JP7199415B2 - 複数の中心周波数を用いる腔内撮像装置 - Google Patents

Description

本開示は、広くは、血管内超音波（ＩＶＵＳ）撮像に関し、特に、血管内撮像装置の撮像素子に関する。例えば、前記撮像素子は、異なる中心周波数で動作する複数の超音波トランスデューサを含むことができる。

血管内超音波（ＩＶＵＳ）撮像は、インターベンション心臓学において、治療の必要性を決定する、インターベンションをガイドする、及び／又はその有効性を評価するために人体内の動脈のような病変血管を評価する診断ツールとして幅広く使用されている。１以上の超音波トランスデューサを含むＩＶＵＳ装置は、血管内に通され、撮像されるべき領域までガイドされる。トランスデューサは、関心血管の画像を作成するために超音波エネルギを放射する。超音波は、（血管壁の様々な層のような）組織構造、赤血球、及び他の関心フィーチャから生じる不連続性により部分的に反射される。反射波からのエコーは、前記トランスデューサにより受信され、ＩＶＵＳ撮像システムに伝えられる。前記撮像システムは、受信された超音波エコーを処理して、装置が配置される血管の断面画像を生成する。

（合成開口としても知られる）ソリッドステートＩＶＵＳカテーテル及び回転式ＩＶＵＳカテーテルは、今日一般的に使用されている２つのタイプのＩＶＵＳ装置である。両方のタイプのＩＶＵＳ装置が、血管系の周辺の周りで撮像することができる。回転式ＩＶＵＳ装置に対して、可撓性細長部材の遠位部分に配置された側方視トランスデューサは、可撓性細長部材の長手軸の周りを回転しながら血管系をスキャンする。ソリッドステートＩＶＵＳカテーテルは、トランスデューサアレイに隣接して取り付けられた１以上の集積回路コントローラチップと一緒に周辺の周りに分散された超音波トランスデューサのアレイを含むスキャナアセンブリを持っている。コントローラは、超音波パルスを送信し、超音波エコー信号を受信する個別のトランスデューサ素子（又は素子のグループ）を選択する。送信‐受信対のシーケンスを通ることにより、ソリッドステートＩＶＵＳシステムは、部品を移動することなしに（よってソリッドステート指定）、機械的にスキャンされた超音波トランスデューサの効果を合成することができる。

従来、ＩＶＵＳ装置は、回転式かソリッドステートかにかかわらず、単一の中心周波数で動作する超音波トランスデューサ又は超音波トランスデューサのアレイを備える。より高い中心周波数で動作する超音波トランスデューサは、より低い中心周波数で動作する超音波トランスデューサより高い空間解像度を持つが、より低い浸透深さを持つので、中心周波数で動作する超音波トランスデューサ又は複数の超音波トランスデューサを持つことに関連して浸透深さと空間解像度との間のトレードオフが常に存在する。ＩＶＵＳ撮像が進化するにつれて、表示における解像度を改善するようにより高い超音波周波数に向けた一定の移行が存在している。しかしながら、超音波周波数が増加されると、血液エコーと血管壁組織エコーとの間のコントラストが減少される。ＩＶＵＳの初期世代に使用された２０ＭＨｚ中心周波数において、血液エコーは、音響波長と比較した赤血球細胞の小さなサイズのため血管壁エコーと比較して非常に弱い。しかしながら、ＩＶＵＳ撮像に対して現在一般的に使用される４０ＭＨｚの超音波中心周波数において、この高い周波数における超音波波長が、赤血球細胞の寸法に近いので、血液エコーと組織エコーとの間には若干の差しか存在しない。血液エコーと組織エコーとの間の更に大きな差を達成するためには、更に高い中心周波数が必要でありうる。しかしながら、高い中心周波数で動作するこのようなＩＶＵＳ装置は、浸透深さが犠牲になるので血管壁組織を撮像するのに十分ではないかもしれない。

従来のソリッドステートＩＶＵＳ装置は、血流の方向が、主にＩＶＵＳ撮像面に垂直であるので、ドップラカラーフロー撮像には受け入れられない。より具体的には、ドップラカラーフロー撮像及び他のドップラ技術は、関心速度（すなわち、血流速度）が、撮像面に垂直であり、超音波伝搬の方向に垂直であり、結果としてゼロに近い血流に起因するドップラシフトを生じる場合に良好には機能しない。

したがって、既存の血管内超音波撮像装置が、概して一般的な目的に対して受け入れられるのに対し、これらは、全ての側面において満足のいくものではない。様々な目的で異なる中心周波数で動作する超音波トランスデューサを含む医療撮像装置に対する要望が存在する。

本開示の実施例は、異なる中心周波数で動作するトランスデューサを使用して血管の画像を生成する改善された血管内超音波撮像装置を提供する。前記血管内撮像装置の可撓性細長部材の遠位部分は、撮像アセンブリを含むことができる。前記撮像アセンブリは、第１の中心周波数で動作する第１の超音波トランスデューサ及び前記第１の中心周波数とは異なる第２の中心周波数で動作する第２の超音波トランスデューサを含むことができる。いくつかの実施例において、前記撮像アセンブリは、第１の中心周波数で動作する複数の第１の超音波トランスデューサ及び第２の中心周波数で動作する複数の第２の超音波トランスデューサを持つことができる。前記複数の第１の超音波トランスデューサは、前記可撓性細長部材の長手軸の周りに環状に配置された又は前記可撓性細長部材の長手軸に平行に線形に配置されたトランスデューサアレイのいずれかを形成することができる。

一実施例において、血管内超音波（ＩＶＵＳ）撮像装置が、提供される。前記ＩＶＵＳ撮像装置は、患者の内腔内に配置されるように構成され、近位部分及び遠位部分を有する可撓性細長部材と、前記可撓性細長部材の前記遠位部分に配置された撮像アセンブリとを含む。前記撮像アセンブリは、第１の中心周波数で動作する第１の超音波トランスデューサ及び前記第１の中心周波数とは異なる第２の中心周波数で動作する第２の超音波トランスデューサを含む。

いくつかの実施例において、前記ＩＶＵＳ撮像装置の前記第１の超音波トランスデューサは、複数の第１の超音波トランスデューサの中の１つであり、前記ＩＶＵＳ撮像装置の前記第２の超音波トランスデューサは、複数の第２の超音波トランスデューサの中の１つである。いくつかの実施例において、前記複数の第１の超音波トランスデューサは、前記可撓性細長部材の長手軸の周りに環状に配置された第１のトランスデューサアレイを形成し、前記複数の第２の超音波トランスデューサは、前記可撓性細長部材の長手軸の周りに環状に配置された第２のトランスデューサアレイを形成する。前記第１のトランスデューサアレイは、前記第２のトランスデューサアレイの近位に配置される。いくつかの実施例において、前記複数の第１の超音波トランスデューサは、前記可撓性細長部材の長手軸の周りに環状に配置された第１のトランスデューサアレイを形成し、前記複数の第２の超音波トランスデューサは、前記可撓性細長部材の長手軸に平行に線形に配置される。これらの実施例において、前記第２の中心周波数は、前記第１の中心周波数より高い。いくつかの実施例において、前記複数の第１の超音波トランスデューサは、前記可撓性細長部材の長手軸の周りに環状に配置されたトランスデューサアレイを形成し、前記複数の第２の超音波トランスデューサの各々は、前記複数の第１の超音波トランスデューサの中の２つの間に置かれる。

いくつかの他の実施例において、前記ＩＶＵＳ撮像装置の前記撮像アセンブリは、前記細長部材の長手軸の周りを回転するように構成される。これらの実施例において、前記第１の超音波トランスデューサは、前記第２の超音波トランスデューサの遠位に隣接して配置される。更に、これらの実施例において、前記ＩＶＵＳ撮像装置は、前記第１及び第２の中心周波数とは異なる第３の中心周波数で動作する第３の超音波トランスデューサを更に含み、前記第３の超音波トランスデューサは、前記第２の超音波トランスデューサの近位に隣接して配置される。いくつかの実施例において、前記第３の超音波トランスデューサは、第１の角度で遠位に傾斜する。いくつかの例において、前記第１の超音波トランスデューサは、第２の角度で近位に傾斜する。

一実施例において、ＩＶＵＳ撮像システムが、提供される。前記ＩＶＵＳ撮像システムは、患者の内腔内に配置されるように構成され、近位部分及び遠位部分を有する可撓性細長部材と、前記可撓性細長部材の前記遠位部分に配置された撮像アセンブリと、制御及び処置装置とを含む。前記撮像アセンブリは、第１の中心周波数で動作する第１の複数の超音波トランスデューサと、第１の中心周波数とは異なる第２の中心周波数で動作する第２の複数の超音波トランスデューサとを含む。前記制御及び処理装置は、前記第１の複数の超音波トランスデューサ及び前記第２の複数の超音波トランスデューサと通信する。前記制御及び処理装置は、前記内腔の第１の超音波データを取得するように前記第１の複数の超音波トランスデューサにエネルギ供給し、前記第１の超音波データに基づいてグレイスケール超音波画像を生成し、前記内腔を流れる流体の第２の超音波データを取得ように前記第２の複数の超音波トランスデューサにエネルギ供給し、前記第２の超音波データに基づいてカラードップラ超音波画像を生成し、前記グレイスケール超音波画像及びカラードップラ超音波画像をディスプレイに出力するように動作可能である。

いくつかの実施例において、前記撮像アセンブリの前記第１の複数の超音波トランスデューサは、前記可撓性細長部材の長手軸の周りに環状に配置された第１のトランスデューサアレイを形成する。いくつかの実施例において、前記撮像アセンブリの前記第２の複数の超音波トランスデューサは、前記可撓性細長部材の長手軸に平行に線形に配置される。これらの実施例において、前記第２の中心周波数は、前記第１の中心周波数より高い。いくつかの実施例において、前記ＩＶＵＳ撮像システムの前記制御及び処理装置は、前記グレイスケール超音波画像上にカラードップラ超音波画像を重ね合わせ、前記グレイスケール超音波画像上に重ね合わされた前記カラードップラ超音波画像を前記ディスプレイに出力するように動作可能である。いくつかの実施例において、前記ＩＶＵＳ撮像システムの前記制御及び処理装置は、前記可撓性細長部材の長手軸に沿って順次的に前記第２の複数の超音波トランスデューサにエネルギ供給するように動作可能である。

他の実施例において、ＩＶＵＳ撮像システムが、提供される。前記ＩＶＵＳ撮像システムは、患者の内腔内に配置されるように構成され、近位部分及び遠位部分を有する可撓性細長部材と、前記可撓性細長部材の前記遠位部分に配置され、前記可撓性細長部材の長手軸の周りを回転するように構成される撮像アセンブリと、制御及び処理装置とを含む。前記撮像アセンブリは、第１の中心周波数で動作する第１の超音波トランスデューサと、前記第１の中心周波数とは異なる第２の中心周波数で動作する第２の超音波トランスデューサとを含む。前記制御及び処理装置は、前記第１の超音波トランスデューサ及び前記第２の超音波トランスデューサと通信し、前記内腔の第１の超音波データを取得するように前記第１の超音波トランスデューサにエネルギ供給し、前記第１の超音波データに基づいてグレイスケール超音波画像を生成し、前記内腔を流れる流体の第２の超音波データを取得するように前記第２の超音波トランスデューサにエネルギ供給し、前記第２の超音波データに基づいてカラードップラ超音波画像を生成し、前記グレイスケール超音波画像及びカラードップラ超音波画像をディスプレイに出力するように動作可能である。いくつかの実施例において、前記撮像アセンブリの前記第２の超音波トランスデューサは、ある角度で近位に傾斜され、前記第２の中心周波数は、前記第１の中心周波数より高い。いくつかの実施例において、前記撮像アセンブリは、前記第１及び第２の中心周波数とは異なる第３の中心周波数で動作する第３の超音波トランスデューサを更に含む。

本開示の追加の態様、フィーチャ及び利点は、以下の詳細な記載から明らかになる。

本開示の例示的実施例は、添付の図面を参照して記載される。

本開示の態様による、ソリッドステートＩＶＵＳ撮像システムの概略図である。 本開示の態様による、患者の内腔内のソリッドステートＩＶＵＳ撮像システムのトランスデューサアセンブリの概略的側面図である。 本開示の態様による、ソリッドステートＩＶＵＳ撮像システムのトランスデューサアセンブリの概略的側面図である。 本開示の態様による、ソリッドステートＩＶＵＳ撮像システムのトランスデューサアセンブリの概略的側面図である。 本開示の態様による、回転式ＩＶＵＳ撮像システムの概略図である。 本開示の態様による、回転式ＩＶＵＳ撮像システムの概略的な部分切り取り斜視図である。 本開示の態様による、回転式ＩＶＵＳ撮像システムのトランスデューサアセンブリの概略的側面図である。 本開示の態様による、回転式ＩＶＵＳ撮像システムのトランスデューサ素子の概略的側面図である。 本開示の態様による、回転式ＩＶＵＳ撮像システムのトランスデューサ素子の概略的側面図である。 本開示の態様による、患者の血管の断面図である。

本開示の原理の理解を促進する目的で、ここで、図面に示された実施例が参照され、特定の言語が、同じものを記載するのに使用される。それにもかかわらず、本開示の範囲に対する限定が意図されないと理解される。記載される装置、システム及び方法に対する任意の変更及び更なる修正、並びに本開示の原理の任意の更なる応用は、本開示が関連する当業者が通常に気が付くので、完全に予期され、本開示内に含まれる。例えば、焦点システムが、心臓血管撮像に関して記載されるが、この応用に限定されることが意図されないと理解される。前記システムは、狭い空洞内で撮像することを要求する任意の応用に等しく良好に適している。特に、１つの実施例に関して記載されたフィーチャ、コンポーネント及び／又はステップが、本開示の他の実施例に関して記載されたフィーチャ、コンポーネント及び／又はステップと組み合わせられてもよいことは、完全に予期される。簡潔さのため、しかしながら、これらの組み合わせの多くの反復は、別々に記載されない。

図１は、本開示の態様による、ソリッドステートＩＶＵＳ撮像システム１００の概略図である。ＩＶＵＳ撮像システム１００は、カテーテル、ガイドワイヤ又はガイドカテーテルのようなソリッドステートＩＶＵＳ装置１０２（時々、可撓性細長部材と称される）と、患者インタフェースモジュール（ＰＩＭ）１０４と、ＩＶＵＳ処理システム又はコンソール（時々、制御及び処理装置と称される）１０６と、ディスプレイ１０８とを含みうる。

ハイレベルにおいて、ソリッドステートＩＶＵＳ装置１０２は、前記カテーテル装置の遠位端の近くに取り付けられたトランスデューサアセンブリ１１０に含まれるトランスデューサ素子１２４から超音波エネルギを放射する。前記超音波エネルギは、トランスデューサアセンブリ１１０を囲む、血管１２０のような、媒体内の組織構造により反射され、超音波エコー信号が、トランスデューサ素子１２４により受信される。トランスデューサ素子１２４は、コントローラ１２６により制御されることができる。ＰＩＭ１０４は、（流れ情報を含む）超音波画像が再構成され、ディスプレイ１０８上に表示されるコンソール又はコンピュータ１０６に前記受信されたエコー信号を転送する。コンソール又はコンピュータ１０６は、プロセッサ及びメモリを含むことができる。コンピュータ又は計算装置１０６は、ここに記載されたＩＶＵＳ撮像システム１００のフィーチャを容易にするように動作可能であることができる。例えば、前記プロセッサは、非一時的有形コンピュータ可読媒体に記憶されたコンピュータ可読命令を実行することができる。

ＰＩＭ１０４は、ＩＶＵＳコンソール１０６とソリッドステートＩＶＵＳ装置１０２に含まれるトランスデューサアセンブリ１１０との間の信号の通信を容易化する。いくつかの実施例において、ＰＩＭ１０４は、データをコンソール１０６に中継する前に前記エコーデータの予備処理を実行する。このような実施例の例において、ＰＩＭ１０４は、前記データの増幅、フィルタ処理及び／又は統合を実行する。一実施例において、ＰＩＭ１０４は、トランスデューサアセンブリ１１０内の回路を含む装置１０２の動作をサポートするように高及び低電圧ＤＣパワーを供給する。

ＩＶＵＳコンソール１０６は、ＰＩＭ１０４を経由してトランスデューサアセンブリ１１０から前記エコーデータを受信し、トランスデューサアセンブリ１１０を囲む前記媒体内の組織構造の画像を再構成するように前記データを処理する。コンソール１０６は、血管１２０の断面画像のような、血管１２０の画像が、ディスプレイ１０８上に表示されるように、画像データを出力する。血管１２０は、自然及び人工の両方の流体充填構造又は囲まれた構造を表しうる。血管１２０は、内腔１２００を規定する。血管１２０は、患者の体内でありうる。血管１２０は、心臓血管系、末梢血管系、神経血管系、腎血管系及び／又は体内の他の適切な内腔を含む、患者の血管系の動脈又は静脈のような血管でありうる。例えば、装置１０２は、腔内撮像装置であってもよい。例えば、装置１０２は、限定なしで、肝臓、心臓、腎臓、胆嚢、膵臓、肺、導管、腸を含む器官、脳、硬膜嚢、脊髄及び末梢神経を含む神経系構造、尿路、並びに心臓の血液、心室、他の部分、及び／又は身体の他のシステムの中の弁を含む、任意の数の解剖学的場所及び組織タイプを検査するのに使用されてもよい。自然構造に加えて、ソリッドステートＩＶＵＳ装置１０２は、限定なしで、心臓弁、ステント、シャント、フィルタ及び他の装置のような人工構造を検査するのに使用されてもよい。

いくつかの実施例において、前記ＩＶＵＳ装置は、ボルケーノ社から入手可能なEagleEye（登録商標）カテーテル及び参照により全体的にここに組み込まれる米国特許第７８４６１０１に開示されたもののような、従来のソリッドステートＩＶＵＳカテーテルと同様のいくつかのフィーチャを含む。例えば、ＩＶＵＳ装置１０２は、装置１０２の遠位端の近くのトランスデューサアセンブリ１１０と、装置１０２の長手体に沿って延在する伝送線バンドル１１２とを含む。伝送線バンドル又はケーブル１１２は、１、２、３、４、５、６、７、又はそれ以上の導体を含む、複数の導体を含むことができる。任意の適切なゲージワイヤが、前記導体に対して使用されることができると理解される。一実施例において、ケーブル１１２は、例えば、４１のＡＷＧゲージワイヤを持つ四導体伝送線構成を含むことができる。一実施例において、ケーブル１１２は、例えば、４４のＡＷＧゲージワイヤを使用する七導体伝送線構成を含むことができる。いくつかの実施例において、４３のＡＷＧゲージワイヤが、使用されることができる。

伝送線バンドル１１２は、装置１０２の近位端におけるＰＩＭコネクタ１１４において終端する。ＰＩＭコネクタ１１４は、伝送線バンドル１１２をＰＩＭ１０４に電気的に結合し、ＩＶＵＳ装置１０２をＰＩＭ１０４に物理的に結合する。一実施例において、ＩＶＵＳ装置１０２は、ガイドワイヤ出口ポート１１６を更に含む。したがって、いくつかの例において、前記ＩＶＵＳ装置は、迅速交換カテーテルである。ガイドワイヤ出口ポート１１６は、血管１２０を通して内腔１２００内に装置１０２を向けるためにガイドワイヤ１１８が前記遠位端に向けて挿入されることを可能にする。

図２は、本開示の態様による、血管１２０により規定された内腔１２００内のソリッドステートＩＶＵＳ撮像システム１００のトランスデューサアセンブリ１１０の概略的側面図である。トランスデューサアセンブリ１１０は、フレックス回路１６０上に取り付けられたトランスデューサ素子１２４を含む。様々なトランスデューサ構成が、トランスデューサ素子１２４で作成されることができる。図２に示されるように、いくつかの実施例において、トランスデューサ素子１２４は、複数の第１の超音波トランスデューサ１２４１及び複数の第２の超音波トランスデューサ１２４２を含む。これらの実施例において、第１の超音波トランスデューサ１２４１は、トランスデューサアセンブリ１１０の長手軸に沿って線形に配置される。トランスデューサアセンブリ１１０は、ソリッドステートＩＶＵＳ撮像装置１０２（すなわち、可撓性細長部材１０２）の同じ長手軸を共有するので、第１の超音波トランスデューサ１２４１が、可撓性細長部材１０２の長手軸に平行に線形に配置されるということができる。加えて、これらの実施例において、第２の超音波トランスデューサ１２４２は、可撓性細長部材１０２の長手軸の周りに環状に配置されたトランスデューサアレイを構成する。

図２に表された実施例において、第１の超音波トランスデューサ１２４１は、第１の中心周波数で動作し、第２の超音波トランスデューサ１２４２は、第２の中心周波数で動作する。いくつかの例において、前記第１の中心周波数は、前記第２の中心周波数とは異なる。いくつかの他の例において、前記第１の中心周波数は、前記第２の中心周波数より高い。後者の例において、より高い第１の中心周波数を持つ第１の超音波トランスデューサ１２４１は、より高い空間解像度及びより小さい浸透深さにより特徴づけられる超音波画像データを取得する傾向にあるのに対し、より低い第２の中心周波数を持つ第２の超音波トランスデューサ１２４２は、より低い空間解像度及びより大きな浸透深さにより特徴づけられる超音波画像データを取得する傾向にある。結果として、第１の超音波トランスデューサ１２４１は、視野１９０を持ち、第２の超音波トランスデューサ１２４２は、視野１８０を持つ。有利には、この構成は、線形に配置された第１の超音波トランスデューサ１２４１が内腔１２００を通って流れる血液を撮像することを可能にしながら、第２の超音波トランスデューサ１２４２で形成されたトランスデューサアレイが十分な深度で血管１２０を撮像することを可能にする。

一般に、前記超音波トランスデューサの前記中心周波数は、様々な実施例において、５ＭＨｚと１００ＭＨｚとの間であることができる。例えば、前記超音波トランスデューサは、いくつかの実施例において、１０ＭＨｚ、２０ＭＨｚ、４０ＭＨｚ、４５ＭＨｚ、６０ＭＨｚの典型的な中心周波数を持つことができる。例えば、単一の撮像装置は、例えば、１０ＭＨｚの中心周波数を持つ第１の超音波素子と、２０ＭＨｚの中心周波数を持つ第２の超音波素子と、６０ＭＨｚの中心周波数を持つ第３の撮像素子とを含むことができる。１０ＭＨｚ及び２０ＭＨｚの中心周波数は、有利に、血管壁構造に浸透することができるのに対し、６０ＭＨｚの中心周波数は、有利に、血流を撮像することができる。

異なる中心周波数に加えて、前記トランスデューサ素子の各々は、関連付けられた異なるパラメータを持つことができる。撮像データは、前記異なるパラメータに基づいてＩＶＵＳ撮像データを生成するように処理されることができる。例えば、各トランスデューサ素子は、前記異なる中心周波数に対応する異なるゲイン値を持つことができる。いくつかの例において、撮像装置１０２は、各異なる中心周波数と関連付けられた超音波トランスデューサを制御する異なるコントローラ１２６を含むことができる。いくつかの実施例において、同じコントローラ１２６が、異なる中心周波数と関連付けれたトランスデューサを制御する。

更に、線形に配置された第１の超音波トランスデューサ１２４１は、カラードップラ撮像を取得することができる。第１の超音波トランスデューサ１２４１の各々が、内腔１２００内の血流に垂直な超音波伝搬の方向を持つが、カラードップラ撮像は、非ゼロドップラシフトを生成する様式で第１の超音波トランスデューサ１２４１の各々にエネルギ供給することにより可能にされる。例えば、第１の超音波トランスデューサ１２４１は、内腔１２００内の血流の方向と反対の方向に順次的に（すなわち、一つずつ）エネルギ供給されることができる。この非ゼロドップラシフトは、カラードップラ撮像を可能にする。図２に示されないいくつかの実施例において、複数の第２の超音波トランスデューサ１２４２が、線形に配置された第１の超音波トランスデューサ１２４１と交互に配置されることができる。すなわち、第２の超音波トランスデューサ１２４２は、線形に配置された第１の超音波トランスデューサ１２４１の中の２つの間に置かれる。第１及び第２の超音波トランスデューサ１２４１及び１２４２の交互の線形アレイは、カラードップラ撮像目的で非ゼロドップラシフトを生成するようにエネルギ供給されることができる。

図３に示されるのは、本開示の態様による、ソリッドステートＩＶＵＳ撮像システム１００のトランスデューサアセンブリ１１０の概略的側面図である。図３に示されるように、いくつかの実施例において、第１の超音波トランスデューサ１２４１は、トランスデューサアセンブリ１１０の長手軸の周りに環状に配置された第１のトランスデューサアレイを形成し、第２の超音波トランスデューサ１２４２は、トランスデューサアセンブリ１１０の長手軸の周りに環状に配置された第２のトランスデューサアレイを形成する。第１の超音波トランスデューサ１２４１は、第１の中心周波数で動作し、第２の超音波トランスデューサは、第２の中心周波数で動作する。いくつかの例において、前記第１の中心周波数は、前記第２の中心周波数とは異なる。いくつかの他の例において、前記第１の中心周波数は、前記第２の中心周波数より高い。後者の場合、より高い第１の中心周波数を持つ第１の超音波トランスデューサ１２４１は、より高い空間解像度及びより小さい浸透深さにより特徴づけられた超音波画像データを取得する傾向にあるのに対し、より低い第２の中心周波数を持つ第２の超音波トランスデューサ１２４２は、より低い空間的解像度及びより大きい浸透深さにより特徴づけられる超音波画像データを取得する傾向にある。結果として、第１の超音波トランスデューサ１２４１は、視野１９０を持ち、第２の超音波トランスデューサ１２４２は、視野１８０を持つ。

図４に示されるのは、本開示の態様による、ソリッドステートＩＶＵＳ撮像システム１００のトランスデューサアセンブリ１１０の概略的側面図である。図４に示されるように、いくつかの実施例において、第１の超音波トランスデューサ１２４１は、トランスデューサアセンブリ１１０の長手軸に平行に線形に配置されたトランスデューサアレイを形成し、第２の超音波トランスデューサ１２４２の各々は、第１の超音波トランスデューサ１２４１の中の２つの間に置かれる。第１及び第２の超音波トランスデューサ１２４１及び１２４２は、間に置かれるので、逆も真である。第２の超音波トランスデューサ１２４２が、トランスデューサアセンブリ１１０の長手軸の周りに環状に配置されたトランスデューサアレイを形成し、第１の超音波トランスデューサ１２４１の各々が、第２の超音波トランスデューサ１２４２の２つの間に置かれるといわれることができる。結果として生じるトランスデューサアレイは、交互トランスデューサアレイと称されることができる。第１の超音波トランスデューサ１２４１は、第１の中心周波数で動作し、第２の超音波トランスデューサは、第２の中心周波数で動作する。いくつかの例において、前記第１の中心周波数は、前記第２の中心周波数とは異なる。いくつかの実施例において、トランスデューサ素子１２４は、交互トランスデューサアレイの２以上を含んでもよい。

トランスデューサのタイプに関して、一実施例において、第１及び第２の超音波トランスデューサ１２４１及び１２４２は、例えば、参照により全体的にここに組み込まれる米国特許６６４１５４０に開示されるように、高分子圧電材料を使用して微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）基板上に製造された圧電性微小機械超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）である。代替的な実施例において、第１及び第２の超音波トランスデューサ１２４１及び１２４２は、バルクＰＺＴトランスデューサのような圧電性ジルコン酸塩トランスデューサ（ＰＺＴ）トランスデューサ、容量性微小機械超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）、単結晶圧電材料、他の適切な超音波送信器及び受信器、並びに／又はこれらの組み合わせである。いくつかの実施例において、第１の超音波トランスデューサ１２４１は、あるタイプのトランスデューサであり、第２の超音波トランスデューサ１２４２は、異なるタイプである。例えば、いくつかの例において、第１の超音波トランスデューサ１２４１は、ＣＭＵＴであり、第２の超音波トランスデューサ１２４２は、ＰＭＵＴである。

第１及び第２の超音波トランスデューサ１２４１及び１２４２が取り付けられるフレックス回路１６０は、構造的支持及び電気結合に対する相互接続を提供する。フレックス回路２１４は、ＫＡＰＴＯＮ（登録商標）（デュポンの商標）のような可撓性ポリイミド材料のフィルム層を含むように構成されてもよい。他の適切な材料は、ポリエステルフィルム、ポリイミドフィルム、ポリエチレンテレフタラートフィルム、又はポリエーテルイミドフィルム、他の可撓性プリント半導体基板並びにＵｐｉｌｅｘ（宇部興産の登録商標）及びＴＥＦＬＯＮ（E.I.デュポンの登録商標）のような製品を含む。フレックス回路１６０のフィルム層の厚さは、一般に、最終的なアセンブルされたトランスデューサアセンブリ１１０における湾曲度に関連する。いくつかの実施例において、前記フィルム層は、５μｍと１００μｍとの間であり、いくつかの特定の実施例に対して１２．７μｍと２５．１μｍとの間である。

ここで図１が参照され、ソリッドステートＩＶＵＳ撮像システム１００の動作が、記載される。伝送線バンドル又はケーブル１１２は、第１及び第２の超音波トランスデューサ１２４１及び１２４２に結合される複数の導体を含む。いくつかの実施例において、トランスデューサ１２４１、１２４２は、可撓性基板１６０上に形成される。他の実施例において、トランスデューサ１２４１及び／又はトランスデューサ１２４２は、別の基板に配置される。いくつかの例において、導体の必要な数を減少させるために、ソリッドステートＩＶＵＳ撮像システム１００は、第１及び第２の超音波トランスデューサ１２４１及び１２４２で形成されたトランスデューサアレイを制御するマイクロビームフォーマ集積回路（ＩＣ）を含むことができる。伝送線バンドル１１２は、装置１０２の近位端におけるＰＩＭコネクタ１１４において終端する。ＰＩＭコネクタ１１４は、伝送線バンドル１１２をＰＩＭ１０４に電気的に結合し、ＩＶＵＳコンソール１０６に結合されるＰＩＭ１０４にＩＶＵＳ装置１０２を物理的に結合する。ＩＶＵＳコンソール１０６は、第１及び第２の超音波トランスデューサ１２４１及び１２４２を別々に、同時に又は順次的にエネルギ供給するように動作可能である。ＩＶＵＳコンソール１０６は、ＰＩＭ１０４を経由してトランスデューサアセンブリ１１０からエコーデータ（時々、超音波データと称される）を受信するようにも動作可能であり、トランスデューサアセンブリ１１０を囲む媒体内の組織構造の画像を再構成するようにデータを処理する。例えば、図２により表される実施例において、ＩＶＵＳコンソール１０６は、線形に配置された第１の超音波トランスデューサ１２４１にエネルギ供給するように動作可能であり、線形に配置された第１の超音波トランスデューサ１２４１により知覚された超音波データを受信する。ＩＶＵＳコンソール１０６は、次いで、このような超音波データに基づいてカラードップラ超音波画像を生成するように動作可能である。加えて、ＩＶＵＳコンソール１０６は、環状に配置された第２の超音波トランスデューサ１２４２にエネルギ供給するように動作可能であり、第２の超音波トランスデューサ１２４２により知覚された超音波データを受信する。ＩＶＵＳコンソール１０６は、次いで、第２の超音波トランスデューサ１２４２により知覚された超音波データに基づいてグレイスケール超音波画像を生成することができる。更に、ＩＶＵＳコンソール１０６は、前記カラードップラ超音波画像及びグレイスケール超音波画像をディスプレイ１０８に出力するように動作可能である。いくつかの例において、ＩＶＵＳコンソール１０６は、グレイスケール超音波画像上にカラードップラ超音波画像を重ね合わせ、前記グレイスケール超音波画像上に重ね合わされたカラードップラ超音波画像を出力するように動作可能である。いくつかの例において、ＩＶＵＳコンソール１０６は、異なる中心周波数で動作する複数の撮像素子により取得された撮像データを受信し、血管の３次元ＩＶＵＳ画像を再構成するように動作可能である。

図５は、本開示の一実施例によるＩＶＵＳ撮像システム２００を示す。本開示のいくつかの実施例において、ＩＶＵＳ撮像システム２００は、回転式ＩＶＵＳ撮像システムである。これに関して、前記回転式ＩＶＵＳ撮像システムの主要なコンポーネントは、回転式ＩＶＵＳカテーテル２０２、患者インタフェースモジュール（ＰＩＭ）２０４、ＩＶＵＳコンソール又は処理システム２０６（時々、制御及び処理装置と称される）、及びＩＶＵＳコンソール２０６により生成されたＩＶＵＳ画像を表示するモニタ２０８である。カテーテル２０２は、いくつかの実施例において、超音波素子２５０を含む。以下により詳細に記載されるように、超音波素子２５０は、１より多い超音波トランスデューサを含んでもよい。ＰＩＭ２０４は、カテーテル２０２をサポートする適切なインタフェース設計を実装する。いくつかの実施例によると、ＰＩＭ２０４は、超音波素子２５０の動作を制御するように送信トリガ信号及び制御波形のシーケンスを生成する。

超音波素子２５０は、血管内腔内に及び血管壁に向けて外側に前記カテーテルの長手軸に実質的に垂直に超音波信号を送信する。前記トランスデューサからの超音波放射は、ＰＩＭ２０４から受信された対応する電気信号により起動される。超音波素子２５０は、血管組織（及び他の反射体）からの超音波エコー信号を、ＰＩＭ２０４に通信される電気信号に変換する。

図６は、本開示の一実施例による、カテーテル２０２の概略的な部分切り取り斜視図を示す。図２は、回転式ＩＶＵＳカテーテル２０２に関する追加の細部を示す。回転式カテーテル２０２は、撮像コア２１０と外側カテーテル／シースアセンブリを含む。撮像コア２１０は、ＰＩＭ２０４に対する電気的及び機械的結合を提供する回転式インタフェース２１４により近位端において終端処理される可撓性駆動シャフトを含む（図１参照）。撮像コア２１０の前記可撓性駆動シャフトの遠位端は、超音波素子２５０を含むトランスデューサアセンブリ２１６に結合される。

カテーテル／シースアセンブリ２１２（時々、可撓性細長部材２１２と称される）は、回転式インタフェース２１４をサポートするハブ２１８を含み、軸受面、及びカテーテル２０２の回転要素と非回転要素との間の流体シールを提供する。いくつかの実施例において、ハブ２１８は、前記カテーテルの使用時に空気を追い出し、前記シースの内側内腔を超音波互換流体で充填するように生理食塩水が注入されるルアーロックフラッシュポート２２０を含む。超音波周波数は、空気により高度に減衰され、任意の空気‐固体又は空気‐液体界面において強力に反射されるので、生理食塩水又は他の同様な流体が、必要とされる。生理食塩水は、駆動シャフトを回転する生体適合潤滑剤をも提供する。いくつかの実施例において、ハブ２１８は、入れ子式管状要素と、カテーテル／シースアセンブリ２１２が伸長又は短縮されることを可能にするスライド流体シールを含むテレスコープ２２２に結合される。テレスコープ２２２は、カテーテル／シースアセンブリ２１２の遠位部分における音響的に透明な窓２２４内のトランスデューサハウジングの軸方向移動を容易化する。

いくつかの実施例において、窓２２４は、最小の減衰、反射又は屈折で前記トランスデューサと血管組織との間で超音波を容易に伝導する材料から製造された薄肉プラスチック管で構成される。カテーテル／シースアセンブリ２１２の近位シャフト２２６は、テレスコープ２２２と窓２２４との間のセグメントを橋渡しする。いくつかの実施例において、近位シャフト２２６は、滑性内側内腔及びカテーテル２０２に対する最適な剛性を提供する材料又は合成物で構成される。いくつかの実施例において、カテーテル／シースアセンブリ２１２及び／又は窓２２４は、参照により全体的にここに組み込まれる、２０１２年１２月２８日に出願されたINTRAVASCULAR ULTRASOUND CATHETER FOR MINIMIZING IMAGE DISTORTIONと題された米国特許仮出願第６１／７４６９５８に記載されるようなフィーチャを含む。

図７、８及び９は、本開示の態様による、様々なトランスデューサ構成を持つ回転式ＩＶＵＳ撮像システム２００のトランスデューサ素子２５０の概略的側面図である。図７に示されるように、いくつかの実施例において、トランスデューサ素子２５０は、第１の中心周波数で動作する第１の超音波トランスデューサ２５０１、第２の中心周波数で動作する第２の超音波トランスデューサ２５０２、及び第３の中心周波数で動作する第３の超音波トランスデューサ２５０３を含む。いくつかの実施例において、第１、第２及び第３の超音波トランスデューサ２５０１、２５０２及び２５０３は、トランスデューサ素子２５０の長手軸に平行に線形に配置される。トランスデューサ素子２５０は、可撓性細長部材２１２の同じ長手軸を共有するので、第１、第２及び第３の超音波トランスデューサ２５０１、２５０２及び２５０３が、可撓性細長部材２１２の長手軸に平行に線形に配置されるといわれることができる。いくつかの例において、前記第１、第２及び第３の中心周波数は、互いに異なる。他の例において、前記第１の中心周波数は、前記第２の中心周波数より高く、前記第２の中心周波数は、前記第３の中心周波数より高い。これらの例において、第１の超音波トランスデューサ２５０１は、これら３つの超音波トランスデューサの中で最高の空間的解像度及び最小の浸透深さを持つ。第３の超音波トランスデューサ２５０３は、３つの中で最小の空間的解像度及び最大の浸透深さを持ち、第２の超音波トランスデューサ２５０２は、中間の空間的解像度及び浸透深さを持つ。結果として、第１の超音波トランスデューサ２５０１は、視野２７０を持ち、第２の超音波トランスデューサ２５０２は、視野２８０を持ち、第３の超音波トランスデューサ２５０３は、視野２９０を持つ。

図８は、図７に示されるものとは異なる超音波トランスデューサ２５０１、２５０２及び２５０３の構成を示す。図７に示されるように、いくつかの実施例において、第１の超音波トランスデューサ２５０１は、トランスデューサアセンブリ２１６において平らに置かれず、角度Ａで傾斜される。第１の超音波トランスデューサ２５０１が、遠位又は近位に傾斜されることができることに注意する。いくつかの例において、傾斜された第１の超音波トランスデューサ２５０１は、最高の中心周波数で動作する。いくつかの実施例において、前記第２の中心周波数は、前記第３の中心周波数より高い。結果として、図９において、第１の超音波トランスデューサ２５０１は、視野２７０を持ち、第２の超音波トランスデューサ２５０２は、視野２８０を持ち、第３の超音波トランスデューサ２５０３は、視野２９０を持つ。

図８に描かれた実施例において、ＩＶＵＳコンソール又は処理システム２０６は、第１の超音波トランスデューサ２５０１から血管からのドップラ超音波データを取得するように構成されることができ、流体の流れの存在又は不在、方向及び量を決定するように前記データを分析することができる。ドップラ超音波は、受信された信号における位相変化として放射されたビームにより物体の移動を測定する。超音波が、移動している構造（例えば、血管内の赤血球細胞）から反射される場合、戻ってくる波の波長及び周波数が、シフトされる。前記移動している構造が、第１の超音波トランスデューサ２５０１に向かって移動している場合、周波数は増加する。前記移動している構造が、第１の超音波トランスデューサ２５０１から離れるように移動している場合、周波数は減少する。

いくつかの実施例において、ＩＶＵＳコンソール又は処理システム２０６は、ドップラ式、
Δｆ＝（２ｆ₀Ｖcosθ）／Ｃ
を採用することができ、ここでΔｆは、周波数シフトであり、ｆ₀は、送信波の周波数であり、Ｖは、反射する物体（例えば、赤血球細胞）の速度であり、θは、入射波と前記反射する物体の移動の方向との間の角度（すなわち、入射の角度）であり、Ｃは、媒体内での音の速度である。前記周波数シフトは、第１の超音波トランスデューサ２５０１が、血流の方向に平行に向けられ、θが、ゼロ度である場合（cosθ＝１）に、最大である。前記周波数シフトは、トランスデューサ１３０が、血流の方向に垂直に向けられ、θが、９０°である場合（cos９０＝０）に、不在である。より高いドップラ周波数シフトは、速度が増加され、入射波が、血流の方向に更にアラインされ、及び／又はより高い周波数が放射される場合に得られる。

図９は、図７及び８に示されるものとは異なる超音波トランスデューサ２５０１、２５０２及び２５０３の構成を示す。図９に示されるように、いくつかの実施例において、第１の超音波トランスデューサ２５０２及び第２の超音波トランスデューサ２５０２の両方が、トランスデューサアセンブリ２１６において平らに置かれず、それぞれ、角度Ａ及びＢで傾斜される。いくつかの実施例において、第１及び第２の超音波トランスデューサ２５０１及び２５０２は、中心に向けて傾斜される。すなわち、第１及び第２の超音波トランスデューサ２５０２及び２５０２の一方は、遠位に傾斜され、他方は、近位に傾斜される。第１及び第２の超音波トランスデューサ２５０１及び２５０２から伝搬する音波が、血流に平行な成分を含む限り、これらの両方が、カラードップラ超音波画像を生成するように超音波撮像データを取得するのに使用されることができる。図９に示される実施例において、第３の超音波トランスデューサ２５０３は、最小の中心周波数を持ち、可撓性細長部材２１２の長手軸に沿って第１の超音波トランスデューサ２５０１と第２の超音波トランスデューサ２５０２との間に配置される。結果として、図９において、第１の超音波トランスデューサ２５０１は、視野２７０を持ち、第２の超音波トランスデューサ２５０２は、視野２８０を持ち、第３の超音波トランスデューサ２５０３は、視野２９０を持つ。視野２７０、２８０及び２９０は、いくつかの例において、重複することができる。これに関して、計算装置は、（異なる中心周波数を持つ）複数のトランスデューサからのデータを使用して血管の単一の場所の単一のＩＶＵＳ画像を生成することができる。

図１０は、 本開示の態様による、患者の血管３００の断面図である。血管３００は、複数の層を含む。例えば、血管３００は、内膜３３０及び中膜３４０を含む。内膜３３０は、内腔３１０を規定する内側血管壁３２０を持つ。ＩＶＵＳ装置１０２又はカテーテル２０２のような、ＩＶＵＳ装置４００が、内腔３１０に対して配置される場合、ＩＶＵＳ装置４００が、内膜３３０、中膜３４０、及び内腔３１０内を流れる血液の速度のフィーチャを解像するように異なる浸透深さの超音波撮像データを取得することができることは、有利である。有利には、本開示は、異なる中心周波数で動作する複数の超音波トランスデューサを含むＩＶＵＳ撮像システムを提供する。本開示に開示されたＩＶＵＳ撮像システムを用いて、カテーテルを実行する医師は、異なる目的で作られたＩＶＵＳカテーテルを患者の血管内に挿入する必要なしに、グレイスケール超音波画像だけでなく、カラードップラ画像をも取得することができる。

当業者は、上に記載された装置、システム及び方法が、様々な形で修正されることができることを認識する。したがって、当業者は、本開示により含まれる実施例が、上に記載された特定の典型的な実施例に限定されないことを理解する。これに関して、例示的な実施例が、図示及び記載されているが、広い範囲の修正、変更及び置換が、先行する開示において予期される。このような変形が、本開示の範囲から逸脱することなしに上記のものに対してなされてもよいと理解されたい。したがって、添付の請求項が、幅広く、本開示と一貫した様式で解釈されることは、適切である。

Claims (8)

1. 患者の内腔内に配置されるように構成され、近位部分及び遠位部分を有する可撓性細長部材と、
   前記可撓性細長部材の前記遠位部分に配置され、
   前記可撓性細長部材の長手軸に平行に線形に配置され、第１の中心周波数で動作するように構成された複数の第１の超音波トランスデューサ、及び
   前記第１の中心周波数とは異なる第２の中心周波数で動作するように構成された複数の第２の超音波トランスデューサを有し、前記可撓性細長部材の長手軸の周りに環状に配置された第２のトランスデューサアレイ、
   を含む撮像アセンブリと、
   を有する血管内超音波（ＩＶＵＳ）撮像装置において、
   前記第１の超音波トランスデューサが、ドップラ超音波画像データを生成するように構成され、前記第２の超音波トランスデューサが、超音波画像データを生成するように構成される、
   ＩＶＵＳ撮像装置。
2. 前記撮像アセンブリが、前記可撓性細長部材の長手軸の周りを回転するように構成される、請求項１に記載のＩＶＵＳ撮像装置。
3. 前記複数の第１の超音波トランスデューサが、前記第２の超音波トランスデューサの遠位に隣接して配置される、請求項２に記載のＩＶＵＳ撮像装置。
4. 患者の内腔内に配置されるように構成され、近位部分及び遠位部分を有する可撓性細長部材と、
   前記可撓性細長部材の前記遠位部分に配置され、
   前記可撓性細長部材の長手軸に平行に線形に配置され、第１の中心周波数で動作するように構成された第１の複数の超音波トランスデューサ、及び
   前記可撓性細長部材の長手軸の周りに環状に配置された第２のトランスデューサアレイを有し、前記第１の中心周波数とは異なる第２の中心周波数で動作するように構成された第２の複数の超音波トランスデューサ、
   を含む撮像アセンブリと、
   前記第１の複数の超音波トランスデューサ及び前記第２の複数の超音波トランスデューサと通信し、
   前記内腔の第２の超音波データを取得するように前記第２の複数の超音波トランスデューサにエネルギ供給し、
   前記第２の超音波データに基づいてグレイスケール超音波画像を生成し、
   前記内腔を流れる流体の第１の超音波データを取得するように前記第１の複数の超音波トランスデューサにエネルギ供給し、前記第１の超音波データがドップラ画像データであり、
   前記第１の超音波データに基づいてカラードップラ超音波画像を生成し、
   前記グレイスケール超音波画像及びカラードップラ超音波画像をディスプレイ出力する、
   ように動作可能である制御及び処理装置と、
   を有する、血管内超音波（ＩＶＵＳ）撮像システム。
5. 前記制御及び処理装置が、前記グレイスケール超音波画像上にカラードップラ超音波画像を重ね合わせ、前記グレイスケール超音波画像上に重ね合わされた前記カラードップラ超音波画像を前記ディスプレイに出力するように動作可能である、請求項４に記載のＩＶＵＳ撮像システム。
6. 前記制御及び処理装置が、前記可撓性細長部材の長手軸に沿って順次的に前記第２の複数の超音波トランスデューサにエネルギ供給するように動作可能である、請求項４に記載のＩＶＵＳ撮像システム。
7. 前記撮像アセンブリが、前記可撓性細長部材の長手軸の周りを回転するように構成される、請求項４に記載のＩＶＵＳ撮像システム。
8. 前記第１の超音波トランスデューサが、ある角度で近位に傾斜され、前記第２の中心周波数が、前記第１の中心周波数より高い、請求項４に記載のＩＶＵＳ撮像システム。

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