DE4205030A1 - Therapeutische ultraschallvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine therapeutische Ultraschallvorrich­ tung, die zur Behandlung bösartiger Tumore, von Gallen- Blasen- Nieren- etc. -Steinen und dergleichen geeignet ist.

In der US 48 21 730 wird vorgeschlagen, zu einem Ultraschall- oder Schockwellen-Steinzertrümmerer eine Ultraschall-Ziel- und Überwachungsfunktion hinzuzufügen, um die Behandlungsmöglich­ keiten zu verbessern. Gemäß dieser Druckschrift wird in die Sendeapertur für die Ultraschall- oder Schockwellen ein Ultra­ schallprüfkopf integriert, der bezüglich der Sendeapertur rela­ tiv klein ist, um die Ziel- und Überwachungsfunktion mittels Ultraschall ausführen zu können. Da sowohl zum Hervorrufen der therapeutischen Effekte als auch für die Ziel- und Überwachungs­ funktion Schallwellen verwendet werden, ist dieses System im Prinzip vorteilhaft, da es selbstanpassende Eigenschaften hat und da es möglich ist, Zielfehler aufgrund des Einflusses der Brechung usw. in einem lebenden Körper auf ein geringes Maß herunterzudrücken.

Diese bekannte Technik hat eine Behandlung mit fokussierten Ultraschallwellen bei kleinen Zielabweichungen möglich gemacht. Unter dem Gesichtspunkt der Ziel- und Überwachungsfunktion ist jedoch die bekannte Technik nicht ausreichend. Im Falle der Be­ seitigung eines Steines ist es zwar möglich, durch Beobachtung der erhaltenen Ultraschallabbildung festzustellen, ob der der Schockwelle unterworfene Stein durch die Strahlungswirkung be­ wegt wird oder nicht und dadurch zu beurteilen, ob die Schock­ welle den Stein trifft oder nicht, und es ist demgemäß möglich, zu beurteilen, ob eine Zielposition richtig bestrahlt wird oder nicht. Im Falle der Behandlung eines Tumors ist es jedoch schwierig, Bewegungen des zu behandelnden Teiles durch die Strahlungswirkung in der Ultraschallabbildung zu beobachten, da die Unterschiede in der akustischen Impedanz zwischen dem Tumor und dem umgebenden Gewebe nur gering sind.

Im Falle der Behandlung eines Tumors wird die Therapie durch das Hervorrufen einer Kavitation an der zu behandelnden Stelle durch die Schockwelle bewirkt. Zur Vermeidung von Nebenwirkungen im umgebenden Gewebe ist es daher wichtig, Kavitationen an anderen als der zu behandelnden Stelle zu vermeiden. Mit der oben be­ schriebenen bekannten Technik ist dies extrem schwierig, da die Unterschiede in der akustischen Impedanz zwischen der zu behan­ delnden Stelle, dem umgebenden Gewebe und den Kavitationen nur sehr gering sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Behand­ lung mit Ultraschall zu schaffen, mit der es möglich ist, genau festzustellen, ob die für die Behandlung verwendete fokussierte Ultraschallwelle die zu behandelnde Stelle exakt trifft und die Behandlung durch die fokussierte Ultraschallwelle keine Neben­ wirkungen an Stellen hervorruft, die nicht zur Behandlung vorge­ sehen sind.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einem Sender, der eine fokussierte Ultraschallwelle erzeugt und zu dem gemäß der oben genannten US 48 21 730 ein Überwachungs-Ultraschallsender/ Empfänger mit einer Richtwirkung hinzugefügt ist, durch die eine Abtastung für eine Ziel- und Überwachungsfunktion möglich ist, erfindungsgemäß der Überwachungs-Ultraschallsender/Empfänger so aufgebaut ist, daß er nicht nur das Echo von Ultraschallimpulsen empfängt, die von ihm selbst ausgesendet wurden, sondern daß er auch Signale von geradzahligen Harmonischen aufnehmen kann, die durch den von dem einen fokussierten Ultraschall erzeugenden Sender an der zu behandelnden Stelle hervorgerufen werden.

Durch das Anordnen einer Anzahl von Gruppen von Überwachungs- Ultraschallsendern/Empfängern an verschiedenen Stellen ist es dabei möglich, kontinuierlich eine Anzahl von zweidimensionalen Impulsechobildern durch Aufnahme der Echos der selbst ausgesen­ deten Ultraschallimpulsen, während diese festgehalten werden, und eine Anzahl von Abbildungen, die die Orientierung und Inten­ sität darstellen, in der die Signale für die geradzahligen Harmonischen, die an der zu behandelnden Stelle von den durch den einen fokussierten Ultraschallstrahl erzeugenden Sender ausgesendeten Ultraschallwellen erzeugt werden, durch die Anzahl von Gruppen von Überwachungs-Ultraschallsendern/Empfängern auf­ zunehmen und zu überwachen, wobei die Abbildungen einander überlagert dargestellt werden.

Andererseits ist es auch möglich, wenn nur ein Überwachungs- Ultraschallsender/Empfänger angeordnet wird, eine stichproben­ artige Überwachung mittels Unterbrechungen dadurch auszuführen, daß ein Impulsechobild, das durch Aufnehmen der Echos der selbst ausgesendeten Ultraschallimpulse erhalten wird, während diese festgehalten werden, und eine Abbildung, die die Orientierung und Intensität anzeigt, in der Unterbrechungen der Signale von geradzahligen Harmonischen, die an der zu behandelnden Stelle entstehen, durch das Unterbrechen der Erzeugung der fokussierten Ultraschallwellen in dem diese fokussierte Ultraschallwellen erzeugenden Sender dargestellt wird, wobei die Abbildungen einander überlagert werden.

Zum Beispiel werden, wie in der US-Anmeldung mit der laufenden Nummer 07/3 73 264 (eingereicht am am 27. Juni 1989) beschrieben ist, in vielen Fällen in einem Bereich, in dem Steine zerstört werden, oder einem Bereich, in dem eine Zerstörung von Tumorge­ webe begleitet von dem Zusammenfallen von Kavitationen erfolgt, Schallwellen geradzahliger Harmonischer der fokussierten Ultra­ schallwelle erzeugt. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden diese Harmonischen gerader Ordnung von dem verwendeten Sender zur Erzeugung von fokussierten Ultraschallwellen aufgenommen. Das heißt, daß nicht nur eine Zielfunktion, sondern auch eine kontinuierliche oder stichprobenartige Überwachung der bestrahl­ ten Stelle während der Bestrahlung mit Ultraschall anhand von Abbildungen bewirkt wird, die mittels des Überwachungs-Ultra­ schallsenders/Empfängers mit einer Richtwirkung, durch die eine Abtastung möglich ist, und durch eine Abbildung durch Aufnehmen geradzahliger Harmonischer, die durch die Bestrahlung mit den fokussierten Ultraschallwellen hervorgerufen werden.

Ausführungsformen für die therapeutische Ultraschallvorrichtung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Applikator zum Bestrahlen mit Ultraschallwellen;

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Schaltungsaufbaues der gesamten therapeutischen Ultraschallvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 3 ein Blockschaltbild des Schaltungsaufbaues der gesamten therapeutischen Ultraschallvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;

Fig. 4 ein Wellenformdiagramm zur Darstellung der zeitlichen Beziehungen bei der Aussendung fokussierter Ultraschall­ strahlen bei dem zweiten Ausführungsbeispiel; und

Fig. 5 ein Beispiel für eine Schaltung mit variabler Resonanz, die bei dem zweiten Ausführungsbeispiel verwendet wird.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Querschnitt durch einen Applikator und den Schaltungsaufbau des gesamten therapeutischen Systems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.

Der im Applikator verwendete Sender zum Erzeugen fokussierter Ultraschallwellen besteht aus einer Grundplatte 1 aus Leichtme­ tall, die gleichzeitig zur akustischen Anpassung, als Masseelek­ trode und zur Wärmeableitung dient. An einer Oberfläche der Grundplatte 1 ist eine Anzahl von piezoelektrischen Elementen 2 aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial (das so ausgewählt ist, daß die Resonanzfrequenz gleich 750 kHz ist) angebracht. An der anderen Oberfläche der Leichtmetall-Grundplatte 1 ist ein Wasserbeutel 3, der mit entgastem Wasser gefüllt ist, als aku­ stischer Koppler zu dem Körper 4 eines zu behandelnden Patienten angeordnet. Die Leichtmetall-Grundplatte 1 hat eine konkave sphärische Krümmung, um es zu ermöglichen, daß die Schallwellen auf die betroffene, zu behandelnde Stelle fokussiert werden können und um den Brennpunkt innerhalb des zu behandelnden Be­ reiches unter Verwendung einer so kleinen Anzahl von Wandler­ elementen wie möglich verändern zu können.

Am Applikator sind zwei Überwachungs-Ultraschallsender/Empfänger 5-1 und 5-2 angebracht, um eine Zielfunktion mit fokussierten Ultraschallwellen an der zu behandelnden Stelle und eine konti­ nuierliche Überwachung während der Bestrahlung mit dem fokus­ sierten Ultraschallstrahl mittels einer Ultraschallabbildung möglich zu machen. Jeder der Sender/Empfänger 5-1 und 5-2 be­ steht aus einem arrayförmigen Ultraschallwandler aus zum Bei­ spiel hundert piezoelektrischen Elementen 2, mittels denen eine Ultraschallabbildung durch das echographische Verfahren mit elektronischer Impulsabtastung möglich ist. Über den Sendern/Empfängern 5-1 und 5-2 ist jeweils ein Zahnrad 6-1 bzw. 6-2 so angeordnet, daß es über ein weiteres Zahnrad 8-1 bzw. 8-2, das an einem Drehmotor 7-1 bzw. 7-2 befestigt ist, gedreht werden kann. Die Drehwinkel der Sender/Empfänger 5-1 und 5-2 werden über Drehkodierer 9-1 bzw. 9-2 festgestellt. An den Sendern/Empfängern 5-1 und 5-2 ist darüberhinaus jeweils ein Linearmotor 10-1 bzw. 10-2 angebracht, so daß der Sender/Empfänger als Ganzes auf- und abwärts bewegt werden kann. Der Wert der Auf- und Abwärtsbewegung wird von Linearkodierern 11-1 bzw. 11-2 festgestellt. Der Applikator ist insgesamt an einer Haltevor­ richtung (nicht gezeigt) angebracht, mit der er über einen Arm 12 verbunden ist.

Dieser Applikator, der ein erstes Ausführungsbeispiel darstellt, wird durch die in der Fig. 2 dargestellte Schaltung gesteuert, wie es im folgenden beschrieben wird.

Eine Drehung und eine Verschiebung der Überwachungs-Ultraschall­ sender/Empfänger 5-1 und 5-2 wird durch Ansteuern der Drehmoto­ ren 7-1 und 7-2 und der Linearmotoren 10-1 und 10-2 über Steuer­ schaltungen 16-1 und 16-2 bewirkt, die mit einer Hauptsteuer­ schaltung 20 in Verbindung steht. Die für den Betrieb der Vor­ richtung erforderlichen Befehle werden vom Bediener in die Hauptsteuerschaltung 20 eingegeben. Die Drehwinkel und die Werte für die Verschiebungen nach oben und unten werden erfaßt und zu der Hauptsteuerschaltung 20 zurückgeführt.

Von den Überwachungs-Ultraschallsendern/Empfängern 5-1 und 5-2 werden unter der Steuerung durch eine von der Hauptsteuerschal­ tung 20 angesteuerte Ultraschallimpuls-Sendesteuerung 25 und einen Ultraschallsende/Empfangs-Verstärker 24 Überwachungs- Ultraschallwellen ausgesendet. Von den ausgesendeten Überwa­ chungs-Ultraschallwellen reflektierte Wellen werden von den Sendern/Empfängern 5-1 und 5-2 wieder erfaßt, über den Verstär­ ker 24 an eine Empfangswellen-Abtast- und -Fokussierschaltung 26 gegeben, die von der Hauptsteuerschaltung 20 angesteuert bzw. getriggert wird, und dort in echographische Ultraschallimpuls­ abbildungen umgewandelt. Die echographischen Abbildungen von den Sendern/Empfängern 5-1 und 5-2 werden dann in Bildspeichern 27-1 und 27-2 aufgezeichnet und auf dem Bildschirm 30 einer Anzeige­ vorrichtung 28 als zweidimensionale tomographische Abbildungen 31-1 und 31-2 einander überlagert dargestellt, wie es in der Fig. 2 durch Schraffurlinien mit verschiedenen Richtungen ange­ zeigt wird. Da das Senden/Empfangen der Überwachungs-Ultra­ schallwelle, die Umwandlung in eine echographische Ultraschall­ impulsabbildung und die Darstellung an der Anzeigevorrichtung allgemein bekannt ist, wird auf eine Erläuterung davon hier verzichtet.

Wenn die Sender/Empfänger 5-1 und 5-2 gedreht werden, während die Überwachungs-Ultraschallwellen ausgesendet werden, ist es möglich, innerhalb eines konischen Bereiches, der durch die jeweiligen Abtastwinkel der gebündelten Strahlen bestimmt wird, dreidimensionale Abbildungen zu erstellen. In dem Bereich, in dem diese beiden konischen Bereiche einander überlagert werden, wird eine doppelt überlagerte dreidimensionale Abbildung er­ halten.

Wenn mit diesem Applikator eine Behandlung durchgeführt wird, bewegt ein Arzt den Applikator nach oben in eine Position, die für die Behandlung der betroffenen Stelle geeignet ist, während er die dargestellte Abbildung beobachtet, und fixiert den Appli­ kator dort. Dann gibt er die erforderlichen Befehle an die Hauptsteuerschaltung 20, richtet den Brennpunkt des fokussierten Ultraschallstrahles auf die betroffene Stelle und sendet den fo­ kussierten Ultraschallstrahl versuchsweise mittels einer An­ steuersignal-Berechnungsschaltung 21, einer Element-Ansteuer­ signal-Erzeugungsschaltung 22 und einem Ansteuerverstärker 23 aus. Dabei werden in der Umgebung des Brennpunktes des fokus­ sierten Ultraschallstrahls durch nichtlineare Effekte Harmo­ nische und insbesondere geradzahlige Harmonische hervorgerufen. Diese harmonischen Signale laufen über den gleichen Signalweg und werden der gleichen Verarbeitung unterworfen wie das Ultra­ schallimpuls-Echosignal und dann der echographischen Impulsab­ bildung überlagert dargestellt. Das heißt, daß die Signale für die Harmonischen von den Sendern/Empfängern 5-1 und 5-2 aufge­ nommen werden, durch den Verstärker 24 und die Abtast- und Fokussierschaltung 26 laufen, in den Bildspeichern 27-1 und 27-2 gespeichert und auf dem Bildschirm 30 als einander überlagerte halbe geradlinige bandförmige Abbildungen 32-1 und 32-2 darge­ stellt werden. Wegen der kontinuierlichen und nicht impulsför­ migen Aussendung der fokussierten Ultraschallwellen und der entsprechend kontinuierlichen Erzeugung der Harmonischen erfolgt die Darstellung als halbe geradlinige bandförmige Abbildung. Bei der Verwendung eines einzigen Überwachungs-Ultraschallsenders/Empfängers ist es nicht möglich, die Position der Entstehung der Harmonischen in der Tiefenrichtung festzustellen. Da bei dem vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel zwei Überwachungs-Ultra­ schallsender/Empfänger verwendet werden, wird der Punkt der Entstehung der Harmonischen, das heißt der Brennpunkt der fokus­ sierten Ultraschallstrahlen, als diejenige Position dargestellt und erfaßt, bei der sich die beiden halben geradlinigen band­ förmigen Abbildungen 32-1 und 32-2 in der zweidimensionalen tomographischen Abbildung schneiden.

Der Arzt, der mit dem beschriebenen Gerät die Behandlung be­ wirkt, führt dann, nachdem bestätigt ist, daß die Position, an der Harmonische entstehen, mit der zu behandelnden Stelle über­ einstimmt, die Hauptbestrahlung mit dem fokussierten Ultra­ schallstrahl aus. Wenn die Position, an der die Harmonischen entstehen, nicht mit der zu behandelnden Stelle übereinstimmt, werden die der Hauptsteuereinheit 20 zugeführten Befehle kor­ rigiert und die Bestrahlung wird erneut ausgeführt, nachdem der Brennpunkt des fokussierten Ultraschallstrahls auf elektronische Weise mittels der Ansteuersignal-Berechnungsschaltung 21 rich­ tiggestellt wurde.

Wenn festgestellt wird, daß das Ausmaß der Erzeugung von Harmo­ nischen nicht geeignet, sondern zu klein oder zu groß ist, wird die Größe des Ausgangssignals der Ansteuersignal-Berechnungs­ schaltung 21, das als Intensitätssignal für den fokussierten Ultraschallstrahl dient, auf dem Bildschirm 30 dargestellt, und die Bestrahlung wird erneut ausgeführt, nachdem das diesbezüg­ liche Befehlssignal korrigiert wurde.

Da der so erhaltene Brennpunkt des fokussierten Ultraschall­ strahls während des Aussendens des fokussierten Ultraschall­ strahls kontinuierlich dargestellt wird, kann der Arzt sofort die nötigen Maßnahmen ergreifen, um die Aussendung des fokus­ sierten Ultraschallstrahls zu unterbrechen, wenn der Brennpunkt von der gewünschten Position abweicht oder anderweitig ungeeig­ net wird, wodurch eine sicherere Behandlung möglich ist.

Obwohl es allgemein bekannt ist, wie der Brennpunkt des fokus­ sierten Ultraschallstrahls bestimmt wird, erfolgt hier eine kurze Erläuterung dazu.

Wenn der Mittelpunkt jedes der piezoelektrischen Elemente, die das Array des Senders zur Erzeugung des fokussierten Ultra­ schallstrahls bilden, mit Pn (n = 1, .., N) (N ist hier bei­ spielsweise gleich 100); der vorgesehene Brennpunkt mit F; die Länge des Segmentes mit dn; der ungefähre Wert der Schall­ geschwindigkeit in einem lebenden Körper mit c und die Frequenz des fokussierten Ultraschallstrahls mit f bezeichnet wird, kann die Ultraschallwelle durch Ansteuern der verschiedenen piezo­ elektrischen Elemente mit jeweils einem Ansteuersignal, dessen Phase Φn zum Zeitpunkt t durch die Gleichung

Φn = 2πf(t-dn/c)

gegeben ist, auf den vorgesehenen Brennpunkt F fokussiert werden.

Es werden hier sowohl der Unterschied zwischen der Schallge­ schwindigkeit im Wasserbeutel und derjenigen im lebenden Körper als auch die Verteilung der Schallgeschwindigkeiten in einem lebenden Körper vernachlässigt. Ein Teil oder ein Hauptteil der Abweichung des Brennpunktes F aufgrund der Brechung der Schall­ wellen, die durch die Tatsache erzeugt wird, daß diese nicht Null ist, kann in sich konsistent dadurch korrigiert werden, daß die Bestimmung der Phase bei der Aussendung und dem Empfang der Überwachungs-Ultraschallwelle in der gleichen Weise wie oben bewirkt wird. Das heißt, daß keine Probleme auftreten, da für die Bestrahlung zur Behandlung und für das Aussenden und Empfangen der Ultraschallwellen zur Überwachung die Fehler jeweils in der gleichen Weise entstehen.

Die Berechnungen für die Ansteuerphase Φn werden in der An­ steuersignal-Berechnungsschaltung 21 ausgeführt. Das erhaltene Ergebnis wird zu den Element-Ansteuersignal-Erzeugungsschal­ tungen 22 gegeben, und die einzelnen piezoelektrischen Elemente 2 werden davon über den Ansteuerverstärker 23 angesteuert. Auf diese Weise wird ein elektronisches Brennpunkt-Abtasten mit dem fokussierten Ultraschallstrahl ausgeführt. Wenn zum Beispiel die Tiefe des Brennpunktes verändert werden soll, ist es folglich ausreichend, Befehle zum Ändern der Größe dn in der obigen Gleichung einzugeben.

Bei der ersten Ausführungsform sind die beiden Sender/Empfänger innerhalb des Wasserbeutels angeordnet. Dieser Aufbau ist für die Erfassung von Kavitationen sehr wirkungsvoll, die im Wasser­ beutel erzeugt werden. Wenn jedoch beabsichtigt ist, nur Kavi­ tationen zu erfassen, die im Körper des zu behandelnden Patien­ ten erzeugt werden, ist ein Aufbau günstiger, bei dem die Sen­ der/Empfänger außerhalb des Wasserbeutels angeordnet sind. Alternativ wäre es auch möglich, einen Aufbau zu verwenden, bei dem überhaupt kein Wasserbeutel verwendet wird.

Um eine Abbildung darzustellen, die zur leichteren Beobachtbar­ keit von einer Anzahl von Ultraschallsendern/Empfängern 5 er­ zeugt wird, ist es darüberhinaus günstig, eine Farbdarstellung zu verwenden und dabei die verschiedenen Farbtöne den Abbil­ dungssignalen von den verschiedenen Ultraschallsendern/Empfän­ gern zuzuordnen.

Es wird nun eine zweite Ausführungsform der Ultraschallvorrich­ tung erläutert. Der Applikator dieser Ausführungsform enthält nur ein Abbildungssystem mit einem Überwachungs-Ultraschall­ sender/Empfänger. Der Aufbau ist im wesentlichen identisch mit dem in der Fig. 1 gezeigten Aufbau, mit der Ausnahme, daß die den Überwachungs-Ultraschallsender/Empfänger 5-2 betreffenden Teile wegfallen und die den Sender/Empfänger 5-1 betreffenden Teile im mittleren Abschnitt des einen fokussierten Ultraschall­ strahl erzeugenden Senders im Applikator angeordnet sind. Auch bei der zweiten Ausführungsform besteht der den fokussierten Ultraschallstrahl erzeugende Sender aus der Grundplatte 1 aus Leichtmetall, die gleichzeitig zur akustischen Anpassung, als Masseelektrode und zur Wärmeableitung dient, an deren einer Seite eine Anzahl von piezoelektrischen Elementen 2 aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial (mit einer Resonanzfrequenz von 750 kHz) angebracht ist.

Die Fig. 3 ist ein Blockschaltbild des Schaltungsaufbaues für die therapeutische Ultraschallvorrichtung der zweiten Ausfüh­ rungsform. In der Fig. 3 sind diejenigen Teile, die die gleiche Funktion haben wie in der Fig. 2, auch mit den gleichen Bezugs­ zeichen bezeichnet. Wie aus einem Vergleich ersichtlich ist, ist bei der zweiten Ausführungsform nur ein Abbildungssystem für den einen Überwachungs-Ultraschallsender/Empfänger vorhanden. Das Abbildungssystem besteht demnach aus der Ultraschallimpuls- Sendesteuerung 25, die von der Hauptsteuerung 20 angesteuert wird; dem Überwachungs-Ultraschallsender/Empfänger 5, der mit­ tels des Ultraschallsende/Empfangs-Verstärkers 24 Überwachungs- Ultraschallwellen aussendet; die Empfangswellen-Abtast- und Fokussiereinrichtung 26, die die von der ausgesendeten Überwa­ chungs-Ultraschallwelle reflektierten Wellen über den Sender/Empfänger 5 erhält und sie, angesteuert von dem Verstärker 24 und der Hauptsteuerung 20, in eine echographische Ultraschall­ impulsabbildung umwandelt, und ist somit einfacher. Wie bei der ersten Ausführungsform wird die über die aufgenommenen reflek­ tierten Wellen des Überwachungs-Ultraschalles erhaltene Abbil­ dung auf dem Bildschirm 30 der Anzeigevorrichtung 28 darge­ stellt, wie es durch die Schraffur 31 angezeigt wird.

Die für den Betrieb erforderlichen Befehle werden über die Hauptsteuerung 20 eingegeben, um den Brennpunkt des fokussierten Ultraschallstrahls auf die betroffene Stelle auszurichten. Zu der Bestrahlungsvorrichtung für den fokussierten Ultraschall, der aus den den fokussierten Ultraschall aussendenden piezoelek­ trischen Elementen 2 besteht, die von der Ansteuersignal-Berech­ nungsschaltung 21, der Element-Ansteuersignal-Erzeugungsschal­ tungen 22 und den Ansteuerverstärkern 23 angesteuert werden, ist eine Schaltung 14 variabler Resonanz hinzugefügt. Wie noch be­ schrieben wird, ist diese Anordnung dafür vorgesehen, den fokus­ sierten Ultraschallstrahl in Impulsform auszusenden; die in der Umgebung des Brennpunktes des fokussierten Ultraschallstrahls erzeugten Harmonischen gerader Ordnung durch den Überwachungs- Ultraschallsender/Empfänger 5 aufzunehmen; die so erhaltene Abbildung der echographischen Impulsabbildung überlagert dar­ zustellen und die Position des Brennpunktes in der Tiefenrich­ tung zu erfassen.

Die Fig. 4 ist eine Darstellung der Wellenformen und ihrer zeitlichen Beziehungen beim Aussenden des fokussierten Ultra­ schallstrahles bei der zweiten Ausführungsform.

Wie bei 4(a) gezeigt, wird die Abbildung und die Zielfunktion durch den impulsförmigen Ultraschall während einer Zeitperiode von einem Zeitpunkt t1 bis zu einem weiteren Zeitpunkt t2 be­ wirkt. Danach wird der fokussierte Ultraschallstrahl kontinuier­ lich von einem Zeitpunkt t3 bis zu einem Zeitpunkt t4 ausgesen­ det. Danach wird von einem Zeitpunkt t5 bis zu einem Zeitpunkt t6 eine erneute Abbildung und Zielfunktion durch den impulsför­ migen Ultraschall bewirkt. Anschließend wird zu einem Zeitpunkt t7 wieder die kontinuierliche Aussendung des fokussierten Ultraschallstrahls gestartet. Der gleiche Vorgang wird für die erforderliche Bestrahlungszeit wiederholt.

Vor dem kontinuierlichen Aussenden des fokussierten Ultraschall­ strahles wird somit der Brennpunkt des fokussierten Ultraschall­ strahles in der Tiefenrichtung in der zweidimensionalen tomo­ graphischen Abbildung durch Aussenden und Empfangen des puls­ förmigen fokussierten Ultraschalls bestätigt. Wenn der Brenn­ punkt falsch liegt, wird er nach der Eingabe von Befehlen zur Einstellung des Brennpunktes und der erneuten Berechnung der Ansteuerphase durch die Ansteuersignal-Berechnungsschaltung 22 zur Korrektur des Brennpunktes durch erneutes Aussenden und Empfangen des impulsförmigen fokussierten Ultraschalls über­ prüft. Nach dem Beginn der kontinuierlichen Aussendung wird diese kontinuierliche Aussendung nach einer vorgegebenen Zeit­ dauer unterbrochen, um den Brennpunkt des fokussierten Ultra­ schallstrahls durch Aussenden und Aufnehmen des impulsförmigen Ultraschalls zu überprüfen. Wenn dabei festgestellt wird, daß der Brennpunkt nicht mehr richtig liegt, wird ähnlich wie vor dem Beginn der Aussendung nach der Eingabe von Befehlen zur Korrektur des Brennpunktes die Lage des Brennpunktes wieder durch Aussenden und Aufnehmen des impulsförmigen fokussierten Ultraschalls überprüft.

Die Abbildung durch Aussenden und Empfangen der impulsförmigen Ultraschallwelle wird auf der Basis eines Prinzips ausgeführt, das im wesentlichen mit dem Abbildungsprinzip des Impulsecho­ verfahrens identisch ist, das für therapeutische Ultraschall­ verfahren weit verbreitet ist. Die impulsförmige Ultraschall­ welle wird dabei synchron zur Aussendung einer impulsförmigen Ultraschallwelle des therapeutischen Systems von dem Überwa­ chungs-Ultraschallsender/Empfänger 5 ausgesendet, um die Ziel­ funktion mit dem fokussierten Ultraschallstrahl möglich zu machen.

Mit Bezug zu der Fig. 4 wird dieser Vorgang genauer erläutert. Bei 4(b) und 4(c) sind die Aussendezeiten für die impulsförmige Ultraschallwelle von dem einen fokussierten Ultraschallstrahl erzeugenden Sender bzw. von dem Überwachungs-Ultraschallsender/Empfänger mit vergrößerter Zeitskala dargestellt, während bei 4(d) bis 4(f) Übertragungs-Wellenformen (der akustische Druck) zu den jeweiligen Zeitpunkten mit vergrößerter Zeitskala gezeigt sind. Da die Sendefronten des Senders für den fokussierten Ultraschallstrahl und des Überwachungs-Ultraschallsenders/Emp­ fängers im allgemeinen nicht koplanar sind, wie es in der Fig. 1 gezeigt ist, läuft die von dem Sender für den fokussierten Ultraschallstrahl ausgesendete impulsförmige Ultraschallwelle mit einer vorgegebenen Zeitverzögerung td durch die Position, die der Sendefront des Überwachungs-Ultraschallsenders/Empfän­ gers entspricht, wie es bei 4(e) gezeigt ist. Da diese Zeitver­ zögerung td auf der Basis des Aufbaues des Systems bestimmt werden kann, wird die abbildende impulsförmige Ultraschallwelle relativ hoher Frequenz von dem Überwachungs-Ultraschallsender/Empfänger unter Berücksichtigung dieser Zeitverzögerung ausge­ sendet, wie es bei 4(f) dargestellt ist. Wie aus einem Vergleich der Fig. 4(e) und 4(f) hervorgeht, ist es wünschenswert, daß der akustische Druck der impulsförmigen Ultraschallwelle, die von dem Sender für den fokussierten Ultraschallstrahl ausgesendet wird, und der akustische Druck der abbildenden impulsförmigen Ultraschallwelle, die von dem Überwachungs-Ultraschallsender/Empfänger ausgesendet wird, zur gleichen Zeit am größten sind.

Wenn die Sende/Empfangsrichtung der abbildenden impulsförmigen Ultraschallwelle mit der Richtung des Brennpunktes des fokus­ sierten Ultraschallstrahls übereinstimmt, erreichen der aus­ gesendete impulsförmige fokussierte Ultraschallstrahl und die abbildende impulsförmige Ultraschallwelle nahezu gleichzeitig die Umgebung des Brennpunktes der fokussierten akustischen Welle, und ein Teil der Energie der impulsförmigen Ultraschall­ welle, die zu einer hohen Intensität fokussiert wurde, wird durch nichtlineare Phänomene in Harmonische umgewandelt, die im Frequenzband der abbildenden Ultraschallwelle liegen. Diese Harmonischen haben in der Nähe des Brennpunktes des fokussierten Ultraschallstrahls die höchste Intensität, und sie werden durch Streustellen in der Umgebung des Brennpunktes des fokussierten Ultraschallstrahles ungefähr zur gleichen Zeit gestreut wie die abbildende impulsförmige Ultraschallwelle. Die gestreuten Ultra­ schallwellen werden des weiteren nahezu gleichzeitig vom Über­ wachungs-Ultraschallsender/Empfänger 5 empfangen und in die Abtast- und Fokusssierschaltung 26 gegeben, wo sie wie das abbildende Impulsechosignal behandelt werden. Es wird folglich ein Empfangssignal erhalten, bei dem ein Signal, das auf den Harmonischen des impulsförmigen fokussierten Ultraschallstrahls beruht, dem gewöhnlichen Abbildungs-Impulsechosignal vom Aussen­ den/Empfangen durch den Überwachungs-Ultraschallsender/Empfänger an der der Brennweite des fokussierten Ultraschallstrahles ent­ sprechenden Position überlagert ist.

Auf diese Weise wird eine Abbildung, die die Position anzeigt, an der durch den fokussierten Ultraschallstrahl Harmonische er­ zeugt werden, in einem Zustand erhalten, bei dem diese Abbildung der echographischen Impulsabbildung 31 überlagert ist, wie es in der Fig. 3 gezeigt ist. Die Linie 41 in der Fig. 3 gibt die Position der Rotationsachse des Überwachungs-Ultraschallsenders/Empfängers 5 an. Sie wird nicht besonders erläutert, da sie leicht dadurch erhalten werden kann, daß ein Signal abgegeben wird, das deren Position entspricht, um sie auf dem Bildschirm zu erzeugen.

Wenn nun die Abtastebene des Sendens/Empfangens der abbildenden Ultraschallwelle diejenige Position, an der die Harmonischen durch den fokussierten Ultraschallstrahl in der Umgebung von dessen Brennpunkt erzeugt werden, nicht einschließt, erscheinen diese Harmonischen nicht auf dem Bildschirm. Der Bediener kann dann die Position der Rotationsachse des Überwachungs-Ultra­ schallsenders/Empfängers verändern oder diesen drehen, bis die Harmonischen des fokussierten Ultraschallstrahles auf dem Bild­ schirm erscheinen, um die richtige Position der Bestrahlung zu erfahren.

Die von der Erzeugung der Harmonischen durch den fokussierten Ultraschallstrahl begleitete Abbildung ist während des kontinu­ ierlichen Aussendens des fokussierten Ultraschallstrahles band­ förmig, wie es bei 31-1 oder 31-2 in der Fig. 2 gezeigt ist, und es ist nicht möglich, die Position, bei der die Harmonischen erzeugt werden, in der Tiefenrichtung zu erkennen.

Bei der vorliegenden zweiten Ausführungsform ist es dagegen möglich, die Position, an der die Harmonischen entstehen, in der Tiefenrichtung dadurch zu erkennen, daß die Aussendung des fo­ kussierten Ultraschallstrahles, die ursprünglich kontinuierlich erfolgt, in Impulsform oder in einer stichprobenartigen Weise erfolgt. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, das Aussenden des fokussierten Ultraschallstrahles durch die piezoelektrischen Elemente 2 entweder in Impulsform oder kontinuierlich durchzu­ führen, und die dafür erforderliche Vorrichtung ist die zusätz­ liche Schaltung 14 variabler Resonanz.

Die Fig. 5 zeigt die Schaltung 14 variabler Resonanz, die je­ weils zwischen den Ansteuerverstärker 23 und die piezoelektri­ schen Elemente 2 geschaltet ist. Die Schaltung 14 besteht aus einem Resonanzkreis mit einer Induktanz 50 und einer Kapazitanz 51, einem Kurzschlußkreis 55, der diesen Resonanzkreis über­ brückt, und Schaltern 52 und 53 zur Auswahl eines der Kreise. Die Schalter 52 und 53 werden durch ein Signal von der Ansteuer­ signal-Berechnungsschaltung 21 umgeschaltet. Das heißt, daß die Schalter an einer Anschlußseite "a" so verbunden sind, daß für die Zeitperioden t1-t2 oder t5-t6 bei der Aussendung des impuls­ förmigen fokussierten Ultraschallstrahles der Resonanzkreis überbrückt ist, wodurch den Impulseigenschaften Bedeutung zuge­ messen wird. Während des kontinuierlichen Aussendens des fokus­ sierten Ultraschallstrahles sind die Schalter an der Anschluß­ seite "b" verbunden, so daß der Resonanzkreis 50, 51 einge­ schlossen ist, wodurch der Leistung mehr Bedeutung zugemessen wird. Folglich wird die Ansteuerung der piezoelektrischen Elemente 2 mit Eigenschaften bewirkt, die für jeden der Fälle geeignet sind, Aussenden eines impulsförmigen fokussierten Ultraschallstrahles und kontinuierliches Aussenden des fokus­ sierten Ultraschallstrahles.

Wie beschrieben ist es erfindungsgemäß demnach möglich, eine therapeutische Vorrichtung zu schaffen, bei der anhand einer Abbildung leicht bestätigt werden kann, daß der fokussierte Ultraschallstrahl korrekt auf die zu behandelnde Stelle ge­ richtet ist, und als Ergebnis ist es möglich, die Behandlung sicherer zu machen.

Claims (7)

1. Therapeutische Ultraschallvorrichtung mit

• - einem Ultraschallsender mit Fokussiereinrichtung; und mit
• - wenigstens einem Überwachungs-Ultraschallsender/Empfänger (5-1, 5-2) mit Richtwirkung, der ausgerichtet werden kann; dadurch gekennzeichnet, daß eine Position, an der Signale von Harmonischen erzeugt werden, durch das überlagerte Darstellen einer echographischen Abbildung einer impulsförmigen Ultra­ schallwelle, die von den Überwachungs-Ultraschallsender/Emp­ fängern (5-1, 5-2) ausgesendet wird, und einer echographischen Abbildung der Signale für die Harmonischen der Ultraschallwelle, die von dem Ultraschallsender mit Fokussiereinrichtung ausgesen­ det wird, angezeigt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens zwei Überwachungs-Ultraschallsender/Empfänger (5-1, 5-2), so daß die Position, an der Harmonische erzeugt werden, als Schnitt­ punkt der echographischen Abbildungen (32-1, 32-2) der Signale für die Harmonischen der fokussierten Ultraschallwelle mittels der beiden Überwachungs-Ultraschallsender/Empfänger dargestellt werden kann.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Schaltung (14), durch die der Sende-Ausgangspegel des Ultra­ schallsenders mit Fokussiereinrichtung geändert werden kann, und durch eine Einrichtung zum Anzeigen des Sende-Ausgangspegels.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung eine Einrichtung zum Verändern des Brenn­ punktes einschließt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Position, an der Harmonische erzeugt werden, durch eine echo­ graphische Abbildung dargestellt werden kann, die von Signalen für Harmonische gebildet wird, die auf der vom Ultraschallsender mit Fokussiereinrichtung ausgesendeten Ultraschallwelle beruhen, wenn die Ultraschallwelle durch den Ultraschallsender mit Fokussiereinrichtung in Impulsform ausgesendet wird.

6. Therapeutische Ultraschallvorrichtung, gekennzeichnet durch

• - einen Sender zur Erzeugung einer fokussierten Ultraschall­ welle, der als Applikator dient, der mit einer Anzahl von piezoelektrischen Elementen (2) aus piezoelektrischem Keramik­ material an einer Seite einer Grundplatte (1) aus Leichtmetall versehen ist, die gleichzeitig zur akustischen Anpassung, als Masseelektrode und zur Wärmeableitung dient und die eine konkave sphärische Krümmung hat;
• - zwei Überwachungs-Ultraschallsendern/Empfängern (5-1, 5-2), die am Applikator angebracht sind;
• - eine Einrichtung (6-1, 6-2, 7-1, 7-2, 8-1, 8-2, 10-1, 10-2) zum Steuern einer Drehung und einer Auf- und Ab-Bewegung der Überwachungs-Ultraschallsender/Empfänger;
• - eine Hauptsteuerschaltung (20) für die Aufnahme von Befehlen für den Betrieb der Vorrichtung, die von einem Bediener gege­ ben werden, und zum Erzeugen der erforderlichen Signale;
• - wobei die Überwachungs-Ultraschallsender/Empfänger von einer Ultraschallimpulssteuerschaltung, die ihrerseits von der Hauptsteuerschaltung ausgelöst wird, und von einem Ultra­ schallsende/Empfangsverstärker (24) in Abhängigkeit von der Ultraschallimpulssteuerschaltung angesteuert werden;
• - eine Empfangswellen-Abtast- und -Fokussierschaltung (26), die von der Hauptsteuerschaltung (20) angesteuert wird und die von der ausgesendeten Überwachungs-Ultraschallwelle reflektierte Wellen aufnimmt und sie in echographische Ultraschallimpuls­ darstellungen umwandelt;
• - Bildspeichern (27-1, 27-2) zum Aufzeichnen der echographischen Ultraschallimpulsabbildungen; und durch
• - eine Anzeigeeinrichtung zum Erzeugen einer Abbildung in Abhän­ gigkeit vom Inhalt der Bildspeicher.

7. Therapeutische Ultraschallvorrichtung, gekennzeichnet durch

• - einen Sender zur Erzeugung einer fokussierten Ultraschall­ welle, der als Applikator dient, der mit einer Anzahl von piezoelektrischen Elementen (2) aus piezoelektrischem Keramik­ material an einer Seite einer Grundplatte (1) aus Leichtmetall versehen ist, die gleichzeitig zur akustischen Anpassung, als Masseelektrode und zur Wärmeableitung dient und die eine konkave sphärische Krümmung hat;
• - einen Überwachungs-Ultraschallsender/Empfänger, der am Appli­ kator angebracht ist;
• - eine Einrichtung zum Steuern einer Drehung und einer Auf- und Ab-Bewegung des Überwachungs-Ultraschallsenders/Empfängers;
• - eine Hauptsteuerschaltung (20) für die Aufnahme von Befehlen für den Betrieb der Vorrichtung, die von einem Bediener gege­ ben werden, und zum Erzeugen der erforderlichen Signale;
• - wobei der Überwachungs-Ultraschallsender/Empfänger von einer Ultraschallimpulssteuerschaltung, die ihrerseits von der Hauptsteuerschaltung ausgelöst wird, und von einem Ultra­ schallsende/Empfangsverstärker (24) in Abhängigkeit von der Ultraschallimpulssteuerschaltung angesteuert wird;
• - eine Empfangswellen-Abtast- und -Fokussierschaltung (26), die von der Hauptsteuerschaltung (20) angesteuert wird und die von der ausgesendeten Überwachungs-Ultraschallwelle reflektierte Wellen aufnimmt und sie in echographische Ultraschallimpuls­ darstellungen umwandelt;
• - einem Bildspeicher (27) zum Aufzeichnen der echographischen Ultraschallimpulsabbildungen; und durch
• - eine Anzeigeeinrichtung zum Erzeugen einer Abbildung in Abhän­ gigkeit vom Inhalt der Bildspeicher;
• - wobei die fokussierte Ultraschallwelle intermittierend in stichprobenartiger Weise ausgesendet wird.