JP2009505695A - 微細加工された撮像トランスデューサ - Google Patents

Abstract

本発明は、概して、医療装置、より具体的には、改良型の医療撮像装置に関する。一実施形態において、撮像装置は、管腔内に収容される基端および末端を有する駆動軸と、該駆動軸の末端に連結されるとともに、細長部材の末端部分に配置される撮像トランスデューサ・アセンブリとを備えている。撮像トランスデューサ・アセンブリは、フォトリソグラフィによる微細加工を用いることにより圧電複合材プレートに形成された一つ以上の撮像トランスデューサを備えている。

Description

本発明は、撮像装置、より具体的には、微細加工された撮像トランスデューサに関する。

侵襲的な処置の使用を最小限に抑制した医療条件下における、管内、腔内、血管内、および心臓内の治療ならびに診断は、診療の様々な分野において有効な手段となっている。一般に、これらの処置は、大腿動脈など、診断および／または治療する血管あるいは器官から離れた位置において、体内および脈管系の到達可能な血管内へ経皮的に挿入される撮像カテーテルを用いておこなわれる。そして、カテーテルは、脈管系の血管内を通り、治療が施される身体の部位まで移動される。カテーテルは、動脈の狭窄部位など、身体の患部を特定および診断するのに使用される撮像装置、通常は、超音波撮像装置を装備している場合がある。例えば、その開示が参照によりここに援用される、Ｈａｍｍらに付与された米国特許第５３６８０３５号は、血管内超音波撮像トランスデューサを有するカテーテルを示している。これらは、一般的に、血管内超音波（Ｉｎｔｒａｖａｓｃｕｌａｒ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ （ＩＶＵＳ））装置として、当該技術分野において知られている。

図１は、当該技術分野において周知の撮像トランスデューサ・アセンブリ１の一例を示している。撮像トランスデューサ１は、通常、外管壁部材５を有するガイドワイヤあるいはカテーテル（部分的に図示）の管腔１０内に配置されている。血管の画像を得るために、撮像トランスデューサ・アセンブリ１を血管内に挿入する場合もある。そして、トランスデューサ・アセンブリ１は、回転することによって内側から血管の断面を調べると同時に、例えば、超音波パルスなどのエネルギーパルスを発生し、エコー信号を受信することもできる。

アセンブリ１の末端には撮像素子１５が設けられており、この撮像素子１５は、具体的には、（例えば、タングステン粒子を有するエポキシ基板などの）音響吸収材からなる導電性音響レンズ７０と導電性基材９０との間に圧電セラミック（ＰＺＴ）の層８０を挟持している撮像トランスデューサである。動作中、ＰＺＴ層８０は、基材９０と音響レンズ７０との両方によって電気的に励起されて、エネルギーパルスを発生する。

図１のトランスデューサ・アセンブリ１では、単一の撮像素子１５を備えている。当該技術分野においては、単一の撮像素子１５を備える代わりに、撮像素子のアレイ、例えば、撮像トランスデューサのアレイを使用することも知られている。撮像トランスデューサのアレイは、アセンブリ１を動かさずにエネルギーパルスを集束させたり、操作したりする機能をもたらすものである。図２には、そのようなアレイ１００の一例が示されているとともに、一般的に「ダイス・アンド・フィル（ｄｉｃｅ ａｎｄ ｆｉｌｌ）法」と称される、アレイ１００を形成する周知のプロセス２００が示されている。プロセス２００において、分極したＰＺＴセラミック２１０のプレートを得る。そして、セラミック２１０のプレートを鋸２２０で切削加工することにより、トランスデューサのアレイ１００のＰＺＴ層として機能する、複数の切溝部２３０および柱部２４０のアレイを形成する。次に、エポキシ２５０などの高分子材料で切溝部２３０を埋め戻して、複合構造を形成する。この構成によるトランスデューサは、高帯域幅、高感度、組織に適合する良好な音響インピーダンス、ならびに低い素子間クロストークや低い副ローブ・レベルなどの望ましいアレイ特性を発揮することができる。しかしながら、この構成によるトランスデューサは、通例、２０メガヘルツ（ＭＨｚ）を大きく上回る周波数では動作しない。従って、改良型の撮像装置が望まれる。

本発明は、概して、医療装置、より具体的には、改良型の医療撮像装置に関する。一実施形態において、撮像装置は、管腔内に収容される基端および末端を有する駆動軸と、該駆動軸の末端に連結されるとともに、細長部材の末端部分に配置される撮像トランスデューサ・アセンブリとを備えている。撮像トランスデューサ・アセンブリは、フォトリソグラフィによる微細加工を用いることにより圧電複合材プレートに形成された一つ以上の撮像トランスデューサを備えている。

本発明のその他のシステム、方法、特徴および利点は、以下の図面および詳細な説明を考察することで当業者には明らかとなるものである。そのような更なるシステム、方法、特徴および利点は、全て、本明細書内および本発明の範囲内に含まれるとともに、添付の特許請求の範囲によって保護されることを意図するものである。

本発明の上記およびその他の利点ならびに目的を如何に達成するかをより良く理解するために、添付図面において示されるその具体的な実施形態を参照することによって、簡単に前述した本発明のより詳細な説明が得られることになる。なお、図中の構成要素は、必ずしも縮尺通りではなく、むしろ本発明の原理を示すことに重点を置いている。さらに、図中、同様の参照符号は、各図を通して対応する部品を示す。しかしながら、同様の部品に、必ずしも同様の参照符号が付されているとは限らない。また、全ての図は、概念を伝えることを意図しており、相対的な寸法、形状およびその他の詳細な属性を、厳密あるいは正確に示すというよりも、むしろ概略的に示している場合もある。

前述のように、例えば、２０ＭＨｚを上回るような高周波数で動作する撮像トランスデューサが望まれる。このような撮像トランスデューサは、高解像度の画像を提供することができるので、皮膚科学、眼科学、腹腔鏡検査法、心臓内および血管内における超音波を伴う用途において望ましいものである。このような撮像トランスデューサを形成する手法の一つとしては、フォトリソグラフィによる微細加工プロセスの利用がある。このようなプロセス３００の一例を、図３に示す。

第１のステップ３１０において、マグネシウムニオブ酸鉛‐チタン酸鉛（ＰＭＮ−ＰＴ）または亜鉛ニオブ酸鉛‐チタン酸鉛（ＰＺＮ−ＰＴ）などの圧電結晶材料のプレートあるいはブロック３１５を得る。プレート３１５の両面にはラップ仕上げが施され、そのうちの片面には研磨が施されることが好ましい。そして、ラップ仕上げが施されているが、研磨が施されていない面は、シリコン（Ｓｉ）ウェハ（図示せず）に接合されるガラス・キャリア（図示せず）に接合することができる。プレート３１５の寸法は、１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍ〜１５ｍｍ×１５ｍｍ×０．５ｍｍの範囲内であるが、これらの寸法は、任意の大きさにすることが可能である。プレート３１５の材料は、セラミックあるいは単結晶とすることが可能である。好ましくは、プレート３１５の材料は、＜００１＞または＜０１１＞の結晶方向に沿って配向された電極面を有する単結晶ＰＭＮ−ＰＴである。当業者であれば理解できるように、単結晶構造は、高い圧電係数（例えば、ｄ３３＞１５００ｐＣ／Ｎ，ｋ３３＞０．８，ｋ３３’＞０．７）を有していることが望ましい。プレート３１５の誘電率は、約４０００〜７７００を越える範囲内であり、誘電損失は、０．０１未満であることが好ましい。

次のステップ３２０において、圧電材料のプレート３１５にフォトレジスト・マスク３２５を塗布する。マスク３２５は、圧電複合材３１５内において単一または複数の撮像素子の所望の形状および／またはパターンを形成する。次のステップ３３０において、ニッケル（Ｎｉ）を用いてプレート３１５に電気めっきを施す。フォトレジスト・マスク３２５に応じて、プレート３１５上にＮｉの硬質なパターン３３５が形成される。Ｎｉのパターン３３５は、約１〜２０ミクロン（μｍ）の厚さを有することができる。ニッケルに代えて、あるいは加えて、白金（Ｐｔ）などの他の金属を用いてもよい。ＮｉおよびＰｔなどの硬質および／または高分子量の材料の使用は、プレート３１５の被覆下方部分をエッチングから保護する際の選択性において望ましいものである。フォトレジスト・マスク３２５は、Ｎｉを塗布した後に除去される。

次のステップ３４０において、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などのエッチング・プロセスを施す。ウェットエッチングなどの他のエッチング・プロセスを用いることも可能である。好適な実施形態において、エッチング速度が約３ミクロン未満／時間〜１２ミクロン／時間で、（例えば、８０°より大きい）実質的に垂直なエッチング形状を得ることができる、塩素（Ｃｌ２）によるＲＩＥエッチングをおこなう。Ｃｌ２に代えて、あるいは加えて、Ｃｌ２によるエッチングと同様のエッチング特性を有する、六フッ化硫黄（ＳＦ６）によるエッチングをおこなうことが可能である。ニッケル（Ｎｉ）パターン３３５は、該パターン３３５で覆われたプレート３１５の下方部分をエッチング・プロセスから保護するので、それによりプレート３１５に一つ以上の深層柱部３４７が形成されて、プレート３１５の露出部分がエッチングされて形成された一つ以上の柱部３４７を一つ以上の切溝部３４５が取り囲む状態となる。一つ以上の切溝部３４５は、約１μｍ未満（＜１）〜１２μｍの範囲内の幅を有することが可能であり、一つ以上の柱部３４７の幅は、約３μｍ未満（＜３）〜３６μｍの範囲内の幅と、約５μｍ未満（＜５）〜７０μｍを上回る（＞７０）範囲内の高さとを有することが可能である。一実施形態においては、アスペクト比（柱部の高さ／柱部の幅）を少なくとも２：１にして、横モードの効果を抑制することが好ましい。前述のプレート３１５の寸法を得るために、エッチング・プロセスは、約６〜８または１８時間継続することができる。エッチング・ステップ３４０の後、プレート３１５を洗浄用の溶剤で洗う。
次のステップ３５０において、切溝部３４５に、Ｅｐｏ−Ｔｅｋ−３０１などのエポキシ３５５を充填する。切溝部３４５内において空泡を除去するとともにボイドを防止するために、真空（図示せず）を用いてもよい。次のステップ３６０において、プレート３１５の最上部およびエポキシ３５５を約４０μｍの厚さまでラップ仕上げする。そして、次のステップ３７０において、プレート３１５に電極パターン３７５を施して、撮像トランスデューサ・パターンを形成する。電極パターン３７５は、金（Ａｕ）、およびクロム（Ｃｒ）で構成されていることが好ましい。さらに、当業者であれば理解できるように、撮像処理回路（図示せず）などの電子回路を電極３７５に接続することが可能である。また、プレート３１５上に形成された電極パターン３７５は、例えば、各柱部３４７における撮像トランスデューサのアレイ、あるいは単一の撮像トランスデューサを含む、撮像トランスデューサのあらゆるパターンを形成することができる。プレート３１５の裏面には、エポキシ層３７７を塗布してもよい。

２０ＭＨｚを上回る動作周波数、例えば、３０ＭＨｚ〜８０ＭＨｚを超える動作周波数の撮像トランスデューサは、前述のプロセス３００など、フォトリソグラフィによる微細加工を用いて形成することができる。動作周波数が高いと、撮像トランスデューサの解像度および画像深度が増大する。また、とくに単結晶ＰＭＮ−ＰＴを圧電性物質として使用した場合の撮像トランスデューサの帯域幅は、ＰＺＴセラミックで形成した動作周波数が２０ＭＨｚを下回るトランスデューサの７０〜８０％に過ぎない帯域幅に比較して、１００％近くになり得る。帯域幅が大きいと、トランスデューサの軸方向の解像度が向上し、撮像深度が増大する。これは、組織内での高周波数超音波の大きな減衰により撮像深度が極めて限定される高周波数トランスデューサの場合に望ましいものである。単結晶を使用する場合、これらの利点を、セラミック・トランスデューサと同等以上の感度で実現することが可能である。これらの高周波数トランスデューサは、水晶体の交換による白内障治療や、レーシック（ｌａｓｅｒ ｉｎ ｓｉｔｕ ｋｅｒａｔｏｍｉｌｅｕｓｉｓ（ＬＡＳＩＫ））、および腫瘍の発見などの外科的処置を監視するための眼球の前方部の撮像（好ましくは、５０μｍの解像度に対して６０ＭＨｚまでの周波数）と、火傷を負った患者の治療および黒色腫の発見のための皮膚の撮像（好ましくは、皮下については２５ＭＨｚ、真皮については５０ＭＨｚ、そして表皮については１００＋ＭＨｚ）と、関節炎になる前の状態を発見するための関節内の撮像（好ましくは、２５〜５０ＭＨｚ）と、医療研究のための生体マウスの胚子の撮像（好ましくは、５０〜６０ＭＨｚ）と、直径が１００μｍを下回る血管内の血流を確認するためのドップラー超音波法（好ましくは、２０〜６０ＭＨｚ）と、心臓内および血管内の撮像（好ましくは、１０〜５０ＭＨｚ）と、組織の生検のための超音波誘導とを含む、数多くの医療処置に適用することができる。

好適な実施形態においては、前述のプロセス３００など、フォトリソグラフィによる微細加工プロセスを用いることにより、少なくとも二種類の撮像トランスデューサの構造、すなわち、当該技術分野において周知の構成である２−２の構造および１−３の構造を形成することができる。図４ａを参照すると、２−２の構造に配置されたウェハ４０５上の圧電性柱部４１０のアレイ４００が一例として示されている。柱部４１０間には、高分子材料４２０が充填されている。「２−２」とは、圧電性材料４１０および高分子材料４２０の各部が主に延びる方向の数を示す。ここに示す方法では、Ｍ−Ｎラベリング規則（ここで、Ｍは、圧電性材料４１０が主に延びる方向の数であり、Ｎは、高分子材料４２０が主に延びる方向の数である）を用いることが好ましい。図４ｂを参照すると、１−３の構造に配置されたウェハ４５５上の圧電性柱部４６０のアレイ４５０が一例として示されている。柱部４６０間の切溝４７０には、高分子材料が充填されている。

圧電性材料のプレート上において、前述のプロセス３００など、フォトリソグラフィによる微細加工プロセスを用いることにより、二次元および三次元超音波撮像の用途にそれぞれ使用することが可能な撮像素子の一次元および二次元アレイを含む、撮像素子のあらゆるパターンを形成することができる。

また、様々な形状のアレイを形成することも可能である。図５ａを参照すると、撮像トランスデューサの環状アレイ５００が示されている。このアレイは、区分化された素子５１０と、中央の素子５１５とを備えている。図５ｂを参照すると、撮像トランスデューサの別の環状アレイ５５０が示されている。アレイ５５０は、中央の素子５６５と、中央の素子５６５の周囲に同心状に配置された環状開口素子５６０とを備えている。これらの環状アレイの構成は、撮像カテーテルまたはガイドワイヤ内において前方に向けることもでき、とくに血管に対して用いるのに適している。環状アレイは、図４ｂに示すような１‐３の複合構造４５０上に電極の環状アレイを形成することによって作成することが好ましい。

図６を参照すると、前述の撮像トランスデューサをカテーテルにおいて使用してもよく、ガイドワイヤ６００の末端部分６４０に配置することも可能である。ガイドワイヤ６００は、外壁６３０を有する可撓性の細長管状部材として構成されたガイドワイヤ本体６２０を備えていてもよい。ガイドワイヤ本体６２０は、ニチノール・ハイパーチューブ、金属合金、複合材、プラスチック、編組ポリイミド、ポリエチレン、ポリエーテルエーテルケトン編組線、ステンレス鋼、あるいはその他の超弾性材料を含む、当該技術分野において周知の任意の材料から構成されていてもよい。

図７を参照すると、図６に示すようなガイドワイヤ６００の基端部分は、周知の回路など、前述の撮像トランスデューサからの撮像信号を処理する回路７１０に接続するように構成されていてもよい。

本明細書において、本発明をその具体的な実施形態に基づいて説明してきた。しかしながら、本発明の広義の概念および範囲から逸脱することなく、種々の変形および変更が可能であることは明らかである。例えば、読者は、ここで説明した処理行為の具体的な順序および組み合わせが単に例示的なものであり、異なるまたは更なる処理行為、あるいは処理行為の異なる組み合わせまたは順序によって本発明を実施可能であることを理解するはずである。更なる例としては、一実施形態の各特徴と、別の実施形態において示した別の特徴とを組み合わせたり、適合させたりすることが可能である。さらに、希望通りに特徴を付け加えたり、あるいは取り去ったりしてもよいことは明らかである。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその均等物以外において限定されるものではない。

当該技術分野において周知の撮像トランスデューサ・アセンブリの断面側面図である。 当該技術分野において周知のトランスデューサのアレイを製造する技術の説明図である。 本発明の好適な実施形態に係るフォトリソグラフィによる微細加工の説明図である。 本発明の好適な実施形態に係る２−２の構造を有する撮像トランスデューサの図である。 本発明の好適な実施形態に係る１−３の構成を有する撮像トランスデューサの図である。 本発明の好適な実施形態に係る環状トランスデューサ・アレイで図である。 本発明の好適な実施形態に係る別の環状トランスデューサ・アレイの図である。 本発明の好適な実施形態に係る撮像ワイヤの断面図である。 本発明の好適な実施形態に係る医療撮像システムの図である。

Claims (27)

1. 撮像カテーテル内に配置されるように構成された撮像装置であって、
   基端および末端を有する駆動軸と、
   前記駆動軸に連結された撮像トランスデューサ・アセンブリとを備えており、
   前記撮像トランスデューサ・アセンブリは、一つ以上の撮像トランスデューサを備えており、
   前記一つ以上の撮像トランスデューサは、フォトリソグラフィによる微細加工を施した圧電複合材プレートから構成されている、撮像装置。
2. 前記一つ以上の撮像トランスデューサのうち少なくとも一つは、２−２の構造または１−３の構造となっている、請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記フォトリソグラフィによる微細加工を施した圧電複合材プレートは、単結晶圧電性物質で構成されている、請求項１に記載の撮像装置。
4. 前記撮像トランスデューサは、複数の柱部を備えており、
   前記複数の柱部は、少なくとも２：１のアスペクト比をそれぞれ有する、請求項１に記載の撮像装置。
5. 前記一つ以上の撮像トランスデューサは、一次元アレイの撮像トランスデューサまたは二次元アレイの撮像トランスデューサのいずれかである、請求項１に記載の撮像装置。
6. 前記一つ以上の撮像トランスデューサは、前方を向いている、請求項１に記載の撮像装置。
7. 前記一つ以上の撮像トランスデューサは、環状アレイを形成する、請求項１に記載の撮像装置。
8. 前記一つ以上の撮像トランスデューサは、少なくとも２０ＭＨｚの周波数で動作する、請求項１の撮像装置。
9. 前記一つ以上の撮像トランスデューサは、少なくとも１００ＭＨｚの周波数で動作する、請求項１に記載の撮像装置。
10. 前記一つ以上の撮像トランスデューサは、少なくとも８０％の動作帯域幅を有する、請求項１に記載の撮像装置。
11. 前記一つ以上の撮像トランスデューサは、複数の柱部および切溝部を備えており、
    前記複数の柱部は、約３〜３６μｍの範囲内の幅をそれぞれ有する一方、前記複数の切溝部は、約１〜１５μｍの範囲内の幅をそれぞれ有する、請求項１に記載の撮像装置。
12. 一つ以上の撮像トランスデューサを製造する方法であって、
    フォトリソグラフィによる微細加工を用いて圧電材料プレート上に複数の柱部を形成するステップと、
    前記複数の柱部を取り囲む複数の切溝部に高分子材料を充填するステップとを備えている、方法。
13. 前記圧電材料プレートにラップ仕上げを施すステップをさらに備えている、請求項１２に記載の方法。
14. 前記圧電材料プレートに電極を形成するステップをさらに備えている、請求項１２に記載の方法。
15. 前記フォトリソグラフィによる微細加工を用いて圧電材料プレート上に複数の柱部を形成するステップは、反応性イオンエッチング法の使用を含む、請求項１２に記載の方法。
16. 前記フォトリソグラフィによる微細加工を用いて圧電複合材プレート上に複数の柱部を形成するステップは、前記プレートの前記複数の柱部を形成する部分上に、ハードマスクを形成するステップをさらに備えている、請求項１２に記載の方法。
17. 前記ハードマスクは、ニッケルおよび白金のうち少なくともいずれか一つで構成されている、請求項１６に記載の方法。
18. 前記圧電材料プレートは、単結晶構造または多結晶構造を有する、請求項１２に記載の方法。
19. 前記圧電材料プレートは、ＰＺＴセラミック、ＰＭＮ−ＰＴ単結晶、およびＰＺＮ−ＰＴ単結晶のうち少なくともいずれか一つで構成されている、請求項１２に記載の方法。
20. 前記一つ以上の撮像トランスデューサは、少なくとも２０ＭＨｚの周波数で動作する、請求項１２に記載の方法。
21. 前記一つ以上の撮像トランスデューサのうち少なくとも一つは、２−２の構成または１−３の構成となっている、請求項１２に記載の方法。
22. 前記一つ以上の撮像トランスデューサは、超音波トランスデューサである、請求項１２に記載の方法。
23. 前記一つ以上の撮像トランスデューサは、一次元アレイの撮像トランスデューサおよび二次元アレイの撮像トランスデューサのいずれかである、請求項１２に記載の方法。
24. 前記一つ以上の撮像トランスデューサは、環状アレイを形成する、請求項１２に記載の方法。
25. 前記一つ以上の撮像トランスデューサは、複数の柱部および切溝部を備えており、
    前記複数の柱部は、約３〜３６μｍの範囲内の幅をそれぞれ有する一方、前記複数の切溝部は、約１〜１５μｍの範囲内の幅をそれぞれ有する、請求項１２に記載の方法。
26. 前記一つ以上の撮像トランスデューサは、少なくとも２０ＭＨｚの周波数で動作する、請求項１２に記載の方法。
27. 前記一つ以上の撮像トランスデューサは、少なくとも８０％の動作帯域幅を有する、請求項１２に記載の方法。

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