DE3877045T2

DE3877045T2 - Generator fuer elastische impulse von vorgegebener gewuenschter form und seine anwendung in medizinischer behandlung oder diagnose.

Info

Publication number: DE3877045T2
Application number: DE8888400846T
Authority: DE
Inventors: Jacques Dory
Original assignee: E D A P INTERNATIONAL CROISSY
Current assignee: E D A P INTERNATIONAL CROISSY
Priority date: 1987-04-28
Filing date: 1988-04-08
Publication date: 1993-06-03
Anticipated expiration: 2008-04-09
Also published as: US4991151A; FR2614747A1; CA1311293C; ES2007823A6; ATE84163T1; EP0289382B1; JPS6485176A; JP2578638B2; DE3877045D1; FR2614747B1; EP0289382A1

Description

Wenn elastische Impulse, insbesondere elastische Impulse großer Leistung, wie jene, die bei der extrakorporalen Lithotripsie verwendet werden, sich in einer Koppelflüssigkeit fortpflanzen, erzeugen die negativen Peaks, die ihre Wellenform unvermeidlich aufweist, Druckveränderungen innerhalb der Flüssigkeit, und wenn der lokale Druck unter den Sättigungsdampfdruck sinkt, können innerhalb der Flüssigkeit mit Dampf gefüllte Hohlräume entstehen. Sobald diese Dampfblasen Bereiche größeren Drucks erreichen, kondensieren sie schlagartig.
Der Anmelder hat entdeckt, daß dieses Kavitationsphänomen die Tendenz hat, die Fortpflanzung jedes positiven Peaks, dem ein negativer Peak vorausgeht, zu bremsen, und folglich die von einem Generator elastischer Impulse auf die zu behandelnden oder zu untersuchenden Zellen übertragene Leistung beträchtlich zu verringern und verschiedene Störungen der bei der Anwendung der elastischen Impulse zur echographischen Untersuchung oder zur Behandlung durch Konzentration von Ultraschalleistung in einem Brennpunkt erwünschten Wirkungen hervorzurufen. Bei der extrakorporalen Lithotripsie weist die Kavitation den besonders wichtigen Nachteil auf, ein Gefühl des Prickelns hervorzurufen, das die Schmerzgrenze erreichen kann.
Die vorliegende Erfindung hat ein Verfahren zur Erzeugung elastischer Impulse zum Gegenstand, das einen piezoelektrischen oder magnetostriktiven Wandler verwendet, der fokussiert oder Fokussiermitteln zugeordnet ist, wobei der Wandler eine Vielzahl von elementaren Aussendeflächen aufweist, die elastische Signale erzeugen, welche sich nach Fortpflanzung über eine bestimmte Entfernung in einem Fokalbereich überlagern, und Mittel, um periodisch in einer vorbestimmten Folge mehrere Gruppen elementarer Aussendeflächen mit jeweiligen verschiedenen elektrischen Impulsen anzuregen, wobei die elementaren Aussendeflächen zu elektrisch voneinander isolierten Wandlerelementen gehören, die unterschiedliche Übertragungsfunktionen haben, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktionen Resonanzfrequenzen entsprechen, die ganze Vielfache einer von ihnen sind, und daß Mittel vorgesehen sind, um zwischen den jeweiligen elektrischen Signalen, die sich im Fokalbereich überlagern, vorbestimmte Phasenverschiebungen ungleich Null durchzuführen, um in diesem Bereich eine vorher festgesetzte globale Wellenform zu erhalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Resonanzfrequenzen F, 2F, 3F und 4F oder F, 2F und Fet, die Phasenverschiebungen jedes der elektrischen Signale in Bezug auf eine willkürliche gemeinsame Phasenreferenz sind gleich -5/(4Fn), wobei Fn die Resonanzfrequenz eines der Wandlerelemente ist.
Gemäß einer ersten Ausführungsform besteht der Wandler aus einem Träger in Form einer kugelförmigen Schale, auf deren Oberfläche keramische piezoelektrische Elementarwandler verteilt sind, deren Dicken umgekehrt proportional zu ihren Resonanzfrequenzen sind.
Vorzugsweise enthalten die Anregungsmittel Generatoren für verschiedene Frequenzen, die von dem gleichen Synchronsignal synchronisiert werden, das die Aussendefolge bestimmt, und regelbare Verzögerungsleitungen, die die Phasenverschiebungsmittel bilden.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform besteht der Wandler aus einer einstückigen Keramik, die so bearbeitet ist, daß sie elementare Aussendeflächen verschiedener Dicken bildet, die elektrisch voneinander isoliert sind.
Der Stand der Technik wird von den Dokumenten DE-A- 3 119 295 und EP-A-072 498 gebildet.
Das erste dieser Dokumente beschreibt die Phasenverschiebung der Anregungssignale verschiedener Wandlerelemente, die eventuell in Bezug aufeinander verschobene Aussendeflächen aufweisen, um eine elektrische Fokussierung der ausgesandten Wellen zu erhalten. Die von den verschiedenen Elementen ausgesandten Signale gelangen in Phase zum Brennpunkt des Wandlers.
Das zweite Dokument lehrt, Wandlerelemente verschiedener Dicken in einem Netz zu gruppieren, um die Auflösung in verschiedenen Entfernungen zum Wandler zu verbessern, indem man auf den Durchmesser des Strahls einwirkt.
Andere Besonderheiten, sowie die Vorteile der Erfindung, gehen klar aus der nachfolgenden Beschreibung hervor.
Figur 1 zeigt Wellenformen, die das erfindungsgemäße Verfahren erklären sollen.
Figur 2 ist eine schematische Ansicht in der Ebene der Aussendefläche eines Wandlers in Form einer kugelförmigen Schale, die
Figur 3 schematisch im Schnitt durch eine Symmetrieebene zeigt.
Figur 4 ist ein Blockschaltbild eines Erregerkreises.
Figur 5 zeigt eine ebene bearbeitete Wandlereinheit mit ihrem Erregerkreis.
Figur 6 ist eine teilweise Ansicht im Schnitt entlang VI-VI der Figur 5.
In Figur 1 ist in (a) ein elastischer Impuls kurzer Dauer dargestellt, der mittels eines piezoelektrischen Wandlers erzeugt wurde, wie man sie heute herstellt, wenn man einen Impuls erzeugen will, der von der minimalen Anzahl gedämpfter Schwingungen begleitet ist, dessen Rückseite entsprechend gedämpft wurde, während auf seiner Vorderseite Lamellen zur Anpassung der Schallimpedanzen angebracht wurden. Ein solcher Impuls weist Halbperioden mit entgegengesetzten Vorzeichen der hohen Anregungsfrequenz des Wandlers auf, und das Vorhandensein der negativen Halbperioden bewirkt einen bezeichnenden Wirksamkeitsverlust aufgrund der Kavitation, sobald die ausgesandte Leistung relativ hoch ist (was bei den in der Therapie verwendeten Sonden der Fall ist).
Es ist anzumerken, daß die Polarität des Wandlers unbedingt so gewählt werden muß, daß der erste Peak bezeichnender Amplitude positiv ist, da im entgegengesetzten Fall die von einem ersten negativen Peak hervorgerufene Kavitation die Fortpflanzung des Rests des Signals verhindern würde.
Man stellt in Figur 1(a) fest, daß dieser erste Peak eine wesentlich schwächere Amplitude hat als der zweite: daraus resultiert im Endeffekt einerseits, daß die ganze Leistung des Signals nicht ausgebeutet wird, andererseits, daß die Kavitation schädliche Wirkungen hervorrufen kann.
Es ist zu unterstreichen, daß sogar ein theoretisch perfekter Wandler, unabhängig von der Form seines Anregungssignals, mindestens zwei Halbperioden entgegengesetzter Vorzeichen erzeugt, da er notwendigerweise zwei durch eine halbe Wellenlänge getrennte und gegenphasig aussendende Aussendeflächen aufweist.
In (b) ist ein elastischer Impuls dargestellt, der mittels eines piezoelektrischen Wandlers erzeugt wurde, welcher aus einer Vielzahl von unabhängig angeregten Elementen besteht, deren jeweiligen Resonanzfrequenzen F&sub1;, F&sub2;, ...Fn sind, wobei diese Elemente durch elektrische Impulse je mit Trägerfrequenzen F&sub1;, F&sub2;, ...Fn angeregt werden, die je in Bezug auf einen Ursprung der willkürlichen Phasen um -5/4F&sub1;, -5/4F&sub2;, -5/4Fn phasenverschoben sind. Die Erfahrung zeigt, daß, wenn diese elektrischen Signale die gleiche Amplitude oder benachbarte Amplituden haben und die Elemente des Wandlers so gebaut sind, daß sie die in (a) dargestellte Schallwellenform erzeugen, die Überlagerung der so erzeugten akustischen Signale die in (b) dargestellte Wellenform ergibt.
Bei dieser Wellenform haben die negativen Halbperioden eine sehr reduzierte relative Amplitude. Die Erfahrung zeigt, daß es genügt, zum Beispiel vier Elemente mit den Frequenzen F, 2F, 3F und 4F, oder sogar drei Elemente mit den Frequenzen F, 2F und 4F zu nehmen, um ein ausreichendes Vorherrschen der einzigen positiven Halbperiode zu erhalten.
Wenn solche Elemente zum Beispiel auf einer kugelförmigen Schale angeordnet sind, ist ihre Wegstrecke bis zum den Brennpunkt bildenden Zentrum der Kugel identisch, und die akustischen Signale kommen also mit den gleichen relativen Phasen im Brennpunkt an wie zum Zeitpunkt ihrer Aussendung. Man könnte vorsehen, sie auf einer anderen Fläche, zum Beispiel einer flachen, anzuordnen, und man müßte dann, um eine Fokussierung zu erreichen, die Phasenverschiebungen der Anregungssignale verändern, unter Berücksichtigung der Wegstrekkenunterschiede zwischen den verschiedenen Elementen.
Die von verschiedenen untereinander phasenverschobenen Frequenzen angeregten Elemente könnten mehr als vier sein (oder in mehr als vier Gruppen aufgeteilt sein, die je aus vom gleichen Signal erregten Elementen bestehen) und die Frequenzen und Phasenverschiebungen könnten sich von denen unterscheiden, die weiter oben als bevorzugtes Beispiel genannt wurden.
Eines der Ziele der Erfindung ist die Erzeugung einer vorbestimmten kurzen elastischen Wellenform (in der Praxis vorzugsweise mit der Vorherrschaft eines einzigen positiven Peaks) durch Überlagerung mehrerer elastischer Elementarwellenformen. Diese Erzeugung wird erhalten durch Überlagerung, in dem gleichen Bereich des Raums, der individuellen elastischen Wellen, die zumindest unterschiedliche Frequenz- und Phaseneigenschaften haben, die sich miteinander kombinieren, um die gewünschte daraus resultierende Wellenform zu ergeben. In der Praxis führt man mittels einer computergestützten Steuerung der Regelung der Frequenz-, Phasen- und sogar Amplitudenparameter der individuellen Wellenformen eine Simulierung der resultierenden Wellenform durch, um diese zu optimisieren, indem man die Parameter variiert.
Es ist zu unterstreichen, daß es nicht ausreichen würde, die Parameter des elektrischen Anregungssignals eines traditionellen Wandlers mit homogener Aussendefläche zu verändern, um das gesuchte Ergebnis zu erhalten, da die Impulsantwort eines solchen Wandlers bestenfalls von der Art der Figur 1(a) wäre.
Dagegen könnte man bei einem heterogenen Wandler der beschriebenen Art zur Begünstigung eines vorherrschenden Peaks vorsehen, seine verschiedenen Elemente mit einem einzigen elektrischen Signal anzuregen, das ein großes Frequenzspektrum abdeckt, und die geeigneten Phasenverschiebungen zwischen den so erzeugten verschiedenen individuellen elastischen Wellenformen könnten außerdem auf akustischem Weg erhalten werden, d.h. indem auf der Strecke jedes Strahls von durch den Wandler erzeugten elastischen Wellen Blöcke entsprechender Form aus einem für diese Wellen durchlässigen Material eingefügt werden, in dem sie sich aber mit einer anderen Geschwindigkeit ausbreiten würden als der des Übertragungsmilieus, mittels dem der Wandler normalerweise mit dem behandelten Milieu gekoppelt ist.
Die beschriebene Lösung ist jedoch einfacher herzustellen und ermöglicht leichte Regelungen.
In den Figuren 2 und 3 ist eine kugelförmige Schale 1 aus Aluminiumlegierung gezeigt, wobei der Radius der Kugel zum Beispiel 40 cm und die Höhe der Schale 3,8 cm beträgt. Auf der inneren Oberfläche dieser Schale sind zum Beispiel 300 piezoelektrische Keramikelemente zylindrischer Form angeordnet, die z.B. 20 mm Durchmesser haben. Diese Elemente sind auf drei konzentrische Kreise verteilt, von denen nur zwei in einer Ringzone dargestellt sind, die einen zentralen Hilfswandler 2 umgibt, dessen Funktion im französischen Patent Nº 83 20 041, angemeldet am 14. Dezember 1983 im Namen der Anmelderin für einen "Appareil impulsions ultrasonores destiné la destruction des calculs" beschrieben ist.
Nachfolgend werden nur die Besonderheiten beschrieben, die den erfindungsgemäßen Lithotripsie-Aussender von dem dieses Patents unterscheiden.
Die Elemente jedes der Sätze 1a-2a...., 1b-2b... der Ringzone sind in drei Gruppen aufgeteilt: zum Beispiel bilden die Elemente 1a-4a... (3n+4)a eine erste Gruppe mit einer Resonanzfrequenz von 300 kHz, die Elemente 2a-5a... (3n+2)a bilden eine zweite Gruppe einer Resonanzfrequenz von 600 kHz, die Elemente 3a-6a... (3n+3)a eine dritte Gruppe einer Resonanzfrequenz von 1200 kHz. Die Verteilung der Frequenzen für die Elemente entsprechenden Rangs der beiden anderen ringförmigen Sätze ist die gleiche. Die unterschiedlichen Frequenzen entsprechen zylindrischen Elementen verschiedener Höhen, die Resonanzfrequenzen F, 2F bzw. 4F aufweisen, z.B. 10 mm für 300 kHz, 5 mm für 600 kHz und 2,5 mm für 1200 kHz.
In Figur 4 ist eine Synchronisiereinheit 3 dargestellt, die Synchronisierimpulse aussendet, deren Dauer einer Mikrosekunde entspricht und deren regelbare Folge z.B. zwischen 1/100 und 1 Hz liegt.
Diese Synchronisierimpulse werden über drei regelbare Verschiebekreise 4, 5, 6 an drei Generatoren 7, 8, 9 von Hochfrequenzimpulsen angelegt, die je den Resonanzfrequenzen der drei Gruppen von Elementen entsprechen, z.B. 300 kHz, 600 kHz bzw. 1200 kHz.
Die Generatoren 7, 8, 9 treiben je über Trennstufen 10, 11 bzw. 12 Leistungsverstärker 13, 14, 15 an.
Jeder Leistungsverstärker weist parallel soviele getrennte Stufen auf, wie es Elemente in jeder Gruppe gibt, um getrennt und parallel die verschiedenen Elemente einer gleichen Gruppe anzuregen.
Die Verschiebekreise 4, 5, 6, die z.B. mittels Verzögerungsleitungen hergestellt werden, sind geregelt, um eine Wellenform zu erhalten, die so nahe wie möglich der gewünschten ist, entsprechend den obigen Angaben. Mit 16 ist ein Computer angedeutet, der zur Steuerung der Regelungen die Berechnung der Wellenformen der drei Synchronsignale und des aus ihrer Überlagerung entstehenden Signals durchführt. Dieser Computer wirkt nicht nur auf die Regelung der Verschiebekreise, sondern auch auf die der Generatoren 7, 8, 9 ein, um die drei Wellenformen und ihre jeweiligen Verschiebungen zu bestimmen.
Eine solche Vorrichtung würde es offensichtlich ermöglichen, viele verschiedene Wellenformen des von der Wandlereinheit erzeugten akustischen Signals zu erhalten, einschließlich um zum Beispiel die negativen Peaks zu begünstigen, um das Kavitationsphänomen bei nicht medizinischen Anwendungen zu verstärken.
In der speziell vorgesehenen Anwendung auf die Lithotripsie ermöglicht es das Verfahren aufgrund der beträchtlichen Reduzierung der Kavitation, die Schüsse in Folgen durchzuführen, die 150 Hz erreichen könnten, um die aktuellen Behandlungszeiten durch einen Faktor der Größenordnung zehn zu teilen.
In einer Variante der soeben beschriebenen Vorrichtung könnten die elektronisch erhaltenen Verschiebungen zwischen den drei Synchronsignalen durch Verschiebungen ersetzt werden, die durch die Einführung von Streckenlängenunterschieden der akustischen Signale erhalten wurden, die von den drei Gruppen von Wandlern erzeugt wurden.
Zum Beispiel können solche Unterschiede erhalten werden, indem Zwischenstücke jeweils passender Dicke aus einem den Ultraschall weiterleitenden Material zwischen der Oberfläche der Schale 1 und den hinteren Anregungsflächen der zylindrischen piezoelektrischen Elemente der drei Gruppen eingesetzt werden.
In Figur 5 ist eine Echographiesonde dargestellt, die akustische Impulse erzeugen soll, deren Frequenzspektrum auf 5 MHz zentriert ist.
Diese Sonde besteht aus einer Scheibe 17 aus piezoelektrischer Keramik mit z.B. 20 mm Durchmesser, und ihre strahlende oder "vordere" Fläche ist eben. Dagegen ist ihre hintere Anregungsfläche so bearbeitet, daß sie eine Reihe von sehr schmalen parallelen Bändern 18 bildet, die zum Beispiel eine Breite von 1 mm und unterschiedliche Dicken aufweisen.
In Figur 6 ist eine vergrößerte und bruchstückhafte Ansicht der Dicke der Scheibe zu sehen, die eine Folge von Gruppen von drei Bändern wie 181, 182, 183 darstellt, die je eine Dicke von 1/4 mm, 1/2 mm bzw. 1 mm haben.
Jedes dieser Bänder ist mit einer Anregungselektrode 1810, 1820, 1830 versehen, die von der der benachbarten Bänder isoliert ist.
In Figur 5 ist ein einziger Generator 19 elektrischer Impulse dargestellt, der mit den Elektroden 1810, 1820 bzw. 1830 über drei regelbare Verzögerungsleitungen 20, 21 bzw. 22 verbunden ist. Genauer gesagt ist der Ausgang jeder Verzögerungsleitung mit allen Elektroden der Bänder gleicher Dicke der aufeinanderfolgenden Gruppen verbunden. Natürlich sind die nicht dargestellten Massedrähte mit einer einzigen nicht dargestellten Elektrode verbunden, die an der Vorderseite befestigt ist.
So hat man drei Einheiten von piezoelektrischen Wandlerelementen gebildet, die Resonanzfrequenzen von 10 MHz, 5 MHz bzw. 2,5 MHz haben.
In bekannter Weise ist die Rückseite der Scheibe außerdem vorzugsweise mit einem Dämpfungsblock für die parasitären Schwingungen versehen, während die Vorderseite so bearbeitet ist, daß Lamellen zur Impedanzanpassung angeordnet werden können.
Die Verzögerungen werden geregelt, um den gewünschten Verschiebungen der drei akustischen Signale unterschiedlicher Frequenzen zu entsprechen, die in der bereits erklärten Weise von den drei Einheiten erzeugt wurden. Das vom Generator 19 gelieferte Anregungssignal muß ein Frequenzspektrum aufweisen, das die Werte 10 MHz, 5 MHz und 2,5 MHz überdeckt.
Diese Ausführungsform ist geeignet zur Herstellung von Sonden, die mit hohen Frequenzen arbeiten (mehrere Megahertz): sie vermeidet die schwierige Herstellung von sehr kleinen unabhängigen individuellen piezoelektrischen Elementen.
Ein solcher Wandler ist nicht fokussierend und muß folglich, um die individuellen elastischen Wellen zu überlagern, einem Fokussiermittel zugeordnet werden, z.B. einer akustischen Linse.

Claims

1. Generator elastischer Impulse mit einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Wandler, der fokussiert oder Fokussiermitteln zugeordnet ist, wobei der Wandler eine Vielzahl von elementaren Aussendeflächen aufweist, die elastische Signale erzeugen, welche sich nach Fortpflanzung über eine bestimmte Entfernung in einem Fokalbereich überlagern, und mit Mitteln, um periodisch in einer bestimmten Folge mehrere Gruppen elementarer Aussendeflächen mit verschiedenen elektrischen Impulsen anzuregen, wobei die elementaren Aussendeflächen zu elektrisch voneinander isolierten Wandlerelementen (1a, 2a ...; 1b, 2b....; bzw. 181, 182, 183) gehören, die unterschiedliche Übertragungsfunktionen haben, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfrequenzen dieser Wandlerelemente ganze Vielfache einer von ihnen sind und daß Mittel vorgesehen sind, um zwischen den jeweiligen elastischen Signalen, die sich im Fokalbereich überlagern, vorbestimmte Phasenverschiebungen ungleich Null durchzuführen, um in diesem Bereich eine vorher festgesetzte globale Wellenform zu erhalten.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenzen F, 2F, 3F und 4F oder F, 2F und 4F sind, und die Phasenverschiebungen jedes der elastischen Signale in Bezug auf eine willkürliche gemeinsame Phasenreferenz gleich -5/(4Fn) sind, wobei Fn die Resonanzfrequenz eines der Wandlerelemente ist.

3. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsmittel Generatoren für verschiedene Frequenzen aufweisen, die von dem gleichen Synchronsignal synchronisiert werden, das die Aussendefolge bestimmt, sowie einstellbare Verzögerungsleitungen, die die Phasenverschiebungsmittel bilden.

4. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler aus einem Träger in Form einer kugelförmigen Schale besteht, auf deren Oberfläche piezoelektrische keramische Elementarwandler verteilt sind, deren Dicke umgekehrt proportional zu ihren Resonanzfrequenzen ist.

5. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebungsmittel Elemente sind, die die Fortpflanzungsdauer der elastischen Wellen über die erwähnte Entfernung verändern können.

6. Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel aus der Verschiebung der Aussendeflächen der Wandlerelemente zueinander bestehen.

7. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler aus einer einstückigen Keramik besteht, die so bearbeitet wurde, daß sie elektrisch gegeneinander isolierte elementare Aussendef lächen verschiedener Dicke bildet.