DE3807004C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Ultraschall-Behandlungsgerät mit
einer Ultraschall-Behandlungsanordnung mit einem, Ultraschall-
Vibrator und einem Ultraschall-Übertrager zur Übertragung der
Vibrationen des Ultraschall-Vibrators und mit einem Detektor
für die Vibrationen und
einer Steuerung der Vibrationen des Vibrators entsprechend
einem Detektionssignal des Detektors.
Derartige Ultraschall-Behandlungsgeräte dienen zur Behandlung
von Lebewesen, z. B. zur medizinischen Behandlung in Form der
Entfernung einer hypertrophierten Prostata oder der Zerstörung
eines Steines durch Ultraschall-Vibrationen.
Derartige Ultraschall-Geräte, mit denen eine Behandlung zur
Entfernung oder Zerstörung eines krankhaft befallenen Teils
des menschlichen Körpers, beispielsweise einer hypertrophier
ten Prostata oder eines Steines, mit Hilfe von Ultraschall-
Vibrationen vorgenommen wird, sind als Endoskop-Geräte bekannt
und im Gebrauch. Derartige Behandlungsgeräte enthalten einen
Ultraschall-Vibrator und eine Sonde, z. B. ein Metallrohr, als
Behandlungseinrichtung, die mit dem Vibrator zur Übertragung
der Ultraschall-Vibrationen verbunden sind. Während der
Behandlung wird das Ende der mit Ultraschall-Wellen
vibrierenden Sonde direkt gegen den befallenen Teil des
Körpers zur Entfernung oder Zerstörung dieses Teiles gedrückt.
Bei den bekannten, derartig aufgebauten Behandlungsgeräten
variiert die Vibrationsamplitude der Sonde stark in Abhängig
keit davon, ob während der Behandlung das distale Ende der
Sonde gegen den befallenen Teil zu seiner Entfernung oder
Zerstörung gedrückt wird, oder die Sonde im Leerlauf
vibriert, in dem die Sonde nicht gegen den befallenen Teil ge
drückt wird sondern von ihm einen Abstand aufweist. Der Grund
hierfür liegt in dem unterschiedlichen Widerstand für die
Sonde in den beiden genannten Fällen. Im Leerlauf wirkt
praktisch kein Widerstand auf die Sonde. Daher vibriert die
Sonde mit einer großen Amplitude im Vergleich zu der Amplitude
während der tatsächlichen Behandlung. Folglich treten an der
Sonde während der Leerlaufschwingung erhöhte periodische
Belastungen auf, die zu einer frühen Abnutzung der Sonde
aufgrund einer metallischen Ermüdung führen.
Um den erwähnten Nachteil zu überwinden, ist in der
japanischen veröffentlichten Patentanmeldung Sho 54-1 40 526
(deutsche Offenlegungsschrift 29 16 540) eine Treiberschaltung
für einen piezoelektrischen Vibrator offenbart. Mit dieser
Schaltung wird von einer Beziehung zwischen dem Treiberstrom
durch den Vibrator und der Vibrationsamplitude Gebrauch
gemacht. Die Vibrationsamplitude der Behandlungseinrichtung
wird durch Regelung des Treiberstroms durch den Vibrator
konstant gehalten. Dadurch kann eine frühe Abnutzung der
Einrichtung, wie die Erzeugung von Wärme oder eine
Zerstörung, verhindert werden. Detektoren zur elektromagneti
schen Detektion der Amplitude der Ultraschall-Schwingungen
sind in der US-Patentschrift 45 79 000 und in der japanischen
veröffentlichten Patentanmeldung Sho 61-51 668 (entspricht DE
37 07 567 A1 - nachveröffentlicht) der Anmelderin beschrieben.
In der ersteren Anordnung ist eine Spule so ausgebildet, daß
sie einen Vorsprung aus Ionium oder ähnlichem magnetischem
Material, der an dem Vibrator angebracht ist, umfaßt. Dadurch
werden die durch die Vibrationen des Vibrators entstehenden
Vibrationen des Vorsprungs als Änderung des Spulenstroms
gemessen. In der letztgenannten Anordnung ist ein Permanent
magnet auf dem schwingenden Abschnitt, d. h. auf einem Teil des
Vibrators oder der Behandlungseinrichtung, angeordnet und eine
Spule ist so ausgebildet, daß sie den Permanentmagneten
umgibt. In diesem Fall werden die Vibrationen des Permanent
magneten als Änderung des Spulenstroms zur Messung der Vibra
tions-Amplitude detektiert.
In den bekannten Anordnungen ist es möglich, die Vibrations-
Amplitude durch Regelung des Treiberstroms entsprechend der
Messung der Vibration des vibrierenden Abschnittes zu regeln.
Bei diesen Verfahren der elektromagnetischen Messung der
Vibrationsamplitude werden jedoch zusätzliche Bauteile, wie
beispielsweise ein Magnet, die im Hinblick auf den Vibrations
zustand unerwünscht sind, direkt auf den Vibrator oder die
Behandlungseinrichtung montiert. Demzufolge wird das Gewicht
oder die Form des Vibrators oder der Behandlungseinrichtung
geändert, wodurch die Resonanzfrequenz oder die Impedanz
charakteristik geändert wird. Darüber hinaus sind charakteri
stische Wert des Vibrators regelmäßig aufgrund von Fer
tigungstoleranzen nicht vorher festgelegt. Demzufolge kann
durch Einstellung desselben Stromes unter Umständen eine
unterschiedliche Vibrationsamplitude erhalten werden, so daß
die gewünschte Vibrationsamplitude nur dann erreicht wird,
wenn ein bestimmter Stromwert für jeden Vibrator festgelegt
wird. In manchen Fällen führt die Einstellung eines Stromes zu
einer unerwarteten Zerstörung des Vibrators. In jedem Fall ist
es schwierig, eine stabile Steuerung der Vibrationsbehand
lungseinrichtung durchzuführen.
Auch die EP 01 39 753 A1 offenbart die Möglichkeit eines
Detektors für die Vibration am Horn, also am Übergangsstück
zwischen Ultraschall-Vibrator und Behandlungssonde, enthält
jedoch keine weitere Beschreibung, wie diese Detektion
erfolgen soll.
Unabhängig von dem vorliegenden Anwendungsfall eines
Ultraschall-Vibrators, mit dessen Ultraschall-Schwingungen ein
Objekt behandelt werden soll, sind diverse Verfahren bekannt,
die mechanischen Bewegungen eines Objektes zu messen. In der
DE-AS 16 23 410 ist ein anemometrisches Verfahren beschrieben,
bei dem die Bewegung des Objektes durch die Feststellung der
durch die Bewegung hervorgerufenen Doppler-Frequenzverschie
bung eines geeigneten Laserstrahlsystems erfolgt. In der DE
31 00 669 A1 sind optische Leiter vorgesehen, wobei als
Meßeffekt ausgenutzt wird, daß die optischen Leiter selbst
schwingen und damit die durch den optischen Leiter
übermittelte Lichtamplitude modulieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschall-
Behandlungsgerät der eingangs erwähnten Art so auszubilden,
daß das Auftreten von großen Schwingungsamplituden im Leerlauf
der Behandlungseinrichtung vermieden wird, ohne die Vibra
tionseigenschaften der Behandlungseinrichtung zu beeinträchti
gen.
Diese Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Ultraschall-Behandlungsgerät
mit einem Ultraschall-Vibrator, einem den Ultraschall-Vi
brator umfassenden Gehäuse und einem Ultraschall-Übertrager
zur Übertragung der Ultraschall-Vibrationen vom Ultraschall-
Vibrator auf ein zu behandelndes Objekt und mit einer
Steuereinrichtung mit folgenden Teilen:
- - einer Lichtquelle zum Aussenden von Licht auf den Ultraschall-Vibrator durch einen Lichtleiter,
- - einem Lichtdetektor zur Detektion des durch den Lichtleiter geleiteten, vom Ultraschall-Vibrator reflektierten Lichts,
- - einer Auswertungseinrichtung zur Bestimmung der Vibration aus dem von der Lichtquelle ausgesandten und vom Lichtdetektor detektierten Signal und
- - einer Regeleinrichtung zur Regelung der Vibration des Ultraschall-Vibrators in Abhängigkeit vom Ausgangssig nal der Auswertungseinrichtung, wobei eine Befestigung den Lichtleiter an dem Gehäuse fixiert und optisch die Lichtquelle, den Lichtdetektor und den Lichtleiter so verbindet, daß das von der Lichtquelle ausgesandte Licht in ein erstes Ende des Lichtleiters eingekoppelt und durch das zweite Ende des Lichtleiters auf den Ultraschall-Vibrator gestrahlt wird und das vom Ultraschall-Vibrator reflektierte Licht vom zweiten Ende des Lichtleiters empfangen wird und von dem ersten Ende des Lichtleiters auf den Lichtdetektor gelangt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sin in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung dar
gestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zei
gen:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines
ersten Ausführungsbeispiels eines Ultraschall-
Behandlungsgerätes;
Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines weiteren Ausfüh
rungsbeispiels eines Ultraschall-Behandlungs
geräts;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Spannungs
regelung in dem Ultraschall-Behandlungsgerät
nach Fig. 2;
Fig. 4 eine ein Beispiel für die Befestigung einer in
dem Lichtprojektor des Ultraschall-Behandlungs
geräts nach Fig. 2 erläuternde Darstellung;
Fig. 5 eine Darstellung, die eine andere Befestigungs
art illustriert;
Fig. 6 eine vergrößerte Darstellung eines Schnitts
entlang der Linie A-A in Fig. 5;
Fig. 7 einen Kurvenverlauf, der den Zusammenhang
zwischen der Vibrationsamplitude am distalen
Ende des Vibrations-Behandlungsgerätes und der
Vibrationsamplitude eines hinteren Tragegliedes
in dem Ultraschall-Behandlungsgerät nach Fig.
2 zeigt;
Fig. 8(a) bis (h) Wellenformverläufe zur Erläuterung
der Funktion des Ultraschall-Behandlungsgeräts
nach Fig. 2;
Fig. 9 und 10 schematische Darstellungen weiterer
Ausführungsbeispiele des Ultraschall-
Behandlungsgeräts;
Fig. 11(a) bis (f) Wellenformverläufe zur
Erläuterung der Funktion des
Ultraschall-Behandlungsgeräts nach
Fig. 10 und
Fig. 12(a) und 12(b) Darstellungen von Modifi
kationen eines im Lichtprojektor verwendeten
optischen Sensors eines erfindungsgemäßen
Ultraschall-Behandlungsgeräts.
Das in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Ultraschall-Behandlungsgerätes weist eine
Hülse 1 auf. Ein optisches Beobachtungsrohr 2 ist in die Hülse
1 eingesetzt. Das optische Beobachtungsrohr 2 weist einen
aufrechtstehenden Zwischenabschnitt 3 auf und ist an einem
Stiel mit einem Objektiv 4 versehen. Als Ganzes bildet es ein
Endoskop in einer abgekröpften Form. Ein Zwischenabschnitt des
optischen Beobachtungsrohres 2 wird in einer Halterung 5 an
einem Ende der Hülse 1 gehalten. Die Halterung 5 ist mit
oberen und unteren Fingerbetätigungsgliedern 6 und 7 versehen.
Außerdem weist es eine Betätigungsstange 8 auf, die aus seiner
Rückseite heraussteht. Ein Gleitstück 9 ist schiebbar auf
einem Abschnitt des optischen Beobachtungsrohres 2 befestigt,
der sich rückseitig von der Halterung 5 erstreckt. Das
Gleitstück 9 ist mit einem nach unten vorstehenden
rückseitigen Fingerbetätigungsstück 10 versehen und
weist einstückig ein Ultraschall-Behandlungsgerät 11 auf. Das
Ultraschall-Behandlungsgerät 11 besteht aus einem Ultraschall-
Vibrator 12 und einer Sonde 13, die durch ein Metallrohr
gebildet ist. Die Sonde 13 ist mit dem Ultraschall-Vibrator 12
verbunden, wird von ihm in Schwingungen versetzt und dient als
Ultraschall-Schwingungsübertrager. Es läuft gleitend durch ein
(nicht dargestelltes) tragendes Loch in der Halterung 5
hindurch. Demzufolge sind das Ultraschall-Behandlungsgerät 11
und das Gleitstück 9 synchron miteinander nach vorn schiebbar.
Zwischen der Halterung 5 und dem Gleitstück 9 ist eine im
wesentlichen U-förmig gebogene Blattfeder 14 eingesetzt. Das
Gleitstück 9 kann gegen die Rückstellkraft der Blattfeder 14
bewegt werden. Die zur Halterung 5 zeigende Oberfläche des
Gleitstücks 9 ist an einer zur Lage der Betätigungsstange 8
gehörenden Stelle mit einem ersten Schalter 15 versehen, der
als Detektor dient. Der erste Schalter 15 wird durch die
Betätigungsstange 8 betätigt und eingeschaltet, wenn das
Gleitstück 9 um ein vorbestimmtes Maß nach vorn bewegt wird.
In diesem Falle erzeugt der erste Schalter 15 ein Signal zum
Anschalten einer Spannungsquelle 17, wodurch eine Spannung auf
den Ultraschall-Vibrator 12 geliefert wird. Die Schaltung der
Spannungsquelle 17 weist einen zweiten Schalter 18 auf.
Ein Absaugrohr 19 ist mit der hinteren Oberfläche des Ultra
schall-Vibrators 12 verbunden und kommuniziert mit der Sonde
13. Das andere Ende des Absaugrohres 19 ist mit einer (nicht
dargestellten) Absaugpumpe verbunden. Die Hülse 1 ist an einem
Abzweig mit einem Wasseranschluß 20 versehen. Durch den
Wasseranschluß 20 wird Kühlwasser an die Sonde 13 geleitet.
Das eingeleitete Kühlwasser wird durch das Absaugrohr 19
abgezogen.
Bei der Benutzung des Ultraschall-Geräts mit diesem Aufbau
wird der zweite Schalter 18 eingeschaltet und das Endoskop
wird mit einer Hand dadurch gehalten, daß der Zeigefinger an
dem oberen Fingerbetätigungsglied 6, Mittel-, Ring- und
kleiner Finger an dem unteren Fingerbetätigungsglied 7 und der
Daumen am hinteren Fingerbetätigungsglied 10 eingreift. Die
Hülse 1 wird in den Körper zur Beobachtung des Inneren des
Körpers durch den Objektivteil 4 des optischen Beobachtungs
rohres 2 eingeführt. Wenn ein Gegenstand gefunden wird, der
einer Behandlung bedarf, beispielsweise eine hypertrophierte
Prostata oder ein Stein, wird die das Endoskop haltende Hand
geschlossen. Dadurch wird das Ultraschall-Behandlungsgerät 11
gleichförmig mit dem Gleitstück 9 gegen die rückstellende
Kraft der Blattfeder 14 bewegt und das distale Ende
der Sonde 13 ragt aus dem distalen Ende der Hülse 1 heraus.
Wenn das distale Ende der Sonde 13 um ein bestimmtes Maß aus
der Hülse herausgeführt ist, berührt es den zu behandelnden
Gegenstand, beispielsweise die Prostata oder den Stein,
während der erste, auf dem Gleitstück 9 befindliche Schalter
durch die Betätigungsstange 8 eingeschaltet wird. Dadurch
gelangt Strom von der Spannungsquelle 17 zum Ultraschall-
Vibrator 12. Der Ultraschall-Vibrator 12 erzeugt folglich eine
Ultraschall-Welle, die eine Ultraschall-Vibration der Sonde 13
verursacht, so daß die Entfernung der Prostata oder die
Zerstörung des Steines durchgeführt werden kann. Es ist
bemerkenswert, daß der erste Schalter 15 zur Erzeugung der
Ultraschall-Vibration der Sonde 13 nur dann eingeschaltet
wird, wenn die Sonde 13 aus der Hülse 1 durch Schließen
der das Endoskop haltenden Hand herausgefahren worden ist. Mit
anderen Worten kann die Sonde 13 nur dann vibrieren, wenn das
Ultraschall-Behandlungsgerät 11 im Behandlungszustand für die
Entfernung einer Prostata oder die Zerstörung eines Steines
ist, so daß es möglich ist, Leerlauf-Vibrationen der Sonde 13
zu verhindern.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungs
gemäßen Ultraschall-Behandlungsgerätes. Diese Figur zeigt nur
den Ultraschall-Behandlungsteil des Gerätes, d. h. den Ultra
schall-Vibrator und die daran gekoppelte Sonde.
In diesem Beispiel ist der Ultraschall-Vibrator ein Langevin-
Vibrator, der aus sechs piezoelektrischen Elementen 41 bis 46
besteht. Die sechs piezoelektrischen Elemente 41 bis 46 sind
zwischen einem Horn 47 und einem hinteren Stützteil 48 einge
klemmt und werden durch eine Anordnung aus Bolzen 49 und Mut
ter 50 zusammengehalten. Die zusammenhaltende Kraft beträgt
mehrere 100 kg. Das Horn 47 dient zur Verstärkung der Schwin
gungen und das hintere Stützteil 48 zur Einstellung der
Resonanzfrequenz des Vibrators.
Das Horn 47 weist einen Flansch 51 auf, der über eine Mutter
53 an einem Vibratorgehäuse 52 befestigt ist. Eine Sonde 55,
auf die die Ultraschall-Schwingungen übertragen werden, ist
mit Hilfe einer Schraube 54 an das Ende des Horns 47
angeschlossen.
Das hintere Ende des Vibratorsgehäuses 52 ist mit einer Buchse
56 verbunden. Eine Faser 57 (aus Glas oder Kunststoff) läuft
in festgelegter Form durch die Buchse 56 hindurch, so daß sein
Ende in einem vorbestimmten Abstand dem hinteren Stützteil 48
gegenüberliegt. Das hintere Ende der Faser 57 ist mit einer
später näher erläuterten Treiberschaltung verbunden und Licht
einer Lichtquelle wird durch die Faser 57 geleitet, so daß es
auf die hintere Oberfläche des hinteren Stützteils 48
auftrifft. Die Vibration des Vibrators kann durch Detektion
der Intensität des reflektierten Lichtes gemessen werden.
Es soll nun beschrieben werden, wie die Faser 57 gehalten
wird. Fig. 4 zeigt ein Beispiel hierfür. Die Faser 57
durchläuft die Buchse 56 so daß ihr Ende in einem
vorbestimmten Abstand x von der hinteren Trägerplatte 48
gehalten wird.
Fig. 5 und 6 (letztere stellt einen Schnitt entlang der
Linie A-A aus Fig. 5 dar) zeigt ein anderes Beispiel. In
diesem Fall ist in der Buchse 56 eine Gleitbasis 56a
vorgesehen, so daß der Abstand x zwischen der Faser 57 und
einer hinteren Tragplatte 58 durch einen mit einer Schraube
56b angeordneten Zahntriebmechanismus 56c durch Drehen der
Schraube 56b einstellbar ist. Der Abstand x kann mit Hilfe
einer Skala 56d gemessen werden, die auf der Buchse 56 und
Gleitbasis 56a vorgesehen ist.
Um eine genaue Messung der Vibration zu gewährleisten, muß
auch ein geringer Fehler in der Einstellung des Abstandes x
zwischen der Faser 57 und der hinteren Tragplatte 48 vermieden
werden. Mit der vorliegenden Anordnung kann ein Fehler Δx
des Abstandes x korrigiert werden, um die Messung der
Amplitude mit dem genauen Abstand x zwischen der Faser 57 und
der hinteren Tragplatte 48 durchzuführen.
Die in dem Vibrator erzeugten Ultraschall-Schwingungen neigen
dazu, auf die Faser 57 über das Gehäuse 52 übertragen zu
werden und damit die Vibrationsmessung zu stören. Daher ist
die Buchse vorzugsweise aus einem elastischen Material
hergestellt, das die Vibrationen absorbieren kann. Die Buchse
56 und die Gleitbasis 56a können mit Hilfe jedes anderen
Mechanismusses als des beschriebenen Zahntriebes relativ
zueinander bewegt werden.
In Fig. 2 ist die Sonde 55 hohl und kommuniziert mit Durch
gangslöchern in dem Horn 47 und dem Bolzen 49. Das hintere
Ende des Bolzens 49 ist mit einem rohrförmigen Glied 60
verbunden, das seinerseits mit dem Gehäuse 52 über einen O-
Ring 59 und darüber hinaus mit einer Absaugleitung 61
verbunden ist. Die Absaugleitung 61 ist mit einer (nicht
dargestellten) Absaugpumpe verbunden und entfernte Gewebeteile
o. ä. werden durch die Absaugleitung von dem Sondenbereich
abgezogen.
Die piezoelektrischen Elemente 41 bis 46 sind mit Elektroden
62 bis 67 versehen, die über ein koaxiales Kabel 68 mit einer
Treiberleistungs-Steuerschaltung 40 verbunden sind, die unten
näher erläutert wird. In diesem Ausführungsbeispiel sind die
Elektroden 62, 64 und 66 mit dem inneren Leiter und die
Elektroden 63, 65 und 67 mit dem äußeren Leiter des koaxialen
Kabels 68 verbunden.
Fig. 3 zeigt die oben erwähnte Steuerschaltung 40. Das
hintere Ende der Faser 57 ist mit einem Ende eines Halbprismas
(Strahlteilerprismas) 89 verbunden, dessen gegenüberliegende
Seitenflächen mit je einem lichtempfindlichen Element 70, 71
versehen sind. Hinter dem anderen Ende des Halbprismas 69 ist
eine Linse und eine lichtemitierende Diode (LED) 73 ange
ordnet. Die LED 73 ist an eine Spannungsversorgung 74
angeschlossen. Das von der LED 73 emitierte Licht wird durch
das Halbprisma 69 in einen durchgehenden Lichtstrahl und einen
reflektierten Lichtstrahl geteilt. Das durchgehende Licht
fällt auf das hintere Ende der Faser 57, während das
reflektierte Licht auf das lichtempfindliche Element 70
fällt. Von der Faser 67 ausgehendes Licht, das auf das
Halbprisma 69 gelangt, wird durch das Halbprisma 69 auf das
lichtempfindliche Element 71 reflektiert.
Die Ausgänge der lichtempfindlichen Elemente 70 und 71 werden
auf Verstärker (Strom/Spannungs-/Wandler) 75 und 76 geleitet.
Das Ausgangssignal des Verstärkers 75 gelangt direkt auf einen
Teiler 78, während das Ausgangssignal des Verstärkers 76 über
ein Hochpaßfilter (HPF) 77 auf den Teiler 78 gelangt. Das
Ausgangssignal des Teilers 78 gelangt auf eine Gleich
richtungs/Glättungs-Schaltung 79, dessen Ausgangssignal
seinerseits auf den ersten Eingang eines Differenzverstärkers
80 geleitet wird. Eine Referenzspannungsquelle 81 ist an den
zweiten Eingang des Differenzverstärkers 80 angeschlossen. Die
Referenzspannungsquelle 81 ist ein variable Spannungsquelle
und liefert eine Referenzspannung, die einem Referenzwert des
auf den Vibrator gelieferten Treiberstroms entspricht, wie
unten näher erläutert werden wird.
Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 80 gelangt auf
einen ersten Eingang eines Multiplizierers 90. Der Ausgang
eines Oszillators, der auf einer konstanten Frequenz
oszilliert, ist mit dem zweiten Eingang des Multiplizierers 90
verbunden. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 90 gelangt
auf einen Leistungsverstärker 82. Der Ausgang des Leistungs
verstärkers 82 ist über einen Transformator 83 mit dem
hinteren Ende des koaxialen Kabels 68 verbunden. Mit anderen
Worten gelangt das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers 82
über den Transformator 83 und das koaxiale Kabel 68 auf die
Elektroden 62 bis 67 der piezoelektrischen Elemente 41 bis 46,
um so den Treiberstrom durch den Vibrator zu erzeugen.
Die Funktionsweise dieses Ausführungsbeispiels wird nun anhand
der Fig. 7 und 8 erläutert. In dem Behandlungsgerät wird
die Vibrationsamplitude des aus den piezoelektrischen
Elementen 41 bis 46 bestehenden Vibrators durch das Horn 47
nach dem Prinzipien eines Langevin-Vibrators verstärkt und das
distale Ende der Behandlungsanordnung 55 wird mit einer großen
Anplitude zur Zerstörung des Behandlungsobjektes vibriert. Für
diesen Zweck sollten die Vibrationen des Vibrators in
Abhängigkeit von dem Status des Behandlungsobjektes
kontrolliert werden.
Die Vibrationsamplitude des distalen Endes des Behandlungsele
ments 55 und die Vibrationsamplitude des hinteren Stützteils
48 stehen in einer festen Beziehung zueinander, wie dies in
Fig. 7 dargestellt ist, vorausgesetzt, daß die Last am
distalen Ende unveränderlich ist und die zugeführte Leistung
einen dritten Parameter darstellt. Daher kann die Vibrations
amplitude des Behandlungselementes 55 durch Messung der
Vibrationsamplitude des hinteren Stützteils gemessen werden.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die Vibration des hinteren
Stützteils 48 dadurch gemessen, daß das von der an dem Gehäuse
52 befestigten Faser 57 ausgesandte Licht gemessen wird,
nachdem es durch die vibrierende Oberfläche reflektiert worden
ist.
Das von der durch die Spannungsversorgung 74 betriebenen LED
73 emitierte Licht wird durch die Linse 72 konvergiert und
fällt auf das Halbprisma 69. Das reflektierte Licht gelangt
auf das lichtempfindliche Element 70. Das durchgehende Licht
fällt auf die Faser 57 und wird von dem hinteren Ende des
hinteren Stützteils 48 reflektiert und gelangt so auf das
lichtempfindliche Element 71. Demzufolge empfängt das
lichtempfindliche Element 70 einen Teil des auf das hintere
Stützteil 48 fallende Licht, während das lichtempfindliche
Element 71 einen Teil des von dem hinteren Stützteil 48
reflektierten Lichts empfängt. Die Ausgangssignale der
lichtempfindlichen Elemente 70 und 71 werden durch die Ver
stärker 75 und 76 verstärkt. Das Ausgangssignal des
Verstärkers 76 gelangt durch den Hochpaßfilter 77, um die
Gleichspannungskomponente auszufiltern. Das Ausgangssignal des
HPF 77 wird zusammen mit dem Ausgangssignal des Verstärkers 75
auf den Teiler 78 geleitet.
Angenommen die Vibration des hinteren Stützteils 48 habe eine
Wellenform wie sie in (a) in Fig. 8 dargestellt ist, dann
produziert das lichtempfindliche Element 71 ein in (b) darge
stelltes Signal, das der Vibration entspricht. Das licht
empfindliche Element 70 detektiert die Intensität des
einfallenden Lichtes. Der Verstärker 75, der das Ausgangs
signal des lichtempfindlichen Elementes 70 verstärkt, erzeugt
ein Ausgangssignal, wie es (c) in Fig. 8 dargestellt ist. Das
Hochpaßfilter 77, das mit dem Ausgang des lichtempfindlichen
Elements 71 über den Verstärker 76 verbunden ist, erzeugt das
in (d) dargestellte Ausgangssignal.
Der Teiler 78 produziert ein Ausgangssignal Z in der Form
Z=K1 (Y/X),
wobei X das Ausgangssignal des Verstärkers 75, Y das Ausgangs signal des Hochpaßfilters 77 darstellt und K1 eine Konstante ist. Durch diese Division wird eine Schwankung der Licht intensität des reflektierten Lichtes aufgrund einer Schwankung der ausgesandten Lichtmenge des LED 73 kompensiert. Das Ausgangssignal des Teilers 78 ist in (e) in Fig. 8 dargestellt.
Z=K1 (Y/X),
wobei X das Ausgangssignal des Verstärkers 75, Y das Ausgangs signal des Hochpaßfilters 77 darstellt und K1 eine Konstante ist. Durch diese Division wird eine Schwankung der Licht intensität des reflektierten Lichtes aufgrund einer Schwankung der ausgesandten Lichtmenge des LED 73 kompensiert. Das Ausgangssignal des Teilers 78 ist in (e) in Fig. 8 dargestellt.
Das Ausgangssignal Z des Teilers 78 wird gleichgerichtet und
geglättet in der Gleichrichtungs-/Glättungs-Schaltung 79, um
ein Gleichspannungssignal zu erhalten, das proportional zur
Amplitude des hinteren Stützteils 48 ist. Das Gleichspannungs
signal am Ausgang der Gleichspannungs-/Glättungs-Schaltung 79
ist in (f) in Fig. 8 dargestellt. Es gelangt auf den
Differenzverstärker 80, auf dessen anderen Eingang die
Referenzspannung der Referenzspannungsquelle 81 gelangt. Der
Differenzverstärker 80 vergleicht das Gleichspannungssignal
und das Referenzspannungssignal und erzeugt ein der Differenz
proportionales Signal.
Der Ausgang des Differenzverstärkers 80 gelangt auf einen
Multiplizierer 90 und wird so mit dem in (g) dargestellten
Ausgangssignal des Oszillators 91 multipliziert. Somit wird
die Ausgangsamplitude des Oszillators 91 entsprechend dem
Ausgang des Differenzverstärkers 80 verstärkt. Das
Ausgangssignal 90 ist in (h) in Fig. 8 dargestellt. Das
Ausgangssignal des Multiplizierers 90 gelangt als
Treibersignal über den Leistungsverstärker 82, den
Transformator 83 und das koaxiale Kabel 68 auf die
Vibratorelektroden 62 bis 67.
Wenn daher die Vibrationsamplitude des hinteren Stützteils 48
erhöht wird, übersteigt das Ausgangssignal der Gleich
richtungs-/Glättungs-Schaltung 79 die Referenzspannung 81, so
daß das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 80 vermindert
wird, um die Amplitude des Treibersignals zu reduzieren. Im
umgekehrten Fall wird die Anplitude des Treibersignals erhöht.
In dieser Weise steuert der Multiplizierer die Anplitude des
Treibersignals um so das Ausgangssignal der Gleichrichtungs-
/Glättungs-Schaltung 79 mit der Referenzspannung überein
stimmen zu lassen.
In dieser Ausführungsform wird die Vibration des Vibrators,
d. h. die Vibration des distalen Endes des Behandlungselementes
55, durch eine berührungslose Messung optisch gemessen, wobei
ein Laserstrahl auf das hintere Ende des Vibrators gesandt und
der reflektierte Strahl empfangen wird. Die gewünschten
Ultraschall-Vibrationen können durch Regelung des Treiber
signals in Abhängigkeit von der gemessenen Vibration stabil
erhalten werden. Da die Vibration berührungslos gemessen wird,
müssen keine besonderen Komponenten auf dem Vibrator oder der
Behandlungseinrichtung vorgesehen werden und die Vibrationen
können ohne irgendeine Rückwirkung gemessen werden.
Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In dieser Figur sind Teile, die dem Ausführungsbeispiel aus
Fig. 2 entsprechen, mit gleichen Bezugsziffern versehen und
nicht noch einmal beschrieben.
In dieser Ausführungsform gelangt ein Laserstrahl von einem
He-Ne-Laser 92 über halbdurchlässige Spiegel 93 und 97 auf die
Faser 57. Ein von dem halbdurchlässigen Spiegel 93
reflektierter Teilstrahl wird durch einen Spiegel 94, einen
Ultraschall-Modulator 95 und einen Spiegel 96 so geleitet, daß
er auf den halbdurchlässigen Spiegel 97 fällt und durchge
lassen wird, bevor er auf eine Linse 98 gelangt. Ein von dem
hinteren Stützteil 48 reflektierter und durch die Faser 57
zurückgeleiteter Laserstrahl wird von dem halbdurchlässigen
Spiegel 97 auf die Linse 98 reflektiert.
Der auf die Linse 98 fallende Laserstrahl wird fotoelektrisch
durch eine Fotodiode 99 gewandelt und erzeugt ein elektrisches
Ausgangssignal, das über einen Verstärker 100 auf einen
Frequenzanalysator 101 gelangt. Das Ausgangssignal des
Frequenzanalysators 101 gelangt auf den Differenzverstärker 80
wie oben erwähnt worden ist. Der weitere Signalfluß ist
derselbe wie in dem früheren Ausführungsbeispiel, das in Fig.
2 dargestellt ist.
Die Funktion dieses Ausführungsbeispiels soll nun erläutert
werden. Der von dem Laser 92 emitierte Laserstrahl soll mit
einer Frequenz f0 moduliert sein. Dieser Laserstrahl wird durch
den halbdurchlässigen Spiegel 93 in einen durchgelassenen und
einen refiektierten Laserstrahl geteilt. Der durchgelassene
Laserstrahl gelangt ohne Änderung seiner Frequenz f₀ durch den
halbdurchlässigen Spiegel 97 in die Faser 57 und wird auf das
hintere Stützteil 48 geleitet. Der reflektierte Laserstrahl
wird durch den Ultraschall-Modulator 95 in einen modulierten
Laserstrahl mit einer Frequenz f0+f1 gewandelt.
Wenn der Laserstrahl mit einer Frequenz f0 auf das hintere
Stützteil 48 gelangt, wird ein entsprechend der Vibration des
hinteren Stützteils 48 modulierter Laserstrahl mit einer
Frequenz f0+Δf reflektiert und durch die Faser 57 auf den
halbdurchlässigen Spiegel 97 zurückgeleitet.
Durch die Linse 98 gelangen nun ein Laserstrahl mit der
Frequenz f0+f1 von dem Ultraschall-Modulator 95 als
Referenzstrahl und ein Laserstrahl mit der Frequenz f0+Δf
von der Faser 57 als Signalstrahl auf die Oberfläche der
Fotodiode 99 wo sie für eine Überlagerungsdetektion kombiniert
werden. Das Ausgangssignal der Fotodiode 99 wird von dem
Verstärker 100 verstärkt, bevor es auf den Frequenzanalysator
101 gelangt. Der Frequenzanalysator berechnet die
Frequenzänderung Δf, die durch die Vibration des hinteren
Stützteils 48 entstanden ist und erhält die Vibrations
geschwindigkeit V=λ×Δf/2 aus dem Wert Δf und
erzeugt ein Gleichspannungssignal, das proportional zur
Vibrationsgeschwindigkeit V ist. Für die Vibrations
geschwindigkeit V wird ein Maximalwert verwendet. Der Ausgang
des Frequenzanalysators 101 hat die gleiche Wirkung wie der
Ausgang der Gleichspannungs-/Glättungs-Schaltung 79 in dem
früheren Ausführungsbeispiel.
In diesem Ausführungsbeispiel kann eine genaue Analyse der
Vibration auch dann erhalten werden, wenn das Reflektions
vermögen des hinteren Stützteils 48 oder andere Einfluß
parameter geändert worden sind. Der He-Ne-Laser 92 kann durch
einen Halbleiterlaser ersetzt werden. Die Bauteile von dem He-
Ne-Laser 92 bis zur Fotodiode 99 können in miniaturisierter
Form in Nachbarschaft des hinteren Stützteils 48 angeordnet
werden.
Fig. 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das dargestellte System ist eine Modifikation des früheren
Ausführungsbeispiels aus Fig. 2. In diesem Beispiel ist nur
eine Seite des halbdurchlässigen Prismas 69 mit einem
lichtempfindlichen Element 71 versehen, während das
lichtempfindliche Element 70 des früheren Ausführungs
beispiels, das einen Teil des ausgesandten Lichts empfangen
hat, fehlt. Das Ausgangssignal des lichtempfindlichen Elements
71 wird über den Verstärker 76 auf einen Hochpaßfilter HPF 110
und einen Tiefpaßfilter LPF 111 geleitet. Die Ausgänge des
Hochpaßfilters 110 und Tiefpaßfilters 111 sind über den Teiler
78 mit der Gleichrichtungs-/Glättungs-Schaltung 79 verbunden.
Der weitere Signalfluß ist derselbe wie in dem früheren
Ausführungsbeispiel.
Die Funktion dieses Ausführungsbeispiels soll nun anhand der
Fig. 11 erläutert werden. Ein Teil des von dem hinteren
Stützteil 48 reflektierten Lichts wird von dem lichtempfind
lichen Element 71 empfangen, dessen Ausgangssignal durch den
Verstärker 76 verstärkt wird. Das Ausgangssignal des
Verstärkers 76, das in (a) in Fig. 11 dargestellt ist,
enthält eine Vibrationskomponente, die entsteht, wenn das
hintere Stützteil 48 vibriert, und eine Gleichspannungs
komponente, die entsteht, wenn das hintere Stützteil 48 nicht
vibriert. Das Hochpaßfilter 110 entfernt die Gleichspannungs
komponente aus dem Ausgangssignal des Verstärkers 76 und
erzeugt ein Signal, das nur aus der Vibrations-
(Wechselspannungs-)komponente besteht, die in (b) in Fig. 11
gezeigt ist.
In ähnlicher Weise entfernt das Tiefpaßfilter 111 die
Vibrationskomponente aus dem Ausgangssignal des Verstärkers 76
und erzeugt ein Signal, das nur aus einer Gleichspannungs
komponente besteht, die in (c) in Fig. 11 gezeigt ist.
Die Ausgangssignale von Hochpaßfilter 110 und Tiefpaßfilter
111 werden in dem Teiler 78 kombiniert, so daß ein Signal
erhalten wird, wie es in (d) in Fig. 11 gezeigt ist. Dieses
Signal wird gleichgerichtet und geglättet in der
Gleichrichtungs-/Glättungs-Schaltung 79, so daß ein
Gleichspannungs-Signal entsteht, das der Vibrationsamplitude
des hinteren Stützteils 48 proportional ist und in (e) in
Fig. 11 verdeutlicht ist. Demzufolge erzeugt der
Multiplizierer 90 ein Treibersignal, das der Vibrationsampli
tude des hinteren Stützteils 48 - wie in dem früheren Ausfüh
rungsbeispiel gemäß Fig. 2 - entspricht.
Gemäß der obigen Beschreibung ist der optische Sensor zur
Detektion der Vibration außerhalb des Gehäuses 52 angeordnet.
Es ist jedoch auch möglich, einen optischen Sensor 120
innerhalb des Gehäuses in der Nachbarschaft der hinteren
Endoberfläche des hinteren Stützteils 48 anzuordnen, wie es
Fig. 12(a) zeigt. Der in Fig. 12(b) dargestellte optische
Sensor 120 ist ein Fotokoppler, der aus einer licht
emitierenden Diode 120 und einem Fototransistor 122 besteht.
Auch diese Anordnung erlaubt eine berührungslose Messung der
Vibration des hinteren Stützteils 48.
Wie gezeigt worden ist, ist es bei dieser Ausführungsform der
Erfindung möglich, ein Ultraschall-Behandlungsgerät zu erstel
len, das die Detektion der Vibration des Vibrators ohne Rück
wirkung auf die Vibration durch eine berührungslose Detektion
mit einem optischen Sensor, und damit eine stabile Regelung
des Treiberstroms durch den Vibrator, ermöglicht.
Claims (9)
1. Ultraschall-Behandlungsgerät mit einem Ultraschall-Vibrator
(41-46), einem den Ultraschall-Vibrator umfassenden Gehäuse
(52) und einem Ultraschall-Übertrager zur Übertragung der
Ultraschall-Vibrationen vom Ultraschall-Vibrator (41-46)
auf ein zu behandelndes Objekt und mit einer Steuereinrichtung
(40) mit folgenden Teilen:
- - einer Lichtquelle (73) zum Aussenden von Licht auf den Ultraschall-Vibrator (41-46) durch einen Lichtleiter (57),
- - einem Lichtdetektor (70, 71) zur Detektion des durch den Lichtleiter (57) geleiteten, vom Ultraschall-Vibrator (41-46) reflektierten Lichts,
- - einer Auswertungseinrichtung (77, 78) zur Bestimmung der Vibration aus dem von der Lichtquelle (73) ausge sandten und vom Lichtdetektor (70, 71) detektierten Signal und
- - einer Regeleinrichtung (80, 90, 91) zur Regelung der Vibration des Ultraschall-Vibrators (41-46) in Abhän gigkeit vom Ausgangssignal der Auswertungseinrichtung (77, 78),
wobei eine Befestigung (56) den Lichtleiter (57) an dem Ge
häuse (52) fixiert und optisch die Lichtquelle (73), den
Lichtdetektor (70, 71) und den Lichtleiter (57) so verbindet,
daß das von der Lichtquelle (73) ausgesandte Licht in ein
erstes Ende des Lichtleiters (57) eingekoppelt und durch das
zweite Ende des Lichtleiters (57) auf den Ultraschall-Vibrator
(41-46) gestrahlt wird und das vom Ultraschall-Vibrator
(41-46) reflektierte Licht vom zweiten Ende des Lichtleiters
(57) empfangen wird und von dem ersten Ende des Lichtleiters
(57) auf den Lichtdetektor (70, 71) gelangt.
2. Behandlungsgerät nach Anspruch 1 mit einem Teiler (78) zur
Bestimmung des Verhältnisses des von dem Lichtdetektor (70,
71) detektierten Lichts zu dem von der Lichtquelle (73) aus
gesandten Licht.
3. Behandlungsgerät nach Anspruch 2 mit einer Gleichrichterstufe
(79) für das Ausgangssignal des Teilers (78) und mit einem
Differenzbildner zwischen dem Ausgangssignal des Gleichrich
ters und einem vorbestimmten Referenzwert.
4. Behandlungsgerät nach Anspruch 1, bei dem die Steuereinrich
tung (40) einen Oszillator (91) zur Erzeugung eines Signals
mit einer vorbestimmten Frequenz und einen Verstärker (90)
für das Ausgangssignal des Oszillators (91) in Abhängigkeit
von dem Ausgangssignal der Auswertungsschaltung (71) aufweist.
5. Behandlungsgerät nach Anspruch 1, bei dem ein halbdurchläs
siges Prisma (69) zwischen der Lichtquelle (73) und dem ersten
Ende des Lichtleiters (57) angeordnet ist, das einen Teil des
von der Lichtquelle (73) ausgesandten Lichtes in das erste
Ende des Lichtleiters (57) einkoppelt, einen Teil des von
der Lichtquelle (73) ausgesandten Lichts in eine erste Rich
tung reflektiert und in eine zweite Richtung wenigstens einen
Teil des vom Ultraschall-Vibrator (41-46) reflektierten
Lichtes reflektiert, der Lichtdetektor ein erstes licht
empfindliches Element zum Empfang von Licht, das durch das
halbdurchlässige Prisma (69) in die erste Richtung reflektiert
worden ist, und ein zweites lichtempfindliches Element zum
Empfang von Licht, das durch das halbdurchlässige Prisma (69)
in die zweite Richtung reflektiert worden ist, aufweist und
bei dem ein Teiler (78) das Verhältnis der Ausgangssignale
des ersten und zweiten lichtempfindlichen Elements (70, 71)
bildet.
6. Behandlungsgerät nach Anspruch 1 mit einem Tiefpaßfilter (111)
zum Herausfiltern einer Gleichstromkomponente aus dem Aus
gangssignal des Lichtdetektors (70, 71) , einem Hochpaßfilter
(110) zum Herausfiltern einer Wechselstromkomponente in dem
Ausgangssignal des Lichtdetektors (70, 71) und mit einem
Teiler (78) zur Bildung des Verhältnisses der Ausgangssignale
des Tiefpaßfilters (111) und des Hochpaßfilters (110).
7. Behandlungsgerät nach Anspruch 1, bei dem die Befestigung
eine in dem Gehäuse (52) angeordnete Buchse (56) und eine
Gleiteinrichtung (56b, 56c) zum Verschieben der Buchse (56)
in die Richtung, in der sich der Lichtleiter (57) erstreckt,
aufweist, um den Abstand zwischen dem Ultraschall-Vibrator
(41-46) und der Endfläche des Lichtleiters (57) an seinem
ersten Ende zu verändern.
8. Behandlungsgerät nach Anspruch 7, bei dem die Buchse (56)
gleitend in einer im Gehäuse (52) befestigten Gleitbasis (56a)
gleitet und ein Gleitantrieb durch einen Zahntriebmechanismus
(56b, 56c) gebildet ist.
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