DE60021940T2

DE60021940T2 - Kopplungsmedium für Ultraschall hoher Leistung

Info

Publication number: DE60021940T2
Application number: DE60021940T
Authority: DE
Inventors: Joseph Godo; Emmanuel Blanc
Original assignee: Technomed Medical Systems SA
Current assignee: Technomed Medical Systems SA
Priority date: 1999-03-25
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2020-03-18
Also published as: DE60021940D1; EP1038551A1; FR2791249A1; FR2791249B1; EP1038551B1; JP4281938B2; ATE302043T1; JP2000316871A; US6432069B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet des Ultraschalls und präziser das Gebiet des Ultraschalls hoher Leistung, der für therapeutische Zwecke verwendet wird und insbesondere zum Erzeugen von Läsionen in Gewebe.
Es ist bekannt, Ultraschall in Echographievorrichtungen für diagnostische Zwecke zu verwenden. Diese Vorrichtungen werden im Allgemeinen durch eine einfache Sonde gebildet, die am Patienten angelegt wird. Um die Kopplung des Ultraschalls zu verbessern, ist es bekannt, ein Kopplungsgel zwischen der Sonde und der Haut des Patienten zu verwenden. Dieses Gel wird vor Beginn der Untersuchung in einer dünnen Schicht auf die Haut des Patienten aufgetragen.
JP-A-2 92343 beschreibt ein Kopplungsprodukt für die Ultraschallbildgebung, das durch eine Matrix aus einem porösen Material, das des Polyurethans, gebildet wird, das ein wässriges Gel, das des Polyvinylpyrrolidons (PVP), enthält.
Man verwendet auch Ultraschall zu therapeutischen Zwecken, zur Zerstörung von Konkrementen, hauptsächlich durch einen mechanischen Effekt (Schockwelle), oder um Läsionen in Gewebe, hauptsächlich durch einen thermischen Effekt, zu erzeugen. Die in diesem Fall verwendeten Apparate umfassen einen Ultraschallwandler, der in einer nachgiebigen oder starren Einfassung gefüllt mit einer Kopplungsflüssigkeit, meistens mit Wasser, angeordnet ist. Die Einfassung wird am Patienten in der Nachbarschaft des zu behandelnden Bereichs angelegt. Man kann gegebenenfalls ein Kopplungsgel zwischen der Einfassung und dem Gewebe des Patienten verwenden. Die Ausbreitungsdistanz in der Kopplungsflüssigkeit ist wichtiger als im Falle eines Kopplungsgels für die Echographie.
Man kann als Beispiele für Apparate zur Behandlung mit Ultraschall endokavitäre Hyperthermievorrichtungen aus den Dokumenten FR 91 02 620 , FR 93 09 158 , FR 96 08 096 , FR 94 01 304 oder FR 94 06 539 zitieren. Diese Vorrichtungen sind für die Behandlung der Prostata auf endorektalem Wege vorgesehen und umfassen eine fokussierte Therapiesonde, die eine Erwärmung des Gewebes im Fokus erzeugen kann und eine Nekrose des Gewebes, das sich in dem Fokus befindet, hervorrufen kann.
Die Erfindung ist insbesondere auf das Gebiet der therapeutischen Behandlung von Gewebe durch fokussierten Ultraschall anwendbar und insbesondere auf das Gebiet der Zerstörung von Gewebe im Inneren eines Organismus durch das Hervorrufen von hohen Temperaturen mit Hilfe von fokussiertem Ultraschall. In dem allgemeinen Gebiet des fokussierten Ultraschalls unterscheidet man, wie der Fachmann weiß, verschiedene Arten von Behandlungen: Die älteste Behandlung ist die Behandlung durch Lithotripsie, die auf die Zerstörung von harten Körpern anwendbar ist. Diese Art der Behandlung verwendet Schockwellen, d. h. kurze Pulse mit hoher Leistung. Es wurde anschließend vorgeschlagen, weiches Gewebe durch Hyperthermie zu behandeln, indem das Gewebe auf wenig erhöhte Temperaturen aufgewärmt wird, d. h. weniger als 45°C. Die Hyperthermie schließt das Aussenden von Ultraschall in Form von langen Pulsen geringerer Leistung auf das zu behandelnde Gewebe ein. Schließlich werden jetzt Behandlungen für weiches Gewebe durch fokussierten Ultraschall hoher Intensität vorgeschlagen, die allgemein als HIFU (Akronym des englischen High Intensity Focused Ultrasounds) bezeichnet werden. Die HIFU-Behandlungen bestehen darin, Gewebe auf erhöhte Temperaturen zu erwärmen, typischerweise über 45°C. Die Behandlungen durch fokussierten Ultraschall hoher Intensität (HIFU) stellen ein effizientes Mittel dar, um Läsionen einer Koagulationsnekrose in biologischem Gewebe im Hinblick auf das Behandeln von begrenzten Tumoren zu erzeugen.
Jenseits einer bestimmten Leistungsschwelle erzeugt der Ultraschall in den Medien, innerhalb derer er sich ausbreitet, Kavitationsphänomene. Außer den mechanischen Effekten der Kavitation sind die durch die Kavitation erzeugten Blasen ein Hindernis für die Ausbreitung des Ultraschalls. Das Kavitationsphänomen ist umso störender, als die Leistung des Ultraschalls wichtig ist. Diese Kavitationsphänomene entstehen nicht in der Echographie, wo die Intensität des verwendeten Ultraschalls unter der Kavitationsschwelle des Kopplungsmittels liegt. Ferner ist in den Echographieanwendungen die Dichte des Kopplungsmittels so, dass die Absorption des Ultraschalls durch das Kopplungsgel zweitrangig ist.
Im Falle von therapeutischen Vorrichtungen, die ferner eine Überwachung durch Echographie umfassen, wie in den vorher erwähnten Anforderungen, kann die Anwesenheit von Blasen, hervorgerufen durch die Kavitation, ferner störend für die Bildgebung oder einfach für die Bestimmung der Distanz sein, selbst wenn die Kavitationsblasen keine Probleme für den Durchgang des Therapie-Ultraschalls darstellen. Insbesondere während der Distanzmessung durch Echographie im Modus A erzeugen die Kavitationsblasen parasitäre Echos, die die Messung stören und verfälschen.
US-A-5 445 813, im Namen von Schneider et al., schlägt eine injizierbare Suspension auf der Basis von Mikroblasen vor, die als Kontrastmittel für die Echographie verwendet wird. Diese Suspension wirkt als Reflektor für Ultraschall; sie ist echogen.
Diese Verwendung widerspricht den Zielen der vorliegenden Erfindung in dem Maße, indem sie dazu tendiert, die Absorption durch Ultraschall geringer Leistung zu erhöhen, anstatt, wie die vorliegende Erfindung vorschlägt, die Kavitation, die durch den Ultraschall hoher Leistung hervorgerufen wird, zu vermindern.
A. Rajulu et al., Ultrasonic studies in solutions of polyvinylpyrrolidone, Acustica (1991), Vol. 75 Nr. 3, Seiten 213–216 bewertet die Eigenschaften von wässrigen Lösungen von PVP, um Änderungen der adiabatischen Kompressibilität als Funktion der Temperatur, der Viskosität und des molaren Verhältnisses zwischen Polyvinylpyrrolidon und dem Lösungsmittel zu bestimmen.
K. Rao et al., Acoustical parameters of polyvinylpyrrolidone solutions, Acta polym. (1989), Vol. 40 Nr. 12, Seiten 743–746 zeigt die Anwesenheit eines Komplexes aus Wasserstoffbindungen für wässrige Lösungen von PVP mit diversen Konzentrationen, ausgehend von dem Studium der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschall, der Viskosität und des Brechungsindizes.
S. Kato et al., Ultrasonic absorption of polymer solutions. XIII. Ultrasonic absorption in aqueous polyvinylpyrrolidone solutions, Nippon Kagaku Kaishi (1974), Band 10, beschreibt das Absorptionsverhalten von wässrigen Lösungen von PVP zwischen 5 und 130 MHz und zwischen 10 und 40°C.
Diese Dokumente beschreiben nicht und legen die Verwendung von wässrigen Lösungen von PVP oder anderen hydrophilen Polymeren als Kopplungsmedium für Ultraschall hoher Leistung auch nicht nahe.
US-A-5 078 149 beschreibt eine Ultraschallkopplungsvorrichtung, bestehend aus einer Einfassung, die ein Polymergel enthält, wobei die Kopplungsvorrichtung dazu vorgesehen ist, um zwischen einer Echographie-Ultraschallsonde und dem zu beobachtenden Patienten angeordnet zu werden. Eines der Polymergels, die in diesem Dokument vorgeschlagen werden, ist eine Lösung aus in drei Dimensionen durch Bestrahlung vernetztem PVP. Dieses Dokument erwähnt nur Echographieanwendungen und erwähnt weder das Problem der Kavitation, noch die Anwendung zur Behandlung durch Ultraschall hoher Leistung.
Außerdem müssen Ultraschallwandler hoher Leistung gekühlt werden; das Kopplungsmedium, das mit diesem in Kontakt ist, muss daher pumpfähig (flüssig) sein, was viskose Medien ausschließt.
Dokument US-A-5,666,954 beschreibt eine endorektale therapeutische Sonde, die einen Therapie-Ultraschallwandler geeignet für Ultraschall enthält, angeordnet in einer Einfassung, die mit einem Kopplungsmedium gefüllt ist.
Es besteht daher ein Bedarf für ein flüssiges Kopplungsmedium, das für die Transmission von Ultraschall mit Frequenzen und Energien, die üblicherweise für Ultraschalltherapiebehandlungen verwendet werden, geeignet ist und das es erlaubt, soweit wie möglich Kavitationsphänomene zu vermeiden. Vorzugsweise sollte ein solches Kopplungsmedium eine so schwache Absorption wie möglich im Bereich der Frequenz des verwendeten Ultraschalls aufweisen.
Dieses Problem stellt sich insbesondere für Hyperthermieapparaturen, aber auch für andere Apparate zur Behandlung mit Ultraschall hoher Leistung.
Die Erfindung schlägt eine Lösung für dieses Problem vor.
Genauer schlägt die Erfindung ein Kopplungsmedium für Ultraschall hoher Leistung vor, das eine flüssige wässrige Lösung eines hydrophilen Polymers umfasst. Gemäß einer Ausführungsform ist das hydrophile Polymer Polyvinylpyrrolidon.
Gemäß einer Ausführungsform liegt das Molekulargewicht des hydrophilen Polymers zwischen 10000 und 100000. Gemäß einer Ausführungsform liegt die Menge des Polymers zwischen 10 und 50 g/l.
Die Erfindung hat auch eine Ultraschall-Therapievorrichtung zum Gegenstand, die einen Therapie-Ultraschallwandler umfasst, der geeignet ist, um Ultraschall hoher Leistung zu emittieren, angeordnet in einer Einfassung, die mit einem Kopplungsmedium gemäß der Erfindung gefüllt ist.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen Ultraschallgenerator, der an den Ultraschallwandler gekoppelt ist, wobei der Generator so an den Wandler gekoppelt ist, dass dieser Ultraschallwellen in einem Frequenzbereich zwischen 1 und 5 MHz, bevorzugt zwischen 2 und 3 MHz, emittiert.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung außerdem einen Wandler zur Bildgebung.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner eine Einrichtung zum Messen des Abstandes zum Ziel durch Ultraschall gemäß der Echographie-Technik im Modus A.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner Mittel zur Rezirkulation des genannten Kopplungsmediums.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden sich bei der Lektüre der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung zeigen, die nur als Beispiele gegeben sind.
Das Kopplungsmedium gemäß der Erfindung ist für Ultraschall hoher Leistung geeignet. Man versteht im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter „Ultraschall hoher Leistung" jeden Ultraschall, der geeignet ist, um Schädigungen von Gewebe durch Zerstörung oder Nekrose zu erzeugen, insbesondere thermische Schädigung oder durch Kavitation, wobei diese Schädigungen das Ziel des Ultraschalls sind (im Gegensatz zu Echographie-Ultraschall, der manchmal unerwünschte Schädigungen erzeugt). Die Begriffe Ultraschall hoher Leistung und Therapie-Ultraschall haben in der Anmeldung die gleiche Bedeutung. Typischerweise weist Ultraschall hoher Leistung oder Therapie-Ultraschall eine Energiedichte größer als 1000 W/cm² auf.
Das Kopplungsmedium gemäß der Erfindung ist eine flüssige wässrige Lösung eines hydrophilen Polymers. Diese Lösung ist flüssig, also pumpfähig, und kann daher als Kühlflüssigkeit des Ultraschallwandlers und/oder der Sonde, insbesondere im Falle einer endorektalen Sonde, und/oder von angrenzendem Gewebe und/oder von zu behandelndem Gewebe dienen.
Man versteht im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter „hydrophiles Polymer" jede Substanz mit einem gehobenen Molekulargewicht (z. B. über 300), die eine ausreichende Affinität für das Wasser hat, um sich darin aufzulösen oder darin ein Gel zu bilden. Beispiele für solche Polymere sind Polyvinylpyrrolidon, acrylhaltige Polymere, Polyalkoholvinyle, Cellulosederivate (solche wie Alkylcellulose, Hydroxypropylcellulose, Hydroxymethylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose, Carboxymethylcellulose), Gelatine, Gummi (Guar, Agar-Agar, usw.), Polyethylenoxide, usw.. Mischungen von Polymeren sind ebenfalls geeignet. Das Molekulargewicht liegt z. B. zwischen 10000 und 100000, bevorzugt zwischen 30000 und 75000.
Das hydrophile Polymer ist bevorzugt Polyvinylpyrrolidon (PVP). Das im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete PVP ist z. B. Plasdone, insbesondere K29-32 (Molekulargewicht ungefähr 58000).
Die Polymerkonzentration in der wässrigen Umgebung kann, festgelegt durch den Fachmann, in weiten Bereichen variieren. Allgemein liegt die Menge an Polymer zwischen 10 und 50 g/l. In dieser Menge verwendet, führt das hydrophile Polymer nicht zu einer gelierten Lösung, im Gegensatz zum Stand der Technik. Die Viskosität der Lösung gemäß der Erfindung ist fühlbar die von Wasser (die bei 1 cst (centistoke) bei 20°C liegt). Die Viskosität der Lösung gemäß der Erfindung liegt zwischen 1 und 2 cst, bevorzugt zwischen 1,2 und 1,6 cst, bei 20°C. Diese Viskosität ist z. B. 1,3 cst für eine Lösung von PVP mit einer Konzentration von 10 g/l.
Die akustischen Absorptionseigenschaften der Lösung gemäß der Erfindung sind fast die gleichen wie diejenigen von Wasser. Die Dämpfung durch die Lösung gemäß der Erfindung ist identisch mit derjenigen von Wasser, z. B. für Lösungen von PVP mit einer Konzentration von 10 und 20 g/l.
Die schwache akustische Absorption oder die schwache akustische Dämpfung des Kopplungsmediums der Erfindung erlauben es, dass der größte Teil des Ultraschalls hoher Leistung effektiv zu der zu behandelnden Zone transmittiert wird.
In Bezug auf die Kavitation erlaubt die Erfindung auch eine spürbare Verbesserung in Bezug auf die bekannte Verwendung von Wasser als Kopplungsmedium.
Das Kopplungsmedium der Erfindung erlaubt so ein Verringern des Effekts der Kavitation, ohne deswegen die Absorption des Ultraschalls zu vergrößern. Es gewährleistet eine gute Transmission des Therapie-Ultraschalls. Ferner gewährleistet es, dass die Vorrichtung zur Bildgebung, falls sie existiert, ein reines Bild der zu behandelnden Zone liefert und dass die Messeinrichtung, insbesondere durch Echographie im Modus A, einen korrekten Abstand zu dem Ziel liefert.
Das Kopplungsmedium der Erfindung ist ein Medium auf Basis von Wasser. Es ist daher einfach vorzubereiten und zu verwenden und erfordert keine besonderen Vorsichtsmaßnahmen zur Verwendung. Es zeigt den Vorteil, relativ flüssig zu sein und sich im Falle eines Ultraschallwandlers, der in einer weichen Umhüllung enthalten ist, somit einfach an die Morphologie der behandelten Zone anzupassen.
Das Kopplungsmedium gemäß der Erfindung kann klassische Additive enthalten, wie Stabilisatoren, antibakterielle Mittel (z. B. Amphorisin) und andere.
Das Kopplungsmedium der vorliegenden Erfindung weist außerdem eine akustische Impedanz nahe der von Wasser auf.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit in dem Medium der Erfindung ist auch fast gleich der von Wasser. Zum Beispiel sind die Ausbreitungsgeschwindigkeiten in der Lösung gemäß der Erfindung für Lösungen von PVP mit einer Konzentration von 10 und 20 g/l gleich wie die in Wasser erhöht um 3 beziehungsweise 5%.
Die Identität der Ausbreitungsgeschwindigkeiten und der Impedanzen erlaubt es, das Kopplungsmedium der Erfindung in existierenden Therapievorrichtungen einzusetzen, ohne dass es notwendig wäre, sie zu modifizieren. Ferner vermeidet die Verwendung eines Kopplungsmediums, das solche Ausbreitungseigenschaften hat, die Defokussierung und Reflexionen an den Grenzflächen. Man erhält ein Kopplungsmedium, das genau die Ausbreitungseigenschaften in Gewebe des menschlichen Körpers hat, was eine gute Fokussierung und eine gute Transmission, insbesondere an den Grenzflächen, sicherstellt.
Die Erfindung schlägt ferner eine Ultraschall-Behandlungsvorrichtung vor, die einen Therapie-Ultraschallwandler aufweist, der in einer Einfassung angeordnet ist, die ein solches Kopplungsmedium enthält. Die Einfassung kann eine starre, eine nachgiebige oder eine teilweise nachgiebige Einfassung sein. Die Vorrichtung kann einen Ultraschall- Generator umfassen, der geeignet ist, um Therapieultraschall zu erzeugen, z. B. Ultraschall in einem Frequenzbereich des Generators, der Ultraschall in einem Frequenzbereich von 1 bis 5 MHz, bevorzugt von 2 bis 3 MHz, emittiert.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung der Erfindung auch einen Wandler zur Bildgebung auf, der auch ein Bild aus der behandelten Zone liefert. Vorzugsweise weist die Vorrichtung der Erfindung eine Einrichtung zum Messen durch Echographie im Modus A auf, ausgehend von dem Therapie-Ultraschallwandler, wobei die genannte Einrichtung ein Emissions-Empfangs-Element ist, das in den Ultraschallwandler integriert ist (Aussendung eines Pulses und Messung der Zeit für die Rückkehr des Pulses, d. h. Messung der Echozeit). Die Verwendung eines Kopplungsmediums gemäß der Erfindung erlaubt es, sicherzustellen, dass eine solche Einrichtung auch ein reines Bild und/oder eine zuverlässige Messung des Abstandes bis zum Ziel liefert.
Das folgende Beispiel illustriert die Erfindung, ohne sie einzuschränken.
Beispiel
Man bereitet Lösungen aus Plasdone K29-32 mit Konzentrationen von 10, 20 und 50 g/l vor. Man erhält flüssige fluide Lösungen.
Das Kopplungsmedium der Erfindung zeigt Absorptionseigenschaften sehr nahe denen von Wasser.
Das Kopplungsmedium wird in eine Therapievorrichtung, wie die von der Anmelderin unter dem Namen „Ablatherm" vermarktete, hineingegeben. Außer einem unbedeutenden Einfluss auf das Niveau des therapeutischen Effektes, vermeidet dieses Kopplungsmedium parasitäre Echos während der Messung des Abstandes zum Ziel durch die Echographietechnik im Modus A.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen und präsentierten Beispiele und Ausführungsformen eingeschränkt, sondern sie ist für den Fachmann in vielen Varianten zugänglich.

Claims

Eine Ultraschall-Therapievorrichtung umfassend einen Therapie-Ultraschallwandler, der geeignet ist um Ultraschall hoher Leistung zu emittieren, angeordnet in einer Einfassung, die mit einem Kopplungsmedium gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Kopplungsmedium eine wässrige, flüssige, pumpfähige Lösung eines hydrophilen Polymers umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hydrophile Polymer in dem Kopplungsmedium Polyvinylpyrrolidon ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Molekulargewicht des hydrophilen Polymers in dem Kopplungsmedium zwischen 10.000 und 100.000 liegt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an Polymer in dem Kopplungsmedium zwischen 10 und 50 g/l liegt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Ultraschallgenerator umfasst, der an den Ultraschallwandler gekoppelt ist, wobei der Generator so an den Wandler gekoppelt ist, dass dieser Ultraschallwellen in einem Frequenzbereich zwischen 1 und 5 MHz, bevorzugt zwischen 2 und 3 MHz, emittiert.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner einen Wandler zur Bildgebung umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner eine Einrichtung zum Messen des Abstandes zum Ziel durch Ultraschall nach der Echographie-Technik im Modus A umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner Mittel zur Rezirkulation des genannten Kopplungsmediums umfasst.
Verwendung einer wässrigen, flüssigen, pumpfähigen Lösung eines hydrophilen Polymers als Kopplungsmedium für Ultraschall hoher Leistungen.
Verwendung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung eine Lösung von Polyvinylpyrrolidon ist, die ein Molekulargewicht zwischen 10.000 und 100.000 aufweist, mit einer zwischen 10 und 50 g/l liegenden Menge an Polymer.