DE3543867C3 - Vorrichtung zur räumlichen Ortung und zur Zerstörung von Konkrementen in Körperhöhlen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur räumlichen Ortung und Zerstörung von Konkrementen in Körperhöhlen durch Anwendung von Ultraschall-Stoßwellen, bestehend aus einem mit seinem Fokus auf das betreffende Konkrement justierbaren Stoßwellen-Wandler, der im wesentlichen aus einzelnen piezoelektrischen, zu einer Kugelkalottenform zusammengestellten Wandlerelementen besteht, und aus wenigstens einem, mit dem Stoßwellen-Wandler verbundenen B-Scanner zur Ortung des Konkrementes, dessen Längsachse mit der Symmetrieachse des Stoßwellen-Wandlers zusammenfällt, wobei die beim Ortungs- und Zerstörungsvorgang erzeugten Schalldruckwellen über ein Koppelmedium auf den Körper des Patienten übertragbar sind.

Vorrichtungen dieser Art haben sich bei der Ortung und Zerstörung von Konkrementen, wie etwa Nieren-, Harn- und Gallensteinen, vor allem deshalb bewährt, weil ihre An­ wendung im Vergleich zu operativen Eingriffen aufgrund einer berührungslosen Zerstörung des betreffenden Konkre­ mentes weniger gefährlich für den Patienten ist. Unter­ schiede in der Funktion und Anwendung der bekannten Vor­ richtungen ergeben sich im wesentlichen durch die Art der Stoßwellenerzeugung.

Es gibt Vorrichtungen (DE-OS 23 51 247, 27 18 847, 27 22 252, 29 13 251, 31 22 056 und 32 20 751), bei denen die Stoßwellen durch Funkenentladung in einem Fokus einer teilelliptischen Fokussierungskammer erzeugt werden, während der andere Fokus durch Justierung der Vorrichtung in Überdeckung mit dem zu zerstörenden Konkrement gebracht werden kann. Bekanntlich benötigt man für Funkenentladungen relativ hohe Zündspannungen, so daß sich aufwendig zu lösende Probleme hinsichtlich einer einwandfreien elektri­ schen Isolierung gegenüber dem Patienten ergeben. Außerdem führen Funkenentladungen zu einem Abbrand der Elektro­ den, so daß ein entsprechender Wartungsaufwand anfallen wird.

Besser werden insofern piezoelektrische Ultraschallwandler sein, die aus einem oder meist mehreren Keramikelementen bestehen und beispielsweise in Wasser als Koppelmedium zum Patienten impulsweise mit Spannung betrieben werden. Wandler dieser Art (DE-OS 31 19 295 und 33 19 871 und EU-OS 1 48 653) sind insbesondere wegen ihrer langen Lebensdauer und gefahrlosen Anwendung vorteilhaft. Durch mosaikartige Anordnung einzelner Wandlerelemente auf einem beispiels­ weise kugelkalottenförmigen Träger lassen sich auch relativ einfach fokussierende Wandler herstellen. Andererseits ist mit solchen aus mehreren Wandlerelementen aufgebauten Wandlern aber auch eine elektronische Fokussierung durch entsprechend zeitlich versetzte Ansteuerung der Wandler­ elemente möglich.

Ein besonderes Problem ergibt sich allerdings bei diesen Vorrichtungen im Zusammenhang mit der Ortung des Konkre­ mentes und mit der Ausrichtung des Fokus des Stoßwellen- Wandlers auf das Konkrement. Insofern wird eine Justierung unter Röntgenbeobachtung wegen der Strahlungsbelastung des Patienten nicht zu empfehlen sein. Deshalb ist man schon dazu übergegangen, Schnittbilder des betreffenden Organs oder Körperbereiches mit B-Scannern zu erzeugen und den Fokus des Stoßwellen-Wandlers unter Beobachtung der Schnitt­ bilder auf Monitoren in bezug auf das Konkrement einzu­ stellen.

So ist beispielsweise in der gattungsgemäßen EP 01 48 653 A 1 vorgeschlagen worden, die Ortung des Konkrementes mittels eines B-Scanners vorzunehmen. Da der B-Scanner dort aber fest mit der Kalotte des Stoßwellen-Wandlers verbunden ist, ist lediglich die Erzeugung eines Schnittbildes in einer Ebene möglich. Dies wird als nachteilig empfunden.

Man kann natürlich durch Verwendung mehrerer B-Scanner mehrere Schnittbilder in verschiedenen Ebenen erzeugen. Hierzu gibt die bereits genannte DE-PS 27 22 252 eine An­ regung. Dabei ist der Aufwand durch die Verwendung mehrerer B-Scanner relativ hoch im Verhältnis zu dem damit erreichten Ziel, zumal die B-Scanner dort stets in einem festen vor­ gegebenen Ausrichtungswinkel bezüglich der Lage der ab­ tastbaren Schnittebenen stehen.

Häufig wird es genügen, wenn die Lage des Fokus durch eine Zielmarke auf dem Monitor markiert ist und das durch die B-Schnittbilder auf dem Monitor sichtbare Konkrement durch Verstellen der Vorrichtung oder durch Veränderung der Lage des Patienten in Überdeckung mit der Zielmarke gebracht wird. Im übrigen ist es auch möglich, in den Vorgang des Ortens den Stoßwellen-Wandler mit einzubeziehen, indem man diesen mit relativ geringer Leistung als A-Scanner im Sender-Empfänger-Betrieb bzw. nach dem Impulsechoprinzip arbeiten läßt und beim Auftreten eines typischen Maximums der ebenfalls auf dem Monitor sichtbar gemachten Echo­ signale erkennen kann, ob sich der Wandlerfokus im bzw. am Konkrement befinden wird.

Weiterhin ist aus DE 33 28 068 A1 eine Einrichtung zum berührungslosen Zertrümmern von Konkrementen bekannt. Dort wird jedoch anstelle eines aus piezoelektrischen Wandlerelementen zu einer Kugelkalottenform zusammengestellten Wandlers eine Anordnung von Stoßwellenrohren eingesetzt, die je nach Anordnung zueinander einen gemeinsamen Fokuspunkt aufweisen können. Die Stoßwellenrohre sind außerdem in Achsrichtung verschiebbar, um Laufzeitverschiebungen zwischen den einzelnen Stoßwellenrohren zu erzeugen. Sie arbeiten nach dem Prinzip der Funkenentladung. Auch die dort beschriebene Einrichtung weist eine Ultraschallortungseinrichtung auf, die sich über die gesamte Breite der Stoßwellenrohranordnung erstreckt und um ihre Längsachse schwenkbar ist. Dieser Stand der Technik ist auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik hinsichtlich der sich stellenden Probleme bei der Ortung und deren Lösung aufgrund der stark voneinander abweichenden Funktionsprinzipien und der sich daraus ergebenden konstruktiven Unterschiede nicht übertragbar. So erfolgt beim gattungsgemäßen Stand der Technik die Anordnung der Wandlerelemente zentral und starr zueinander angeordnet innerhalb einer Kugelkalotte, während die Stoßwellenrohre dezentral mit Abstand und relativ beweglich zueinander angeordnet sind.

Ausgehend von dem gattungsgemäßen Stand der Technik (EP 0 148 653 A1) liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur räumlichen Ortung und Zerstörung von Konkrement in Körperhöhlen durch Anwendung von Ultraschallstoßwellen so auszubilden, daß mit konstruktiv einfachen und kostengünstigen Mitteln eine Ultraschallortung ermöglicht wird, die einerseits sicherstellt, daß der Fokus des Stoßwellenwandlers stets innerhalb der Ortungsebene liegt und andererseits eine möglichst vielschichtige Betrachtungsweise ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die in Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Dadurch, daß der B-Scanner verdrehbar angeordnet ist, kann das Konkrement in unterschiedlichen Schnittebenen erfaßt und somit seine Abmessungen und Lage in bezug auf den Fokus des Wandlers ermittelt werden. Durch die axiale Verstellbarkeit können zudem Schnittebenen verschiedener Lageorientierung dargestellt werden. Unabhängig von der jeweiligen Stellung des B-Scanners ist jedoch stets gewährleistet, daß der Fokus des Wandlers innerhalb der Schnittebene des B-Scanners liegt, so daß auch die Behandlung selbst durch den B-Scanner kontrollierbar ist.

Durch die Verstellbarkeit des B-Scanners relativ zum Stoßwellen-Wandler besteht die Möglichkeit, je nach Anzahl der ausgewählten Scanner-Stellungen eine Vielzahl von Schnittebenen durch den betreffenden Bereich des Körpers zu legen und somit eine relativ hohe räumliche Auflösung des Bereiches zu schaffen, in dem sich das Konkrement voraussichtlich befinden wird. Wenn das Konkrement in einer Schnittebene auf dem Monitor sichtbar und durch Relativ­ bewegung zwischen Patient und Stoßwellen-Wandler in Über­ deckung mit der den Wandlerfokus kennzeichnenden Zielmarke gebracht wird, liegt zumindest eine Ebene bzw. räumliche Koordinate für die Position des Fokus zum Konkrement fest.

Nach Verstellen des B-Scanners in eine andere Position, beispielsweise durch Drehen um 90°, wird die Lage des Konkrementes in einer weiteren Schnittebene auf vorerwähnte Weise gesucht und gefunden, so daß eine weitere Koordinate festliegt, was im allgemeinen schon ausreichen wird, um mit einiger Sicherheit davon ausgehen zu können, daß der Wandler­ fokus und das Konkrement die gleiche Position haben oder daß sich das Konkrement zumindest auf der Symmetrieachse des Wandlers befindet, wobei man in diesem Fall den Wandler noch axial verstellen wird, bis sich ein Fokus am Konkrement befindet. Hierbei wird der Wandler als A-Scanner arbeiten. Im Anschluß daran wird der Wandler impulsweise mit voller Leistung betrieben, um das Konkrement zu zerstören.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, mit dem B-Scanner auch ein vom Konkrement reflektiertes Stoßwellenecho zu empfangen und auf dem Monitor sichtbar zu machen, so daß man auch während der Stoßwellenapplikation ständig die Lage des Fokus optisch kontrollieren kann.

Zu diesem Zweck werden der den Stoßwellen-Wandler betrei­ bende Impulsgenerator und der B-Scanner so synchronisiert, daß das erwähnte Stoßwellen-Echosignal vom B-Scanner empfangen werden kann. Wenn das Wandlerelement des B-Scanners mechanisch gewobbelt wird, wird die Synchronisation so durchgeführt, daß die Achse des auf Empfang geschalteten Wandlerelementes beim Auftreffen des Stoßwellen-Echo­ signales auf der Symmetrieachse des Stoßwellen-Wandlers liegt.

In den anliegenden Zeichnungen sind einige Ausführungsbei­ spiele der Erfindung schematisch und vereinfacht darge­ stellt. Die verschiedenen Ausführungsformen werden nach­ folgend unter Bezugnahme auf die Darstellungen näher be­ schrieben. Hierbei zeigt

Fig. 1 eine Ausführungsform der Vorrichtung, bei der die Längsachse des B-Scanners und die Symmetrieachse des Stoßwellen-Wandlers zusammenfallen,

Fig. 2 + 3 Monitore mit Zielmarke(n), die bei der Ortung des Konkrementes und bei der Positionierung des Patientenkörpers ver­ wendet werden können, und

Fig. 4 eine Vorrichtung, mit der der Empfang des durch Stoßwellen des Stoßwellen-Wandlers an einem Konkrement erzeugte Echosignal mit dem B-Scanner sowie dessen Sichtbar­ machung möglich ist.

Der Stoßwellen-Wandler 1 hat bei allen dargestellten Vor­ richtungen die Form einer Kugelkalotte, in der einzelne piezoelektrische und nicht weiter dargestellte Wandler­ elemente angeordnet und mit ihrer aktiven Strahlerfläche auf den Fokus 2 ausgerichtet sind. Solche fokussierenden Wandler sind weitgehend bekannt (DE-OS 33 19 871) und brauchen deshalb nicht weiter beschrieben zu werden. Bekannt sind auch verschiedene und deshalb nicht im ein­ zelnen dargestellte Möglichkeiten für die erforderliche Ankopplung des Stoßwellen-Wandlers an den Patienten, wo­ für beispielsweise die DE-OS 29 13 251, 31 19 295, 32 20 751 und 33 19 871 und die US-PS 32 37 623 geeignete Lösungen zeigen.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 ist der B-Scanner 3 am oberen Ende eines Halters 4 so befestigt, daß die Längs­ achse 5 des Scanners und die Symmetrieachse 6 des Stoß­ wellen-Wandlers 1 zusammenfallen. Der Halter 4 durchläuft das Zentrum des Wandlers 1, der in einem zentralen Bereich 1a keine Wandlerelemente aufweist, wodurch der Halter 4 und der Scanner 3 in einem Schallschatten mit der Umfangs­ form eines Kegels 7 liegen werden, auch wenn wie hier der Scanner bzw. dessen Halter relativ weit aus dem von der Kugelkalottenform des Wandlers 1 eingeschlossenen Raum nach außen vorsteht.

Die äußere Kontur des sich im Fokus 2 schneidenden Stoß­ wellenfeldes ist durch den Kegel 8 angedeutet worden. In der vom Scanner 3 erfaßten, in der Zeichnungsebene liegen­ den Schnittebene 9 soll das beispielsweise in einer Niere 10 des Patienten 11 befindliche Konkrement 12 liegen, auf das der Fokus 2 in diesem Fall bereits ausgerichtet ist.

Im übrigen kann der Halter 4 mit dem Scanner 3 um die Symmetrieachse 6 in Richtung des Pfeiles A verdreht werden, und zwar beispielsweise in einem Winkelbereich von 90°, so daß die Erzeugung von zumindest zwei entspre­ chend winkelversetzten Schnittbildern möglich ist. Wei­ terhin kann der Scanner 3 durch axiale Bewegung des Hal­ ters 4 relativ zum Wandler 1 in Richtung des Doppelpfeiles B verstellt werden, wodurch eine Anpassung der Scanner- Position an das Patientengut möglich ist. Eine weitere mögliche Position des Halters 4 und der Schnittebene 9 ist in Fig. 1 gestrichelt dargestellt.

Wenn der Scanner 3 wie bei der Vorrichtung nach Fig. 1 relativ weit in die übliche Schallfeldgeometrie des Wandlers 1 hineinragt und somit von vornherein einen entsprechend geringen Abstand zum Konkrement 12 haben wird, kann vorteilhaft ein handelsüblicher und somit preiswerter, kurz fokussierender Scanner zur Anwendung kommen.

Im übrigen erfüllt die Vorrichtung nach Fig. 1 ideale Voraussetzungen zur Ortung und Zerstörung von Körperkonkrementen, da der Wandler 1 und der B-Scanner 3 auf der gleichen Achse 6 liegen und da deshalb sowohl vom Ortungsschallfeld als auch vom Stoß­ wellenschallfeld gleiche Gewebeschichten durchlaufen werden. Es kann also normalerweise nicht zu unterschied­ lichen und evtl. Abbildungsfehler bedingenden Brechungen der Wellenfronten beider Schallfelder kommen.

Beim Orten des Konkrementes verwendet man üblicherweise mindestens einen Monitor 17 in Verbindung mit Zielmarken, wie es nachfolgend im Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3 beschrieben wird. Wenn man bei der Ortung mit zwei vom B-Scanner erzeugten Schnittbildern auskommt, was im allgemeinen der Fall ist, kann man aufgrund der fest vorge­ gebenen geometrischen Zuordnung des B-Scanners zum Stoß­ wellen-Wandler auf dem Bildschirm des Monitors eine Ziel­ marke (Fig. 2) oder zwei Zielmarken (Fig. 3) für beide Schnittbilder 9a, 9b anbringen, und zwar den Darstellungen gemäß beispielsweise durch ein Fadenkreuz. Wenn mit dem B-Scanner zunächst in der einen Schnittebene gearbeitet wird und sich das Konkrement im Schnittbild 9a befindet, wird durch Verlagerung des Patienten oder durch Verstel­ lung der Vorrichtung auf einer Koordinate die Abbildung des Konkrementes 12 in Überdeckung mit der Zielmarke ge­ bracht.

Dann wird der B-Scanner zur Erzeugung eines weiteren Schnittbildes 9b verstellt und das Konkrement durch Rela­ tivbewegung zwischen Patient und Vorrichtung in Über­ deckung mit der gleichen (Fig. 2) oder einer weiteren, für diese Bildebene maßgebenden Zielmarke (Fig. 3) gebracht, so daß man sicher sein kann, daß hierbei auch eine zweite Koordinate festliegt und der durch die Ziel­ marke vorgegebene Brennpunkt des Stoßwellenwandlers am oder im Konkrement liegt und der Wandler nun zur Zer­ trümmerung des Konkrementes in Betrieb gesetzt werden kann.

Es ist aber auch möglich und bekannt, zusätzlich noch den Stoßwellen-Wandler als A-Scanner zu verwenden, um auf dem Monitor 17 ein Impulsecho 18 darzustellen und durch Ver­ stellung des A-Scanners so einzurichten, daß man durch eine dritte Koordinate genau weiß, ob der Wandlerfokus richtig einjustiert ist oder ob der Wandler auch noch weiter auf dieser Koordinate verstellt werden muß. Die richtige Einstellung ist jedenfalls erreicht, wenn sich das Maximum des Echos gemäß Fig. 2 unterhalb des abgebildeten Konkre­ mentes 12 oder gemäß Fig. 3 in Deckung mit einer weiteren Zielmarke 19 befindet.

Da der B-Scanner wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 axial verstellt wird, ist es erforderlich, für jede der vorgegebenen und durch axiale Verstellung erreichbaren Schnittebenen gesondert eine Zielmarke auf dem Monitor anzubringen.

Mit der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung ist es möglich, das durch die Stoßwelle des Wandlers 1 am Konkrement 12 erzeugte Echosignal 20 mit dem B-Scanner 3 zu empfangen und im Monitor 18 sichtbar zu machen. Hierdurch wird neben der normalen Ultraschall-B-Information während der Stoß­ wellenapplikation eine zusätzliche Aussage durch Überla­ gerung des Stoßwellenechos erzielt. Wenn nämlich das Kon­ krement von der Stoßwelle getroffen wird, so erscheint auf dem Monitor ein hell aufleuchtender Bereich in der Größenordnung des Stoßwellenfokus, wodurch man dann genau optisch erkennen kann, ob das Konkrement getroffen wird.

Um dies zu erreichen, werden der den Stoßwellen-Wandler 1 betreibende Impulsgenerator 21 und der Scanner 3 hinsicht­ lich der Wobbel-Bewegung seines Wandlerelementes bzw. Empfangskristalles so synchronisiert, daß das Echosignal 20 jeweils dann empfangen werden kann, wenn die Achse des auf Empfang geschalteten Wandlerelementes gerade auf der Symmetrieachse 6 des Wandlers 1 liegt.

In Fig. 4 befinden sich die zur Ultraschall-B-Ortungs­ einrichtung gehörenden Teile in einem gestrichelt darge­ stellten Kasten 22. Diese Einrichtung besteht aus einem Sender 23 und einem Empfänger 24, die über einen schnellen Schalter 25 abwechselnd auf den Scanner 3 geschaltet wer­ den, um diesen jeweils periodisch auf Sende- und Empfangs­ betrieb zu schalten. Das vom Scanner aufgenommene Echo­ signal 20 gelangt über den Schalter 25 zum Empfänger 24 und von dort zu einer Bildaufbereitung 26, die das Signal zwecks anschließender Darstellung auf dem Monitor 17 auf­ bereitet.

Da der Empfang des Stoßwellenechos bei einem mechanischen Wobbel-Scanner nur bei Ausrichtung des Empfangskristalls auf das ankommende Echosignal möglich ist, ist die schon vorher erwähnte Synchronisierung erforderlich. Deshalb wird über einen Synchronbaustein 27 vom Empfänger 24 und von der Bildaufbereitung 26 zum betreffenden Zeitpunkt ein Synchronsignal erzeugt und dieses über ein UND-Gatter 28 mit einer den Impulsgenerator 21 steuernden Triggerein­ richtung 29 verknüpft. Hierdurch wird eine Triggerung des Impulsgenerators 21 immer nur dann möglich, wenn die Empfangsbedingungen der Ortungseinrichtung vorhanden sind. In entsprechender Weise ist aber auch eine Synchronisie­ rung möglich, wenn der B-Scanner nicht mechanisch, sondern elektrisch gewobbelt wird.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur räumlichen Ortung und Zerstörung von Konkrementen in Körperhöhlen durch Anwendung von Ultraschall-Stoßwellen, bestehend aus einem mit seinem Fokus auf das betreffende Konkrement justierbaren Stoßwellen-Wandler, der im wesentlichen aus einzelnen piezoelektrischen, zu einer Kugelkalottenform zusammengestellten Wandlerelementen besteht, und aus wenigstens einem, mit dem Stoßwellen-Wandler verbundenen B-Scanner zur Ortung des Konkrementes, dessen Längsachse mit der Symmetrieachse des Stoßwellen- Wandlers zusammenfällt, wobei die beim Ortungs- und Zerstörungsvorgang erzeugten Schalldruckwellen über ein Koppelmedium auf den Körper des Patienten übertragbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der den B-Scanner (3) tragende Halter (4) zur Erfassung von Schnittebenen (9) mit unterschiedlicher Winkelorientierung und/oder unterschiedlicher Lage mit dem B-Scanner (3) um die Symmetrieachse (6) des Stoßwellen-Wandlers (1) verdrehbar und in Richtung dieser Achse (6) relativ zum Stoßwellen-Wandler (1) verstellbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (4) des B-Scanners (3) durch das von Wandlerelementen freie Zentrum (1a) des Stoßwellenwandlers (1) verläuft und daß die Wandlerelemente so angeordnet sind, daß der Halter (4) beim Betrieb des Stoßwellen-Wandlers (1) in einem Schallschatten liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der den Stoßwellen-Wandler (1) betreibende Impulsgenerator (21) und der B-Scanner (3) so synchronisierbar sind, daß das am Konkrement (12) reflektierte Stoßwellen-Echosignal (20) vom B-Scanner empfangen wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher das Wandlerelement des B-Scanners mechanisch gewobbelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des auf Empfang geschalteten Wandlerelements des B- Scanners (3) beim Auftreffen des Stoßwellen-Echosignales (20) auf der Symmetrieachse (6) des Stoßwellen-Wanders (1) liegt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoßwellen-Wandler (1) beim Ortungsvorgang nach dem Impulsechoprinzip als A-Scanner betreibbar ist.