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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung bzw. ein Gerät und ein Verfahren zur Behandlung
der benignen Prostatahyperplasie (BPH), des Prostatakrebses und
anderer Erkrankungen durch Anwendung fokussierter Ultraschallenergie
von einer Sonde, die nahe der Schädigungsstelle angelegt wird.
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Die
BPH ist eine sehr häufige
Erkrankung bei Männern,
die über
50 Jahre alt sind, bei denen ein Anschwellen der Prostata zur Einengung
der Harnröhre
und der sich daraus ergebenden Unfähigkeit oder Schwierigkeit
beim Urinieren führt.
In ihrer frühen
Entwicklungsstufe bewirkt sie Unbehagen und Unbequemlichkeiten.
Läßt man sie
fortschreiten, kann sie zu starken Schmerzen und ernsthaften Konsequenzen
führen.
Sie wird üblicherweise
mit einer transurethralen Resektion der Prostata (TURP) behandelt,
einem chirurgischen Verfahren mit guter Wirksamkeit, aber verbunden
mit einem bedauerlichen Grad an Schmerzen, Blutverlust, Morbidität, Komplikationen,
Kosten und Zeitverlust, und in einigen Fällen zum Tode führend. Es
ist nicht erwiesen, daß andere
Verfahren, die Laser- oder Hochfrequenz- oder Mikrowellenenergie
verwenden, die Effektivität
der TURP erreichen. Ein Verfahren, das hohe Effektivität mit weniger
kurzzeitigen schädlichen
Wirkungen als die TURP kombiniert, ist noch immer dringend erforderlich.
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Prostatakrebs
ist die zweithäufigste
Todesursache in bezug auf Krebs bei Männern. In seinen frühen Entwicklungsstufen
kann er durch radikale Prostatektomie erfolgreich behandelt werden,
aber dieses Verfahren hat alle Nachteile der TURP und führt außerdem oft
zu Inkontinenz, Impotenz oder zu beiden. Der Prostatakrebs kann
auch mit Bestrahlungstherapie be handelt werden, aber ähnliche
ernsthafte Nebenwirkungen sind verbreitet, wenn eine solche Dosis
verwendet wird, die gute Chancen auf ein günstiges Ergebnis verspricht.
Ein Heilverfahren mit geringerem Anfangstrauma wird benötigt. Weiter
fortgeschrittener Prostatakrebs wird auch mit radikaler Prostatektomie
oder mit Bestrahlungstherapie behandelt, aber dieses Verfahren führt gewöhnlich nicht
zu einer Heilung, obwohl es Linderung bringen kann. Da in diesen
Fällen
weniger erreicht wird, ist ein weniger invasives Verfahren um so
erforderlicher.
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Mit
Ultraschall sind Urologen vertraut, da ein Gewebevolumen bildlich
dargestellt werden kann, indem Schnittbilder erzeugt werden, ohne
daß geschnitten
werden muß.
Das ist möglich,
da Ultraschallwellen durch Gewebe durchgelassen werden, ohne zu
stark gedämpft
zu werden, aber da dort eine wesentliche Absorption im Gewebe erfolgt,
kann intensiver Ultraschall eine sehr erhebliche Erwärmung im
Inneren eines Organs erzeugen. Das Ziel bei der Ausnutzung dieser
Wirkung ist es, eine hohe Ultraschallintensität im Inneren des zu behandelnden
Bereichs zu erzeugen, wogegen die Ultraschallintensität in dem
Gewebe, das verschont werden soll, minimiert werden soll. Bisherige
Versuche sind gemacht worden, um die Fähigkeiten des fokussierten
Ultraschalls zur Behandlung der BPH und des Prostatakrebses auszunutzen.
Eine Methode verwendet extrakorporalen, von außerhalb des Körpers fokussierten
Ultraschall; eine weitere verwendet eine transrektale Sonde.
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Das
US-Patent 5 344 435 von Turner et. al. beschreibt die transurethrale
Anwendung von nichtfokussierter Ultraschallenergie zur Behandlung
der Prostataerkrankung. Das beschriebene Gerät nutzt jedoch nicht die Fähigkeit
von Ultraschall aus, in dem Gewebe einen Fokus zu erzeugen und somit
einem innenliegenden Punkt eine höhere Intensität zuzuführen, als
an der Harnröhrenwand
vorhanden ist. Demzufolge und selbst wenn Harnröhrenkühlung angewendet wird, empfehlen
die Erfinder keine Temperaturen über
48°C. Die
diffuse Verteilung dieser Temperaturen in der Prostata mag einen
gewissen klinischen Wert haben, erzeugt aber keine Wirkungen, die
vergleichbar sind mit der Anwendung von höheren Temperaturen in einem scharf
begrenzten Gewebevolumen, wie in der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Das
Gerät von
Turner et. al. gemäß 5 344 435
arbeitet in einem Modus, der allgemein als Hyperthermiemodus bezeichnet
wird. Die Energieweitergabe unter Verwendung des Geräts von Turner
et al. gemäß 5 344
435 erfolgt durch Strahlung, das heißt, die Energie wird von einer
Quelle im Gerät
zu einem Behandlungsvolumen durchgelassen, das wesentlich größer ist
als die Quelle selbst. Infolge der Begrenzung der hyperthermischen
Bestrahlungstemperatur auf maximal 48°C muß das erkrankte Prostatagewebe
für relativ
lange Zeitabschnitte bestrahlt werden, häufig bis zu 60 Minuten oder
länger.
Dies ist nachteilig, denn es erfordert die Ruhigstellung des Patienten
während
dieser langen Behandlung.
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WO-95/02994
offenbart eine transurethrale Sonde für die Ultraschall-Bilderzeugung
und eine Intraluminaltherapie mit einem Sondenkörper, mindestens einem Bildwandler
und mindestens einem Wandler für
die fokussierte Therapie. WO-95/02 994 sagt nichts über die
Zeitdauer der zugeführten
Dauerleistung aus. Wenn eine Transrektalsonde verwendet wird, muß der Ultraschall
4 cm oder mehr durch gesundes Gewebe vordringen, bevor das Gewebe erreicht
wird, das zerstört
werden soll. Wenn sich die Sonde außerhalb des Körpers befindet,
muß der
Ultraschall eine noch größere Dicke
des gesunden Gewebes durchlaufen. In beiden Fällen ist der große Abstand
zwischen der Sonde und dem zu behandelnden Gewebe nachteilig, da
er es schwieriger macht, mit dem Ultraschall das Ziel genau zu treffen,
da gesundes Gewebe den möglicherweise
schädigenden Wirkungen
von hochintensivem Ultraschall ausgesetzt ist und da eine höhere Anfangsleistung
verwendet werden muß,
um die Dämpfung
im Gewebe zwischen der Sonde und dem Ziel auszugleichen.
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Ein
weiterer Nachteil von bisherigen Systemen ist, daß sie den
Ultraschall auf jedes einzelne zu behandelnde Gewebevolumen mit
maximaler Intensität
fokussieren. Dies erfordert eine äußerst genaue Zielerfassung,
was im allgemeinen ein aufwendiges und teures Zielsystem erfordert,
zum Beispiel Diagnose-Ultraschall. Ferner ist die Durchführung der
genauen Relativbewegung zwischen der Sonde und dem Patienten erforderlich.
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Wegen
der hohen Leistung, die erforderlich ist, um die Dämpfung auszugleichen,
und wegen der erforderlichen genauen Zielerfassung sind bekannte Systeme
sehr teuer und kosten weit über
einhunderttausend Dollar und in bestimmten Fällen das Mehrfache.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
allgemeinen Hauptaufgaben der vorliegenden Erfindung sind die Bereitstellung
einer Vorrichtung, die BPH, Prostatakrebs und andere Erkrankungen
durch die Anwendung von Ultraschall hoher Intensität behandeln
kann; die Möglichkeit
einer minimal traumatischen Behandlung durch Vermeiden einer Inzision
von Gewebe und durch Eindringen in nur einen einzigen Körperhohlraum;
die Minimierung der Beschädigung
von Gewebe mit Ausnahme des Gewebes, das behandelt werden soll;
die Minimierung der erforderliche Ausgangsleistung der Vorrichtung, um
eine unnötige
Erwärmung
von benachbartem Gewebe zu vermeiden; die Vereinfachung des Überwachungsvorgangs
durch Anwendung möglichst
direkter endoskopischer Visualisierung; die Minimierung der Kosten
der Behandlung; die Möglichkeit
zur Behandlung, ohne daß eine
Anästhesie
erforderlich ist, die über
eine Lokalanästhetikum,
wie etwa Lidokain, hinausgeht, so daß der Vorgang nicht schmerzhafter oder
akut traumatischer ist als eine Untersuchung mit einem flexiblen
Zystoskop; die Möglichkeit
der Behandlung, bei der die Harnröhre weder durchstochen noch
erwärmt
wird und die Behandlung des Prostataparenchyms sorgfältig kontrolliert
wird; und die Möglichkeit
der Behandlung, bei der eine nachträgliche Katheterisierung notwendig
ist, so daß die
Patienten, die keine weiteren Komorbiditäten aufweisen, in einer medizinischen
Dienstleistungseinrichtung behandelt werden können, z. B. in einem Krankenhaus,
einer Klinik oder sogar ambulant in einer ärztlichen Praxis.
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Eine
weitere spezifische Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung
einer kompakten intraluminalen Vorrichtung, die einen fokussierten
Ultraschallenergiestrahl erzeugt und einen einzigen Ultraschallwandler
verwendet, der aus einem oder mehreren piezoelektrischen Elementen
besteht. Die Vorrichtung ist in der Lage, höhere als hyperthermische therapeutische
Tempe raturen in ausgewählten
Bereichen eines erkrankten Gewebes eines Körperorgans in einem bestimmten
Bereich des Körpers
zu bewirken, ohne daß die
Temperatur im umgebenden nichterkrankten Gewebe oder in angrenzenden
anatomischen Bereichen auf schädigende
Werte erhöht
wird, wobei die Vorrichtung dadurch sehr vereinfacht werden kann,
daß auf
die Notwendigkeit einer Einrichtung zum Kühlen von angrenzendem nichterkranktem
Gewebe und von Organen, die nicht behandelt werden, verzichtet werden
kann, um dort einen thermischen Schaden zu vermeiden. Die Vorrichtung
ist auch in der Lage, einen Therapieablauf in einer kürzeren Zeitdauer
zu bewirken, als für
einen Therapieablauf erforderlich ist, der nichtfokussiert strahlende Ultraschallenergie
in einem Hyperthermie-Betriebsmodus mit einer viel niedrigeren Maximaltemperaturbegrenzung
verwendet als notwendig ist, um Schaden im umgebenden nichterkrankten
Gewebe und in anderen anatomischen Bereichen zu vermeiden.
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Noch
eine weitere spezifische Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung
einer transurethralen, fokussierenden Ultraschallvorrichtung zur
Behandlung der BPH und anderer Erkrankungen der Prostata, die die
oben genannten Merkmale aufweist und die wegen des schnelleren Therapieablaufs
einen einfacheren Aufbau hat als eine Vorrichtung zur hyperthermischen
Behandlung und die auf die Notwendigkeit eines Urindränagesystems
verzichten kann, und zwar wegen der viel kürzeren Zeitdauer, die die Vorrichtung
während
der Verabreichung einer Therapie in der Pars prostatica urethrae
des Patienten verbleiben muß.
Wenn das vorliegende Gerät
betriebsbereit positioniert ist, muß es sich tatsächlich nicht über die
Pars prostatica urethrae hinaus erstrecken, weder bis zum Harnblasenhals
noch bis hinein in die Harnblase selbst.
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Das
neuartige Gerät
und das erfindungsgemäße Verfahren
beruhen auf einer therapeutischen Modalität, die wir als transurethrale
Ultraschalltherapie (TUT) bezeichnet haben. Diese Behandlungsmodalität nutzt
die Einwirkung fokussierter Ultraschallenergie auf die Prostata
von einer Sonde in der Pars prostatica urethrae, um eine hyperthermische
oder mehr als hyperthermische Erwärmung des ausgewählten erkrankten
Prostatagewebes, das behandelt werden soll, zu bewirken, wodurch
eine Koagulationsnekrose des erkrankten Gewebes bewirkt wird. Der
große
Vorteil des erfindungsgemäßen Geräts, das
die TUT verwendet, ist die Überlegenheit
der geometrischen Aspekte der Behandlung; die Ultraschallenergiewelle
muß nur
etwa 1 cm durch das Gewebe dringen. Dies ist etwa ein Viertel so
viel wie bei einer transrektalen Anwendung und stellt einen noch größeren Vorteil
gegenüber
einer extrakorporalen Anwendung dar. Die verbesserten geometrischen Faktoren,
die aus der Verwendung des erfindungsgemäßen Geräts resultieren, das die therapeutische TUT-Modalität nutzt,
machen es möglich,
die Ultraschallenergie in einem begrenzten Gewebevolumen zu fokussieren,
wobei sich eine minimale Intensität auf das Gewebe richtet, das
von der Quelle weiter entfernt ist. Es besteht eine bei dieser kurzen
Weglänge
viel geringere Dämpfung,
so daß die
Sonde keinen großen
Ultraschallenergieüberschuß emittieren
muß, um
die Dämpfung
zu kompensieren. Zugleich wird nichterkranktes Gewebe, das näher an der
Energiequelle ist, verschont, da die Ultraschallenergieintensität in solchen
Bereichen niedrig ist. Da sich die TUT-Sonde in der Harnröhre befindet,
ist die direkte zystoskopische Beobachtung eine große Hilfe beim
Lokalisieren der Sonde, wodurch keine weiteren teuren Überwachungssysteme
mehr notwendig sind. Während
bestimmte transurethrale Vorrichtungen unangenehm sein können, ermöglicht die
verbesserte Geometrie des erfindungsgemäßen Geräts die Verwendung einer kleinen,
nichttraumatisch wirkenden Sonde. Das TUT-Gerät kombiniert somit hohe Effektivität mit geringer
Invasivität, ähnlich wie bei
einer flexiblen Zystoskopie, die gewöhnlich nur mit lokal wirkendem
Lidokaingel ausgeführt
wird.
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Bestimmte
weitere Vorteile entstehen, wenn das vorliegende Gerät mit einem
hochintensiven, fokussierten Ultraschallenergiestrahl betrieben
wird. Ein Vorteil besteht darin, daß höhere therapeutische Temperaturen
in genauer begrenzten erkrankten Bereichen im Inneren der Prostata
zu erreichen sind, als bei herkömmlicher
hyperthermischer Behandlung erreicht werden können. Da diese Bereiche von
den anatomischen Bereichen entfernt sind, wo höhere Temperaturen Schaden verursachen
können,
besteht keine Notwendigkeit, daß die
Vorrich tung eine Kühlung
dieser anderen anatomischen Bereiche ermöglicht. Das vorliegende Gerät bietet
somit auch den Vorteil, hohe Temperaturen zu erreichen, wenn es
erforderlich ist, wobei es möglich
ist, sichere, niedrige Temperaturen in umliegenden Gebieten beizubehalten.
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Ein
weiterer Vorteil des vorliegenden Geräts besteht darin, daß wegen
der höheren
therapeutischen Temperaturen, die mit fokussiertem Ultraschall in
dem begrenzten Gebiet des erkrankten Gewebes erreichbar sind, die
Dauer der Behandlung beträchtlich
verkürzt
wird gegenüber
der Zeit, die für
den typischen Ablauf einer herkömmlichen
hyperthermischen Behandlung erforderlich ist. Ein weiterer Vorteil
der verkürzten
Behandlungszeit bei Verwendung des vorliegenden Geräts besteht
darin, daß ein
Urindränagesystem,
das sich in die Harnblase erstreckt, nicht als Teil des vorliegenden
Geräts
erforderlich ist. Bei Vorrichtungen, die eine herkömmliche
hyperthermische Behandlung verwenden, ist ein solches Urindränagesystem
notwendig, um den angesammelten Urin abzuführen, der sich bei einem längeren Behandlungsvorgang
in der Harnblase des Patienten bildet.
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Das
vorliegende Gerät
hat somit noch weitere Vorteile, nämlich einen erheblich einfacheren
Aufbau und leichtere Herstellung dadurch, daß weder eine Einrichtung zur
Kühlung
von angrenzendem Gewebe noch eine Einrichtung zur Urindränage erforderlich
ist, obwohl bei bestimmten Ausführungsformen
des Geräts
das eine oder beide dieser Merkmale wahlweise vorhanden sein können.
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Die
Verwendung eines fokussierten Ultraschallenergiestrahls bei dem
vorliegenden Gerät
ermöglicht
es außerdem,
daß die
Vorrichtung mit einem einzigen Ultraschallwandler bzw. -transducer
aufgebaut ist, der aus einem oder mehreren piezoelektrischen Elementen
besteht. Dies ist anders als bei Vorrichtungen des strahlenden Ultraschallapplikatortyps, die
mehrere Wandler erforderlich machen, um ein Ultraschallenergiefeld
zu erzeugen, das in der Lage ist, gleichzeitig in viele Richtungen,
gewöhnlich
kugelförmig,
in ein Volumen hineinzustrahlen, das beträchtlich größer ist als das Volumen an
der Quelle.
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Alle
vorstehend beschriebenen Merkmale und Vorteile des vorliegenden
Geräts
fehlen in den verschiedenen Geräten
nach dem Stand der Technik. Demzufolge wird davon ausgegangen, daß die vorliegende
Erfindung einen Bedarf der Technik nach einer solchen Vorrichtung
erfüllt
und einen neuartigen und innovativen Beitrag zum Stand der Technik
auf diesem Gebiet leistet.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
ein Ultraschallemissionsmuster einer kreisförmigen Öffnung einer erfindungsgemäßen Ultraschallsonde.
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2 zeigt
eine erste bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform des Geräts in einer anatomischen
Perspektive.
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3 zeigt
ein erfindungsgemäßes Ultraschallwandlergehäuse.
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4 zeigt
eine Schnittansicht entlang 4-4 des Gehäuses in 3.
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5 zeigt
eine Schnittansicht entlang 5-5 des Gehäuses in 3.
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6A zeigt
eine ausführliche
Ansicht einer Ausführungsform
der Ultraschallsonde des Geräts gemäß 2,
mit dem Wandler, der Fokussiereinrichtung und der Kopplungseinrichtung.
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6B bis 6D zeigen
alternative Ausführungsformen
des Wandlers, der Fokussiereinrichtung und/oder der Kopplungseinrichtung
der Ultraschallsondeneinrichtung des erfindungsgemäßen Geräts.
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7 zeigt
einen fokussierten Ultraschallstrahl, der von der Ultraschallsonde
in 6 ausgeht.
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8 zeigt
eine zweite bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform des Geräts mit einer transurethralen
bilderzeugenden Ultraschallsonde.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
der Erfindung
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Die
Wärmewirkung
des Ultraschalls ist von der Intensität oder Leistung pro Einheitsfläche des Ultraschalls
abhängig.
Wenn der Ultraschall auf einen Punkt fokussiert wird, dessen Fläche klein
ist, ist die Intensität
entsprechend hoch. Wenn die gleiche Gesamtleistung über eine
größere Fläche verteilt wird,
ist die Intensität
entsprechend niedriger. Die an einem Punkt im Gewebe erzeugte Wärmemenge
und somit der resultierende Temperaturanstieg ist im allgemeinen
proportional zur Ultraschallintensität an diesem Punkt.
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Das
erfindungsgemäße TUT-Gerät verwendet
eine Sonde in der Harnröhre
sehr nahe am zu behandelnden Gewebe. Ein wichtiger Vorteil, nämlich das
erkrankte Gewebe aus einer so großen Nähe behandeln zu können, besteht
darin, daß eine
hohe Öffnungszahl
verwendet werden kann. Die Öffnungszahl
n ist definiert als Brennweite, geteilt durch den Durchmesser der Öffnung,
durch die die Ultraschallenergie emittiert wird. Wenn ein kleiner
Wert von n verwendet wird, ist die Ultraschallenergieintensität im Fokus
viel höher
als die Intensität
näher zur Öffnung oder über den
Fokus hinaus. Demzufolge wird das Gewebe in einem Abstand vom Fokus
verschont.
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Dies
wird quantitativ durch die folgenden Formeln dargestellt, wobei
die Ultraschallemission einer kreisförmigen Öffnung 4 einer Ultraschallsonde 6 in 1 betrachtet
wird. Die Öffnung 4 hat
einen Durchmesser A und eine Fläche
(π/4)A2 und ist mit der Gewebeoberfläche 8 in
Berührung.
Die emittierende Sonde besteht aus einer fokussierenden Konfiguration,
die bewirkt, daß der
Ultraschallenergiestrahl 10 in der Fokusebene 14 im
Abstand f im Gewebe fokussiert wird. Wenn die von der Öffnung emittierte
Leistung W Watt beträgt,
ist die Anfangsintensität
I0 oder die Leistung pro Einheitsfläche gegeben durch I0 = W/(π/4)A2.
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In
der Ebene 18 in einem Abstand x von der Öffnung oder
f – x
von der Fokusebene hat das dem Ultraschall ausgesetzte Gewebevolumen
einen kreisförmigen
Querschnitt [(π/4)A2]·[(f – x)/f]2. Die Intensität bei x ist daher gegeben durch Ix = W/[(π/4)[A·(f – x)/f]2]ohne Dämpfung. Die Ultraschallenergie
wird jedoch tatsächlich
gedämpft,
wenn sie durch das Gewebe tritt, so daß Ixa = W·exp[–μx]/[(π/4)[A(f – x)/f]2] wobei μ die Dämpfung pro Einheitslänge ist
und den angenäherten
numerischen Wert 0,16 νcm–1 hat, wenn ν die Frequenz
in Megahertz (MHz) ist.
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Die
Fläche
des exponierten Gewebes in der Fokusebene 14 fällt nicht
auf null ab, wie diese Gleichungen vermuten lassen. 1 zeigt,
daß der
Fokus nicht unendlich scharf ist. Im Fokus ist der Durchmesser des
exponierten Gewebes durch die Beugungstheorie als 1,2nλ gegeben,
wobei n die oben definierte Öffnungszahl
und λ die
Wellenlänge
des Ultraschalls ist; im Gewebe ist sein angenäherter numerischer Wert in
mm 1,5/ν,
wenn ν in
MHz ausgedrückt
ist. Die Intensität
im Fokus If ist gegeben durch If = W·exp(–μf)/[(π/4)[1,2nλ]2].
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Diese
Gleichungen zeigen, daß das
Verhältnis
zwischen Intensität
im Fokus und anfänglich
emittierter Intensität
gegeben ist durch If/I0 = exp(–μf)/[1,2nλ/A]2.
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Entsprechend
ist das Verhältnis
zwischen der Intensität
in einem Abstand (f – x)
vom Fokus und der Intensität
im Fokus Ix/If = exp[–μ(x – f)]·[1,2nλf/A(f – x)]2.
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Um
die Intensität
im gesunden Gewebe zu minimieren und dabei eine möglichst
hohe Leistung nahe dem Fokus in dem zu behandelnden Gewebe abzugeben,
ist es somit am besten, eine kleine Öffnungszahl und eine kurze
Brennweite zu verwenden. Der Fokus sollte in dem zu behandelnden
Gewebe liegen, so daß die
Brennweite annähernd
gleich dem Abstand von der Sonde zu dem zu behandelnden Gewebe ist.
Das heißt,
die Sonde sollte dem Ziel so nahe wie möglich sein. Diese Konfiguration
verringert die Dämpfung,
und es ist daher keine sehr hohe Leistung der Sonde mehr erforderlich.
Die kleine Öffnungszahl
bewirkt, daß die
Intensität
in einem Abstand vom Fokus wesentlich geringer ist. Die etwa um
das Vierfache größere Nähe der Sonde
zu dem zu behandelnden Gewebe bei Positionierung in der Harnröhre als
bei einem transrektalen Verfahren ist die einzige Möglichkeit,
diese beiden Bedingungen bei der Prostatatherapie zu erfüllen. Die
erste nachstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsform hat eine Brennweite
von 12 mm und eine Öffnung von
8 mm bei einer Öffnungszahl
von 1,5. Wenn sie mit einer Frequenz von 5 MHz und einer emittierten Ultraschalleistung
von 10 Watt betrieben wird, gibt sie am Fokus mehr als 1600 Watt/cm2 ab. Um am Fokus so viel Leistung abzugeben,
müßte ein
Wandler, der mit 5 MHz betrieben wird, 40 mm vom Fokus mehr als
60 Watt Ultraschalleistung emittieren. Bei diesem Leistungspegel
könnte
er nicht kontinuierlich für
eine so lange Zeit, die zur Erzeugung einer umfassenden Koagulation
ausreicht, ohne ein Kühlsystem betrieben
werden, das für
die Verwendung im Körper unpraktisch
wäre. Um
beste Ergebnisse zu erreichen, sollte die Öffnungszahl nicht größer als
1,7 und die Brennweite nicht länger
als 20 mm sein. Eine Öffnungszahl
n von 1,7 wird häufig
als f/1,7-Optik von bezeichnet.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Verwendung einer höheren Ultraschallfrequenz
ermöglicht
wird. Die Länge
der Schädigung in
der zur Ausbreitungsrichtung des Ultraschalls parallelen Richtung
ist proportional zur Fokustiefe. Aber die Fokustiefe ist ihrerseits
umgekehrt proportional zur Ultraschallfrequenz. Bei Verwendung einer
niedrigen Frequenz besteht somit die Neigung, eine langgestreckte
Schädigung
zu erzeugen, was nachteilig ist, da in kritischen Bereichen Gewebe
erwärmt
werden könnte,
mit Verletzungsgefahr für
den Patienten. Anatomische Bereiche, die durch eine große Schärfentiefe
und somit durch eine niedrige Ultraschallfrequenz gefährdet sind,
sind u. a. die Prostatakapsel, die vordere rektale Wand, der äußere Schließmuskel und
das neurovaskuläre
Bündel.
Aus diesem Grund ist es erwünscht,
eine Frequenz zu verwenden, die so hoch wie möglich ist. Aber da die Ultraschalldämpfung mit
der Frequenz zunimmt, ist der Behandlungsbereich bei höherer Frequenz
stärker
eingeschränkt. Das
erfindungsgemäße Gerät erlaubt
die Verwendung einer höheren
Frequenz, da sich der Ultraschall nicht so weit durch das Gewebe
ausbreiten muß,
wie es bei transrektalem oder extrakorporalem Ultraschall erforderlich
ist. Da eine höhere
Frequenz verwendet werden kann, wird eine Prostataerkrankung mit
geringerem Risiko eines Schadens an kritischen Strukturen der Anatomie
des Patienten behandelt. Mit dem typischen Abstand von 1 cm, den
das erfindungsgemäße Gerät anwendet,
würden
selbst bei einer Frequenz von immerhin 10 MHz 20% der Ultraschallenergie zum
Fokus durchgelassen werden, während
bei einer Frequenz von 1 MHz 87% durchgelassen würden. Der typische Abstand
von 4 cm, der bei einer transrektalen Behandlung erforderlich ist,
erfordert die Verwendung einer Frequenz, die nicht höher als
2,5 MHz ist, damit 20% der emittierten Ultraschallenergie den Fokus
erreichen. Obwohl eine geringere Ausbreitung hingenommen werden
kann, erfordert sie einen kostspieligeren Hochleistungswandler und
führt zur
Ansammlung beträchtlicher Wärmemengen
in nichterkranktem Gewebe, das nicht beeinflußt werden soll. Bekannte Systeme schließen deshalb
einen Kompromiß,
indem sie eine Ultraschallfrequenz verwenden, die niedriger ist
als wegen der maximalen Sicherheit für den Patienten erwünscht wäre.
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Zwei
bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsformen
eines Geräts
und Verfahrens für
die transurethrale Ultraschalltherapie werden nachstehend beschrieben.
Die erste Ausführungsform
wird unter Sichtkontrolle verwendet. Ihre Vorteile sind u. a. Leistungsfähigkeit,
niedrige Kosten und kein Trauma. Ihre besonders bevorzugte Verwendung
ist die Behandlung der BPH, obwohl sie auch zur Behandlung von Prostatakrebs
geeignet ist. Die zweite Ausführungsform
kombiniert therapeutischen und bilderzeugenden Ultraschall. Dadurch
kann die Position des Brennpunkts im Gewebe innerhalb von weniger
als 1 mm gesteuert werden, und die hervorgerufene Wirkung kann in
Echtzeit überwacht
werden. Neben der BPH ist diese Ausführungsform besonders für die Behandlung
von Prostatakrebs geeignet.
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Erste bevorzugte
Ausführungsform
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Die
erste bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform
eines Geräts
ist ein therapeutisches Ultraschallsystem, das durch einen einfachen, preiswerten
Generator mit Energie versorgt wird. Dieses System beruht auf Sichtkontrolle
und wird ohne gleichzeitige Ultraschall-Bilderzeugung verwendet. Ein
wiederverwendbares flexibles Bilderzeugungs/Beleuchtungsbündel ist
in dem Katheter enthalten.
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In 2 ist
ein Katheter 20 in die Harnröhre 24 des Patienten
so weit eingeführt,
daß er
die Pars prostatica urethrae 26 in der Prostata 30 erreicht. Eine
Ultraschallsonde 29 erstreckt sich über den Katheter 20 hinaus.
Die Sondenleitungen 31, 32, und 33 sind
zu einem Bündel 34 kombiniert,
das durch das Innere des Katheters 20 führt. Die Sondenleitungen 31 und 32 transportieren
Kühlwasser
zwischen einer Versorgungseinrichtung 38 und einer Ultraschallsonde 29.
Die Sondenleitung 33 transportiert Hochfrequenzstrom zwischen
einem Netzteil 42 und der Ultraschallsonde 29.
Ein Anpassungsnetzwerk 35 minimiert die Verluste beim Einkoppeln
der elektrischen Hochfrequenzleistung in den Wandler. Ein flexibles Endoskop 44,
das in einem Okular 46 endet, führt ebenfalls durch das Innere
des Katheters 20, um die Betrachtung der Pars prostatica
urethrae 26 und der Sonde 29 zu ermöglichen.
Ein Kabel 48 transportiert Licht von einer Lichtquelle 50 zum
Endoskop 44. Ein Positionierungsballon 51 erstreckt
sich über
den Katheter 20 hinaus und wird mit einem Fluid, das durch eine
Röhre 52 transportiert
wird, aus einem Reservoir 54 aufgefüllt.
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3 zeigt
ein Wandlergehäuse 55 einer
Ultraschallsonde 29, das sich vom proximalen Ende 56 des
Katheters 20 erstreckt. Die Leitungen 31 bis 33 sind
an dem Wandlergehäuse
angebracht. Ein distales Ende 58 des flexiblen Endoskops 44 erstreckt sich
geringfügig
aus dem Katheter heraus. Der Positionierungsballon 51 grenzt
an das Wandlergehäuse an.
Wenn der Ballon 51 aufgefüllt ist, wird die Stirnseite 60 des
Wandlergehäuses 55 fest
gegen Wand 62 der Pars prostatica urethrae 26 gedrückt, wodurch eine
gute akustische Einkopplung der Ultraschallenergie in das Prostatagewebe
sichergestellt ist.
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4 zeigt
den Abschnitt 4-4 in 3. Eine Wand 66 des
Katheters 20 begrenzt das Lumen 68, das Bündel 34,
das Endoskop 44 und die Röhre 52, die zum Auffüllen des
Positionierungsballons 51 verwendet wird, aufnimmt. 5 zeigt
den Abschnitt 5-5 in 3. Die Sondenleitung 32 transportiert
eine Kühlflüssigkeit
von der Versorgungseinrichtung 38, die vorzugsweise einen
Kühlapparat
aufweist, um die Temperatur der Kühlflüssigkeit unter die Raumtemperatur
zu senken, zum Wandlergehäuse 55.
Die Sondenleitung 31 transportiert die zurückkehrende Flüssigkeit
vom Wandlergehäuse
zur Versorgungseinrichtung 38, so daß die Kühlflüssigkeit kontinuierlich fließen kann.
Die Sondenleitung 33 liefert Energie an den Wandler und
kann andere elektrische Signale transportieren.
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6A zeigt
die Ultraschallsonde 29 ausführlicher. Ein Wandler bzw.
Transducer 72, der einen einzigen Ultraschallwandler bzw.
-transducer aufweist, der aus einem oder mehreren piezoelektrischen
Elementen aus einem piezoelektrischen Material besteht, z. B. aus
Hartbleizirkonat/Bleititanat-Piezokeramik, empfängt Hochfrequenzleistung aus
der Leitung 33 und vibriert als Antwort darauf, um Ultraschallenergie
zu erzeugen. Wegen der Konkavität der
Stirnseite 73 des Wandlers 72 wird die Ultraschallenergie
fokussiert, wie in 7 dargestellt. Die Ultraschallenergie
ist mit einem Lambda-Viertel-Plättchen 74 gekoppelt,
um die Reflektion zurück
zum Wandler zu minimieren, und tritt durch die Stirnseite 60 des
Wandlergehäuses 55.
Der Wandler und das Lambda-Viertel-Plättchen
werden von einer Rückwand 78 und
einem Umfang 80 gestützt,
die einen Zwischenraum 76 bilden, der die Ausbreitung von
Ultraschall nach hinten dämpft.
Das Außengehäuse weist
eine Stirnseite 60, eine Rückseite 70 und einen Umfang 71 des
Wandlergehäuses 55 auf.
Bei Bedarf tritt Kühlflüssigkeit
aus der Leitung 32 an einem Einlaß 82 in das Gehäuse ein,
strömt
durch einen Durchgang 86 und tritt durch einen Auslaß 84 aus
in die Leitung 31 und führt
die im Wandlergehäuse
erzeugte Wärme
weg. Diese Wärme
könnte
sonst den Wandler und das Lambda-Viertel-Plättchen beschädigen und
könnte
eine unerwünschte
Erwärmung
der Harnröhrenwand
verursachen.
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6B bis 6D zeigen
alternative Verfahren zur Erreichung der Fokussierung der Ultraschallenergie.
In 6B ist der Wandler 72 flach und nicht
konkav wie in 6A, und eine plankonkave Linse 73a aus
einem geeigneten Material, das den Ultraschall durchläßt, ermöglicht die
Fokussierung. In 6C ist der Wandler 72 konkav,
aber das Lambda-Viertel-Plättchen 74 ist
flach, wobei der Zwischenraum 75 mit einem Material gefüllt ist,
das den Ultraschall durchläßt. In 6D weist
der Wandler mehrere flache, ringförmige Elemente 77 auf.
Die elektrische Energie wird jedem Ring mit einer Phase zugeführt, die
in bezug auf die Phase der elektrischen Energie vorauseilt, die
dem nächsten
Innenring zugeführt
wird, so daß eine
phasen gesteuerte Anordnung entsteht, die die Ultraschallenergie
fokussiert.
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Bei
Verwendung werden ein Katheter 20 und eine Sonde 29 zur
Pars prostatica urethrae vorgeschoben. Bei Bedarf wird ein Endoskop 44 zur
Positionierung der Sonde verwendet. Wenn die Position stimmt, wird
der Positionierungsballon 51 aufgepumpt, um die Position
der Sonde zu fixieren und um einen guten Kontakt zwischen der Stirnseite 60 und der
Harnröhrenwand
sicherzustellen. Blut und andere Körperflüssigkeiten werden somit aus
dem Bereich zwischen dem Wandler und dem Prostatagewebe ferngehalten.
Wenn die Position fixiert worden ist, wird dem Wandler 72 Energie
von einer Stromversorgung 42 über die Leitung 33 und
das Anpassungsnetzwerk 35 zugeführt.
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Wie
in 7 dargestellt, tritt die Ultraschallenergie vom
Wandler 72 durch das Lambda-Viertel-Plättchen 74, die Kühlflüssigkeit
im Durchgang 86, die Stirnwand 60 des Wandlergehäuses und
die Harnröhrenwand 62,
worauf sie in das Prostataparenchym 81 eintritt. Die Ultraschallenergie
wird im Prostataparenchym absorbiert, wobei die Energie als Wärme auftritt,
die im allgemeinen proportional zur Ultraschallintensität ist. Wegen
der Fokussierungswirkung konvergieren die äußeren Strahlen 84,
so daß die
Intensität
nahe der Fokusebene 14 am größten ist. Infolgedessen tritt
viel Wärme
im zentralen Bereich 88 auf, wogegen weit weniger Wärme anderswo
in der Prostata auftritt. In Bereichen jenseits Fokusebene wirken
Dämpfung
und Streuung des Ultraschalls über
einen größeren Bereich
zusammen, was eine schnellere Verringerung der Intensität bewirkt.
Dies hat eine erwünschte
Wirkung, nämlich
die Neigung, Gewebe jenseits des Fokus, einschließlich mehrerer
kritischer Strukturen, zu verschonen. Wenn die Temperatur des mittleren
Bereichs 88 zugenommen hat, wird ein im allgemeinen umgebendes
kugelförmiges
Volumen durch Wärmeleitung
erwärmt.
Die Isothermen 90 bilden kugelförmige Schalen, wobei die Temperatur
zum Mittelpunkt zunimmt. Die Leistung, die Frequenz und die Dauer
des Ultraschalls können
so gewählt
werden, daß durch
eine Ultraschalleinwirkung zwischen 30 Sekunden und 10 Minuten ein
Volumen von einigen Kubikzentimetern auf eine Temperatur von mindestens
60°C erwärmt wird. Dem
Fachmann ist be kannt, daß Prostatagewebe, das
auf diese Temperatur erwärmt
wird, eine Koagulationsnekrose erfährt und anschließend resorbiert wird.
Das erfindungsgemäße Gerät bewirkt
somit die Beseitigung eines klinisch nützlichen Gewebevolumens, ohne
häufig
wiederholte Zielerfassung des Ultraschalls und ohne daß ein komplexes
System zur Erzeugung und Überwachung
der Bewegung der Sonde relativ zum Gewebe nötig ist.
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Gemäß einem
besonders bevorzugten Verfahren wird die Konzentration der erzeugten
Wärme im
Gewebe im mittleren Bereich 88 noch weiter erhöht. Es ist
bekannt, daß die
Eigenschaften der Ultraschallausbreitung im Gewebe durch Veränderungen im
Gewebe verändert
werden, zum Beispiel durch eine Koagulationsnekrose. N. L. Bush,
I. Rivens, G. R. ter Haar, und J. C. Bamber haben über Messungen
dieses Effekts in einem Artikel mit dem Titel "Acoustic properties of lesions generated
with an ultrasound therapy system" (Akustische Eigenschaften von Schädigungen,
die durch ein Ultraschalltherapiesystem hervorgerufen werden), erschienen
in "Ultrasound in
Medicine and Biology",
Vol. 19, Nr. 9, S. 789–801,
berichtet. Sie meinen, daß sich
die Dämpfung
von akustischen Wellen erhöht,
wenn das Gewebe so stark erwärmt
worden ist, daß eine
Koagulationsnekrose eintritt. Die durchschnittliche Zunahme ihrer
Meßwerte
betrug über
98%. Bei dem besonders bevorzugten Verfahren wird Ultraschall mit
einer relativ hohen Intensität
für eine
kurze Zeit zugeführt,
so daß Gewebe
im mittleren Bereich 88 denaturiert wird. Andere Bereiche
des Gewebes, wo die Ultraschallintensität niedriger ist, werden nicht
so weit erwärmt und
werden nicht denaturiert. Die Ultraschalleistung wird dann vorzugsweise
in einer kurzen Zeit von etwa 5 Sekunden oder weniger, um einen
unnötigen
Wärmeverlust
zu vermeiden, auf einen Pegel verringert, bei der Gewebe abseits
vom Fokus nicht erheblich erwärmt
wird. Im mittleren Bereich 88 entsteht wegen der erhöhten Dämpfung in
dem Gewebe, das denaturiert worden ist, weiterhin Wärme mit
einer hohen Geschwindigkeit. Diese zusätzliche Wärme bewegt sich dann durch
Wärmeleitung
zu dem Gewebe in dem Bereich, der den Fokus umgibt. Ein großes als Ziel
erfaßtes
Gewebevolumen wird also behandelt, ohne daß Gewebe, das nicht als Ziel
erfaßt
ist, übermäßig erwärmt wird. Die
Ultraschalleistung kann nach einem vorbestimmten Zeitintervall oder
nach bestimmten anderen Kriterien vom Operateur verringert werden.
Diese Leistungsänderung
erfolgt vorzugsweise durch ein automatisches System, das auf einen
Zeitgeber oder auf die Erfassung eines bestimmten Zustands anspricht,
und zwar mit Mitteln, die dem Fachmann bekannt sind. In einer Ausführungsform
wird das reflektierte Ultraschallecho vom Ultraschallwandler erkannt.
Dies erfolgt durch eine Einrichtung ähnlich der nachstehend beschriebenen zweiten
bevorzugten Ausführungsform,
es kann jedoch auch ein einfacheres System verwendet werden, da
hier keine Notwendigkeit besteht, ein Ultraschallbild herzustellen.
Somit kann die Reflektion eines Teils oder des gesamten Ultraschalls,
der zur Erwärmung
des Gewebes verwendet wird, gemessen werden. Die nahe dem Fokus
im Gewebe verursachten Veränderungen
bewirken Änderungen
des reflektierten Ultraschalls, einschließlich Änderungen des Reflexionsvermögens, der
Schallgeschwindigkeit usw. In einer Ausführungsform wird die Änderung
der Intensität
beim reflektierten Ultraschall detektiert. Diese Änderung
signalisiert, daß Gewebe
nahe dem Fokus denaturiert worden ist. Die Ultraschalleistung wird
dann entweder automatisch oder durch Eingriff des Operateurs verringert.
Es ist auch möglich,
daß die
Vorrichtung automatisch auf die Erkennung eines Fehlerzustands antwortet.
Beispielsweise kann die Temperatur der Kühlflüssigkeit, die das Wandlergehäuse verläßt, durch
eine Einrichtung, z. B. ein in der Auslaßleitung 31 angeordnetes
Thermoelement, gemessen werden. Wenn diese Temperatur zu hoch ist, was
darauf hinweist, daß die
dem Wandler zugeführte
elektrische Energie nicht effizient in die in das Innere der Prostata
eingekoppelte Ultraschallenergie umgesetzt wird, kann eine automatische
Schaltung, die auf diese Temperatur anspricht, den elektrischen Leistungspegel
herabsetzen, um Schaden am Wandler zu vermeiden. Als Alternative
könnte,
wie bekannt, eine herkömmliche
bilderzeugende Ultraschallsonde im Rektum angeordnet werden, um
die Plazierung der transurethralen Vorrichtung und/oder die Entwicklung
der Schädigung
zu überwachen.
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Da
die Sonde sehr klein ist und durch ein flexibles System zugeführt wird
und da die Harnröhrenwand
weder durchsto chen noch übermäßig erwärmt wird,
ist das Unbehagen während
des Verfahrens nicht größer als
bei einer flexiblen Zystoskopie, die routinemäßig mit keiner anderen Anästhesie
als durch lokal wirkendes Lidokain ausgeführt wird. Die Notwendigkeit
einer postoperativen Katheterisierung wird eingeschränkt, wenn
kein Trauma der Harnröhrenwand
auftritt, so daß ein
Patient ohne Komplikationen oder weitere Komorbiditäten am selben
Tag, an dem er behandelt worden ist, nach Hause gehen kann.
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Zweite bevorzugte Ausführungsform
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Eine
zweite bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform
eines Geräts
integriert den therapeutischen Ultraschallwandler mit einer transurethralen
bilderzeugenden Ultraschallsonde, wie in 8 dargestellt.
Dieses System ist dem Fachmann allgemein bekannt, aber das Gerät dieser
bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist so bemessen, daß es
in einer kleinen Röhre,
z. B. der Harnröhre,
verwendet werden kann. Seine Abmessungen, sein Aufbau und das Verfahren
der Zuführung
und der endoskopischen Bilderzeugung gleicht der Vorrichtung gemäß 2 bis 6. Eine Stromversorgungs- und Steuereinheit 92 liefert
elektrische Energie zur Anregung des Wandlers 106 sowohl
für die
Bilderzeugung als auch für
Therapiezwecke. Alle diese Leitungen sind in einem Kabel 105 enthalten.
Das Ultraschallbild 95 wird durch mechanische Bewegung oder
durch eine elektrische Anordnung erzeugt, d. h. mit Techniken, die
dem Fachmann bekannt sind, und wird auf dem Bildschirm 94 angezeigt.
Für die
therapeutische Anwendung, bei der eine kleine Öffnungszahl zu bevorzugen ist,
wird die Stromversorgung für den
gesamten Wandler 106 bereitgestellt.
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Für die Bilderzeugung,
die eine größere Schärfentiefe
erfordert, wird nur an den mittleren Abschnitt 108 des
Wandlers 106 der Strom geliefert.
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Das
Kombinationssystem stellt transurethrale Ultrasonogramme in Echtzeit
vor, während
und nach der Therapie bereit. Eine Therapie kann kurz unterbrochen
werden, um ein aktualisiertes Sonogramm zu erfassen, damit der Fortschritt
der Behandlung überwacht
werden kann. Die Lokalisierung und Positionierung des Geräts in der
Parenchymschädigung
in der Prostata ist genau, da das Erwärmen des Gewebes auf eine Temperatur über 60°C zu einem
hellen Bereich 96 im Ultrasonogramm führt. Ein intern erzeugtes Symbol 97 im
Ultraschallbild bestimmt den Fokus des Ultraschalltherapiewandlers bis
zu einer Genauigkeit von mehr als einem Millimeter. Wegen seiner
Nähe zur
Schädigung,
zeigt der transurethrale Bilderzeugungswandler die Entwicklung der
echogebenden Zone 96 mit großer Deutlichkeit. Wenn die
Sonde 106 so positioniert ist, daß das Symbol 97 mit
dem Bild des zu behandelnden Gewebes übereinstimmt, kann man davon
ausgehen, daß der
therapeutische Ultraschall genau auf dieses Gewebe zielt. Die Umlaufdämpfung des
diagnostischen Ultraschalls und das Rückecho sind kleiner als 85 Prozent,
bei einer Frequenz von 5 MHz und 12 mm Abstand von der Sonde zum
Fokus. Dadurch ist ein ausgezeichnetes Signal-Rausch-Verhältnis möglich. Bilder
von behandelten Zonen können
in einem Speicher gespeichert und auch dann angezeigt werden, wenn
die unmittelbare Echobildung abgeklungen ist. Mehrfache Schädigungen,
die genau als Ziel erfaßt und
in bezug auf ihre Größe überwacht
werden, können
in kürzester
Zeit erzeugt werden. Es ist auch möglich, eine therapeutische
Ultraschallanwendung unter Verwendung einer herkömmlichen transrektalen Ultraschallsonde
zu überwachen.
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Neben
der Verwendung für
schwierige BPH-Schädigungen
kann dieses System das erste effektive, minimalinvasive System zur
Behandlung von Prostatakrebs bieten. Auf einen Punkt konzentrierte
Schädigungen
können
zwecks Obliteration als Ziel erfaßt werden. Außerdem kann
ein so großer
Teil des Prostataparenchyms wie notwendig auf Koagulationstemperaturen
erwärmt
werden. Im Falle eines rezidivierenden oder residualen Tumors bewirkt
ein Wiederholungsvorgang eine minimale Morbidität. Dieses System sollte die
Effektivität
einer radikalen Prostatektomie erreichen oder übertreffen, wobei Kontinenz
und Sexualfunktion in den meisten Fällen wegen des geringen Traumas
erhalten bleiben.
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Bei
einer alternativen diesbezüglichen
Verwendung kann eine Hyperthermie durch Erwärmen der Prostata bei beiden
erfindungsgemäßen Ausführungsformen
der Vorrichtung in Kombination mit einer Therapie durch ionisierende
Strahlung verwendet werden. Die Kombination von Hyperthermie und
ionisierender Strahlung ist bekanntlich bei der Behandlung von malignen
Tumoren effektiv. Die bei dieser Anwendung verwendeten Gewebetemperaturen
sind niedriger als diejenigen, die bei einer Koagulationsnekrose
erforderlich sind, und sind vorzugsweise niedriger als 50°C.
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Obwohl
die Erfindung mit besonderem Bezug auf Prostataerkrankungen, zum
Beispiel BPH und Prostatakrebs, beschrieben worden ist, gibt es viele
andere Organe, einschließlich
unter anderem Herz, Leber, Harnblase, Gallenblase und Organe des Blutkreislaufsystems,
die mit Vorrichtungen behandelt werden können, die im Schutzbereich
der Erfindung liegen.
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Die
beiden vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen bevorzugten Ausführungsformen des
Geräts
haben darstellenden Charakter. Andere Ausführungsformen des Geräts, die
innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung liegen, der durch die beigefügten Ansprüche bestimmt
wird, wird der Fachmann anerkennen.