene der Fig. 1 liegende Achse A&sub1; schwenkbar mit einem Ring 10 verbunden, der seinerseits um eine rechtwinklig zur Zeichenebene der Fig. 1 stehende Achse A&sub2; schwenkbar mit dem Gehäuse 7 verbunden ist.

Um die kardananische Verstellung motorisch vornehmen zu können, sind zwei Linearantriebe 11 und 12, es kann sich hierbei um elektrische, pneumatische oder hydraulische Linearmotore handeln, über Gelenkstangen 13 bzw. 14 mit dem Ring 10 bzw. dem Träger 3 verbunden. Die Linearantriebe 11, 12 sind in schematisch angedeuteter Weise über Leitungen 15, 16 mit einem in Fig. 1 nicht dargestellten Steuergerät verbunden.

Im Interesse einer verbesserten Kühlwirkung ist ein Kühlkreislauf für das akustische Ausbreitungsmedium vorgesehen. Dazu wird über eine erste Flüssigkeitsleitung 17 das akustische Ausbreitungsmedium mittels einer Pumpe 18 aus dem Gehäuse 7 durch ein Kühlaggregat 19 geleitet und über eine zweite flexible Flüssigkeitsleitung 20, die in den Zwischenraum zwischen dem Träger 3 und der Sammellinse 6 mündet, wieder in das Gehäuse zurückgeleitet. Aus dem zwischen dem Träger 3 und der Sammellinse 6 befindlichen Zwischenraum strömt das akustische Ausbreitungsmedium durch eine der Mündungsstelle der Flüssigkeitsleitung 20 diametral gegenüberliegende Öffnung 21 wieder aus.

Der Träger 3 weist im Bereich der Ultraschall-Wandlerelemente 2&sub1; bis 2&sub6; eine Dicke d auf, die gleich einem ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge des Ultraschalls in dem Material des Trägers 3 ist (z. B. Aluminium mit Schallgeschwindigkeit 6320 m/s oder Magnesium mit Schallgeschwindigkeit 5790 m/s). Da das Material des Trägers zumindest im Bereich der Ultraschall-Wandlerelemente 2&sub1; bis 2&sub6; eine Schallimpedanz in der Größenordnung von 10&sup7; kg/(m²s) aufweist (z. B. Aluminium mit akustischer Impedanz 17,1 · 10&sup6; kg/(m²s) oder Magnesium mit akustischer Impedanz 10,1 · 10&sup6; kg/(m²s)), wirkt der Träger 3 als Resonanz-Anpaßschicht, die eine optimale Schallimpedanzanpassung von dem piezoelektrischen Werkstoff der Ultraschall-Wandlerelemente 2&sub1; bis 2&sub6; (z. B. PZ 27 mit akustischer Impedanz 35 · 10&sup6; kg/(m²s)) an die als akustisches Ausbreitungsmedium vorgesehene Flüssigkeit (z. B. Wasser mit akustischer Impedanz 1,5 · 10&sup6; kg/(m²s)) gewährleistet.

In einem in den inneren Flansch 4 des Trägers 3 eingesetzten rohrförmigen Bauteil 22 ist ein zu einer Ultraschall-Ortungseinrichtung gehöriger Ultraschall-Applikator 23 eingesetzt, der einen diagnostischen Ultraschallwandler 24 enthält. Dabei ist die Anordnung derart getroffen, daß mittels des Ultraschall-Applikators Ultraschall-Schnittbilder einer die Mittelachse M enthaltenden Körperschicht des Patienten P erzeugbar sind.

Um zu verhindern, daß akustisches Ausbreitungsmedium aus dem Gehäuse 7 austritt, ist einerseits eine Dichtung 25 zwischen dem Ultraschall-Applikator 23 und dem rohrförmigen Bauteil 22 angeordnet; andererseits ist das freie Ende des rohrförmigen Bauteiles 22 über einen Faltenbalg 26 flüssigkeitsdicht mit dem inneren Rand des eine Öffnung aufweisenden Boden des Gehäuses 7 verbunden. Der Faltenbalg ist im Hinblick auf die kardanische Schwenkbarkeit der Ultraschallquelle 1 vorgesehen. Falls eine solche Schwenkbarkeit der Ultraschallquelle 1 nicht oder nur eingeschränkt gegeben ist, kann anstelle des Faltenbalges 26 eine Faltenbalgdichtung im Bereich des Kardanringes 10 vorgesehen sein. Dann wäre der vom Fokus abgewandte Teil des Gehäuses 7 flüssigkeitsfrei und das Gesamtgewicht kleiner.

Der in dem Ultraschall-Schnittbild dargestellte Bereich ist wenigstens so groß, daß der gesamte Bereich abgebildet wird, innerhalb dessen die Fokuszone des Ultraschalls verlagerbar ist. Für den Fall, daß es sich bei dem Ultraschall-Applikator im einen Sektorscanner handelt, ist in Fig. 1 der abbildbare Bereich strichpunktiert schematisch angedeutet.

Die Ultraschall-Ortungseinrichtung weist in an sich bekannter Weise Mittel auf, die in das jeweils erzeugte Ultraschallbild eine der momentanen Position der Fokuszone des Ultraschalls entsprechende Marke einblenden. Dazu sind in an sich bekannter Weise der Ultraschall-Ortungseinrichtung von der Ansteuereinrichtung für die Ultraschallquelle 1 ein der momentan eingestellten Position der Fokuszone entsprechendes Signal und von dem Steuergerät für die Linearantriebe 10, 11 Signale bezüglich der räumlichen Ausrichtung der Ultraschallquelle 1 zugeführt.

In nicht dargestellter, an sich bekannter Weise kann übrigens vorgesehen sein, daß der Ultraschall-Applikator um die Mittelachse M verdrehbar ist.

Zur Durchführung einer Behandlung wird so vorgegangen, daß zunächst mit Hilfe der Ultraschall-Ortungseinrichtung das Therapiegerät relativ zu dem Körper des Patienten so ausgerichtet wird, daß der zu behandelnde Bereich in dem Ultraschall-Schnittbild erscheint, dann wird durch Schwenken der Ultraschallquelle 1 und durch Verstellung der Position der Fokuszone auf der Mittelachse M der Ultraschallquelle die die Position der Fokuszone anzeigende Marke mit dem zu behandelnden Bereich zur Deckung gebracht. Im Anschluß hieran wird die Ultraschallquelle 1 in für den jeweiligen Therapiefall geeigneter Weise zur Abgabe von Ultraschall aktiviert.

Im Falle der Ultraschallquelle 1 gemäß den Fig. 1 und 2 nimmt die Breite der Ultraschall-Wandlerelemente 2&sub1; bis 2&sub6; von innen nach außen zu, und zwar derart, daß die Stirnflächen der Ultraschall-Wandlerelemente 2&sub1; bis 2&sub6; jeweils den gleichen Flächeninhalt aufweisen.

Dagegen weisen die Ultraschall-Wandlerelemente 27&sub1; bis 27&sub1;&sub9; im Falle der ebenfalls als annular array 27 ausgebildeten Ultraschallquelle 1 gemäß den Fig. 3 und 4 jeweils die gleiche Breite auf. Dabei ist die Breite der Ultraschall-Wandlerelemente 27&sub1; bis 27&sub1;&sub9; so gewählt, daß sie zu den ringförmigen Zonen der wieder als Fresnel-Linse ausgebildeten Sammellinse 6 deckungsgleich angeordnet sind.

Im Falle des Ausführungsbeispieles gemäß den Fig. 3 und 4 sind die ringförmigen Ultraschall-Wandlerelemente 27&sub1; bis 27&sub1;&sub9; derart segmentiert, daß sich jeweils 60° breite Segmente 271a bis 2719f ergeben. Die Fokuszone kann also, da infolge der Segmentierung ein 2D-array vorliegt, nicht nur wie im Falle des Ausführungsbeispieles gemäß den Fig. 1 und 2 entlang der Mittelachse M der Ultraschallquelle 1 verlagert werden. Vielmehr ist auch eine Verlagerung quer zur Mittelachse M möglich (siehe die beispielhaft in Fig. 3 zusätzlich eingetragenen Positionen F&sub3; und F&sub4;), und zwar innerhalb eines in Fig. 3 angedeuteten rotationselliptischen Bereiches. Es versteht sich, daß zur Verlagerung der Fokuszone quer zur Mittelachse M die jeweils zu einem Ultraschall-Wandlerelement 27&sub1; bis 27&sub1;&sub9;, es seien nur beispielhaft die in Fig. 4 mit Bezugszeichen versehenen Segmente 2719a bis 2719f genannt, durch zueinander phasenversetzte Ansteuersignale angesteuert werden müssen.

Auch die Ultraschallquelle 1 des Ausführungsbeispieles gemäß den Fig. 5 und 6 ist als 2D-array 28 ausgeführt. Sie enthält insgesamt 78 Ultraschall-Wandlerelemente 28&sub1; bis 28&sub7;&sub8;, die mosaikartig an dem Träger 3 angebracht sind. Da es sich bei den Ultraschall-Wandlerelementen 28&sub1; bis 28&sub7;&sub8; um flache Prismen mit dem Querschnitt eines gleichseitigen Dreieckes handelt, ist infolge der mosaikartigen Anordnung der Ultraschall-Wandlerelemente 28&sub1; bis 28&sub7;&sub8; die Fokuszone des Ultraschalls wie im Falle des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispieles innerhalb eines annähernd rotationselliptischen Bereiches verlagerbar (siehe die in Fig. 5 eingetragenen Positionen der Fokuszone F&sub0; bis F&sub4;).

Das 2D-arrays 29 des Ausführungsbeispiels gemäß den Fig. 7 bis 9 unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen dadurch, daß die Ultraschall-Wandlerelemente nochmals derart unterteilt sind, daß sie die Gestalt von flachen Prismen mit dem Querschnitt eines rechteckigen Dreieckes aufweisen, so daß Ultraschall-Wandlerelemente 291a bis 2978b vorhanden sind. Zusätzlich finden noch Ultraschallwandlerelemente 2979a bis 2980b auf dem Träger 3 Platz. Infolge der nochmaligen Unterteilung der Ultraschall-Wandlerelemente ist die Zahl der Ultraschall-Wandlerelemente pro Längeneinheit in unterschiedlichen Richtungen quer zur Mittelachse des 2D-arrays 29 gemessen unterschiedlich groß. Der Fokus kann dann in derjenigen Richtung, in der mehr Ultraschall-Wandlerelemente pro Längeneinheit vorhanden sind, quer zur Mittelachse M stärker verlagert werden. Dies wird anhand der Fig. 7 und 9 deutlich. Während sich nämlich für die in Fig. 7 dargestellte Ebene keine von der Ausführungsform gemäß Fig. 5 und 6 abweichenden Verhältnisse ergeben, sind im Falle der für die Fig. 9 maßgeblichen Ebene infolge der Unterteilung der Ultraschall- Wandlerelemente pro Längeneinheit mehr Ultraschall-Wandlerelemente vorhanden, so daß sich eine größere Verlagerbarkeit der Fokuszone quer zur Mittelachse M ergibt (siehe die Positionen der Fokuszone F&sub5; und F&sub6; in Fig. 9). Im Falle des Ausführungsbeispieles gemäß den Fig. 7 bis 9 ist also die Fokuszone innerhalb eines Bereiches verlagerbar, dessen Gestalt im wesentlichen der eines (nicht rotationssymmetrischen) Ellipsoids mit drei unterschiedlich langen Hauptachsen entspricht.

Infolge der ringförmigen Gestalt des Trägers 3 und der Sammellinse 6 weist die Ultraschallquelle 1 des erfindungsgemäßen Therapiegerätes eine Öffnung 30 auf, die einen röntgentransparenten Bereich bildet, in den in der in Fig. 10 veranschaulichten Weise anstelle des diagnostischen Ultraschall- Applikators 23 ein röntgentransparenter Tubus 31 eingeführt werden kann, so daß die Möglichkeit besteht, einen zu behandelnden Bereich mittels einer Röntgendiagnostikeinrichtung, deren Strahlengang durch den röntgentransparenten Bereich verläuft zu orten. Von der Röntgendiagnostikeinrichtung ist in der Fig. 10 nur die Röntgenröhre 32 schematisch angedeutet, es versteht sich, daß auch ein in Fig. 10 nicht dargestellter Strahlenempfänger, beispielsweise ein Röntgenbildverstärker, vorhanden sein muß.

Gemäß Fig. 11 besteht auch die Möglichkeit, in die Öffnung anstelle des Ultraschall-Applikators 23 bzw. des Tubus 31 einen MR-Marker 33 einzuführen. Bei dem MR-Marker 33 handelt es sich um einen an einem Tubus 34 angebrachten Kunststoff- Zylinder oder -Kegel mit zentraler Bohrung. Es ist also möglich, bei Verwendung des erfindungsgemäßen Therapiegerätes mit einem MR-Gerät die örtliche Lage von Therapiegerät und zugehörigem Therapiefokus in bezug auf das Diagnostikbild des MR-Gerätes eindeutig zu ermitteln. Der Kunststoff ergibt nur geringen MR-Kontrast im Vergleich zur Flüssigkeit in der Bohrung und um das Kunststoffteil. Die Bohrung markiert die Mittenachse der Ultraschallquelle 1. Für die Materialien des Therapiegerätes werden MR-verträgliche Werkstoffe verwendet, falls es zur Verwendung mit einem MR-Gerät vorgesehen ist.

Im Falle aller beschriebener Ausführungsbeispiele ist als akustische Linse eine Fresnel-Linse vorgesehen. An deren Stelle kann aber auch eine herkömmliche akustische Linse verwendet werden.

Die Ultraschallquellen aller beschriebenen Ausführungsbeispiele weisen eine zentrale Öffnung auf, in die teilweise ein diagnostischer Ultraschall-Applikator, ein röntgentransparenter Tubus oder ein MR-Marker eingeführt werden kann. Die Ultraschallquelle kann im Rahmen der Erfindung jedoch auch ohne zentrale Öffnung ausgeführt werden. Dabei kann dennoch ein röntgentransparenter Bereich vorhanden sein, sofern die Ultraschallquelle wenigstens in dem relevanten Bereich, sei es durch entsprechend geringe Dicke der hier vorhandenen Bauteile oder entsprechende Materialwahl, die erforderliche Transparenz aufweist.

Im Falle derjenigen Ausführungsbeispiele, die eine als 2D-array ausgeführte Ultraschallquelle enthalten, ist eine kardanische Aufhängung der Ultraschallquelle nicht erforderlich, da auch ohne diese Maßnahme die Fokuszone räumlich verlagerbar ist. Sollte jedoch die durch die Ausbildung der Ultraschallquelle als 2D-array gegebene Verlagerbarkeit der Fokuszone nicht ausreichen, so besteht auch bei solchen Ultraschallquellen die Möglichkeit der kardanischen Aufhängung.

Es können übrigens auch Maßnahmen getroffen werden, die es gestatten, in dem zwischen der Sammellinse 6 und dem Träger 3 befindlichen Raum eine andere Flüssigkeit als die ansonsten im Gehäuse 7 vorhandene Flüssigkeit vorzusehen. Wenn die beiden Flüssigkeiten sich in ihren maßgeblichen akustischen Eigenschaften unterscheiden, muß dies allerdings bei der Auslegung der Sammellinse 6 berücksichtigt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Therapiegerät zur Behandlung mit fokussiertem Ultraschall, aufweisend eine als phased array ausgeführte gekühlte Ultraschallquelle (1) und eine dieser vorgelagerte akustische Linse (6), dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallquelle (1) eine separat von der Linse (6) angeordnete Grundplatte (3) aufweist, auf deren von der Linse (6) abgewandten Seite die Ultraschallwandlerelemente (2&sub1; bis 2&sub6;, 27&sub1; bis 27&sub1;&sub9;, 271a bis 2719f, 28&sub1; bis 28&sub7;&sub8;, 291a bis 2980b) des phased arrays angebracht sind, wobei die Grundplatte (3) aus einem Material guter Wärmeleitfähigkeit besteht, wobei sich zwischen der Linse (6) und der Ultraschallquelle (1) eine an die der Linse (6) zugewandten Seite der Grundplatte (3) angrenzende, Ultraschall leitende Kühlflüssigkeit befindet, wobei die Grundplatte (3) wenigstens im Bereich der Ultraschallwandlerelemente (2&sub1; bis 2&sub6;, 27&sub1; bis 27&sub1;&sub9;, 271a bis 2719f, 28&sub1; bis 28&sub7;&sub8;, 291a bis 2980b) eine Dicke, die gleich einem ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge des Ultraschalls in dem Material der Grundplatte (3) ist, und eine akustische Impedanz aufweist, die in der Größenordnung von 10&sup7; kg/(m²s) liegt.
  2. 2. Therapiegerät nach Anspruch 1, bei dem der zwischen der Linse (6) und der Grundplatte (3) befindliche Raum von Kühlflüssigkeit durchströmt ist.
  3. 3. Therapiegerät nach Anspruch 2, bei dem die Kühlflüssigkeit in einem Kreislauf durch ein Kühlaggregat (19) strömt.
  4. 4. Therapiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dessen Ultraschallquelle (1) periodischen Ultraschall erzeugt und dessen akustische Linse (6) als Fresnel-Linse ausgeführt ist.
  5. 5. Therapiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dessen phased array als annular array (2, 27) mit ringförmigen Ultraschallwandlerelementen (2&sub1; bis 2&sub6;, 27&sub1; bis 27&sub1;&sub9;, 271a bis 2719f) ausgeführt ist.
  6. 6. Therapiegerät nach Anspruch 4 und 5, bei dem die ringförmigen Ultraschallwandlerelemente (27&sub1; bis 27&sub1;&sub9;, 271a bis 2719f) zu den ringförmigen Zonen der Fresnel-Linse deckungsgleich angeordnet sind.
  7. 7. Therapiegerät nach Anspruch 5, bei dem die ringförmigen Ultraschallwandlerelemente (2&sub1; bis 2&sub6;) jeweils die gleiche Fläche haben.
  8. 8. Therapiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dessen phased array als 2D-array (zweidimensionales array) (27, 28, 29) ausgeführt ist.
  9. 9. Therapiegerät nach Anspruch 8, bei dessen 2D-array (29) die Zahl der Ultraschallwandlerelemente (291a bis 2978b) pro Längeneinheit in unterschiedlichen Richtungen quer zur Mittelachse des 2D-arrays gemessen unterschiedlich groß ist.
  10. 10. Therapiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dessen phased array als linear array ausgeführt und um seine Längsachse bzw. eine wenigstens im wesentlichen parallel zu dieser verlaufende Achse schwenkbar und/oder wenigstens im wesentlichen quer zur Richtung seiner Längsachse verstellbar ist.
  11. 11. Therapiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dessen Ultraschallquelle (1) und Linse (6) gemeinsam kardanisch schwenkbar aufgehängt sind.
  12. 12. Therapiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, welches eine Ultraschall-Ortungseinrichtung (23) enthält.
  13. 13. Therapiegerät nach Anspruch 12, dessen Ultraschall-Ortungseinrichtung einen diagnostischen Ultraschallwandler (24) enthält.
  14. 14. Therapiegerät nach Anspruch 13, dessen diagnostischer Ultraschallwandler (24) sich durch eine in der Linse (6) und/oder der Ultraschallquelle (1) vorgesehene Öffnung erstreckt.
  15. 15. Therapiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dessen Ultraschallquelle (1) und Linse (6) einen röntgentransparenten Bereich aufweisen.
  16. 16. Therapiegerät nach Anspruch 13 und 15, durch dessen Ultraschallquelle (1) sich eine Öffnung erstreckt, in die wahlweise der diagnostische Ultraschallwandler (24) oder ein röntgentransparenter Tubus (30) einführbar ist.
  17. 17. Therapiegerät nach Anspruch 16, dessen Öffnung sich auch durch die Linse (6) erstreckt.






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