JP6154027B2 - 超音波トランスデューサ方向制御 - Google Patents

Description

関連出願の参照
この出願は、２０１３年１月４日に提出され引用によりこの明細書中に援用される米国仮特許出願番号第６１／７４８，７７４号の利点を主張する。

発明の分野
本開示は、血管内部などの身体領域を画像化するように超音波を用いるための装置および方法を含む、人体内で超音波を使用するための装置および方法に関する。

背景
超音波技術は、身体内部の画像提供を含み得る、治療および診断の医学的手法に用いられてきた。たとえば、血管の状態および／または血管内に配置された装置の配置もしくは状態を調べるために血管内で超音波画像化を行使するための装置が提案されてきた。しかしながら、このような装置にはいくつかの問題が残されている。たとえば、このような多くの装置によって、組織の断面の画像または該当する他の部分の画像、すなわち血管内部を薄くスライスして得られた円盤状の画像、が得られるが、最善の状態の下であっても、その中心部分が超音波ビームの範囲から外れている。他のいくつかの装置においては、超音波ビームは、長手方向軸に対して実質的に垂直ではない固定された角度（たとえば、４５度）で方向付けられる。この場合、画像化された領域は、円錐形の表面の一部の形状に変化はないが、この場合も、中心部分が超音波ビームの範囲から外れている。いずれの場合にも、身体（たとえば、組織または装置の表面または部分）内におけるかなり長い部分を全体的に視覚化するために、装置は、その長さに沿って、特定の位置でそれぞれの断面画像を撮影しながら、移動させなければならない。このような動きは不正確であり、不可視の状態で装置を血管内に挿入することによるリスクが生じる可能性があり、また、低速になってしまう。典型的なプルバック画像は、撮影するのに（約０．１ｍｍ／ｓの速度で）約３０秒かかる。

三次元情報は、脈管構造内における装置のナビゲーションと装置の位置の確認とを支援するのに用いることができるという付加価値を与える。血管内の例においては、カテーテルを血管内で往復移動させることができ、超音波によって得られた画像データは、三次元情報を作成するために組合わせるかまたは処理することができる。しかしながら、正確で使用可能なデータを生成するために、カテーテル先端の動きおよび角度は認識されていなければならない。三次元画像は、カテーテルまたは他の装置内でアレイを移動させるために機械的アクチュエータに接続された１次元アレイによって得られてもよい。このような設計では費用がかかってしまい、一般には、装置内において、多くの血管が許容し得るよりもより多くの空間が必要となる。優れた画質を得るために、このようなアレイトランスデューサは、別個の多くのチャネル上で同時に送信および受信を行わなければならない。その状態では、高価でかさ高い多くの同軸ケーブルが必要となる。同軸ケーブルの数は減らすことができるが、そうすると、画像および画像フレーム率の質が低下する。

三次元情報を与えるために２つの軸を中心として移動するトランスデューサを含む超音波装置が提案されてきた。しかしながら、このような動きをもたらす機械的メカニズムはかさ高くなる傾向があり、狭い身体領域に適用するには不適切な大きさが必要となる。加えて、トランスデューサを移動させる際の問題が解決されなければならない。トルクケーブルを含む設計が問題になる可能性がある。実際には、十分に操作しやすいトルクケーブルは、弾性エネルギを溜め込んだり解放したりするので、ケーブルの一方端から他方端へのトルクの伝達が遅くなってしまう可能性があり、これにより、回転源が一定の速度で回転する場合であっても、トランスデューサアセンブリの回転速度が一定ではなくなってしまう。回転速度が一定でなくなると、結果として生じるデータまたは画像が歪んでしまう。これらの問題は、２本のトルクケーブルがトランスデューサの２軸運動に用いられる場合には、大きくなる。場合によっては、別個のモータを用いて、トランスデューサに動きをもたらすことができる。しかしながら、モータは追加の空間を必要とし、さらに、視界窓と交差して画像の一部を遮断してしまう制御ワイヤまたは構造部材などのさらなる不利点を含む可能性がある。加えて、複雑なモータの動きを制御するための既存のフィードバック機構は高価であり、かさ高くなる可能性がある。

たとえば、狭い身体領域の実質的な長さに沿って視界をリアルタイムで医師に提供するために、その長さに沿って超音波を三次元で正確かつ効率的に与える必要がある。また、特に医療装置および組織がいずれの二次元平面においても確実に画像化され得なかった場合に、医療装置および１つ以上の組織または組織部分を同時に視認可能にする装置も、依然として必要とされている。

概要
中でも、患者の身体内において２つの制御可能な自由度で超音波ビームを与えるための装置および方法が開示される。たとえば、このような装置は、超音波信号を発信および／または受信するためのトランスデューサと、モータとを含み得る。当該モータは、これを動作させることによって軸が回転軸を中心として回転するように、駆動軸と動作可能に結合されている。また、回動機構も含まれる。回動機構は、軸の回転に応じて回転するように軸に動作可能に接続されている。回動機構は、少なくとも１つの回動軸を中心として回動可能な回動部材を有する。回動軸は、回転軸に対して実質的に垂直である。回動部材は磁気層およびトランスデューサを含む。コイルは、モータと回動機構との間において、回転軸に対して同軸に、かつ回転軸に沿って位置決めされる。コイルは、コイルに電流を印加することによって回動軸を中心として回動部材上にトルクを発生させるように、複数の導電性巻線を含む。

磁気層は径方向永久磁石を含み得る。径方向永久磁石は、コイルに電流を印加することによって実質的に回転軸に沿って位置合わせされた第２の界磁極を発生させるように、回動軸に対して実質的に垂直に位置合わせされた第１の界磁極を有する。このようにして、第１の磁界と第２の磁界との間における相互作用により、回動部材上にトルクを発生させる。磁気層はまた、コイルに電流を印加することによって回転軸に沿って位置合わせされた第２の界磁極を発生させるように、トランスデューサ視野角に対して概ね平行に位置合わせされた磁極を有し得る。このようにして、第１の磁界と第２の磁界との間における相互作用により回動部材上にトルクを発生させる。コイルは、駆動軸の同心円外側に位置決めすることができる。

装置は、トランスデューサに付勢部材力を加えるように位置決めされた付勢部材を含み得る。付勢部材は、回動軸を中心として、かつ回動機構に対して相対的にトランスデューサを中立位置へと付勢する。トルクはコイルへの電流に依拠し得る。このため、当該トルクは付勢部材力に打ち勝つのには不十分である。この場合、付勢部材力によりトランスデューサが中立位置に戻される。付勢部材は、トランスデューサから信号を搬送するように構成された導体であってもよい。

回転軸を中心とした軸の回転と、回動軸を中心とした回動部材の回動とは、１つ以上の周波数または回転速度で別個に実施可能である。いくつかの場合においては、装置は、回動部材の角速度が超音波信号と軸の回転軸との角度に左右される１つ以上のモードで動作可能である。たとえば、装置は、回動機構が、超音波信号が回転軸により近い方向を指しているような状態であるときに、モータがより高速で回転するような動作モードを含み得る。装置はまた、回動機構が、超音波信号が回転軸から遠ざかる方向を指しているような状態であるときに、モータがより低速で回転するような動作モードを含み得る。

装置は、コイルのための構造支持部を提供する、モータおよび回動機構を囲む円筒形のシースを含み得る。シースはカテーテル壁であってもよい。加えて、装置はカテーテル内に位置決めすることができる。軸は、その内部に延びる内腔を含み得る。装置はまた、回動部材の回動運動を、その回動範囲の両端に制限するように位置決めされたリミットストップを含み得る。装置はまた、リミットストップが２つのアーム間に延在するバーとなるように、回動部材のための取付台を提供するアームを含み得る。トランスデューサは、トランスデューサから延在する視界窓を規定する範囲全体にわたって移動可能であり得る。装置は、視界窓内に不透明な特徴を含んでもよく、この不透明な特徴により、回動部材についての角度位置情報が得られるようになる。

磁気層は、トランスデューサに対して平行に位置決め可能であり、第２の回動軸を中心として回動可能であり、これにより、トランスデューサが磁気層の回動運動に応じて回動するように磁気層およびトランスデューサが接続されることとなる。

装置は、トランスデューサモータおよび回動機構を収容するための管状部材を含み得る。管状部材は、当該管状部材の壁部分によって少なくとも部分的に規定された遠位側チャンバを有し得る。遠位側チャンバハウジングは、トランスデューサおよび媒体を含んでもよく、これにより、壁部分および媒体が、管状部材が挿入される身体部分と同様の超音波通過特徴を有することとなり、これによりさらに、壁部分における媒体の境界と壁部分および身体環境の境界とにおける超音波の反射が、境界を介して画像化するのに許容可能なレベルにまで低減されることとなる。

本発明のさらなる形状、目的、特徴、局面、利益、利点および実施形態が、詳細な説明および添付の図面から明らかになるだろう。

回動機構およびモータを有する超音波装置の実施形態を示す例示的な斜視図である。 図１の超音波装置の実施形態を示す例示的な斜視図である。 図１の実施形態において使用され得る磁気層を示す例示的な斜視図である。 図１の実施形態において使用され得る代替的な磁気層を示す例示的な斜視図である。 図１の実施形態において使用され得る代替的な磁気層を示す例示的な斜視図である。 代替的な回動機構の実施形態を示す例示的な斜視図である。

選択された実施形態の説明
本開示の原理を理解し易くする目的で、ここで、添付の図面に示される実施形態を参照し、具体的な文言を用いてそれらを説明する。しかしながら、特許請求の範囲の限定がそれによって意図されるものではないことが理解されるだろう。記載される実施形態におけるいずれかの変更例およびさらなる変形例、ならびにこの明細書中に記載される開示の原理についてのいずれかのさらなる適用例は、本開示が関係する当業者に通常想起され得るものとして企図される。１つ以上の実施形態が図示され、詳細に説明されるが、明確にするために、それほど関連性のないいくつかの特徴が図示されない可能性があることが当業者に明らかになるだろう。

ここで図面を全体的に参照すると、内部超音波手順のための装置２０の例示的な実施形態が示される。このような装置は、診断または治療（非観血的なものを含む）に適用されてもよく、患者に経皮的に、皮下にまたは内腔に挿入される装置を含み得る。装置２０は、超音波トランスデューサから受取られるデータまたは信号を処理するための、コンソール（図示せず）を含むシステムとともに用いることができる。超音波コンソールは、一般に医療用超音波画像化に用いられるタイプであってもよく、たとえば、一般的には、医師によって使用可能な制御装置と、超音波処置中に得られるグラフィカル画像を表示するグラフィックディスプレイとを含む。装置２０は、たとえば、血管、尿道、尿管、膣、直腸、喉、耳などの身体のさまざまな位置で、または経皮的な穿刺によって人工管（または内腔）を通じて画像を得るために用いることができる。コンソール部分は、適合するピン配列を有する市販の超音波プローブもしくはカテーテル、または腔内処置用に構成される他の医療装置に接続することができる。装置２０は、超音波信号を送受信し、次いで、超音波信号から得られるデータをコンソールに通信することができる。

図１および図２において概略的に示される実施形態においては、装置２０は、内部のチャンバ２６を規定する壁２４を有するカテーテル２２または他の可撓性のある細長い部材もしくは管状の部材を含む。内部のチャンバ２６には、トランスデューサ２８、回動機構３０、モータ３２、およびコイル８０が含まれる。カテーテル２２は、身体の開口部または体腔内への挿入および／またはそれらに沿った移動が可能となるように、サイズ決めおよび構成される。以下にさらに説明されるように、回動機構３０は、トランスデューサ２８が装置２０の長手方向軸または回転軸を中心として回転することと、長手方向軸または回転軸に対して実質的に垂直な回動軸を中心として回動することとを可能にし、これにより、超音波の発信および受信方向が（回転軸に対して軸方向に）前方に、かつ（回転軸に対して径方向に）横方向に、延在することを可能にする。図示される実施形態においては、回転軸は、装置２０の長手方向軸であり（すなわち、カテーテル２２を通って軸方向に延在し）、回動軸は横軸（たとえば、長手方向軸に対して垂直）である。トランスデューサ２８は、モータ３２および回動機構３０とともに、トランスデューサ２８と超音波コンソールとの間のデータ信号通信線に沿ってやり取りされる超音波信号をさまざまな方向または向きで送受信することができる。

カテーテル２２は、図示される実施形態においては、プラスチックまたは他の頑強な可撓性材料からなる細長い装置である。カテーテル２２は、使用中においてユーザに最も近い制御端部（すなわち、近位端）と、使用中においてユーザの対象となる点に最も近い適用端部（すなわち、遠位端）とを含む。「制御」および「適用」という語は、これらの位置方向を説明するためにこの記載の全体にわたって用いられる。壁２４はチャンバ２６を取り囲み、チャンバ２６は図示される実施形態においては装置２０の適用端部にあるかまたは適用端部付近にある。壁２４および／またはカテーテル２２の制御端部は、使用中に患者の外部に延在してもよく、または患者の外部に延在する別の部品に取付けられてもよく、カテーテル２２を操作するための把手または他の操作部分において終端となっていてもよい。

カテーテル２２は、少なくとも一部が、超音波信号の通過に対して最小の障壁を呈し、それは、周囲の物質（たとえば、組織またはインプラント）の超音波画像が障壁を介して適度に得られ得る程度に十分に小さい。カテーテル２２は、周囲の作業環境に配置されたときに実質的にエコールーセントとなる材料から構築される（すなわち、超音波減衰がわずかであるか、または周囲環境との音響インピーダンスの差が小さい）部分を有し、当該部分が、音響窓として作用して、最小の反射で超音波信号が通過することを可能にする。カテーテル２２（たとえば、壁２４）の適用端部だけが音響的に透明である必要があるが、いくつかの実施形態においては、より多くのカテーテル２２またはすべてのカテーテル２２を壁２４と同じ材料から作成してもよいことが理解されるだろう。たとえば、体組織および血液を含む血管内において用いられる場合、カテーテル２２は、構造的に剛性であって血液などの体液の音響インピーダンスと同様の音響インピーダンスを有する材料から構築されることが好ましい。考えられ得る材料は、たとえば、高密度ポリエチレン、ポリメチルペンテン（polymethylpentene：ＰＭＰ）またはアクリロニトリルブタジエンスチレン（acrylonitrile butadiene styrene：ＡＢＳ）などの高分子材料を含み得る。場合によっては、少なくとも視界窓として作用するカテーテル２２の部分の厚みは、超音波信号の中心周波数に対応する波長の約Ｎ／２（Ｎは正の整数）であり得ることが明らかになった。

カテーテル２２または少なくともチャンバ２６の特定の実施形態は円筒形であり、血管内への挿入および血管内の通過、たとえば、大腿動脈への挿入および心臓に向けての大腿動脈内の通過などを行なえるようなサイズにされる。壁２４は、チャンバ２６に流体（たとえば、食塩水、オイルまたはアルコール）を注入することを可能にするためにポートまたは他の特徴を有してもよく、これにより、壁２４および周囲の身体環境（たとえば、血流）と同様または実質的に同一である超音波特徴をチャンバ２６に与え得る。軸受または他の封止部材は、図示される実施形態においては、モータ３２と、トランスデューサ２８、またはチャンバ２６のうちトランスデューサ２８および流体を含む部分、との間に配置することができる。

トランスデューサ２８は回動機構３０に取付けられて、トランスデューサ２８が、回転軸を中心として回転することおよび回動軸を中心として回動することを可能にする。図示される実施形態においては、回動機構３０は、基部５０と、基部５０から延びる整合アーム５６とを有する２軸ジンバルまたはジンバルタイプの取付台（またはヨーク）である。基部５０は、モータ３２が回動機構３０を回転させることができるように、モータ３２からの軸を収容する。回動部材５８は、アーム５６における穴６０を介してアーム５６に取付けられる。回動部材５８は、図示される実施形態においては、穴６０に嵌まり込み、心棒として機能する軸６１を有する円形ディスクであって、回動部材５８が軸６１によって規定される軸を中心として回動できるようにされている。トランスデューサに回動（または上昇）回転運動を与える他のジンバル構造が用いられてもよく、その例が、（「三次元内部超音波を使用するための装置および方法（Devices and Methods for Three-Dimensional Internal Ultrasound Usage）」と題された）出願連続番号第６１／７１３１７２号において説明され、その全体が引用によりこの明細書中に援用されている。

１つ以上の付勢部材６６は、特定の初期静止位置または中立位置へと回動部材５８を付勢する。図示される実施形態においては、付勢部材６６はねじりばねであって、一方端部においてまたは一方端部に向かってアーム５６に接続されており、他方端部において（たとえば、軸６１における溝に付勢部材６６の端部を挿入することによって）軸６１または回動部材５８に接続されている。ねじりばねは、螺旋状に形成されたばねであるが、但し、他のばね型も適している。第２の付勢部材６６（図示せず）は、他のアーム５６および軸６１または回動部材５８に同様に取付けられてもよい。図１および図２の実施形態においては、中立位置において、トランスデューサ２８は実質的に回転軸に沿って方向付けされる。たとえば、トランスデューサ２８は、回動部材５８を回転軸に対して概ね垂直にした状態で、回転軸と実質的に位置合わせされた視野角を有する。他の実施形態においては、中立位置は異なっていてもよい（たとえば、視野角が回転軸に対して実質的に垂直であってもよい）。

回動機構３０は１つ以上のリミットストップ６７を含む。リミットストップ６７は、部材５８の回動範囲を、回動範囲の両端において制限するかまたは範囲規定するように設けられる。図１および図２の実施形態においては、リミットストップ６７は、アーム５６に取付けられてアーム５６間に延在する細長い部材である。回動部材５８は、その回動範囲にわたって回動すると、回動範囲の各端部においてリミットストップ６７（たとえば、回動部材５８のうちトランスデューサ２８を有する側の裏面、または、回動部材５８のうちトランスデューサ２８を有するのとは反対側の表面）に当接する。このようにして、回動部材５８は、その一部がリミットストップ６７に当たるまで、約１８０度または約９０度の範囲にわたって、中立位置からいずれの方向にも自由に回転することができる。他の実施形態においては、リミットストップ６７は、一方のアーム５６もしくは両方のアーム５６の上に位置決めされてそこから延在するタブであってもよく、または、回動部材５８の回動運動を物理的に制限する別の好適な構造であってもよい。他の実施形態においては、リミットストップ６７は、回動部材５８の回動範囲を約９０度に制限するかもしくは範囲規定するように位置決めされ得るか、または、トランスデューサ２８の視野角が回転軸に対して実質的に平行になる位置とトランスデューサ２８の視野角が回転軸に対して実質的に垂直になる位置との間に位置決めされ得る。

先に述べたように、図示される実施形態においては、トランスデューサ２８は回動部材５８に取付けられる。回動部材５８はまた磁気層６８を含む。トランスデューサ２８は、図面において概略的に示される。「トランスデューサ」という語は、２つ以上の部品のアセンブリおよび単一の部品を含むものと理解されるべきである。この明細書中において用いられる「トランスデューサ」が、超音波信号を送信する（すなわち、電気（ＲＦ）信号を超音波に変換する）装置、超音波信号を受信する（すなわち、超音波を電気（ＲＦ）信号に変換する）装置、またはこれら両方を行う装置を含むことがさらに理解されるだろう。多数のトランスデューサまたは部品が設けられている場合、１つのトランスデューサにおいて超音波の送信が行われ、他のトランスデューサにおいて超音波の受信が行なわれてもよい。この明細書中に記載されるトランスデューサは、それぞれのトランスデューサとして１つ以上の圧電素子を有してもよく、身体内でまたは身体外で他のトランスデューサと組合わせて動作させてもよい。一例として、この明細書中において用いられる「トランスデューサ」は、回転および回動部材上における単一素子トランスデューサを含むか、または、回転および回動部材上における素子からなる１次元アレイを含む。

例示的なトランスデューサ２８は、本体または背部支持体４０を含み、少なくとも１つの超音波素子４２が背部支持体４０の一方側に取付けられている。例示的なトランスデューサ２８はまた１つ以上のクランプリングを含む。トランスデューサ２８は、素子４２の一方側に取付けられた整合層（図示せず）を含み得る。素子４２は、この実施形態においては、電気エネルギを音波に変換し、音波を電気エネルギに変換する能力を有する圧電素子である。背部支持体４０の一方側に図示されるように素子４２が位置決めされると、結果として、超音波ビーム方向が定められる。背部支持体４０は、超音波信号に対して実質的に不透明であってもよく、このため、そのような信号は、素子４２から外方向にのみ有効に投射される、たとえば、背部支持体４０から一方側に、または（回転軸に対して）径方向に限定された角度範囲に有効に投射される。整合層は、トランスデューサ２８とトランスデューサ２８を取り囲む媒体との間の整合されない音響インピーダンスを最小限にするために、概ね素子４２のそれとトランスデューサ２８を取り囲む媒体との間に音響インピーダンスを有する。トランスデューサ２８は、上述のように、たとえば２０ｋＨｚから１００ＭＨｚの範囲などの、典型的には医療超音波処置の際に用いられる周波数範囲で超音波を送受することができる単一素子トランスデューサであり得る。いくつかの例においては、トランスデューサ２８は、回転軸に沿って延在する素子からなる線形アレイを含み得る。クランプリングは、効率を改善し、トランスデューサ２８に機械的安定性を付加するよう定められている。

磁気層６８は、図示される実施形態においては、背部支持体４０に隣接して位置決めされるかまたは背部支持体４０と一体的に位置決めされる。磁気層６８は、背部支持体４０に隣接してトランスデューサ２８に取付けられた永久磁石であってもよい。代替的には、磁気層６８は、トランスデューサハウジングに組込まれてもよい。他の実施形態においては、磁石または磁性材料が複合材料または他の方法として背部支持層と一体化されてもよい。図１の実施形態においては、磁気層６８は、磁極が径方向に位置合わせされている概して筒状形状の永久径方向磁石６９（図３）であり、Ｎ極およびＳ極を通って延びる磁極軸が回動軸に対して概して垂直になっている。

特定の実施形態においては、回動部材５８は本体、基部または基板であって、その上に、トランスデューサ２８の背部支持体またはトランスデューサ２８自体が固定されている。他の実施形態においては、背部支持体４０は、回動機構３０において回動部材となるように軸６１を含んでもよく、または、別個の軸には、背部支持体４０もしくは磁気層６８が直接的もしくは間接的に固定されている回動機構３０が設けられてもよい。回動機構３０は、モータ３２から機構３０までの回転運動を伝達することによってトランスデューサ２８が回転軸を中心として回転することを可能にし、同時に、回動軸を中心として移動させるために磁気層６８にかかる引張り力または押圧力によってトランスデューサ２８が回動軸を中心として回転することを可能にする。回動部材５８は、このため、回動軸および回転軸の両方を中心として同時に回転させることができる。

モータ３２は、回動機構３０に接続するための回転軸７０を含む。軸７０は、締まり嵌めもしくは同様の嵌合によって回動機構３０に取付けることができるか、または、基部５０の穴内にある他の固定されたアタッチメント（たとえば、接着剤、はんだ、もしくは溶接）によって回動機構３０に取付けることができる。モータ３２は、カテーテル２２のチャンバ２６内に封じ込めるのに適した特定の実施形態における超小型モータである。このような超小型モータの例として、カテーテル２２のチャンバ２６内に封じ込めるのに適したサイズおよび構成を有する圧電モータまたは電磁モータが挙げられる。たとえば、モータ３２の特定の実施形態は、三相のコアレス、ブラシレスＤＣ電磁モータであって、構成要素が少なく、小型であり、複雑さが最小限にされている。他の例においては、圧電超小型モータは、高トルクを達成するために、かつトルクケーブルおよびロータリトランスに関する問題をなくすために、ギアヘッド（機械式トランスミッション）を必要としないという利点があるため、用いられてもよい。超小型モータ３２（たとえば、電磁または圧電）は、特定の実施形態においては０．３ｍｍから４ｍｍの範囲、たとえば約２．０ｍｍ、の直径を有する。いくつかの実施形態においては、軸７０は中空であり（すなわち、その内部を通る内腔が規定されている）、モータ３２の全体を通って延びている。軸７０を通る内腔により、電気導体、ガイドワイヤまたは他の構造が軸７０を通過することが可能となる。

モータ３２は、軸７０を単一の回転方向に連続的に回転させるように構成されてもよい。このような実施形態においては、回動機構３０およびトランスデューサ２８は、軸７０の回転軸を中心としてその一回転方向に回転させられる。逆起電力、トランスデューサ２８によって発信および／または受信される超音波信号、ならびに、モータ突極性のうち１つ以上をフィードバック機構として用いて、装置２０の残余部分に対してモータ３２（およびそれによって回転させられるトランスデューサ２８）の回転位置を正確に制御することにより、トランスデューサ２８を介して得られる画像を適切に位置合わせすることを確実にし得る。位置合わせは、「超音波装置のためのフィードバック／位置合わせ機構（Feedback/Registration Mechanism for Ultrasound Devices）」と題され、その全体が引用によりこの明細書中に援用されている出願連続番号第６１／７１３，１４２号において記載されている方法および構造によって実現することができる。モータ３２は、代替的には、往復運動で移動するように構成されてもよく、軸７０は、第１の回転方向（たとえば、所定の時間、円弧または巻数）と、第２の逆の回転方向（たとえば、所定の時間、円弧または巻数）とを切換える。往復運動するモータに関する方法および構造は、「往復運動する内部超音波トランスデューサアセンブリ（Reciprocating Internal Ultrasound Transducer Assembly）」と題され、その全体が引用によりこの明細書中に援用されている出願連続番号第６１／７１３，１３５号において説明されている。

コイル８０は、回転軸のまわりに、複数回、巻付けられるかまたは巻かれる導体である。他の実施形態においては、コイル８０は駆動コイルまたは螺旋形ワイヤである。図１および図２の実施形態においては、コイル８０は、モータ３２とトランスデューサ２８との間で軸方向に（回転軸に対して相対的に）位置決めされる。コイル８０はカテーテル２２の壁２４に隣接して位置決めされる。いくつかの実施形態においては、コイル８０は、チャンバ２６内に位置決めすることができ、壁２４の内面に隣接して、または壁２４の内面に当接して位置決めすることができる。他の実施形態においては、コイル８０は、壁２４の外面に隣接してまたは当接して位置決めすることができる。他の実施形態においては、コイル８０はカテーテル２２の壁２４と一体化させることができる。さらに他の実施形態においては、コイル８０は、カテーテル２２内に位置決めされて回動機構３０の少なくとも一部を囲む管状のシース（図示せず）のまわりに位置決めすることができる。このようにして、カテーテル２２またはシースは、コイル８０のための構造支持部を提供する。他の実施形態においては、コイル８０は、モータ３２により近接して、またはトランスデューサ２８により近接して位置決めすることができる。

コイル８０は、回転軸に対して同心に位置決めされる複数の巻線を有する。コイル８０は、少なくともその一方端が、装置２０の作動端に至るかまたは作動端に向かって延びる導体によって電源（図示せず）に接続されている。電源は、（たとえば、コンソールと一体化された）カテーテル２２内に、または当該カテーテル２２外に位置決めすることができる。電源は、コイル８０に電流を印加する。このようにして、コイル８０に通電することによって、回転軸と実質的に位置合わせされた磁極を有する磁界を発生させるように、コイル８０が位置決めされる。

図１の実施形態においては、磁気層６８は、回動軸を中心として垂直に対称的に配置された磁極を有する。コイル８０に通電することにより、磁極が回転軸と位置合わせされた磁界を発生させる。コイル８０によって発生させた磁界は、磁気層６８の反対極（たとえば、Ｓ極）を引き寄せる回動部材５８に最も近い磁極（たとえば、Ｓ極）を有することとなる。二極間の引力が回動部材５８にトルクを与える。トルクの大きさはコイル８０に印加される電流の大きさを変えることによって変えることができ、トルクの方向は、電流の方向を逆にし、これにより、コイル８０によって生成される磁界の極性を逆にすることによって、変えることができる。トルクが付勢部材６６のバネ力を打ち負かすのに十分に大きい場合、回動部材５８は回動軸を中心として中立位置から回転する。リミットストップ６７は、回動部材５８の回動運動をその回動範囲の端部において停止させる。留意されるように、コイル８０に印加される電流は、トルクと、これにより、回動部材５８の角速度とを制御するために変えることができる。回動部材５８がその回動範囲の端部にある場合、回動部材５８を中立位置に戻すために付勢部材６６のバネ力が磁界のトルクを打ち負かすように、コイル８０に印加される電流を小さくするかまたはなくすことができる。代替的には、電流を反転させて逆の磁界を発生させることにより、反発する磁界からトルクを発生させ、このトルクが、付勢部材６６からのバネ力と共に作用して、回動部材５８を静止位置に、または静止位置へと戻し得る。いくつかの実施形態においては、交流電流をコイル８０に印加して、回動部材５８の回動運動を往復的に行わせることができる。

いくつかの実施形態においては、超音波場がトランスデューサ２８の回動範囲の一方端または両端において不透明な特徴と交差するように、音響的に不透明な特徴または減衰特徴が１つ以上、視界窓に配置されてもよい。リミットストップ６７は、トランスデューサ２８が、音響的に不透明な特徴と交差した瞬間に停止するように位置決めおよび／または構成され得る。音響的に不透明な特徴は、カテーテル２２に追加されるかまたはカテーテル２２と一体化されてもよく、その例が上述の引例において援用されている。いくつかの実施形態においては、付勢部材６６は省略することができ、その場合、トランスデューサ２８の回動角度を決定するためにフィードバックセンサを用いることができる。

トランスデューサ２８は、先に述べたような信号搬送波を介して電源および画像化システムに電子的に接続される。付勢部材６６は、導電性材料でできている場合、トランスデューサ２８におよび／またはトランスデューサ２８から電気信号を搬送するために、トランスデューサ２８および／またはコンソールもしくは電源にリンクさせることができる。特定の実施形態においては、付勢部材６６は、トランスデューサ２８から、アーム５６に沿って位置決めされた導体までの導通経路を提供する。付勢部材６６の代替例として、または付勢部材６６とともに、他の信号搬送波が、トランスデューサ２８から装置２０のコンソール側に向かって信号を搬送するように位置決めされてもよい。信号搬送波の他の例として、壁２４に沿った導体（たとえば、ワイヤもしくはケーブル）、モータ軸の中央内腔を通る導体（たとえば、ワイヤもしくはケーブル）、スリップリング接続を介する導体（たとえば、ワイヤもしくはケーブル）、および／または、壁２４に沿った金属膜を介する導体（たとえば、ワイヤもしくはケーブル）を含む。引用によって全体がこの明細書中に援用されている（「スリップリングを備えた内部トランスデューサアセンブリ（Internal Transducer Assembly with Slip Ring）」と題された）出願連続番号第６１／７１４，２７５号において、例が説明および図示される。

チャンバ２６のうち、カテーテル２２の適用端部に向かって延在するトランスデューサ２８を直接囲む部分は、血液または組織の音響インピーダンスと同様の音響インピーダンスを有する流体または他の物質、たとえば生理食塩水、油剤（たとえば鉱物油もしくはヒマシ油）または混合アルコールなど、で完全に満たすことができる。封止、軸受または他の構造を、軸７０と近接して位置決めすることにより、モータ３２とトランスデューサ２８を取り囲むチャンバとの間に流体封止をもたらす。物質は、回転中にトランスデューサ２８に対して作用する摩擦を最小限にするべきものである。このようにして、音響的整合を、体液と、カテーテル２２と、トランスデューサ２８を直接取り囲む媒体との間において達成することができる。音響的整合は、トランスデューサ２８と体組織との間で超音波信号を送受信するときに生じる信号損失を確実に最小限にして、結果として生じる画像の明瞭さを高める。流体は、装置２０に製造中に加えることができるか、または代替的には使用前に加えることがある。トランスデューサが封止されて、結合流体が製造中にチャンバに入れられると、部品と長期にわたって接触することにより、製品の保管寿命を維持するために、鉱物油またはヒマシ油などの非腐食性流体が必要となる。好ましくは、油剤は、生体適合性があり、音響学的に透明であり、低い粘性を有する。代替的には、流体を追加するためにアクセスできるようにするために、流体流通ポート（図示せず）が、カテーテル内に、またはカテーテル壁を通じて、位置決めされるかまたは形成可能であってもよい。その場合、腐食性流体が装置２０の展開時に追加されてもよい。水、生理食塩水およびアルコールなどの腐食性流体は、典型的には、生体適合性と音響学的透明度と粘性との、より好ましい組合せを有する。

ＩＶＵＳの文脈において装置２０を用いる例をここで記載する。先に述べたように、この明細書中に開示される装置が他のタイプの内部手順においても同様に使用され得ることが理解されるだろう。

装置２０は、（既に設けられているのでなければ、チャンバ２６に流体を注入することによって）準備され、患者の身体に挿入され、所望の位置、たとえば特定の血管、へと誘導される。トランスデューサ２８は、前方の中立位置にあってコイル８０の使用中に回動させることができる場合には、所望の位置への移動中に操作してもよい。配置の全体にわたり、所望の画像化位置においては、モータ３２は、装置２０のまわりの組織の画像または他の物質の画像を与えるために、回転軸を中心としてトランスデューサを回転させるよう操作することができる。コイル８０は、超音波場を前方および／または横方向にずらすように回動軸を中心としてトランスデューサ２８を回動させるために、通電させることができる。これに対応して、トランスデューサ２８は、回転軸および回動軸の両方を中心として回転する。このようにして、装置２０は、トランスデューサ２８の特定の位置の前方および／または横方向を観察するために、装置２０の回転軸を中心として回転するだけではなく、回動軸をも中心として回転する超音波信号スイープまたは磁場をもたらす。

超音波信号が送信されると、当該超音波信号は、音響インピーダンス境界（たとえば、体組織、プラーク、医療用インプラント、または、体液もしくは他の周囲物質とは十分に異なる音響インピーダンスを有する他の物質）に遭遇するまで、カテーテル２２の壁２４を横切って通過し、これにより、超音波信号は、境界において少なくとも部分的に反射されることとなる。超音波信号の少なくとも一部は、トランスデューサ２８に向かって反射し返される。トランスデューサ２８で受取られた、反射された超音波を表す１つ以上の電気信号は、画像化および／または医師に対する他のデータ表示のために、トランスデューサ２８から導通経路を介して超音波コンソールに送られる。同時に、またはその後、トランスデューサ２８はさらなる超音波信号を発信し続け、そのプロセスが、いくつかの実施形態においては継続的に、所望の期間にわたって繰り返される。

代替的な実施形態は、回動機構３０および磁気層６８の変形例を含む。一実施例においては、磁気層６８は、円盤（図４）の主面に対して垂直な軸に沿って位置合わせされた磁極を有する円盤状の永久磁石である。この実施形態においては、コイル８０によって生成された磁界は、コイル８０に最も近い磁気層６８の磁極をはね返す磁気層６８に最も近い磁極を有する。コイル８０が通電されると、反撥力によって回動部材５８上にトルクを発生させ、これにより、回動部材５８を回動軸を中心として回転させる。他の実施形態においては、磁気層６８は、２分の１の円板に分離することができ、磁極が円盤（図５）の主面に対して垂直な軸に沿って位置合わせされる。他の実施形態においては、付勢部材６６は、回動部材５８を１つ以上の他の（前方向きではない）中立位置へと付勢する。一例においては、中立位置では、トランスデューサ２８の視野角は回転軸に対して垂直であり、磁界からの反発力によって、回動部材５８が、前方向きの位置に向かって回動軸を中心として回転する（すなわち、トランスデューサ２８の視野角が回転軸と位置合わせされている）。

図６に部分的に示される代替的な実施例においては、磁気層６９は、トランスデューサ２８を磁気層６９に接続する機械的リンク機構９０を備えた、別個の、但し平行なジンバル台上に位置決めされる。機械的リンク機構９０を用いることにより、アーム５６と磁気層６９とトランスデューサ２８と機械的リンク機構９０との間に１自由度での４バー結合がもたらされ、これにより、確実に、トランスデューサ２８が、回動軸を中心とした磁気層６９の回動回転に対して平行に、かつこの回動回転に応じて回動することとなる。

モータ３２および／またはコイル８０に対する制御は、特定の回転速度またはパターンで、回転軸および回動軸を中心としたトランスデューサ２８の回転運動を維持するように与えられてもよい。たとえば、回転軸を中心とした３０〜１００Ｈｚのスピンなどのモダリティを、回動軸を中心とした約１〜２Ｈｚのより低速の回動と組合わせて、明瞭な画像を前方および後方に規定パターンで与え得る。さらに、回転軸を中心とした相対的に低速のスピン（たとえば約１〜２Ｈｚ）を、回動軸を中心としたより高速の、たとえば装置２０の共振周波数付近の回動と組合わせると、好結果を得ることができることも明らかとなった。さらに、トランスデューサ２８が回転軸により近接して向けられるときに回転軸を中心としてより高速の回転をもたらし、トランスデューサ２８が回転軸からより遠いときに回転軸を中心としてより低速の回転をもたらすモダリティも、画像フレーム率および明瞭性を改善するのに有用である。医師が必要または有用であると考えるのであれば、トランスデューサ２８の位置決めおよび超音波場に対する調整を行いながら、画像化が継続される。

装置２０は、視界窓を介する画像の捕捉を容易にし、画像内において、アーティファクト、障害物またはエラーなどの不必要な音響学的減衰をなくすようにする。たとえば、モータ３２が適用される側の位置にトランスデューサ２８を位置決めすることにより、トランスデューサ２８が回転軸を中心として完全に３６０°回転し、かつ回動軸を中心として回動する場合であっても、ワイヤまたは他のエコー源性材料が、トランスデューサ２８の視界窓内において、またはそれを横切って位置決めされないことが確実にされる。このように、向きを変えた超音波の画像またはブロック部分内にアーティファクトを引起すかもしれないようなワイヤや他の反射材料が存在しない。これにより、医師には、視界窓全体の明瞭な視野が与えられる。この明細書中において用いられる場合、「窓」という語は、装置２０の構造全体にわたって、使用中にトランスデューサ２８と装置２０外部に位置決めされ得る有機流体または組織との間において、実質的に障害物のない経路を含む。

装置２０は、経皮的処置、腔内的処置、または侵襲的処置用に設計される既存の医療装置とともに用いられるよう構成される。たとえば、装置２０は、異なる目的のために、さまざまなカテーテルとして、またはさまざまなカテーテルとともに用いることができ、たとえば、特定の構成に応じて、カテーテルの適用側またはその内部に位置決めすることができる。先に記載されたような装置２０の部品はカテーテル内において既存の内腔内に位置決めすることができる。代替的な実施形態においては、装置２０は、壁２４を有するカテーテル２２と同様であるが装置２０をコンパクトに含むように短縮された外部筐体（またはシース）を含んでもよい。装置２０は、カテーテルの外部において、さまざまな取付装置、接着剤または他のタイプの構成を用いて、取付けられてもよい。既存の医療装置に対する装置２０のための特定のタイプの取付手順がさまざまな異なるタイプの取付方法を含み得ることが当業者に理解されるだろう。したがって、この明細書中に記載される特定の方法は、装置２０の使用可能性の如何なる限定的局面をも示すものではない。

この明細書中に記載されるいくつかの実施形態においては、ホールセンサ（図示せず）、光学式エンコーダ（図示せず）、超音波、逆起電力、モータ突極性またはこれらの１つ以上の組合せを用いて、モータ３２の角度位置を制御および／または監視してもよい。ホールセンサは、小型で熟慮された設計であるため、フィードバック機構として有利であると判断されている。いくつかの実施形態においては、トランスデューサ２８が発信および／または受信した超音波ビームまたは信号をフィードバック機構として用いて、装置２０の残余部分に対するモータ３２（およびそれが回転させる超音波ビーム）の回転位置を精密に評価または監視して、トランスデューサ２８を通じて得られる画像の適切な位置合わせを確実にする。索引システムなどの他の特徴が、この明細書中において言及される実施形態とともに含まれてもよい。

上述の説明のいくつかは、超音波システム適用例の文脈における特定の用途に関連していたが、装置２０の実施形態が、他のさまざまな医療処置のために、かつ他のさまざまな医療装置とともにも用いられ得ることも理解されるだろう。この明細書に記載される実施形態に多用性があることにより、たとえば塞栓コイル、ステント、フィルタ、グラフ、バルーン、生検および看護療法などの経皮的治療の介入を誘導するために装置２０を使用することが可能となる。装置２０を用いることにより、治療を正確な配置で行うために、または治療を誘導するために用いられるであろうさまざまな解剖学的標識点の位置を特定することができる。典型的な標識点は、トランスデューサを含む脈管または他の開口部と近接する合流点、分岐、側枝、付近の脈管、付近の神経、心臓、および他の組織を含む。装置２０は、処置または回避されるべき病変組織の位置を特定するのに用いることもできる。装置２０を生検中に用いて、組織内に展開されている針の画像を提供することができる。経頸静脈性肝内門脈大静脈短絡術（transjugular intrahepatic portocaval shunt：ＴＩＰＳ)処置中に画像を生成して、針を門脈に配置するのを医師が視認できるようにし得る。大動脈腹部大動脈瘤（aortic abdominal aneurysm：ＡＡＡ）の移植片送達のために、装置２０により、医師が反対側の脚部内にガイドワイヤを配置することを可能にし得る。装置２０を用いることにより、展開された埋込み型装置についてその展開中および展開後の両方の位置を画像化することもできる。

装置２０のいくつかの構成要素のための特定の材料がこの明細書中において強調されたが、それらの材料は、装置２０において用いるのに適した材料タイプを限定するよう意図されたものではない。加えて、材料が強調されていない場合、小さな体腔に適用するための装置での使用に適したいくつかのタイプの金属、ポリマー、セラミック、または他のタイプの材料などのさまざまな材料が用いられてもよい。

装置２０はまた、他のさまざまな医療処置のために、他のさまざまな医療装置とともに、用いられてもよい。特定のタイプの取付手順がさまざまな異なるタイプの取付方法を含み得ることが当業者によって理解されるだろう。したがって、この明細書中に記載される特定の方法は、装置２０の使用可能性についてのいかなる限定的局面をも示すものではない。

たとえば回転軸に関する「回転」または「回転の」という語を使用する場合、回転は、３６０°よりもはるかに大きい角度変化を意味することが多いが、この明細書中に開示される装置は、いくつかの実施形態においては、回転角が３６０°未満の角度だけ回転し得るように構成され得ることが理解されるべきである。いくつかの例においては、「回動」という語は、一部では、「回転」よりも自然に起こるかまたはその逆であるとみなされる場合があるが、本願の目的のために、「回転」および「回動」という語は、角度変化の性質または大きさではなく、角度の変化が生じる軸を示すべく明確にするために用いられる。

この発明は、添付の図面および上述の記載において詳細に図示および記載されてきたが、この発明は、例示的なものとみなされるべきであって、本質的に限定的なものではなく、好ましい実施形態のみが図示および記載されたこと、かつ添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の精神の範囲内に収まるすべての変更、均等物および修正の保護が望まれることが理解される。特定の実施形態または構造に関して記載されるかまたは示される特徴または局面が、他の特徴、局面、構造または実施形態ととともに使用され得ることが理解されるだろう。この明細書において引用されるすべての刊行物、特許、および特許出願は、個々の刊行物、特許または特許出願が、引用により援用され、その全体がこの明細書中に記載されるように具体的かつ個々に示されるかの如く、この明細書中に引用により援用される。

Claims (20)

1. 医療装置であって、
   超音波信号を送信および／または受信するためのトランスデューサと、
   駆動軸と動作可能に結合されたモータとを含み、モータを動作させることにより、軸が回転軸を中心として回転し、前記医療装置はさらに、
   軸に動作可能に接続された回動機構を含み、回動機構は軸の回転に応じて回転し、回動機構は、少なくとも１つの回動軸を中心として回動可能な回動部材を有し、回動軸は回転軸に対して実質的に平行ではなく、回動部材は磁気層およびトランスデューサを含み、前記医療装置はさらに、
   モータとトランスデューサとの間において、回転軸に対して同心に、回転軸に沿って位置決めされたコイルを含み、コイルは複数の導電性巻線を含み、コイルに電流を印加することにより、回動軸を中心として回動部材上にトルクを発生させる、医療装置。
2. 磁気層は、回動軸に対して実質的に垂直に位置合わせされた磁極を備えた第１の磁界を有する径方向永久磁石を含み、コイルに電流を印加することにより、回転軸に沿って実質的に位置合わせされた磁極を有する第２の磁界を発生させ、第１の磁界と第２の磁界と間の相互作用によりトルクを発生させる、請求項１に記載の装置。
3. 磁気層は、トランスデューサ視野角と概ね平行に位置合わせされた磁極を有し、コイルに電流を印加することにより、回転軸に沿って位置合わせされた磁極を有する第２の磁界を発生させ、磁界間の相互作用によりトルクを発生させる、請求項１に記載の装置。
4. コイルは駆動軸の同心円外側に位置決めされる、請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
5. 付勢部材をさらに含み、付勢部材は、回動軸を中心として、かつ回動機構に対して相対的にトランスデューサを中立位置に付勢する付勢部材力をトランスデューサに加えるように位置決めされる、請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
6. トルクはコイルへの電流に依拠し、トルクが付勢部材力に打ち勝つのに不十分である場合、付勢部材力によってトランスデューサが中立位置に戻される、請求項５に記載の装置。
7. 付勢部材は、トランスデューサから信号を搬送するように構成された導体である、請求項５に記載の装置。
8. 回転軸を中心とした軸の回転および回動軸を中心とした回動部材の回動は、１つ以上の周波数で別個に実施可能である、請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。
9. 動作モードをさらに含み、回動機構が、超音波信号が回転軸により近い方向を指しているような状態である場合、モータはより高速で回転し、回動機構が、超音波信号が回転軸から遠ざかる方向を指しているような状態である場合、モータはより低速で回転する、請求項８に記載の装置。
10. モータおよび回動機構を囲む円筒形のシースをさらに含み、シースはコイルのための構造支持部を提供する、請求項１から９のいずれか１項に記載の装置。
11. シースはカテーテル壁である、請求項１０に記載の装置。
12. 装置はカテーテル内に位置決めされる、請求項１から１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 軸は、その内部を通って延びる内腔を含む、請求項１から１２のいずれか１項に記載の装置。
14. 回動部材の回動運動を、その回動範囲の両端において範囲規定するように位置決めされたリミットストップをさらに含む、請求項１から１３のいずれか１項に記載の装置。
15. 回動部材のための取付台を提供する２つのアームをさらに含み、リミットストップは２つのアーム間に延在するバーである、請求項１４に記載の装置。
16. トランスデューサは、トランスデューサから延在する視界窓を規定する範囲全体にわたって移動可能であり、装置はさらに、視界窓内に位置決めされた不透明な特徴を含み、不透明な特徴は、回動部材についての角度位置情報を提供する、請求項１から１５のいずれか１項に記載の装置。
17. 磁気層は、トランスデューサに対して平行に位置決めされ、第２の回動軸を中心として回動可能であり、磁気層およびトランスデューサは、トランスデューサが磁気層の回動運動に応じて回動するように接続される、請求項１から１６のいずれか１項に記載の装置。
18. トランスデューサ、モータおよび回動機構を収容するための管状部材をさらに含み、管状部材は、管状部材の壁部分によって少なくとも部分的に規定された遠位側チャンバを有し、遠位側チャンバは、少なくともトランスデューサおよび媒体を収容し、壁部分および媒体は、管状部材が挿入される身体の部分と同様の超音波通過特徴を有し、このため、媒体と壁部分との境界および壁部分と身体環境との境界における超音波の反射が、境界を介して画像化するのに許容可能なレベルにまで低減される、請求項１から１７のいずれか１項に記載の装置。
19. 医療装置であって、
    超音波信号を送信および／または受信するためのトランスデューサと、
    駆動軸と動作可能に結合されたモータとを含み、モータを動作させることにより、軸が回転軸を中心として回転し、前記医療装置はさらに、
    軸に動作可能に接続された回動機構を含み、回動機構が軸の回転に応じて回転し、回動機構は、少なくとも１つの回動軸を中心として回動可能な回動部材を有し、回動軸は回転軸に対して実質的に平行ではなく、回動部材は磁気層およびトランスデューサを含み、前記医療装置はさらに、
    モータとトランスデューサとの間において、回転軸に対して同心に、回転軸に沿って位置決めされたコイルを含み、コイルは複数の導電性巻線を含み、コイルに電流を印加することにより、回動軸を中心として回動部材上にトルクを発生させ、前記医療装置はさらに、
    付勢部材を含み、前記付勢部材は、回動軸を中心として、回動機構に対して相対的に、トランスデューサを中立位置へと付勢する付勢部材力をトランスデューサに加えるように位置決めされ、
    回転軸を中心とした軸の回転および回動軸を中心とした回動部材の回動は、１つ以上の周波数で別個に実施可能である、医療装置。
20. モータおよび回動機構を囲む円筒形のシースをさらに含み、シースはコイルのための構造支持部を提供する、請求項１９に記載の装置。

Images