JP2010167281A - 超音波トランスデューサと位置センサとが隔離されたカテーテル - Google Patents

Abstract

【課題】 侵襲性イメージングシステムにおける位置感知サブシステムと超音波サブシステムとを確実に電気的に隔離するものを提供する。
【解決手段】 医療機器は生体の体内に挿入される侵襲性プローブを備える。超音波サブシステムは、プローブ内に格納された超音波トランスデューサ、及びプローブの外部に配置され、プローブ内の超音波トランスデューサと通信するように結合された画像処理回路を含む。位置感知サブシステムは、プローブ内に格納された位置トランスデューサ、及びプローブの外部に配置され、位置トランスデューサと通信するように結合されることによって体内における超音波トランスデューサの位置座標を決定する、位置追跡回路を含む。位置感知サブシステムは超音波サブシステムから電気的に隔離される。
【選択図】 図１

Description

開示の内容

〔技術分野〕
本発明は、一般的には侵襲性の医療器具に関し、詳細にはイメージング機能と位置感知機能を兼ね備えた侵襲性プローブに関する。

〔背景技術〕
心内膜の非接触イメージングでは音響トランスデューサを備えたカテーテルを使用することができる。例えば、本明細書中にその開示内容を援用する米国特許第６，７１６，１６６号及び同第６，７７３，４０２号は、体腔、特に心臓の３次元マッピング及び幾何学的再構成のためのシステムについて記載している。このシステムでは複数の音響トランスデューサを備えた心臓カテーテルを使用している。各トランスデューサは超音波を放射し、この超音波が空洞の表面で反射して再びトランスデューサによって受け止められる。各トランスデューサからトランスデューサに対向する表面上の点又は領域までの距離が測定され、この距離の測定値を合わせることによって表面の３次元形状が再構成される。カテーテルは更に、心臓内部におけるカテーテルの位置及び方向座標を決定するために使用される位置センサを備える。

本明細書中にその開示内容を援用する米国特許出願公開第２００６／０２４１４４５号は、心臓の室房などの解剖学的構造をモデリングするための方法及び装置について記載している。患者の体内の標的臓器又は構造をイメージングするため、超音波トランスデューサのアレイ及び位置センサを備えたプローブが用いられる。一実施形態では、プローブは患者の心臓に挿入されるカテーテルを含む。プローブは標的臓器の多数の２次元超音波画像を取得し、これらを画像プロセッサに送る。各画像について、位置センサを用いてプローブの位置及び方向座標が測定される。超音波画像並びに測定された位置及び方向座標に基づいて解剖学的構造の３次元（３Ｄ）モデルが構成される。

〔課題を解決するための手段〕
位置感知機能と超音波イメージングを、心臓カテーテルのような１つのプローブにまとめることは安全上の問題を生じ得る。プローブに格納された超音波トランスデューサ及び外部の処理回路を含む超音波サブシステムは比較的高い電圧を発生し得るものであり、通常は接地電位に保たれ、患者から電気的に隔離されている。これに対して、プローブ内の位置トランスデューサ及び外部の位置追跡回路を含む位置感知サブシステムは、患者の身体の「適用部位」の電位に保たれ得るものであり、安全上の理由から地面から電気的に隔離されていなければならない。しかしながら位置トランスデューサと超音波トランスデューサは通常、プローブ内で互いに近接して配置されている。これらの要素間又はこれらの要素に付属する配線間の短絡によって望ましい隔離状態が破れ、患者が危険に曝される可能性がある。

下記に述べる本発明の各実施形態は、侵襲性イメージングシステムにおける位置感知サブシステムと超音波サブシステムとを確実に電気的に隔離するものである。この隔離は、プローブ内の位置センサと外部の位置追跡回路との間に導電路を形成せずに、位置センサと位置追跡回路との間に信号を伝送する隔離回路を用いることで実現することが可能である。

したがって本発明の一実施形態に基づけば、
生体の体内に挿入するための侵襲性プローブと、
超音波サブシステムであって、プローブ内に格納された超音波トランスデューサ、及びプローブの外部に配置され、プローブ内の超音波トランスデューサと通信するように結合された画像処理回路を含む、超音波サブシステムと、
位置感知サブシステムであって、プローブ内に格納された位置トランスデューサ、及びプローブの外部に配置され、位置トランスデューサと通信するように結合されることによって体内における超音波トランスデューサの位置座標を決定する位置追跡回路を含む、位置感知サブシステムと、を備え、
位置感知サブシステムは超音波サブシステムから電気的に隔離されている、医療装置が提供される。

いくつかの実施形態では、侵襲性プローブは生体の心臓に挿入されるカテーテルを含む。一実施形態では、超音波トランスデューサは、体内におけるプローブの異なるそれぞれの位置において臓器の複数の超音波入力画像を撮像するように構成され、画像処理回路は、位置座標を用いて入力画像を合成することによって臓器の３次元画像を生成するように構成される。これに加えて、又はこれに代えて、位置感知サブシステムは、体内で磁場を発生するように構成された１以上の磁場発生器を含み、位置トランスデューサは、磁場に応じて位置追跡回路に位置信号を出力するように構成された磁場センサを含む。

通常、超音波トランスデューサが超音波サブシステムによって接地電位に保たれるのに対して、位置感知サブシステムは非接地電位である。

開示される一実施形態では、装置は、位置トランスデューサと位置追跡回路との間に導電路を形成せずに位置トランスデューサと位置追跡回路との間で位置信号を伝送するように位置トランスデューサと位置追跡回路との間に配置される、隔離回路を含む。通常、隔離回路は１以上の隔離変圧器を含む。

本発明の一実施形態に基づけば、侵襲性医療システムを製造する方法であって、
生体の体内に挿入するための侵襲性プローブを与えることと、
プローブ内に超音波トランスデューサを設置し、プローブの外部の画像処理回路と通信するように超音波トランスデューサを結合することによって、超音波サブシステムを組み立てることと、
プローブ内に位置トランスデューサを設置し、体内における超音波トランスデューサの位置座標が決定されるようにプローブの外部の位置追跡回路と通信するように位置トランスデューサを結合することによって、位置感知サブシステムを組み立てることと、
位置感知サブシステムを超音波サブシステムから電気的に隔離することと、を含む、方法が更に提供される。

本発明は、以下の本発明の実施形態の詳細な説明を以下の図面と併せ読むことでより完全に理解されるであろう。

本発明の一実施形態に基づく心臓イメージングのためのシステムを概略的に示す絵図。 本発明の一実施形態に基づく図１のシステムの電気的要素を示すブロック図。 本発明の一実施形態に基づく隔離回路の詳細を示すブロック図。

図１は、本発明の一実施形態に基づく、患者２２の心臓２４のイメージングを行うためのシステム２０を概略的に絵図で示したものである。システムは、医師などの操作者２６によって静脈又は動脈を通じて心臓の室房内に挿入されるカテーテル２８を含んでいる。操作者は、下記に更に述べるように所定の回路を格納したハンドル３６を使用してカテーテルを制御及び操作する。システム２０は、カテーテル２８の位置（位置及び方向）座標を測定する位置調整サブシステム（positioning subsystem）を備える。一実施形態では、位置調整サブシステムは、患者の体外の定位置に配置される一群の体外放射コイル３０の形態の磁場発生器を含む磁気位置追跡システムからなる。コイル群３０は、心臓２４の近傍に電磁場を発生させる。発生した電磁場はカテーテル２８の末端内部の位置センサ３２によって感知される。

位置センサ３２はある種の位置トランスデューサである。代替的な一実施形態では、カテーテル２８の末端の位置トランスデューサは、磁場を発生する放射要素として構成することができる。この場合、コイル群３０はこれらの場を感知する。更に別の場合では、当該技術分野で知られるような電気的インピーダンスに基づくトランスデューサ（トランスミッタ又はセンサ）などの他の種類の位置トランスデューサをカテーテルで使用することもできる。

システム２０の位置追跡サブシステムは、当該技術分野において知られる磁気位置追跡システムの原理によって動作するものでよい。この種のシステムは、例えばその開示内容の全体を本明細書に援用する米国特許第６，６９０，９６３号、同第６，６１８，６１２号及び同第６，３３２，０８９号、並びに米国特許出願公開第２００２／００６５４５５（Ａ１）号、同第２００４／０１４７９２０（Ａ１）号及び同第２００４／００６８１７８（Ａ１）号に述べられている。この種の追跡システムは、バイオセンス・ウェブスター社（Biosense Webster Inc.）（カリフォルニア州ダイアモンドバー）によって製造されるＣＡＲＴＯ（商標）システムで使用されている。または、上記に述べたように、本発明の原理は必要な変更を加え、他の任意の適当な位置調整サブシステムを用いて実施することもできる。

カテーテル２８は、その末端に、心臓２４の画像を形成するために用いられる超音波トランスデューサ３４を更に備える。通常、トランスデューサ３４は多数の心臓内超音波画像（２次元又は３次元であり得る）を撮像する。位置センサ３２によって与えられる座標の測定値は、完全な３次元画像を再構成するためにカテーテルの異なる位置で撮像された超音波画像を記録するのに使用される。この画像は、心臓の１以上の室房以外にも血管などの心臓外部の周辺構造を含み得る。こうした性能を有するカテーテル及びシステム（及び更に電気解剖学的感知用の電極を含む）は、上記に述べた米国特許出願公開第２００６／０２４１４４５号に述べられている。

更にこれに加えて又はこれに代えて、カテーテル２８及びシステム２０は、心臓内の機械的活動又は他の種類の生理学的活性を示すマップのような、他の種類の画像を生成するように適応することもできる。更に、本明細書で述べる実施形態は具体的には心臓のイメージングに関するものであるが、本発明の原理は身体の他の臓器のイメージングに同様に応用することも可能である。

コンソール４２によってシステム２０の要素が駆動及び制御される。コンソール４２は、放射コイル群３０を駆動する信号を発生するとともにカテーテル２８内の位置センサ３２が出力する位置信号を処理する位置追跡回路４６を備える。位置センサからの信号はカテーテルからケーブル４０を介して隔離回路４８に伝送される。隔離回路４８は、位置センサと位置追跡回路との間に導電路を形成せずに位置センサを位置追跡回路４６に結合する。したがってカテーテル２８自体は位置追跡回路から隔離される。隔離回路の詳細を以下の図面に示す。

超音波トランスデューサ３４が出力する画像信号は、ケーブル３８を介してカテーテル２８から画像処理回路４４に伝送される。この回路は、上述したように心臓２４の３次元画像を生成するために画像信号を処理する。画像はディスプレー５０のような出力装置上に提示される。通常、回路４４は、適当なインターフェース回路及び場合によりハードウェア加速回路を含む汎用型コンピュータを含む。コンピュータは個々の画像を３次元画像に合成するようにソフトウェアでプログラミングされている。位置追跡回路４６によって計算される位置座標を使用するこうした処理については、上記に引用した特許及び特許出願により詳細に述べられている。

図２は、本発明の一実施形態に基づくシステム２０の電気的要素を示すブロック図である。センサ３２によって出力された位置信号はカテーテル２８のハンドル３６内のフロントエンド（ＦＥ）回路５４によって増幅される。増幅された信号は隔離回路４８を経て電磁的（ＥＭ）位置追跡回路４６に伝送される。このため回路４６は、接地されている超音波（Ｕ／Ｓ）画像処理回路４４から隔離されている。隔離回路４８の詳細を図３に示す。カテーテル２８は、超音波トランスデューサ３４及びその付属ケーブルを位置センサ３２から隔離するための手段を更に備えてもよいが、カテーテルのこれらの特徴は本発明の範囲外である。

図３は、本発明の一実施形態に基づく隔離回路４８の詳細を示すブロック図である。回路４８は、カテーテル２８と位置追跡回路４６との間の導電路を破壊するのに適した隔離要素で形成された隔離バリア９０を有する。フロントエンド回路５４からの位置信号は、追跡回路４６に達する前に隔離変圧器９２を通過する。データトロニックス社（Datatronics）（カリフォルニア州ロモランド）が販売する変圧器モデルＳＭ−５０２−１のような任意の適当な隔離変圧器をこの目的で使用することができる。カテーテル２８内のセンサ３２を構成する３個の互いに直交するセンサコイルから３つの信号（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が発生する（あるいは、これよりも少ないか又は多い数のセンサコイルを使用することも可能であり、その場合、これよりも少ないか又は多い数の信号が隔離回路によって伝送される）。これらのセンサ信号は、リニア・テクノロジー社（Linear Technology）（カリフォルニア州ミルピタス）によって販売されるＬＴ６０１１増幅器のようなバッファ増幅器９４及び９６によって各変圧器への入力部及び各変圧器からの出力部においてバッファリングされる。

隔離バリア９０は、ハンドル３６内のフロントエンド回路５４に作動電圧を与えるための隔離されたＤＣ／ＤＣコンバータ９８、並びにデジタル制御信号及びデータ信号を転送するための光カップラ１００などの補助的要素を更に有してもよい。図３に示される実施形態では、光カップラを使用してｉ２Ｃバス上で双方向通信を行っているが、他の任意な好適な種類の通信バス及びプロトコルを使用することも可能である。

したがって、患者２２は、カテーテル２８を通じて心臓２４に流れ得る漏れ電流及び高電圧の過渡電流から保護される。図３では、隔離回路の特定の具体的構成を示したが、上記に述べた侵襲性プローブに付随する異なるサブシステム同士を隔離する原理は、他の回路及び隔離手段を用い、他の種類のシステムにおいても同様に応用が可能である。上記に述べた実施形態は、例として引用したものであって、本発明は上記に具体的に図示及び記載したものに限定されないことは認識されるであろう。その逆に、本発明の範囲は、上記に述べた異なる特性のすべてのものの組み合わせ及び一部のものの組み合わせを含み、更に上記の説明文を読むことで当業者によって想到されるであろう、先行技術には開示されていない変形例及び改変例をも含むものである。

〔実施態様〕
（１） 生体の体内に挿入するための侵襲性プローブと、
超音波サブシステムであって、前記プローブ内に格納された超音波トランスデューサ、及び前記プローブの外部に配置され、前記プローブ内の前記超音波トランスデューサと通信するように結合された画像処理回路を含む、超音波サブシステムと、
位置感知サブシステムであって、前記プローブ内に格納された位置トランスデューサ、及び前記プローブの外部に配置され、前記位置トランスデューサと通信するように結合されることによって前記体内における前記超音波トランスデューサの位置座標を決定する位置追跡回路を含む、位置感知サブシステムと、を備え、
前記位置感知サブシステムが、前記超音波サブシステムから電気的に隔離されている、医療装置。
（２） 前記侵襲性プローブが、前記生体の心臓に挿入されるカテーテルを含む、実施態様１に記載の装置。
（３） 前記超音波トランスデューサが、前記体内における前記プローブの異なるそれぞれの位置において臓器の複数の超音波入力画像を撮像するように構成され、前記画像処理回路が、前記位置座標を用いて前記入力画像を合成することによって前記臓器の３次元画像を生成するように構成されている、実施態様１に記載の装置。
（４） 前記位置感知サブシステムが、前記体内で磁場を発生するように構成された１以上の磁場発生器を含み、前記位置トランスデューサが、前記磁場に応じて前記位置追跡回路に位置信号を出力するように構成された磁場センサを含む、実施態様１に記載の装置。
（５） 前記超音波トランスデューサが、前記超音波サブシステムによって接地電位に保たれるのに対して、前記位置感知サブシステムは非接地電位である、実施態様１に記載の装置。
（６） 前記位置トランスデューサと前記位置追跡回路との間に導電路を形成せずに前記位置トランスデューサと前記位置追跡回路との間で位置信号を伝送するように前記位置トランスデューサと前記位置追跡回路との間に配置される、隔離回路を含む、実施態様１に記載の装置。
（７） 前記隔離回路が１以上の隔離変圧器を含む、実施態様６に記載の装置。
（８） 侵襲性医療システムを製造する方法であって、
生体の体内に挿入するための侵襲性プローブを与えることと、
前記プローブ内に超音波トランスデューサを設置し、前記プローブの外部の画像処理回路と通信するように前記超音波トランスデューサを結合することによって、超音波サブシステムを組み立てることと、
前記プローブ内に位置トランスデューサを設置し、前記体内における前記超音波トランスデューサの位置座標が決定されるように前記プローブの外部の位置追跡回路と通信するように前記位置トランスデューサを結合することによって、位置感知サブシステムを組み立てることと、
前記位置感知サブシステムを前記超音波サブシステムから電気的に隔離することと、を含む、方法。
（９） 前記侵襲性プローブが、前記生体の心臓に挿入されるカテーテルを含む、実施態様８に記載の方法。
（１０） 前記超音波トランスデューサが、前記体内における前記プローブの異なるそれぞれの位置において臓器の複数の超音波入力画像を撮像するように構成され、前記画像処理回路が、前記位置座標を用いて前記入力画像を合成することによって、前記臓器の３次元画像を生成するように構成されている、実施態様８に記載の方法。
（１１） 前記位置感知サブシステムが、前記体内で磁場を発生するように構成された１以上の磁場発生器を含み、前記位置トランスデューサが、前記磁場に応じて前記位置追跡回路に位置信号を出力するように構成された磁場センサを含む、実施態様８に記載の方法。
（１２） 前記超音波サブシステムを組み立てることが、前記位置感知サブシステムが非接地電位にある間、前記超音波トランスデューサを保持することを含む、実施態様８に記載の方法。
（１３） 前記位置感知サブシステムを電気的に隔離することが、前記位置トランスデューサと前記位置追跡回路との間に導電路を形成せずに前記位置トランスデューサと前記位置追跡回路との間で位置信号を伝送するように、前記位置トランスデューサと前記位置追跡回路との間に隔離回路を配置することを含む、実施態様８に記載の方法。
（１４） 前記隔離回路が、１以上の隔離変圧器を含む、実施態様１３に記載の方法。

Claims (14)

1. 生体の体内に挿入するための侵襲性プローブと、
   超音波サブシステムであって、前記プローブ内に格納された超音波トランスデューサ、及び前記プローブの外部に配置され、前記プローブ内の前記超音波トランスデューサと通信するように結合された画像処理回路を含む、超音波サブシステムと、
   位置感知サブシステムであって、前記プローブ内に格納された位置トランスデューサ、及び前記プローブの外部に配置され、前記位置トランスデューサと通信するように結合されることによって前記体内における前記超音波トランスデューサの位置座標を決定する位置追跡回路を含む、位置感知サブシステムと、を備え、
   前記位置感知サブシステムが、前記超音波サブシステムから電気的に隔離されている、医療装置。
2. 前記侵襲性プローブが、前記生体の心臓に挿入されるカテーテルを含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記超音波トランスデューサが、前記体内における前記プローブの異なるそれぞれの位置において臓器の複数の超音波入力画像を撮像するように構成され、前記画像処理回路が、前記位置座標を用いて前記入力画像を合成することによって前記臓器の３次元画像を生成するように構成されている、請求項１に記載の装置。
4. 前記位置感知サブシステムが、前記体内で磁場を発生するように構成された１以上の磁場発生器を含み、前記位置トランスデューサが、前記磁場に応じて前記位置追跡回路に位置信号を出力するように構成された磁場センサを含む、請求項１に記載の装置。
5. 前記超音波トランスデューサが、前記超音波サブシステムによって接地電位に保たれるのに対して、前記位置感知サブシステムは非接地電位である、請求項１に記載の装置。
6. 前記位置トランスデューサと前記位置追跡回路との間に導電路を形成せずに前記位置トランスデューサと前記位置追跡回路との間で位置信号を伝送するように前記位置トランスデューサと前記位置追跡回路との間に配置される、隔離回路を含む、請求項１に記載の装置。
7. 前記隔離回路が１以上の隔離変圧器を含む、請求項６に記載の装置。
8. 侵襲性医療システムを製造する方法であって、
   生体の体内に挿入するための侵襲性プローブを与えることと、
   前記プローブ内に超音波トランスデューサを設置し、前記プローブの外部の画像処理回路と通信するように前記超音波トランスデューサを結合することによって、超音波サブシステムを組み立てることと、
   前記プローブ内に位置トランスデューサを設置し、前記体内における前記超音波トランスデューサの位置座標が決定されるように前記プローブの外部の位置追跡回路と通信するように前記位置トランスデューサを結合することによって、位置感知サブシステムを組み立てることと、
   前記位置感知サブシステムを前記超音波サブシステムから電気的に隔離することと、を含む、方法。
9. 前記侵襲性プローブが、前記生体の心臓に挿入されるカテーテルを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記超音波トランスデューサが、前記体内における前記プローブの異なるそれぞれの位置において臓器の複数の超音波入力画像を撮像するように構成され、前記画像処理回路が、前記位置座標を用いて前記入力画像を合成することによって、前記臓器の３次元画像を生成するように構成されている、請求項８に記載の方法。
11. 前記位置感知サブシステムが、前記体内で磁場を発生するように構成された１以上の磁場発生器を含み、前記位置トランスデューサが、前記磁場に応じて前記位置追跡回路に位置信号を出力するように構成された磁場センサを含む、請求項８に記載の方法。
12. 前記超音波サブシステムを組み立てることが、前記位置感知サブシステムが非接地電位にある間、前記超音波トランスデューサを保持することを含む、請求項８に記載の方法。
13. 前記位置感知サブシステムを電気的に隔離することが、前記位置トランスデューサと前記位置追跡回路との間に導電路を形成せずに前記位置トランスデューサと前記位置追跡回路との間で位置信号を伝送するように、前記位置トランスデューサと前記位置追跡回路との間に隔離回路を配置することを含む、請求項８に記載の方法。
14. 前記隔離回路が、１以上の隔離変圧器を含む、請求項１３に記載の方法。

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