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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Lithotripter zur Fragmentierung eines Zielobjekts, insbesondere
eines Konkrements, in einem vorzugsweise menschlichen Körper, umfassend
einen Stoßwellengenerator zur
Erzeugung fokussierter Stoßwellen,
eine Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit mit einem Ultraschall-Transducer
zum Aussenden von Ultraschallwellen in den Körper und zum Empfangen von
in einem Zielgebiet des Stoßwellengenerators
reflektierten Ultraschallwellen, und eine an die Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit
angeschlossene Auswerteeinheit zum Auswerten der empfangenen Ultraschallwellen.
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Lithotripter sind heutzutage als
medizinische Geräte
zur Zertrümmerung
von Konkrementen, beispielsweise Nierensteinen, im Körper eines
Patienten mit Hilfe fokussierter Stoßwellen weitverbreitet. Derartige
Lithotripter werden von der Anmelderin gewerblich angeboten, beispielsweise
unter der Bezeichnung "Dornier Lithotripter
S" oder "Dornier Compact Delta". Bei all diesen
Geräten
muß das
Konkrement vor Beginn der Behandlung geortet werden, damit der Patient
mit Hilfe einer verschiebbaren Liege so positioniert werden kann, daß sich beispielsweise
sein Nierenstein im Fokus der Stoßwellen befindet, die mit Hilfe
des Stoßwellengenerators
des Lithotripters erzeugt werden. Diese anfängliche "Justage", d.h. Positionierung des Patienten
erfolgt üblicherweise
mit einer bildgebenden Ortungsvorrichtung, etwa einem bildgebenden
Ultraschall-Scanner oder einer Röntgenortungsvorrichtung.
Diese dient zusätzlich
zur anfänglichen
erstmaligen Ortung des Konkrements vor Beginn der ESWL-Behandlung
(extrakorporale Stoßwellenlithotripsie)
oder der ESWT-Behandlung (extrakorporale Stoßwellentherapie) auch dazu,
während
des Verlaufs der Behandlung die Position des Konkrements kontinuierlich
zu überwachen,
um sicherzustellen, daß es
nicht im Körper
des Patienten verrutscht bzw. an einen anderen Ort gewandert ist
oder daß sich
der Patient nicht auf seiner Liege bewegt hat, so daß sich das
Konkrement möglicherweise
nicht mehr im Fokus der Stoßwellen
befindet. Für
einen umfassenden Überblick über technische
und medizinische Aspekte der ESWT und der bei Lithotriptern eingesetzten
Geräte wird
auf das Buch "ESWT
and Ultrasound Imaging of the Musculosceletal System", Steinkopff-Verlag,
Darmstadt, 2001, ISBN 3-7985-1252-3 verwiesen.
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Üblicherweise
wird die genannte bildgebende Ortungsvorrichtung auch dazu verwendet,
während
des Verlaufs der Behandlung den Erfolg der Lithotripsie zu überwachen,
d.h. die Fragmentierung des Zielobjekts. Da eine Behandlung typischerweise
ca. 30 Minuten dauert, kann wegen der zu hohen Strahlenbelastung
nicht kontinuierlich geröntgt
werden, sondern allenfalls in Intervallen von 3 bis 5 Minuten. Verlagert
sich in der Zwischenzeit das Zielobjekt zum Beispiel durch eine
Bewegung des Patienten, so wird bis zur nächsten Kontrollaufnahme der
Körper
durch Stoßwellen
belastet, ohne daß das
Zielobjekt weiter fragmentiert wird, da es sich nicht mehr im Stoßwellenfokus
befindet.
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Bei Lithotriptern, bei denen als
bildgebende Ortungsvorrichtung ein Ultraschallscanner eingesetzt wird,
kann dieser zwar kontinuierlich zur Visualisierung des Zielobjekts
eingesetzt werden, allerdings ist die Ortung u.a. wegen der Bildqualität oft wesentlich
schwieriger als bei Röntgenaufnahmen,
so daß selbst
erfahrenes medizinisches Personal oft Schwierigkeiten hat, das Zielobjekt
zu erkennen oder gar seinen Fragmentierungsgrad einzuschätzen.
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Darüberhinaus hat die Verwendung
derartiger bildgebender Ortungsvorrichtungen nicht nur zur "Anfangsjustage" des Patienten, sondern
auch zur "Trefferkontrolle" im Verlauf der Behandlung
folgenden grundsätzlichen
Nachteil: Zwar läßt sich
hierdurch die Position des Zielobjekts relativ zum Stoßwellenfokus
kontrollieren, d.h. eine rein geometrische Größe; es läßt sich jedoch nicht die Wirkung
der Stoßwellen
auf das Zielobjekt selbst feststellen. Grundsätzliche Probleme wie eine mangelnde
Ankopplung des Stoßwellengeräts an den
Körper
des Patienten, eine Abschattung von Stoßwellen, beispielsweise durch
Rippen etc., werden daher unter Umständen erst spät erkannt,
wenn nämlich
im Therapieverlauf keinerlei Effekte am Zielobjekt sichtbar werden.
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Daher wurden im Stand der Technik
bereits spezielle Ultraschall-Verfahren, insbesondere Ultraschall-Dopplerverfahren
zur kontinuierlichen Trefferkontrolle vorgeschlagen. Es wurde nämlich angenommen, daß das Konkrement
im menschlichen Körper
bei einem Treffer aufgrund des Impulsübertrags von der Stoßwelle eine
makroskopische Bewegung ausführt.
Bestrahlt man das Zielobjekt mit Ultraschallwellen und mißt die an
ihm reflektierten Ultraschallwellen, so äußert sich diese makroskopische
Bewegung in einer Dopplerverschiebung der Frequenz der reflektierten
Wellen. Dementsprechend ausgestattete Lithotripter gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, bei denen die Auswertung der empfangenen Ultraschallwellen
eine Doppleranalyse beinhaltet, sind beispielsweise aus der
EP 0 367 116 B1 ,
der
EP 0 548 048 B1 und
der
DE 44 46 192 A1 bekannt.
Diesen Geräten
ist gemeinsam, daß der
Ultraschall-Transducer Ultraschallwellen in den Körper aussendet
und die vom Körper
zum Ultraschall-Transducer zurückreflektierten
Ultraschallwellen erfaßt,
wobei eine Dopplersignaleinheit aus den ausgesandten und empfangenen
Ultraschallwellen ein Dopplersignal generiert und auswertet, wobei
im wesentlichen der Betrag einer Frequenzverschiebung des reflektierten
Signals gegenüber
den ausgesandten Wellen berechnet wird und hieraus auf die Treffgenauigkeit
geschlossen wird.
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Diese Vorgehensweise weist verschiedene
Nachteile auf:
Es ist im Stand der Technik bereits bekannt,
daß das
Dopplersignal gerade in der Nähe
seines zeitlichen Nullpunkts, d.h. unmittelbar nach dem Aussenden
der Stoßwelle,
Artefakte enthält.
Um zu verhindern, daß genau solche
Artefakte gemessen werden, weisen beispielsweise die Lithotripter
gemäß der
EP 0 367 116 B1 und der
EP 0 548 048 B1 Mittel
zur zeitlichen Synchronisierung zwischen dem Stoßwellengenerator und der Dopplersignaleinheit
auf, was diese Geräte
aufwendig und teuer macht.
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Darüber hinaus kann es in der Umgebung
von starken Streuern wie einem Konkrement im Dopplerspektrum zu
dem sogenannten Spiegelartefakt kommen. Durch Zweifachreflektion
wird die Bewegung eines Streuers zusätzlich in entgegengesetzer
Richtung registriert. Dies führt
zu einem zusätzlichen
Betrag, der dem an der Nullinie gespiegelten Nutzsignal entspricht.
Wegen der Kurzlebigkeit des Prozesses und der starken Artefakte
können
den Spektren nicht einfach Geschwindigkeits-Zeit-Verläufe und
somit eine Trefferinformation zugeordnet werden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, einen Lithotripter der eingangs genannten Art bereitzustellen,
der aus den empfangenen Ultraschallwellen eine Information im Hinblick
auf die Treffer- und Desintegrationskontrolle ermittelt und zur
Darstellung bringt, ohne hierbei die beschriebene apparativ aufwendige und
fehleranfällige
Doppleranalyse durchzuführen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem
gattungsgemäßen Lithotripter
dadurch gelöst,
daß der
Ultraschall-Transducer dazu ausgelegt ist, gepulste Ultraschallwellen
auszusenden, und daß die
Auswerteeinheit dazu ausgelegt ist, einen Koeffizienten der zeitlichen
Korrelation zwischen reflektierten Ultraschallwellen zu bestimmen,
die nacheinander ausgesandten Ultraschallpulsen zugeordnet sind,
und ein zugeordnetes Korrelationskoeffizientensignal auszugeben.
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Diese erfindungsgemäße Gestaltung
des Lithotripters nutzt die Tatsache aus, daß die Korrelation zwischen
nacheinander empfangenen "Echos", d.h. reflektierten
Ultraschallwellen, um so größer ist,
je statischer das reflektierende System ist, in diesem Fall also
der Körperbereich,
in dem das Zielgebiet des Stoßwellengenerators
liegt und in dem die pulsweise ausgesandten Ultraschallwellen reflektiert
werden.
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Die folgende Überlegung mag dies veranschaulichen:
Wenn
sich das reflektierende System, beispielsweise ein Nierenstein in
einer Niere eines zu behandelnden Patienten, von einem ausgesandten
Ultraschallpuls zum nächsten
ausgesandten Ultraschallpuls nicht verändert hat, beispielsweise weil keine
Stoßwelle
vom Stoßwellengenerator
ausgesandt wurde, oder weil eine solche Stoßwelle zwar ausgesandt wurde,
aber zu einem "Fehlschuß" geführt hat,
d.h. den Nierenstein verfehlt hat, so versteht es sich, daß das erste
Echo, d.h. die Reflektion des ersten ausgesandten Ultraschallpulses,
und das zweite Echo, also die Reflektion des zweiten ausgesandten
Ultraschallpulses, weitgehend identisch sind. Bezeichnet man allgemein
den zeitlichen Verlauf des i-ten empfangenen Ultraschallechos als
e
i(t) und entsprechend den zeitlichen Verlauf
eines danach empfangenen Ultraschallechos, welches die Reflektion
des (i+k)-ten ausgesandten Pulses darstellt, als e
i+k(t),
so kann man die zeitliche Korrelation zwischen diesen beiden reflektierten
Ultraschallwellen definieren als:
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Hierbei legen die untere Integrationsgrenze
T1 und die obere Integrationsgrenze T2 das Zeitfenster fest, in dem die empfangenen
Echosignale ausgewertet werden. T1 und T2 werden dabei so gewählt, daß das Echo aus dem Zielgebiet
des Lithotripters stammt. Der Mittelwert dieses Zeitfensters (T1 + T2)/2 entspricht
dabei dem Abstand zwischen dem Ultraschall-Transducer und dem Zielgebiet
des Lithotripters. Andererseits bestimmt (T2 – T1)/2 die Größe des Volumens, das für die Auswertung
herangezogen wird.
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In der obigen Formel (1) stellt der
Nenner eine Normierung des Korrelationskoeffizienten Ki,k dar.
Beim zunächst
betrachteten Fall eines Fehlschusses, bei dem der reflektierende
Körperbereich
des Patienten weitgehend statisch bleibt, sind die Ultraschallechos
ei(t) und ei+k(t)
identisch, ihre Korrelation Ki,k beträgt somit
im wesentlichen 1. Aufgrund eines in der Praxis nie ganz vermeidbaren
Rauschens werden jedoch ei(t) und ei+k(t) nicht exakt identisch sein, so daß in der
Praxis stets Ki,k < 1 gilt.
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Diese Situation ändert sich völlig, wenn
anstelle eines Fehlschusses mit einer fokussierten Stoßwelle ein
Treffer erzielt wird. Dies führt
nämlich
zu verschiedenen Effekten, die sich jeweils auf den zeitlichen Verlauf der
empfangenen Ultraschallwellen auswirken: Ein Wechselwirkungsmechanismus
zwischen der Stoßwelle und
dem Konkrement führt
zu einer makroskopischen Bewegung des Konkrements, insbesondere
dann, wenn es bereits teilweise oder sogar größtenteils fragmentiert ist.
Gerade am Anfang der Behandlung, wenn das Konkrement noch weitgehend
unfragmentiert ist, dominieren andere Effekte, nämlich insbesondere das Herausschießen von
Fragmenten aus dem Konkrement sowie das Auftreten von Kavitationsblasen
um das Konkrement herum bei einem erfolgreichen Treffer. All diese
Mechanismen führen
zu einer dynamischen Bewegung von Bereichen im Körper des Patienten, an denen
die ausgesandten Ultraschallpulse reflektiert werden und bewirken
insgesamt, daß die
Korrelation zwischen Ultraschallechos, die der Reflektion von nacheinander ausgesandten
Ultraschallpulsen entsprechen, um so kleiner wird, je stärker die
Wechselwirkung zwischen Stoßwelle
und Konkrement ist und je stärker
das Konkrement bereits fragmentiert ist. Somit enthält das von der
Auswerteeinheit ausgegebene Korrelationskoeffizientensignal die
gewünschten
Informationen über
die Stärke
der Wechselwirkung zwischen der ausgesandten Stoßwelle und dem Zielobjekt.
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Wie bereits der oben verwendeten
Terminologie betreffend die zwei Ultraschallechos ei(t)
und ei+k(t) zu entnehmen ist, können zur
Bestimmung des zeitlichen Korrelationskoeffizienten zwei empfangene
Ultraschallwellen verwendet werden, die zu ausgesandten Ultraschallpulsen
gehören,
die nicht unmittelbar nacheinander ausgesandt wurden, sondern durch
weitere ausgesandte Ultraschallpulse getrennt sind. Vorzugsweise
ist jedoch vorgesehen, daß die
Auswerteeinheit dazu ausgelegt ist, den Korrelationskoeffizienten
anhand von reflektierten Ultraschallwellen zu bestimmen, die unmittelbar
aufeinanderfolgenden ausgesandten Ultraschallpulsen zugeordnet sind.
In der obigen Terminologie entspricht dies also dem Fall k = 1 und
erlaubt die maximale Ausnutzung der von der Auswerteeinheit empfangenen
Informationen. Betrachtet man in diesem Fall beispielsweise die
ersten drei nach dem Erzeugen einer Stoßwelle ausgesandten Ultraschallpulse,
so werden diese drei Ultraschallpulse im Zielgebiet des Stoßwellengenerators
reflektiert und als Echos 1 bis 3 vom Ultraschall-Transducer empfangen
und in der Auswerteeinheit ausgewertet, wobei diese die Korrelation
zwischen dem ersten und dem zweiten Echo bestimmt, dann die Korrelation
zwischen dem zweiten und dem dritten Echo usw. Im Anschluß an jede
dieser Korrelationskoeffizientenberechnungen wird ein zugeordnetes
Korrelationskoeffizientensignal von der Auswerteeinheit ausgegeben.
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Hinsichtlich der Weiterverarbeitung
der im Korrelationskoeffizientensignal enthaltenen Trefferinformation
sind zahlreiche Vorgehensweisen möglich:
In einer bevorzugten
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lithotripters
ist vorgesehen, daß er
ferner eine mit der Auswerteeinheit verbundene Anzeigevorrichtung
zur Anzeige des zeitlichen Verlaufs des Korrelationskoeffizienten
aufweist. Die Korrelationskoeffizienten werden in einem Koordinatensystem
dargestellt, dessen Abszisse die Zeit seit dem Aussenden der letzten
Stoßwelle
und deren Ordinate der ermittelte Korrelationskoeffizient ist. Bei
einem Fehlschuß weist
diese Kurve nahezu über
die gesamte Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stoßwellen
einen konstanten Wert von etwa 1 auf. Bei einem Treffer hingegen
zeigt sich aufgrund der beschriebenen Effekte beim Zielobjekt, welche
die reflektierten Ultraschallechos beeinflussen, ein "Einbruch" im zeitlichen Verlauf
des Korrelationskoeffizienten. Nach ca. 50 bis 100 ms kommen erfahrungsgemäß die Fragmente
und das Konkrement selbst wieder zur Ruhe, und Kavitationsblasen
sind nach diesem Zeitraum wieder verschwunden, so daß aufeinanderfolgende
Ultraschallechos einander wieder ähnlicher werden. Der Korrelationskoeffizient
relaxiert dann wieder in Richtung des Werts 1. Das den Lithotripter
bedienende medizinische Personal kann also bereits anhand dieser
erfindungsgemäß vorgesehenen
Anzeige beurteilen, ob ein Fehlschuß oder ein Treffer vorliegt.
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Zusätzlich oder alternativ kann
vorgesehen sein, daß die
Auswerteeinheit dazu ausgelegt ist, ein Fehlersignal auszugeben,
wenn nach Aussenden einer Stoßwelle der
Minimalwert des Korrelationskoeffizienten einen vorbestimmten ersten
Schwellenwert nicht unterschreitet. Es ergibt sich nämlich aus
der obigen Erläuterung
der Auswirkungen eines Treffers auf den Korrelationskoeffizienten,
daß dessen
zeitlicher Verlauf einen um so stärkeren Einbruch aufweist, je
besser der Treffer war, d.h. je stärker die Wechselwirkung zwischen
der Stoßwelle
und dem Zielobjekt war. Dementsprechend sollte der Einbruch beim
Korrelationskoeffizienten bei einem guten Treffer stärker ausfallen,
anders ausgedrückt
kann ein Fehlschuß oder
ein "Streifschuß" daran erkannt werden,
daß in
der oben geschilderten zeitaufgelösten Anzeige des Korrelationskoeffizienten
sein Minimalwert den ersten Schwellenwert nicht unterschreitet.
Die Ausgabe eines Fehlersignals in diesem Fall erlaubt es, diese
Fehlschußinformation
automatisch weiterzuverarbeiten, ohne auf ein Eingreifen des medizinischen
Personals angewiesen zu sein.
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Zusätzlich oder alternativ kann
die Auswerteeinheit dazu ausgelegt sein, ein Fehlersignal auszugeben, wenn
nach Aussenden einer Stoßwelle
eine Relaxationszeit des Korrelationskoeffizienten einen vorbestimmten
zweiten Schwellenwert unterschreitet. Ein Treffer äußert sich
nämlich
auch darin, daß das
System aus Konkrement, Fragmenten und Kavitationsblasen eine bestimmte
Mindestzeit benötigt,
um wieder zur Ruhe zu gelangen, entsprechend einer Mindestrelaxationszeit
des Korrelationskoeffizienten, d.h. der Breite des Einbruchs bei
der zeitlichen Auftragung des Korrelationskoeffizienten. Insbesondere
kann im Verlauf der gesamten Behandlung die Relaxationszeit in Form
einer fortlaufenden Anzeige dargestellt werden, um die Entwicklung
der Relaxationszeit zu verfolgen. Mit erfolgreicher fortschreitender
Zertrümmerung
des Zielobjekts sollte die Relaxationszeit des Korrelationskoeffizienten
kontinuierlich zunehmen. Nimmt die Relaxationszeit jedoch ab, so
ist dies ein starkes Indiz dafür,
daß sich
das Konkrement aus dem Stoßwellenfokus
herausbewegt hat, sei es durch eine Konkrementbewegung (beispielsweise
die Bewegung eines Nierensteins innerhalb der Niere des Patienten)
oder durch eine Verschiebung des Patienten selbst. Als Anzeigevorrichtung
kann hierbei gegebenenfalls der Bildschirm verwendet werden, auf
dem auch die von der bildgebenden Ortungsvorrichtung gelieferten
Bilder dargestellt werden.
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Die Ermittlung der Relaxationszeit
kann auf verschiedene Weisen erfolgen. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit
dazu ausgelegt sein, die Relaxationszeit durch Anpassen einer Gauss-Kurve
an den zeitlichen Verlauf des Korrelationskoeffizienten zu bestimmen.
Je nach in der Praxis auftretendem Kurvenverlauf kann es auch zweckmäßig sein,
eine Funktion der Form 1 – Aexp(-t/TR) an den zeitlichen Verlauf des Korrelationskoeffizienten
anzupassen, wobei TR die durch Anpassung
zu ermittelnde Relaxationszeit ist. Ebenso ist es in einer besonders
einfachen Ausführungsform
möglich,
die Relaxationszeit TR über Schwellenwerte zu definieren,
d. h. als die Differenz derjenigen Zeitpunkte zu bestimmen, an denen
der zeitliche Verlauf des Korrelationskoeffizienten erstmals unter
einen bestimmten Schwellenwert sinkt bzw. in der Relaxationsphase
dann wieder über
diesen Schwellenwert ansteigt.
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Derartige Kurvenanpassungen ("Fitten") und Schwellenwert-Analysen
können
heute von zahlreichen Datenverarbeitungssystemen schnell und sicher
durchgeführt
werden, so daß eine
Echtzeitkontrolle der Stoßwellentherapie
mit Hilfe der Auswerteeinheit möglich
ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung kann der erfindungsgemäße Lithotripter eine mit der Auswerteeinheit
verbundene Alarmvorrichtung aufweisen, der das Fehlersignal zugeführt wird,
wobei in diesem Fall zweckmäßigerweise
vorgesehen ist, daß die
Alarmvorrichtung zur Abgabe eines optischen und/oder akustischen
Alarms ausgebildet ist. Somit kann die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Alarmvorrichtung beispielsweise einen Warnton aussenden oder eine
Warnleuchte einschalten, sobald sich aus dem zugeführten Fehlersignal
ergibt, daß der
Minimalwert des Korrelationskoeffizienten den ersten Schwellenwert
nicht unterschreitet bzw. daß seine
Relaxationszeit den zweiten Schwellenwert unterschreitet, was jeweils
auf einen Fehlschuß hinweist.
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Zusätzlich oder alternativ dazu
kann der Alarm dann ausgelöst
werden, wenn die gemessenen Relaxationszeiten einen negativen Trend
aufweisen. Bei einer Desintegration ist nämlich von einer steigenden
Relaxationszeit auszugehen.
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Alternativ oder zusätzlich kann
vorgesehen sein, daß der
Stoßwellengenerator
mit der Auswerteeinheit verbunden und dazu ausgelegt ist, die Erzeugung
von Stoßwellen
als Funktion des Fehlersignals zu stoppen bzw. fortzusetzen. Hierdurch
läßt sich
eine automatische Abschaltung des Stoßwellengenerators erreichen,
wenn offenbar das Zielobjekt nicht mehr im Stoßwellenfokus liegt. Somit wird
unabhängig
von der Aufmerksamkeit oder der Reaktionszeit des den Lithotripter
bedienenden medizinischen Personals eine unnötige Belastung des Körpers des
Patienten durch Stoßwellen-Fehlschüsse vermieden.
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Die oben genannten Schwellenwerte,
deren Über-
bzw. Unterschreiten dazu führt,
daß die
Auswerteeinheit Fehlersignale ausgibt, können grundsätzlich in der Auswerteeinheit
voreingestellt sein und hierbei sowohl die technischen Daten des
Stoßwellengenerators
(insbesondere seine Leistung) als auch typische Patientendaten berücksichtigen.
Zweckmäßigerweise
ist jedoch vorgesehen, daß die
Auswerteeinheit Einstellmittel zum Einstellen des ersten und/oder
des zweiten Schwellenwerts aufweist. Dann können diese Schwellenwerte zu
Beginn der Behandlung auch unter Berücksichtigung des auftretenden
Signalrauschens individuell eingestellt werden. Die Schwellenwerte
können
jedoch auch automatisch aus dem Signal selbst bestimmt werden. Aus
den vor dem Beginn der Stoßwellentherapie
akquirierten Signalen läßt sich
nämlich
ein idealer Verlauf des Korrelationskoeffizienten ebenso wie ein
Grundrauschen bestimmen.
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In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lithotripters
kann die Auswerteeinheit dazu ausgelegt sein, den Verlauf der Werte
des Korrelationskoeffizienten zu glätten, insbesondere durch Mittelung.
Die Zahl der Korrelationskoeffizientenwerte, über die gemittelt wird, sollte
hierbei vorzugsweise variabel wählbar
sein.
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Auf diese Weise wird verhindert,
daß beispielsweise
ein einzelner "Ausreißer", der z.B. durch
ein numerisches Artefakt beim Berechnen eines Korrelationskoeffizienten
verursacht sein kann, zur Ausgabe des Fehlersignals durch die Auswerteeinheit
führt.
Ebenso kann eine Synchronisation zwischen dem Ultraschall-Transducer
und der Stoßwellenquelle
vorgesehen sein, um zu verhindern, daß elektromagnetische Störungen,
die durch die Betätigung
der Stoßwellenquelle
verursacht werden, eines der in diesem Augenblick empfangenen Echos
stark stören,
was zu einem Ausreißer
im Korrelationskoeffizienten führen
könnte.
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Ebenso kann die Auswerteeinheit ferner
dazu ausgelegt sein, den Minimalwert und/oder die Relaxationszeit
des Korrelationskoeffizienten über
mehrere Stoßwellen
zu mitteln. Hierbei sind nämlich
die folgenden geometrischen Umstände
einer typischen Lithotripsie-Behandlung zu berücksichtigen: Der Stoßwellenfokus hat
typischerweise eine Ausdehnung von ca. 4 mm. Ein typisches Konkrement,
beispielsweise ein Nierenstein, weist am Anfang der Behandlung Abmessungen
zwischen 5 und 20 mm auf, und seine Hin- und Herverlagerung durch
die reine Atmung des Patienten kann mit einer Amplitude von ca.
30 mm erfolgen. Unter diesen Bedingungen würden, da das Aussenden von
Stoßwellen
typischerweise ohne Berücksichtigung
des jeweiligen Atmungszustands des Patienten erfolgt, zwangsläufig einige
Stoßwellen
das Konkrement verfehlen. Die im unmittelbaren Anschluß an derartige
Stoßwellen
gemessenen Minimalwerte des Korrelationskoeffizienten sind – wie oben
erläutert – besonders
groß,
im Extremfall hat der Korrelationskoeffizient den konstanten Wert 1.
Entsprechend sind die im unmittelbaren Anschluß an derartige Stoßwellen
gemessenen Relaxationszeiten besonders kurz, so daß unabhängig davon,
welcher dieser beiden Parameter der Ausgabe eines Fehlersignals zugrunde
gelegt wird, stets die Alarmvorrichtung betätigt und/oder der Stoßwellengenerator
abgeschaltet würde,
obwohl keinerlei Dejustage des Patienten gegeben ist. Vielmehr würden bereits
die nächsten
Stoßwellen wieder
das Konkrement treffen, da sie bei einem anderen Atmungszustand
des Patienten ausgesandt werden. Bei der in dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform
vorgesehenen Mittelung der Minimalwerte bzw. der Relaxationszeiten über mehrere
Stoßwellen
kann zunächst
in einer Ersteinstellung der Auswerteeinheit eine Mittelung über beispielsweise
fünf Stoßwellen
erfolgen, es empfiehlt sich jedoch zu weiteren Steigerung der Behandlungseffizienz,
die Zahl der Stoßwellen, über die
gemittelt wird, zu Beginn der Behandlung des Patienten abhängig von
seinem typischen Atmungsverhalten, von der Größe des zu fragmentierenden
Konkrements etc. individuell einzustellen. Grundsätzlich sind
anstatt einer Glättung
bzw. Mittelung auch andere Arten der Signalfilterung möglich, z.B.
eine Medianfilterung.
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Bei denjenigen Versionen von gattungsgemäßen Lithotriptern,
die Doppleranalysen durchführen,
hat sich in klinischen Experimenten eine deutliche Abhängigkeit
zahlreicher Ultraschallmessungen von individuellen Patienten gezeigt.
Daher kann die Auswerteeinheit in einer zweckmäßigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lithotripters
dazu ausgelegt sein, den Minimalwert und/oder die Relaxationszeit
des Korrelationskoeffizienten auf den Referenz-Minimalwert bzw.
die Referenz-Relaxationszeit
einer Referenz-Korrelationskoeffizientenkurve zu normieren. Diese
Referenz – Korrelationskoeffizientenkurve
wird zweckmäßigerweise
zu Beginn der Behandlung aufgenommen, wenn der Patient in der oben
beschriebenen Weise derart im Lithotripter justiert worden ist,
daß – wie sich
anhand der bildgebenden Ortungsvorrichtung überwachen läßt – beispielsweise ein Nierenstein
exakt im Stoßwellenfokus
liegt. Bei der obengenannten Verlaufsanzeige, d.h. der fortlaufenden
Auftragung beispielsweise von Relaxationszeiten im Verlauf der Stoßwellenbehandlung,
werden dann also keine absoluten Relaxationszeiten des Korrelationskoeffizienten
aufgetragen, sondern normierte Relaxationszeiten.
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Bei der bislang beschriebenen Vorgehensweise
wird der Korrelationskoeffizient gemäß der obigen Formel (1) berechnet.
Sie führt
dazu, daß eine
Fragmentierung des Zielobjekts einen Einbruch im zeitlichen Verlauf
des Korrelationskoeffizienten bewirkt, der gemäß einer charakteristischen
Relaxationszeit in Richtung des Werts 1 relaxiert, wenn das System
aus Zielobjekt, Fragmenten und Kavitationsblasen nach dem Treffer wieder
zur Ruhe gekommen ist. Allerdings führt die Formel (1) auch dann
zu einer Abnahme des Korrelationskoeffizienten, wenn sich zwischen dem
Aussenden des i-ten Ultraschallpulses und des (i+k)-ten Ultraschallpulses
beispielsweise das Konkrement aufgrund der Atmungsbewegung des Patienten
ein wenig verschoben hat. Die gemäß Formel (1) arbeitende Auswerteeinheit
würde dann
bereits eine Abnahme des Korrelationskoeffizienten berechnen, da
nämlich
aufgrund der Verschiebung des Zielobjekts der zeitliche Verlauf
e
i+k(t) des (i+k)-ten empfangenen Ultraschallechos
auf der zeitlichen Abszisse gegenüber dem Verlauf e
i(t)
des i-ten Ultraschallechos verschoben ist. Dies ist darauf zurückzuführen, daß beispielsweise
bei einer geringfügigen
Bewegung des Konkrements vom Ultraschall-Transducer weg die (i+k)-te
ausgesandte Ultraschallwelle eine etwas längere Strecke durchlaufen muß als die
i-te Welle, bevor sie reflektiert wird, und daß somit zwangsläufig auch
das (i+k)-te Echo die gleiche zusätzliche Strecke zurücklaufen
muß. Um
derartige Einflüsse
auf die berechneten Korrelationskoeffizienten zu eliminieren, kann
in einer präziseren
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Lithotripters
vorgesehen sein, daß die
Auswerteeinheit dazu ausgelegt ist, eine zeitliche Kreuzkorrelationsfunktion
zwischen reflektierten Ultraschallwellen zu ermitteln und als Korrelationskoeffizienten
den Maximalwert der zeitlichen Kreuzkorrelationsfunktion zu bestimmen.
In diesem Fall berechnet die Auswerteeinheit den Korrelationskoeffizienten
im wesentlichen gemäß der nachfolgenden
Formel:
wobei der Ausdruck in der
Klammer die Kreuzkorrelationsfunktion mit der Variablen Δt darstellt.
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Bei dieser Ausführungsform verschiebt also
die Auswerteeinheit den gemessenen Verlauf des (i+k)-ten Ultraschallechos
entlang der Zeit-Abszisse jeweils um einen Betrag Δt und bildet
erst dann ähnlich Formel
(1) das zeitliche Integral. Die auf diese Weise für zahlreiche
Werte von Δt
berechneten Korrelationskoeffizienten werden zwischengespeichert,
ihr Maximum wird schließlich
als gesuchter Korrelationskoeffizient Ki,k bestimmt.
Dieser Algorithmus ist als Kreuzkorrelationsverfahren bekannt und
wird im medizinischen Bereich beispielsweise bei der Bestimmung
von Blutflußgeschwindigkeitsprofilen
eingesetzt, wobei im wesentlichen derjenige Wert von Δt gesucht
wird, der das Maximum von K ergibt. Es wird in diesem Zusammenhang
hingewiesen auf die Veröffentlichung "Flow Velocity Profile
via Time-Domain Correlation: Error Analysis and Computer Simulation" von Steven G. Foster,
Paul M. Embree, William D. O'Brien
jr., IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency
Control, Band 37, Nr. 2, Mai 1990, Seite 164, sowie auf die Veröffentlichung "Time Domain Formulation
of Pulse-Doppler Ultrasound and Blood Velocity Estimation by Cross
Correlation" von
O. Bonnefous und P. Pesqué,
Ultrasonic Imaging 8, 1986, Seiten 73 bis 85.
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Im Hinblick auf mögliche medizinische Informationen,
die in Δt
enthalten sein können,
kann selbstverständlich
auch das Zwischenspeichern dieses Meßparameters vorgesehen sein.
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Zweckmäßigerweise ist bei allen Ausführungsformen
der Ultraschall-Transducer der Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit
an einem einstellbaren Halter montiert. Der Ultraschall-Transducer
kann dann unabhängig
von anderen Teilen des Lithotripters zur Optimierung der empfangenen
Ultraschallsignale justiert und in der optimalen Position festgestellt
werden. Insbesondere kann hierdurch gewährleistet werden, daß der Ultraschall-Transducer
auf den Stoßwellenfokus
gerichtet ist. Alternativ zu dieser sogenannten isozentrischen Scannerführung kann
auch ein sogenannter Inline-Transducer eingesetzt werden, d.h. ein
Ultraschall-Transducer, der in die Stoßwellenquelle integriert ist.
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Grundsätzlich ist hierbei folgendes
zu beachten: Durch den einstellbaren Halter wird lediglich eine
Linie festgelegt, entlang der sich bei einem PW-Verfahren (pulse
wave) ein ausgesandter Ultraschallpuls im Gewebe ausbreitet und
Echos generiert werden. Bei der isozentrischen Bauweise ist dann
gewährleistet,
daß sich der
Stoßwellenfokus,
d.h. das Zielgebiet, auf dieser Linie befindet. Durch bekannte Mittel,
beispielsweise einen Weggeber, läßt sich
der Abstand des Transducers zum Fokus bestimmen. Aufgrund der bekannten
Laufzeit von Ultraschallpulsen im Gewebe läßt sich aus diesem Abstand
wiederum ein Zeitfenster definieren, das denjenigen Anteil des Echos
herausschneidet, der im Zielgebiet generiert wurde, nämlich das
Zeitfenster (T1, T2) gemäß Formel
(1).
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lithotripters
kann vorgesehen sein, daß die
Ultraschall-Sende/Empfangseinheit als Teil eines bildgebenden Ultraschallscanners
ausgebildet ist (Duplex-Scanner). In diesem Fall können insbesondere
der Ultraschall-Transducer und Teile der Elektronik der Ultraschall-Sende/Empfangseinheit
gleichzeitig für
die Ultraschall-Bildgebung und für
die Messung der Ultraschallechopulse eingesetzt werden.
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Alternativ kann der Ultraschall-Transducer
als preisgünstige
Stiftsonde ausgebildet sein, was ihn bei Verwendung mit dem oben
genannten Halter flexibel einsetzbar macht, um beispielsweise sicherzustellen,
daß er
immer auf den Stoßwellenfokus
gerichtet ist.
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Insbesondere empfiehlt sich eine
derartige Gestaltung, wenn der erfindungsgemäße Lithotripter ferner eine
Röntgenortungsvorrichtung
aufweist. In diesem Fall erfolgt die Bildgebung zu Beginn der Positionierung des
Patienten sowie bei der etwa alle drei bis fünf Minuten erfolgenden Detailkontrolle
mit Hilfe dieser bildgebenden Röntgenortungsvorrichtung,
während
die kontinuierliche Trefferkontrolle mit Hilfe des als Stiftsonde gestalteten
Ultraschall-Transducers erfolgt. Es versteht sich, daß auch in
diesem Fall die Anzeige der Korrelationskoeffizienten auf der auch
für die
Anzeige der Röntgenbilder
eingesetzten Anzeigevorrichtung erfolgen kann.
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Vorzugsweise ist beim erfindungsgemäßen Lithotripter
ferner vorgesehen, daß er
Mittel zur fortlaufenden Darstellung des Minimalwerts und/oder der
Relaxationszeit des Korrelationskoeffizienten über den Behandlungsverlauf
umfaßt.
Auch hierbei kann es sich um die oben bereits genannte Anzeigevorrichtung
handeln. Das den Lithotripter bedienende medizinische Personal erhält somit
einen umfassenden Überblick über den
gesamten Behandlungsverlauf.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ferner ein allgemeines Verfahren zur Überwachung der Fragmentierung
eines Zielobjekts, insbesondere eines Konkrements, in einem vorzugsweise
menschlichen Körper,
umfassend die Schritte: Aussenden von Ultraschallwellen in den Körper, Empfangen
von am Zielobjekt reflektierten Ultraschallwellen, und Auswerten
der empfangenen Ultraschallwellen, welches dadurch gekennzeichnet ist,
daß im
Schritt des Aussendens von Ultraschallwellen gepulste Ultraschallwellen
ausgesandt werden, und daß der
Schritt des Auswertens eine Bestimmung eines Koeffizienten der zeitlichen
Korrelation zwischen reflektierten Ultraschallwellen umfaßt, die
nacheinander ausgesandten Ultraschallpulsen zugeordnet sind, und daß ferner
ein Schritt der Ausgabe eines zugeordneten Korrelationskoeffizientensignals
vorgesehen ist.
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Wie oben erläutert kann dieses Verfahren
im Fall seiner Anwendung bei Lithotripsie derart weiter entwickelt
werden, daß es
ferner die Schritte umfaßt:
Anordnen des Körpers
in einem Lithotripter mit einem Stoßwellengenerator zur Erzeugung
fokussierter Stoßwellen,
Anzeigen des Zielobjekts und des Fokus des Stoßwellengenerators auf einer
Anzeigevorrichtung einer bildgebenden Ortungsvorrichtung, Justieren
des Körpers derart,
daß das
Zielobjekt im Fokus des Stoßwellengenerators
liegt, Aussenden einer Stoßwelle
in Richtung des Zielobjekts und Bestimmen des Minimalwerts und/oder
der Relaxationszeit des Korrelationskoeffizienten, Speichern des
Minimalwerts bzw. der Relaxationszeit als Referenz-Minimalwert bzw.
Referenz-Relaxationszeit, sowie den späteren Schritt: Normieren des
Minimalwerts und/oder der Relaxationszeit eines später gemessenen
Korrelationskoeffizienten auf den Referenz-Minimalwert bzw. die
Referenz-Relaxationszeit. Auf diese Weise wird eine Normierung der
gemessenen Minimalwerte bzw. Relaxationszeiten des Korrelationskoeffizienten
auf für
diesen Patienten und für
dieses Konkrement typische Werte erreicht.
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Zweckmäßigerweise kann aus den oben
genannten Gründen
eine fortlaufende Darstellung des Minimalwerts und/oder der Relaxationszeit
des Korrelationskoeffizienten über
den Behandlungsverlauf vorgesehen sein.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine
vereinfachte Darstellung wesentlicher Bauteile des erfindungsgemäßen Lithotripters;
-
2 eine
schematische Ansicht der Auswerteeinheit und ihrer Anschlüsse beim
erfindungsgemäßen Lithotripter;
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3 ein
Beispiel zweier nacheinander empfangener Ultraschallwellenechos,
die an einem statischen System bei einem Fehlschuß der Stoßwelle reflektiert
wurden;
-
4 ein
Beispiel zweier nacheinander empfangener Ultraschallwellenechos,
die an einem in Bewegung befindlichen System bei einem Treffer der
Stoßwelle
reflektiert wurden;
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5 ein
schematisches Beispiel für
den zeitlichen Verlauf des Korrelationskoeffizienten bei einem Treffer
einer Stoßwelle;
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6 ein
schematisches Flußdiagramm
zur Verdeutlichung der Hauptabschnitte des erfindungsgemäßen Verfahrens;
-
7 ein
schematisches Flußdiagramm
zur Verdeutlichung wesentlicher Verfahrensschritte innerhalb des
ersten Hauptabschnitts gemäß 6;
-
8 ein
schematisches Flußdiagramm
zur Verdeutlichung wesentlicher Verfahrensschritte innerhalb des
zweiten Hauptabschnitts gemäß 6;
-
9 ein
schematisches Flußdiagramm
zur Verdeutlichung wesentlicher Verfahrensschritte des dritten Hauptabschnitts
gemäß 6; und
-
10 ein
schematisches Beispiel für
eine Relaxationszeit-Verlaufskontrolle während einer Stoßwellentherapie.
-
1 zeigt
eine schematische Ansicht wesentlicher mechanischer Komponenten
des erfindungsgemäßen Lithotripters 10.
Ein Patient 12 ist derart auf einer in 1 nicht dargestellten verstellbaren Liege
gelagert, daß ein
Ankoppelkissen 14 eines Stoßwellengenerators 16 an
der gewünschten
Stelle an den Körper des
Patienten 12 gedrückt
werden kann, um Stoßwellen
in Richtung eines im Körper
des Patienten 12 zu fragmentierenden Konkrements 18 auszusenden.
In dem in 1 schematisch
dargestellten Fall ist dieses Konkrement 18 ein Nierenstein
in der Niere 20 des Patienten 12. Der Patient 12 wird
mit Hilfe der verstellbaren Liege derart "einjustiert", d.h. positioniert, daß der in 1 durch ein Kreuz angedeutete
Fokus der Stoßwellen, die
von einer Stoßwellenquelle 22 des
Stoßwellengenerators 16 erzeugt
und mit Hilfe des Ankoppelkissens 14 in den Körper des
Patienten 12 hineingesendet werden, im Nierenstein 18 liegt.
Diese Justage erfolgt üblicherweise
mit Hilfe einer bildgebenden Ortungsvorrichtung, beispielsweise
einer Röntgenvorrichtung
oder eines Ultraschallscanners.
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Diese Komponenten des Lithotripters 10 und
diese Vorgehensweise bei der Positionierung des Patienten vor Beginn
der Behandlung sind an sich bekannt und werden hier nicht näher erläutert werden.
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Der erfindungsgemäße Lithotripter 10 umfaßt ferner
einen Ultraschall-Transducer 24, der an einem einstellbaren
Halter 26 montiert ist. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist dieser Halter 26 in
Form eines gelenkigen Arms ausgebildet und ermöglicht eine genaue Positionierung
des Ultraschall-Transducers 24 an einer gewünschten
Stelle des Körpers
des Patienten 12 derart, daß der Ultraschall-Transducer 24 – wie in 1 durch gepunktete Linien
angedeutet – auf
den Stoßwellenfokus
gerichtet ist. Man spricht bei dieser Anordnung von einer isozentrischen
Scannerführung.
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Der Ultraschall-Transducer 24 sendet
in Pulsen (pulsed wave, PW) Ultraschallwellen in Richtung des Stoßwellenfokus
aus und empfängt
ferner Ultraschallwellen, die im Körper des Patienten 12,
insbesondere aus dem Gebiet des Stoßwellenfokus, reflektiert worden
sind. Die empfangenen Ultraschallsignale werden, wie in 2 angedeutet, vom Ultraschall-Transducer 24 einer
Steuereinheit 28 zugeführt,
die nicht nur als Teil einer Sende-/Empfangseinheit den eigentlichen
Betrieb des Ultraschall-Transducers 24 steuert, beispielsweise
die in ihm enthaltenen piezoelektrischen Elemente, und die vom Ultraschall-Transducer 24 gemessenen
reflektierten Ultraschallsignale erfaßt, sondern diese auch an nachgeordnete
Elektronikeinheiten weiterleitet. Beispielsweise könnte die
Steuereinheit 28 die empfangenen Ultraschallsignale an
ein in 2 nicht dargestelltes
Bildverarbeitungsmodul weiterleiten, mit dessen Hilfe auf einer
Anzeigevorrichtung 30 Ultraschallbilder des Nierensteins
dargestellt werden können.
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Unabhängig hiervon führt die
Steuereinheit 28 beim erfindungsgemäßen Lithotripter 10 die
empfangenen Ultraschallsignale einer Auswerteeinheit 32 zu,
die derart gebildet ist, daß sie
einen zeitlichen Korrelationskoeffizienten zwischen reflektierten
Ultraschallwellen bestimmt, die nacheinander ausgesandten Ultraschallpulsen
zugeordnet sind. Dies wird im folgenden anhand der 3 und 4 erläutert werden:
Der
Ultraschall-Transducer 24 sendet mit einer Frequenz von
typischerweise etwa 1 kHz Ultraschallpulse aus, die im Körper des
Patienten 12 reflektiert werden, und zwar aufgrund der
vorherigen Justage des Ultraschall-Transducers 24 mit Hilfe
des einstellbaren Halters 26 in einem Zielgebiet des Stoßwellengenerators 16. Da
der Stoßwellengenerator 16 etwa
eine Stoßwelle
pro Sekunde aussendet, bedeutet dies, daß zwischen zwei Stoßwellen
etwa 1000 Ultraschallpulse in den Körper des Patienten 12 ausgesandt
und demzufolge auch ca. 1000 Ultraschallechos empfangen werden.
Diese empfangenen Ultraschallechos werden allgemein als e1, e2 ... e1000 bezeichnet. 3 zeigt rein beispielhaft den zeitaufgelösten Verlauf
zweiter unmittelbar nacheinander empfangener Ultraschallechos e1(t) und e2(t), wobei
zu beachten ist, daß die
Auswerteeinheit 32 einen internen Zeitzähler bei jedem Aussenden eines
Ultraschallpulses wieder auf 0 zurücksetzt. 3 zeigt den Fall, bei dem das Zielgebiet
des Stoßwellengenerators 16,
in dem die ausgesandten Ultraschallwellen reflektiert werden, völlig statisch
ist, etwa deswegen, weil momentan gar keine Stoßwellen ausgesandt werden,
oder auch deswegen, weil ausgesandte Stoßwellen das Konkrement 18 verfehlen.
Das Konkrement 18 bleibt somit in Ruhe, es folgen keinerlei
Umschichtungen oder Fragmentierungen des Konkrements 18,
und es treten auch keine Kavitationsblasen in der unmittelbaren
Umgebung des Konkrements 18 auf. Dementsprechend sind die zeitlichen
Verläufe
der beiden betrachteten Ultraschallechos e1(t)
und e2(t) nahezu identisch, so daß die gemäß der oben
angegebenen Formel (1) durch Aufintegrieren des Produkts e1(t) · e2(t) über
das Zeitfenster von T1 bis T2 berechnete
Korrelation maximal ist und bei geeigneter Skalierung gemäß der obigen
Formel (1) etwa den Wert 1 annimmt.
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4 zeigt
einen Fall, bei dem das Ultraschallecho e1 noch
an dem gleichen ruhenden Zielgebiet reflektiert wurde, das Konkrement 18 jedoch
unmittelbar danach von einer Stoßwelle getroffen wurde. Liegt
das Konkrement 18 im Stoßwellenfokus, so daß beim Aussenden
der Stoßwelle
ein Treffer erzielt wird, so werden kleine Fragmente aus dem Konkrement 18 herausgeschlagen
und gleichzeitig treten im Konkrement 18 Umschichtungen
auf. In der unmittelbaren Umgebung des Konkrements 18 kommt
es ferner in der körpereigenen Flüssigkeit
des Patienten 12 zu erhöhter
Kavitation. All diese Prozesse führen
dazu, daß die
vom Ultraschall-Transducer 24 in Richtung des Konkrements 18 ausgesandten
Ultraschallwellen zunehmend an Objekten reflektiert werden, die
gegenüber
dem Transducer 24 nicht nur an einer anderen Position als
noch unmittelbar zuvor bei der Reflektion des Echos e1 sind,
sondern zudem auch gegenüber
dem Transducer 24 in Bewegung sind. Die reine Tatsache,
daß sich
bestimmte reflektierende Bereiche, z.B. das Konkrement 18 selbst, bezogen
auf die unmittelbar vorangegangene Reflektion bewegt haben, beispielsweise
vom Transducer 24 weg, führt zu veränderten Signallaufzeiten und
somit zu einer Verschiebung der Kurve e2(t)
relativ zur Kurve e1(t). Zudem führt die
Tatsache, daß aufgrund
des Treffers bestimmte reflektierende Bereiche nunmehr nicht mehr
statisch, sondern in Bewegung sind, zum Auftreten von Änderungen
des Signalverlaufs im reflektierten Echo e2,
d. h. zu komplexen Änderungen
der Signal-Zeit-Funktion. Auch die bei einem Treffer in der unmittelbaren
Umgebung des Konkrements 18 verursachte erhöhte Kavitation
führt zu
einer ungeregelten Bewegung von reflektierenden Objekten (Dichteschwankungen
bzw. Gasblasen in der Körperflüssigkeit
des Patienten 12), was ebenso zu Änderungen des Signalverlaufs
führt.
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Auch eine makroskopische Bewegung
des Konkrements 18, die insbesondere dann auftreten kann, wenn
es bereits mindestens teilweise fragmentiert ist, führt sowohl
zu einer Veränderung
von Signallaufzeiten als auch zu einer komplexen Änderung
der Signal-Zeit-Funktion, wenn das Konkrement 18 aufgrund
von elastischen Kräften
des umliegenden Gewebes eine Art Schwingungsbewegung vollführt.
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Man versteht daher bei Betrachtung
der 4 sofort, daß der wiederum
gemäß der obigen
Formel (1) berechnete Korrelationskoeffizient zwischen den zeitlichen
Verläufen
e1(t) und e2(t)
kleiner sein wird als bei dem in 3 gezeigten
Beispiel weitgehend identischer Echos, die an einem statischen System
reflektiert werden.
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Die Auswerteeinheit 32 berechnet
fortlaufend die Korrelationskoeffizienten zwischen e1 und
e2, zwischen e2 und e3, zwischen e3 und e4 usw., die aufgrund der
oben beschriebenen Mechanismen im Fall eines Stoßwellentreffers am Konkrement 18 fortlaufend
kleiner werden. Erfahrungsgemäß kommen
nach einem derartigen Treffer die Fragmente und das Konkrement 18 selbst
nach typischerweise 50 bis 100 ms wieder zur Ruhe, die Kavitationsblasen
sind nach Ablauf dieser Zeit ebenfalls wieder verschwunden, so daß aufeinanderfolgende
Echos ei, ei+1 einander
wieder ähnlicher
werden und der von der Auswerteeinheit 32 berechnete Korrelationskoeffizient
somit wieder in Richtung seines Maximalwerts 1 relaxiert, d.h. ansteigt.
Wie oben bereits erläutert,
ist insbesondere davon auszugehen, daß der Verlauf des Korrelationskoeffizienten
durch eine Funktion der Form 1 – Aexp(-t/TR) beschrieben wird, je nach individueller
Situation kann der Kurvenverlauf aber auch zumindest abschnittsweise
einer Gausskurve ähneln.
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Der somit zu erwartende Verlauf des
Korrelationskoeffizienten K als Funktion der Zeit ist in 5 dargestellt. Man erkennt,
wie soeben beschrieben, am Anfang und am Ende der Darstellung Korrelationskoeffizientenwerte
von ca. K = 1, und in der Mitte der Abbildung einen ausgeprägten "Einbruch" in der K-Kurve.
Dieser Einbruch wird durch zwei charakteristische Parameter beschrieben,
die sowohl unabhängig
als auch in Kombination zur Identifizierung eines Treffers der Stoßwelle herangezogen
werden können:
Zum einen führt
ein guter Treffer dazu, daß der
Wert von K unter einen vorbestimmten Schwellenwert fällt, der
in 5 durch eine horizontale
gestrichelte Linie angedeutet ist. Andererseits konnte allgemein
bei Stoßwellenbehandlungen
festgestellt werden, daß die
Relaxationszeit TR, d.h. die Zeit, die vergeht,
bis das System aus Konkrement 18 und herausgeschossenen
Fragmenten wieder zur Ruhe gekommen ist, ein Maß für einen Treffer darstellt.
Dementsprechend kann auch die Breite der K-Kurve entsprechend der
Relaxationszeit TR als Maß für einen
Treffer dienen. Daher ist die Auswerteeinheit 32 dazu ausgelegt,
ein Fehlersignal zu erzeugen, wenn das Minimum des Korrelationskoeffizienten
einen vorbestimmten ersten Schwellenwert nicht unterschreitet und/oder
wenn die Relaxationszeit TR des Korrelationskoeffizienten
einen vorbestimmten zweiten Schwellenwert unterschreitet. Es ist
nämlich
davon auszugehen, daß Fehl-
bzw. Streifschüsse
der Stoßwelle
am Konkrement 18 vorbei allenfalls zu sehr schmalen Einbrüchen in
der K-Kurve führen,
wohingegen die Relaxationszeit TR um so
größer sein
wird, je präziser
das Konkrement 18 von der Stoßwelle getroffen wurde.
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Wie in 2 angedeutet,
wird das von der Auswerteeinheit 32 erzeugte Fehlersignal
dem Stoßwellengenerator 16 und
einer Alarmvorrichtung 34 zugeführt. Der Stoßwellengenerator 16 kann
somit im Fall von Fehlschüssen
gegebenenfalls automatisch gestoppt werden. Auf diese Weise wird
eine unnötige
Belastung des Körpers
des Patienten 12 durch die Stoßwellen-Fehlschüsse besonders
sicher und wirksam vermieden, ohne daß es hierfür eines Eingreifens des medizinischen
Personals bedürfte.
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Die Alarmvorrichtung 34 kann
einen akustischen und/oder optischen Alarm auslösen, wenn ein eingegebenes
Fehlersignal auf einen Fehlschuß schließen läßt. In diesem
Fall kann das medizinische Personal den Stoßwellengenerator 16 manuell
abschalten oder andere Maßnahmen
treffen, beispielsweise den Patienten 12 neu einjustieren.
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Wesentliche Schritte des mit dem
erfindungsgemäßen Lithotripter 10 durchführbaren
erfindungsgemäßen Verfahrens
werden nachfolgend anhand der 6 bis 10 erläutert werden: Wie in 6 schematisch angedeutet,
umfaßt
das erfindungsgemäße Verfahren
nach dem Start des erfindungsgemäßen Lithotripters
im wesentlichen drei Abschnitte, nämlich einen ersten Abschnitt
S10 mit Schritten zur Voreinstellung des Lithotripters vor der eigentlichen
Therapie, einen anschließenden
Abschnitt S20, in dem während
der Therapie in verschiedenen Verfahrensschritten die relevante
Relaxationszeit TR bestimmt wird, sowie
einen weiteren Abschnitt S30, in dem in mehreren Verfahrensschritten
die entsprechenden Maßnahmen
als Funktion der im Abschnitt S20 ermittelten relevanten Relaxationszeit
TR ergriffen werden. Es sei bereits an dieser
Stelle darauf hingewiesen, daß der
Einfachheit halber im folgenden nur die erfaßte Relaxationszeit TR als Basis für die Trefferkontrolle herangezogen
wird, selbstverständlich
könnte
jedoch auch nur das Minimum des Korrelationskoeffizienten K gemäß 5 oder auch eine Kombination
beider Parameter von der Auswerteeinheit 32 herangezogen
werden, um ein Fehlersignal zu erzeugen.
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Die wichtigsten Schritte innerhalb
des ersten Abschnitts S10 werden nachfolgend anhand von 7 erläutert werden:
Zunächst erfolgt
im Schritt S11 die oben bereits genannte und im Stand der Technik
bekannte Justage des Patienten mit Hilfe der verstellbaren Liege
des Lithotripters 10. Am Ende dieser durch eine bildgebende
Ortungsvorrichtung überwachten
Justage ist der Patient 12 derart positioniert, daß sich sein
Konkrement 18 im Stoßwellenfokus
befindet.
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Anschließend beginnt im Schritt S12
das Aussenden von Ultraschallwellen durch den Ultraschall-Transducer 24 sowie
das erstmalige Aussenden einer Stoßwelle mit Hilfe des Stoßwellengenerators 16.
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Anschließend bestimmt im Schritt S13
die Auswerteeinheit 32 anhand der reflektierten Ultraschallechos
in der oben beschriebenen Weise den Verlauf des Korrelationskoeffizienten,
welcher anschließend
im Schritt S14 auf der Anzeigevorrichtung 30 entsprechend
der 5 angezeigt wird.
Bereits hierbei kann auf der Anzeigevorrichtung 30 auch
eine Fit-Kurve angezeigt werden, die von der Auswerteeinheit 32 an
den Einbruch in der K-Kurve angepaßt ("angefittet") wurde.
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Dieser Verlauf des Korrelationskoeffizienten
wird im Schritt S15 vom medizinischen Personal dahingehend begutachtet,
ob er auf einen Treffer schließen
läßt oder
auf einen Fehlschuß.
Bei diesem ersten Aussenden einer Stoßwelle im Schritt S12 ergibt
sich in der Regel ein Treffer, da nach dem Schritt S11 das Konkrement 18 auf
jeden Fall im Stoßwellenfokus
liegt, und da man vor dem Aussenden dieser einer "Test-Stoßwelle" den Patienten 12 auffordern
kann, kurzzeitig die Luft anzuhalten, so daß kein Fehlschuß aufgrund
der Atmungsbewegung des Konkrements 18 droht. Bei dieser
Begutachtung von Korrelationskoeffizientenverläufen dahingehend, ob ein Treffer
oder ein Fehlschuß vorliegt,
ist es unter anderem wichtig, das jeweilige Signalrauschen, d.h.
Schwankungen zu ermitteln, die selbst bei Reflektion der Ultraschallwelle
an einem ruhenden Patienten 12 ohne Aussenden von Stoßwellen
auftreten.
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Wird im Schritt S15 festgestellt,
daß kein
Treffer vorliegt, so kehrt man zu Schritt S11 zurück. Wird
hingegen ein Treffer festgestellt, so wird im Schritt S16 die gemessene
Korrelationskoeffizientenkurve als Referenz-Korrelationskoeffizientenkurve im Speicher 32a der
Auswerteeinheit 32 abgespeichert. Mit Hilfe dieser Referenz-Korrelationskoeffizientenkurve
werden dann im Schritt S17 die oben diskutierten Schwellenwerte festgelegt,
deren Über-
bzw. Unterschreiten dazu führt,
daß die
Auswerteeinheit 32 ein Fehlersignal ausgibt. Ferner wird
im Schritt S17 die Relaxationszeit TR, die
bei der Referenz-Korrelationskoeffizientenkurve
bestimmt wird, als Referenz-Relaxationszeit im Speicher 32a abgespeichert.
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Anschließend erfolgt im Schritt S18
eine Initialisierung, d.h. ein Rücksetzen
eines Zählparameters
z, dessen Bedeutung nachfolgend anhand von 8 deutlich werden wird.
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8 stellt
die wesentlichen Schritte innerhalb des zweiten Abschnitts S20 gemäß 6 dar, die zur Bestimmung
der relevanten Relaxationszeit TR dienen.
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Zunächst wird im Schritt S21 der
Zählparameter
z inkrementiert, d.h. um 1 erhöht.
Anschließend
wird im Schritt S22 eine Stoßwelle
vom Stoßwellengenerator 16 ausgesandt
und im Schritt S23 der Verlauf des Korrelationskoeffizienten bestimmt,
der anschließend
im Schritt S24 auf der Anzeigevorrichtung 30 angezeigt wird,
ebenso wie eine gegebenenfalls angepaßte Fit-Kurve.
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Im nachfolgenden Schritt S25 wird
mit Hilfe der angefitteten Gauss-Kurve (selbstverständlich sind auch
andere Fit-Kurven bzw. Auswertemethoden möglich, die auf dem Gebiet der
Datenauswertung grundsätzlich
bekannt sind), die Relaxationszeit TR dieses
aktuellen Korrelationskoeffizientenverlaufs bestimmt. Im Schritt
S26 wird diese Relaxationszeit TR mittels
Division durch die im Schritt S17 gemäß 7 ermittelte Referenz-Relaxationszeit
in eine normierte Relaxationszeit TR umgerechnet,
die nachfolgend im Schritt S27 in der Auswerteeinheit 32 abgespeichert
wird, beispielsweise in dem bereits genannten Speicher 32a oder
in einem gesonderten Speicher zur Aufnahme von Meßwerten.
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Dann wird im Schritt S28 überprüft, ob der
Zählparameter
z einen vorbestimmten Wert erreicht hat, bei dem in 8 gezeigten Beispiel den Wert z = 5.
Ist dies nicht der Fall, so springt das in der Auswerteeinheit 32 ausgeführte Programm
zum Schritt S21 zurück,
in dem der Zählparameter
z inkrementiert und anschließend
ein weiterer Korrelationskoeffizientenverlauf gemessen wird. Ergibt
die Prüfung
im Schritt S28 jedoch, daß der
Zählparameter
z den vorbestimmten Wert, hier also z = 5 erreicht hat, was bedeutet,
daß die
Relaxationszeiten von 5 zurückliegenden
Korrelationskoeffizientenverläufen
in der Auswerteeinheit 32 zwischengespeichert sind, so
geht das Programm weiter zu einem Schritt S29, in dem über diese
fünf zwischengespeicherten
Relaxationszeiten gemittelt wird. Der im Schritt S29 berechnete
Mittelwert der Relaxationszeiten der letzten fünf Korrelationskoeffizientenverläufe kann
ebenfalls in der Auswerteeinheit 32 in einem der genannten Speicher
zwischengespeichert werden.
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Im Schritt S29a wird der zuletzt
berechnete Mittelwert einer fortlaufenden Anzeige hinzugefügt, welche die
im Verlauf der gesamten Behandlung gemessenen Relaxationszeiten
kontinuierlich darstellt, um die Entwicklung der Relaxationszeiten
zu verfolgen. Zweckmäßigerweise
kann diese fortlaufende Anzeige auf der Anzeigevorrichtung 30 dargestellt
werden, es kann sich jedoch auch um einen gesonderten Bildschirm
etc. handeln. Ein Beispiel für
eine derartige fortlaufende Anzeige ist in 10 dargestellt und wird weiter unten
erläutert
werden.
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9 zeigt
die wesentlichen Schritte des dritten Abschnitts S30 gemäß 6 und die Maßnahmen, die
im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
bei einer Lithotripsiebehandlung mit dem erfindungsgemäßen Lithotripter 10 als
Funktion des im Schritt S29 berechneten Mittelwerts getroffen werden
können:
In
einem Schritt S31 wird durch das in der Auswerteeinheit 32 ausgeführte Programm überprüft, ob der
im Schritt S29 berechnete Mittelwert größer als ein vorbestimmter Schwellenwert
ist. Wie oben erläutert,
deuten große
Relaxationszeitenwerte auf Treffer hin, wohingegen kleine Relaxationszeitenwerte
typisch für
Fehlschüsse
sind. Dementsprechend bedeutet ein positives Ergebnis der Prüfung im
Schritt S31, das offensichtlich das Konkrement 18 weiterhin
im Stoßwellenfokus
liegt und somit Treffer erfolgen. Dementsprechend geht das in der
Auswerteeinheit 32 ausgeführte Programm in diesem Fall über einen
Schritt S32, in dem der Zählparameter
z wiederum auf 0 zurückgesetzt
wird, zurück
zu Schritt S21, d.h. es beginnt erneut eine Messung von fünf normierten
Relaxationszeiten mit anschließender
Mittelung gemäß B.
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Führt
die Prüfung
im Schritt S31 jedoch zu einem negativen Ergebnis, d.h. dazu, daß die gemittelte Relaxationszeit
TR der letzten fünf Korrelationskoeffizientenverläufe zu klein
ist, was auf mögliche
Fehlschüsse hinweist,
so gibt die Auswerteeinheit 32 das besprochene Fehlersignal
aus, und das Programm verzweigt zu einem Schritt S33, in dem die
genannte Alarmvorrichtung 34 ausgelöst wird, sowie anschließend zu
einem Schritt S34, in dem der Stoßwellengenerator 16 angehalten
wird, um eine unnötige
Belastung des Körpers
des Patienten 12 durch Fehlschüsse zu vermeiden.
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10 ist
eine schematische Darstellung einer beispielhaften Verlaufskontrollen-Anzeige auf der Anzeigevorrichtung 30 während einer
Stoßwellentherapie.
Man erkennt in 10 ein
Koordinatensystem, dessen Abszisse die Zahl ausgesandter Stoßwellen
und dessen Ordinate die im Anschluß an die jeweilige Stoßwelle ermittelte
absolute oder normierte Relaxationszeit TR angibt.
Man erkennt vom Start der Stoßwellentherapie
bis kurz vor ihrem Ende einen Verlauf entsprechend einem langsamen
Anstieg der Relaxationszeit TR. Einzelne "Einbrüche" in dieser Verlaufskurve
deuten auf Fehlschüsse
durch eine Bewegung des Patienten 12 oder des Konkrements 18 innerhalb
des Patienten 12 hin, die sofort durch eine Neupositionierung
des Patienten 12 korrigiert wurden. In 9 repräsentiert eine horizontale gestrichelte
Linie den Betrag des Schwellenwerts, dessen Unterschreiten die Alarmvorrichtung 34 auslöst. Man
erkennt, daß der
lokale Einbruch etwa in der Mitte der Verlaufskurve zu einem Unterschreiten
dieses Schwellenwerts und somit zu einem Alarm geführt hat.
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Es versteht sich, daß die 6 bis 10 nur die wichtigsten Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens angeben
und zahlreiche vorherige, spätere
oder auch eingeschobenen Schritte möglich sind, die auf dem Gebiet
von Lithotripsieverfahren grundsätzlich
bekannt sind. Ebenso versteht es sich, daß – wie oben bereits erwähnt – anstelle
der oder zusätzlich
zur Relaxationszeit TR auch der Minimalwert
des Korrelationskoeffizienten (vgl. 5)
herangezogen werden kann, um einen Fehlschuß zu erkennen. Da in der Darstellung
der 5 Treffer zu tiefen
und gleichzeitig breiten Einbrüchen
führen,
kann auch die in dem "Einbruch" der K-Kurve enthaltenen
Fläche
numerisch bestimmt und als Maß für einen
Treffer oder Fehlschuß herangezogen
werden. Ferner versteht es sich nicht nur, daß die im Schritt S28 genannte
Zahl z = 5 rein beispielhaft zu verstehen ist. Insbesondere kann
diese Zahl auch im Rahmen der Voreinstellungen gemäß Abschnitt
S10 in 6 vom medizinischen
Person individuell eingegeben werden, beispielsweise im Schritt
S17 in 7. Somit könnte beispielsweise
bei einem Patienten 12 mit einem eher kleinen Konkrement 18 (das
somit leichter durch die Stoßwelle
zu verfehlen ist) und gleichzeitig einer schweren Atmung mit entsprechend
starken Auslenkungen des Konkrements 18 über eine
größere Zahl
von Stoßwellen
und somit Relaxationszeiten gemittelt werden als bei einem anderen
Patienten 12 mit eher flacher Atmung und einem größeren Konkrement 18 (welches
somit häufiger
getroffen wird). Selbstverständlich
kann auch ohne jede Mittelung gearbeitet werden, entsprechend z
= 1.
-
Ebenso versteht es sich, daß die Ermittlung
der Referenz-Relaxationszeit (Schritt S17) und die spätere Normierung
gemessener Relaxationszeiten mit Hilfe dieser Referenz-Relaxationszeit
(Schritt S26) auch unterbleiben kann, so daß bei der Verlaufskontrolle
während
der Stoßwellentherapie
Absolutwerte der gemessenen Relaxationszeiten auf der Anzeigevorrichtung 20 angezeigt
und entsprechend ausgewertet werden.
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Hinsichtlich des anhand von 1 nur schematisch angedeuteten
Lithotripters 10 versteht es sich, daß dieser zahlreiche weitere
Komponenten aufweisen kann, die aus dem Stand der Technik bekannt
sind, beispielsweise eine Röntgenortungsvorrichtung
oder einen bildgebenden Ultraschallscanner.
-
- 10
- Lithotripter
- 12
- Patient
- 14
- Ankoppelkissen
- 16
- Stoßwellengenerator
- 18
- Konkrement
(Nierenstein)
- 20
- Niere
- 22
- Stoßwellenquelle
- 24
- Ultraschall-Transducer
- 26
- Einstellbarer
Halter
- 28
- Steuereinheit
- 30
- Anzeigevorrichtung
- 32
- Auswerteeinheit
- 32a
- Speicher
- 34
- Alarmvorrichtung
