Fokussierender Ultraschallwandler

Abstract

 Es ist ein fokussierender Wandler (2) zur Erzeugung von Ultraschallimpulsen für die Zerstörung von körperinneren Objekten, wie von Konkrementen und Gewebeteilen, be­schrieben. Der Wandler (2) besteht aus einer Kugelkalotte (3) mit mosaikartig auf der konkaven Kalottenfläche (4) angeordneten, piezoelektrischen Wandlerelementen (9,10,11), die mit einem Steuergerät (12 - 18) zum Schwingen und zur Erzeugung von Stoßwellen angeregt werden können. Der Wandler kann mit seinem auf der Wandlerachse (A) lie­genden Fokus (F) auf das jeweilige Objekt ausgerichtet werden, während die von ihm erzeugten Ultraschallimpulse über ein Koppelmedium auf den Körper des Patienten über­tragen werden. Um für den jeweiligen Anwendungsfall zu einer optimalen Impulsformung zu kommen, ist die aktive Wandlerfläche in mehrere auf den Wandlerfokus (F) ausge­richtete Zonen (9,10,11) unterteilt, denen jeweils eine ausgewählte Anzahl von Wandlerelementen zugeordnet ist. Die Wandlerzonen können zur Erzeugung mindestens eines Schallimpulses wahlweise seriell und/oder parallel ein­zeln, in Gruppen und insgesamt mit dem Steuergerät (12 - 18) betrieben werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen fokussierenden Wandler zur Erzeugung von Ultraschallimpulsen für die Zerstörung von körperinneren Objekten, wie von Konkrementen und Gewebeteilen, bestehend aus einer Kugelkalotte mit mosaikartig auf der konkaven Kalottenfläche angeordneten, piezoelektrischen Wandlerelementen, 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.

[0002] Direkt fokussierende Ultraschallwandler dieser Art sind bekannt. So zeigt die DE-Al 27 12 341 einen für die Ultraschalluntersuchung in der diagnostischen Medizin geeigneten Ultraschallwandler 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.

[0003] Aus der DE-Al 31 19 295 ist weiter eine für die Zerstörung von in Körperhöhlen befindlichen Konkrementen vorgesehene Ein­richtung ähnlichen Aufbaues wie die vorbeschriebenen Einrich­tung bekannt. Kennzeichnendes Merkmal dieser Einrichtung ist ein fokussierender Ultraschallwandler, der als Direktbeschaller und so großflächig ausgebildet ist, daß die Schalleistungs­dichte auf dem Transmissionsweg so klein ist, daß Gewebeschä­den vermieden werden, im akustischen Brennpunkt aber so groß ist, daß sie zur Zerstörung des im Brennpunkt befindlichen Konkrementes ausreicht. Auch in diesem Fall dient die Auftei­lung der Wandlerfläche in Ringe oder in matrixartig zusammen­gestellte Einzelwandler dazu, den Wandlerbrennpunkt elektro­nisch nach dem phased-array-Prinzip variabel einstellen zu können.

[0004] 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 unmittelbar 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.

[0005] Es ist daher auch schon, wie beispielsweise aus der DE-Al 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 Kavitations­ erscheinungen 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.

[0006] 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 in bezug auf ihre Amplitude, Phasenlage, Polarität, Form und Dauer er­zeugt werden können.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem eingangs erwähn­ten Wandler dadurch gelöst, daß die aktive Wandlerfläche in mehrere auf den Wandlerfokus ausgerichtete Zonen unterteilt ist, denen jeweils eine ausgewählte Anzahl von Wandlerele­menten zugeordnet ist, und daß die Wandlerzonen zur Erzeu­gung mindestens eines Schallimpulses wahlweise seriell und/­oder parallel einzeln, in Gruppen und insgesamt mit dem Steu­ergerät ansteuerbar sind.

[0008] Dabei können die Wandlerzonen in Form konzentrischer Ringele­ mente um die Wandlerachse verlaufen oder die Form von Kugel­flächensektoren bilden, sie können aber auch eine Form auf­weisen, die durch eine Kombination der vorgenannten Wandler­formen gekennzeichnet ist.

[0009] Damit ist die Möglichkeit gegeben, jede Wandlerzone 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 bzw. Wandlerzonen 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 Wandlerzonen 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.

[0010] Durch serielle Ansteuerung von Wandlerzonen 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.

[0011] 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 Wandlerzonen ent­ stehenden 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.

[0012] 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- zonen 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 Wandlerzonen erfolgt.

[0013] Die variable Beschaltung und Ansteuerung der Wandlerzonen ge­stattet es also, zum Beispiel nur einen Teil der Wandlerzonen zur Erzeugung des Schallimpulses zu benutzen und die restlichen Wandlerzonen für eine Gegensteuerung und Aufhebung unerwünsch­ter Impulsanteile zu verwenden. Wie auch schon gesagt wurde, können alle Wandlerzonen 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 Wandlerzonen mit geringerer oder höhe­rer Amplitude angesteuert werden als die anderen Wandlerzo­nen, um so zu einer Schallimpulsform von spezieller Wirksam­keit zu kommen.

[0014] Der erfindungsgemäße Wandler wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher er­läutert. Es zeigt:

Figur 1 einen Wandler schematisch im Teilschnitt und in axo­metrischer Darstellung,

Figur 2 die Ansteuerschaltung für den Wandler nach Figur 1 als Blockschaltbild und

Figur 3 das Schalbild eines Multiplexers in vereinfachter Darstellung.

[0015] 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.

[0016] Die konkave Wandlerfläche 4 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.

[0017] 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.

[0018] 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 sphärischen Ringelementen 10 und 11 ergibt, die um zentrale Kalottensegmente 9 herum angeordnet sind, wobei die gesamte Wandlerfläche 4 durch konzentrisch und radial verlaufende Trennfugen in einzelne, elektrisch und mechanisch isolierte Ringelemente 10.1 bis 10.5 und 11.1 bis 11.5 bzw. Kalottensegmente 9.1 bis 9.5 aufgeteilt ist.

[0019] Die aktiven Flächen der Ringelemente 10, 11 und der Kalotten­segmente 9 sind elektrisch mit einer Ansteuerschaltung ge­mäß Figur 2 verbunden, in der die Ringelemente 10 und 11 und die Kalottensegmente 9 vereinfacht in Form von Blocksymbolen dargestellt sind. Das den Ultraschallwandler 2 aktivierende elektrische Spannungspotential liegt zwischen diesen An­schlüsse und einer gemeinsamen Flächenelektrode an der Rück­seite der Wandlerelemente. Dabei erfolgt die Auswahl der zu aktivierenden Wandlerelemente bzw. - zonen, 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.

[0020] 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 Ringele­mente 11 gibt. Jeder Schaltkreis weist danach einen Wahl­ schalter 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 jede Wandlerzone 11.1 bis 11.5 individuell oder gemeinsam mit anderen angesteuert werden kann.

[0021] So können zum Beispiel einige Wandlerelemente bzw.-zonen zu­nächst mit einem positiven Impuls angesteuert und dann mit einem negativen Impuls andere Wandlerzonen unter Berücksich­tigung des Einschwingverhaltens der Wandlerelemente zum Ge­gensteuern 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.

[0022] Man kann natürlich auch die Ringelemente 10, 11 mit geringerer Amplitude ansteuern als die Kalottensegmente 9. Schließlich ist 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.

[0023] Die einzelnen Wandlerzonen 9, 10 und 11 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 Wand­lerzonen aus mosaikartig zusammengesetzen Wandlerelementen aufbauen. Außerdem können auch alle Wandlerzonen insgesamt aus Ringelementen oder Kugelkalottensektoren bestehen. Schließlich sind auch sonstige Aufteilungen der gesamten aktiven Fläche des Wandler in Zonen von anderer Kofiguration möglich.

Ansprüche

1. Fokussierender Wandler zur Erzeugung von Ultraschallimpul­sen für die Zerstörung von körperinneren Objekten, wie von Konkrementen und Gewebeteilen, bestehend aus einer Kugel­kalotte mit mosaikartig auf der konkaven Kalottenfläche angeordneten, piezoelektrischen Wandlerelementen, 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, dadurch ge­kennzeichnet, daß die aktive Wandlerfläche in mehrere auf den Wandlerfokus (F) ausgerichtete Zonen (9-11) unterteilt ist, denen jeweils eine ausgewählte Anzahl von Wandlerele­menten zugeordnet ist, und daß die Wandlerzonen zur Er­zeugung mindestens eines Schallimpulses wahlweise seriell und/oder parallel einzeln, in Gruppen und insgesamt mit dem Steuergerät (12-18) ansteuerbar sind.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerzonen in Form von Ringelementen (10,11) um die Wandlerachse (A) verlaufen.

3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler die Form von Kugelflächensektoren (9) haben.

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

5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­kennzeichnet, daß durch serielle Ansteuerung von Wandler­zonen (9-11) und durch Überlagerung der von den Wandler­zonen im Fokusbereich erzeugten Schallimpulse die Ampli­tude und/oder die Dauer und/oder die Polarität des ins­gesamt im Wandlerfokus (F) wirksamen Schallimpulses ein­stellbar ist bzw. sind.

6. Wandler zur Zerstörung von Konkrementen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die im Fokus (F) durch jeweiliges Rückschwingen von Wandler­elementen entstehenden negativen Halbwellen der Schall­impulse durch eine gegenphasige Ansteuerung anderer Wand­lerelemente kompensierbar sind.

7. Wandler zur Zerstörung von Gewebeteilen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die im Fokus (F) durch jeweiliges Vorschwingen von Wandlerele­menten entstehenden positiven Halbwellen der Schallim­pulse durch eine gegenphasige Ansteuerung von anderen Wandlerelementen kompensierbar sind.

8. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Amplituden von positiven und negativen Halbwellen der Schallimpulse durch gleichphasige Ansteue­rung erhöhbar sind.

Zeichnung