专利摘要:

公开号:WO1982004157A1
申请号:PCT/EP1982/000108
申请日:1982-05-19
公开日:1982-11-25
发明作者:Institut Battelle
申请人:Lierke Ernst Guenter;Sudhof Helmut;Floegel Karl;Grossbach Rudolf;
IPC主号:G10K11-00
专利说明:
[0001] _
[0002] Vorrichtung zur Abstrahlung und zum Em¬ pfang fokussierter Ultraschallwellen
[0003] 20 Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abstrahlung und zum Empfang fokussierter Ultraschallwellen, insbe¬ sondere zur lokalen Aufheizung biologischer Gewebe, z.B. Tumoren mit einem piezoelektrischen Ultraschallwandler¬ system und einer Linse .
[0004] 25
[0005] Ultraschallwellen lassen sich ebenso wie jede andere Wellenart fokussieren. Bei Arbeitsfrequenzen zwischen o,5 und 5 MHz liegen die entsprechenden Wellenlängen z.B. in Flüssigkeiten (Wasser) zwischen 3 und o,3 mm und
[0006] 30 in Festkörpern (Stahl) zwischen lo und 1 mm. Man erreicht damit Brennfleckdurchmesser im Millimeterbereich. Der Vorteil fokussierter Strahlung liegt bei typischen Anwen-. düngen in der Diagnostik und der Defektoskopie im besse¬ ren Auflösungsvermögen und gesteigerter Empfindlichkeit
[0007] 35 und bei Anwendung in der Therapie, in der Möglichkeit tiefliegende kranke Gewebebereiche lokal und unter Schonung des gesamten Umfeldes zu behandeln.
[0008] Zur Fokussierung von Ultraschallwellen sind neben späri- schen und zylindrischen Hohlspiegeln Hohlschwinger ver¬ schiedenster Geometrie sowie Flussigkeits- und Feststoff¬ linsen bekannt. Daneben existieren Wandler mit synthe¬ tischerApertur, bei denen die Fokussierung mit entspre¬ chenden elektronischen Mitteln erfolgt. Alle bekannten Einrichtungen haben den Nachteil, daß eine gezielte Brennpunktvariation sowohl in lateraler als auch in axialer Richtung nicht möglich bzw. relativ aufwendig ist. Eine solche Maßnahme ist jedoch in den relevanten Anwendungsgebieten im Hinblick auf die gezielte Be¬ reichser assung sehr wesentlich.
[0009] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu¬ grunde, ein fokussierendes Ultraschallwandlersystem zu entwickeln, mit dem der zu untersuchende bzw. zu behan¬ delnde Bereich ohne großen technischen Aufwand gezielt abtastbar ist. Eine solche Vorrichtung sollte in allen in Frage kommenden Gebieten der Medizin und Biologie so¬ wie der Materialprüfung einsetzbar und möglichst so konstruiert sein, daß das Wandlersystem austauschbar ist.
[0010] Es hat sich nun gezeigt, daß sich diese Aufgabe mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art lösen läßt, in der das Ultraschallwandlersystem einen scheibenförmigen Planschwinger aufweist, vor dem eine Flüssigkeitskammer mit einer ersten Flüssigkeit angeordnet ist, in der sich eine, mit einer zweiten Flüssigkeit gefüllte Flüssigkeits¬ linse befindet, wobei die Brennweite der Flüssigkeitslinse durch Änderung des Volumens der zweiten Flüssigkeit variierbar und/oder der BrennDunkt in der Brennebene mechanisch verschiebbar ist. Weitere Ausbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprü- chen 2 bis 14 erläutert . r
[0011] .f. 5 Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann sowohl in der t medizinische Diagnostik, z.B. zur Ortung von Tumoren, Nierensteinen o.a. als auch in der Therapie , z-.B. zur lokalen Hyperther iebehandlung eingesetzt werden. Der wesentliche Vorteil auf diesen Gebieten im Vergleich 10 zu den bisher bekannten Vorrichtungen dieser Art liegt darin, daß der fokussierende Wandler in einfacher Weise an handelsübliche Therapie- oder Diagnostikgeräte, bzw. Materialprüfgeräte angepaßt werden kann. Dadurch läßt sich ein relativ großes Volumengebiet unter beträcht- 15 liche Gewinn für das Nutzpegel-Störpegel-Verhältnis automatisch abtasten bzw. ein beliebiger Volumen¬ bereich möglichst schonend und gezielt therapieren.
[0012] Die Erfindung wird anhand beiliegender, lediglich einen 20 Ausführungsweg darstellender Zeichnungen näher erläu¬ tert. Es zeigt in schematischer Vereinfachung
[0013] Figur 1 eine Ausführung der erfindugsge äßen Vorrich¬ tung, bei der der Brennpunkt in der Brennebene 25 linear bzw. azimutal verschiebbar und die Brenn¬ weite variierbar ist;
[0014] Figur 2 in Draufsicht die Lagerung des Ultraschallwand¬ lers ystems zur Erzielung einer linearen bzw. 30 azimutalen Verschiebung des Brennpunktes in der Brennebene ;
[0015] Figur 3 die Ausbildung einer plankonvexen Flüssigkeits¬ linse*, - k -
[0016] Figur 4 Verschiebung des Brennpunktes in der Brenn¬ ebene durch Rotation;
[0017] Figur 5 einen erfindungsgemäß vorgeschlagenen Wandler aus Diagnostik- und Therapieteilen und
[0018] Figur 6 den Wirkungsbereich des Schalls beim Therapie¬ betrieb mit einer axialen schallfreien Zone
[0019] In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung im wesentlichen aus einer Flüssigkeitskammer 1, die eine Flüssigkeitslinse 2 enthält und einem, das Ultraschallwandlersystem 3 umfassenden, mit der Flüssigkeitskammer 1 z.B. durch einen Gewindeverschluß 4 lösbar verbundenen Außengehäuse 5
[0020] Die Flüssigkeitslinse 2 wird aus zwei, mehr oder weniger stark sphärisch gekrümmten, elastischen und hydraulisch deformierbaren Membranen 6 gebildet, zwischen denen eine Flüssigkeit, z.B. Frigen, Glycerin oder dergleichen mit Schallgeschwindigkeit c. eingeschlossen ist. Die Flüssig¬ keit in der Flüssigkeitskammer 1 besitzt eine davon unter schiedliche Schallgeschwindigkeit c~ und ist vorzugsweise Wasser.
[0021] Das Flüssigkeitsvolumen der Linse 2 ist über eine Leitung 7, einen Zylinder 8 mit Kolben, der durch ein Zahnrad mit Übersetzung 9 und einem Motor lo betrieben wird, variier¬ bar. In Abhängigkeit von dem Volumen der Linsenflüssigkei werden Membranen 6 mehr oder weniger stark gekrümmt . Aus dem Krümmungsradius r. , r_ der beiden Membranen 6 sowie aus den Schallgeschwindigkeiten c, , c_ kann die Brennweite f der so gebildeten Flüssigkeitslinse 2 be¬ rechnet werden, und zwar nach der Formel Die hintere Hälfte der Flüssigkeitskammer 1 braucht nicht durch eine Membran bzw. Folie abgeschlossen zu werden, wenn der Ultraschallwandler 3 fest installiert und direkt angekoppelt Ist . Bei austauschbaren Wand¬ lern sorgt die Folie 12 an- die der Wandler wiederum durch ein geeignetes Koppelmedium akustisch angekoppelt werden muß, für einen ungehinderten Energiedurchgang.
[0022] Damit der Planschwinger 3 auch bei Änderung seines Nei¬ gungswinkels in Bezug auf die optische Achse der Flüs¬ sigkeitslinse 2 straff auf die Folie 12 liegt, ist zur Flüüsigkeitskammer 1 hin eine flexible Lagerung 15 vor¬ gesehen. Die Lagerung 15 besteht z.B. aus einem Falten¬ balg aus Metall und bildet einen Teil der seitlichen Wan¬ dung der Flüssigkeitskammer 1.
[0023] Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform wird der Planschwinger 3 in einem Gehäuse 16 auf dessen nλ 2-dicke Bodenplatte 17, z.B. aus Metall, befestigt. Die Unter¬ bringung des Planschwingers 3 in einem solchen Gehäuse 16 erleichtert die Auswechselbarkeit des Ultraschallwand lersystems. Dies ist für eine vielseitige Anwendbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zweckmäßig - . So könnne für Impuls-Echo-Anwendungen, wie sie in der Diagnostik und Defektoskopie vorkommen, zur Erzielung kurzer Impulse bedämpfte und für den Dauer-Betrieb z.B. in der Therapie unbedämpfte kreisscheibenförmige piezoelektrisch ange¬ legte Planschwinger jeweils Verwendung finden .
[0024] Zum Auswechseln der Wandler 3 wird das Außengehäuse 5 ent¬ weder von der Flüssigkeitskammer 1 ausgekoppelt oder seit¬ lich mit einem Fenster 18 versehen, durch das hindurch eine Manipulation ermöglicht wird. Damit bei wechselndem Neigungswinkel des Planschwingers 3 bzw. der Bodenplatte 17 der Kontakt mit der Folie 12 nicht verloren geht, wird das Gehäuse 16 bzw. der Plan¬ schwinger an der der Flüssigkeitskammer 1 entgegenge¬ setzten Seite über eine gefederte, zentrale, in der Richtung der Flächennormalen verlaufende Stange 19 ge¬ lagert. Diese Stange 19 bewegt sich. in dem Hohlzylinder 2o in axialer Richtung und die Federung 21 sorgt im Zu¬
[0025] 10 sammenwirken mit der Elastizität des Lagerelementes 15 für eine straffe Spannung des Planschwingers 3 bzw. der Bodenplatte 17 auf der Folie 12. Die Stange 19 wird auf einer senkrecht zur optischen Achse der Flüssigkeits¬ linse 2 angeordneten Scheibe 22 in einer radialen Nute 23
[0026] 15 exzentrisch verschiebbar gelagert. Diese Lagerung wird in Figur 2 in Draufsicht verdeutlicht. Die Verstellung de Stange 19 bzw. deren Auflagepunkt 24 (s. Figur 2) in der Nute 23, wird über ein in die Nute 23 geführtes Stell¬
[0027] 20 glied, z.B. eine Schraube 25 erzielt. Eine Federung 26 von der entgegengesetzten Seite sorgt dafür, daß der Auflagepunkt 24 der Stange 19 bei zurückgezogenem Stell¬ glied 25 sich in entgegengesetzter Richtung in der Nute 23 bewegt. Diese Hin- und Herbewegung des Auflagepunktes
[0028] __ 24 in der Nute 23 ermöglicht eine, Veränderung des Neigung winkels des Planschwingers in Bezug auf die optische Achse der Flüssigkeitslinse 2 und damit eine lineare Ver¬ schiebung des Brennpunktes in der Brennebene. Die Ver¬ stellung des Stellgliedes 24 kann sowohl manuell als auch m x. motorbetrieben erfolgen.
[0029] Für eine effektive Abtastung, z.B. bei Defektoskopie, wird erfindungsgemäß der oben beschriebenen linearen Vers bung des Brennpunktes eine azimutale 3ewegung überlagert . 3c Hierfür wird die Scheibe 22 als eine Drehscheibe ausge¬ bildet, die durch Motor 27 mit Zahnradübersetzung 28 in Rotation versetzt werden kann. Bei festem Auflagepunkt 24 der Stange 19 wird dadurch eine kreisförmige, bei gleichzeitig veränderlichem Auflagepunkt 24 eine spri- ralför ige Bewegung des Auflagepunktes auf der Drehscheib erzielt. Erfindungsgemäß kann auch z.B. nur eine lineare oder eine nur kreisförmige Verschiebung bewirkt werden.
[0030] Die Flüssigkeitslinse mit der zweiten Flüssigkeit 29 kann auch durch den Planschwinger 3 einerseits und eine Folie 3o anderseits gebildet werden, wie es in Figur 3 dargestellt ist. In diesem Fall befindet sich eine Flüssigkeitskammer nur zwischen dem Linsensystem und dem zu behandelnden Bereich. Diese ist jedoch ebenfalls ent¬ behrlich, wenn die Therapie im Wasserbad durchgeführt wird.
[0031] In Figur 4 wird eine weitere, einfachere Brennpunktver¬ schiebung schematisch dargestellt . Hier wird die den Planschwinger 3 und die Flüssigkeitslinse 2 enthaltende Einheit exzentrisch zu der Rotationsachse angeordnet. Die Rotation kann wie üblich durch einen Motor bewirkt werden. Die Brennweite kann manuell oder periodisch¬ pulsierend mittels einer Pumpe durch Änderung des Linsen¬ volumens erfolgen.
[0032] In der in Figur 5 dargestellten Ausführungsform besteht der Planschwinger aus zwei Teilen und zwar aus einem äußeren Ring 31, der unbedämpft ist und zur Leitungs- abstrahlung dient, und einem zentralen Teil 32, der mit ' einem Dämpfungsstoff 33 bedämpft ist, für Impuls-Echo- Betrieb. Beide Teile werden konzentrisch auf der Boden¬ platte 34 des hier nicht gezeigten Gehäuses befestigt. Die Platte 34 besitzt eine* Dicke von n λ /2 bei n=l,2,3.. Für den ringförmigen Teil 31 und für den zentralen be- dämpften Teil 32 kann n gleich oder verschieden sein. Durch die vorgeschlagene Kombination kann simultan diagnostiziert und therapiert werden. Bei bestimmten therapeutischen Anwendungen, z.B. Hyperthermie, wird mit einem Thermoelement der Temperaturanstieg im Brennpunkt des Therapiekopfes registriert und muß innerhalb vorge¬ gebener Temperaturgrenzen konstant gehalten werden. Mit dem Diagnostikeinsatz 32 kann der Brennpunkt genau auf das Zielgebiet, d.h. das im Zentrum des Zielgebietes stehende Thermoelement justiert werden, bevor die Therap über das gleiche, nunmehr justierbare Linsensystem er¬ folgt.
[0033] Aus Figur 6 geht hervor, daß bei Anwendung des nur zur Therapie vorgesehenen Wandlerteils 31 eine Gewebeüber- hitzung im Bereich des Brennpunktes der Linse 35 er¬ möglicht wird. Gleichzeitig wird die schallfreie Vor¬ laufstrecke 36 geschont.
[0034] Durch die in den Figuren 5 und 6 dargestellte Ausführung form kann unmittelbar vor und während der Therapie das Zielgebiet diagnostisch erkundet und überwacht werden, ohne daß der Behandlungskopf ausgetauscht werden muß. Wenn nur der Wandlerkopf mit Linsensystem angepaßt ist, können simultane Diagnostik und Therapie mit handels- üblichen Generatoren bzw. Diagnostikgeräten durchge¬ führt werden. Der leistungsschwache Diagnostikeinsatz im Zentrum des Therapiekopfes reduziert flächenpropor¬ tional bei gleicher Intensität die Sendeleistung nur ge¬ ringfügig, beeinflußt aber das axiale Temperaturprofil in der Strecke zwischen Linse und Brennpunkt günstig. Bei derlokalen Hyperthermie tieferliegender Gewebe¬ bereiche ermöglicht die erfindungsgemäße Wandlerkon¬ struktion eine Gewebeüberhitzung im Bereich des akusti¬ schen Brennpunktes der Linse bei gleichzeitiger Scho- nung der Vorlaufstrecke. - o _
[0035] Durch den Ersatz des Diagnostikteils 31 durch eine Strahlenquelle , z .B . *' lr für -Strahlen , kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Hyperthermie in Kombination mit Strahlentherapie von Tumoren einge¬ setzt werden .
权利要求:
Claims
Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Abstrahlung und zum Empfang fokussierterUltraschallwellen insbesondere zur lokalen Aufheizung biologischer Gewebe, z.B. Tumoren, mit einem piezo elektrischen Ultraschallwandlersystem und einer Linse.
dadurch gekennzeichnet. dass das Ultraschallwandler-system einen scheibenförmigen Planschwinger (3) auf weist, vor dem eine Flüssigkeitskammer (1) mit einer ersten Flüssigkeit angeordnet ist, in der sich eine.
mit einer zweiten Flüssigkeit gefüllte Flüssigkeits linse (2) befindet, und dass die Brennweite der Flüs sigkeitslinse (2) durch Änderung des Volumens der zweiten Flüssigkeit variierbar und/oder der Brenn punkt in der Brennebene verschiebbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet.
dass die Flüssigkeitslinse (2) durch zwei elastische.
schalldurchlässige Membranen (6) gebildet wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Flüssigkeit (29) sich zwischen demPlanschwinger (3) und einer mit diesem verbundenen elastischen, schalldurchlässigen Membran (30) be findet, so dass eine plankonvexe Flüssigkeitslinse ge bildet wird.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3. da durch gekennzeichnet. dass durch Rotation der denPlanschwinger (3). die Flüssigkeitskammer (1) und die Flüssigkeitslinse (2) aufweisenden Einheit derBrennpunkt in der Brennebene verschiebbar ist. wobei diese Einheit exzentrisch zur Rotationsachse ange ordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet. dass durch Einstellung eines beliebigenNeigungswinkels des Planschwingers (3) in Bezug auf die optische Achse der Flüssigkeitslinse (2) derBrennpunkt in der Brennebene verschiebbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet.
dass der Planschwinger (3) über eine zentrale. in derRichtung seiner Flächennormalen verlaufenden Lager ungsstange (19) auf einer senkrecht zur optischenAchse der Flüssigkeitslinse (2) angeordneten Scheibe (22) in einer radialen Nute (23) gelagert ist, wobei der Auflagepunkt (24) der Lagerunsstange (19) innerhalb dieser Nute (23) verschiebbar ist. so dass sich ein va-riabler Neigungswinkel zwischen der optischen Achse der Flüssigkeitslinse (2) und der Strahlungsrichtung des Planschwingers (3) ergibt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6dadurch gekennzeichnet. dass der Planschwinger (3) über eine zentrale, in der Richtung seiner Flächennor malen verlaufende Lagerungsstange (19) auf einer senkrecht zur optischen Achse der Flüssigkeits linse (2) angeordneten Drehscheibe (22) gelagert ist. wobei der Auflagepunkt (24) der Lagerungstänge (9) auf der Drehscheibe (22) bei Rotation eine azimutale Bewegung beschreibt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, dass der Planschwinger (3) mit der Flüssigkeitskammer (1) über ein elastischesLagerungselement (15) vorzugsweise. lösbar gekoppelt ist, wobei das Lagerungselement (15) zumindest einen Teil der seitlichen Wandung der Flüssigkeits kammer (1) bildet. und C dieLagerungsstange (19) zur Erzielung einer festen Kopplung zwischen dem Planschwinger (3) und der Flüssigkeitskammer (1) gefedert (21) ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet. dass die Flüssigkeitskammer (1) an der Koppelstelle zum Planschwinger (3) und zurAbstrahlungsseite durch je eine schalldurchlässige Folie (11. 12) abgeschlossen ist und dass ein akustischer Durchgang zwischen dem Planschwinger (3) und der Folie (12) ermöglicht ist.
loVorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da durch gekennzeichnet, dass der Planschwinger (3) in einem abmontierbaren Gehäuse (16) auf der nA/2-dicken Bodenplatte(17) des Gehäuses (15) befestigt ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis lo, da durch gekennzeichnet, dass in der Flüssigkeitskammer (1) eine luftgefüllte, elastisch abgeschlosseneAusgleichkammer (14) zum Volumenausgleich bei Vo lumen- bzw. Brennweitenänderung der Flüssigkeits linse (2) vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da durch gekennzeichnet, dass der Planschwinger aus zwei konzentrisch angeordneten Teilen (31, 32) zu sammengesetzt ist, wobei ein äusserer ringförmiger unbedämpfter Teil (31) zur Leisungsabstrahlung und ein zentraler, bedampfterTeil (32) für Impuls-EchoBetrieb vorgesehen sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Planschwinger (i,2) auf einer Platte (34)montiert ist, die eine Dicke von n 7/2,bei n=1,2,3..
besitzt, wobei die ganze Zahl n für den Zentral teil (32) sich von der des entsprechenden ringför migen Teils (31) unterscheiden kann.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennezeichnet,dass zur kombinierten Hyperthermie und Strahlenbehandlung der bedämpfte Teil (32) durch eine Strahlenquelle ersetzt ist.
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同族专利:
公开号 | 公开日
EP0079351A1|1983-05-25|
引用文献:
公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
法律状态:
1982-11-25| AK| Designated states|Designated state(s): JP US |
1982-11-25| AL| Designated countries for regional patents|Designated state(s): AT BE CH DE FR GB NL SE |
优先权:
申请号 | 申请日 | 专利标题
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