Akustische Fokussiereinrichtung

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine akustische Fokussiereinrichtung (10) zur Fokussierung von Ultraschall- und Stoßwellen, insbesondere zum berührungslosen Zerkleinern eines sich im Körper eines Lebewesens befindlichen Konkrements, wobei

• mehrere Grenzflächen (1,2,3,4,5) in Ausbreitungsrichtung der Schallwellen hintereinander angeordnet sind wobei benachbarte Zwischenräume (11,12,13,14) Flüssigkeiten (40,41) unterschiedlicher Schallgeschwindigkeiten enthalten
• mindestens ein Zwischenraum (11,13) mit einem nicht benachbarten Zwischenraum (12,14) in Verbindung steht
• mindestens eine der Grenzflächen (1,2,3,4,5) formflexibel ist
• mindestens eine (2,3,4) der Grenzflächen (1,2,3,4,5) parallel zur Ausbreitungsrichtung der Schallwellen bewegt werden kann
• durch diese Verschiebung Flüssigkeit zwischen verbundenen Zwischenräumen verdrängt und der Krümmungsradius mindestens einer (3) der formflexiblen Grenzflächen verändert wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine akustische Fokussiereinrichtung, insbesondere zur Fokussierung von Ultraschall- und Stoßwellen zum berührungslosen Zerkleinern eines im Körper eines Lebewesens befindlichen Konkrements.

[0002] Zur Fokussierung von ebenen oder schwach gekrümmten Stoßwellenfronten, wie sie bei Lithotripsiegeräten erzeugt werden, die z.B. nach dem elektromagnetischen oder piezoelektrischen Wandlerprinzip arbeiten, wird ein akustisches Linsensystem benötigt. Die fokussierte Stoßwelle wird im Körper auf den zu behandelnden Stein ausgerichtet. Dabei sind je nach Lage des Steins verschiedene Eindringtiefen der Stoßwelle erforderlich.

[0003] Die Forderung nach variabler Eindringtiefe kann erfüllt werden durch festbrennweitige Systeme mit einer zusätzlichen variablen Vorlaufstrecke (z.B. balgförmiges Wasserkissen) oder durch ein System mit veränderlicher Brennweite.
Weitere Forderungen an eine Therapieeinheit für die Lithotripsie sind z.B. die Baugröße, Gewicht sowie möglichst geringer technischer Aufwand bei den Peripheriegeräten (z.B. lageunabhängige, sensible Druck-/Volumenregelung).
In der DE 85 23 024 U1 ist ein Ultraschallgenerator angegeben, der zwischen Ankoppelfläche an den Patientenkörper und einem piezoelektrischen Wandler eine formflexible Grenzfläche enthält, deren Krümmung durch Änderung des Drucks in der angrenzenden Flüssigkeit verändert werden kann. Die Fokusverlagerung kann alternativ auch durch die Verschiebung einer zusätzlichen Festkörperlinse erreicht werden.
In der DE 37 39 393 A1 ist ein Lithotripter mit verstellbarer Fokussierung beschrieben, bei der die Wandung einer Flüssigkeitslinse mit einem Teil einer Verstelleinrichtung verbunden ist. Durch Bewegen der Verstelleinrichtung in Stoßwellenausbreitungsrichtung ändert sich die Krümmung der Wandung.
In der DE 33 28 051 A1 ist eine Vorrichtung zum berührungslosen Zertrümmern von Konkrementen beschrieben, bei der die Veränderung des Fokuspunkts durch Verschiebung einer oder mehrerer akustischer Linsen erreicht wird.
Aus der DE 36 05 277 A1 ist eine Stoßwellentherapieeinrichtung bekannt, bei der eine Linse vom Koppelmedium umgeben ist, wobei die Flüssigkeitsbereiche vor und hinter der Linse miteinander in Verbindung stehen.

[0004] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Fokussiereinrichtung sehr geringer Baugröße zu schaffen, dessen Fokuslänge (Schnittweite) in einem weiten Bereich veränderbar ist und darüberhinaus den technischen Aufwand bei den Therapiegeräten vermindert. Unter der Fokuslänge F bzw. Schnittweite eines Linsensystems wird hierbei und im folgenden der Abstand zwischen Fokus und dem nächstliegenden Punkt der, von der Stoßwellenquelle aus gesehen, letzten brechenden Fläche des Linsensystems verstanden.

[0005] Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprüchen.

[0006] Erfindungsgemäß werden mehrere Grenzflächen in Ausbreitungsrichtung der Schallwellen hintereinander angeordnet, wobei benachbarte Zwischenräume Flüssigkeiten unterschiedlicher Schallgeschwindigkeiten enthalten. Diese Grenzflächen können dabei aus Materialien bestehen, die formfest sind, d.h. ihre Form wird insbesondere nicht durch Druckdifferenzen zwischen den auf beiden Seiten der Grenzfläche angrenzenden Flüssigkeiten beeinflußt. Mindestens eine der Grenzflächen jedoch ist aus formflexiblen Material, d.h. eine Verformung dieser Grenzfläche aufgrund Druckdifferenzen zwischen den angrenzenden Flüssigkeiten ist möglich. Mindestens eine der Grenzflächen kann parallel zur Ausbreitungsrichtung der Schallwellen verschoben und danach in ihrer Lage arretiert werden. Mindestens ein Zwischenraum steht in Verbindung mit einem nicht benachbarten Zwischenraum.
Durch Verschiebung der beweglichen Grenzflächen wird Flüssigkeit zwischen den verbundenen Zwischenräumen verdrängt und dadurch der Krümmungsradius mindestens einer der formflexiblen Grenzflächen verändert.
Eine Veränderung der brechenden Eigenschaften der gesamten Fokussiereinrichtung, als insbesondere Brechkraft und Fokuslänge F, resultiert somit letztlich aus zwei Effekten:

1. der Lageänderung einer oder mehrerer verschobener Grenzflächen

2. der Brechkraftänderung einer oder mehrerer formflexibler Grenzflächen aufgrund ihrer Verformung.

[0007] Ausführungen sowie weitere Vorteile der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:

Fig. 1

den Querschnitt einer Ausbildung der erfindungsgemäßen Fokussiereinrichtung 10 bei drei verschiedenen Einstellungen der Fokuslänge F (Fig. 1a, 1b, 1c)

Fig. 2

den Querschnitt einer Ausbildung der erfindungsgemäßen Fokussiereinrichtung 10 mit einem zusätzlichen Ultraschalltransducer 20 bei drei verschiedenen Einstellungen der Fokuslänge F (Fig. 2a, 2b, 2c).

[0008] In Fig. 1a ist der Querschnitt einer erfindungsgemäßen Fokussiereinrichtung 10 dargestellt. Eine Schallquelle 7, z.B. eine Stoßwellenquelle nach dem elektromagnetischen oder piezomagnetischen Wandlerprinzip, bildet die Grundfläche 1 eines zylindrischen Rohrs 6, das durch die Ankoppelfläche 4 an den Patientenkörper abgeschlossen wird. Durch das Bauteil 50, im weiteren als Linsengruppe bezeichnet, das die Grenzflächen 2, 3, 4 umfaßt, wird das Volumen innerhalb des Rohres 6 in zwei Volumenbereiche unterteilt, die mit zwei Flüssigkeiten 40, 41 unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit gefüllt sind. Diese beiden Volumenbereiche sind ihrerseits unterteilt in die Zwischenräume 11, 12 und 13, 14, wobei die Zwischenräume 11, 12 über den Zugang 15 und die Zwischenräume 13, 14 über den Zugang 16 miteinander verbunden sind. Somit befindet sich in den Zwischenräumen 11, 12 die erste Flüssigkeit 40, in den Zwischenräumen 13, 14 die zweite Flüssigkeit 41.
Eine in der Schallquelle 7 erzeugte Wellenfront durchläuft nacheinander die Flüssigkeiten in den Zwischenräumen 11, 13, 12, 14, bis sie über die Ankoppelfläche 5 an den Patientenkörper geführt wird. Dabei erfolgen an den Grenzflächen 2, 3, 4 Übergänge zwischen den beiden Flüssigkeiten 40, 41 unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit.
Die Linsengruppe 50 läßt sich innerhalb des Rohres 6 parallel zu dessen Wänden verschieben. Durch Gleitdichtungen an den Berührungsstellen von Linsengruppe 50 und der Rohrwand wird auch während der Verschiebung der Austausch zwischen den beiden Flüssigkeiten 40, 41 in den Zwischenräumen 11, 12 und 13, 14 unterbunden.
Die Flächen 2, 4 der Linsengruppe 50 sind formstabil, während die Fläche 3 aus elastischem Material besteht und somit formflexibel ist.
Bei einer Verschiebung der Linsengruppe 50 in Richtung der Schallquelle 7 wird Flüssigkeit 40 aus dem Zwischenraum 11 verdrängt und strömt durch den Zugang 15 in Zwischenraum 12. Dadurch wird die formflexible Grenzfläche 3 aufgewölbt und verdrängt Flüssigkeit 41 aus dem Zwischenraum 13 durch den Zugang 16 in den Zwischenraum 14. Die Stoffmengen jeder der beiden Flüssigkeiten 40, 41 in den Zwischenräumen 11, 12 bzw. 13, 14 bleiben vor, während und nach der Verschiebung gleich.
Um bei den hier dargestellten Krümmungsradien der Grenzflächen 2, 3, 4, 5 ein fokussierendes System zu erhalten, ist die Flüssigkeit 40 in den Zwischenräumen 11, 12 so zu wählen, daß sie eine geringere Schallgeschwindigkeit besitzt als die Flüssigkeit 41 in den Zwischenräumen 13, 14. Ein Beispiel hierfür ist H₂O in den Zwischenräumen 11, 12 und Glycerin in den Zwischenräumen 13, 14.

[0009] In einer vorteilhaften Ausführung wird die Ankoppelfläche 5 formfest gewählt. Ihre brechende Wirkung bestimmt sich allgemein aus der Schallgeschwindigkeit in der angrenzenden Flüssigkeit 41 in Zwischenraum 14 im Verhältnis zu der im Patientenkörper. Wird die Flüssigkeit 41 im Zwischenraum 14 so gewählt, daß diese beiden Schallgeschwindigkeiten gleich sind, so hat die Ankoppelfläche 5 keine brechende Wirkung.
Unterdieser Bedingung ist es besonders vorteilhaft, sie aus formflexiblen Materialien herzustellen, da hierdurch die Ankopplung an den Patientenkörper erleichtert wird.

[0010] Für die Steuerung der Fokuslänge F ist nur die Lage der beweglichen Linsengruppe 50 maßgebend. In Fig. 1b und 1c ist dieselbe Fokussiereinrichtung 10 wie in Fig. 1a abgebildet, wobei jedoch die bewegliche Linsengruppe 50 sich innerhalb des zylindrischen Rohres 6 in anderen Positionen befindet. Daraus resultiert jeweils eine andere Krümmung der formflexiblen Grenzfläche 3, was wiederum eine andere Brechkraft dieser Grenzfläche 3 und somit auch der gesamten Fokussiereinrichtung 10 zur Folge hat. Zur Veränderung der Fokuslänge F trägt sowohl diese Brechkraftänderung wie auch die Änderung der Lage der Grenzflächen 2, 3, 4 innerhalb des Rohres 6 bei.

[0011] Neben der hier gezeigten Fokussiereinrichtung 10, bei der die Grenzfläche 3 formflexibel ausgebildet ist, ist es zur Erzielung der beschriebenen vorteilhaften Eigenschaften auch möglich, stattdessen Grenzfläche 2 oder 4 formflexibel zu wählen.

[0012] Durch die Erfindung werden die folgenden Vorteile erzielt:

• geringe Baugröße
  Da die Veränderung der Fokuslänge F aus der Verschiebung der Linsengruppe 50 und der Brennweitenänderung der flexiblen Grenzfläche 3 resultiert, ergibt bereits ein kleiner Verschiebungsweg eine deutliche Fokuslängenänderung. Die Gesamtlänge der Therapieeinheit wird gegenüber einem System mit fester Brennweite und Wasservorlaufstrecke oder einem System mit festbrennweitiger verschiebbarer Linse deutlich geringer.
• Druck- und Volumenregelung entfallen vollständig, da die im System enthaltene Flüssigkeitsmenge konstant bleibt.
• unkomplizierte Steuerung der Fokuslage
  Die Fokuslage ist eine eindeutige Funktion des Verschiebungswegs der Linsengruppe 50. Eine Messung des Befüllungsgrads in der flexiblen Linse (innerhalb des Zwischenraums 13) ist nicht notwendig.
• Bei kurzen Fokuslängen F vergrößert sich die Apertur der Fokussiereinrichtung 10, das heißt die Energiedichte an der Hautoberfläche - auch bei dünnen Patienten - bleibt gering.

[0013] In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird ein Ultraschalltransducer 20 in die Fokussiereinrichtung 10 integriert. Fig. 2 zeigt den Querschnitt einer Fokussiereinrichtung 10, die der in Fig.1 gezeigten entspricht, jedoch mit zusätzlichem Ultraschalltransducer 20, bei drei verschiedenen Einstellungen der Fokuslänge F (Fig. 2a, 2b, 2c).
Der Ultraschalltransducer 20 ist über eine Haltearm 21 an der Linsengruppe 5 befestigt, so daß er bei deren Verschiebung mitbewegt wird. Bevorzugt wird der Ultraschalltransducer 20 auf der Hauptachse 17 (die in diesem Falle der Rohrachse entspricht) der Fokussiereinrichtung 10 angeordnet.
Durch die Verbindung mit der Linsengruppe 50 wird erreicht, daß bei kurzer Fokuslänge F (Fig 2c) die Abschattung der Stoßwelle durch das Transducergehäuse gering bleibt und bei großen Fokuslängen F (Fig. 2a) sich der Ultraschalltransducer sehr nahe am Körper des Patienten befindet, so daß dessen Eindringtiefe optimal genutzt werden kann.
Durch das Verschieben der Linsengruppe 50 ändert sich die Fokuslage relativ zum Transducer 20 weniger stark als die Fokuslänge F der Fokussiereinrichtung 10, d.h. die Lage des Fokus bleibt im mittleren Bildbereich des Transducers 20 bei guter Abbildungsqualität.

Ansprüche

1. Akustische Fokussiereinrichtung (10) zur Fokussierung von Ultraschall- und Stoßwellen für medizinische Anwendungen, dadurch gekennzeichnet, daß

- mehrere Grenzflächen (1,2,3,4,5) in Ausbreitungsrichtung der Schallwellen hintereinander angeordnet sind wobei benachbarte Zwischenräume (11,12,13,14) Flüssigkeiten (40,41) unterschiedlicher Schallgeschwindigkeiten enthalten

- mindestens ein Zwischenraum (11,13) mit einem nicht benachbarten Zwischenraum (12,14) in Verbindung steht

- mindestens eine der Grenzflächen (1,2,3,4,5) formflexibel ist

- mindestens eine (2,3,4) der Grenzflächen (1,2,3,4,5) parallel zur Ausbreitungsrichtung der Schallwellen bewegt werden kann

- durch diese Verschiebung Flüssigkeit zwischen verbundenen Zwischenräumen verdrängt und der Krümmungsradius mindestens einer (3) der formflexiblen Grenzflächen verändert wird.

2. Akustische Fokussiereinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Grenzflächen (2,3,4) gemeinsam bewegt werden können.

3. Akustische Fokussiereinrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung (10) fünf Grenzflächen (1,2,3,4,5) mit entsprechend vier Zwischenräumen (11,12,13,14) umfaßt, wobei der in Ausbreitungsrichtung gesehen erste Zwischenraum (11) mit dem dritten Zwischenraum (12) in Verbindung steht, und der zweite Zwischenraum (13) mit dem vierten Zwischenraum (14) in Verbindung steht.

4. Akustische Fokussiereinrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in Ausbreitungsrichtung gesehen 2.,3. und 4. Grenzfläche (2,3,4) parallel zur Ausbreitungsrichtung unabhängig voneinander oder gemeinsam bewegt werden können.

5. Akustische Fokussiereinrichtung (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die 2., 3. und 4. Grenzfläche (2,3,4) auf einem Bauteil (50) angeordnet sind, das parallel zur Ausbreitungsrichtung bewegt werden kann.

6. Akustische Fokussiereinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß von der 2.3. und 4. Grenzfläche (2,3,4) mindestens eine formflexibel ist.

7. Akustische Fokussiereinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die 3. Grenzfläche (3) formflexibel ist.

8. Akustische Fokussiereinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die 2. Grenzfläche (2) formflexibel ist.

9. Akustische Fokussiereinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die 4. Grenzfläche (4) formflexibel ist.

10. Akustische Fokussiereinrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoffmengen aller Flüssigkeiten innerhalb der Fokussiereinrichtung (10) vor, während und nach der Verschiebung konstant sind.

11. Akustische Fokussiereinrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in Ausbreitungsrichtung gesehen letzte Grenzfläche (Ankoppelfläche an den Patientenkörper,5) formstabil ist.

12. Akustische Fokussiereinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die in Ausbreitungsrichtung gesehen letzte Grenzfläche (Ankoppelfläche an den Patientenkörper,5) formflexibel ist.

13. Akustische Fokussiereinrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich innerhalb der Fokussiereinrichtung (10) ein Ultraschalltransducer (20) befindet.

14. Akustische Fokussiereinrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschalltransducer (20) sich auf der axialen Hauptachse (17) der Fokussiereinrichtung (10) befindet und mit einer der beweglichen Grenzflächen (2,3,4) verbunden ist.

Zeichnung