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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft allgemein ein Drehwandlerarraysystem und mehr
im Einzelnen eine drehbare Wandlerarrayeinrichtung zur Verwendung bei
der volumetrischen Ultraschallbildgebung und der kathetergeführten Behandlung
wie etwa bei kardialen Eingriffen.
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Kardiale
Eingriffe, wie etwa die Ablation einer atrialen Fibrillation, sind
wegen des Fehlens eines wirksamen Verfahrens zur Visualisierung
der kardialen Anatomie in Echtzeit kompliziert. Die interkardiale Echokardiographie
(ICE) hat seit kurzem als ein mögliches
Verfahren zur Visualisierung von Eingriffsvorrichtungen, wie auch
in der kardialen Anatomie in Echtzeit an Interesse gewonnen. Gegenwärtig handelsübliche katheterbasierte
interkardiale Sonden, die zur klinischen B-Scan-Ultraschallbildgebung
verwendet werden, haben Beschränkungen,
die mit der monoplanaren Natur der B-Scanbilder zu tun haben. Die dreidimensionale
Echtzeitbildgebung (RT3D) kann diese Beschränkungen überwinden. Vorhandene eindimensionale
(1D) Katheterwandler wurden schon zur Herstellung von 3D ICE-Bildern
verwendet, indem der ganze Katheter eine Drehbewegung erhält, aber
die daraus sich ergebenden Bilder sind nicht in Echtzeit. Andere
zur Verfügung
stehende RT3D ICE-Katheter verwenden einen zweidimensionalen (2D)
Arraywandler (Schallkopf) um den Ultraschallstrahl über ein
py ramidenförmiges
Volumen zu lenken und ihn zu fokussieren. Leider benötigen 2D-Arraywandler
eine prohibitiv große
Zahl von Anschlussverbindungen, um den akustischen Aperturraum angemessen
abzutasten, um so eine ausreichende räumliche Auflösung und
Bildqualität
zu erzielen. Außerdem
gibt es bei 2D-Arrays
weitere Probleme, etwa das geringerer Empfindlichkeit wegen der
kleinen Elementengröße und der
Zunahme der Systemkosten und Komplexität. Schließlich haben wegen der Kathetergrößenzwänge 2D-Arrays
weniger Elemente als erwünscht
wären und
kleine Aperturen, was zu schlechter Auflösung und Kontrast und letztendlich
zu schlechter Bildqualität
beiträgt.
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Das
Problem des Akquirierens dreidimensionaler Volumina wurde mit dem
Aufkommen von 2D-Arraytransducern (z.B. Philips X4 oder GE 3V-Sonden)
angegangen, doch ist in der Anwendung auf räumlich beschränkte Applikationen,
wie die intrakardiale Echokardiographie beschränkt, und zwar wegen der nicht
zu realisierenden Zahl von Signalleitern und/oder einer nicht verwirklichbaren
Strahlformungselektronik wie sie erforderlich sind, um den Aperturraum
in dem erforderlichen Maß abzutasten und
Bilder mit ausreichender Auflösung
zu erzeugen. Außerdem
gibt es sich drehende Einzelelement- oder Ringarrays (z.B. Boston
Scientific) doch sind die Bilder 2D oder Kegelbilder, aber keine
3D-Volumina. Mechanisch scannende eindimensionale Wandlerarrays
gibt es zwar heute (z.B. GE Gretz „4D"-Sonden), diese wurden aber bisher lediglich
für wesentlich
größere Abdominalsonden
angewandt, bei denen räumliche
Zwänge
nicht vorliegen.
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Da
intrakardiale Eingriffe zunehmend gebräuchlich werden, besteht ein
Bedürfnis,
die oben beschriebenen Probleme zu überwinden. Außerdem besteht
ein Bedürfnis
zur Ermögli chung
besserer intrakardialer Bildgebung und Eingriffe insbesondere dort,
wo räumliche
Zwänge
vorliegen.
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Kurze Beschreibung
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Bei
einem ersten Aspekt in der Erfindung wird eine rotierende Wandleranordnung
zur Verwendung bei der volumetrischen Ultraschallbildgebung und
bei kathetergeführten
Vorgängen
geschaffen. Die rotierende Wandlerassembly weist ein auf einer Antriebswelle
angebrachtes Wandlerarray, eine mit dem Wandlerarray und der Antriebswelle
gekuppelte Bewegungssteuereinrichtung zum Drehen des Wandlers und
wenigstens eine Verbindungseinrichtung auf, die an den Wandler angekoppelt
ist, um Signale zwischen dem Wandler und einer Bildgebungsvorrichtung
zu übertragen,
wobei die Verbindungseinrichtung dazu eingerichtet ist, die von
einer Drehbewegung des Wandlers herrührende Drehmomentbelastung
des Wandlers und oder der Bewegungssteuereinrichtung zu verringern.
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Unter
einem zweiten Aspekt in der Erfindung wird ein Verfahren zur volumetrischen
Bildgebung und zu kathetergeführten
Eingriffen geschaffen. Das Verfahren beinhaltet das Beschaffen von
Bilddaten für
wenigstens ein interessierendes Gebiet unter Verwendung eines Bildgebungskatheters
und das Darstellen der Bildgebungsdaten zur Verwendung bei wenigstens
einer Bildgebung und Behandlung eines interessierenden ausgewählten Gebietes.
Der Bildgebungskatheter beinhaltet ein Wandlerarray, das auf einer
Antriebswelle angebracht ist, wobei das Wandlerarray mit der Antriebswelle
drehbar ist, eine Bewegungssteuereinrichtung, die mit dem Wandlerarray
und der Antriebswelle gekuppelt ist, um dem Wandler eine Drehbewegung
zu erteilen und wenigstens eine Verbindungseinrichtung, die an den
Wandler angekoppelt ist, um Signale zwischen dem Wandler und einer
Bildgebungsvorrichtung zu übertragen, wobei
die Verbindungseinrichtung dazu eingerichtet ist, die von einer
Drehbewegung des Wandlers herrührende
Drehmomentbelastung des Wandlers und oder der Bewegungssteuereinrichtung
zu verringern.
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Das
Verständnis
dieser und anderer Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden
Erfindung wird durch die nachfolgende Beschreibung im Zusammenhang
mit der beigefügten
Zeichnung erleichtert, in der in der ganzen Zeichnung gleiche Bezugszeichen
gleiche Teile bezeichnen. Für
die Zeichnung gilt:
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1 ist
eine schematische Blockdarstellung eines beispielhaften Ultraschallbildgebungs- und
Therapiesystems gemäß Aspekten
der vorliegenden Technik;
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2 ist
eine Seiten- und Innenansicht einer beispielhaften Ausführungsform
einer rotierenden Wandlerarrayanordnung zur Verwendung bei dem Bildgebungssystem
nach 1;
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3 ist
eine Darstellung von Komponenten eines rotierenden Wandlerarrays,
das bei Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung anwendbar ist;
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4 ist
eine weitere Darstellung eines Katheters zur Verwendung bei dem
Bildgebungssystem nach 1;
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5 ist
eine Darstellung einer Verbindungseinrichtung zur Anwendung bei
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung;
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6 ist
eine Darstellung einer Verbindungseinrichtung bei Anwendung bei
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung;
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7 ist
eine Darstellung einer Verbindungseinrichtung zur Anwendung bei
Ausführungsformen
der Erfindung;
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8 ist
eine Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer Bewegungssteuereinrichtung zur
Anwendung bei Ausführungsformen
an der Erfindung;
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9 ist
eine Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer Bewegungssteuereinrichtung zur
Anwendung bei Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung;
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10 ist
eine Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer Bewegungssteuereinrichtung zur
Anwendung bei Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung;
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11 ist
eine Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer Bewegungssteuereinrichtung zur
Anwendung bei Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung;
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12 ist
eine Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer Bewegungssteuereinrichtung zur
Anwendung bei Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung;
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13 ist
eine Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer Bewegungssteuereinrichtung zur
Anwendung bei Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung.
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14 ist eine Darstellung einer alternativen Ausführungsform
einer Bewegungssteuereinrichtung zur Anwendung bei Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung;
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15 ist eine Darstellung einer alternativen Ausführungsform
einer Bewegungssteuereinrichtung zur Anwendung bei Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung und
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16 ist eine Darstellung einer alternativen Ausführungsform
einer Bewegungssteuereinrichtung zur Anwendung bei Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung
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Wie
im Nachfolgenden im Detail beschrieben wird, wurde eine rotierende
Wandlerarrayeinrichtung gemäß beispielhaften
Aspekten der vorliegenden Technik geschaffen. Basierend auf Bilddaten,
die von der Drehwandlerarray über
einen Bildgebungs- und Therapiekatheter akquirierte wurden, können Diagnoseinformationen
und/oder Informationen bezüglich der
Notwendigkeit einer Therapie in einem anatomischen Gebiet erhalten
werden.
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Gemäß Aspekten
der vorliegenden Erfindung werden die eingangs erläuternden
Beschränkungen
durch Verwendung eines mechanisch umlaufenden, eindimensionalen
Wandlerarrays überwunden,
das ein dreidimensionales Volumen austastet. Die Elemente des Wandlerarray
sind elektronisch phasengesteuert, um ein Sektorbild parallel zu
der Längsachse
des Katheters zu akquirieren. Das Array wird mechanisch um die Katheterachse
gedreht, um das dreidimensionale Volumen durch Zusammenfügen von
zweidimensionalen Bildern zu akquirieren. Dieses Verfahren gibt
eine räumliche
Auflösung
und eine Kontrastauflösung,
die wesentlich besser sind, als was mit einem zweidimensionalen
Arraywandler und gegenwärtiger
Verbindungstechnologie erreicht werden kann. Außerdem werden bei Verwendung dieses
Verfahrens mit 2D-Arrays verbundene Probleme, wie die hinsichtlich
der Empfindlichkeit und der Systemkosten, wie auch der Komplexität, vermieden. Darauf
hinzuweisen ist, dass auch andere Wandlerarrays als 1D-Arrays verwendet
werden können, aber
dann wird Komplexität
hinzugefügt.
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1 ist
eine Blockdarstellung eines beispielhaften Systems 10 zur
Verwendung bei der Bildgebung und zur Anwendung einer Therapie auf
ein oder mehrere interessierende Gebiete gemäß Aspekten der vorliegenden
Technik. Das System 10 kann so ausgelegt sein, dass es
Bilddaten von einem Patienten 12 über einen Katheter 14 akquiriert.
So wie er hier verwendet wird, hat der Ausdruck „Katheter" einen breiten Anwendungsbereich, so
dass er gebräuchliche
Katheter, Endoskope, Laparoskope, Sonden oder Vorrichtungen umfasst,
die sowohl zur Bildgebung als auch zur Anwendung einer Therapie geeignet
sind. Außerdem
wird, so wie hier verwendet, unter „Bildgebung" ein breiter Anwendungsbereich
verstanden, der zweidimensionale Bildgebung, dreidimensionale Bildgebung
oder vorzugsweise dreidimensionale Bildgebung in Echtzeit beinhaltet. Das
Bezugszeichen 16 bezeichnet einen Teil des Katheters 14,
der in dem Körper
des Patienten 12 liegt.
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Bei
bestimmten Ausführungsformen
kann eine Bildgebungsorientierung des Bildgebungs- und TherapieKatheters 14 einen
nach vorne blickenden oder einen zur Seite blickenden Katheter umfassen. Es
kann aber auch eine Kombination von vorwärts und zur Seite blickenden
Kathetern als Katheter 14 verwendet werden. Der Katheter 14 kann
einen (nicht dargestellten) Echtzeitbildgebungs- und -Therapietransducer(-wandler)
beinhalten. Gemäß Aspekten der
vorliegenden Technik kann der Bildgebungs- und Therapiewandler integrierte
Bildgebungs- und Therapiekomponenten enthalten. Alternativ kann
der Bildgebungs- und Therapiewandler voneinander getrennte Bildgebungs- und Therapiekomponenten
aufweisen. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Wandler
ein eindimensionales (1D) Wandlerarray und wird im Weiteren unter
Bezugnahme auf 2 beschrieben. Zu bemerken ist,
dass wenngleich die dargestellten Ausführungsformen im Zusammenhang
mit einem katheterbasierten Wandler beschrieben werden, doch auch
andere Wandlertypen, wie transösophageale
Wandler oder transthorakeale Wandler in Frage kommen.
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Gemäß Aspekten
der vorliegenden Erfindung kann der Katheter 14 dazu ausgelegt
sein, einen anatomischen Bereich abzubilden, um die Beurteilung
der Notwendigkeit einer Therapie in einem oder mehreren interessierenden
Gebiete innerhalb des abgebildeten anatomischen Bereiches des Patienten 12 zu
erleichtern. Außerdem
kann der Katheter 14 so ausgelegt sein, dass er eine Therapie
auf das oder die identifizierten, interessierenden Gebiete anwendet.
So wie hier verwendet, wird unter „Therapie" verstanden u.a. Ablation, perkutane
Ethanolinjektion (PEI), Kryotherapie und laserinduzierte Thermotherapie.
Außerdem
kann „Therapie" das Einführen von Werkzeugen,
beispielsweise etwa von Nadeln zur Ausführung einer Gentherapie, beinhalten.
Schließlich
fallen unter „Anwenden" verschiedene Mittel
zur Hinführung
und/oder Anwendung einer Therapie auf das eine oder die mehreren
interessierenden Gebiete, etwa indem eine Therapie zu dem einen
oder den mehreren interessierenden Gebieten hingeleitet oder eine
Therapie auf die einen oder mehreren interessierenden Gebiete gerichtet
wird. Es versteht sich, dass bei bestimmten Ausführungen die Anwendung einer
Therapie, wie etwa der HF-Ablation, einen physikalischen Kontakt
mit dem einen oder den mehreren einer Therapie bedürftigen
interessierenden Gebieten erforderlich machen kann. Bei bestimmten
anderen Ausführungsformen
kann aber die Anwendung einer Therapie, etwa einer fokussierten
Ultraschallenergie hoher Intensität (HIFU), keinen physikalischen Kontakt
mit dem einen oder den mehreren, einer Therapie bedürftigen
interessierenden Gebieten erfordern.
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Das
System 10 kann außerdem
ein medizinisches Bildgebungssystem 18 beinhalten, das
mit dem Katheter 14 in Wirkverbindung steht und dazu ausgelegt
ist, ein oder mehrere interessierende Gebiete abzubilden. Das Bildgebungssystem 18 kann außerdem dazu
eingerichtet sein, eine Rückmeldung zu
der von dem Katheter oder einer (nicht dargestellten) eigenen Therapievorrichtung
angewandten Therapie zu liefern. Demgemäß kann bei einer Ausführungsform
das medizinische Bildgebungssystem 18 dazu eingerichtet
sein, dem Katheter 14 Steuersignale zuzuführen, um
eine Therapiekomponente des Bildgebungs- und Therapiekatheters anzuregen und eine
Therapie auf das eine oder die mehreren interessierenden Gebiete
anzuwenden. Außerdem
kann das medizinische Bildgebungssystem 18 dazu ausgelegt
sein, für
das anatomische Gebiet des Patienten 12 repräsentative
Bilddaten über
den Katheter 14 zu akquirieren. So wie sie hier verwendet
werden, betreffen die Ausdrücke „geeignet
für", „eingerichtet
für" oder „ausgelegt
für" und dergleichen,
mechanische, elektrische oder strukturelle Verbindungen zwischen Elementen,
die es den Elementen ermöglichen,
so zusammen zu arbeiten, dass die sie die beschriebene Wir kung erzielen.
Diese Ausdrücke
beziehen sich auch auf Betriebsfähigkeiten
elektrischer Elemente, wie etwa Analog oder Digitalcomputer, oder
auf die Anwendung spezieller Vorrichtungen (wie z.B. eine applikationsspezifische
integrierte Schaltung (ASIC)) die so programmiert sind, dass sie
eine Programmfolge zur Lieferung einer entsprechenden Ausgangsgröße in Abhängigkeit
von gegebenen Eingangssignalen durchführen.
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Wie
in 1 dargestellt, kann das Bildgebungssystem 18 einen
Displaybereich 20 und einen Benutzerschnittstellenbereich 22 aufweisen.
Bei bestimmten Ausführungsformen,
etwa bei einem Touchscreen, können
der Displaybereich 20 und der Benutzerschnittstellenbereich 22 einander überlappen.
Außerdem
können
bei gewissen Ausführungsformen
der Displaybereich 20 und der Benutzerschnittstellenbereich 22 einen
gemeinsamen Bereich aufweisen. Gemäß Aspekten der vorliegenden
Technik kann der Displaybereich 20 des medizinischen Bildgebungssystems 18 dazu
eingerichtet sein, ein Bild darzustellen, das von dem medizinischen
Bildgebungssystem 18 auf der Grundlage der über den
Katheter 14 akquirierten Bilddaten erzeugt wird. Außerdem kann
der Displaybereich 20 so ausgelegt sein, dass er den Benutzer
bei der Definition und der Visualisierung eines benutzerdefinierten
Therapiepfads unterstützt.
Zu bemerken ist, dass der Displaybereich 20 einen dreidimensionalen
Displaybereich beinhalten kann. Bei einer Ausführungsform kann das dreidimensionale
Display so ausgelegt sein, dass es bei der Identifizierung und Visualisierung
dreidimensionaler Formen hilft. Zu bemerken ist, dass der Displaybereich 20 und
entsprechende Steuerungen fern von dem Patienten sein können, beispielsweise
können eine
Kontrollstation und ein Galgendisplay über dem Patienten angeordnet
sein und/oder eine Kon trollstation und ein Display können in
einem getrennten Raum, beispielsweise in dem Kontrollbereich zu
einer EP Suite oder einem Katheterisierungslaboratorium sich befinden.
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Außerdem kann
der Benutzerschnittstellenbereich 22 des medizinischen
Bildgebungssystems 18 eine (nicht dargestellte) Benutzerschnittstellenvorrichtung
aufweisen, die dazu eingerichtet ist, die Identifizierung eines
oder mehrerer interessierender Gebiete zur Anwendung einer Therapie
unter Verwendung des Bildes des auf dem Displaybereich 20 dargestellten
anatomischen Bereiches zu erleichtern. Die Benutzerschnittstellenvorrichtung
kann eine mausartige Vorrichtung, einen Trackball, einen Joystick,
einen Stylus oder einen Touchscreen aufweisen, die dazu eingerichtet
sind, dem Benutzer bei der Identifizierung des einen oder der mehreren,
einer Therapie bedürftigen,
interessierenden Gebiete bei der Darstellung auf dem Displaybereich 20 behilflich zu
sein.
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Wie
in 1 dargestellt, kann das System 10 ein
optionales Katheterpositioniersystem 24 beinhalten, das
dazu eingerichtet ist, den Katheter 14 in dem Patienten 12 in
Abhängigkeit
von einer Benutzereingabe zu repositionieren. Außerdem kann das System 10 ein
optionales Rückmeldesystem 26 aufweisen,
das in Wirkverbindung mit dem Katheterpositioniersystem 24 und
dem medizinischen Bildgebungssystem 18 steht. Das Rückmeldesystem 26 kann
dazu eingerichtet sein, die Kommunikation zwischen dem Katheterpositioniersystem 24 und
dem medizinischen Bildgebungssystem 18 zu erleichtern.
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2 ist
eine Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Drehwandlerarrayanordnung 100 zur
Verwendung bei dem Bildgebungssystem nach 1. Wie dargestellt,
weist die Arrayanordnung 100 ein Wandlerarray 110,
einen Mikromotor 120, der innerhalb oder außerhalb
der raumkritischen Umgebung angeordnet ist, eine Antriebswelle 130 oder
andere mechanische Verbindungen zwischen der Motorsteuereinrichtung 140 und
dem Wandlerarray 110 auf. Die Anordnung beinhaltet außerdem eine
Verbindungseinrichtung 150, die in größerem Detail noch unter Bezugnahme
auf 3 beschrieben werden wird. Daneben beinhaltet
die Anordnung 100 ein Kathetergehäuse 160 zur Aufnahme
des Wandlerarrays 110, des Mikromotors 120, der
Verbindungseinrichtung 150 und der Antriebswelle 130. Bei
dieser Ausführungsform
ist das Wandlerarray 110 auf der Antriebswelle 130 montiert
und das Wandlerarray 110 ist mit der Antriebswelle 130 drehbar. Außerdem ist
bei dieser Ausführungsform
die Drehbewegung des Wandlerarrays 110 durch die Motorsteuereinrichtung 140 und
den Mikromotor 120 gesteuert. Die Motorsteuereinrichtung 140 und
der Mikromotor 120 steuern die Bewegung der Wandlerarrays 100,
um den Wandler in Drehbewegung zu versetzen. Bei einer Ausführungsform
ist der Mikromotor nahe dem Wandlerarray angeordnet, um den Wandler
und den Antriebsmotor zu drehen, und die Motorsteuereinrichtung
wird dazu verwendet, den Mikromotor 120 zu steuern und
diesem Signale zuzuleiten. Die Verbindungseinrichtung 150 bezieht
sich zum Beispiel auf Kabel und andere Verbindungen, die zwischen
dem Wandlerarray 150 und dem in 1 dargestellten
Bildgebungssystem eingekoppelt sind und dazu dienen, Signale zwischen
dem Wandler und dem Bildgebungssystem zu empfangen bzw. zu übertragen.
Bei einer Ausführungsform
ist die Verbindungseinrichtung 150 so ausgelegt, dass sie
die von einer Drehbewegung des Wandlers herrührende Momentbelastung des
Wandlers und/oder der Bewegungssteuereinrichtung verringert, was
im größeren Detail
unter Bezugnahme auf 3 im Nachfolgenden beschrieben
werden wird. Das Kathetergehäuse 160 ist
aus einem Material und mit einer Größe und Gestalt ausgebildet,
die für
innere Bildgebungsapplikationen und für die Einführung in interessierende Gebiete
geeignet sind. Der Katheter weist außerdem ein fluidgefülltes akustisches
Fenster 170 auf, das in 4 dargestellt
ist. Das fluidgefüllte
akustische Fenster 170 ist dazu vorgesehen, eine Auskopplung akustischer
Energie von dem Drehwandlerarray in das interessierende Gebiet oder
Medium zu ermöglichen.
Bei bestimmten Ausführungsformen
ist das Kathetergehäuse 160 akustisch
transparent, z.B. weist es eine geringe Dämpfung und Streuung auf, während seine
akustische Impedanz in dem akustischen Fensterbereich nahe bei der
von Blut und Gewebe (Z ungefähr
(1,5 MRayl) liegt. Außerdem
ist bei bestimmten Ausführungsformen
der Raum zwischen dem Wandler und dem Gehäuse mit einem akustischen Kopplungsfluid,
z.B. Wasser, gefüllt,
das eine akustische Impedanz und Schallgeschwindigkeit nahe jenen
von Blut und Gewebe (Z ~ 1,5 MRayl, V ~ 1540 m/sek) aufweist.
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Bei
einer Ausführungsform
ist die Motorsteuereinrichtung außerhalb des Kathetergehäuses angeordnet,
wie dies in 2 dargestellt ist. Bei einer anderen
Ausführungsform
ist die Motorsteuereinrichtung in dem Kathetergehäuse untergebracht.
Zu bemerken ist, dass Mikromotoren und Motorsteuereinrichtungen
in Miniaturausführungen
erhältlich
sind, die für
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Die Abmessungen des Mikromotors
und Motorsteuereinrichtung sind so gewählt, dass sie mit der jeweils
gewünschten
Applikation kompatibel sind, beispielsweise dass sie in den Katheter
für eine
spezielle intrakavitäre
oder intravaskuläre
klinische Anwendung passen. Beispielsweise können für ICE-Anwendungen das Kathetergehäuse und
die darin enthaltenen Komponenten in der Größenordnung von 1 mm bis 4 mm
im Durchmesser liegen.
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Wie
an sich bekannt, weisen die meisten Katheter eine Wegwerf- und eine
Nichtwegwerfkomponente auf, wenn eine Möglichkeit besteht, einen Teil des
Katheters wieder zu benutzen. Die Bewegungssteuereinrichtung und/oder
der Motor können
bei den Ausführungsformen
in dem Wegwerf- oder in dem Nichtwegwerfteil der Sonde untergebracht
sein.
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Bezugnehmend
auf 3 ist dort eine Innenansicht der Katheteranordnung 14 nach 1 veranschaulicht,
die die innen liegenden Komponenten und die Anordnung des Wandlers 110 und
der Verbindungseinrichtung 150 zeigt. Bei einer beispielhaften
Ausführungsform
ist das Wandlerarray 110 ein 64 Elemente-1D-Array mit 0,110
mm Azimut-Pitch, 2,5 mm Elevation und einer Frequenz von 6,5 MHz. Eine
zylindrische Wandleranordnung 210 ist dazu ausgelegt, in
einen Zylinder mit etwa 2,8 mm Innendurchmesser zu passen und in
diesem einwandfrei umzulaufen, wobei dies eine geeignete Innenabmessung
des (in 2 dargestellten) Kathetergehäuses 160 für intrakardiale
Applikationen, wie ICE, wäre. Die
Verbindungseinrichtung 150 ist an den Wandler 110 angeschlossen
und beinhaltet die notwendigen Kabel und Leiter zur Übermittlung
einer Bildinformation zwischen dem Wandler 110 und dem
Bildgebungssystem 18 (1). So wie
sie hier verwendet werden, sind die Ausdrücke „Kabel" und „Leiter" gegeneinander austauschbar benutzt,
um auf Kabel und Leiteranordnungen in dem Katheter Bezug zu nehmen.
Außerdem
kann der Katheter eine oder mehrere Drähte 114 enthalten,
die an dem einführseitigen
Ende des Katheters benutzt werden können und die neben dem Wandler 110 zu
der Spitze des Katheters verlaufen, wobei diese Drähte 114 unter anderem,
ohne darauf beschränkt
zu sein, für
Motorsteuerleistung, Positionserfassung, Thermistoren, Katheterpositionssensoren
(z.B. elektromagnetische Spulen), Wandlerrotationssen soren (optische
oder magnetische Geber), EP-Sensoren oder Ablationselektroden und
so weiter verwendet werden können. Außerdem ist
bei dieser Ausführungsform
in dem Katheter 14 der 1 ein flexibler
Bereich 116 der Verbindungseinrichtung 115 vorgesehen.
Die Länge
des flexiblen Bereiches 116 ist wunschgemäß so gewählt, dass
während
der Drehbewegung oder Schwingungsbewegung des Wandlers 110 die
Leiter 180 ein Drehmoment ausüben, das die Drehbewegung des
Wandlers der Antriebswelle oder des Motors nicht beeinträchtigt oder
behindert. So wie hier verwendet, bedeutet der Ausdruck „Drehen" oder „Rotieren" eine Schwing- oder
Drehbewegung oder – verstellung
zwischen jeweils ausgewählten –/– Graden
eines Winkelbereichs. Schwing- oder Drehbewegung beinhaltet, ohne
darauf beschränkt
zu sein, eine vollständige
oder teilweise Bewegung im Uhrzeiger oder im Gegenuhrzeigersinn
oder eine Bewegung zwischen einem positiven und einem negativen Bereich
von Winkelgraden. Weitere Ausführungsformen
der Verbindungseinrichtung werden unter Bezugnahme auf die 5 bis 7 beschrieben.
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Bei
einer Ausführungsform
ist das Wandlerarray 110 ein eindimensionales(1D) Wandlerarray. Die
Rotation eines 1D-Wandlerarrays
liefert eine verbesserte dreidimensionale(3D)-Bildauflösung und zwar aus folgenden
Gründen:
Das Ultraschallstrahlprofil und die Bildauflösung hängen von der wirksamen Aperturgröße ab; in
Bezug auf 2D-Arrays ist die wirksame Apertur eines 1D-Arrays weder
durch zur Verfügung
stehende Systemkanäle
noch durch Verbindungserfordernisse beschränkt. Die Verwendung eines 1D-Wandlerarrays
in der Drehkonfiguration erlaubt die Erzeugung dreidimensionaler
Ultraschallbilder hoher Qualität
in Echtzeit. Demgemäß werden Beschränkungen,
die von der monoplanaren Natur der gegenwärtig handelsübli chen
ICE-Katheter herrühren, überwunden
und die Führung
kardialer Eingriffe kann wesentlich erleichtert werden.
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Bezugnehmend
auf die 5 bis 7 sind dort
weitere Ausführungsformen
der Verbindungseinrichtung 150 dargestellt. Die elektrischen
Signal- und Erdverbindungen von dem Wandlerarray durch einen Katheter
zu dem Bildgebungssystem können
implementiert sein, entweder mit 1) Flexschaltungen, 2) Koaxkabeln
(ein Koax pro Signal) oder 3) Bandkabeln (z.B. sogenannte Gore microFlat).
Das Bündel der
elektrischen Verbindungen kann ziemlich torsionssteif sein und erzeugt
eine beträchtliche
Feder- oder Hemmkraft, die sich der Drehbewegung des Wandlerarrays
widersetzt. Gemäß den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist die Verbindungseinrichtung 150 dazu
ausgelegt, das von der Verbindungseinrichtung entgegen der Drehbewegung
des Wandlers und/oder der Antriebswelle ausgeübte Drehmoment oder die Hemmkraft
zu verringern. Bezugnehmend auf 5 ist bei
einer Ausführungsform
ein Abschnitt der Verbindungseinrichtung (Leiter 180) zur
Verringerung des Drehmoments gewendelt (coiled). Bezugnehmend auf 6 ist
bei einer Ausführungsform
zur Verringerung der Steifigkeit der Verbindungen ein Bereich der
Leiter nahe dem Wandler aus dem Band gelöst (z.B. durch Verwendung eines
Lasers zum Entfernen eines gemeinsamen Substrats, einer Masseebene
oder einer anderen Verbindung zwischen benachbarten Leitern; dabei
werden möglicherweise
die dielektrischen oder Abschirmungsschichten rings um die einzelnen
Leiter oder Koaxialkabel verringert), um eine lose Gruppe von Leitern 190 zu
erzeugen. Beim Zusammenbau des Katheters muss diese Gruppe loser
Leiter 190 schlaff und darf nicht straff sein, um die Bewegung
der Leiter gegeneinander und damit die Rotationsbewegung des Wandlerarrasys 110 weiter
zu erleichtern.
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Bezugnehmend
auf 6 kann dort ein Abschnitt von Leitern 200, 202,
anschließend
an den losen Abschnitt 190 als Bandabschnitt, in dem Band aufgenommen
beibehalten sein, um damit den Anschluss der Leiter in dem Bandabschnitt 202 an
den Wandler 110 oder an die Wandlerflexschaltung(en) und
der Leiter in dem Bandabschnitt 200 an ein nicht umlaufendes
Kabel durch den Katheter zu erleichtern. Der größte Teil der Länge der
Leiter in dem Katheter jenseits des losen Abschnitts kann zur Erleichterung
der Montage in dem Band enthalten sein oder es können zur Erzielung maximaler
Flexibilität
des Katheters lose isolierte Drähte
sein oder die Leiter können
zur Beherrschung von Impedanz und Übersprechen Koaxialleiter sein.
Alternativ kann, wie in 7 dargestellt, ein Verdrehabschnitt 202 von
an das Wandlerarray 100 angeschlossenen Leitern so aufgebaut
oder modifiziert sein, dass die Drehmomentanforderungen für die Drehbewegung
erleichtert werden. Beispielsweise kann die Drehsteifigkeit dadurch
verringert werden, dass Schlitze 230 in das Band oder die
Flexschaltung eingebracht werden und dass dieser Abschnitt der Verbindungseinrichtung,
im Vergleich zu dem an das Kabelende des Katheters angekuppelten,
nicht umlaufenden Abschnitt 200, dünner gemacht ist. Bei weiteren
Ausführungsformen,
die bandartige Kabel verwenden, kann das Substrat auf dem die Leiter
liegen, in dem Verdrehabschnitt der Verbindungseinrichtung 150 dünner gemacht
oder entfernt sein. Bei weiteren Ausführungsformen, die bandartige
Kabel mit Masseleitern verwenden, können die Masseleiter in dem
Verdrehabschnitt dünner
gemacht oder entfernt sein. Zu bemerken ist, dass Kombinationen
der oben beschriebenen Techniken verwendet werden können, um
die Drehmomentanforderungen an die Verbindungseinrichtung 150 unter
Rotationsbedingungen zu verringern.
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Bezugnehmend
nun auf 8 ist dort eine alternative
Ausführungsform
einer Drehwandlerarrayeinrichtung dargestellt, die einen zur Verdrehung der
Antriebswelle 130 verwendeten außen liegenden Motor 320 und
eine außen
liegende Motorsteuereinrichtung 330 zur Ansteuerung des
Motors 320 aufweist. Ein Drehgeber oder Positionssensor 340 liefert eine
Rückmeldung,
um ein Verwinden der Antriebswelle auszugleichen. Bei dieser Ausführungsform
ist die Antriebswelle 130 vorzugsweise aus einem drehsteifen
Material, bspw. Stahldraht, hergestellt, um ein Verwinden oder Verdrehen
der Antriebswelle zufolge des von dem Motor ausgeübten Drehmomentes
und der Reibung der in dem Katheter sich drehenden Komponenten zu
minimieren und um eine wirksame Drehbewegung des Wandlers zu erleichtern.
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Bezugnehmend
nun auf die 9–13 sind
dort verschiedene alternative Ausführungsformen der Bewegungssteuereinrichtung
zur Verdrehung der Wandlerarrayanordnung veranschaulicht. Bei diesen
Ausführungsformen
setzt die Motorsteuereinrichtung eine innere oder äußere lineare
Bewegung in eine Drehschwingbewegung der Wandlerarray um, anstatt,
dass sie den Mikromotor 120 und die Motorsteuereinrichtung 140 der 2 benutzt.
Mit 2 und den nachfolgenden Figuren gleiche Komponenten
haben die gleichen Bezugszeichen.
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Zunächst bezugnehmend
auf 9, beinhaltet eine Ausführungsform der Bewegungssteuereinrichtung
einen Aktuator 400, der in oder außerhalb des Katheters angeordnet,
dazu verwendet wird, eine Oszillation und/oder Rotation des Wandlerarrays
zu bewirken. Der Aktuator 400 erzeugt eine Linearbewegung
der Antriebswelle 130, die in eine Drehschwingbewe gung
umgesetzt wird. Eine Hülse 410 ist über dem
Wandlerzylinder 210 verschiebbar, der das Wandlerarray 110 einschließt. Die
Hülse 410 weist
kleine Stifte 420 auf, die in Spiralführungsbahnen 430 eingreifen.
Im Betrieb rotieren, bei der Bewegung der Hülse 420 über die
Länge des
Zylinders bzw. der Kapsel, der Zylinder bzw. die Kapsel um ein bestimmtes
Maß, das
durch die Spiralführungsbahnen 430 bestimmt
ist. Die hin- und hergehende Linearbewegung der Hülse erzeugt
eine Schwingbewegung des Zylinders/Kapselgehäuses des Wandlerarrays 110,
was es der Wandlerarray ermöglicht,
eine Drehbewegung auszuführen
und ein 3D-Pyramidenvolumen zu akquirieren. Der Linearbewegungsteil, der
in die Spiralführungsbahn 430 eingreift,
kann teilweise auf einen Freiheitsgrad längs der Achse des Katheters
beschränkt
sein. Ein Drehgeber oder Positionssensor 340 kann eine
Rückkopplung
zur Kompensierung von Flexibilitäten
in dem System, z.B. der Antriebswelle, der Linear-Rotations-bewegungsumsetzungseinrichtung
und dergleichen kompensieren.
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Bezugnehmend
nun auf 10 weist eine weitere beispielhafte
Ausführungsform
der Bewegungssteuereinrichtung einen entweder außen oder innen liegenden (nicht
dargestellt) Aktuator zum Antrieb eines Kabels 440 auf,
um eine Drehbewegung des Wandlerarrays 110 zu erzeugen.
Das Kabel 440 ist ein mit Perlen oder Stiften versehenes
Kabel, das Perlen 450 aufweist, die über die Länge des Kabels 440 so
angeordnet sind, dass sie in die Spiralführungsbahn 430 eingreifen.
Bei einer Ausführungsform
greift eine Perle 450 in die Spiralführungsbahn 430 ein
und läuft über die
Länge des
Zylinders 210 bis sie in einer Antriebsrolle 460 in
ihrer Endstellung ankommt, wobei der Zylinder 210 sich
dabei um 90° dreht.
Nach einer Viertelumdrehung greift eine weitere Perle 450 in
die Spiral führungsbahn
auf der gegenüberliegenden
Seite des Zylinders ein (mit gestrichelten Linien dargestellt) und
veranlasst, dass der Zylinder um 90° in der entgegen gesetzten Richtung gedreht
wird. Somit führt
der das Wandlerarray 110 enthaltende Zylinder 210 eine
Schwingbewegung über
insgesamt 90° oder
+/– 45° aus. Die
beschriebene Schwingungsbewegung dient nur als Beispiel. Es ist
zu bemerken, dass auch andere Winkel verwendet können, um eine Schwingbewegung
in der beschriebenen Weise bei dieser Ausführungsform zu erzeugen. Bei
einer weiteren Ausführungsform
kann ein Drehgeber oder (nicht dargestellter) Positionssensor, wie
er unter Bezugnahme auf 9 beschrieben wurde, vorgesehen
sein, um eine Rückmeldung
zur Kompensation von Flexibilitäten
und Fehlern in dem System zu erzielen. Es sind auch alternative
Ausführungsformen
möglich.
Beispielsweise werden bei einer weiteren Ausführungsform lediglich zwei Perlen benötigt, die
so voneinander beabstandet sind, dass sie eine Bewegung des Kabels über die
volle Länge des
Zylinders 210 ermöglichen.
Nachdem sich eine Perle über
die Länge
des Zylinders bewegt hat, wird das Kabel in der entgegen gesetzten
Richtung angetrieben und zurückgezogen,
so dass das das Wandlerarray enthaltende Zylindergehäuse eine
Schwingbewegung von +/– 90° ausführen kann.
Bei einer anderen Ausführungsform
könnten
auch verschiedene Winkelbereiche verwendet werden.
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Bezugnehmend
auf die 11–13 weisen
verschiedene alternative Ausführungsformen
der Bewegungssteuereinrichtung Kabel-/Rollensysteme zur Erzeugung
einer Drehschwingbewegung des Wandlerarrays auf. In 11 stehen
Kabel 440 mit Antriebsrollen 460 in Eingriff.
Ein (nicht dargestellter) Aktuator treibt ein Kabel und eine Rolle 460 in
einer festgelegten Richtung mit einer kontinuierlichen Bewegung
an. An der umlaufenden Antriebsrolle 460 ist ein Fortsatz
oder Mitnehmer 470 angeordnet, der ein Mal pro Umdrehung
auf einer an dem Wandlerarray 110 befestigten Klinke 480 auftrifft.
Der Mitnehmer 470 erzwingt eine Verdrehung des Arrayzylinders 210 um
dessen Längsachse.
Sobald der Mitnehmer 470 von der Klinke 480 freigekommen
ist, kehrt der Zylinder 210 mit Hilfe einer Torsionsfeder 490 in
eine Nominalstellung zurück,
wobei die Geschwindigkeit durch eine Drehflügeldämpfungseinrichtung 500 begrenzt
ist. Wird die Rolle 460 mit dem Mitnehmer 470 mit
konstanter Drehzahl angetrieben, führt der das Wandlerarray 110 enthaltende
Zylinder 210 eine Schwingbewegung aus. Auf diese Weise
schwingt das Wandlerarray 110 derart, dass die Akquisition
eines 3D-Pyramidenvolumens erzielt werden kann. Die Torsionsfeder 490 und
die Drehflügeldämpfungseinrichtung 500 können auf
einen zweckentsprechenden zeitlichen Ablauf der Bewegung des Zylinders 210 einjustiert
werden. Ein Drehgeber oder ein (nicht dargestellter) Positionssensor
können
auch in weiteren Ausführungsformen
benutzt werden, um eine Rückmeldung
zur Kompensation von Flexibilitäten und
Fehlern in dem System zu erzielen.
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Bezugnehmend
auf 12, 13 sind dort zu 11 alternative
Ausführungsformen
vorgesehen, bei denen der Zylinder 210 außerdem eine
Verzahnungsschnittstelle 510 aufweist, die mit einem Zahnradteil
der Antriebsrolle 460 in Eingriff steht. In 12 sind
die Antriebsrolle 460 und das Zylindergehäuse 410 unter
Verwendung einer Winkelgetriebeschnittstelle oder etwas Ähnlichem
miteinander verbunden. In 13 sind
die Antriebsrolle 460 und der Zylinder unter Verwendung
einer Winkelgetriebeschnittstelle miteinander gekuppelt, wobei die
Antriebsrolle 460 außerdem
zwei verschiedene Zahnradabschnitte aufweist, einen auf einem oberen
Teil der An triebsrolle 460 und einen auf einem unteren Teil,
derart, dass die Zahnradabschnitte der Antriebsrolle alternativ
mit dem Zylindergehäuse
in Eingriff kommen und jeweils eine Bewegung in einer festgelegten
Richtung erzeugen. Bei beiden Ausführungsformen bewirken der Antrieb
und die Antriebsrollenbewegung eine Drehbewegung des Wandlerarrays 110,
um ein dreidimensionales pyramidenförmiges Bildgebungsvolumen zu
akquirieren.
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Bezugnehmend
auf die 14–16 sind
dort weitere Ausführungsformen
der Bewegungssteuereinrichtung angegeben. Bezugnehmend auf 14A zeigt eine Seitenansicht eine oder mehrere Aktuatoren 600,
die an einem ersten Ende an jeder Seite des Wandlerarrays 110 befestigt
und an dem anderen Ende an dem Katheterrohr angekuppelt sind. Aktuatorsteuerleitungen 610 werden
dazu benutzt, die Aktivierung des jeweiligen Aktuators zu steuern.
Die Aktuatoren auf beiden Seiten des Arrays werden abwechselnd aktiviert,
was zur Folge hat, dass das Array um den Schwenkpunkt 620 eine Schwenkbewegung
ausführt.
Die Aktuatoren 600 können
elektroaktive Polymere enthalten. Ein Drehgeber 340 kann
eine Positionsinformation liefern, wie dies schon bei den vorhergehenden
Ausführungsformen
beschrieben worden ist. Die 14B–D sind stirnseitige
Ansichten dieser Ausführungsform,
die zur Erzeugung einer Drehbewegung des Wandlers 110 im
Betrieb ist. In 14B ist ein erster Aktuator A
voll aktiviert, während
der Aktuator B voll deaktiviert ist. In 14B ist
der Aktuator A teilweise aktiviert und auch der Aktuator B ist teilweise
aktiviert. In Figur D ist der Aktuator A voll deaktiviert während der Aktuator
B voll aktiviert ist.
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Bezugnehmen
auf 15 ist dort eine ähnliche
Ausführungsform
veranschaulicht, doch anstelle der Verwendung von zwei Aktuatoren
ist lediglich ein Aktuator 600 vorgesehen, der an einem
Ende des Wandlerarrays 110 befestigt ist, während eine
Feder 630 an dessen anderem Ende und an dem Katheterzylinder 210 befestigt
ist. Eine Bewegung des Aktuators verlängert oder kontrahiert die
Feder wie dies in den 15A–C veranschaulicht
ist, um eine Drehbewegung des Wandlerarrays 110 zu erzeugen.
Der Aktuator und/oder die Feder können sowohl torsional als auch
linear sein.
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Bezugnehmend
auf die 16A–16C ist
dort eine weitere Ausführungsform
einer Bewegungssteuereinrichtung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform
stehen zwei Blasen oder Ballons 640 in Kontakt mit dem
Wandlerarray 110. Die Ballons können mit einem Gas oder einer
Flüssigkeit
gefüllt
sein. Die Inflation und die Deflation der Ballons sind so gesteuert,
dass der Wandler 110 eine Schwingbewegung um den Schwenkpunkt 620 ausführt. Auf
diese Weise kann ein 3D-Volumen akquiriert werden.
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Im
Betrieb ist gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ein Miniaturwandlerarray das zur besseren
Auflösung
vorzugsweise mit hohen Frequenzen arbeiten kann mit Elementen längs einer Azimut-Abmessung
(Längsachse
des Katheters), an ein mechanisches System angekoppelt, das das
Array um seine Elevationsabmessung dreht. Der Ultraschallstrahl
wird in der Azimut-Dimension elektronisch gescannt, wobei er ein
zweidimensionales Bild erzeugt und er wird in der Elevationsabmessung
mechanisch gescannt. Die zweidimensionalen Bilder können dann
von dem Ultraschallsystem zu einem voll dreidimensionalen Volumen
zusammengefügt werden.
Der Wandler kann verschie dene Formen annehmen, einschließlich (ohne
darauf beschränkt
zu sein): (1) Linearsektor-Phased-Arrays, die ein zweidimensionales
Bild in Gestalt eines Sektors ergeben und ein dreidimensionales
Volumen in Gestalt eines pyramidenförmigen Volumens; (2) Lineare
sequentielle Arrays, die ein zweidimensionales Bild in Gestalt eines
Rechteckes oder Trapezoids ergeben und ein dreidimensionales Volumen
in Gestalt eines Winkelabschnitts eines Zylinders; und (3) mehrreihige
Arrays. Es ist ein Bewegungssteuersystem vorgesehen, um die Drehbewegung
des Arrays präzise
zu steuern und um eine genauere Rekonstruktion von 3D-Bildern aus
den 2D-Bildebenen zu ermöglichen. Die
akustische Energie wird zwischen dem Wandlerarray und dem bildgebenden
Medium (Patient) über
ein akustisches Fenster ein- bzw. ausgekoppelt. Das akustische Fenster
weist einen Abschnitt der Katheterwand auf und kann ein Kopplungsfluid
zwischen dem Array und der Katheterwand enthalten. Die Katheterwand
weist vorzugsweise eine akustische Impedanz und eine Schallgeschwindigkeit
auf, die ähnlich
jener des Körpers
(1,5 MRayl) sind, um Reflextionen zu minimieren. Das Kopplungsfluid
hat vorzugsweise eine akustische Impedanz, die ähnlich jener des Körpers ist
und eine niedrige Viskosität,
um die Hemmkraft auf das Array und den Motor zu minimieren. Teile
des Wandlerarrays können
im Querschnitt zylindrisch sein (die Enden des Arrays, die Seiten
und die Rückseite;
die ganze Arrayanordnung), um das Array in dem Katheter zentriert
und unbehindert umlaufend zu halten und/oder den Fluidfluss und
die Viskosehemmung zwischen dem Array und der Katheterwand zu kontrollieren.
Der Wandler selbst kann aus verschiedenen Materialien hergestellt
sein, einschließlich,
jedoch ohne darauf beschränkt
zu sein, PZT, mikrobearbeiteten Ultraschallwandlern (MUTs), PVDF.
Zusätzlich
zu dem Übertragungsmaterial
können
andere Komponenten (akustisch aufeinander abgestimmte Schichten;
akustische Absorptionsoder Rückwandteile;
elektrische Verbindungseinrichtungen, akustische fokussierende Linsen)
in der Arrayanordnung enthalten sein.
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Wenngleich
bestimmte Merkmale der Erfindung hier veranschaulicht und beschrieben
wurden so sind dem Fachmann doch zahlreiche Abwandlungen und Änderungen
geläufig.
Es versteht sich deshalb, dass die beigefügten Patentansprüche alle
diese Abwandlungen und Veränderungen
mit umfassen.
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- 10
- Bildgebungs-
und Therapiesystem
- 12
- Patient
- 14
- Bildgebungs-
und Therapiekatheter
- 16
- Bildgebungs-
und Therapiekatheter eingeführt in
einem Patienten
- 18
- medizinisches
Bildgebungssystem
- 20
- Display
- 22
- Benutzerschnittselle
- 24
- Katheterpositioniersystem
- 26
- Rückmeldesystem