JP2004524584A

JP2004524584A - 光学的なｍｒ信号伝送

Info

Publication number: JP2004524584A
Application number: JP2002584002A
Authority: JP
Inventors: マウリツコニングス; ステッフェンウェイス
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2001-04-21
Filing date: 2002-04-19
Publication date: 2004-08-12
Also published as: WO2002086526A1; US20040116801A1; EP1384087A1; DE10119543A1

Abstract

本発明は、MR受信コイル（６）から検出ユニット（２２）へのMR信号の光伝送のための装置に関する。光源（２１）の光は、光ファイバによって電気光学変調器に加えられ、前記電気光学変調器は、２つの交差された偏光子（３、５）の間に配設される電気光学材料から成る。このようにして、零のあたりで変調される振幅である光信号が生成され、前記光信号の強度は前記MR受信コイル（６）において誘導される電圧に比例する。次いで、変調光信号は、光ファイバによって前記電気光学変調器から検出ユニット（２２）へ伝導される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、MR受信コイルから検出ユニットへのMR信号の光伝送のための装置であって、光源の光が、光ファイバを介して電気光学変調器へ伝導されており、前記電気光学変調器において、前記光が、前記MR受信コイルにおいて誘導される電圧で変調され、前記光が、他の光ファイバによって、前記変調器から前記検出ユニットへ伝導されている装置に関する。
【０００２】
本発明はまた、遠端に配設されるMR受信コイルを備える血管カテーテル(intravascularcatheter)、及び本発明によるMR信号の光伝送のための装置を具備するMR装置にも関する。
【背景技術】
【０００３】
介入性器具(interventional instrument)の位置特定(localization)は、医療において、即ち、診断方法と治療方法との両方において、非常に重要である。このような器具は、例えば、血管カテーテル、生検針、低侵襲外科用器具（minimal-invasive surgical instrument）などであり得る。しかしながら、ほとんどの治療上の処置方法の場合、介入性器具の位置の決定だけでは十分でなく、可能な限り正確に器具の直近において局部的な解剖学的組織(local anatomy)を検査することもまた非常に重要である。介入性画像診断(interventional radiology)の重要なアプリケーションは血管造影法にあり、このような方法は患者の脈管系の解剖学上の細部(anatomical detail)用である。
【０００４】
今日では、磁気共鳴断層撮影法に基づく血管造影法がますます重要になっている。これまで通例使用されていたＸ線診断法と比較して、磁気共鳴は、組織選択性（tissue selectivity）の著しい向上という重要な利点を提供する。磁気共鳴信号を検出するために介入性器具にマイクロコイルが設けられるMR技術が知られている。先端部がこのようなマイクロコイルを具備する血管カテーテルによる血管のMR画像化の方法はとりわけ関心がある。
【０００５】
このようなMRアシスト血管造影法(MR-assisted angiography method)において生じる根本的な問題は、カテーテルの先端部に配設されるマイクロコイルから用いられるMRシステムの受信電子回路へRF MR信号を送信するために、血管カテーテルの全長にわたって延在する電気的接続リード線が必要とされるという事実のためである。検査ゾーンにおける強いRF照射のために、このような接続ワイヤにおいて望ましくない危険な加熱現象が起こり得る。検査ゾーンの内部のRFフィールド（RF field）は、カテーテルの内部に延在するケーブル中に定常波を生成し、斯くして、ケーブルの共鳴RF加熱を引き起こしかねない。血管カテーテル中に延在する長いケーブルを備える血管カテーテルの使用は、このような装置の安全性に関する疑いに反する。上記の現象は、大きな困難を伴ってでしか計算され得ない。なぜなら、共鳴RF加熱は、生じるRFフィールドの周波数、並びに導電体の電気的特性及び幾何学的特性に依存するからである。実験において、突然発生する激しい加熱現象が観察されており、患者が検査されている場合には、このような現象は、ことによると、生命を脅かす損傷をもたらし得る。
【０００６】
MR信号の伝送のために光伝送技術が用いられる場合には、共鳴RF加熱の危険性は完全に除去される。上記の種類のMR信号の光伝送のための装置は、例えば、米国特許公報第US5739936号に記載されている。
【０００７】
既知の装置において、光は光ファイバによってレーザ光源から電気光学変調器へ伝導される。前記変調器は、その上に電気RF信号が変調される２つの光信号を生成する。２つの変調光信号は、２つの別個の光ファイバによって検出ユニットへ伝導される。既知の光伝送装置における電気光学変調器は、反対の位相を備えるRF信号を搬送する２つの変調光信号を生成するマッハ・ツェンダ干渉計から成る。２つの光信号は、雑音、即ち、主としてレーザの振幅雑音を含む信号のバックグラウンド成分が互いを補償するように検出ユニットにおいて互いと組み合わされる。
【０００８】
既知の光伝送装置は、光信号の変調のために干渉法が用いられるという根本的な不利な点を持つ。これは、コヒーレント光を発するレーザの形態の光源の使用を必要とする。更に、電気光学変調器の動作の干渉モードは、多数の物理的及び幾何学的パラメータに対する装置全体の極端な感度を生じさせる。干渉計に作用する機械的な力及び変動する温度は、２つの光信号の間の位相差に著しく影響を及ぼし、例えば、特に医療用アプリケーションに対して、誤りに対する高い感受性及び実際的な有用性の制限を招く。
【０００９】
既知の伝送装置における２つの独立した変調信号の生成のための複雑性もまた不利な点を構成する。２つの信号は、別個の光ファイバによって検出ユニットへ伝導されなければなれない。検出ユニットは、２つの光信号のバックグラウンド成分を補償するために複雑な電子回路を必要とする。この検出ユニットの動作の原理は、２つの光信号がちょうど同じ振幅を持つ場合にしか成功しない。これは、検出電子回路及び変調器の正確な調整を必要とする。
【００１０】
更に、引用した米国特許において開示されているような光伝送装置を血管カテーテルに組み込むことは簡単には可能ではないこともまた不利な点である。電気光学変調器として用いられているマッハ・ツェンダ干渉計は、無視され得ないような空間量を必要とする。更に、変調器は、２つの変調光信号の強度の調整のために直流電圧を必要とする。この電圧は電気供給リード線の使用を必要とする。しかしながら、電気供給リード線の使用は、上記の共鳴加熱現象を排除するために回避されるべきである。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の目的は、当該装置が医療用アプリケーションに適するように、上記の不利な点が回避される、ロバスト且つ単純な測定方法に基づいているMR信号の光伝送のための装置を提供することにある。とりわけ、この種の装置をMR血管造影法のための血管カテーテルに組み込むことが可能であろう。
【００１２】
上記の種類のMR信号の光伝送のための装置に基づいて、変調器の電気光学材料が、MR受信コイルにおいて誘導される電圧がない場合には光源からの光が消失されるように、２つの交差された偏光子の間に配設されることでこの目的は達成される。
【００１３】
本発明による装置における電気光学変調器は、少数の構成要素のみ、即ち、電気光学材料及び２つの交差された偏光子から成る。斯くして、既知の装置において用いられるマッハ・ツェンダ干渉計と比較して、とりわけ単純且つコンパクトな構成が得られる。
【００１４】
本発明の原理は、光源によって供給される光の強度変調に基づいており、この変調は、干渉計を必要とせず、単に１つの電気光学材料を必要とするに過ぎない。斯くして、コヒーレント光を生成するための光源としてレーザを使用する必要もない。斯くして、本発明は、既知の装置と比較して著しい利点を供給する。なぜなら、伝送路全体に沿って光のコヒーレンスを確実にするように電気光学変調器から検出ユニットへの光の伝送に特別な要件を課す必要がないからである。これは、とりわけ本発明による装置のロバスト性(robustness)を供給し、このようなロバスト性は、血管カテーテル又は他の介入性器具への組み込みのための重要な必要条件である。干渉変調法なしで済まされることから、周囲の影響に対する極端に高い感度は完全に除去される。これは、実際の医療用アプリケーションに対する本発明による装置の高い実際的な有用性をもたらす。
【００１５】
検出ユニットへ変調光を伝導するのに単一のファイバしか必要とされないことで他の単純化が得られる。前記変調光信号は比較的単純な電子検出回路によって処理され得る。
【００１６】
本発明によれば、電気光学変調器は、MR受信コイルにおいて誘導されるRF信号を直接的に光学的な信号に変換する。２つの交差された偏光子の間に電気光学材料を配置するため、零のあたりで変調される光信号が検出されることから、とりわけロバストな測定方法が得られる。前記交差された偏光子は、前記変調器からのMR信号がない場合には光源からの光を完全に消失させる。これは、測定する信号の雑音の挙動と、更に零のあたりで変動する信号の慣用の電子増幅器による増幅とが著しくより単純であるという点で著しい利点を供給する。
【００１７】
本発明による装置は、全ての構成要素が共に非常に限られた空間量しか必要としないことから、血管カテーテル又は他の介入性器具に容易に組み込まれ得る。前記介入性器具の内部に光ファイバ自体よりわずかに多くの空間しか必要としないように電気光学変調器を構成することは容易に可能である。
【００１８】
更に、本発明による装置は、完全に受動的に動作し、故に、電気供給のリード線又は他の電子部品が必要とされない。これは、介入性MR装置における本発明による装置の実際的な有用性のための重要な要件である。
【００１９】
請求項２に従う装置における電気光学変調器は、好ましくは、光の偏光方向が、当該変調器の電気光学材料を経ての該光の通過の際にMR受信コイルにおいて誘導される電圧に依存して回転されるように構成される。これは、前記偏光方向が前記電気光学材料を経ての前記光の通過の際に電界強度に依存して回転されるという電気光学効果がMR信号の検出及び測定のために用いられ得ることが、本発明の基本的な特徴であるからである。このような電気光学効果は、異なる材料の連続において生じ、非常に高速であり、実質的に遅延を受けない。実験は、如何なる著しい歪み又は位相遅延も被ることなしに１GHｚまでの周波数のMR信号を送信することが簡単に可能であることを明らかにした。
【００２０】
請求項３に開示されているように電気光学変調器の動作がポッケルス効果に基づく場合にとりわけ有利である。ポッケルス効果によれば、電気光学材料の屈折率は電界に依存して異方性的(anisotropically)に変更される。斯くして、前記電気光学材料を介して伝導されている光の偏光方向の回転が達成される。有利なことには、前記ポッケルス効果に従って、前記偏光方向の回転が、加えられる前記電界の強度に正比例する。その場合に、MR信号の伝送のために、前記電気光学材料内に、前記偏光方向の適切な回転を供給する電界強度を生成することが必要である。この目的のため、２つの電極の間に前記電気光学材料を配設し、前記２つの電極を介してMR受信コイルが前記電気光学変調器に結合されることは効果的である。適切な電界強度は、前記電極の間の距離が可能な限り低減される場合に得られる。請求項４に従って、リン酸二水素カリウム又はニオブ酸リチウム(lithium niobate)の結晶がポッケルス効果を呈する電気光学材料として用いられ得る。有利なことには、このような結晶は光学部品として市販されている。
【００２１】
請求項５に従って、本発明による装置の検出ユニットは、好ましくは、フォトダイオード、RF増幅器及びロックイン増幅器を含む。前記フォトダイオードは、変調光信号を、RF増幅器によって直接的に増幅される光電流に変換する。前記ロックイン増幅器は、前記MR信号の狭帯域検出(narrow band detection)に役立つ。この目的のため、測定信号は、まず、磁気共鳴周波数で変調され、後に、狭帯域ローパスフィルタをかけられる。このようにして得られた前記信号の周波数は、例えば、検査ゾーン内の介入性器具の位置を決定するために用いられ得る。
【００２２】
有利なことには、本発明によるMR信号の光伝送のために装置は、請求項６及び７に従って血管カテーテルのために用いられ得る。請求項８に従って、従来のMR装置に本発明によるMR信号の光伝送のための装置が設けられ得る。
【００２３】
図面を参照して、以下に本発明の実施例を詳細に記載する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は、本発明による装置が、血管カテーテル１の先端部の中に簡単に組み込まれ得ることを明確に示している。光源からの光は、第1光ファイバ２を介して、カテーテル１の外側からカテーテル１の先端部へ案内される。この先端部の領域において、光は、第１偏光フィルタ３、１つの電気光学材料４及び第２偏光フィルタ５から成る光学部品の組立体を横切る。２つのフィルタ３及び５の偏光方向は、互いに対して垂直に延在する。小さなMR受信コイル６がカテーテル１の先端部に配設される。コイル６は、短い接続ワイヤ７を介して２つの電極８に接続され、２つの電極８の間には電子光学材料４が設置される。MR受信コイル６において電圧が誘導されない場合には、電気光学材料において電界が存在しないであろう。その場合に、電気光学変調器は作動しない。なぜなら、光が第２偏光フィルタ５を通ることが出来ないからである。それは、第１偏光フィルタ３の向きに従って、電子光学材料４を経て通過する光の偏光方向が、第２偏光フィルタ５の偏光方向に対して垂直に延在するからである。光の偏光方向は、電気光学材料４において電界がない場合には変更されない。しかしながら、コイル６によってMR信号が受信されるや否や、光の偏光方向は、第１偏光フィルタ３の伝導方向に対して垂直の向きをもつ偏光成分(polarization component)が生じるように電気光学材料４の内部で回転される。それ故、第２偏光フィルタ５に入射する光は、もはや、フィルタ５の伝導方向に対してちょうど垂直の方向の直線偏光はされず、強度が検出MR信号の周波数の関数として振動する付加的な弱い成分を含有する。この成分の偏光は、第２偏光フィルタ５の伝導方向に対して平行の向きをもち、故に、光学装置を経て通過する光は、MR信号に比例して振幅変調される。変調光信号は、第２光ファイバ９を介して、MR信号を更に処理する検出ユニットへ伝導される。図１に示されているような本発明による装置においては、ファイバ２を介して到達する光の大部分が、電気光学変調器によって阻止される。これは、Ｓ／Ｎ比に関して特別な利点を提供する。これは、零のあたりで変調される、非常に簡単に、処理及び増幅され得る光信号が生成されるからである。とりわけ、変調光信号に重ねられる強いバックグラウンド信号がなく、故に、上記のように、従来技術から既知であるような一連の不利な点が回避される。
【００２５】
図２は、本発明による光伝送装置を具備するMR装置のブロック図を示している。このシステムは、安定した均一の磁界を生成する主磁界コイル(main field coil)１０と、X方向、Y方向及びZ方向に勾配パルス(gradient pulse)を生成する勾配コイル(gradient coil)１１、１２及び１３と、RF送信コイル１４とから成る。勾配増幅器(gradient amplifier)１６を介して勾配コイル１１、１２及び１３と通信する制御ユニット１５は、勾配パルスの時間的な順序を制御する。制御ユニットはまた、検査ゾーンにおいて強力なRFパルスが生成され得るようにRF送信増幅器１７を介して送信コイル１４に接続される。このシステムはまた、再構成ユニットとして役立つマイクロコンピュータ１８と、例えばグラフィックモニタの形態の視覚化ユニット１９とを含む。MR受信コイル６は、患者２０内に差し込まれるカテーテル１の先端部に設けられる。MR受信コイルは、本発明による装置に従ってカテーテル１の中に延在する光ファイバを介して、光源２１及び受信ユニット２２に接続され、受信ユニット２２を介して、検出光信号が、復調され、再構成ユニット１８に送信される。受信ユニット２２は、変調光信号を光電流に変換するフォトダイオード２３から成る。次いで、光電流は、復調がロックイン増幅器２５によって共鳴周波数で行なわれる前にRF増幅器２４によって増幅される。コイル６によって受信された磁気共鳴信号は、加えられた勾配を考慮に入れながらマイクロコイル６の場所が突き止められ得るように、再構成ユニット１８においてフーリエ解析にかけられる。次いで、カテーテル１の算出位置は、モニタ１９において表示される。再構成ユニット１８は、必要に応じて、決定された位置データが更に画像化プロセスのために用いられ得るように制御ユニット１５と通信する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】光学的な信号伝送を備える血管カテーテルを示す。
【図２】本発明によるMR信号の光伝送のための装置を具備するMR装置を示す。

Claims

MR受信コイルから検出ユニットへのMR信号の光伝送のための装置であり、光源の光が、光ファイバを介して電気光学変調器へ伝導されており、前記電気光学変調器において、前記光が、前記ＭＲ受信コイルにおいて誘導される電圧で変調され、前記光が、前記変調器から前記検出ユニットへ伝導されている装置であって、前記変調器の電気光学材料が、前記ＭＲ受信コイルにおいて誘導される電圧がない場合には前記光源からの前記光が消失されるように、２つの交差された偏光子の間に配設されることを特徴とする装置。
前記光の偏光方向が、前記変調器の前記電気光学材料を経ての該光の通過の際に、前記ＭＲ受信コイルにおいて誘導される前記電圧に依存して回転されるように前記変調器が構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記電気光学変調器の動作がポッケルス効果に基づくことを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記電気光学材料が、リン酸二水素カリウム又はニオブ酸リチウムであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記検出ユニットが、フォトダイオード、ＲＦ増幅器及びロックイン増幅器を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
遠端に配設されるMR受信コイルを具備する血管カテーテルであって、当該カテーテルの先端部の領域に、前記受信コイルにおいて誘導される電圧が加えられる電気光学変調器を具備し、前記変調器の電気光学材料が２つの交差された偏光子の間に配設されており、前記電気光学変調器が、第１ファイバを介して供給される光が、該変調器を横切った後に、第２ファイバを経由して当該カテーテルの近端へ伝導されるように、当該カテーテルの長手方向に対して平行に延在する２つの光ファイバに結合されていることを特徴とする血管カテーテル。
当該カテーテルの前記近端において、前記第１光ファイバが光源に接続され、前記第２光ファイバが光電受信ユニットに結合されることを特徴とする請求項６に記載の血管カテーテル。
請求項１に記載のＭＲ信号の光伝送のための装置を含むＭＲ装置であり、均一の安定した磁界を生成する少なくとも１つの主磁界コイルと、異なる空間方向に勾配パルスを生成する多数の勾配コイルと、ＲＦパルスを生成するＲＦ送信コイルと、ＲＦパルス及び勾配パルスの時間的な順序を制御する少なくとも１つの制御ユニットと、再構成及び視覚化ユニットと、受信ユニットに接続される少なくとも１つのＭＲ受信コイルを含む介入性器具とが設けれるＭＲ装置であって、光源からの光が、第１光ファイバを介して、前記介入性器具に組み込まれる電気光学変調器へ伝導され、前記電気光学変調器において、前記光が、前記ＭＲ受信コイルにおいて誘導される電圧で変調され、前記光が、前記電気光学変調器から第２光ファイバを介して前記受信ユニットへ伝導され、前記変調器の前記電気光学材料が、前記ＭＲ受信コイルにおいて電圧が誘導されない場合には前記光源の光が前記変調器によって消失されるように、２つの交差された偏光子の間に配設されていることを特徴とするＭＲ装置。