Fokussierender Ultraschallwandler

Beschreibung

[0001] Die Erfindung geht aus von einem fokussierenden Wandler zur Erzeugung von Ultraschallimpulsen für die Zerstörung von körperinneren Objekten, wie wenigstens von Konkrementen, bestehend aus einer Kugelkalotte als Träger für auf der konkaven Kalottenfläche mosaikartig angeordnete, piezoelektrische Wandlerelemente, die mittels eines Steuergerätes zum Schwingen anregbar sind, wobei der Wandler mit seinem auf der Wandlerachse liegenden Fokus auf das jeweilige Objekt ausrichtbar ist und die erzeugten Ultraschallimpulse über ein Koppelmedium auf den Körper des Patienten übertragbar sind und wobei die konkave Fläche der Kugelkalotte in mehrere, auf den Wandlerfokus ausgerichtete Kalottenzonen unterteilt ist, denen jeweils eine ausgewählte Anzahl von Wandlerelementen zugeordnet ist.

[0002] Ein derartiger Wandler ist in der DE-A-31 19 295 beschrieben. Seine kalottenförmige oder planare Abstrahlfläche ist in ringförmige bzw. matrixartige Wandlerzonen mit entsprechenden Wandlerelementen für die Ultraschallwellen aufgeteilt, um den Wandlerbrennpunkt variabel einstellen zu können. Das kennzeichnende Merkmal dieses fokussierenden Ultraschallwandlers besteht darin, daß er als Direktbeschaller und so großflächig ausgebildet ist, daß die Schalleistungsdichte auf dem Transmissionsweg so klein ist, daß Gewebeschäden vermieden werden, im akustischen Fokus aber so groß ist, daß sie zur Zerstörung des im Fokus befindlichen Konkrementes ausreicht.

[0003] Ein weiterer Wandler mit kalottenförmiger Abstrahlfläche ist in der älteren, nicht vorveröffentlichten EP-A-0 307 300 beschrieben. Er umfaßt ebenfalls mehrere ringförmige, konzentrisch angeordnete Zonen in der Abstrahlfläche, wobei jede Zone mit mehreren Gruppen von Wandlerelementen bestückt ist, die so angesteuert werden, daß im Fokus des Wandlers eine ausreichende Energiedichte für die Objektzerstörung zur Verfügung steht.

[0004] Einen noch weiteren fokussierenden Ultraschallwandler für die Ultraschalluntersuchung in der diagnostischen Medizin zeigt die DE A 27 12 341. Er besteht aus piezoelektrischem Material, bei welchem der Wandlerkörper konkav gekrümmt ist, um auf diese Weise eine akustische Fokussierung der Schallwellen in einem festen Brennpunkt zu erreichen, der durch die Krümmung des Wandlers gegeben ist. An der Außenfläche des Wandlerkörpers sind um eine Mittelelektrode konzentrisch angelegte Ringelelektroden angeordnet, die einer sich über die gesamte aktive Fläche erstreckenden Elektrode gegenüberstehen. Durch Ansteuern der Ringelelektroden unter variabler Verzögerung läßt sich die Lage des Brennpunktes auf der Achse des Wandlers im Sinne einer Verkürzung oder Verlängerung der durch den geometrischen Aufbau vorgegebenen akustischen Brennweite variieren, und zwar bis nach unendlich hin.

[0005] In der Natur der Impulsformung mittels der beschriebenen Wandler liegt es nun, daß einem positiven Druckimpuls meist ein mehr oder weniger großer negativer Impuls folgt. Dabei können in der Unterdruckphase Kavitationserscheinungen auftreten, die sich, sofern dies unmnittelbar im Bereich des zu zerstörenden Konkremtentes geschieht, in Form einer beschleunigten Zerstörung positiv auswirken können. Wird aber bei einer an sich nur gewünschten Steinzertrümmerung die für das benachbarte Gewebe akzeptable Kavitationsschwelle im vorgelagerten Gewebe überschritten, so kann das zu unerwünschten Gewebezerstörungen und Blutungen insbesondere dann führen, wenn der Brennpunkt des Wandlers nicht exakt auf das Konkrement ausgerichtet ist.

[0006] Es ist daher auch schon, wie beispielsweise aus der DE-A-34 25 992 ersichtlich ist, bei der Lithrotripsie das Ziel verfolgt worden, das Auftreten von Unterdruckimpulsen zu vermeiden oder zumindest so weit zu reduzieren, daß Kavitationserscheinungen ausgeschlossen werden können. Die hierbei getroffenen Maßnahmen beziehen sich auf einen speziellen mechanischen Aufbau des Wandlers, wobei darauf abgezielt wird, daß der Wellenwiderstand des die Trägerkalotte für die Wandlerelemente bildenden Werkstoffes mit dem der Wandlerelemente weitgehend übereinstimmend und daß die rückwärtige Kalottenoberfläche keine fokussierende Wirkung hat. Aufgrund der dadurch gegebenen Reflexionsfreiheit können die Deformationen der Wandlerelemente der elektrisch vorgegebenen Impulsform folgen. Solche Maßnahmen machen einen so konzipierten Wandler für die Zerstörung von Konkrementen besonders geeignet, sie können aber nicht für eine gezielte Zerstörung von Gewebezellen, beispielsweise in der Krebs- Therapie, zur Anwendung kommen.

[0007] Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Ultraschallwandlers, welcher sowohl für die Zerstörung von Konkrementen als auch von Gewebezellen geeignet ist und der es ermöglicht, daß die Schallimpulse nahezu beliebig bezug auf ihre Amplitude, Phasenlage, Polarität, Form und Dauer erzeugt werden können.

[0008] Diese Aufgabe wird durch die kennzeichenmerkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

[0009] Dabei können die Kalottenzonen in Form konzentrischer Kalottenringsegmente um die Wandlerachse verlaufen oder die Form von Kalottensektoren bilden, sie können aber auch eine Form aufweisen, die durch eine Kombination der vorgenannten Kalottenzonenformen gekennzeichnet ist.

[0010] Damit ist die Möglichkeit gegeben, jede Kalottenzone des Wandlers einzeln oder in Gruppen frei wählbar anzusteuern, und zwar seriell und/oder parallel und auch negativ sowie positiv nach Phase und Amplitude. Darüberhinaus kann durch entsprechende Beschaltung der Wandlerelemente der Kalottenzonen die Form der erzeugten Schallkeule beeinflußt werden, so daß sie beispielsweise einen ovalen oder ellipsenförmigen Querschnitt aufweisen kann, wenn beispielsweise einige am Rande der Wandlerfläche befindliche Kalottenzonen nicht angesteuert werden. Das hat unter anderem den Vorteil, daß man die Schallkeule den anatomischen Gegebenheiten anpassen kann, was für den Fall wichtig ist, wenn die Rippen des Patienten das Schallfenster zu einem in der Niere befindlichen Konkrement einengen sollten.

[0011] Durch serielle Ansteuerung von Kalottenzonen und durch Überlagerung der von diesen im Fokusbereich erzeugten Schallimpulse können weiterhin die Amplitude und/oder die Dauer und/oder die Polarität des insgesamt im Wandlerfokus wirksamen Schallimpulses eingestellt werden.

[0012] Ein gezielter Einsatz des erfindungsgemäßen Wandlers als Gerät zur Zerstörung von Konkrementen ist durch eine spezielle Beschaltung und Ansteuerung von Wandlerelementen in der Weise möglich, daß die an der aktiven Wandlerfläche durch jeweiliges Rückschwingen der jeweils angesteuerten Kalottenzonen entstehenden negativen Halbwellen der Schallimpulse durch eine gegenphasige Ansteuerung anderer Wandlerelemente kompensierbar sind, das heißt, daß sich im Brennpunkt im wesentlichen nur ein positiver Druckstoß ausbilden wird.

[0013] Ebenso ist der Einsatz des Wandlers speziell als Gerät zur Zerstörung von Gewebeteilen dadurch möglich, daß die an der aktiven Fläche der jeweils betriebenen Wandlerelemente durch jeweiliges Vorschwingen entstehenden positiven Halbwellen der Schallimpulse durch eine gegenphasige Ansteuerung von anderen Wandlerelementen bzw- Kalottenzonen im Brennpunkt kompensiert werden können. Schließlich ist auch die Möglichkeit gegeben, die Amplituden von positiven und negativen Halbwellen der Schallimpulse dadurch zu erhöhen und einzustellen, daß eine gleichphasige Ansteuerung mehrerer oder aller Kalottenzonen erfolgt.

[0014] Die variable Beschaltung und Ansteuerung der Kalottenzonen gestattet es also, zum Beispiel nur einen Teil der Zonen zur Erzeugung des Schallimpulses zu benutzen und die restlichen Zonen für eine Gegensteuerung und Aufhebung unerwünschter Impulsanteile zu verwenden. Wie auch schon gesagt wurde, können alle Kalottenzonen parallel aktiviert und entsprechend den Erfordernissen zeitweise mit verschiedenen Pulsformen angesteuert werden, wobei eine besondere Ausführungsform darin bestehen kann, daß nicht nur Einzelimpulse erzeugt werden, sondern auch beispielsweise eine gedämpfte Schwingung, die dem Einschwingverhalten des Wandlers angepaßt ist. Schließlich können auch die im Bereich der Randzonen des Wandlers angeordneten Kalottenzonen mit geringerer oder höherer Amplitude angesteuert werden als die anderen Kalottenzonen, um so zu einer Schallimpulsform von spezieller Wirksamkeit zu kommen.

[0015] Der erfindungsgemäße Wandler ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1

einen Wandler schematisch im Teilschnitt und in axonometrischer Darstellung,

Figur 2

die Ansteuerschaltung für den Wandler nach Figur 1 als Blockschaltbild und

Figur 3

das Schalbild eines Multiplexers in vereinfachter Darstellung.

[0016] Gemäß Figur 1 befindet sich unterhalb einer den Patienten P aufnehmenden Liegefläche 1 ein piezoelektrischer Ultraschallwandler 2 in Form einer Kugelkalotte 3. Die Wandlerachse ist mit A bezeichnet, auf der auch der Brennpunkt F des Wandlers liegt. Die Abstrahlflächen der Wandlerelemente sind fest auf diesen Brennpunkt ausgerichtet.

[0017] Die konkave Fläche 4 des Wandlers 2 bzw. der Kugelkalotte 3 ist gegen eine in der Liegefläche 1 angeordnete Öffnung 5 gerichtet. Diese ist von einer Dichtmanschette 6 umgeben, die sich an den Körper des Patienten anpaßt und für einen dichten Verschluß der Öffnung 5 gegenüber der für die Behandlung vorgesehenen Körperpartie des Patienten sorgt.

[0018] Die Kugelkalotte 3 ist von einem Faltenbalg 7 umgeben, der unter Anschluß an die Unterseite der Liegefläche 1 im Bereich der Umgebung der Öffnung 5 einen Behälter 8 zusammen mit der Fläche 4 der Kugelkalotte 3 als Boden bildet. Die Elastizität des Faltenbalges 7 ermöglicht eine Verstellung der Kugelkalotte 3 in drei Ebenen, was in bekannter Weise mittels eines nicht gezeigten Koordinaten-Verstelltisches geschehen kann. Zur Ankopplung der von der Kugelkalotte 3 ausgehenden Stoßwellen an den Patienten wird der Behälter 8 mit entgastem und auf Körpertemperatur erwärmten Wasser gefüllt.

[0019] Die konkave Fläche 4 der Kugelkalotte 3 ist mit piezoelektrischen Wandlerelementen bestückt. Deren Anordnung ist so getroffen, daß sich beispielsweise eine Struktur von konzentrisch angelegten Kalottenringsegmenten 10 und 11 ergibt, die um zentrale Kalottensektoren 9 herum angeordnet sind, wobei die gesamte Fläche 4 durch konzentrisch und radial verlaufende Trennfugen in einzelne, elektrisch und mechanisch isolierte Ringsegmente 10.1 bis 10.5 und 11.1 bis 11.5 bzw. Kalottensektoren 9.1 bis 9.5 aufgeteilt ist.

[0020] Die aktiven Flächen der Kalottenringsegmente 10, 11 und der Kalottensektoren 9 sind elektrisch mit einer Ansteuerschaltung gemäß Figur 2 verbunden, in der die Ringsegmente 10 und 11 und die Kalottensektoren 9 vereinfacht in Form von Blocksymbolen dargestellt sind. Das den Ultraschallwandler 2 aktivierende elektrische Spannungspotential liegt zwischen diesen Anschlüssen und einer gemeinsamen Flächenelektrode an der Rückseite der Wandlerelemente. Dabei erfolgt die Auswahl der zu aktivierenden Wandlerelemente bzw. Kalottenzonen, die Vorwahl der jeweiligen Pulsintensität und -polarität sowie ihr zeitlicher Einsatz mit jeweils einem Multiplexer 12 für eine positive Pulsformung und einem Multiplexer 13 für eine negative Pulsformung. Die unterschiedliche Polarität wird dabei durch entsprechende Impulsgeneratoren 14 und 15 besorgt.

[0021] Der Aufbau der Multiplexer 12 und 13 ist der Figur 3 zu entnehmen, welche der besseren Übersicht halber lediglich Einblick in die Schaltkreise für die Aktivierung der Ringsegmente 11 gibt. Jeder Schaltkreis weist danach einen Wahlschalter 16, einen regelbaren Verstärker 17 für die Einstellung der jeweiligen Amplitude des Pulses und ein Zeitglied 18 für die Einstellung des Zeitpunktes der Aktivierung auf, so daß jedes Ringsegment 11.1 bis 11.5 individuell oder gemeinsam mit anderen angesteuert werden kann.

[0022] So können zum Beispiel einige Wandlerelemente bzw. Kalottenzonen zu nächst mit einem positiven Impuls angesteuert und dann mit einem negativen Impuls andere Kalottenzonen unter Berücksichtigung des Einschwingverhaltens der Wandlerelemente zum Ge gensteuern angesteuert werden, so daß im Fokus F nur ein positiver Druckstoß auftreten wird. Es können auch alle Wandlerelemente parallel geschaltet und mit verschiedenen Pulsformen angesteuert werden, wobei es auch möglich ist, die Pulsgeneratoren 14 und 15 so einzustellen, daß statt eines Einzelimpulses zum Beispiel eine gedämpfte Schwingung erzeugt werden kann, die dem Schwingverhalten des Wandlers angepaßt ist.

[0023] Man kann natürlich auch die Ringsegmente 10, 11 mit geringerer Amplitude ansteuern als die Kalottensektoren 9. Schließlich ist es auch möglich, den Ultraschallwandler 2 zur Abgabe einer gedämpften Schwingung immer mit dem Impuls anzusteuern, den der Wandler gerade machen will, womit sich die Amplitude dieses Pulses erhöhen läßt. Man erhält dabei zwar keinen Einzelimpuls, sondern eine Pulsfolge, bei der aber der negative oder positive Teil jeweils gegenüber dem anderen erhöht werden kann. Eine solche Pulsfolge könnte insbesondere bei der Zerstörung von Gewebe von Nutzen sein.

[0024] Die einzelnen Kalottenzonen 9, 10 und 11 des Wandlers 2 können zwar als monolithische piezoelektrische Schwinger ausgebildet sein, dies wird aber im allgemeinen zu einer Einschränkung der verfügbaren Schalleistung führen. Falls höhere Leistungen gefordert sind, wird man deshalb den Wandler und damit auch die Kalottenzonen aus mosaikartig zusammengesetzen Wandlerelemente aufbauen. Außerdem können auch alle Kalottenzonen insgesamt aus Ringsegmenten oder Kalottensektoren bestehen. Schließlich sind auch sonstige Aufteilungen der gesamten aktiven Fläche 4 des Wandlers 2 in Zonen von anderer Konfiguration möglich.

Ansprüche

1. Fokussierender Wandler (2) zur Erzeugung von Ultraschallimpulsen für die Zerstörung von körperinneren Objekten, wie wenigstens von Konkrementen, bestehend aus einer Kugelkalotte (3) als Träger für auf der konkaven Kalottenfläche (4) mosaikartig angeordnete, piezoelektrische Wandlerelemente, die mittels eines Steuergerätes (12-18) zum Schwingen anregbar sind, wobei der Wandler (2) mit seinem auf der Wandlerachse (A) liegenden Fokus (F) auf das jeweilige Objekt ausrichtbar ist und die erzeugten Ultraschallimpulse über ein Koppelmedium auf den Körper des Patienten übertragbar sind und wobei die konkave Fläche (4) der Kugelkalotte (3) in mehrere, auf den Wandlerfokus (F) ausgerichtete Kalottenzonen (9,10, 11) unterteilt ist, denen jeweils eine ausgewählte Anzahl von Wandlerelementen zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß das Steuergerät einen ersten Multiplexer (12) zum Formen positiver Impulse und einen zweiten Multiplexer (13) zum Formen negativer Impulse aufweist, daß jeder Schaltkreis der Multiplexer (12,13) einen Wahlschalter (16), einen regelbaren Verstärker (17) zur Amplitudeneinstellung der Impulse und ein Zeitglied (18) zum Einstellen des Zeitpunktes der Aktivierung der Kalottenzonen aufweist und den Multiplexern (12,13) Impulsgeneratoren (14,15) zum Einstellen der Polarität der Impulse zugeschaltet sind
und daß die Kalottenzonen durch das Steuergerät (12-18) wahlweise seriell und/oder parallel einzeln, in Gruppen oder insgesamt ansteurbar sind.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalottenzonen in Form von Kalottenringsegmenten (10,11) um die Wandlerachse (A) angeordnet sind.

3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalottenzonen die Form von Kalottensektoren (9) aufweisen.

4. Wandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Kombination der Kalottenzonenformen nach den Ansprüchen 2 und 3.

5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne oder mehrere Kalottenzonen (9,10,11) zur Kompensation negativer und/oder positiver Halbwellen der Schallimpulse durch die Multiplexer (12,13) gegenphasig ansteuerbar sind.

6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne oder mehrere Kalottenzonen (9,10,11) zur Vergrößerung der Amplituden von positiven und/oder negativen Halbwellen der Schallimpulse durch die Multiplexer (12,13) gleichphasig ansteuerbar sind.

Claims

1. A focussing transducer (2) for the production of ultrasonic impulses for the destruction of objects inside the body, such as concretions at least, consisting of a spherical calotte (3) as carrier for piezoelectric transducer elements arranged in the manner of a mosaic on the concave calotte surface (4), which transducer elements are able to be stimulated into oscillation by means of a control device (12-18), in which the transducer (2) is able to be aligned onto the respective object with its focus (F) lying on the transducer axis (A), and the produced ultrasonic impulses are able to be transferred via a coupling medium onto the body of the patient and in which the concave surface (4) of the spherical calotte (3) is divided into several calotte zones (9,10,11) aligned to the transformer focus (F), with which calotte zones there is associated in each case a selected number of transducer elements, characterised in that
   the control device has a first multiplexer (12) to form positive impulses and a second multiplexer (13) to form negative impulses, that each switching circuit of the multiplexers (12,13) has a selector switch (16), an amplifier (17), which is able to be regulated, to set the amplitude of the impulses, and a timing member (18) to set the point of time of activating the calotte zones, and impulse generators (14,15) are connected to the multiplexers (12,13) to set the polarity of the impulses,
   and that the calotte zones are able to be controlled by the control device (12-18) selectively serially and/or parallel individually, in groups or as a whole.

2. A transducer according to Claim 1, characterised in that the calotte zones are arranged in the form of calotte ring segments (10,11) around the transducer axis (A).

3. A transducer according to Claim 1, characterised in that the calotte zones have the form of calotte sectors (9).

4. A transducer according to Claim 1, characterised by a combination of the calotte zone shapes according to Claims 2 and 3.

5. A transducer according to one of Claims 1 to 4, characterised in that individual or several calotte zones (9,10,11) are able to be controlled in phase opposition by the multiplexers (12,13) to compensate negative and/or positive half waves of the sound impulses.

6. A transducer according to one of Claims 1 to 5, characterised in that individual or several calotte zones (9,10,11) are able to be controlled in phase by the multiplexers (12,13) to increase the amplitudes of positive and/or negative half waves of the sound impulses.

Revendications

1. Transducteur de focalisation (2) servant à produire des impulsions ultrasonores pour la destruction d'objets à l'intérieur d'un corps, comme au moins des concrétions, constitué par une calotte sphérique (3) en tant que support pour des éléments transducteurs piézoélectriques disposés sous la forme d'une mosaïque sur la surface concave (4) de la calotte et qui peuvent être excités au moyen d'un appareil de commande (12-18) pour être amenés à osciller, et dans lequel le transducteur (2) peut être orienté avec son foyer (F) situé sur son axe (A), en direction de l'objet respectif et les impulsions ultrasonores produites peuvent être transmises au corps du patient par l'intermédiaire d'un milieu de couplage, et la surface concave (4) de la calotte sphérique (3) est subdivisée en plusieurs zones (9,10,11) orientées vers le foyer (F) du transducteur et auxquelles est associé respectivement un nombre sélectionné d'éléments transducteurs, caractérisé par le fait
que l'appareil de commande comporte un premier multiplexeur (12) servant à former des impulsions positives et un second multiplexeur (13) servant à former des impulsions négatives, que chaque circuit des multiplexeurs (12,13) contient un commutateur de sélection (16), un amplificateur réglable (17) servant à régler l'amplitude des impulsions et une minuterie (18) servant à régler l'instant d'activation des zones de la calotte, et des générateurs d'impulsions (14,15) servant à régler la polarité des impulsions sont connectés aux multiplexeurs (12,13), et
que les zones de la calotte peuvent être commandées individuellement, par groupes ou en totalité, au choix en série et/ou en parallèle, par l'appareil de commande (12-18).

2. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les zones de la calotte sont disposées sous la forme de segments annulaires (10,11) autour de l'axe (A) du transducteur.

3. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les zones de la calotte possèdent la forme de secteurs de calotte (9).

4. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé par une combinaison des formes de zones de calotte selon les revendications 2 et 3.

5. Transducteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que des zones individuelles ou plusieurs zones de la calotte (9,10,11) peuvent être commandées en opposition de phase par les multiplexeurs (12,13), pour la compensation d'alternances négatives et/ou positives des impulsions acoustiques.

6. Transducteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que des zones individuelles ou plusieurs zones (9,10,11) de la calotte peuvent être commandées en phase, par les multiplexeurs (12,13) pour accroître les amplitudes d'alternances positives et/ou négatives des impulsions acoustiques.

Zeichnung