DE69026137T2

DE69026137T2 - Ultraschallführungssystem für einen Katheter

Info

Publication number: DE69026137T2
Application number: DE69026137T
Authority: DE
Inventors: Fleming J Dias
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1989-05-16
Filing date: 1990-01-10
Publication date: 1996-10-24
Anticipated expiration: 2010-01-11
Also published as: EP0397960A1; DE69026137D1; US5217018A; EP0397960B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschall-Führungssystem für einen Katheter und ein Verfahren zum Koppeln von akustischer Energie eines Ultraschall-Führungssystems für einen Katheter in eine optische Faser. Die vorliegende Erfindung umfaßt sowohl eine Einrichtung, welche akustische Energie in optische Fasern einkoppeln kann, als auch ein neues Verfahren zum Lokalisieren des distalen Endes dieser Fasern.
Während einer chirurgischen Operation kann es notwendig werden, einen Katheter oder eine Nadel in einen Patienten einzusetzen, um eine Biopsie durchzuführen oder um eine Aspiration oder Drainage vorzusehen. Der Chirurg muß die genaue Position dieser Sonde innerhalb des Körpers kennen. Die Position der Sonde wird sichtbar gemacht, indem Ultraschallenergie auf den Patienten gerichtet wird und indem dann die Ultraschallreflektionen erfaßt werden, die von dem Katheter oder der Nadel abprallen. Während der vergangenen Dekaden haben sich Chirurgen auf echogene Eigenschaften der Werkstoffe verlassen, welche zum Herstellen von Kathetern und chirurgischen Nadeln verwendet werden, um die Position einer solchen Sonde in dem Körper oder einem Blutgefäß sichtbar zu machen. Die Echogenizität einer Nadel kann verbessert werden, indem die Außenfläche der Nadel aufgerauht wird oder indem eine geeignete Beschichtung aufgebracht wird. Die Reflektivität dieser Sonden kann auch verbessert werden, indem ihr Durchmesser vermindert wird oder indem Luft oder Wasser durch ihre Zentren injiziert wird. Diese Verfahren zum Erzielen einer besseren Echogenizität werden jedoch von erheblichen Beschränkungen begleitet. Das Einkerben einer Nadel zum Beispiel optimiert deren Fähigkeit, Ultraschallechos zu erzeugen, das Einkerben vermindert jedoch auch die Stärke der Nadel.
Weitere frühere Versuche, die Möglichkeiten des Chirurgen zu verbessern, die Spitze einer Sonde oder Nadel in einem Patienten sichtbar zu machen, umfassen die Verwendung eines aktiven Bauteils, das bei der Spitze des Katheters angeordnet ist. Dieser modifizierte Katheter schließt einen Metalldraht ein, der elektrische Energie von einer außen liegenden Quelle zu dessen entfernten oder distalen Ende innerhalb des Körpers leitet. An der Spitze des entfernten Endes des Katheters ist ein aktiver Ultraschallwandler befestigt, der akustische Energie aussendet. Diese Energie wird von einem Sensor empfangen, der auf der Haut des Patienten sitzt. Diese Art von Einrichtung wurde auch dazu verwendet, die Position einer Metallnadel zu erfassen, welche während einer chirurgischen Operation als eine Bezugsposition dient, nachdem sie in den Körper des Patienten eingeführt wurde. Dieser Katheter kann jedoch gefährlich sein, weil er elektrischen Strom in den Körper überträgt. Viele innere Organe, einschließlich das Herz und das Gehirn, können durch elektrische Streuströme beschädigt werden. Eine weitere wenig attraktive Eigenschaft dieser Einrichtung ist deren hohe Kosten. Da jeder Katheter und der komplizierte elektronische Wandler, den er enthält, nur einmal verwendet und dann weggeworfen werden, ist der Einsatz dieser Einrichtung sehr teuer.
Die WO-A-87/1269 "Method for ultrasound examination and ultrasonic conductor for carrying out the method" offenbart das Einkoppeln von Ultraschall in einen Ultraschalleiter über einen Wandler zum Abbilden der inneren menschlichen Organe. Der Ultraschalleiter aus homogenen Material (Kunststoff, Metall oder Glas) besteht aus mehr als einer Faser. Die beschriebene Einrichtung überträgt das Ultraschallfeld direkt in die menschlichen Organe, welche betrachtet werden sollen. Der Ultraschalleiter überträgt das Ultraschallsignal und empfängt dann den von dem Organ reflektierten Ultraschall. Das empfangene reflektierte Signal wird zurück zu dem entfernten Wandler geleitet. Die Verarbeitung des reflektierten Ultraschallsignals erzeugt ein Bild des inneren Organs.
In Acoustic Fibers (IEEE, Oktober 1987, Ultraschall Symposium) werden Schubwellen- und Längswellengeschwindigkeiten durch plattierte akustische Fasern erörtert. Dieses Papier enthält die Berechnung von akustischen Wellengeschwindigkeiten der Fasern, welche mehrere unterschiedliche Fasergeometrien aufweisen. Die Zusammensetzung unterschiedlicher Glasfasern und die entsprechenden Wellengeschwindigkeiten werden erörtert. Ferner werden Wandler und die Einkopplung von Ultraschall in Glasfasern erörtert. Genannt ist auch die Verbindung der Faser mit der PZT-Platte (PZT=Blei-Zirkonat-Titan) mittels einer Epoxidverbindung.
Die US-A-4 743 870 "Longitudinal Mode Fiber Acoustic Waveguide with Solid Core and Solid Cladding" offenbart die Ausbreitung von akustischen Wellen durch einen elastischen Wellenleiter, der aus einem Kernbereich und einem äußeren Mantelbereich besteht. Diese Druckschrift beschreibt die Ausbreitung von Längswellen durch den Wellenleiter. Unterschiedliche Wandlerkonfigurationen zum Einkoppeln von Ultraschall in den Wellenleiter werden erörtert, alle der erörterten Wandler erzeugen jedoch Längswellen innerhalb des Wandlers selbst.
Die EP-A-83 973 "Ultrasound Probe Locator" beschreibt ein Verfahren zum Ermitteln der Position einer Nadelsonde innerhalb des Körpers. Die Nadel enthält einen Kanal zum Übertragen von Ultraschallenergie. Die Ultraschallenergie wird in die Nadel über einen piezoelektrischen Wandler eingekoppelt. Der Kanal in der Nadel wird über Ultraschall mit wenigstens einem Wandler außerhalb des Körpers gekoppelt. Wenn mehrere Wandler außerhalb der Körperoberfläche vorgesehen sind, kann der Wandler in Verbindung mit einer Steuereinrichtung die Folge von Ultraschallimpulsen decodieren, um die Position der Sonde zu ermitteln sowie die Stelle, wo sie als nächstes positioniert werden soll. Die einzigen Teile der Einrichtung, welche in den Körper eindringen und/oder ihn kontaktieren, sind elektrisch passiv.
Das Problem, ein präzises und zuverlässiges Verfahren zum Visualisieren oder Sichtbarmachen eines Katheters vorzusehen, bei dem keine Gefahr besteht, elektrische Streuströme in den Körper einzuführen, stellte auf dem Gebiet der medizinischen Abbildung eine große Herausforderung an die Entwickler dar. Die Entwicklung eines Verfahrens und einer Vorrichtung, welche die präzise Position eines solchen Instrumentes innerhalb des Körpers ermitteln, würde einen großen technologischen Fortschritt darstellen. Die verbesserte Leistung, welche bei Einsatz eines solchen innovativen Systems erreicht werden könnte, würde ein seit langem bestehendes Bedürfnis auf dem medizinischen Gebiet erfüllen, und sie würde es den Ärzten ermöglichen, besser für ihre Patienten zu sorgen.
Das Ultraschall-Führungssystem für einen Katheter überwindet die Unzulänglichkeiten, die Gefahren und Schwierigkeiten, welche bei den früher vorhandenen medizinischen Führungseinrichtungen angetroffen werden. Die vorliegende Erfindung nutzt eine neue Technik zum Einkoppeln von Ultraschallenergie in eine optische Faser aus, die in einem Blutgefäß eines Körpers eines Patienten eingesetzt werden kann. Obwohl die optische Faser normalerweise dazu verwendet wird, Licht von einem Ort zu einem anderen zu übertragen, eignet sie sich auch außerordentlich gut für diese neue Kombination. Der Einsatz optischer Fasern ist sicher, weil sie akustische Energie direkt in den Körper ohne Metalldrähte übertragen, welche gefährliche elektrische Ströme gefährlich nahe zu empfindlichen Organen, wie dem Herz und dem Gehirn, führen können. Da die optische Faser keine komplizierten Wandler benötigt, um in dem Körper elektrische Energie in Schallwellen umzuwandeln, kann sie ohne weiteres weggeworfen werden und ist ausgesprochen kostengünstig. Die optische Faser überträgt Ultraschall hoher Intensität zu der genauen Position innerhalb des Patienten und lokalisiert die Position der Katheterspitze, wo die Abgabe der Schallenergie genau gesteuert werden kann. Eine Abbildungssonde, die außerhalb des Körpers liegt, erfaßt die Position der Spitze durch übliche Abbildungsverfahren.
Die vorliegende Erfindung umfaßt einen Wandler, der präzise auf einem dünnen Körper (slab) aus einem piezoelektrischen Werkstoff positioniert ist, welcher akustische Ultraschall- Oberflächenwellen erzeugt, die sich auf der Oberfläche oder innerhalb der Masse des Körpers ausbreiten. Der Wandler kann aus einer Gruppe der vielen neuen alternativen Konfigurationen ausgewählt werden, die unten offenbart und in den Zeichnungen gezeigt sind. Die Betriebsleistung und -frequenz der Abbildungseinrichtung kann durch Ändern der Konfiguration der Wandler vorgegeben werden. Eine oder mehrere optische Fasern sind an dem dünnen Körper befestigt, um eine maximale Übertragung von akustischer Energie in die optischen Fasern zu gewährleisten. Eine beliebige Anzahl von Wandlern kann zusammengefaßt werden, um eine Anordnung von Wandlern zu bilden, welche an Kundenwünsche angepaßte Eingangs-Schallwellen für eine oder mehrere Fasern vorsehen können. Die vorliegende Erfindung umfaßt auch ein neues akustisches Fenster, das an dem entfernten Ende der optischen Faser ausgebildet wird. Dieses akustische Fenster erleichtert die genaue Richtungssteuerung und die effiziente Übertragung von Energie von dem Ende der Faser, welches in dem Patienten liegen wird. Das Fenster kann auf verschiedene neue und praktische Arten angeordnet werden, welche unten angegeben sind.
Die beanspruchten neuen Verfahren zum Führen von Ultraschall verwenden die Einrichtung, die auf der Entwicklung einer wirksamen Schnittstelle des Erfinders beruht, welche die Sicherheit einer passiven Ultraschallquelle mit der Intensität einer aktiven Quelle kombiniert. Dadurch, daß keine komplexen, teuren und potentiell gefährlichen elektrischen Mechanismen in den Körper eines Patienten eingebracht werden, und indem mehrere der unten beschriebenen Strukturen zum Leiten von Ultraschall verwendet werden, können Einrichtungen für die intravaskulare (gefäßinterne) Sichtbarmachung des Ausmaßes der Stenose an den Innenwänden der Blutgefäße entwickelt werden.
Das in dieser Patentanmeldung beschriebene und beanspruchte Ultraschall-Führungssystem für einen Katheter schafft ein leistungsfähiges Werkzeug, mit dem Chirurgen und Medizintechniker einen Katheter mit großer Genauigkeit innerhalb des Körpers positionieren können. Diese Erfindung ermöglicht Ärzten, Gebrechen zu erkennen, Krankheiten zu behandeln und risikofreie Operationen mit früher nicht erreichbarer Präzision und Effektivität durchzuführen. Das Ultraschall-Führungssystem für einen Katheter bildet einen wichtigen Schritt vorwärts für die medizinische Profession.
Eine Würdigung weiterer Ziele und Aufgaben der vorliegenden Erfindung und ein vollständigeres und besseres Verständnis dieser Erfindung kann durch das Studium der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und durch Bezugnahme auf die Zeichnung erreicht werden.
Fig. 1(a) und 1(b) sind Diagramme, die einen Querschnitt und eine Draufsicht auf einen Körper aus piezoelektrischem Material wiedergeben, der akustische Energie leiten kann. Diese Figuren zeigen die Ausbreitung von Ultraschallwellen von einem Wandler in den Körper.
Fig. 2(a) ist eine Draufsicht auf einen Körper, wie der in Fig. 1 gezeigte.
Fig. 2(b) und 2(c) sind Seitenansichten von zwei Ausführungsformen der Erfindung, welche zwei Konfigurationen zum Einkoppeln von akustischer Energie in eine optische Faser darstellen.
Fig. 3 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen L, d und λR zeigt. Diese drei Parameter bestimmen die optimale Konfiguration des Körpers und des Wandlers, welche die beste Übertragung von Energie in die Faser bei einer gegebenen Mittenfrequenz gewährleisten.
Fig. 4(a) ist eine Draufsicht auf einen Körper, der einen Interdigitalwandler mit mehreren Leitern trägt, welcher mit einem Signalgenerator verbunden ist.
Fig. 4(b) ist eine Seitenansicht desselben Körpers, welcher mit einer optischen Faser verbunden wurde.
Fig. 5 ist eine Draufsicht auf einen Interdigitalwandler mit einem gebogenen metallisierten Streifen.
Fig. 6 ist eine Teilansicht der Epoxidverbindung, welche die optische Faser mit dem Körper verbindet.
Fig. 7 ist eine Draufsicht auf eine optische Faser, die mit einem Körper bei dem Fokus eines gebogenen Wandlers verbunden ist, welcher radiale Elektroden aufweist.
Fig. 8 ist eine perspektivische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, welche eine optische Faser zeigt, die in einer in dem Körper ausgebildeten Rille sitzt.
Fig. 9 zeigt eine Draufsicht auf eine Anordnung mit mehreren Wandlern, die aus einem einzelnen Körper mit entsprechenden Rillen bei deren Fokussen ausgebildet ist.
Fig. 10 zeigt eine Seitenansicht einer modifizierten optischen Faser, welche sowohl den Kernteil als auch den Mantelteil der Faser zeigt.
Fig. 11 ist eine Schnittdarstellung mit Sicht auf das Ende der in Fig. 10 gezeigten Faser.
Fig. 12 ist eine Teilschnittdarstellung einer linearen Anordnung von akustischen Fenstern.
Fig. 13 ist eine Teilschnittdarstellung einer gekrümmten Anordnung von akustischen Fenstern.
Fig. 14 ist eine Schnittdarstellung einer rechteckigen Anordnung von akustischen Fenstern.
Fig. 15 ist eine schematische Wiedergabe eines früheren passiven Abbildungssystems, welches einen Fragestrahl verwendet.
Fig. 16 ist eine schematische Darstellung eines früheren aktiven Abbildungssystems, das eine Elektrode am distalen Ende eines Katheters zur Bestrahlung eines Körpers verwendet.
Fig. 17 ist ein schematisches Diagramm eines früheren Transponder- und Impulserzeuger-Abbildungssystems.
Fig. 18 zeigt eine Darstellung der vorliegenden Erfindung, in der ein Ultraschallwandler mit einer optischen Faser gekoppelt ist.
Fig. 19 zeigt die vorliegende Erfindung mit weiteren Einzelheiten, wobei man sieht, daß ein Bündel aus optischen Fasern in einem Katheter eingeschlossen ist und mit einem Wandler über eine Kopplungsperle verbunden ist.
Fig. 20(a) und (b) zeigen Seitenansichten der vorliegenden Erfindung, bei denen die optische Faser mit teilweise freigelegtem Kern dargestellt ist.

Das System

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht eines dünnen Körpers oder Substrats aus einem Werkstoff 10, welcher akustische Energie leiten kann. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Körper 10 aus einem Blei-Zirkonat-Titanat-Werkstoff hergestellt, der üblicherweise als "PZT" bezeichnet wird. Jede piezoelektrische Substanz, die zum Übertragen von akustischer Energie eingesetzt werden kann, wie Zinkoxid, wäre gleichfalls für die vorliegende Erfindung geeignet. Die Höhen- oder Dickenabmessung 11 und die Breite 15 des Körpers 10 werden durch die Beziehungen bestimmt, welche aus den Grundsätzen der akustischen Wellentheorie abgeleitet werden, die unten mit weiteren Einzelheiten angegeben sind. Zunächst wird ein Interdigitalwandler 12, der auf der ebenen oberen Fläche oder Grundfläche 13 des Körpers 10 sitzt, über einen entfernten Signalgenerator (in Fig. 1 nicht gezeigt) angeregt. Ultraschallwellen 16, welche eine Frequenz von einem Megahertz überschreiten, strömen von dem ersten Wandler 12 aus und werden an der Unterseite 21 des Körpers bei einem Punkt reflektiert, der auf einer vertikalen Achse 18 liegt. Die reflektierten Wellen 20 durchqueren den Körper 10 und kommen bei der ebenen Grundfläche 13 bei der Position an, die von einem zweiten Wandler 14 besetzt ist.
Fig. 2(a) zeigt eine Draufsicht auf einen Körper 10, wie den in Fig. 1 gezeigten. Ein runder Interdigitalwandler 22 weist ein Paar runder Leiter 24 und 26 auf, welche akustische Energie in einem Fokus 29 fokussieren, der auf der vertikalen Achse 18 liegt. Fig. 2(b) zeigt eine Seitenansicht des in Fig. 2(a) gezeigten Körpers 10. Der runde Interdigitalwandler 22, der einen Abstand zwischen den beiden Leitern 24 und 26 aufweist, welcher durch das Bezugszeichen 30 angedeutet ist, ist auf der Oberseite 13 des Körpers 10 positioniert, so daß eine optische Faser 32 die größtmöglichste Menge von Ultraschallenergie 34 empfängt. Die Multimode-Lichtleitfaser 32 kann Ultraschall in dem Frequenzbereich über einem Megahertz (MHz) leiten, und sie ist bei Frequenzen zwischen zwanzig und vierzig Megahertz besonders effektiv. Die optische Faser 32 ist mit dem Körper 10 bei dem Fokus 29 verbunden. In Fig. 2(c) ist die optische Faser 32 mit einem Körper 36 doppelter Breite verbunden, wobei die Faser in einer Laser gebohrten Vertiefung 38 sitzt, die mit einem Epoxidwerkstoff 39 gefüllt ist. Eine Schicht aus einem Klebmittel 17 hält einen Körper 19 aus einem Werkstoff mit niedriger akustischer Impedanz an dem oberen PZT-Körper 10. Der Zweck des unteren Körpers 19 ist es, dem PZT-Körper Steifigkeit zu verleihen.
Die optimale Konfiguration des Körpers 10 und des Wandlers 22 wird durch die Grundsätze der Akustiktheorie bestimmt. Wenn die Dicke 11 des Körpers 10 groß ist, breitet sich eine akustische Welle, die von dem Wandler 22 erzeugt wird, längs der Oberfläche des Körpers 10 als eine Rayleigh-Welle oder eine akustische Oberflächenwelle (SAW; Surface Acoustic Wave) aus, ohne unter die Oberfläche vorzudringen. Im vorliegenden Kontext bedeutet der Begriff "groß" eine Dicke t, die größer ist als hundertmal die Wellenlänge der ausgewählten Frequenz der akustischen Energie. Wenn die Dicke des Körpers auf einige Wellenlängen vermindert wird, entarten die Schallwellen zu Quasi-Rayleigh-Wellen und treten in den Körper ein. Wie in Fig. 2 gezeigt, können die Schallwellen 16 von dem Wandler 22 durch den Körper 10 in Richtung zu einem Fokus 29 geführt werden, wo sie in eine optische Faser 32 gelenkt werden können, die auf der anderen Seite 21 des Körpers 10 angebracht ist. Die Wellen durchqueren eine Strecke D vom Wandler zum Fokus, welche gleich der Rayleigh-Wellenlänge λR mal einem Multiplikator L ist. Die Beziehung zwischen L, D und λR ist dargelegt in "Rayleigh and Lamb Waves" von I. A. Viktorov, veröffentlicht von Plenum Press in New York, 1967. Ein Diagramm, welches die Abhängigkeit von L von den Parametern D und λR vorführt, ist in Fig. 3 gezeigt. Abhängig von der Abmessung 11 und der Betriebsfrequenz des Interdigitalwandlers kann der Wert von L aus Fig. 3 erhalten werden. In Fig. 2 entspricht 2D der Abmessung 30. Da sich L exponentiell mit 2D ändert, muß die Dicke des Körpers so gewählt werden, daß L klein ist und daß man somit für die Abmessung 30 einen kleinen Wert erhält. Wenn der Wandler 22 bei einer Mittenfrequenz von 20 MHz arbeitet und wenn die Rayleigh-Wellengeschwindigkeit des Körperwerkstoffes 2100 Meter pro Sekunde ist, dann kann die Rayleigh-Wellenlänge unter Verwendung des folgenden Ausdrucks berechnet werden:
λR = (Rayleigh-Wellengeschwindigkeit)/(Wandlerfrequenz) λR = 2100 * 10³ / 20 * 10&sup6; = 0,105 mm.
Wenn die Dicke des Körpers als 10 Milliinch gewählt wird, 2d = 0,25 mm, folgt somit, daß:
2d/λR = 0,25/0,105 = 2,38.
Aus dem Diagramm von Fig. 3 ergibt sich, daß der Wert 2,38 längs der X-Achse einem Wert von etwa 100 längs der Abszisse entspricht. Da D = L * λR, ist die gesuchte Distanz D für diese Bedingungen gleich 100 * 0,105 = 10,5 mm. Die wichtige Folge aus dieser Analyse ist, daß viele verschiedene Wandler, die unterschiedliche Durchmesser haben und bei verschiedenen Frequenzen arbeiten, auf demselben Körper oder Substrat hergestellt werden können.
Fig. 4(a) liefert eine Draufsicht auf einen Körper 10, welcher einen Interdigital-Wandler 44 mit mehreren Leitern trägt, der Wandlerringe 46 und 48 erster und zweiter Polarität aufweist, die mit Elektroden 50 und 52 erster und zweiter Polarität verbunden sind. Der Wandler 44 ist über Leitungen 54 und 56 erster und zweiter Polarität und über einen Widerstand 60 mit einem Signalgenerator 58 verbunden. Dieser Widerstand stellt den Innenwiderstand des Signalgenerators dar. Es sind Ultraschallwellen 62 dargestellt, die aus dem Wandler 44 zu einem Fokus 64 im Zentrum der Leiterringe 46 und 48 austreten. Ein Teil der Energie 66 geht verloren und tritt über die Grundoberfläche 13 des Körpers 10 aus. Bei Verwendung eines geeigneten Dämpfungsmaterials auf der Oberfläche 13 könnte diese Energie absorbiert werden. Ferner könnte ein effizienterer Wandler aufgebaut werden, wenn man den Wandler unidirektional gestaltete. Fig. 4(b) ist eine Seitenansicht desselben Körpers 10, der auf derselben Seite des Körpers, die auch den Wandler 44 trägt, mit einer optischen Faser 32 verbunden wurde. Die Dicke des Körpers ist größer als 50λ, und deshalb breitet sich die akustische Oberflächenwelle auf der Oberfläche aus und gelangt zu einem Fokus 64. Der Übergang beim Fokus 64 ermöglicht, daß der größte Teil der akustischen Energie 68 in die Faser 32 eingekoppelt wird und in Richtung zum entfernten Ende der Faser zu einer Position innerhalb des Körpers eines Patienten geht (wie in den Fig. 18, 19 und 20 gezeigt).
Fig. 5 ist eine Draufsicht auf einen Interdigitalwandler 70 mit einem gekrümmten oder gebogenen metallisierten Streifen, der Energie zu einem Fokus 64 lenkt. Dieser Wandler 70 kann als eine alternative Ausführungsform zu dem in Fig. 4(a) gezeigten Wandler 44 dienen. Die metallisierten Streifen werden im Vakuum mittels herkömmlicher photolithographischer Techniken auf dem Körper 10 abgelagert, die dem Fachmann auf dem Gebiet der Herstellung integrierter Schaltungen gut bekannt sind. Im allgemeinen wird eine 10 nm (einhundert Angström) dicke Grundschicht aus Chrom und eine Deckschicht aus Gold mit einer Dicke von 3000 Angström eingesetzt. Bei einer alternativen Ausführungsform wird eine Grundschicht aus Titan und eine Deckschicht aus Aluminium oder Gold verwendet. Die Dicke der Deckschicht kann vergrößert werden, um Wandler höherer Leistung herzustellen. Der Wandler 70 weist eine Elektrode 71, einen mittleren gebogenen Leiter 72 und ein äußeres Leiterpaar 74 auf. Das Bezugszeichen 73 bezeichnet den Trennabstand zwischen nebeneinander liegenden Leitern unterschiedlicher Polarität. Das äußere gebogene Leiterpaar 74 weist zwei konzentrische Teilringsegmente 75a auf, und es ist über einen Verbindungsabschnitt 75b verbunden. Bei der bevorzugten Ausführungsform verläuft dieser Verbindungsabschnitt 75b orthogonal zu dem Leiterpaar 74. Jeder metallisierte Streifen, der zu einem gebogenen Leiter ausgebildet wird, hat eine durch die Abmessung 76 bezeichnete Breite. Der Trennabstand zwischen gebogenen Leitern ähnlicher Polarität ist durch die Abmessung 77 angegeben. Das äußere Leiterpaar 74 ist über einen Anschluß 78 geerdet. Die mit den Bezugszeichen 73, 76 und 77 bezeichneten Dimensionen basieren alle auf dem Wert von λ&sub0; (λ&sub0; = λ) Diese Wellenlänge kann durch Einsetzen der folgenden Formel erhalten werden:
λ = V/f&sub0;,
wobei V die Oberflächengeschwindigkeit der Ultraschallwellen ist. Sowohl der Leistungspegel der Wandler als auch deren Betriebsfrequenzen können verändert werden, indem die Dicke und der Abstand der Metallstreifen geändert wird. Im allgemeinen können alle in dieser Anmeldung beschriebenen Wandler 12, 22, 44 und 70 mittels Planartechnologie hergestellt werden. Die Streifen oder Spuren sind, wie gezeigt, abwechselnd mit den Elektroden-Anschlußfeldern verbunden. Ein elektrisches Erregungssignal wird an die Anschlußfelder angelegt, um Ultraschallenergie zu erzeugen. Die vorliegende Erfindung kann einen Interdigitalwandler mit einer beliebigen Anzahl von Leiterpaaren verwenden. Die Bandbreite des Wandlers ist umgekehrt proportional zu der Anzahl der Leiterpaare.
Der Designer des Wandlers entscheidet über die Frequenz f&sub0; für jede spezielle Anwendung. Der Wert der Geschwindigkeit V der akustischen Oberflächenwelle ist bekannt. Aus der oben angegebenen Formel kann ein Wert für λ ermittelt werden. Die photolithographische Maske wird dann unter Verwendung dieses Wertes hergestellt. Wenn irgendeine andere Frequenz gewählt wird, ergibt sich ein anderer Wert für λ, weil Vf ein konstanter Wert ist. Folglich entspricht der Abstand der leitenden Finger der Maske und des Endprodukts dem neuen Wert von λ. Es kann jede Betriebsfrequenz gewählt werden, und man erhält die entsprechenden Werte von λ zum Herstellen von Wandlern, die bei diesen Frequenzen arbeiten. Obwohl diese Aussagen grundsätzlich richtig sind, bringt die Verwendung von piezoelektrischen Werkstoffen einige Beschränkungen mit sich. PZT z. B. kann für Frequenzen bis zu 120 MHz verwendet werden. Über diesem Pegel nehmen die Verluste zu, und der Wandler wird ineffizient. Verbesserungen können erreicht werden, indem Zinkoxidfilme auf eine polierte Oberfläche eines Quarzglases über den Gebieten abgelagert wird, in denen die Wandler sitzen. Dieser zusätzliche Schritt vermindert die Oberflächenverluste und erhöht den höchsten Wert der Betriebsfrequenz.
Fig. 6 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Epoxidverbindung 39, welche die optische Faser 32 mit dem Körper 10 verbindet. Energie tritt in den Epoxidtropfen 39 mit einem Winkel ein, der durch das Verhältnis der Geschwindigkeiten der Schallwellen auf der Oberfläche des Körpers und in dem Epoxid bestimmt wird. Der Winkel ist durch den folgenden Ausdruck gegeben:
sin&supmin;¹θ = Ve/V,
wobei Ve die Geschwindigkeit durch den Epoxidwerkstoff ist. Der verwendete Kopplungswerkstoff hat eine Längsgeschwindigkeit, die geringer ist als die Oberflächenwellengeschwindigkeit auf dem piezoelektrischen Körper, auf dem sich die Welle ausbreitet. Es können im Handel erhältliche Substanzen verwendet werden, wie Butylkautschuk, RTV (bei Raumtemperatur vulkanisierende Stoffe) und Sylgard-Elastomer. Ein weiterer Werkstoff könnte ein Indium-Zinn-Niedertemperaturlötmittel sein. Wenn ein Tropfen mit kleinem Durchmesser vorgesehen wird, muß die Höhe des Tropfens über dem Körper vergrößert werden.
Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf eine optische Faser 32, die mit einem Körper 10 über eine Epoxidverbindung 39 bei dem Fokus 64 einer gebogenen Wandleranordnung 80 verbunden ist, welche radiale Elektroden 50 und 52 aufweist. Die gebogenen Leitersegmente 81 und 82 sind jeweils abwechselnd mit Elektroden 50 und 52 gekoppelt. Im allgemeinen können alle der in dieser Patentanmeldung beschriebenen Wandler 12, 14, 22, 44, 70 und 80 unter Einsatz bekannter Planartechnologien hergestellt werden, und sie können an beiden Seiten des PZT-Substrats 10 befestigt werden.
Fig. 8 zeigt eine perspektivische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, bei der die optische Faser 32 in einer abgeschrägten Führung oder Rille 85 sitzt, die in dem Körper 10 ausgebildet ist. Die Rille hat eine Tiefe von weniger als einer halben Rayleigh-Wellenlänge. Alternativ könnte die Faser auch stumpf an die Kante des Körpers angesetzt sein und mittels Epoxid in Position gehalten werden.
Fig. 9 zeigt eine Draufsicht auf eine Anordnung 86 mit mehreren Wandlern, die auf einem einzelnen Körper ausgebildet sind.
Fig. 10 zeigt eine Seitenansicht einer optischen Faser 32, in der man sowohl die Ummantelung 88 als auch den Kern 90 der Faser 32 sieht. Ultraschallenergie 92, welche am nahen oder proximalen Ende der Faser 32 eintritt, breitet sich längs der Faser unter vollständiger innerer Reflektion an der Schnittstelle zwischen Kern und Mantel aus. Die Differenz zwischen den Brechungsindizes des Mantels und des Kerns ist sehr klein, und somit tritt ein Teil der Energie, welche sich durch diesen Leiter ausbreitet, zu dem Mantel durch. Ein kleiner Teil des Mantels 88 kann von dem Kern 90 entfernt werden, um ein Fenster oder einen Austritt für akustische Energie am distalen Ende der Faser zu bilden. Dieses Entfernen eines Teils des Mantels 88 führt zu einer Streuung von Ultraschall in alle Richtungen. Fig. 11 zeigt eine Schnittdarstellung mit Blickrichtung auf das distale Ende einer Faser 32. Diese Schnitt zeigt eine Stirnendfläche 93, einen Außendurchmesser 96 des Mantels 88, einen Außendurchmesser 98 des Faserkerns 90 und einen Querschnitt oder überdeckten Teil 100. Die Eingangsenergie 92, welche in die Faser 32 bei ihrem proximalen Ende in der Nähe des Wandlers eintritt, verläßt die Faser als Ausgangsenergie 102 durch den Querschnitt 100. Dieser Schnitt, der auch als Schlitzfenster bezeichnet wird, kann dazu verwendet werden, die Richtung des sich ausbreitenden Ultraschalls vom distalen Ende der Faser genau zu steuern. Die in Fig. 11 abgebildete Vorrichtung kann als ein "akustisches Fenster" 94 bezeichnet werden, welches Ultraschall in den Patienten lenkt. Fig. 12 zeigt eine Teilschnittdarstellung einer linearen Anordnung 104 aus akustischen Fenstern 94, welche von parallelen Wänden 106 für die Anordnung eingegrenzt werden. Fig. 13 zeigt eine Teilschnittdarstellung einer gekrümmten Anordnung 108 von akustischen Fenstern 94. Eine weitere alternative Ausführungsform einer Anordnung von akustischen Fenstern 94 ist in der Schnittdarstellung einer rechteckigen Anordnung 114 gezeigt, welche in Fig. 14 in einen Katheter 112 eingeschlossen dargestellt ist. Da der Durchmesser dieser Fasern relativ klein ist, können viele in den inneren Durchmessern des Katheters 112 von 2-3 mm eingepaßt werden. Durch Phasenabgleich der Erregungsimpulse bei den Wandlern kann die Schallenergie fokussiert werden, und der sich ergebende Strahl kann wie in einer phasengesteuerten Anordnung abgetastet werden. Die gekrümmte Anordnung 108 sieht eine eingebaute Einrichtung für die Vorfokussierung vor.

Die Führungsverfahren und -systeme

I. Frühere Techniken

Fig. 15(a) ist eine schematische Wiedergabe eines früheren passiven Führungssystems 116, welches einen Fragestrahl verwendet. Ein passiver Katheter 117 wurde in den Körper eines Patienten in eine große Artiere eingeführt. Das distale Ende 118 des Katheters 117 reflektiert Ultraschall, welcher auf sein echogenes distales Ende 122 auftrifft. Der reflektierte Ultraschall 124 wird von einem Detektor 130 erfaßt, der mit einer Analyseeinrichtung 126 verbunden ist, welche die gesammelten Reflektionen interpretiert und ein Bild auf einem Anzeigebildschirm 128 erzeugt. Der Detektor 130 sendet auch einen Fragestrahl 131 aus, der die Lokalisierung des distalen Endes 122 des Katheters 117 unterstützt. Fig. 15(b) zeigt, wie eben diese herkömmliche Technik im Laufe einer chirurgischen Operation an dem Gehirn umgesetzt wurde. Der Chirurg bohrte ein Loch 134 in den Schädel eines Patientens 132 und führte eine Nadel oder ein anderes chirurgisches Werkzeug 136 in das Gehirn ein. Die Position der Nadel 136 wird durch Bestrahlen des Patienten mit Wellen von dem Detektor 130 ermittelt.
Fig. 16 ist eine schematische Darstellung eines zweiten früheren Führungssystems 138, welches eine Ultraschallquelle am distalen Ende eines Katheters verwendet, um Schall durch den Körper zu strahlen. Anders als das im vorhergehenden Absatz beschriebene passive System 116, zeigt Fig. 16 ein aktives System 138, das einen Katheter 140 aufweist, welcher einen elektrischen Draht 142 umschließt, der wiederum mit einem Impulsgeber 144 verbunden ist. Ein piezoelektrisches Element 146, das am distalen Ende des Katheters 140 befestigt ist, wird von dem Impulsgeber 144 angeregt und wandelt einen elektrischen Strom in Schallwellen 148 um, welche durch den Körper gehen, von einem Detektor 130 erfaßt werden und auf dem Bildschirm eines herkömmlichen Abbildungssystems angezeigt werden.
Ein drittes früheres Führungssystem 150 ist schematisch in Fig. 17 gezeigt. Dieses herkömmliche System 150 weist einen piezoelektrischen Wandler 146 auf, der an dem distalen Ende eines Katheters 140 liegt. Der Wandler ist über einen Transponder 152 mit einem Impulsgeber verbunden. Wenn die Führungssonde 130 Ultraschall grundsätzlich in die Richtung des Wandlers 146 aussendet, wird der Wandler durch die Schallenergie angeregt, welche er empfängt, und beginnt, ein kleines elektrisches Signal durch den Draht 142 zu dem Transponder 152 zu senden. Der Transponder aktiviert den Impulsgeber, wenn er diese kleinen elektrischen Signale empfängt und sendet seinerseits Impulse großer Amplitude zum Wandler 146. Der Wandler 146 sendet dann Schallimpulse 148 durch den Körper zu dem abbildenden Wandler 130. Die Anzeige 128 des Abbildungssystems 126 zeigt dann die eindeutige Position der Katheterspitze im Verhältnis zu den anatomischen Merkmalen, welche mit Hilfe des Ultraschalls abgebildet werden.
Jedes dieser drei herkömmlichen Führungssysteme 116, 138 und 150 leidet unter verschiedenen Mängeln und Nachteilen, die oben im ersten Abschnitt der Anmeldung beschrieben wurden. Diese werden hier nur beschrieben und abgebildet, um die wesentlichen Unterschiede zwischen diesen früheren Führungsverfahren und den Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zu betonen, welche im folgenden in Detail offenbart und beansprucht sind.

II. Das Führungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung

Fig. 18 ist eine Darstellung der vorliegenden Erfindung, die ein Führungssystem 154 mit einem Ultraschallwandler 156 offenbart, der über eine konische Kopplungseinrichtung 158 und eine akustische Verbindung 160 mit einer optischen Faser 162 gekoppelt ist. Das distale Ende der Faser 162 endet bei einem zylindrischen Segment 164. Dieses Segment wird erhalten, indem das Faserende mit einer Flamme erhitzt wird, bis das Glas schmilzt und der Kern und der Mantel über der Länge dieses Segmentes zu einem Material werden.
Fig. 19 zeigt das Führungssystem 168 gemäß der vorliegenden Erfindung im einzelnen, wobei man erkennt, daß eine optische Faser 162 in einem Katheter 170 eingeschlossen ist. Ultraschallwellen werden von dem distalen Ende 179 des Katheters ausgesendet. Die Fig. 20(a) und (b) zeigen Seitenansichten der vorliegenden Erfindung, wobei ein optisches Faserbündel 172 innerhalb des Katheters 170 abgebildet ist. Diese Fasern sind an an ihrem proximalen Ende bei einem Verbindungsglied 174 gekoppelt. Das Verbindungsglied 174 ist an einem Wandler 189 befestigt, der ein Kopplungsfluid 176 enthält. Bei der bevorzugten Ausführungsform dient das Verbindungsglied 174 als ein Schnellverschluß. Ein Teil des Faserkerns liegt an dem distalen Ende der Faser frei.
Das in dieser Anmeldung offenbarte und beanspruchte Ultraschall-Führungssystem für einen Katheter schafft ein präzises und leistungsfähiges Werkzeug für eine große Vielfalt von medizinischen Anwendungen. Diese Erfindung bildet einen großen Schritt vorwärts in dem sich kontinuierlich entwickelnden Gebiet der medizinischen Abbildungstechnik.
Obwohl die vorliegende Erfindung im einzelnen mit Bezug auf eine spezielle bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, erkennt der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, auf welches sich diese Erfindung bezieht, daß viele Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne den Bereich der folgenden Ansprüche zu verlassen.

Claims

1. Ultraschall-Führungssystem für einen Katheter, mit einer optischen Faser (32), welche einen sich in Längsrichtung erstreckenden Kern (90) und eine sich in Längsrichtung erstreckende Hülle (88) um den Kern herum aufweist,

einem Wandler, welcher ein piezoelektrisches Substrat mit gegenüberliegenden ersten und zweiten Oberflächen (13 und 21) aufweist und ferner eine erste Elektrode (12) und eine zweite Elektrode (14) hat, wobei der Wandler Quasi-Rayleigh-Wellen (16) erzeugt, welche schräg in das Substrat eintreten,

einem Signal-Generator (58), welcher ein Wechselspannungsdifferential zwischen den Elektroden anlegt, und einer Kopplungseinrichtung (39), welche die zweite Oberfläche (21) des Wandlers körperlich an der optischen Faser (32) befestigt und sie akustisch mit dieser koppelt, dadurch gekennzeichnet, daß beide Elektroden auf der ersten Oberfläche (13) vorgesehen sind.

2. Ultraschall-Führungssystem für einen Katheter nach Anspruch 1, bei dem

die Kopplungseinrichtung eine Aussparung (38) in der zweiten Oberfläche (21) des Wandlers umfaßt,

die optische Faser (32) in die Aussparung eingepaßt ist und

eine Epoxidwerkstoff (39) die Aussparung füllt und die optische Faser mit dem Wandler verbindet.

3. Ultraschall-Führungssystem für einen Katheter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem

das piezoelektrische Substrat eine Dickenabmessung (11) und eine Seitenabmessung (15) hat und

das piezoelektrische Substrat ein Seitenverhältnis von weniger als 0,1 aufweist, wobei das Seitenverhältnis als die Dickenmessung geteilt durch die Seitenabmessung definiert ist.

4. Ultraschall-Führungssystem für einen Katheter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die optische Faser (32) überdeckende Abschnitte (100) aufweist, welche eine Vielzahl von akustischen Fenstern (94) für die Übertragung von Ultraschallenergie bilden.

5. Ultraschall-Führungssystem für einen Katheter nach Anspruch 4, bei dem die Vielzahl der akustischen Fenster Seite an Seite innerhalb von zwei parallelen Anordnungswänden (106) angeordnet sind.

6. Ultraschall-Führungssystem für einen Katheter nach Anspruch 4, bei dem die Vielzahl der akustischen Fenster Seite an Seite innerhalb eines Paares konzentrischer Anordnungswände (109) angeordnet ist.

7. Ultraschall-Führungssystem für einen Katheter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Kopplungseinrichtung ein Fluid (176) aufweist, durch welches eine akustische Wellenfront von der zweien Oberfläche (21) zu der optischen Faser (32) gekoppelt wird.

8. Ultraschall-Führungssystem für einen Katheter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Elektrode einen ersten Elektrodenabschnitt aufweist und die zweite Elektrode einen zweiten Elektrodenabschnitt aufweist, welcher im wesentlichen parallel zu dem ersten Elektrodenabschnitt ist.

9. Ultraschall-Führungssystem für einen Katheter nach Anspruch 9, bei dem der erste Elektrodenabschnitt und der zweite Elektrodenabschnitt gebogen sind.

10. Ultraschall-Führungssystem für einen Katheter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die optische Faser ein proximales Ende (118) und ein distales Ende (122) aufweist und die Kopplungseinrichtung den Transducer mit der optischen Faser koppelt, so daß akustische Energie von dem Transducer durch das proximale Ende in die optische Faser eintritt.

11. Ultraschall-Führungssystem für einen Katheter nach Anspruch 10, mit ferner einem akustischen Detektor (130), der entfernt von dem distalen Ende (122) angeordnet ist und akustische Energie erfaßt, welche von dem distalen Ende kommt, wobei der Ausgang des Detektors die Position des distalen Endes bestimmt.

12. Verfahren zum Koppeln von akustischer Energie eines Ultraschall-Führungssystems für einen Katheter in eine optische Faser (32) mit einem Kern und einem Mantel um den Kern herum, mit den folgenden Verfahrensschritten:

Erzeugen eines Wechselspannungs-Differentials,

Anlegen des Wechselspannungs-Differentials an ein Elektrodenpaar auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats, um akustische Energie in der Form von Quasi-Rayleigh-Wellen (16) zu erzeugen, welche schräg durch das Substrat laufen, und

Koppeln der akustischen Energie in die optische Faser, so daß diese die Form von akustischen Längswellen innerhalb der optischen Faser annimmt, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechselspannungs-Differential an das Elektrodenpaar auf einer ersten Oberfläche des Substrats angelegt wird und die akustische Energie von einer zweiten Oberfläche des Substrats in die optische Faser einegekoppelt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, mit den weiteren Verfahrensschritten:

Übertragen der akustischen Energie zu einem distalen Ende (122) der optischen Faser, so daß diese von der Faser in einen Körper gesendet wird,

Erfassen der akustischen Energie unter Verwendung eines Detektors (130) außerhalb des Körpers, und

Bestimmen der Position des distalen Endes aus der Erfassung.