DE69433198T2

DE69433198T2 - Ultraschall transösophagische Sonde zur Bilderzeugung und Diagnose durch Mehrfachflächenabtastung

Info

Publication number: DE69433198T2
Application number: DE69433198T
Authority: DE
Inventors: George P. Gruner; John D. Fraser; Loc Nguyen; Sherry Powell; Timothy R. Savage
Original assignee: Advanced Technology Laboratories Inc
Current assignee: Advanced Technology Laboratories Inc
Priority date: 1993-11-19
Filing date: 1994-11-18
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2014-11-19
Also published as: US5402793A; US5634466A; DE69433198D1; EP0654245B1; CA2135692A1; ATE250890T1; JP2005040619A; JP3923489B2; EP1350471A1; US5555887A; EP0654245A1; JPH07250836A; US5479930A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Sonden für Ultraschall-Diagnosesysteme, die den Körper von der Speiseröhre oder dem Magen des Patienten aus abtasten können. Insbesondere eignen sich die Sonden der vorliegenden Erfindung ideal zur Bildgebung in einer von einer Anzahl planarer Richtungen und werden oft als multiplane TEE-Sonden (transesophageal echocardiography) bezeichnet.
Das Herz ist ein Organ, dessen Untersuchung mit Hilfe von Ultraschall schon immer schwierig war, weil es sich in der Thoraxhöhle befindet und von den Rippen und den Lungenflügeln umgeben ist. Die Ultraschallabtastung durch die Rippen ist aufgrund der absorbierenden und reflektierenden Eigenschaften der Knochenstruktur keine realisierbare Option. Die akzeptierte klinische Prozedur besteht daher in der Abtastung des Herzens zwischen den Rippen. Die Aussendung und der Empfang von Ultraschall durch das interkostale Fenster ist jedoch manchmal aufgrund der akustischen Reflexionen von der normalen Knochenstruktur, wie zum Beispiel des mit den Rippen verbundenen Knorpelgewebes, klinisch nicht verwertbar.
Das Auskommen der Endoskop-Technologie, mit der medizinische Geräte in den Körper eingeführt und außerhalb des Körpers manipuliert werden können, führte zu der Entwicklung eines neuen Verfahrens zur Ultraschallabtastung des Herzens: transösophageale Echokardiographie. Bei diesem Verfahren befindet sich ein Ultraschallwandler am Ende einer länglichen Sonde, die durch den Mund des Patienten in die Speiseröhre oder den Magen eingeführt wird. Von einer derartigen Position in der Thoraxhöhle aus stellen die Rippen kein Hindernis für die Aussendung und den Empfang von Ultraschallwellen mehr dar. Der typische transösophageale Schallkopf umfasst einen Steuermechanismus außerhalb des Körpers, der es dem Arzt ermöglicht, das Ende der Sonde so zu manipulieren, dass der Wandler an dem Sondenende wie gewünscht auf das Herz gerichtet wird. Dieses Verfahren, durch das der Ultraschallwandler in unmittelbare Nähe des Herzens selbst gebracht wird, hat sich bei der Diagnose von Herzerkrankungen als besondert effizient erwiesen.
In der US-amerikanischen Patentschrift 4.543.960 (Harui et al.) wird ein TEE-Schallkopf (transösophagealer Echokardiographie-Schallkopf) beschrieben, in dem ein phasengesteuerter Wandler oder ein Linearwandler auf einer rotierenden Basis innerhalb des Schallkopfs montiert ist. Wie in den Zeichnungen dieser Patentschrift dargestellt, besteht der Array-Wandler aus einer quadratischen oder rechteckigen Anordnung von piezoelektrischen Elementen, die auf einer zylindrischen drehbaren Basis montiert sind. Auf einer Welle, die aus der drehbaren Basis austritt, ist eine Riemenscheibe angebracht, so dass die Basis und das Wandler-Array innerhalb des Schallkopfs gedreht werden können. Um die Riemenscheibe herum läuft ein Steuerkabel von der Steuereinheit des Schallkopfs. Wenn sich das Steuerkabel durch die Steuerung der Steuereinheit bewegt, werden die Riemenscheibe und die drehbare Basis gedreht und damit auch das Wandler-Array und die Bildebene. In der US-amerikanischen Patentschrift Nr. 5.226.422 (McKeighen et al.) werden Verbesserungen an der Sonde von Harui et al. beschrieben, die unter anderem einen kreisförmigen Array-Wandler umfassen, in dem ein neues Erdungsverfahren angewendet wird, ein glockenförmiges Gehäuse für den Wandler und eine neuartige Blasenfalle für das Wandlerabteil.
In der US-amerikanischen Patentschrift Nr. 5.226.422 (McKeighen et al.) wird insbesondere ein transösophagealer Echographie-Abtaster mit einem distalen Ende und einem Wandler in dem genannten distalen Ende geschildert. In diesem Dokument werden Rotationsmittel zum Rotieren der Bildebene des Abtasters beschrieben, die die Steuerknöpfe 6 und 8 umfassen. Der Steuerknopf 6 wird gedreht, um das distale Ende des Abtasters zu biegen. Der Steuerknopf 8 wird gedreht, um den Wandler innerhalb des distalen Endes um ca. 180°C zu drehen.
Ein Wandler-Positioniersystem ist bereits aus der Patentanmeldung EP 0 514 584 bekannt. Dieses Dokument beschreibt in Spalte 7 eine Ultraschallsonde mit einem distalen Ende, das mit einer Anordnung von Wandlerelementen ausgestattet ist, und mit Schaltmitteln, die für die Drehung der Anordnung in zwei entgegengesetzten Richtungen sorgen, die als Richtung im Uhrzeigersinn bzw. als Richtung gegen den Uhrzeigersinn bezeichnet werden. Die Sonde umfasst Steuermittel mit zwei Schaltern. Jeder Schalter kann auf eine Stellung für eine Spannungsquelle V⁺ und auf eine Stellung für Masse gestellt werden. Die Schalter können so eingestellt werden, dass die Energie eines Rotationsmotors blockiert wird oder Energie entsprechend einer der beiden entgegengesetzten Polaritäten zugeführt wird. Wenn die Schalter auf die gleiche Position eingestellt werden, erhält der Motor keine Energie und die Anordnung bleibt stationär. Wenn ein Schalter auf V+ gestellt wird und der andere auf Masse, sorgt der Motor dafür, dass sich die Anordnung in eine Richtung dreht. Wenn alternativ die Polaritäten umgekehrt werden, sorgt der Motor dafür, dass sich die Anordnung in die entgegengesetzte Richtung dreht.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird eine Ultraschallsonde entsprechend der Definition in Anspruch 1 geschaffen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele beinhalten eine Reihe von Verbesserungen, die der Herstellung und dem Leistungsvermögen eines TEE-Schallkopfs zugute kommen, wie zum Beispiel demjenigen aus den Patentschriften 4.543.960 und 5.226.422: Der Wandler des Schallkopfs ist in einer abnehmbaren biegsamen Spitze enthalten, so dass es dem Arzt möglich ist, die Wandler einfach durch Austauschen der Sondenspitze zu wechseln. Der Gelenkmechanismus umfasst eine Vielzahl von Gliedern, die ineinander eingerastet werden, um eine durchgängige, torsionssteife Gelenkverbindung zu bilden. Diese Gelenkverbindung verfügt über eingebaute Winkelanschläge und weist bei Belastung im Wesentlichen kein Torsionsspiel auf. Die Gelenkverbindung kann durch eine Arretierung, die vom Handgriff der Sonde aus gesteuert wird, in einer bestimmten Position verriegelt werden, wobei sich Begrenzungsanschläge des Gelenkmechanismus in dem Handgriff und nicht in der Spitze befinden. Der Status der Arretierung wird am Handgriff und auf dem Bildschirm des Ultraschallsystems angezeigt. Zur Patientensicherheit kann die Arretierung mit einem relativ geringen Kraftaufwand an der Sondenspitze überwunden werden, wenn die Sonde aus der Speiseröhre des Patienten entfernt wird, während die Gelenkverbindung in einer gebogenen Stellung arretiert ist. Der Wandler in der Sondenspitze wird durch einen motorgesteuerten Mechanismus mit zwei Drehgeschwindigkeiten, einer relativ langsamen Geschwindigkeit und einer schnelleren Geschwindigkeit, gedreht. Durch gleichzeitiges Drücken beider Geschwindigkeitseinsteller wird der Wandler veranlasst, sich in seine vorgegebene Ausgangsposition zu drehen. Der Wandler nutzt ein neuartiges Verfahren zur Abführung der Wärme, die sich in der Linse des Wandlers ansammelt.
In der Zeichnung zeigen:
1 eine Draufsicht auf eine multiplane TEE-Sonde der vorliegenden Erfindung;
die 2a, 2b, 2c und 3 zeigen Ansichten der distalen Spitze einer multiplanen TEE-Sonde der vorliegenden Erfindung;
die 4a–4c und 5a–5c den Gelenkmechanismus, der das Biegen der Sondenspitze aus 1 erlaubt;
die 6a und 6b die Konstruktion des Ultraschallwandlers und der Elektroden der Sonde aus 1;
die 7a und 7b ein Verfahren zur Abführung der durch den Wandler an der Spitze der Sonde aus 1 erzeugten Wärme;
die 8a und 8b den Mechanismus innerhalb des Handgriffs der Sonde aus 1, der benutzt wird, um die Biegung der Sondenspitze und die Drehung des Wandlers zu steuern;
9 die Steuerknöpfe und Begrenzungsanschläge für den Gelenk-Steuermechanismus aus den 8a und 8b;
10 das Bremssystem für den Gelenk-Steuermechanismus der 8a und 8b; und
11 die Motorsteuerungsverbindung zum Drehen des Wandlers in der Spitze der Sonde.
In 1 ist eine Draufsicht auf eine multiplane TEE-Sonde der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Sonde umfasst einen Handgriff 10, an dem sich die wichtigsten Steuerelemente für die Sonde befinden. Aus einem Ende des Handgriffs 10 tritt ein Gastroskopschlauch 12 aus. Der Gastroskopschlauch eignet sich zur Einführung in einen Körperhohlraum, wie zum Beispiel die Speiseröhre, und für TEE-Anwendungen ist der Schlauch ca. 100 cm lang. Am Ende des Gastroskopschlauchs 12 befindet sich die distale Spitze 14 der Sonde, wo der Ultraschallwandler angeordnet ist.
Aus dem anderen Ende des Handgriffs 10 tritt ein elektrisches Kabel 16 aus, das in einen Anschluss 18 endet. Der Anschluss 18 eignet sich zum Verbinden der Sonde mit einem Ultraschallsystem, das der Sonde Energie zuführt und Bilder anzeigt, die aus den akustischen Signalen gebildet werden, welche durch den Wandler an der Spitze der Sonde gesendet und empfangen werden.
Fünf der Elemente zur Sondensteuerung sind in 1 dargestellt. Zwei Tasten 20 und 22 steuern die Drehung des Wandlers an der Sondenspitze im Uhrzeigersinn bzw. gegen den Uhrzeigersinn. Mit dem Steuerknopf für Rechts-Links-Biegung 24 und dem Steuerknopf für Vorwärts-Rückwärts-Biegung 26 kann die Sondenspitze vom Handgriff aus in vier Richtungen gebogen werden. Die hin- und hergehenden Bremsknöpfe 28, 28' dienen zum Arretieren bzw. zum Entriegeln der Gelenksteuerung in jeder beliebigen gebogenen Position.
In den 2a–2c und 3 ist die distale Sondenspitze im Detail dargestellt. Wie die 2a und 2b zeigen, lässt sich die Spitze von dem Gastroskopschlauch abnehmen, wodurch der Benutzer in der Lage ist, die Wandler zum Beispiel für verschiedene Diagnoseprozeduren auszuwechseln. Der piezoelektrische Wandler 30 ist in den 2a und 2c dargestellt und in diesen Figuren auf das Senden und Empfangen in der nach unten zeigenden Richtung ausgerichtet. Eine gewickelte flexible Schaltung 48, die die einzelnen Wandlerelemente mit Anschlussstiften 50 am proximalen Ende der distalen Spitze verbindet, führt dem Wandler elektrische Signale zu und empfängt elektrische Signale von ihm. Die Wicklung der flexiblen Schaltung verhindert ein Brechen der elektrischen Leitungen auf der Schaltung durch wiederholtes Umbiegen, wie in der US-amerikanischen Patentschrift 4.426.886 erläutert. Der Wandler 30 ist in einer rotierenden Wandlerhalterung 32 montiert. Auf der Rückseite der Halterung befindet sich eine Welle 34. Um die Welle herum ist ein Wandlerantrieb 36 montiert. Diese Antriebsvorrichtung wird durch die Drehung der Antriebswelle 42 der distalen Spitze gedreht, deren Bewegung durch ein Schneckengetriebe 40, ein Schneckenrad 38 und ein zwischengeschaltetes Zwischenrad 37 an die Antriebsvorrichtung übertragen wird. Ein Haltering 46 hält die Spitzen-Antriebswelle 42 in der distalen Spitze in ihrer Position. Das distale Ende der Spitzen-Antriebswelle 42 ist mit einem quadratischen Loch 44 versehen, das zur Aufnahme der Gastroskop-Antriebswelle 52 dient.
Die Anschlussstifte 50 am distalen Ende der Sondenspitze 14 passen in die Buchsen 51 am distalen Ende des Gastroskopschlauchs. Wenn die Anschlussstifte in die Buchsen einrasten, rastet das quadratische Ende der Gastroskop-Antriebswelle 52 in das quadratische Loch 44 in der Antriebswelle 42 der distalen Spitze ein, um den Wandler in seiner Halterung 32 zu drehen. Gleichzeitig rasten metallische Federstifte 60, 60' in die Anschlussabschirmungen 62, 62' in dem Gastroskop ein, um die elektrische Abschirmung der Anschlüsse zu vervollständigen. Auf Wunsch können ein oder mehrere Führungsstifte zwischen der distalen Spitze und dem Gastroskopschlauch verwendet werden, um diese Verbindungen passend zu führen. Wenn die Verbindungen hergestellt werden, wird ein Gewindering 58 auf dem Gastroskopschlauch auf das mit einem Gewinde versehende Ende 56 der distalen Spitze geschraubt, um die beiden Teile fest miteinander zu verbinden. Auf Wunsch können die Gewindearmaturen mit einem Verriegelungsmechanismus versehen werden, um zu verhindern, dass sich die Verbindung der beiden Teile unbeabsichtigt löst.
2c zeigt die Befestigung der distalen Spitze 14 an dem Gastroskopschlauch 12. Die Anschlussbuchsen 51 sind mit einzelnen Koaxialdrähten 54 verbunden, die elektrische Signale zum und vom Wandler durch das Gastroskop und letztlich an den Anschluss 18 und das Ultraschallsystem übertragen. Ebenfalls in diesen Figuren dargestellt ist das distale Endglied 68 des Mechanismus, der die distale Spitze der Sonde biegt.
3 zeigt eine Endansicht des Gastroskopschlauchs in mehreren Querschnittebenen, die die relative Positionierung einer Anzahl von Komponenten darstellt. Die Antriebswelle 52 verläuft durch die Mitte des Gastroskopschlauchs. Am Ende des Schlauchs sind die Anschlussbuchsen zu sehen, die in zwei Gruppen auf den jeweiligen Seiten des Schlauchs angeordnet sind. Eine Gruppe von Anschlüssen ist in einem „D"-förmigen Abschirmungsrohr aus Messing 64 untergebracht, während die andere Gruppe in einem zweiten Abschirmungsrohr aus Messing 66 angeordnet ist. Die getrennte Gruppierung reduziert das Nebensprechen während des Wandlerbetriebs im CW-Doppler-Modus. Dies wird dadurch erreicht, dass die sendenden Wandlerelemente durch die Anschlüsse in einer Gruppe verbunden werden und die empfangenden Wandlerelemente durch die Anschlüsse in der anderen Gruppe. Durch die Trennung der beiden Gruppen und die Schaffung einer separaten Abschirmung wird das Nebensprechen zwischen den sendenden und den empfangenden Signalleitungen reduziert.
Die Biegungs-Steuerkabel laufen bei den in 3 mit 67 bezeichneten Positionen durch den Gastroskopschlauch. Die Enden der Kabel enden an den in den 2a bis 2c mit 69 bezeichneten Stellen.
In den 6a und 6b sind vergrößerte Ansichten des Wandlers 30 dargestellt. Eine Platte aus piezoelektrischem Keramikmaterial 30 ist anfänglich auf ihren beiden planaren Oberflächen und an den Kanten mit einer metallischen Elektrodenbeschichtung versehen. Durch Laserschneiden oder Photolithographie werden anschließend in der durch die Pfeile 94 angegebenen Längsrichtung Löcher in der Elektrodenbeschichtung angebracht. Die Keramikplatte und ihre metallische Beschichtung werden dann durch eine Zerteilung in Querrichtung wie durch den Pfeil 96 angegeben in einzelne Wandlerelemente und Elektroden zerteilt. Dadurch erhält man eine Reihe von Wandlerelementen und Elektroden, wie in den 6a und 6b dargestellt. Auf einer planaren Oberfläche des Wandlers 30 befinden sich Signalelektroden 90, die ein Ende der Wandlerelemente umschließen. Auf der anderen planaren Oberfläche des Wandlers befinden sich Rücklaufelektroden 92, die das andere Ende der Wandlerelemente umschließen, wie in 6a dargestellt. An den Elektroden an den Enden jedes Elements sind metallische Finger 49, 49' angebracht, die von der flexiblen Schaltung 48 ausgehen.
Die mit Laser gebildeten Schnitte und Kerben führen zu einer abwechselnden Anordnung der Signal- und Rücklaufenden der Wandlerelemente von einem Element zum nächsten. Das bedeutet, dass die metallischen Finger 49 mit den Signalelektroden 90 verbunden sind und die in im Zwischenraum angeordneten metallischen Finger 49' mit den Rücklaufelektroden 92 verbunden sind. Die alternierenden Muster sind von einem Ende des Wandlers zum anderen versetzt, weil jeder Signalfinger einem Rücklauffinger an dem anderen Ende jedes Elements gegenüberliegen muss. Durch die abwechselnde Anordnung der Signal- und Rücklaufverbindungen wird das Nebensprechen zwischen Elektroden und Verbindungen reduziert.
In den 7a und 7b sind weitere Details in Bezug auf die Konstruktion des Wandlers 30 in der Wandlerhalterung 32 dargestellt. 7b zeigt eine vergrößerte Ansicht des in 7a mit einem Kreis markierten Bereichs. Der Wandler 30 verfügt über eine passende Schicht oder Schichten 102, die über der sendenden Oberfläche des Wandlers liegen, und wird durch Trägermaterial 104 unterstützt. Der Wandler 30 ist durch akustisches Linsenmaterial 106 auf der Vorderseite und Epoxid 108 auf der Rückseite komplett in der Wandlerhalterung 32 eingeschlossen. Eine Aluminiumfolie 100 ist in das Linsenmaterial auf der Vorderseite des Wandlers 30 eingebettet und erstreckt sich zur Rückseite des Wandlers, wo sie mit einer Wärmesenke 118 verbunden ist. Die Wandlerhalterung dreht sich in ihrem Abteil in dem distalen Ende der Sonde, indem sie sich gegen Kugellager 110 bewegt, die um den Umfang der Wandlerhalterung 32 herum angeordnet sind. Eine Mylar^® Folie 114 bedeckt die Vorderseite der Wandlerhalterung und des Wandlers und wird durch einen Klemmring 116 festgehalten. Die Innenfläche der Mylar^® Folie ist mit Aluminium beschichtet. Eine dünne Ölschicht füllt den Zwischenraum zwischen dem Linsenmaterial und der mit Aluminium beschichteten Innenfläche der Mylar^® Abdeckung.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass die am meisten zu bevorzugenden Linsenmaterialien eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweisen. Hierdurch kommt es zu einer Wärmeansammlung in der Nähe des Wandlers. Wenn nur bestimmte Elemente des Wandlers aktiviert werden, wie dies im Allgemeinen bei CW-Doppler der Fall ist, können sich heiße Flecken in der Nähe der aktiven Elemente entwickeln. Die eingebettete Aluminiumfolie 100 in der Vorderseite des Wandlers trägt dazu bei, diese Wärmeansammlung zu reduzieren, indem sie die sich an den heißen Flecken entwi ckelnde Wärme verteilt und die im Linsenmaterial eingefangene Wärme an eine Wärmesenke hinter dem Wandler und weg von der mit dem Patienten in Berührung kommenden Sondenoberfläche leitet. Obwohl eine Reihe von verschiedenen Metallen für die Folie 100 verwendet werden können, bevorzugen die Erfinder der vorliegenden Erfindung Aluminium, weil sich dieses Material für thermische/akustische Anwendungen besonders bewährt hat. Aluminium wurde aufgrund seines hohen Verhältnisses zwischen thermischer Leitfähigkeit und Massendichte gewählt, das es für diese Anwendung geeignet macht. Andere Materialien mit günstigen Verhältnissen, zum Beispiel Graphit oder supraleitende Werkstoffe, können für andere Anwendungen zu bevorzugen sein.
Die Aluminiumschicht in der Innenfläche der Abdeckung 114 dient einem ähnlichen Zweck. Wärme, die zur Vorderseite des Linsenmaterials wandert, wird verteilt und zu den Seiten der Wandlerhalterung hin geleitet, wo sie durch die Gehäusestruktur, die die Wandlerhalterung umgibt, weiter abgeführt wird. Es hat sich gezeigt, dass die Kombination dieser beiden Verfahren zur Wärmeabführung den längeren Einsatz der TEE-Sonde innerhalb medizinisch sicherer thermischer Grenzen ermöglicht.
In den 4a bis 4c und 5a bis 5c ist der Gelenkmechanismus 70 am distalen Ende des Gastroskopschlauchs 12 dargestellt. 4a zeigt eine einfache Abbildung der Verbindungsglieder des Mechanismus 70. Alle zentralen Glieder 72 sind identisch und durch eine relative 90°-Versatz-Drehung von einem Glied zum nächsten miteinander verbunden. Auf Wunsch können spezielle Endglieder, die nur an einer Seite verbunden sind, wie zum Beispiel das bei 68 dargestellte Endglied, an beiden Enden des Mechanismus verwendet werden. Die Verbindung von gegenüberliegenden breiten Fingern 80 und 80' auf gegenüberliegenden Seiten der Glieder sorgt dafür, dass jedes Glied relativ zu seinem Nachbarn geschwenkt werden kann, und aufeinanderfolgende Schwenkachsen sind in 90° zueinander ausgerichtet. Das bedeutet, dass bei einer Biegung des Gelenkmechanismus 70 in einer Richtung die Biegung durch Schwenken des Mechanismus bei alternierenden Achsen zwischen jedem zweiten Glied erreicht wird. Wenn der Mechanismus in einer zweiten Richtung gebogen wird, die in Bezug auf die erste Richtung 90° versetzt ist, werden die zwischengefügten, alternierenden Achsen geschwenkt. Bei dazwischen liegenden Ausrichtungen verursacht das Biegen ein Schwenken aller Achsen.
Die Verbindung der Glieder 72 in 90°-Abwechslung sorgt dafür, dass die dazwischen liegenden Begrenzungsanschlagzungen 74 auf gegenüberliegenden Seiten der Glieder einander gegenüberliegen. Wenn der Gelenkmechanismus gebogen wird, begren zen die Begrenzungsanschlagzungen das Schwenken von einem Glied zum nächsten. Es sei zum Beispiel angenommen, dass jede Begrenzungsanschlagzunge das Schwenken auf 10° begrenzt. Wenn der Gelenkmechanismus in einem maximalen Winkel von 90° gebogen werden soll, wären achtzehn Glieder notwendig, weil das Schwenken in einer bestimmten Richtung durch jede zweite Schwenkachse geschaffen wird, wie in 4c dargestellt. Die Verwendung von Begrenzungsanschlagzungen beschränkt die Biegung von einem Glied zum nächsten auf einen für die Anwendung geeigneten Winkel, wobei die gewünschten Abmessungen der Passage durch die Mitte der Glieder, die bei TEE-Sondenanwendungen die elektrischen Kabel, eine Wandler-Antriebswelle und die Biegungs-Steuerkabel enthält, beibehalten bleiben.
4b und die 5a bis 5c zeigen die bevorzugte Ausführungsform der Begrenzungsanschlagzungen, die aus schmalen Fingern 78 gebildet wird, die in die schmalen Finger des gegenüberliegenden Glieds greifen. Die Begrenzung wird erreicht, wenn die schmalen Finger von einem Glied in die schmalen Finger des gegenüberliegenden Glieds greifen und das Ende jedes Fingers den Hauptkörper 86 des gegenüberliegenden Glieds berührt. Die 5a bis 5c zeigen auch die breiten Finger 80, 80' jedes Glieds. Die breiten Finger 80, die sich an den gegenüberliegenden Seiten an einem Ende jedes Glieds befinden, tragen hervorstehende Bolzen 82. Die breiten Finger 80', die um jedes Glied herum 90° versetzt in Bezug auf die Finger 80 angeordnet sind, sind mit einem Loch 84 versehen, in das ein Bolzen von einem verbindenden Glied eingeführt wird. Die ineinandergreifenden Finger und die miteinander verbundenen Löcher und Bolzen verleihen dem Gelenkmechanismus 70 eine außerordentliche Torsionssteifigkeit. Diese Torsionssteifigkeit verhindert ein Verdrehen der Sondenspitze in Bezug auf den Gastroskopschlauch, wenn der Arzt die Sonde im Körper dreht.
5a zeigt eine Reihe von vorspringenden Teilen um den inneren Umfang des zentralen Körpers 86 jedes Glieds herum, wobei jedes vorspringende Teil ein Loch 67 hat. Wenn die Glieder miteinander verbunden sind, fluchten die Löcher 67 des Mechanismus und führen die Biegungs-Steuerkabel des Gastroskops.
Zusätzlich zu der Torsionssteifigkeit weist der Gelenkmechanismus 70 im Wesentlichen kein Torsionsspiel auf, wenn er durch das Spannen oder Bremsen der Biegungs-Steuerkabel beansprucht wird. Der Gelenkmechanismus behält also seine Form ohne sich zu Verdrehen, wenn die Sondenspitze gebogen und in verschiedenen Positionen arretiert wird. Die Glieder des Gelenkmechanismus rasten leicht ein, indem die Bolzen 82 in die Löcher 84 eingeführt werden. Die Glieder bestehen aus Messing oder vorzugsweise aus Edelstahl, um eine elektrische Abschirmung für die enthaltenden Drahte und eine lange Lebensdauer für den Gelenkmechanismus zu erreichen. Außerdem hat sich gezeigt, dass die bevorzugten Finger eine im Wesentlichen kontinuierliche tragende Fläche auf der Außenfläche des Gelenkmechanismus bilden, wie in 4b dargestellt. Es hat sich gezeigt, dass die Oberfläche mit einer Ummantelung versehen werden kann und sich trotzdem immer noch leicht biegen lässt, ohne die äußere Ummantelung einzuklemmen oder zu quetschen.
Der Gelenksteuermechanismus, der sich in dem Handgriff 10 befindet, ist in den 8a und 8b sowie in 9 dargestellt. Die Komponenten des Handgriffs 10 sind auf einem länglichen Chassis 120 montiert, das in dem Handgriffgehäuse enthalten ist. Der Rechts-Links-Steuerknopf 24 ist über eine Welle 122 mit der Rechts-Links-Riemenscheibe 126 verbunden. Ein Steuerkabel 130 ist um die Scheibe 126 gewickelt und läuft durch einen Kabelträger 133, durch den Gastroskopschlauch 12 und durch die sich gegenüberliegenden fluchtenden Löcher 67 des Gelenkmechanismus 70 zu den Befestigungspunkten 69 am distalen Ende des Gastroskops.
Auf ähnliche Weise ist der Vorwärts-Rückwärts-Steuerknopf 26 mit einer Vorwärts-Rückwärts-Riemenscheibe 128 verbunden. Ein Kabel 130' ist um die Riemenscheibe 128 gewickelt und läuft in ähnlicher Weise durch den Kabelträger 133, den Gastroskopschlauch 12 und das andere Paar der gegenüberliegenden fluchtenden Löcher 67 des Gelenkmechanismus zu den Kabelbefestigungspunkten 69. Ein Spannschloss 132, 132' befindet sich auf einer Linie mit jedem Kabel, um die Kabelspannung zu justieren.
Die Welle 122 wird in einem Rohr 124 geführt, das mit dem Chasiss 120 der Sonde verbunden ist. Das Rohr 124 durchquert die Mitte des Knopfs 26 und der Riemenscheibe 128 und ist an seinem Ende zwischen den beiden Steuerknöpfen mit einer Begrenzungsnocke 134 versehen. Aus dem Rechts-Links-Steuerknopf 24 ragt ein Begrenzungsanschlagstift 138 nach unten, der die Strecke 138' zurücklegt, wenn der Knopf 24 gedreht wird. Auf ähnliche Weise ragt aus dem Vorwärts-Rückwärts-Steuerknopf 26 ein Begrenzungsanschlagstift 136 nach oben und legt eine Strecke 136' zurück, wenn der Knopf 26 gedreht wird. Die Strecken 136' und 138' sind je nach dem gewünschtem Biegungsbereich, der durch den jeweiligen Knopf gesteuert werden soll, unterschiedlich. Bei TEE-Sonden nach dem Stand der Technik befinden sich die Biegungsbegrenzungsanschläge am distalen Ende des Endoskopschlauchs. Sollte der Arzt die Kabel überlasten oder die Steuerknöpfe zu weit drehen, können die distal angeordneten Begrenzungsanschläge überbeansprucht werden oder ausfallen, was Schäden an der TEE-Sonde, eine Verletzung des Patienten oder beides zur Folge hat. 9 zeigt, dass die Begrenzungsanschläge vorzugsweise im Handgriff untergebracht sind, wobei die Begrenzungen durch das Chassis des Handgriffs selbst vorgegeben werden. Wenn die Steuerknöpfe gegen diese Begrenzungsanschläge gedreht werden, wird kontinuierlich eine Kraft auf den Handgriff ausgeübt und nicht auf das distale Ende des Endoskops, wodurch die Möglichkeit einer Beschädigung der TEE-Sonde und der Verletzung des Patienten reduziert wird.
Die 8a, 8b und 10 zeigen die Bremse für den Gelenkmechanismus 70. Der Arzt betätigt die Steuerknöpfe 24 und 26, bis die Spitze der Sonde in die gewünschte Position gebogen wurde, um die Ultraschallinformationen vom Patienten aufzunehmen. Wenn der Wandler ordnungsgemäß positioniert ist, möchte der Arzt den Gelenkmechanismus in seiner aktuellen Position arretieren. Zu diesem Zweck ist für jede Gelenkausrichtung eine Bremse vorgesehen.
Eine erste Bremse ist für die Rechts-Links-Riemenscheibe 126 vorgesehen und eine zweite Bremse für die Vorwärts-Rückwärts-Riemenscheibe 128. Aus einer Seite des Handgriffs 10 ragt ein Paar Arretiertasten 28' für die Bremsen und aus der anderen Seite des Handgriffs ein Paar Entriegelungstasten 28. Durch Drücken der Arretiertaste 28' wird eine hin- und hergehende Gelenkbremsennocke 140a oder 140b in die durch den Pfeil 152 angegebene Richtung bewegt. Die Nockenoberfläche 141 der betreffenden Nocke wird dann einen Druck gegen einen betreffenden Nockenstößel 142a oder 142b eines Bremsenschlittens 146a oder 146b ausüben, die jeweils mit verschiebbaren Stützen 150 am Chassis befestigt sind. Die Bremsschlitten werden mit einer Feder 148a oder 148b vorgespannt, und die Nockenstößel sind mit einem Stift 144a oder 144b verbunden, der es den Nockenstößeln ermöglicht, sich gegen die Federn zu bewegen. Wenn die Bremse in die vollkommen arretierte Position gebracht wird, bewegt sich der Bremsenschlitten ca. 0,0762 cm (0,030 Zoll) und übt eine Kraft von ca. 18 Pfund auf die Riemenscheibe aus.
Wenn sich der Bremsschlitten gegen die Riemenscheibe bewegt, drückt er auch gegen einen druckempfindlichen Schalter bei 154 in 10 und schließt ihn. Das Schließen des Schalters signalisiert, dass die Arretierung eingerastet ist, und bringt eine LED am Handgriff zum Leuchten, wie beispielsweise die Handgriff-LED-Lampen in der US-amerikanischen Patentschrift 5.050.610. Das Schaltersignal wird über den Anschluss 18 auch einem Ultraschallsystem zugeführt, um die Anzeige der Meldung „BRAKE ON" (Bremse aktiviert) auf dem Display des Ultraschallsystems zu erzeugen. Diese beiden An zeigen, eine auf dem Display des Ultraschallsystems und die andere am Handgriff der TEE-Sonde, machen den Arzt darauf aufmerksam, dass die Bremse eingerastet ist und die Sondenspitze in einer gebogenen Stellung arretiert ist. Diese Warnung soll den Arzt darauf hinweisen, dass die Bremse erst wieder entriegelt werden muss, bevor die TEE-Sonde aus dem Körper des Patienten herausgezogen wird, weil das Entfernen einer TEE-Sonde, deren Spitze in eine gekrümmte Position gebogen ist, zu einer Reizung der Speiseröhre oder einer anderen Verletzung des Patienten oder der Sonde führen kann.
Die TEE-Sonde der vorliegenden Erfindung wurde jedoch so konzipiert, dass Verletzungen aufgrund einer Entfernung der TEE-Sonde, die in einer gebogenen Stellung arretiert ist, vermieden werden. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass eine auf die Riemenscheiben als Bremse ausgeübte Kraft von 8,165 kg (18 Pfund) durch die Ausübung einer wesentlich geringeren Kraft am Ende einer gebogenen Sonde überwunden werden kann. Wenn die Sonde also in einer arretierten, gebogenen Position entfernt wird, wird die kleine Kraft der Speiseröhrenwand, die gegen die Spitze der Sonde drückt, kombiniert mit der Hebelwirkung der gebogenen Spitze die Bremskraft überwinden und die Sonde begradigen. Die Sonde wird mit wenig oder ganz ohne Reizung des Patienten entfernt, auch wenn sie in einer arretierten, gebogenen Position herausgezogen wird.
In den 8a, 8b und 11 ist das System zur Steuerung der Wandlerdrehung dargestellt. Bei jeder der Tasten 20 und 22 zum Drehen des Wandlers handelt es sich um einen Schalter mit drei Stellungen. Die normale Stellung ist aus, die erste Einrastung ist Position 1 und die zweite Einrastung Position 2. Wenn ein Schalter in die erste Einrastposition gebracht wird, wird sich der Wandler langsam drehen. Wenn der Schalter 20 gedrückt wird, erfolgt diese Drehung mit dem Uhrzeigersinn, und wenn der Schalter 22 gedrückt wird, erfolgt die Drehung gegen den Uhrzeigersinn. Wenn ein Schalter in die zweite Einraststellung gebracht wird, führt dies zu einer schnelleren Drehung des Wandlers mit oder gegen den Uhrzeigersinn.
Die verschiedenen Zustände der Schalter 20 und 22 werden über die Leitungen 162 und den Anschluss 18 an das Ultraschallsystem weitergeleitet, interpretiert und in Motoransteuerungssisgnale für den Motor 160 umgewandelt, die über den Anschluss 18 und die Leitungen 164 zugeführt werden. Der Motor wird im Uhrzeigersinn, gegen den Uhrzeigersinn, langsam oder schnell angesteuert.
Die Drehung der Motorwelle wird durch eine Rutschkupplung 172 an ein Zahnrad 170 übertragen. Das Zahnrad 170 dreht ein Zwischenrad 168, das seinerseits ein Zahnrad 174 dreht. Das Zahnrad 174 ist mit der Welle eines Potentiometers 180 verbunden und dreht auch das Zahnrad 176 am Ende der Antriebswelle 52. Die Drehung der Antriebswelle dreht das Schneckengetriebe 40, das Schneckenrad 38, das Zwischenrad 37, das Wandler-Antriebszahnrad 36, die Wandlerhalterungswelle 34 und schließlich die Wandlerhalterung und den Wandler 30. Auf diese Weise wird die Bildebene 200 des Wandlers im Körper des Patienten gedreht.
Wenn sich die Welle des Potentiometers 180 synchron mit dem Motor dreht, sendet sie Signale durch die Leitungen 166 an das Ultraschallsystem, die interpretiert werden, um die relative Ausrichtung der Bildebene 200 zu ermitteln. Diese Ausrichtungsinformationen werden im Allgemeinen auf dem Display des Ultraschallsystems angezeigt, wie in der US-amerikanischen Patentschrift 5.207.225 beschrieben.
Das Wandler-Antriebszahnrad 36 hat eine bogenförmige Öffnung 192, in die ein Begrenzungsanschlagstift 190 für die Wandlerdrehung greift. Der Anschlagstift 190 und die Öffnung 192 begrenzen dadurch das Ausmaß der Wandlerdrehung in beiden Richtungen. Wenn der Benutzer den Motor 160 weiterhin ansteuert und sich der Anschlag am Ende seines Bereichs befindet, wird die Reibung der Rutschkupplung 172 überwunden. Der Motor dreht sich weiter, jedoch wird sich der Motorgetriebezug aufgrund der Wirkung der Rutschkupplung 172 nicht drehen.
Schließlich erhalten der rotierende Wandler und die Bildebene eine vorgegebene nominale oder „Ausgangs"-Ausrichtung. Im Allgemeinen ist bei dieser Ausrichtung die Bildebene 200 parallel oder senkrecht zu dem nicht gebogenen Schlauch des Gastroskops ausgerichtet. Wenn die beide Tasten 20 und 22 gleichzeitig gedrückt werden, befiehlt das Ultraschallsystem dem Motor 160, den Wandler in diese Ausgangsposition zu drehen. Das Ultraschallsystem überwacht die Signale vom Potentiometer 180, wenn der Wandler in die entsprechende Richtung gedreht wird, um dafür zu sorgen, dass die Signale vom Potentiometer zu einem Signal konvergieren, das die Ausgangsposition angibt. Wenn der Arzt etwas in dem Bild feststellt, während der Wandler in die Ausgangsposition gedreht wird, oder wenn er beschließt, die Rotation noch einmal inkrementell zu steuern, wird durch Betätigen eines beliebigen Schalters während der Ausgangsposition-Sequenz die Sequenz beendet und der Arzt kann die Tasten 20 und 22 wieder normal betätigen.

Claims

Ultraschallwandlersonde mit einem piezoelektrischen Wandler (30) an der distalen Spitze (14) der Sonde zur Ultraschallabtastung einer Vielzahl von Ebenen im Körper von einem Hohlraum des Körpers aus, und der drehbar beweglich ist, weiterhin mit Drehungs-Steuermitteln (20, 22) zum Steuern der Drehung des genannten im Körper befindlichen Wandlers zwischen einer ersten und einer zweiten Position, an der jeweils eine entsprechende Ebene abgetastet werden kann, und mit einem Gelenkmechanismus (70) zum Biegen der Sondenspitze, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin Folgendes umfasst: einen durch einen Motor (160) angetriebenen Mechanismus zum Drehen des Wandlers (30) in zwei Richtungen mit zwei Drehgeschwindigkeiten, und einen Biegungs-Steuerungsmechanismus (24, 26) zum Steuern des Gelenkmechanismus (70), der durch einen Arretiermechanismus (28, 28') arretiert werden kann.
Ultraschallwandlersonde nach Anspruch 1, wobei die genannten Drehungs-Steuermittel (20, 22) auf die Anwahl durch einen Benutzer reagieren, um den genannten Wandler (30) mit einer ersten vorgegebenen Geschwindigkeit und einer zweiten vorgegebenen Geschwindigkeit, die geringer als die erste Geschwindigkeit ist, in mindestens eine Richtung zu drehen.
Ultraschallwandlersonde nach Anspruch 2, wobei der genannte motorgetriebene Mechanismus (160) auf die genannten Drehungs-Steuermittel (20, 22) reagiert, um den genannten Wandler (30) von der genannten ersten Position in die genannte zweite Position zu bewegen.
Ultraschallwandlersonde nach Anspruch 3, wobei der genannte motorgetriebene Mechanismus (160) einen Motor mit zwei Geschwindigkeiten zum Bewegen des genannten Wandlers (30 aus der genannten ersten Position in die genannte zweite Position umfasst und wobei die genannten Drehungs-Steuermittel (20, 22) Mittel zum Wählen der genannten ersten vorgegebenen Geschwindigkeit oder der genannten zweiten vorgegebenen Geschwindigkeit umfassen.
Ultraschallwandlersonde nach Anspruch 4, wobei die Drehungs-Steuermittel (20, 22) zwei Wandler-Drehungstasten (20, 22) umfassen, die in einem Handgriff (10) der Sonde angeordnet sind, und wobei jede Wandler-Drehungstaste ein Schalter mit drei Positionen ist, der über eine erste Einrastposition und eine zweite Einrastposition zum Steuern der ersten und der zweiten Geschwindigkeit zur Drehung des Wandlers verfügt; und wobei der erste Schalter (20) und der zweite Schalter (22) jeweils die Drehung des Wandlers mit dem Uhrzeigersinn bzw. gegen den Uhrzeigersinn steuern.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei der motorgetriebene Mechanismus ein Wandler-Antriebszahnrad (36) mit einem Begrenzungsanschlagsystem (190, 192, 172) umfasst, um die Wandlerdrehung in einer ersten Position bei einer ersten stationären Wandlerausrichtung zu stoppen, von der aus eine erste Ebene elektronisch abgetastet werden kann, oder in einer zweiten Position bei einer zweiten stationären Wandlerausrichtung, von der aus eine zweite Ebene elektronisch abgetastet werden kann.
Ultraschallwandlersonde nach Anspruch 6, wobei der genannte sich drehende Wandler eine Ausgangsposition hat, die in Bezug auf das genannte distale Ende der genannten Sonde festliegt, um die Bewegung des genannten Wandlers zu beenden, und wobei die genannten Drehungs-Steuermittel (20, 22) Auswahlmittel umfassen, die auf eine Aktivierung durch den Benutzer reagieren, um den genannten Wandler (30) automatisch aus seiner aktuellen Position in die genannte Ausgangsposition zu bewegen.
Ultraschallwandlersonde nach Anspruch 1, wobei der Biegungs-Steuermechanismus (24, 26, 28, 28') Folgendes umfasst: Mittel zum Biegen der Sondenspitze in einer von vier Richtungen vom Handgriff (10) aus durch ein Rechts-Links-Biegungs-Steuermittel (24) und ein Vorwärts-Rückwärts-Biegungs-Steuermittel (26), und Mittel zum Arretieren und Freigeben des Biegungs-Steuermechanismus (24, 26) mit Hilfe von Bremsen-Steuermitteln (28, 28'), die in einem Handgriff (10) der Sonde angeordnet sind.
Ultraschallwandlersonde nach Anspruch 8, die Folgendes umfasst: einen biegsamen Gelenkabschnitt (70), der mit dem genannten distalen Ende (14) verbunden ist; einen Gastroskopschlauch-Abschnitt (12), der zwischen dem Handgriff (10) und dem genannten biegsamen Gelenkabschnitt (70) angeordnet ist; und Biegungs-Steuerknöpfe (24, 26) am Handgriff, die mit dem genannten Gastroskopschlauch-Abschnitt (12) gekoppelt sind und mit dem genannten biegsamen Gelenkabschnitt (70) verbunden sind, um die Bewegung des genannten biegsamen Gelenkabschnitts in den genannten vier Richtungen zu steuern; mit Begrenzungsanschlägen (134, 136, 138, 138'), die bei den genannten Biegungs-Steuerknöpfen (24, 26) angeordnet sind, um den Bewegungsbereich des genannten biegsamen Gelenkabschnitts (70) in jeder der genannten vier Richtungen zu begrenzen.
Ultraschallwandlersonde nach Anspruch 9, die weiterhin Folgendes umfasst: Anschlussmittel (50, 51) zum Trennen des genannten distalen Endes von dem genannten Gastroskopschlauch-Abschnitt und zum erneuten Verbinden des genannten distalen Endes mit dem genannten Gastroskopschlauch-Abschnitt, damit der Benutzer die Wandler austauschen kann.
Ultraschallwandlersonde nach Anspruch 1, die weiterhin Folgendes umfasst: Mittel zum Arretieren des genannten Gelenkabschnitts in seiner aktuellen Position, wenn er sich innerhalb des Körpers befindet, wobei die genannten Arretierungsmittel eine Kraft ausüben, die klein genug ist, um überwunden zu werden, während der genannte Gelenkabschnitt, der in der genannten, erheblich gebogenen Position arretiert ist, aus einer Passage des Körpers herausgezogen wird, so dass der Gelenkabschnitt nicht in der gebogenen Position verbleibt.
Ultraschallwandersonde nach Anspruch 1, die weiterhin Folgendes umfasst: Mittel, die auf die Arretierung des genannten Gelenkabschnitt-Arretiermechanismus reagieren, um ein Signal anzuzeigen, das auf die Arretierung des genannten Gelenkabschnitts hinweist.
Ultraschallwandlersonde nach Anspruch 9, die weiterhin Folgendes umfasst: eine Vielzahl von zylindrischen Gliedern, die an orthogonal alternierenden Schwenkachsen miteinander verbunden sind, wobei jedes Glied über Schwenkungsbegrenzungsanschläge verfügt, die einander an den Seiten der genannten Glieder gegenüberliegen, die durch die Schwenkachse des Glieds voneinander getrennt sind, so dass die durch die genannten gegenüberliegenden Schwenkungsbegrenzungsanschläge verlaufenden Achsen von einem verbundenen Glied zum nächsten alternieren.
Ultraschallwandlersonde nach Anspruch 1, wobei der genannte Wandler (30) eine Anordnung von Wandlerelementen zum elektronischen Abtasten einer Ebene im Körper umfasst.
Ultraschallwandlersonde nach Anspruch 1, wobei der genannte Wandler eine sendende Oberfläche hat, von der Ultraschallenergie ausgestrahlt wird und die eine akustische Linse umfasst, welche die genannte sendende Oberfläche des genannten Wandlers abdeckt, und eine mit dem Patienten in Berührung kommende Außenfläche; und Mittel zur Wärmeabführung, die in das Linsenmaterial eingebettet sind.
Ultraschallwandlersonde nach Anspruch 15, wobei die genannten, in das Linsenmaterial eingebetteten Mittel zur Wärmeabführung weiterhin Folgendes umfassen: eine Deckschicht, die zwischen der genannten aussendenden Oberfläche des genannten Wandlers und der genannten, mit dem Patienten in Berührung kommenden Fläche der genannten Linse angeordnet ist, und die einen erheblichen Bereich der genannten aussendenden Oberfläche abdeckt, um die durch den genannten piezoelektrischen Wandler erzeugte Wärme abzuführen.