JP2009183416A

JP2009183416A - 診断用カテーテル

Info

Publication number: JP2009183416A
Application number: JP2008025679A
Authority: JP
Inventors: Masunori Matsuzaki; 益徳松崎; Takashi Ko; 高史廣; Junichi Kawanabe; 純一川那辺
Original assignee: Aloka Co Ltd; Yamaguchi University NUC
Current assignee: Hitachi Ltd; Yamaguchi University NUC
Priority date: 2008-02-05
Filing date: 2008-02-05
Publication date: 2009-08-20
Anticipated expiration: 2028-02-05
Also published as: JP5283155B2

Abstract

【課題】超音波診断及び光コヒーレントトモグラフィ診断を行う場合における固有の問題に対処する。特に、カテーテル内の中心軸に沿って光ファイバを配置できるようにし、カテーテルの細径化を図る。
【解決手段】アウターシース４４内には回転体４６が設けられ、回転体４６は中空のトルクワイヤ４８とその内部に設けられた同軸構造体５０とにより構成される。同軸構造体５０は、中心軸に沿って配置された光ファイバ３４、シグナル電極層５２、グランド電極層５６等を有する。光ファイバ３４の先端には光学部材６０が設けられ、それによって光ビームが形成される。ヘッドユニット６４には振動子ユニット７６が設けられ、それによって超音波ビーム８６が形成される。光ファイバ３４は他の構造体に対して非固着状態におかれている。
【選択図】図２

Description

本発明は診断用カテーテルに関し、特に、光学的診断及び超音波診断を行うための診断用カテーテルに関する。

血管内に挿入されて超音波診断を行うためのカテーテル型超音波プローブが知られている。かかるプローブは、一般に、アウターシースと、その内部に挿入されるトルクワイヤと、トルクワイヤの先端に設けられた振動子と、を有する。振動子は超音波を送受波するものであり、この振動子によって超音波ビームが形成される。トルクワイヤを回転させれば、超音波ビームを回転走査することができる。これはラジアルスキャンと言われている。ラジアルスキャンにより円形の走査面が形成され、その走査面上で取得されたデータに基づいて血管の断層画像が形成される。この画像形成処理はプローブが接続された超音波診断装置本体において実行される。特許文献１には、生体の体腔内に挿入されるカテーテルが開示されている。同文献によれば、当該カテーテルはセンサを有しており、そのセンサの例として、超音波振動子、光学センサ等が例示されている。

一方、近年、光コヒーレントトモグラフィ（optical coherence tomography :OCT）が実用化されている。これは低コヒーレント光を生体組織に照射して、後方散乱光を高感度に検出することにより、生体組織の二次元断層像等を形成するものである。後方散乱光の検出にあたっては、一般に干渉計の原理が利用される。特許文献２，３，４には光ファイバを利用したＯＣＴシステムが開示されている。特許文献５には、ＯＣＴセンサ及び超音波センサを有するカテーテルが開示されている。特許文献６には、光ファイバ及び超音波センサを有するカテーテルが開示されている。

特開平７−２６５３１０号公報特開２００６−２１５００７号公報特開２０００−９７８４５号公報特表２０００−５０３２３７号公報特開２００７―８３０５７号公報特開２００４−２９０５４８号公報

血管内において、超音波診断（ＵＳ診断）とＯＣＴ診断とを共に行う場合、カテーテル内にトルクワイヤ及び信号線を配置し、更に光ファイバを挿入する必要がある。カテーテル内に信号線と光ファイバとを無造作に配置すると、光ファイバがカテーテル中心軸から大きくずれてしまい、光ファイバの回転時において軸ぶれが生じてそれが計測に悪影響を与えることが懸念される。また、カテーテル内に信号線と光ファイバとを横並びで配置すると、カテーテルを細径化することが困難となり、換言すればデットスペースが増大するという問題が生じる。

上記特許文献１には同軸構造が認められるが、そこには光ファイバの取扱いについては記載されていない。上記特許文献２，３，４に記載されたシステムはＯＣＴ計測だけを行うものである。上記特許文献５，６には光計測及び超音波計測を併用する技術が記載されているが、光伝達部材と電気信号伝達部材とを有限なスペース内に適切に配置する方法については記載されていない。

本発明の目的は、生体内において超音波計測及び光学計測を行う場合における固有の問題に対処することにある。あるいは、本発明の目的は、診断用カテーテル内に適正に光伝達部材を配置できるようにすることにある。あるいは、本発明の目的は、診断用カテーテルの細径化を図ることにある。

本発明は、生体内に挿入されるアウターシースと、前記アウターシース内に設けられ、回転力を伝達する中空の回転部材と、前記回転部材内に設けられ、前記回転部材と共に回転可能な同心円構造体と、を含み、前記同心円構造体は、カテーテル中心軸に沿って設けられ、生体組織を光学的に計測するために光を伝達する光伝達部材と、前記光伝達部材の周囲に設けられ、前記生体組織に対する超音波の送受波のための電気信号を伝達する電気信号伝達部材と、を含み、前記電気信号伝達部材は、前記光伝達部材の周囲に設けられた第１導電層と、前記第１導電層に対して絶縁されつつ、前記第１導電層の周囲に設けられた第２導電層と、を含むことを特徴とする診断用カテーテルに関するものである。

上記構成によれば、アウターシース内には、トルクワイヤ等の回転部材が回転自在に設けられ、その回転部材の中に、同心円構造体が挿通配置される。上記の同心円構造体においては、カテーテル中心軸に沿って光伝達部材が設けられるので、診断用カテーテルが生体内において屈曲させても、光伝達部材に対して局所的に無理な力が加わってしまうことを防止又は軽減できる。また、その先端部において回転中の軸ぶれによる問題を改善できる。より詳しくは、カテーテル中心軸からずれた位置に光伝達部材が配置されていると、屈曲方向如何によって、その経路長が大きく変化してしまうことになるが、上記構成によれば、そのような経路長の変化という問題も生じ難い。よって、診断用カテーテルの屈曲時に、光伝達部材の先端部が相対的に大きく変位してしまう問題を防止又は軽減できる。更に、上記の同心円構造体においては、光伝達部材を取り巻くように電気信号伝達部材が設けられているので、有限なスペースを有効に利用できる。これは診断用カテーテルの細径化という利点に繋がる。

望ましくは、少なくとも生体内では、前記光伝達部材は前記電気信号伝達部材に対して非固着状態にあり、これにより前記光伝達部材は前記電気信号伝達部材に対して独立して変位可能である。電気信号伝達部材とその内部の光伝達部材とをそれらの全体にわたって一体化（固着）することも可能であるが、生体内における診断用カテーテルの屈曲に伴い、両者間に経路長の差が生じると、物理的に強くない光伝達部材に無用な負荷が生じてしまうおそれがある。両者を非固着関係にしておければ、仮に経路長に差が生じても相対的な変位をもってそれが吸収され、特に光伝達部材に大きな応力が生じてしまうことを防止できる。電気信号伝達部材と光伝達部材とを両者の全体にわたって非固着関係にしておいてもよい。そのような関係によれば、両者間に相対的自由度を担保できるので、基端側での相対的な位置あるいは角度の操作が可能となる。

望ましくは、前記アウターシースの先端部内には前記回転部材に連結されたヘッドユニットが設けられ、前記ヘッドユニットには、前記光伝達部材の先端部に設けられ前記カテーテル中心軸に対して交差する方向に光ビームを形成する光学部材が位置し、前記ヘッドユニットには、前記電気信号伝達部材に対して電気的に接続され前記カテーテル中心軸に対して交差する方向に超音波ビームを形成する送受波器が設けられ、前記回転部材及び前記同心円構造体の回転により、前記光ビーム及び前記超音波ビームがラジアル走査される。この構成によれば、光断層画像及び超音波断層画像を形成することができる。２つのビームの形成位置が大きく離れていると、診断部位の位置ずれが問題となるので、２つのビームの間隔は小さい方がよい。実質的に一致させる構造を採用してもよい。それぞれのビームは中心軸に対して直交しているのが望ましい。それぞれのビームの方位（回転角度）が各時相において一致しているのが望ましいが、方位がずれていても（つまり角度差があっても）両者のラジアル走査が同期していれば、画像形成上、大きな問題とならない。電気信号伝達部材と光伝達部材とが非固着関係にあり、かつ、回転駆動に伴って、それぞれの先端部において捻れ量が異なると、両者の先端間で角度差が生じるため、それぞれのビームの回転角度を独立して認識できるように構成するのが望ましい。

望ましくは、前記ヘッドユニットには、前記光学部材が内部に収容され前記光ビームの通路をなす空洞が形成され、これにより前記ヘッドユニットの表面には前記空洞に連通する開口が設けられ、前記空洞は、前記超音波ビームが形成される方位を基準方位としてそこからラジアル走査方向両側に開いた形態を有し、これにより前記開口は前記ラジアル走査方向に伸長した形態を有する。この構成によれば、光伝達部材の捻れにより、その先端において回転遅れつまり角度差が生じても、あるいは、そもそもラジアル走査方向に位置決め誤差があっても、空洞がラジアル走査方向に広がっているので、光ビームの通過経路を確保できる。光伝達部材の先端に軸方向の変位や位置決め誤差が生じた場合に対処するため、あるいは、後述する位置決め調整のために、空洞を更に中心軸方向に広げるようにしてもよい。光伝達部材の先端に光学部材が設けられるが、そこでの軸ぶれが問題となるようであれば、光学部材の先に軸方向に伸長した補助部材を設け、その補助部材をヘッドユニットで保持するようにしてもよい。

望ましくは、前記ヘッドユニットは、前記第１導電層に電気的に接続される第１コンタクト部材と、前記第２導電層に電気的に接続される第２コンタクト部材と、前記第１コンタクト部材を前記送受波器におけるシグナル電極及びグランド電極の一方に電気的に接続する第１信号線と、前記第２コンタクト部材を前記送受波器におけるシグナル電極及びグランド電極の他方に電気的に接続する第２信号線と、を含み、前記第１コンタクト部材及び前記第２コンタクト部材の中に前記光伝達部材が挿通される。この構成によれば、電気信号ライン（シグナル、グランド）を確実に送受波器に接続できる。リング状のコンタクト部材の中に光伝達部材を挿通させれば、電気的接続部分が肥大化してしまうことを防止できる。つまり、上記同心円構造に合致した電気的接続構造を採用したものである。

以上説明したように、本発明によれば、同軸構造によって、診断用カテーテルの中心軸に沿って適正に光伝達部材を配置できる。あるいは、カテーテルの細径化を図れる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１には、本発明に係る多機能診断用カテーテルを備えた診断システムの好適な実施形態が示されている。図１は診断システムの全体構成を示す概念図である。この診断システムは、医療の分野において用いられ、血管内において超音波計測及び光計測を実施するものであり、特に本実施形態においては光計測として上記のＯＣＴ計測が実施される。

図１において、診断システムは、上述したように多機能診断用カテーテル１２を有している。この診断用カテーテル１２は、生体４０の内部、特に望ましくは血管の内部に挿入されるものである。その先端部が図１において符号１２Ａで示されている。診断用カテーテル１２は、後に説明するように、アウターシース３２内に挿入される回転体を有しており、その回転体は中空のトルクワイヤ及びその内部に挿入された同軸構造体からなるものである。同軸構造体の中心には軸方向に沿って光ファイバ３４が配置されている。光ファイバ３４の先端部３８には後に説明する光学部材が設けられており、その光学部材によって光ビームが形成される。先端部１２Ａには後に説明するヘッドユニットが設けられ、そこには振動子３６が配置されている。振動子３６は超音波ビームを形成するものである。

前述した回転体を駆動すると、光ビーム及び超音波ビームが回転走査すなわちラジアル走査され、これによって光ビーム走査面及び超音波ビーム走査面が構成される。それらの走査によって得られたデータに基づきＯＣＴ画像及び超音波画像（ＵＳ画像）が構成される。

駆動部１４は、上記の回転体を駆動するための駆動源及び回転機構を備えている。更に
、本実施形態においては駆動部１４が調整機構１６を有している。調整機構１６は光ファイバ３４の軸方向における位置決め調整を行う機能を有し、更に光ファイバ３４をトルクワイヤ等の他の構造体に対して相対的に回転させる回転機構を有している。これらについては後に詳述する。制御部１８は、図１に示される各構成の動作制御を行っており、特に後に説明するように、光ファイバ３４の軸方向の位置を自動的に調整する制御を実行する。ちなみに、制御部１８は、駆動部１４に備えられたセンサからの信号に基づいて超音波ビームの方位を表す角度信号（θ１）を生成しており、また、光ビームの方位を表す角度信号（θ２）を生成している。角度信号（θ１）はＵＳ画像形成部２２へ出力されており、一方、角度信号（θ２）はＯＣＴ画像形成部２６へ出力されている。

送受信部２０は、振動子３６へ与える送信信号を生成し、また振動子３６から出力される受信信号を処理する回路である。送受信部２０から出力される信号処理後の受信信号はＵＳ画像形成部２２に送られている。このＵＳ画像形成部２２はデジタルスキャンコンバータ等を具備し、入力される受信信号としてのビームデータを２次元座標系上にマッピングすることにより２次元断層画像を形成している。その断層画像の形成にあたっては上述した角度信号（θ１）が利用される。ＵＳ画像形成部２２から出力されるＵＳ画像のデータは、表示処理部２８へ出力される。

駆動部１４は、後に説明するように光ロータリーコネクタを有している。光ロータリーコネクタは回転部と非回転部とからなり、回転部は光ファイバ（第１光伝達材）３４の基端部を保持しており、非回転部は光ファイバ（第２光伝達部材）４２の前端部を保持している。それらの光ファイバ３４，４２の端面間において光信号の授受が行われる。光ファイバ４２の後端部はＯＣＴ信号処理系２４に接続されている。ＯＣＴ信号処理系２４は、公知のＯＣＴ信号処理原理に基づいて、光干渉を利用して光信号を処理するモジュールである。本実施形態において、ＯＣＴ信号処理系は、レーザー光源、ビームスプリッター、可動式反射器、光検出器等の構成を具備している。更に、必要に応じて光検出信号を処理する電気回路が設けられる。ＯＣＴ信号処理計２４から出力される光検出信号はＯＣＴ画像形成部２６へ出力される。

ＯＣＴ画像形成部２６は、光ビームのラジアルスキャンによって得られたデータに基づいて光計測結果としての２次元断層画像を形成するユニットである。その際には、上述した角度信号（θ２）が利用される。ＯＣＴ画像形成部２６によって形成されたＯＣＴ画像のデータは表示処理部２８へ出力される。

表示処理部２８は、ＵＳ画像及びＯＣＴ画像のそれぞれの画像に対する表示処理を実行する機能を有し、また画像合成機能を有している。表示部３０には、それぞれの画像が表示され、あるいは両画像を合成して得られた合成画像が表示される。この場合においては、一方の画像を白黒画像として構成し、他方の画像をカラー画像として構成するようにしてもよい。

次に、図２乃至図５を用いて診断用カテーテル１２の先端部１２Ａの構造を詳述する。

図２には、先端部１２Ａの断面が示されている。まず、回転体４６について説明する。アウターシース４４はフレキシブルな樹脂等により構成される部材であり、その内部には回転体４６が回転自在に設けられている。ちなみに、アウターシース４４と回転体４６との隙間には音響伝藩液体等が充填される。回転体４６の回転運動を円滑に行わせるため１又は複数のスリップリングを設けるようにしてもよい。

回転体４６は、大別して、回転力を伝達する中空のトルクワイヤ４８と、その内部に挿入配置された同軸構造体５０と、によって構成される。トルクワイヤ４８は例えば３層構造からなる巻線構造体であり、その基端側への回転力の伝達により、ほとんど捻れを生じることなく当該回転力を先端側へ伝達する機能を有する。

同軸構造体５０は、中心軸上に配置された光ファイバ３４を有し、その周囲には電気信号を伝達するための複数の層が形成されている。具体的には、内側から外側にかけて、シグナル電極層５２、絶縁層５４、グランド電極層５６、及び絶縁層５８が設けられている。それらは同心円状に設けられ、それぞれはパイプ状の形態を有している。図３には、図２のＡ−Ａ’断面が示されている。上述したように回転体４６は同心円状の構造を有している。したがって、アウターシース内の有限なスペースを活用して光ファイバ及び複数の信号ラインを設けられるという利点があり、これは結果としてカテーテルの細径化という利点に繋がるものである。ちなみに、光ファイバ３４は、中心のコアとその周囲に設けられたクラットとにより構成され、更にクラットの外側に被覆層が形成されてもよい。

ちなみに、図１において、光ファイバ３４の直径（外径）は例えば０．１２５ｍｍであり、シグナル電極層５２の直径は０．１７５ｍｍであり、絶縁層５４の直径は０．２５ｍｍであり、グランド電極層５６の直径は０．３ｍｍであり、絶縁層５８の直径は０．４５ｍｍであり、トルクワイヤ４８の直径は０．９ｍｍであり、アウターシース４４の直径は１．４ｍｍである。これらの数値は一例であって、本発明はそれらの数値に限定されるものではない。

図４には、回転体の部分断面図が示されている。回転体は上述したようにトルクワイヤ４８とその内部に設けられた同軸構造体５０とによって構成されるものである。本実施形態においては、図４に示されるように、光ファイバ３４の先端に光学部材６０が設けられており、光ファイバ３４は同心円状の電気的な構造体よりも前方へ突出している。具体的には、シグナル電極層５２の端面５２Ａよりもやや後退した位置に、絶縁層５４の端面５４Ａが設定されており、そこからやや後退した位置にグランド電極層５６の端面５６Ａが設定されている。その端面５６Ａから更にかなり奥側に引っ込んだ位置に絶縁層５８の端面５８Ａが設定されている。その端面５８Ａはトルクワイヤ４８の端面４８Ａよりも基端側にかなり奥まった位置にあり、その結果、トルクワイヤ４８の先端部内には差込通路６２が生じている。このような各端面の段階的なあるいは階段状の設定により、以下に説明するように、電気的な接続を容易に行えるという利点がある。また、差込通路６２の形成によって、以下に説明するヘッドユニットとトルクワイヤ４８等との接続を確実に行えるという利点がある。

図２に戻って、先端部１２Ａ内にはヘッドユニット６４が設けられている。ヘッドユニット６４はそれ全体としてキャップ状の形態を有しており、例えば樹脂等の部材により構成される。ヘッドユニット６４は本体６４Ａと差込部６４Ｂとにより構成されている。本体６４ＡはＺ方向（軸方向）に伸長したドーム形状を有し、その基端側には円筒形状をもって伸長した差込部６４Ｂが設けられている。その差込部６４Ｂは、図４に示した差込通路６２内に差し込まれるものである。これによってヘッドユニット６４とトルクワイヤ４８等の構造体との間での嵌合状態が形成される。ちなみに、本体６４Ａの先端面６４Ｃは半球面状の形態を有し、その先端面６４Ｃはアウターシース４４におけるドーム状の先端壁の内面に近接している。

本体６４Ａから差込部６４Ｂにかかる部分には、換言すれば、差込部６４Ｂの取付け部分には、円環状の２つのコンタクト部材６６，６８が設けられている。小径のコンタクト部材６６はシグナル用の電極であり、大形のコンタクト部材６８はグランド用の電極である。コンタクト部材６６はシグナル電極層５２に対して物理的に且つ電気的に接続されるものであり、一方、コンタクト部材６８はグランド電極層５６に対して物理的に且つ電気的に接続されるものである。差込部６４Ｂによってそれらの電極層が押さえ込まれているため、電極層５２，５６とコンタクト部材６６，６８との接続を確実に行えるという利点がある。また、それぞれのコンタクト部材６６，６８は円環状の部材として構成されているため、その内部空間を活用して光ファイバ３４等を挿通させることができるという利点がある。すなわち、デッドスペースを生じさせずに有限な空間を有効活用できるという利点がある。

光ファイバ３４の先端部は本体６４Ａに形成された保持孔７０を通過し、空洞部７２内に位置決められている。具体的には、光ファイバ３４の先端には光学部材６０が設けられ、図示の例では、光学部材６０は空洞部７２の中央部に位置決められている。

ここで、空洞部７２はＺ方向に一定の幅で広がっており、かつ、θ方向すなわちラジアル走査方向にも大きく広がっているため、光学部材６０がＺ方向にずれて配置されていても光ビーム７４の通過を許容でき、しかも光ファイバ３４の捻れ等によってセンター位置から光ビーム７４がθ方向にずれたとしても、本体６４Ａによって妨げられずに光ビーム７４の通過を許容できるという利点がある。

空洞部７２は図示の例においてはＵ字型の断面形態を有し、その底面７２Ａは湾曲している。すなわち、Ｚ方向に着目した場合にその中心位置から左右方向にわたって高さが徐々に変化しており、図示の例ではその中央位置がそのもっとも低い高さとなっている。ちなみに、後に説明するように、空洞部７２における２つの側面についても同様の形態が採用されており、すなわち、中心位置においてはもっとも幅広となっており、そこからＺ方向にシフトするにしたがって徐々に狭くなっている。符号７２Ｂは空洞部７２の上方にある開口を示している。

ヘッドユニット６４には振動子ユニット７６が配置されている。具体的には、空洞部７２のＺ方向前方に所定距離隔てて振動子ユニット７６が配置されている。振動子ユニット７６は凹部７５内に配置され、ケース７８及びその内部に設けられた単振動子８０を有している。単振動子８０の前面側には、前面部材８２として、整合層及び必要に応じて音響レンズが配置される。単振動子８０の背面側には、背面部材８４として、バッキング及び基板が配置される。

単振動子８０におけるシグナル電極は信号線６６Ａを介してコンタクト部材６６に電気的に接続されており、単振動子８０におけるグランド電極は信号線６８Ａを介してコンタクト部材６８に接続されている。本実施形態においては単振動子８０が利用されていたが、複数の振動素子からなるアレイ振動子を配置するようにしてもよい。

図２に示す構成によれば、光学部材６０によって光ビーム７４が形成され、一方、振動子ユニット７６によって超音波ビーム８６が形成されることになる。それらのビーム７４，８６は軸方向（Ｚ方向）に対して交差する方向に形成されており、具体的には軸方向に直交する方向に形成されている。２つのビーム７４，８６は図２に示す座標系において平行であるのが望ましく、かつ、θ方向について着目した場合にも互いに方位が一致しているのが望ましい。ただし、方位にずれがあったとしても、ＵＳ画像及びＯＣＴ画像を形成できる限りにおいて、そのようなずれは問題とならない。

以上説明した通り、トルクワイヤ４８に対してヘッドユニット６４が固定されている。トルクワイヤ４８内において、光ファイバ３４を除く同軸構造体５０すなわち電気信号伝達部材は、基本的にトルクワイヤ４８と一体的に回転するものである。一方、光ファイバ３４は電気信号伝達部材に対して非固着状態に置かれており、すなわちトルクワイヤ４８に対して独立して運動可能な関係にある。このように、光ファイバ３４についてＺ方向に自由度及びθ方向に自由度が確保されているので、カテーテルを屈曲させたような場合においても光ファイバ３４に過度の応力が生じることはない。

すなわち、光ファイバ３４はカテーテルの中心軸上に設けられており、つまり、カテーテルの屈曲方向に依存して経路長の差が生じ難い位置に設けられているため、そのような構成によって光ファイバ３４に生じる負荷を軽減できるとともに、他の構造体からの影響を受け難いという利点がある。仮に、他の構造体との間で経路長の差が生じたとしてもＺ方向の自由度によって光ファイバ３４へ不必要な応力が生じてしまうことを防止できる。また、他の構造体の捻れ量と光ファイバ３４の捻れ量との間に相違があっても、光ファイバ３４に過大な負荷が生じてしまうことを防止できる。このように、光ファイバ３４に自由度をもたせることにより、物理的に弱い光ファイバ３４を十分に保護することが可能となる。なお、光ファイバ３４の基端部は、図１に示した駆動部を介してトルクワイヤ４８等の他の構造体に間接的に連結されている。

図５には、上述したヘッドユニット６４を上面から見た図が示されている。ヘッドユニット６４は上述したように本体６４Ａと差込部６４Ｂとによって構成される。ヘッドユニット６４は上述したように振動子ユニット７６及び空洞７２を有している。空洞７２の形態に着目すると、それは光学部材６０の基準配置位置を中心として、θ方向すなわち図において上下方向に広がった形態を有している。開口７２Ｂは当該方向が長軸となった略楕円形態を有している。ただし、開口７２ＢはＺ方向においても広がっており、光学部材６０の位置決め誤差あるいは位置ずれ等によってＺ方向にその位置が変化したような場合においても光ビームの通過が許容されている。更にこの構成により後述する光ファイバのＺ方向走査を行える。開口７２Ｂがθ方向に広がっているため、光ファイバに捻れが生じて光ビームがθ方向に相対的に回転したとしても、ある一定の角度範囲内においては光ビームの通過を許容できるという利点がある。

側面７２Ｃ及７２Ｄは上述したようにその中央部がもっとも幅広となっており、そこからＺ軸方向にかけて徐々に幅が狭くなっている。その結果、空洞部７２の底面と同様の壁面形態（後述する反射面としての形態）が構成されている。

図６には、光ファイバ３４の先端構造が拡大図として示されている。光ファイバ３４は、コア８８及びクラット９０を有し、クラット９０の外側には必要に応じて被覆材９２が設けられる。光ファイバ３４の先端部分では被覆材９２が除去されており、その端面には光学部材６０が配置されている。光学部材６０は、本実施形態においてグラディエントレンズ及びプリズム等によって構成され、プリズムにおける斜面が反射面として機能し、プリズムから光ビームが形成される。図６に示す構成例では、紙面上方に光ビームが形成されることになる。

図７にはヘッドユニット３００の他の構成例が示されている。ヘッドユニット３００には振動子ユニット３１２が設けられ、更に空洞３０４が設けられている。この空洞３０４は図５等に示した空洞７２と同様の形態を有しているが、光ファイバ３０２の軸方向前方に保持孔３１０を有する点において異なっている。すなわち、保持孔３１０は光ファイバ３０２の前方に付加された補助部材３０８を受け入れて保持する細孔として機能する。補助部材３０８は、具体的には光学部材３０６の前方にその延長線上に沿って伸長した硬質の部材であり、補助部材３０８が保持孔３１０に差込まれることにより、光ファイバ３０２の先端における保持が達成されている。このような構成によれば、光学部材３０６の回転に伴う軸ぶれを効果的に防止できるという利点がある。

以上のように、本実施形態に係る診断用カテーテルにおいては、トルクワイヤ４８の内部に同軸構造体５０が設けられ、すなわち中心軸上に光ファイバが設けられ、その周囲に電気信号伝達部材が配置されているため、有限なスペースを効率的に活用でき、ひいてはカテーテルの細径化を図れるという利点がある。また、光ファイバ３４をカテーテル中心軸に沿って配置したため、しかも光ファイバ３４に対して軸方向及び方位方向の自由度を与えたため、カテーテルの屈曲によっても光ファイバ３４に対して必要以上の負荷が生じることはない。したがって光ファイバ３４を保全できるという利点がある。

次に、本実施形態に係る診断システムにおけるカテーテル以外の構成について詳述する。図８には、図１に示した駆動部１４の断面が示されている。この駆動部１４は上述したように調整機構１６を備えるものである。

診断用カテーテル１２は、アウターシース３２とその内部に設けられた回転体４６とによって構成される。回転体４６の基端部が駆動部１４によって駆動される。ちなみに、回転体４６は、中空のトルクワイヤ４８とその内部に設けられた同軸構造体５０とによって構成されるものである。同軸構造体５０はその中心に光ファイバ３４を有する。

符号１３６は媒体注入器を表してあり、媒体注入器１３６はチューブ１３８を介してアウターシース３２内に音響伝藩媒体を注入する。その注入は自動的にあるいは手動的に行われる。

回転駆動機構１０４について説明すると、ベース１００上にはブロック１２２が設けられ、そのブロック１２２にはモータ１０２が固定されている。このモータ１０２は主駆動源として機能する。モータ軸１２６には、ギア１２８が取付けられており、またエンコーダ１３２が取付けられている。エンコーダ１３２はモータ軸１２６の回転角度を検出する。更に、モータ軸１２６には後に説明するギア１５４が連結されている。このギア１５４は軸方向（紙面左右方向）に運動自在であり、モータ軸１２６からの回転力のみがギア１５４へ伝達される。符号１３４は軸受け部材を表している。

回転駆動機構１０４は、上記のギア１２８、ギア１２８からの回転力が伝達されるギアブロック１２４等を有する。ギアブロック１２４の一部はギア１２９を構成し、それにはギア１２８がかみ合っている。ギアブロック１２４の前端面は接続端を構成し、その接続端にはトルクワイヤ４８の後端面が固定される。ギアブロック１２４はブロック１２２に対してベアリング機構１３０によって回転自在に保持されている。

図８において、符号１０８は電気ロータリーコネクタを表しており、この電気ロータリーコネクタ１０８は回転部１４０と非回転部１４２とによって構成される。それらは中空構造を有する。すなわち、回転部１４０及び非回転部１４２の内部を貫通して光ファイバ３４が挿通されている。回転部１４０は上述したシグナル電極層及びグランド電極層に電気的に接続され、かつ物理的に接続されている。回転部１４０はギアブロック１２４に固定されており、ギアブロック１２４が回転駆動されると、回転部１４０も回転駆動され、その結果、回転部１４０を介して電気信号伝達部材としての多層構造体が回転駆動されることになる。ただし、光ファイバ３４に対しては、回転駆動機構１０４は直接的に回転力を与えておらず、光ファイバ３４は回転駆動機構１０４に対してフリーの状態にある。ブロック１２２には挿通孔１４４が形成されており、挿通孔１４４には光ファイバ３４が挿通されている。

調整機構１６は、大別して、スライド部１０６と相対回転部１０７とにより構成される。スライド部１０６は後述する光ロータリーコネクタ１２０を軸方向に沿って前後動させる機構である。相対回転部１０７は、モータ軸１２６の回転角に対して必要なオフセット角度分だけ光ファイバ３４を相対的に変位させるための機構である。具体的に説明すると、モータ軸１２６に沿ってスライド運動可能に設けられたギア１５４にはギア１５２が噛み合っている。ギア１５４は上述したギア１２８と同一の直径を有し、かつ、ギア１５２はギアブロック１２４におけるギア１２９と同一の直径を有する。すなわち、モータ軸１２６の回転運動は同一の位相をもってトルクワイヤ４８に伝達され、かつ、光ファイバ３４に伝達される。

ここで、光ロータリーコネクタ１２０について説明すると、光ロータリーコネクタ１２０は回転部１４６と非回転部１４８とにより構成される。回転部１４６は第１光伝達部材として光ファイバ３４の基端部３４Ａを保持しており、一方、非回転部１４８は第２光伝達部材としての光ファイバ４２の前端部を保持している。２つの光ファイバ３４,４２の端面は互いに近接して向き合っており、その端面間において光信号の授受が行われる。端面間には必要に応じてレンズ部材等の光学系が設けられる。回転方向においては回転部１４６に対して非回転部１４８は静止している。ただし、本実施形態においては光ロータリーコネクタ１２０の全体が軸方向に前後運動可能である。

具体的に説明すると、光ロータリーコネクタ１２０における非回転部はフレーム１５６に固定されており、フレーム１５６はスライド機構によって軸方向に駆動される。スライド機構は、図示されるように、スライドモータ１６２と、送りねじ１６０と、軸受け１５８とによって構成され、軸受け１５８がフレーム１５６に連結されている。スライドモータ１６２の回転力が送りねじ１６０を介して軸受け１５８に伝達され、送りねじ１６０の回転運動が軸受け１５８のスライド運動に転換される。その結果、スライド部１０６全体がＺ軸方向にスライド運動する。

光ロータリーコネクタ１２０において、非回転部１４８と回転部１４６はＺ方向においては連結されており、両者間においてはθ方向の相対運動のみが許容されている。回転部１４６には円盤状の取付板１５０が連結されており、取付板１５０は複数のピンによってギア１５２に連結されている。このような相対回転部１０７により、取付板１５０とギア１５２との間における相対回転角を調整可能であり、具体的には、例えば、円弧状の溝に沿ってピンをスライドさせることにより、一方に対して他方を例えば１８０度回転させることが可能である。もちろん、その回転範囲は任意に設定可能である。

このような相対回転運動は本実施形態においてユーザーによる手動操作により実現されているが、アクチュエータを設けることにより電気的な駆動力をもって相対的な回転運動を行わせることも可能である。スライド部１０６がＺ軸方向に運動しても、モータ軸１２６とギア１５４との連結関係により、モータ１０２の回転力は確実に回転部１４６の回転運動に転換され、その結果、光ファイバ３４の基端部３４Ａは回転体４６の一部として同一の位相で回転運動をする。すなわち、それぞれの部材の基端側においては互いに同一の位相をもって同期して回転駆動されることになる。

ちなみに、符号１６４はスライド位置を検出するセンサを表している。更に、上述した相対回転角を検出するセンサを設けるようにしてもよい。また、カテーテルの先端部においてトルクワイヤ及び光ファイバの回転角を直接的に検出するようにしてもよい。本実施形態においては、カテーテルの先端部において光ファイバの位置を光学的計測を利用して特定する方式が採用されており、以下にこれについて詳述する。

図９には、ヘッドユニット６４の断面が模式図として示されている。上述したように、ヘッドユニット６４内には、光ファイバ３４の先端に設けられた光学部材６０が位置決めされている。ただし、光学部材６０の位置はカテーテルの屈曲や位置決め誤差によって変動をするものであり、光学部材６０の位置すなわち光ビームの位置を計測する必要がある。

そこで、本実施形態においては、上述した相対回転機構を利用して、光ファイバ３４をヘッドユニット６４に対して相対的に１８０度回転させ、すなわち光ビームを底面７２Ａ側に向ける操作が実行される。その状態において、光ファイバ３４を前後方向にゆっくり往復運動させると、底面７２Ａが反射面として機能し、Ｚ軸方向において反射面の各位置ごとに高さあるいは反射率が異なることになる。その結果、光ファイバ３４のスキャンによって図１０に示すようなプロファイル１７０が得られる。

図１０において横軸はＺ方向の変位（スライド量）を表しており、縦軸は光量あるいは距離を表している。プロファイル１７０においてはピーク１７２が生じており、そのピークは底面７２Ａにおける中央位置に相当する。すなわち、底面７２Ａの中央に光ビームが至った状態では最大の光量が得られ、あるいは最大の距離が観測されることになる。このような現象を利用して、ピーク１７２の存在している位置Ｚ_a をもって図９に示した光学部材６０の位置あるいは光ビーム基準位置１６６を特定することが可能である。符号１６８は超音波ビームの位置を表しており、本実施形態においては超音波ビームの位置１６８と光ビームの位置との間隔Ｚ₁を常に一定にできるという利点がある。あるいは、そのような間隔を所望の値に設定できるという利点がある。

本実施形態においては、ＯＣＴ計測用の光ビームを、組織診断とは別に位置観測に活用することができ、しかも光学部材６０が存在している先端部において、そのような位置計測を行えるため、極めて高精度の位置決めを実現できるという利点がある。

位置決め調整時の動作あるいは作用を以下に整理する。まず、生体内に診断用カテーテルが挿入され、その先端部が診断部位近傍に位置決めされる。次に、相対回転角の調整により光ビームが上述した底面側に向けられ、その状態においてＺ方向に光ファイバを往復運動させることにより、上述したプロファイルが取得される。そのようなプロファイルの波形解析を行うことによりピーク位置を特定でき、そのピークの位置から、光ファイバ３４の先端の適正な位置を取得することができる。すなわち、上述したスライド機構を利用して光ファイバの基端側を走査することにより、間接的に光ファイバ３４の先端位置の調整を行える。しかも、観測しているのは光ファイバ３４の先端部であるため極めて高精度の位置決めを行えるという利点がある。そのような位置決めが完了した後、相対的な回転状態を元に戻し、すなわち光ビームと超音波ビームの方位を一致させて回転駆動を行うことにより、ＯＣＴ画像及びＵＳ画像の両者を同時に取得することができる。その場合において、仮に光ビームの方位と超音波ビームの方位との間にずれがあっても画像形成上は大きな問題とはならない。

上記の説明においては、光ビームを使ってＺ方向における光ファイバの位置決めを行ったが、同様の原理を用いて、光ファイバのθ方向の位置決めを行うこともできる。すなわち、θ方向に反射面の高さあるいは向きを異ならせることにより、図１１に示すようなプロファイル１７４を得ることができる。すなわち光ファイバをθ方向に運動させて、各θ位置ごとに光量あるいは距離を観測することによりピーク１７６を特定し、そのピークが存在しているθ方向の位置として基準方位θ_a を特定するものである。

上述した実施形態においては底面を反射面として利用したが、図１２に示すように２つの側面７２Ｃ,７２Ｄを用いて上述したプロファイルを取得するようにしてもよい。すなわち、ヘッドユニット６４には振動子ユニット７６の他、空洞が形成され、その空洞における側面７２Ｃ,７２Ｄは湾曲した面として構成されているため、そのような形態を活用して上述同様のビームプロファイルを取得するものである。

図１３には他の実施形態が示されている。ヘッドユニット１７８には空洞１８０が構成されており、その底面１８０Ａは図示されるように断面がＶ字型を有している。このような形態によれば、上述したプロファイルを取得した場合にピークをより急峻なものとして観測できるという利点がある。

図１４には更に他の実施形態が示されている。ヘッドユニット１８２の中心軸に沿って挿通孔１８４が形成されており、そこには光ファイバが差込まれている。光ファイバの先端には光学部材６０が設けられている。挿通孔１８４の所定箇所には上方へ貫通するようにスリット１８６が形成されている。スリット１８６はＺ方向に細い溝であって、θ方向には扇状に開いた形態を有する。このような構造において、光学部材６０において光ビームを形成しつつ光ファイバを前後方向へ運動させると、スリット１８６に光ビームが一致した時点で十分な距離が観測されることになるため、そのような現象を利用して光ビームの位置決めを行える。このような態様においても、光ファイバが前後運動され、プロファイルの観測が行われて、受光結果から適正なＺ軸方向の位置が特定されることになる。

図１５には画像処理の概念が示されている。符号１９０はＯＣＴ画像を表している。このＯＣＴ画像１９０は光ビームに相当するライン１９４をθ方向に回転させることにより構築される画像である。符号１９２はＵＳ画像を示している。このＵＳ画像１９２は、超音波ビームに相当するライン１９６をθ方向に回転運動させることにより形成されるものである。いずれの画像１９０,１９２も断層画像である。符号１９８に示すように、それらの画像を合成すれば、より組織診断を的確に行えるという利点がある。ちなみに、符号１９０Ａ,１９２Ａは非画像化部分を表している。合成画像の表示にあたっては、一方を白黒画像として構成し、他方をカラー画像として構成するのが望ましい。

以上説明した構成によれば、光ファイバの基端側におけるスライド運動により、光ファイバ先端の位置すなわち光ビームの位置の調整を行えるという利点がある。したがって、カテーテルの屈曲によって光ファイバ先端の位置にぶれがあってもあるいは位置決め誤差があっても、そのような変位を解消できるという利点がある。しかもカテーテルの先端部においてファイバの位置の観測を行えるのでフィードバック制御により光ビームを高精度に位置決め調整できるという利点がある。更に、上述した実施形態においては光ファイバの基端部を直接的に駆動しているため、すなわちそこが従動運動するものではないため、光ファイバの途中に不必要なトルクを与えてしまうことを防止でき、光ファイバ全体が他の構造体に対してフリーな状態におかれていることと相まって、物理的に弱い光ファイバを保護しつつもそれに対して適切な駆動力を与えられるという利点がある。

図１６には、駆動部の他の実施形態が示されている。この図１６に示す実施形態において、駆動部３２０は、主駆動源及び回転駆動機構からなるユニット３２２と、調整機構３２４と、からなる。それらは軸方向に並んで連結されている。調整機構３２４は、相対回転部３２６及び光ロータリーコネクタ３２８等を有する。調整機構３２４はそれ全体を軸方向にスライド運動させるスライド機構を有しているが、図１６においてはそれが図示省略されている。相対回転部３２６は、ユニット３２２の回転力を直接的に受ける第１プレート３２６Ａと、第１プレート３２６Ａに対して相対的にθ方向に変位可能な第２プレート３２６Ｂとにより構成される。第２プレート３２６Ｂは光ロータリーコネクタ３２８の内で回転部３２８Ａに接続されている。光ロータリーコネクタ３２８は更に非回転部３２８Ｂを有する。ユニット３２２による回転力は調整機構３２４の回転部分の全体に対して伝達されるが、調整機構３２４はそれ全体として軸方向にスライド運動可能であり、これによって光ファイバ３４を回転駆動しつつも、その軸方向の位置決めを行うことができる。しかも、相対回転部３２６が設けられているので、第１プレート３２６Ａと第２プレート３２６Ｂとの間の相対的な角度関係を可変することにより、基準方位からプラス方向及びマイナス方向の両方向にわたって光ファイバ３４を相対的に回転させることができる。この相対的な回転により上述した光ファイバ３４の先端部の位置決め時における光ビームの方向設定を行うことができ、また組み立て段階における位置決め誤差等を解消することができる。図８に示した実施形態においては、モータからの駆動力が回転駆動機構とは別の経路を介して光ロータリーコネクタに伝達されていたが、図１６に示す実施形態によれば、モータ及び回転駆動機構からなるユニットにより生成された回転力を直接的に調整機構３２４へ伝達することができる。このような場合においても、光ファイバ３４の基端部が回転駆動されるため、光ファイバ３４を円滑に駆動できるという利点がある。

本発明に係る診断システムの好適な実施形態を示す概念図である。診断用カテーテルの先端部を表す断面図である。図２に示すＡ−Ａ’断面を示す断面図である。回転体の一部断面図である。ヘッドユニットの上面図である。光ファイバ先端部の拡大断面図である。ヘッドユニットの他の構成を示す断面図である。駆動部の詳細な構造を示す断面図である。ヘッドユニットの断面図であり、光ファイバの位置決め原理を説明するための図である。Ｚ方向に沿って観測されるプロファイルを説明するための図である。 θ方向に沿って観測されるプロファイルを説明するための図である。空洞の側面を利用した位置計測を説明するための図である。Ｖ字型を有する底面を利用した位置計測を説明するための図である。スリットを利用した位置計測を説明するための図である。画像処理の方法を説明するための図である。駆動部の他の実施形態を示す概念図である。

符号の説明

１２診断用カテーテル、１４駆動部、１６調整機構、１８制御部、２０送受信部、２２ＵＳ画像形成部、２４ＯＣＴ信号処理系、２６ＯＣＴ画像形成部、２８表示処理部、３０表示部、３２アウターシース、４６回転体、５０同軸構造体、３４光ファイバ、５２シグナル電極層、５４,５８絶縁層、５６グランド電極層、６０光学部材、６４ヘッドユニット（先端部材）、６６,６８コンタクト部材、７２空洞部、７６振動子ユニット、１０２モータ、１０４回転駆動機構、１０６スライド部、１０７相対回転部、１０８電気ロータリーコネクタ、１２０光ロータリーコネクタ。

Claims

生体内に挿入されるアウターシースと、
前記アウターシース内に設けられ、回転力を伝達する中空の回転部材と、
前記回転部材内に設けられ、前記回転部材と共に回転可能な同心円構造体と、
を含み、
前記同心円構造体は、
カテーテル中心軸に沿って設けられ、生体組織を光学的に計測するために光を伝達する光伝達部材と、
前記光伝達部材の周囲に設けられ、前記生体組織に対する超音波の送受波のための電気信号を伝達する電気信号伝達部材と、
を含み、
前記電気信号伝達部材は、
前記光伝達部材の周囲に設けられた第１導電層と、
前記第１導電層に対して絶縁されつつ、前記第１導電層の周囲に設けられた第２導電層と、
を含むことを特徴とする診断用カテーテル。
請求項１記載の診断用カテーテルにおいて、
少なくとも生体内では、前記光伝達部材は前記電気信号伝達部材に対して非固着状態にあり、これにより前記光伝達部材は前記電気信号伝達部材に対して独立して変位可能である、
ことを特徴とする診断用カテーテル。
請求項１又は２記載の診断用カテーテルにおいて、
前記アウターシースの先端部内には前記回転部材に連結されたヘッドユニットが設けられ、
前記ヘッドユニットには、前記光伝達部材の先端部に設けられ前記カテーテル中心軸に対して交差する方向に光ビームを形成する光学部材が位置し、
前記ヘッドユニットには、前記電気信号伝達部材に対して電気的に接続され前記カテーテル中心軸に対して交差する方向に超音波ビームを形成する送受波器が設けられ、
前記回転部材及び前記同心円構造体の回転により、前記光ビーム及び前記超音波ビームがラジアル走査される、
ことを特徴とする診断用カテーテル。
請求項３記載の診断用カテーテルにおいて、
前記ヘッドユニットには、前記光学部材が内部に収容され前記光ビームの通路をなす空洞が形成され、これにより前記ヘッドユニットの表面には前記空洞に連通する開口が設けられ、
前記空洞は、前記超音波ビームが形成される方位を基準方位としてそこからラジアル走査方向両側に開いた形態を有し、これにより前記開口は前記ラジアル走査方向に伸長した形態を有する、
ことを特徴とする診断用カテーテル。
請求項４記載の診断用カテーテルにおいて、
前記ヘッドユニットは、
前記第１導電層に電気的に接続される円環状の第１コンタクト部材と、
前記第２導電層に電気的に接続される円環状の第２コンタクト部材と、
前記第１コンタクト部材を前記送受波器におけるシグナル電極及びグランド電極の一方に電気的に接続する第１信号線と、
前記第２コンタクト部材を前記送受波器におけるシグナル電極及びグランド電極の他方に電気的に接続する第２信号線と、
を含み、
前記第１コンタクト部材及び前記第２コンタクト部材の中に前記光伝達部材が挿通されている、
ことを特徴とする診断用カテーテル。