DE60206773T2

DE60206773T2 - Mittel zur kontrolle von akustischen moden in gewebeheilungsanwendungen

Info

Publication number: DE60206773T2
Application number: DE60206773T
Authority: DE
Inventors: A. Alan WINDER; J. Roger TALISH
Original assignee: Exogen Inc
Current assignee: Exogen Inc
Priority date: 2001-08-09
Filing date: 2002-08-01
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2022-08-02
Also published as: ES2249617T3; DE60206773D1; DK1414521T3; EP1414521B1; US7429248B1; CA2456734A1; KR100904812B1; AU2002329676B2; EP1414521A1; CA2456734C; KR20040048887A; ATE306969T1; WO2003013654A1; JP2004537383A; JP4299128B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf therapeutische Ultraschalleinrichtungen und insbesondere auf die Verwendung von Kopplungssystemen, um die Winkel zu steuern, in denen die Schallwellen von einem oder mehreren Wandlern an den menschlichen Körper geliefert werden, wodurch der Transfer von Schallenergie in spezifische akustische Modi bei Einfall der Schallwellen auf die Grenzflächen oder Flächen des Hautgewebes und des Knochengewebes erleichtert wird, um die Gewebeheilung bei sowohl flachen als auch tiefen anatomischen Strukturen zu fördern.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Ultraschall wird seit mehr als 45 Jahren als therapeutische Technik in der Physiatrie verwendet. Er wird als empfehlenswerte Behandlungstechnik zur unterstützenden Therapie bei der Behandlung von Schmerzen, Weichgewebeverletzung und Funktionsstörungen der Gelenke einschließlich Osteoarthrose, Periarthritis, Bursitis, Tendosynovitis und einer Vielzahl von Knochenskelett und Muskulatur betreffenden Syndromen empfohlen. Zusätzlich dazu ist Ultraschall bei Anwendungen wie etwa der Beschleunigung der Wundheilung, der Phonophorese topischer Arzneimittel, der Behandlung von Narbengewebe und der Behandlung von Sportverletzungen verwendet worden.
Die therapeutischen biologischen Effekte des Ultraschalls können in zwei Hauptbereichen charakterisiert werden: thermal und nicht thermal. Die nicht thermalen Effekte können akustische Gleichströmung, Hohlraumbildung und weitere mechanische Effekte im weiten Bereich der Ultraschallfrequenzen von ungefähr 0,05 MHz (Megahertz) bis ungefähr 5,0 MHz umfassen. Die elektrische Leistung aus einem Signalgenerator wird durch einen Wandler, der im Allgemeinen aus einem piezoelektrischen Material wie etwa Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), ferroelektrischen Einkristall-Relaxoren wie etwa PMN-PZ-PT oder dergleichen ist, in mechanische Vibration konvertiert. Die mechanische Vibration produziert eine Schallwelle, die sich durch das Gewebe bewegt und während des Weiterleitungsprozesses absorbiert wird. Die Rate der viskosen Absorption und der zugehörigen Erhöhung der Temperatur hängen von den mikrostrukturellen Eigenschaften der angetroffenen Gewebeart, der Frequenz der Schallwelle, der räumlich-zeitlichen Schallintensität und dem Grad der nicht linearen Weiterleitung im Gewebe ab. Die Schallenergie kann in der Form einer kontinuierlichen Welle oder einer gepulsten Welle vorliegen, abhängig von der therapeutischen Anwendung, und wird typischerweise unter Verwendung eines Schallkopplungsmaterials wie etwa Ultraschallgel, Lotion, Hydrogel oder Wasser von dem Wandler zu dem Gewebe des Patienten transferiert. Schallintensitäten von 0,03 bis 3,0 W/cm² (Watt pro Quadratzentimeter) werden typischerweise für therapeutische Zwecke in gepulsten oder kontinuierlichen Modi angewendet, was die Behandlung von Knochenbrüchen und akuten sowie chronischen Gewebeverletzungen ermöglicht.
Während die vorteilhaften Aspekte von Ultraschall erforscht worden sind, wie ersichtlich in US Patent Nr. 4,530,360 an Duarte, US Patent Nr. 5,003,965 an Talish et al., US Patent Nr. 5,413,550 an Castel und US Patent Nr. 5,520,612 an Winder et al., ist keine Einrichtung im Fach offenbart worden, um den Winkel zu steuern, in dem die Schallwellen an spezifische gezielte Gewebestellen geliefert werden, oder um den Schallmodus selbst zu steuern. Therapeutische Ultraschallbehandlung wird typischerweise durch die Benutzung eines piezoelektrischen Wandlers verabreicht, um longitudinale Schallwellen zu erzeugen, die in Gewebe hauptsächlich als Longitudinalwellen an den Behandlungsbereich weitergeleitet werden. Wenn die einfallenden Longitudinalwellen nicht normal zu der Grenzfläche zwischen dem piezoelektrischen Wandler/dem Hautgewebe sind, leiten die resultierenden gebrochenen Schallwellen in dem nachfolgenden Weichgewebe als Quasi-Longitudinalwellen und Quasi-Transversalwellen in verschiedenen Brechungswinken weiter. Folglich ist es oft schwierig, Patienten die Schallwellen in der gewünschten Ausrichtung auf den gezielten Gewebebereich zu verabreichen, wobei die Mittel für therapeutische Ultraschalleinrichtungen, die gegenwärtig erhältlich sind, verwendet werden. Diese Einrichtungen können die Beschaffenheit der Schallwellen auf den Behandlungsbereich weder explizit noch implizit effektiv steuern. Daher besteht Bedarf an einer Vorrichtung, die fähig ist, die Steuerung des Winkels oder der Winkel, in denen longitudinale oder transversale Schallwellen selektiv an die gezielten Gewebestellen geliefert werden, zu erleichtern, um den therapeutischen Prozess zu erleichtern.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung, um den Fluss auf kreisförmigen Zylindern unter Verwendung von Oberflächenwellen mit Ultraschall zu erfassen, sind in EP 0965839 offenbart.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Unten wird eine kurze Zusammenfassung der Erfindung dargelegt, die die vorangehenden Probleme löst und Nutzen und Vorteile gemäß dem Zweck der vorliegenden Erfindung, wie hier ausgedrückt und in der Übersicht beschrieben, bereitstellt.
Die Erfindung ist wie in den Ansprüchen beansprucht.
Diese Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen, Systeme und Verfahren, die die Steuerung der gebrochenen und reflektierten Ultraschallwellen in Gewebe von verschiedenen designierten Reflektionsstellen erleichtern, um die Heilung in spezifischen Behandlungsbereichen zu fördern. Ein Aspekt der Erfindung bezieht sich auf einen modalen Konverter, dessen geometrische Konfiguration das Positionieren einer Vielzahl von Wandlern in verschiedenen Winkeln ermöglicht. Der modale Konverter kann einen trapezoid geformten Querschnitt aufweisen, der asymmetrisch sein kann, und besteht aus einem festen Material mit der Fähigkeit, die Weiterleitung von Schallwellen ohne das Einführen signifikanter Brechung, Verzerrung oder Abschwächung der Schallwellen zu kanalisieren und zu stützen.
Der modale Konverter stellt ausgeprägte Schallkopplungspfade durch eine Vielzahl von Wandlern bereit, die sich in mindestens einem von vier Wegen befinden. Als erstes überträgt ein Wandler, der sich auf der oberen Fläche (26) des modalen Konverters befindet, wobei sich dessen Übertragungsseite parallel zu der Hautgewebefläche befindet, longitudinale Schallwellen senkrecht zu den Hautgewebe- und Knochengewebeflächen. Als zweites überträgt ein Wandler, der sich auf einer abgewinkelten Seite des modalen Konverters an einem ersten Grenzwinkel für Knochengewebe befindet, longitudinale Schallwellen, die auf der Knochenfläche auftreffen und teilweise in Longitudinalwellen, die sich parallel zu der Knochenfläche bewegen und teilweise in Transversalwellen konvertiert werden, die sich in einem Winkel bewegen, der durch den Poisson-Koeffizienten für Knochengewebe bestimmt wird. Als drittes überträgt ein Wandler, der sich auf einer anderen abgewinkelten Seite des modalen Konverters in einem zweiten Grenzwinkel für Knochengewebe befindet, longitudinale Schallwellen, die auf der Knochenfläche auftreffen und gänzlich in Transversalwellen konvertiert werden, die sich parallel zu der Knochenfläche bewegen. Als viertes überträgt ein Wandler, der sich auf noch einer anderen abgewinkelten Seite des modalen Konverters in einem ersten Grenzwinkel für Hautgewebe befindet, longitudinale Schallwellen, die auf der Hautgewebefläche auftreffen und teilweise in Longitudinalwellen, die sich parallel zu der Knochengewebefläche bewegen und teilweise in Transversalwellen konvertiert werden, die sich in einem Winkel bewegen, der durch den Poisson-Koeefizienten für Weichgewebe bestimmt wird. Die modale Konvertereinrichtung kann jede beliebige Kombination dieser verschiedenen Kopplungspfade, wie in 1 bis 3 dargestellt, inkorporieren und stützen, und ist ein effizientes Mittel zur Konvertierung von Longitudinalwellen in Transversalwellen für therapeutische Anwendungen.
In der folgenden detaillierten Beschreibung dieser Erfindung kann das erste Medium dem modalen Konverter oder dem Weichgewebe entsprechen, abhängig von der beschriebenen intervenierenden Grenzfläche. Wenn das erste Medium dem modalen Konverter entspricht, entspricht das zweite Medium Weichgewebe. In diesem Feld entspricht der erste Grenzwinkel einem Winkel, der eine Komponente im Longitudinalmodus produziert, die sich entlang der Hautgewebefläche bewegt. Wenn das erste Medium Weichgewebe entspricht, entspricht das zweite Medium Knochengewebe. In diesem Feld entspricht der erste Grenzwinkel einem Winkel, der eine Komponente im Longitudinalmodus produziert, die sich entlang der Knochengewebefläche bewegt, und der zweite Grenzwinkel entspricht einem Winkel, der Transversalwellen produziert, die sich entlang der Knochengewebefläche bewegen. Longitudinale und transversale Ultraschallwellen mit geringer Intensität sind wünschenswert, um die endostalen und periostalen Phasen des Knochenbruchheilungsprozesses zu erhöhen.
Es hat sich ebenfalls klinisch erwiesen, dass Ultraschall mit geringer Intensität den Prozess der Angiogenese verbessert oder den Blutfluss um die Stelle des Knochenbruchs herum erhöht, wodurch die Heilung von oberflächlichen Knochenskelett und Muskulkatur betreffenden Wunden und Knochenbrüchen beschleunigt wird. Um die Steuerung des Heilungsprozesses zu erleichtern, werden die Wandler durch einen programmierbaren Mikrocontroller gesteuert, der die sequentielle oder simultane Abfrage der abgezielten Gewebestelle mit Schallwellen von unterschiedlicher Signalstruktur mit verschiedenen Anregungsraten erlaubt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beiliegenden Zeichnungen, die in die Patentschrift inkorporiert sind und einen Teil davon bilden, illustrieren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und offenbaren zusammen mit der Beschreibung die Grundlagen der Erfindung. In den Zeichnungen ist:
1 eine Ansicht im Querschnitt einer Ausführungsform des modalen Konverters, der als ein asymmetrischer trapezoider Keil konfiguriert ist, der den ersten Grenzwinkel (θ_Lb) und den zweiten Grenzwinkel (θ_SVb) für Knochengewebe darstellt.
2 ist eine Ansicht im Querschnitt einer Ausführungsform des modalen Konverters, der als ein asymmetrischer trapezoider Keil konfiguriert ist, der den ersten Grenzwinkel (θ_Lb) für Knochengewebe und einen steileren ersten Grenzwinkel (θ_Ls) für Hautgewebe darstellt.
3 ist eine Ansicht im Querschnitt einer alternativen Ausführungsform des modalen Konverters, der als ein asymmetrischer trapezoider Keil konfiguriert ist, der den ersten Grenzwinkel (θ_Ls) für Hautgewebe und den zweiten Grenzwinkel (θ_SVb) für Knochengewebe darstellt.
1 bis 3 illustrieren zur Vereinfachung der Zeichnung nur die gebrochenen Wellen, nicht die reflektierten Longitudinal- und Transversalwellen, die durch den schrägen Einfall der Longitudinalwellen auf die Hautgewebe- und Knochengewebeflächen produziert werden.
4 ist eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der vier Wandler auf abgewinkelten Seiten des modalen Konverters montiert sind und ein Wandler auf der oberen Fläche des modalen Konverters montiert ist.
5 ist eine Ansicht im Querschnitt einer Ausführungsform des modalen Konverters, der als ein asymmetrischer, trapezoider Keil konfiguriert ist, der die Systemsteuereinheit, den Signalgenerator und den Wandler als Einheiten mit wiederaufladbaren Batterien darstellt, die innerhalb des modalen Konverters integriert sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen modalen Konverter 16, der es einem Benutzer ermöglicht, die Winkel zu steuern, in denen longitudinale Schallwellen 40 und transversale Schallwellen 44 an lebendes Gewebe geliefert werden, um eine Kaskade biologischer Heilungsmechanismen zu erwirken. Siehe 1. Der modale Konverter 16 erleichtert die Steuerung der räumlichen und zeitlichen Verteilung der reflektierten Energie von designierten Reflektionsstellen 50 in dem ganzen Behandlungsbereich 52. Der Behandlungsbereich 52 kann aus offenen Gewebewunden oder Knochenbrüchen oder beidem mit oder ohne einer oder mehreren umgebenden Knochenskelett und Muskulatur betreffenden Weichgewebewunden bestehen. Das umgebende Weichgewebe 46 kann ferner Sehnen, Muskeln, Ligamente, Gelenke und Schleimbeutel, periphere Nerven, Haut und Unterhautfettgewebe umfassen, ist aber nicht darauf begrenzt. Die Steuerung von sowohl den absorbierenden als auch den reflektierenden Pfaden der Schallwellen in Gewebe kann in bedeutendem therapeutischen Nutzen resultieren.
Der modale Konverter 16 kann die Form eines trapezoiden Querschnitts aufweisen, wie in 1 bis 3 und 5 gezeigt. Der modale Konverter 16 kann ebenfalls andere polygonale Querschnittformen aufweisen, die die Wandler effektiv in der gewünschten Winkelanordnung anordnen, wie unten in Übereinstimmung mit dem Sinn dieser Erfindung festgelegt. Die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung ist ferner zur Erklärung gedacht und soll die vorliegende Erfindung nicht auf die hier beschriebene physikalische Vorrichtung begrenzen. Stattdessen umfasst die Erfindung jede beliebige Art und Weise des Abfragens eines Behandlungsbereichs mit Ultraschallwellen gemäß der unten dargelegten Erfindung.
Der modale Konverter 16 kann aus geeigneten Materialien mit geringem Verlust niedriger Viskosität bestehen, die Thermoplasten, Duroplasten, Elastomere und Mischungen daraus umfassen, aber nicht auf diese begrenzt sind. Geeignete Thermoplasten umfassen, sind aber nicht begrenzt auf, Ethylvinylacetat, erhältlich von USI Corp (c/o Plastic Systems, Marlboro, MA), Ecothane CPC-41, erhältlich von Emerson and Cumming (Deway and Almay Chemical Division, Canton, MA) und Polyurethan RP-6400, erhältlich von Ren Plastics (ein Geschäftsbereich von Ciba Geigy, Fountain Valley, CA). Geeignete Duroplaste umfassen, sind aber nicht begrenzt auf, Epoxidharze wie etwa Spurr-Epoxidharz, erhältlich von Ernest F. Fullam, Inc. (Schenectady, NY) und Stycast, erhältlich von Emerson and Cumming. Geeignete Elastomere umfassen, sind aber nicht begrenzt auf, RTV 60 und RTV 90, die von General Electric (Silicon Products Division, Waterford, NY) erhältlich sind.
In den dargestellten Ausführungsformen ist der modale Konverter 16 als ein assymetrischer Keil konfiguriert, der einen trapezoiden Querschnitt aufweist, welcher zur genauen Positionierung einer Vielzahl von Wandlern relativ zu der Hautgewebefläche 36 fähig ist. 1 bis 3 zeigen einen flachen Wandler 18, einen ersten grenzwinkligen Wandler 20 und einen zweiten grenzwinkligen Wandler 22. Jeder Wandler ist aus Materialien und Entwürfen konstruiert, die üblicherweise bei Ultraschallanwendungen verwendet werden. Der mindestens eine Wandler kann piezoelektrische Eigenschaften aufweisen, die Keramik, Einkristall-Relaxor-Ferroelektrika, Blei-Zirkonat-Titanat, Bleimetaniobat, Bariumtitanat und piezoelektrische Copolymere aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) umfassen, aber nicht auf diese begrenzt sind. Der Wandler kann alternativ magnetostriktive Eigenschaften aufweisen. Die Wandler sind typischerweise auf der äußeren Fläche des modalen Konverters montiert. Die Wandler können jedoch auch auf dem modalen Konverter als ein Einsatz innerhalb von Hohlräumen in dem modalen Konverter 16 montiert sein, oder in dem modalen Konverter 16 selbst montiert sein, wie in 5 gezeigt. Ferner können die Wandler auf dem modalen Konverter auf jede beliebige Art und Weise positioniert sein, die es den Wandlern ermöglicht, Ultraschallwellen gemäß den unten dargelegten Winkeln zu emittieren. Die Wandler sind an den modalen Konverter akustisch mit einem Kopplungsmaterial gekoppelt, das eine akustische Impedanz aufweist, die vergleichbar mit der akustischen Impedanz des modalen Konverters ist, die eine akustische Impedanz innerhalb plus oder minus zehn Prozent der akustischen Impedanz des modalen Konverters ist. Bei manchen Ausführungsformen ist die akustische Impedanz des modalen Konverters fast gleich der des menschlichen Weichgewebes. Zusätzlich dazu besteht der modale Konverter 16 aus Materialien, die eine Longitudinalgeschwindigkeit aufweisen, die geringer ist als die Longitudinalgeschwindigkeit für menschliches Knochenskelett und Muskulatur betreffendes Weichgewebe, und diese ist geringer als die Longitudinalgeschwindigkeit für Knochengewebe. Die Schallwellen, die aus jedem der Wandler heraustreten, werden räumlich und zeitlich durch eine Systemsteuereinheit 24 gesteuert. Der Entwurf und die Fertigung der Systemsteuereinheit 24 sind denjenigen, die im Fach tätig sind, wohlbekannt.
Der modale Konverter 16 aus 1 bis 3 umfasst eine im Wesentlichen flache obere Fläche 26 und mehrfache gewinkelte Flächen 28. Wenn jedoch die Wandler, wie in 5 gezeigt, innerhalb des modalen Konverters 16 eingesetzt sind, muss die obere Fläche 26 im Wesentlichen nicht flach sein. Die obere Fläche 26 kann stattdessen in jeder beliebigen Form vorliegen, solange der Wandler 18 innerhalb der unteren Fläche 34 des modalen Keilkonverters 16 parallel ist. Der Wandler 18, der auf der im Wesentlichen flachen oberen Fläche 26 positioniert ist oder innerhalb des modalen Keilkonverters 16 eingesetzt ist, versieht den Behandlungsbereich 52 mit Longitudinalwellen, die senkrecht zu der Hautgewebefläche 36 und der Knochengewebefläche 42 sind. Die abgewinkelten Flächen 28 befinden sich entweder in einem ersten Grenzwinkel für Knochengewebe θ_Lb 30 oder für Hautgewebe θ_Ls 31 oder einem zweiten Grenzwinkel für Knochengewebe θ_SVb 32. Alle spezifizierten Grenzwinkel liegen bezüglich der unteren Fläche 34 des modalen Konverters 16.
In Betrieb wird die untere Fläche 34 des modalen Konverters 16 unter Verwendung eines Kopplungsmaterials, das eine akustische Impedanz aufweist, die vergleichbar zu der akustischen Impedanz für menschliches Weichgewebe 36 ist, an eine Hautgewebefläche gekoppelt, wodurch der Transfer von Schallenergie von dem modalen Konverter 16 zu dem menschlichen Körper maximiert wird. Die Indexe für die obigen Winkel, wie in 1 bis 3 angezeigt, kennzeichnen (von links nach rechts gelesen) die weiterleitenden Schallmodi, longitudinal (L) oder vertikal transversal (SV), gefolgt von der Gewebefläche, entlang derer die Schallwelle nach der Reflektion an der entsprechenden Grenzfläche, nämlich Knochen (b) oder Haut (s), weiterleitet.
Die abgewinkelten Wandler 20 und 22 können in zahlreichen Grenzwinkeln angeordnet werden, die es den durch die Wandler produzierten Schallwellen ermöglichen, die verschiedenen Kopplungspfade, wie in 1 bis 3 gezeigt, bereitzustellen. Die abgewinkelten Wandler 20 und 22, wie in 1 dargestellt, versehen zum Beispiel den Behandlungsbereich 52 mit Longitudinalwellen 40 und Transversalwellen 44, die parallel zu und entlang der Knochengewebefläche 42 weiterleiten. Die durch die abgewinkelten Wandler 20 und 22 emittierten Schallwellen, wie in 2 dargestellt, können ferner in Longitudinalwellen 40 konvertiert werden, die parallel zu und entlang sowohl der Hautgewebefläche 36 als auch der Knochengewebefläche 42 weiterleiten. Zusätzlich dazu können die abgewinkelten Wandler 20 und 22, wie in 3 dargestellt, den Behandlungsbereich 52 mit Longitudinalwellen 40 versehen, die parallel zu und entlang der Hautgewebefläche 36 weiterleiten, und Transversalwellen 44, die parallel zu und entlang der Fläche des Knochengewebes 42 weiterleiten.
Ein therapeutisch wünschenswerter Satz Schallwellen kann durch das Anordnen der abgewinkelten Wandler 20 und 22 in bestimmten Grenzwinkeln produziert werden. Spezifischerweise können die abgewinkelten Wandler 20 und 22, die in ersten Grenzwinkeln θ_Lb 30 und θ_L 31 positioniert sind, Longitudinalwellen produzieren, die sich parallel zu und entlang der Flächen des Knochengewebes 42 bzw. Hauptgewebes 36 bewegen. Ferner können die abgewinkelten Wandler 20 und 22, die in einem zweiten Grenzwinkel θ_SVb 32 positioniert sind, Transversalwellen produzieren, die sich parallel zu und entlang dem Knochengewebe 42 bewegen. Diese Grenzwinkel θ_Lb 30, θ_Ls 31 und θ_SVb 32 können unter Verwendung von Beziehungen zwischen der Geschwindigkeit von Longitudinal- und Transversalwellen und den elastischen Eigenschaften soliden isotropen homogenen Massenmaterials, wie unten dargelegt, kalkuliert werden. Bei üblichen modalen Konvertermaterialien ist θ_Lb 30 kleiner als θ_SVb 32, welcher weniger als θ_Ls 31 ist.
Die Reflektion einer Ultraschallwelle tritt an der Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen akustischen Impedanzen auf. Zwei derartige Orte befinden sich an der Hautgewebefläche 36 und der Knochengewebefläche 42. Die akustische Impedanz wird in Rayl (kg/m²-Sek.) angegeben und bei Longitudinalwellen in Massenmaterialien als pC_L definiert, wobei ρ die Massendichte ist und C_L die Longitudinalgeschwindigkeit von Geräuschen in einem Material ist. Die Stärke einer reflektierten Welle wird durch den Reflektionskoeffizienten R an der Grenzfläche zwischen zwei Medien bestimmt und bezüglich ihrer akustischen Impedanzen Z₁ und Z₂ als R = (Z₂ – Z₁)/(Z₂ + Z₁) angegeben, was eine Phasenverschiebung produzieren kann, abhängig von der relativen akustischen Impedanz des Mediums. Die Indexe 1 und 2 bezeichnen das erste und das zweite Medium, wobei das erste Medium durch Einfall und Reflektion charakterisiert wird und das zweite Medium durch Brechung und Übertragung charakterisiert wird.
Zum Schätzen der Winkel, um Knochengewebe zu behandeln, können das umgebende Weichgewebe 46 und das Knochengewebe 48 als festes isotropisches homogenes Material betrachtet werden. Als solches kann die Longitudinalgeschwindigkeit der Schallwellen bezüglich der elastischen Eigenschaften der Gewebe ausgedrückt werden. CL = {(E/ρ)[(1 – ν)/(I + ν)(1 – 2ν)]},wobei E der Elastizitätsmodul ist, ρ die Dichte ist und ν der Poisson- Koeffizient ist, der eine Funktion des Verhältnisses der Transversal-zu-Longitudinalwellengeschwindigkeiten ist. Spezifischerweise wird der Poisson-Koeffizient als ν = [1 – 2(C_s/C_L)²]/2[1 – (C_s/C_L)²] kalkuliert, wobei C_s die Transversalwellengeschwindigkeit der Schallwellen ist.
Die Partikelrichtung von Transversalwellen 44 ist normal zu der Weiterleitungsrichtung und kann effektiver als Longitudinalwellen bei der Stimulierung der Knochenhaut und des umgebenden Weichgewebes, das in der Nähe und an der Knochenbruchstelle auffindbar ist, sein. Es existieren zwei Arten von Transversalwellen 44, nämlich transversal horizontal und transversal vertikal, die als SH bzw. SV bezeichnet werden, abhängig von der Richtung der Partikelbewegung bezüglich der Weiterleitungsrichtung. Im Allgemeinen enthält eine zufällige Transversalwelle, die an einer Grenze zwischen zwei unterschiedlichen festen Medien einfällt, sowohl SH- als auch SV-Komponenten. Ferner können SV-Wellen einer modalen Konvertierung unterzogen werden, gemäß der durch das Snellsche Gesetz bestimmten Randbedingung: (sin θs/Cs)1 = (sin θL/CL)1 = (sinθL/CL)2 = (sinθs/Cs)2 Gleichung 1,wobei θ_s der Transversalwinkel ist, θ_L der Longitudinalwinkel ist, C_s die Transversalgeschwindigkeit ist und C_L die Longitudinalgeschwindigkeit ist. Die durch das Snellsche Gesetz definierte Randbedingung beschreibt ebenfalls die Interaktion der Longitudinalwelle an der Grenzfläche zwischen Medium 1 und Medium 2. Im Gegensatz dazu können SH-Wellen keiner modalen Konversion unterzogen werden. Stattdessen unterhalten die SH-Wellen eine Bewegung, die parallel zu der Grenze ist. Eine Schallwellenführung, wie etwa ein Knochenbruchkanal, kann reine SH-Wellen unterstützen.
Wenn Longitudinalwellen von einem modalen Konverter in einem ersten Grenzwinkel θ_Lb 30 oder θ_Ls 31, die Winkel der Brechung an der Knochen- oder Hautgewebefläche von 90 Grad produzieren, auf die Reflektionsstelle 50 geleitet werden, bewegen sich die gebrochenen Longitudinalwellen parallel zu der Grenzfläche zwischen dem Knochengewebe 48 und dem umgebenden Weichgewebe 46 oder bewegen sich parallel zu der Grenzfläche zwischen der Unterseite des modalen Konverters 34 und der Hautgewebefläche 36. Wenn der Winkel des Einfalls größer ist als der Grenzwinkel, ist der Sinus des Winkels der Brechung, wie durch das Snellsche Gesetz berechnet, größer als die Eins. Mit anderen Worten, sobald der Winkel des Einfalls größer wird als der Grenzwinkel, verläuft die Schallwelle nicht in das zweite Medium; sie wird stattdessen gänzlich intern an der Randfläche reflektiert. Bei Winkeln des Einfalls, die viel größer als der Grenzwinkel sind, verfügt die Amplitude der Longitudinalwelle an der Fläche, obwohl sie begrenzt ist, über wenig wirkliche Schallstärke. Zu beachten ist auch, dass ein gebrochener Grenzwinkel nicht existieren kann, wenn die Schallgeschwindigkeit in dem ersten Medium geringer ist als die Schallgeschwindigkeit in dem zweiten Medium. Wenn eine Longitudinalwelle in Medium 1 an dem ersten Grenzwinkel für eine spezifizierte Randfläche übertragen wird, befindet sich die gebrochene Transversalwelle in Medium 2 in dem durch θ_SV2 gegebenen Winkel: θSV2 = sin–1 {(1 – 2ν)/2(1 – ν)}1/2, Gleichung 2,wobei ν der Poisson-Koeffizient für Knochengewebe oder Weichgewebe ist. Der Poisson-Koeffizient für alle Materialien liegt zwischen 0 und 0,5, wobei Materialien, bei denen ν 0 gleicht, komplett komprimierbar genannt werden, während Materialien, bei denen ν 0,5 gleicht, nicht komprimierbar genannt werden. Insbesondere liegt der Poisson-Koeffizient für Knochengewebe typischerweise in dem Bereich von ungefähr 0,29 bis ungefähr 0,33, während der Poisson-Koeffizient für menschliches Weichgewebe und die meisten Elastomere und Thermoplasten typischerweise von ungefähr 0,45 bis ungefähr 0,49 beträgt. Für ν im Bereich von zwischen ungefähr 0,29 und ungefähr 0,33 und zwischen ungefähr 0,45 und ungefähr 0,49 reicht C_s/C_L von zwischen ungefähr 0,5 und ungefähr 0,54 bzw. zwischen ungefähr 0,14 und ungefähr 0,3. Aus diesen Daten können der modale Konverter und das Knochenskelett und Muskulatur betreffende Gewebe als ein quasi viskoses Fluid modelliert werden, und Knochengewebe kann als ein quasi viskoelastischer Feststoff modelliert werden.
Wie in 1 und 3 dargestellt, sind die reflektierten Longitudinalwellen an der Hautgewebefläche unbedeutend, und nur die gebrochenen Transversalwellen existieren in dem Weichgewebe, wenn Longitudinalwellen zu der Reflektionsstelle 50 in dem Grenzwinkel θ_SVb 32 geleitet werden. Unter der Bedingung, dass θ_SVb 90 Grad in Knochengewebe entspricht, werden die Longitudinalwellen komplett in Transversalwellen konvertiert, die sich parallel zu der Knochengewebefläche 42 bewegen. Wenn der Winkel für θ_SVb 32, der zwischen der abgewinkelten Fläche 28 und der unteren Fläche 34 des modalen Keilkonverters 16 geschaffen wird, erhöht wird und θ_SVb sich folglich θ_Ls nähert, neigen die longitudinalen Schallwellen zum Weiterleiten entlang der Hautgewebegrenzfläche, während die von der Knochenfläche reflektierte Tansversalwelle unbedeutend wird und exponentiell von der Knochenfläche zerfällt.
Der erste Grenzwinkel 30 und der zweite Grenzwinkel 32 können unter Verwendung von Gleichung 1, die oben dargelegt ist, eingerichtet werden. Gemäß Measurement of Velocity and Attenuation of Shear Waves in Bovine Compact Bone Using Ultrasonic Spectroscopy, verfasst von Wu und Cubberley und veröffentlicht in Ultrasound in Med. & Biol., Bd. 23, Nr. 1, 129–134, 1997, ist die durchschnittliche Longitudinalgeschwindigkeit in Knochengewebe als innerhalb eines Bereichs von ungefähr 3075 bis ungefähr 3350 Meter pro Sekunde (m/s) liegend in vitro gemessen worden, abhängig von der Richtung der Schallwelle relativ zu der Länge der Knochenfaser. Im gleichen Experiment ist die durchschnittliche Transversalwellengeschwindigkeit in Knochengewebe als von ungefähr 1750 bis ungefähr 1950 m/s gemessen worden. Diese Geschwindigkeiten wurden bei der Kalkulation von θ_L und θ_SV in der oben dargelegten Gleichung für verschiedene Materialien modaler Konverter verwendet. Die Bereiche der Winkel für θ_Lb 30, θ_Ls 31 und θ_SVb 32 werden in der folgenden Tabelle für verschiedene Materialien angegeben, deren akustische Impedanz sich innerhalb von 10 Prozent der akustischen Impedanz für Weichgewebe befindet.
Die nominalen Eigenschaften der bei der Kalkulation der Grenzwinkel θ_Lb 30, θ_Ls 31 und θ_SVb 32 involvierten Materialien umfassen Folgendes:
Die Werte für C_sv basieren auf der Spannweite der Poisson-Koeffizienten für die verschiedenen oben gegebenen Materialien. Transversalgeschwindigkeiten für einige Arten von Säugetiergewebe sind in vitro als weniger als 20 Meter pro Sekunde gemessen worden, was mehr als eine Größenordnung weniger ist als die Spannweite der Werte, die in der Tabelle oben für C_sv gezeigt ist, und einen Poisson-Koeffizienten anzeigt, der größer als 0,4995 ist.
In dem modalen Konverter 16 sind Wandler so positioniert, dass Schallwellen an den Behandlungsbereich 52 auf zahlreichen Wegen übertragen werden können. Eine longitudinale Schallwelle kann zum Beispiel an die Knochenbruchstelle als eine einfallende Longitudinalwelle 40 normal zu der Hautgewebefläche 36 und der Knochenfläche 42 weiterleiten. In einem weiteren Beispiel kann eine longitudinale Schallwelle in einem Winkel übertragen werden, der dem ersten Grenzwinkel θ_Lb 30 gleicht, der nach dem Einfall auf die Grenzfläche zwischen umgebendem Weichgewebe 46 und Knochengewebe 48 teilweise in eine Longitudinalwelle 40, die sich entlang der Fläche des Knochens 42 bewegt und teilweise in eine Transversalwelle konvertiert wird, die sich in einem durch Gleichung 2 gegebenen gebrochenen Winkel bewegt. Unter dieser Bedingung reicht der gebrochene Winkel von Transversalwellen in Knochengewebe von ungefähr 30 bis 33 Grad. In noch einem weiteren Beispiel kann eine longitudinale Schallwelle in einem Winkel übertragen werden, der dem zweiten Grenzwinkel θ_SVb 32 gleicht, der wiederum nach dem Einfall an der Grenzfläche zwischen dem umgebendem Weichgewebe und dem Knochengewebe gänzlich in eine SV-Transversalwelle 44 konvertiert wird, die sich entlang der Grenzfläche zwischen dem umgebenden Weichgewebe und dem Knochengewebe bewegt. In noch einem weiteren Beispiel kann eine longitudinale Schallwelle in einem Winkel übertragen werden, der dem ersten Grenzwinkel θ_Lb 31 gleicht, der nach dem Einfall an der Hautgewebefläche 36 teilweise in eine Longitudinaiwelle 40, die sich entlang der Fläche der Haut 36 bewegt und teilweise in eine Transversalwelle konvertiert wird, die sich in einem gebrochenen Winkel in einem durch Gleichung 2 gegebenen Transversalwinkel in dem unterliegenden Weichgewebe 46 bewegt. Unter dieser Bedingung kann der gebrochene Winkel von Transversalwellen in dem Weichgewebe 46 von ungefähr 0 bis ungefähr 18 Grad reichen. Diese gebrochenen Transversalwellen können einen beträchtlichen therapeutischen Wert bei der Förderung von Hautgewebewundheilung aufweisen.
Die Konfiguration des modalen Konverters 16 richtet die richtige Ausrichtung der Wandler in Bezug auf die Knochengewebefläche 42 ein, um den gewünschten Einfallwinkel θ_Lb 30, θ_Ls 31 oder θ_SVb 32 für die gewünschten Schallmodi innerhalb des Behandlungsbereichs 52 zu produzieren, wie in 1 bis 3 gezeigt. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der modale Konverter einen oder mehrere dieser und anderer Modi umfassen.
Die Ultraschallwellenweiterleitung in Gewebe übt eine einseitige Strahlungskraft auf alle absorbierenden und reflektierenden Hindernisse in ihrem Weg aus, sogar auf mikrostruktureller Ebene. In Ausführungsformen dieser Erfindung werden die Schallwellen in dem Weichgewebe 46 als niedriger räumlicher und zeitlicher Mittelwert (SATA) der Schallintensität charakerisiert, typischerweise 30 bis 100 mW/cm². Dieses Niveau von Schallwellen überschreitet gerade die biologischen Schwellenwerte, die eine Kaskade biologischer Heilungsmechanismen auslösen oder aufrufen können. Die therapeutische Trägerfrequenz kann ferner von 10 kHz bis 10 MHz reichen. Die Steuerung von sowohl den absorbierenden als auch den reflektierenden Pfaden in Gewebe kann in bedeutendem therapeutischen Nutzen resultieren.
In Betrieb wird der modale Konverter 16 auf der Hautgewebefläche 36 eines Patienten über einem Behandungsbereich 52 platziert, der aus einer offenen Gewebewunde oder einer Knochenbruchstelle oder beidem bestehen kann. Bei einer offenen Wunde kann eine Ultraschallkopplungsfolie wie etwa Hydroscan, erhältlich von ECHO Ultrasound (Reedsville, PA), über der Wunde zum sterilen Schutz, und um Kreuz-Kontamination zu reduzieren, platziert werden. Der modale Konverter 16 positioniert mindestens einen Wandler mit Bezug auf die Hautgewebefläche 36 zwischen der Unterseite des modalen Konverters 34 und dem Weichgewebe 46, und mit Bezug auf die Knochenflächengrenzfläche 42 zwischen dem umgebenden Weichgewebe 46 und dem Knochengewebe 48. Die Abfrage des Behandlungsbereichs 52 wird durch das Betätigen der Systemsteuereinheit 54 initiiert. Die Systemsteuereinheit 54 löst einen programmierbaren Signalgenerator 56 aus, um Ultraschallanregungssignale zu produzieren, die an einen oder mehrere Wandler gesendet werden. Jeder Wandler, der ein Anregungssignal empfängt, emittiert eine longitudinale Schallwelle, die durch das modale Konvertermaterial 16, die Hautgewebefläche 36 und das umgebende Weichgewebe 46 in Richtung des Knochengewebes 48 weiterleitet. Der modale Konverter 16 kann ebenfalls verwendet werden, um Schallwellen in Richtung einer Wunde auf einer Hautgewebefläche 36, die kein Knochengewebe umfasst, zu übertragen. Wie oben dargelegt, kann die longitudinale Schallwelle einer modalen Konversion unterzogen werden, abhängig von dem Winkel des Einfalls, in dem die Schallwelle auf die Knochengewebefläche 42 auftrifft.
Der mindestens eine Wandler produziert spezifische sequentielle oder simultane Übertragungen von Schallwellen, was durch die Systemsteuereinheit 54 gesteuert wird, um den Behandlungsbereich 52 durch Ultraschall nicht invasiv abzufragen. Die Systemsteuereinheit 54 kann ein programmierbarer Mikroprozessor sein, kann aber ebenfalls integrierte Schaltungen, analoge Einrichtungen, programmierbare Logikeinrichtungen, Personal-Computer oder Server umfassen, ohne auf diese begrenzt zu sein. Die Zeitablaufsequenzen können zu jeder Zeit durch den Benutzer festgelegt werden oder während des Herstellungsprozesses eingerichtet werden. Bei manchen Ausführungsformen kann der modale Konverter 16 verwendet werden, um therapeutische Behandlung zu verabreichen, die aus einer Ultraschalldosis besteht, welche einmal oder zweimal am Tag verabreicht wird und einige Monate lang täglich wiederholt wird, um den Heilungsprozess wirksam zu stimulieren. Bei manchen Ausführungsformen liegt die Länge einer Dosis Schallwellen im Bereich zwischen 1 und 60 Minuten für einen oder mehrere der Wandler. Der modale Konverter 16 kann verwendet werden, um die Anwendung therapeutischer Ultraschalldosen auf flache oder tiefe anatomische Strukturen oder beides zu erleichtern und zu verbessern, in der Bemühung, die Gewebewundheilung zu beschleunigen, einschließlich sowohl der endostalen als auch der periostalen Heilungsphasen im Knochenbruchheilungsprozess.
Bei manchen Ausführungsformen umfasst der modale Konverter 16 drei Wandler, wie in 1 bis 3 dargestellt. Bei einer alternativen Ausführungsform, wie in 4 gezeigt, kann der modale Konverter 16 jedoch ebenfalls eine flache Fläche 26 und vier abgewinkelte Flächen 28 umfassen. Bei der alternativen Ausführungsform befindet sich ein Wandler 21 auf der flachen oberen Fläche 26, und mindestens ein Wandler 21 befindet sich auf mindestens einer der vier abgewinkelten Flächen 28.
Jede dieser abgewinkelten Flächen 28 kann entweder im ersten Grenzwinkel θ_Lb 30 oder θ_Ls 31 oder dem zweiten Grenzwinkel θ_SVb 32 positioniert sein. Ferner können sich alle vier abgewinkelten Flächen 28 in dem ersten Grenzwinkel θ_Lb 30 oder θ_Ls 31 befinden. Alternativ können sich alle vier abgewinkelten Flächen 28 in dem zweiten Grenzwinkel θ_SVb 32 befinden. Weitere Ausführungsformen könnten jede beliebige Kombination von abgewinkelten Flächen 28 in Grenzwinkeln θ_Lb 30, θ_Ls 31 oder θ_SVb 32 umfassen.
Ferner kann eine weitere alternative Ausführungsform mehr als fünf Wandler umfassen. Der modale Konverter 16 kann zum Beispiel eine flache obere Fläche 26 umfassen, wie in der in 4 dargestellten alternativen Ausführungsform gezeigt. Anstatt die Anzahl der Seiten auf vier zu begrenzen, kann jedoch diese alternative Ausführungsform eine Vielzahl von abgewinkelten Seiten umfassen, die in der Anzahl größer als vier sind. Spezifischerweise könnten die abgewinkelten Flächen 28 in jeder Anzahl größer als vier vorliegen. Die abgewinkelten Flächen 28 können ferner in jeder beliebigen Kombination von Seiten vorliegen, die Winkel aufweisen, die sich entweder bei θ_Lb 30, θ_Ls 31 oder bei θ_SVb 32 befinden.
Bei manchen Ausführungsformen befindet sich ein einzelner Wandler 18 auf der flachen oberen Fläche 26, wie in 1 bis 3 gezeigt, und mindestens ein Wandler befindet sich auf einer abgewinkelten Fläche 28 des modalen Konverters 16. Bei einer alternativen Ausführungsform kann jedoch jede abgewinkelte Fläche 28 eine Anordnung von Wandlern statt eines einzelnen Wandlers umfassen. Die Anordnung von Wandlern kann jede beliebige Anzahl von Wandlern, die größer als eins ist, umfassen. Alternative Ausführungsformen können ferner nur eine abgewinkelte Fläche mit einer Anordnung von Wandlern umfassen, die eine obere Fläche mit einer Anordnung von Wandlern umfassen kann oder nicht.
Zusätzlich dazu kann jede beliebige Kombination von hier beschriebenen Anordnungen innerhalb jeder beliebigen der oben dargelegten Ausführungsformen eingeschlossen sein. In noch einer weiteren Ausführungsform, die kein Teil der Erfindung ist, kann der modale Konverter nur eine obere flache Fläche 26 mit oder ohne abgewinkelten Seiten aufweisen, wobei die Anordnung von Wandlern auf der oberen Fläche 26 elektronisch abgestimmt wird, um einen Strahl zu bilden, der elektrisch zu den Grenzwinkeln θ_Lb 30, θ_Ls 31 oder θ_SVb 32 gelenkt werden kann. Das Verfahren des elektrischen Lenkens eines akustischen Strahls ist denjenigen, die im Fach tätig sind, wohl bekannt.
Als eine weitere Erweiterung dieser Ausführungsformen kann die Systemsteuereinheit 54 programmiert werden, um therapeutische Ultraschalldosen durch jede beliebige Kombination beschriebener modaler Konverter anzuwenden, um auf verschiedene Gewebewunden und Knochenbruchstellen bei einem Patienten abzuzielen. Zusätzlich dazu können die Systemsteuereinheit 54, der programmierbare Signalgenerator 56 und die Wandler 18, 20 und 22 innerhalb einer einzelnen integrierten Einheit eingeschlossen sein. In dieser Ausführungsform kann jede Einheit separat auf mindestens einer der Vielzahl von Flächen des modalen Konverters montiert sein, wie in einem Einsatz montiert sein oder in dem modalen Konverter selbst als eine alleinstehende Einheit mit wiederaufladbaren Batterien 58 montiert sein, wie in 4 gezeigt. Der modale Konverter könnte folglich die Wandler 18, 20 und 22, die Systemsteuereinheit 54 und den programmierbaren Signalgenerator 56 innerhalb einer einzigen Struktur unterbringen. Die in 5 gezeigten integrierten alleinstehenden Einheiten könnten ferner ebenfalls elektrisch mit einer einzelnen externen Stromquelle verbunden werden.
In jeder beliebigen der vorher beschriebenen Ausführungsformen kann die Vielzahl von Wandlern mit unterschiedlichen Ultraschallanregungssignalen programmiert werden, gekennzeichnet durch Amplituden- oder Phasenmodulation oder beidem und durch das Variieren der Trägerfrequenz, Impulsdauer, Impulsfolgefrequenz, und räumlicher und zeitlicher Mittelwert (SATA)-Intensität, wie den in US Patent Nr. 5,520,612 an Winder et al. beschriebenen und schematisch dargestellten. Die Trägerfrequenz kann für einen oder mehrere der Wandler zwischen ungefähr 10 kHz und ungefähr 10 MHz liegen. Die Impuldauer kann für einen oder mehrere der Wandler innerhalb des Bereichs von ungefähr 100 Mikrosekunden bis ungefähr 100 Millisekunden liegen. Die Impulsfolgefrequenz kann innerhalb des Bereichs von ungefähr 1 Hz bis ungefähr 10 000 Hz liegen. Die Intensität des räumlichen und zeitlichen Mittelwerts kann sich für einen oder mehrere der Wandler innerhalb des Bereichs von ungefähr 5 mW/cm² bis ungefähr 500 mW/cm² befinden. Der Grad an Amplitudenmodulation wird durch den Modulationsindex definiert, der für einen oder mehrere Wandler innerhalb des Bereichs von ungefähr 0 bis ungefähr 0,5 liegen kann. Die Phasenmodulation wird durch die lineare oder nichtlineare Eigenschaft von Frequenz über Zeit definiert. Die Phasenmodulation kann typischerweise von einer verzögerten linearen (CW) zu einer logarithmischen (hyperbolischen FM) Variation reichen, wobei die Eigenschaft von Frequenz über Zeit f(t) durch eine unendliche Potenzreihe der Zeit repräsentiert wird, gegeben als: f(t) = α0 + α1t + α2t2 + α3t3 + ..., Gleichung 3,wobei der Satz Konstanten [α] das bestimmte Modulationssystem charakterisiert.

Claims

Eine Vorrichtung zum nicht invasiven Anwenden eines Ultraschall-Anregungssignals von mindestens einem Wandler (20, 22) auf menschliches Gewebe in vivo für therapeutische Anwendungen, die Folgendes beinhaltet: einen modalen Konverter (16) einschließlich einer oberen Fläche (26), einer Vielzahl von seitlichen Flächen (28), einer unteren Fläche (34) und mindestens eines Wandlers (20, 22), wobei die Vielzahl von seitlichen Flächen (28) relativ zur unteren Fläche (34) in Winkeln positioniert ist, und wobei der mindestens eine Wandler (20, 22) mit einer der Vielzahl von Seiten des modalen Konverters (16) akustisch gekoppelt und relativ zur unteren Fläche (34) in einem Winkel positioniert ist, so dass eine Schallwelle, die von mindestens einem Wandler (20, 22) emittiert wird, beim Auftreffen auf eine Grenzfläche reflektiert wird und/oder bricht und sich parallel zu und entlang der Grenzfläche bewegt, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wandler (20, 22) relativ zu der unteren Fläche (34) des modalen Konverters (16) in einem Grenzwinkel positioniert ist, so dass der mindestens eine Wandler (20, 22) eine Schallwelle emittieren kann, die teilweise in eine Longitudinalwelle konvertiert, die sich parallel zu und entlang der Grenzflächenfläche bewegt und teilweise in eine Transversalwelle konvertiert, die sich nach dem Einfall auf der Grenzfläche in einem Brechungswinkel θ_SV bewegt, wobei θ_SV= sin^–1 {(1 –2ν)/2(1 –ν)}^1/2, wobei ν den Poisson-Koeffizienten für menschliches Weichgewebe repräsentiert und sv die vertikale Komponente der Transversalwelle bezeichnet; und darin, dass die Grenzfläche Folgendes beinhaltet: a) eine Grenzfläche, die zwischen einer Hautgewebefläche und dem modalen Konverter (16) positioniert ist, und/oder b) eine Grenzfläche, die zwischen umgebendem Weichgewebe und Knochengewebe positioniert ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ferner durch eine Systemsteuereinheit (54) zum Steuern der räumlichen und zeitlichen Verteilung der Schallwelle von dem mindestens einen Wandler (20, 22) gekennzeichnet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ferner durch einen Systemgenerator zum Erzeugen und Übertragen eines Anregungssignals an den mindestens einen Wandler (20, 22) gekennzeichnet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Systemsteuereinheit (54) ein programmierbarer Mikroprozessor ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der modale Konverter (16) mindestens einen Wandler (18) beinhaltet, der auf der oberen Fläche (26) des modalen Konverters (16) zum Erzeugen von zu der Hautgewebefläche normalen Longitudinalwellen positioniert ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wandler (22) relativ zu der unteren Fläche (34) des modalen Konverters (16) in einem zweiten Grenzwinkel positioniert ist, so dass der mindestens eine Wandler (22) eine Schallwelle emittieren kann, die an der Grenzfläche zwischen dem umgebenden Weichgewebe und dem Knochengewebe reflektiert wird und/oder bricht, und sich nach dem Einfall als eine akustische Transversalwetle parallel zu und entlang der Grenzfläche zwischen dem umgebenden Weichgewebe und dem Knochengewebe bewegt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, ferner dadurch gekennzeichnet, das die von dem mindestens einen Wandler (22) in dem zweiten Grenzwinkel emittierte Schallwelle gänzlich in eine akustische Transversalwelle konvertiert, die sich parallel zu und entlang der Grenzfläche zwischen dem umgebenden Weichgewebe und dem Knochengewebe bewegt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der modale Konverter (16) ein Material beinhaltet, das eine akustische Impedanz aufweist, die mit einer akustischen Impedanz für menschliches Weichgewebe vergleichbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der modale Konverter (16) ein Material beinhaltet, das eine Longitudinalgeschwindigkeit aufweist, die geringer als eine Longitudinalgeschwindigkeit für Weichgewebe ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der modale Konverter (16) ein Material beinhaltet, das eine Longitudinalgeschwindigkeit aufweist, die geringer als eine Longitudinalgeschwindigkeit für Knochengewebe ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der modale Konverter (16) Thermoplasten, Elastomere oder Kombinationen davon beinhaltet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der modale Konverter (16) ferner Ethylvinylacetat, Ecothane, Polyurethan, Silikon oder Kombinationen davon beinhaltet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der modale Konverter (16) ferner einen trapezoiden Querschnitt beinhaltet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die obere Fläche (26) des modalen Konverters (16) im Wesentlichen parallel zu der unteren Fläche (34) ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die zum systematischen Verabreichen von therapeutischem Ultraschall an einen Patienten angepasst ist, ferner dadurch gekennzeichnet, dass: eine Systemsteuereinheit (54) zum Steuern der räumlichen und zeitlichen Verteilung von Schallenergie von mindestens einem Wandler (20, 22) an den modalen Konverter gekoppelt ist, der in der Form eines Keils vorliegt.