JP2010221048A - 最小侵襲光学−音響撮像システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電超音波トランスデューサがガイドワイヤと一体化した最小侵襲光学−音響撮像システム及び方法を提供する。
【解決手段】その遠端又はその付近において、１つ又は複数のブレーズド又は他のファイバ・ブラッグ回折格子（ＦＢＧ）は、超音波撮像エネルギーを供給する光学−音響トランスデューサ材料に光を誘導する。ＦＢＧセンサによって戻り超音波が感知される。応答信号が、ガイドワイヤの近位端に光伝送され、二次元又は三次元画像を生成するように処理される。超音波生成トランスデューサを向上させるための技術としては、ブレーズドＦＢＧを使用し、光吸収を高めるように光学音響材料の厚さを設計することが挙げられる。斑又は脆弱な斑を識別するための技術を用いて、表示画像を強調することができる。
【選択図】図４

Description

本文献は、広くは撮像に関し、詳細には、限定はしないが、最小侵襲光学−音響撮像システム及び方法に関する。

国際公開第ＷＯ９９／５８０５９号として１９９９年１１月１８日に公開されたＶａｒｄｉ他のＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ９９／０４９１３号には、光学−音響撮像デバイスが記載されている。そのガイドワイヤ光学−音響撮像デバイスの開示を含めて、そのすべてが参照により本明細書に組み込まれているその文献において、細長い撮像ガイドワイヤは、レーザからの光で誘導される細長い光ファイバを含む。ガイドワイヤの遠端は、ポリフッ化ビニルジエン（ＰＶＤＦ）フィルム圧電超音波トランスデューサを含む。超音波トランスデューサは、ガイドワイヤの遠位先端の周りの対象撮像領域に超音波を送るとともに、戻された超音波エネルギーを受け取る。受け取った超音波エネルギーは、ガイドワイヤの遠端でファイバ・ブラッグ回折格子（ＦＢＧ又は「ブラッグ回折格子」）を変形させ、次にそれが光ファイバを通じて光信号を変調させる。次いで、ガイドワイヤの近位端において変調光信号から対象領域に関する撮像情報が得られる。

本出願人は、ガイドワイヤアセンブリを縦に貫通する超微細導電体における電気信号のロスにより、圧電超音波トランスデューサが最小侵襲ガイドワイヤと一体化するのが困難でありうること等を認識した。さらに、本出願人は、Ｖａｒｄｉ他のデバイスの視野が、ＰＶＤＦ超音波トランスデューサ及び／又はＦＢＧの間隔の周囲の開口のサイズによって制限されうることを認識した。また、本出願人は、Ｖａｒｄｉ他のデバイスの感度が、撮像用途におけるその有効性を制限しうることを認識した。これら及び他の理由により、本出願人は、本出願人は、当該技術分野において、光学−音響撮像を実施するための改良されたシステム及び方法に対するニーズが満たされていないことを認識した。

例示を目的として、限定することを目的とせずに、光ファイバにおけるＦＢＧ歪みセンサの一例を全体的に示す断面側面図である。 例示を目的として、限定することを目的とせずに、ＦＢＧ回折格子干渉計センサの例を全体的に示す断面側面図である。 音響−光学ＦＢＧセンサと光学−音響トランスデューサとを組み合わせる撮像ガイドワイヤの遠位部の一例を全体的に示す断面概略図である。 ブレーズド回折格子ＦＢＧ光学−音響トランスデューサの動作の一例を全体的に示す断面概略図である。 例示的なブレーズドＦＢＧ光学−音響及び音響−光学複合デバイスの想定される角感度と圧電センサのそれとを比較した概略図である。 ブレーズドＦＢＧ光学−音響及び音響−光学複合トランスデューサを回転させ、得られたラジアル画像ライン群を表示して、ラジアル画像を作成することによって画像を生成する１つの技術を全体的に示す概略図である。 各アレイ・トランスデューサへの信号又は各アレイ・トランスデューサからの信号を他のトランスデューサからの信号と組み合わせて、ラジアル画像ラインを合成する１つの当該フェーズド・アレイを全体的に示す概略図である。 ガイドワイヤの遠位部の側面図の例を全体的に示す概略図である。 ガイドワイヤの遠位部の断面側面図の一例を全体的に示す概略図である。 ガイドワイヤの近位部の断面端面図の一例を全体的に示す概略図である。 ガイドワイヤの遠位部の断面端面図の一例を全体的に示す概略図である。 ガイドワイヤの遠位部の断面側面図の一例を全体的に示す概略図である。 光結合器を介して計測／制御インターフェースと通信結合されているガイドワイヤの近位部の一例を全体的に示す断面概略図である。 光結合器を使用して計測／制御インターフェースに通信結合されているガイドワイヤの近位部のさらなる例を全体的に示す断面概略図である。 撮像ガイドワイヤ及び対応するインターフェース構成要素の一例を全体的に示す構成図である。 撮像ガイドワイヤ、ならびに組織特徴付け及び画像強調モジュールを含む対応するインターフェース構成要素の他の例を全体的に示す構成図である。 代替的な音響−光学トランスデューサの一例を全体的に示す断面概略図である。 図１５の音響光学トランスデューサの動作の一例を全体的に示す断面概略図である。

必ずしも一律の縮尺で描かれていないそれらの図面では、いくつかの図面を通して、同様の番号が実質的に同様の構成成分を示している。異なる添字を有する同様の番号は、実質的に同様の構成要素の異なる場合を示す。それらの図面は、例示を目的として、限定することを目的とせずに、本文献に記載されている様々な実施形態を全体的に示すものである。

以下の詳細な説明では、その一部を形成し、例示を目的として、本発明を実施することができる具体的な実施形態が示される添付の図面を参照する。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施することを可能にするのに十分に詳細に説明されており、それらの実施形態を組み合わせることができること、又は他の実施形態を利用し、かつ本発明の範囲を逸脱することなく構造的、論理的及び電気的変更を加えることができることを理解すべきである。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で捉えられるべきではなく、本発明の範囲は、添付の請求項及びそれらの同等物によって規定される。

本明細書において、特許文献に広く見られるように、１つ又はそれ以上を包括する不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」が用いられている。また、本文献において参照されているすべての出版物、特許及び特許文献は、参照により個別的に組み込まれている如く、そのすべてが参照により本明細書に組み込まれている。本文献と、参照により組み込まれているそれらの文献との間に用法の不一致が存在する場合は、組み込まれている参考文献における用法は、本文献における用法に対する捕捉と見なされるべきである。両立しない不一致については、本文献における用法が優先される。本文献において、「最小侵襲」という用語は、従来の手術より侵襲性が小さい技術を意味する。「最小侵襲」という用語は、可能な最も侵襲性の小さい技術に限定されるものではない。

１．ファイバ・ブラッグ回折格子音響−光学センサの例
図１は、例示を目的とし、限定することを目的とせずに、光ファイバ１０５における歪み検出ＦＢＧセンサ１００の一例を全体的に示す断面側面図である。ＦＢＧセンサ１００は、近くの撮像対象部から受け取られた音響エネルギーを感知し、受け取った音響エネルギーを光ファイバ１０５内の光信号に変換する。図１の例において、ＦＢＧセンサ１００は、光ファイバ・クラッド１２０に囲まれた光ファイバコア１１５にブラッグ回折格子１１０Ａ、１１０Ｂを含む。ブラッグ回折格子１１０Ａ、１１０Ｂは、一例では長さが約１ミリメートルの歪み感知領域１２５によって分割される。本例は、これらの回折格子１１０Ａと１１０Ｂの間の「光学的変位」を検出することによって歪みを感知する。

ファイバ・ブラッグ回折格子は、光ファイバコア１１５の部分の（材料における光の速度に逆比例する）光学的インデックスの周期的な変化として説明できる。当該コア１１５の部分を下降する特定波長の光が反射される。光学的インデックスの変化の周期（距離）１３０は、反射される光の特定の波長を決定づける。インデックス変化の度合いと回折格子の長さ１３５は、回折格子を透過する光に対する反射光の比を決定づける。

図２は、例示を目的として、限定することを目的とせずに、干渉ＦＢＧセンサ１００の動作例を全体的に示す断面側面図である。図２の例は、２つのＦＢＧ１１０Ａ、１１０Ｂを含む。ＦＢＧ１１０Ａは、ファイバコア１１５を透過する光の特定波長において部分的な反射性を有する。ＦＢＧ１１０Ｂは、当該光を実質的に全反射させる。このＦＢＧ１１０Ａ、１１０Ｂの干渉配置は、ＦＢＧ１１０Ａと１１０Ｂの「光学距離」を極めて高感度に見極めることが可能である。「光学距離」は、ファイバコア１１５の材料における光の速度と、ＦＢＧ１１０Ａと１１０Ｂの間の長さ１２５の関数である。したがって、光の速度の変化は、ＦＢＧ１１０Ａと１１０Ｂの物理的距離１２５が変化しなくても、光学距離の変化を誘発することが可能である。

ＦＢＧセンサ１００の如き干渉計は、光線によってとられる２つの経路の間の干渉を測定するデバイスとして説明できる。入射光線を２つの部分に分割するために、部分反射ＦＢＧ１１０Ａ（又は部分反射鏡）が使用される。干渉計において、光線の一部は、一定に維持される経路（すなわち対照経路）に沿って移動し、他の部分は、何らかの変化が監視される経路（すなわち試験経路）を移動する。部分反射ＦＢＧ１１０Ａ（又は、いずれかが代替的にＦＢＧ１１０Ａに追加されうる部分反射鏡）を使用して、光線のそれら２つの部分が結合される。２つの経路が同一である場合は、それらの部分が結合して、本来の光線を形成する。２つの経路が異なる場合は、それら２つの部分が互いに加算又は減算されることになる。この加算又は減算は干渉として知られている。完全減算は、ナルと呼ばれ、所定の経路差に対する厳密な光の波長で生じる。このナルが生じる波長を測定すると、２つの光線の光路差の指標が得られる。このようにして、ＦＢＧセンサ１００のような干渉計は、受け取られた超音波、又は受け取られた他の音響エネルギーに起因するＦＢＧ１１０Ａと１１０Ｂの光学距離１２５の変化の如き距離の小さな変化を感知する。

図２に示されているような一例において、干渉ＦＢＧセンサ１００は、第１の（部分反射性）ＦＢＧ１１０Ａから反射される光線の部分と、第２の（実質的に全反射性）ＦＢＧ１１０Ｂから反射される光線の部分の間に干渉を生じさせる。干渉ナルが生じる光の波長は、２つのＦＢＧ１１０Ａと１１０Ｂの間の「光学距離」１２５に対して極めて高感度である。図２のこの干渉ＦＢＧセンサ１００は、極めて実用的な他の利点を有する。本例において、ファイバコア１１５に沿う２つの光路は、ＦＢＧ１１０Ａと１１０Ｂの間の感知領域を除いて同一である。この共用経路は、光ファイバ１０５の共用部分の光学変化が干渉信号に実質的に影響を及ぼさないようにするものである。ＦＢＧ１２５の間の感知領域の変化のみが感知される。

２．ＦＢＧ受取を向上させるデバイス及び方法の例
一例において、ＦＢＧセンサ１００は、視覚化される近傍の撮像領域から受け取られた超音波又は他の音響エネルギーによって生成される歪みを感知し、それに応じて光ファイバにおける光信号を変調する。ＦＢＧセンサ１００の感度を高くすると、撮像が向上する。感度を高くする第１の例は、音響エネルギーによって与えられる所定の動的圧力に対してＦＢＧセンサ１００で誘発された歪みの量を増加させることである。第２の例は、ＦＢＧセンサ１００の歪みの所定の変化に対する光信号の変調を大きくすることである。

ＦＢＧセンサ１００で誘発される歪みを大きくする１つの技術は、外部から加えられる所定の音場に対する歪みの度合いを大きくするように、ＦＢＧセンサ１００の物理的属性を設計することである。１つの当該例において、所定の応力に対する歪みの度合いが高い材料を使用して歪みを大きくする。ＦＢＧセンサ１００のファイバコア１１５にガラスではなく、光学級プラスチックを使用することによって、歪み対応力（「コンプライアンス」とも称する）が２桁増加することが計算によって示されている。ファイバコア１１５に使用される好適な光学級プラスチックの一例としては、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）がある。

第２の例において、ＦＢＧセンサ１００は、所定の印加音圧力場に対する歪みを大きくするように成形される。図３Ａは、近傍の撮像領域から受け取られた音響エネルギーの周波数で機械的に共鳴するようにＦＢＧセンサ１００を成形することによって、歪みを大きくする１つの当該例を示す断面概略図である。図３Ａの例において、ＦＢＧ１１０Ａと１１０Ｂの間の歪み感知領域のすべて又は一部を、受け取られた音響エネルギーの機械的共鳴を促進する共鳴厚さ３００となるように選択することによって、ＦＢＧセンサ１１０によって感知される生成歪みを大きくする。図３Ａに示されるような一例において、これは、対向平面（又は他の表面）の間のファイバコア１１５及び／又はファイバ・クラッド１２０の残留厚さが、近傍の撮像領域から受け取られた音響エネルギーの周波数で機械的に共鳴するように選択されるように、ファイバ・クラッド１２０の一部を研削あるいは除去することによって成し遂げられる。

一例において、特定の材料については、歪み感知領域の共鳴厚さ３００を、撮像領域から受け取られた所望の音周波数帯域の音響中央周波数で、ＦＢＧセンサ１００の材料における音波長（又はその奇数倍）の１／２と実質的に同じにすることによって、機械的共鳴が得られる。他の材料に対するような他の例において、共鳴厚さ３００は、その材料に対する所望の機械的共鳴を得る音波長の異なる割合に対応するように選択される。当該機械的共鳴を得ることにより、当該機械的共鳴を得るように構成されていないセンサの歪み感度に比べて約１桁歪み感度が高められることが計算によって示されている。

第３の例において、ＦＢＧセンサ１００に特殊被膜３０５を塗布して、ＦＢＧセンサ１００によって確認される音周波数の帯域に対する音圧力を高めることによって、その帯域に対する感度を向上させる。水（あるいは大半が水で構成される組織及び／又は血液）と、ＦＢＧセンサ１００を担持する光ファイバ１０５のガラス材料との機械特性の差が典型的には極めて大きいため、わずか少量の音響エネルギーがＦＢＧセンサ１００に「進入」することによって、歪みを生じる。残りのエネルギーは、撮像されている生体又は他の材料へと逆反射される。特定の範囲の音周波数に対しては、コーティング材の特定の厚さ３１０及び／又は機械特性（例えば特定の機械インピーダンス）の１つ又は複数の被膜３０５は、機械特性が異なることにより当該減衰を著しく低減することができる。一例は、撮像されている領域から受け取られた音信号波長の４分の１にほぼ等しい厚さ３１０の被膜３０５を提供する四分の一波長マッチングを用いる。当該マッチングを使用すると、対象音周波数の所定の帯域に対するＦＢＧセンサ１００の感度が、約１桁高くなることが期待される。

一例において、上記四分の一波長マッチングとセンサ成形技術を用いると、ＦＢＧセンサ１００の感度が圧電トランスデューサの感度に近くなる。加えて、これらの技術のいずれかと併用して、ファイバコア１１５に光学級プラスチックを使用すると、ＦＢＧセンサ１００の感度がさらに高くなる。

一例において、特定のレベルの音響エネルギーに対するＦＢＧセンサ１００の歪みを大きくする上記技術に加えて（又はその代わりに）、歪みに対するＦＢＧセンサ１００の光感度を高めることによって、音場に対するＦＢＧセンサ１００の感度を高める。一例において、これは、ファイバに基づくマッハ・ツェンダ干渉計を使用すること、又は歪みに対するＦＢＧセンサ１００の光感度を高める改良光ファイバ構造を構築することなどによる光波長識別の改良技術によって成し遂げられる。

３．超音波伝送を改良するシステムと方法の例
本出願人は、圧電トランスデューサを使用して超音波を伝送する撮像ガイドワイヤを実装することが可能であるが、そのような設計は妥協を伴うおそれがあることを認識した。圧電トランスデューサが広い放射パターンで超音波エネルギーを放射する場合は、撮像品質が劣化しうる。逆により小さい圧電トランスデューサを使用して、超音波を伝送すると、必要とされる音伝送エネルギーを達成するためにガイドワイヤに大きな電圧が必要になるおそれがある。より小さいトランスデューサは、より高い電気インピーダンスを有し、同じ音響出力を達成するのにより高い電圧が必要になるためである。当該ガイドワイヤは、また、患者の安全を確保するのに十分な誘電特性を有する材料を使用しなければならない。さらに、電線をガイドワイヤ・アセンブリに付加すると、その製造が複雑になる。

しかし、光エネルギーを音響エネルギーに変換することが可能である。したがって、一例において、当該問題は、一例ではＦＢＧセンサ１００の如き音響−光学レシーバと一体化される光学−音響トランスミッタを使用して克服される。

図３Ｂは、音響−光学ＦＢＧセンサ１００を光学−音響トランスデューサ３２５と結合させる撮像ガイドワイヤの遠位部の一例を全体的に示す断面概略図である。本例において、光学−音響トランスデューサ３２５は、ブレーズド・ブラッグ回折格子３３０を含む。図３Ｂの図解例では、ブレーズド・ブラッグ回折格子３３０は、ＦＢＧ１１０Ａと１１０Ｂの間のＦＢＧセンサ１００の歪み感応領域に実装されているが、これは要件ではない。典型的には光ファイバ１０５のファイバコア１１５の縦軸に実質的に垂直にインプレスされたインデックス変化を含むアンブレーズド・ブラッグ回折格子と異なり、ブレーズド・ブラッグ回折格子３３０は、光ファイバ１０５の縦軸に対して非直角である傾斜させてインプレスされたインデックス変化を含む。

標準的なアンブレーズドＦＢＧは、光ファイバ１０５のファイバコア１１５の軸を下方移動して同じ軸に戻る特定波長の光エネルギーを部分又は実質的に全反射させる。ブレーズドＦＢＧ３３０は、この光エネルギーを光ファイバ１０５の縦軸から反射させる。ブレーズ角と光波長の特定の組合せに対して、光エネルギーは、光ファイバ１０５の縦軸に実質的に直角（すなわち垂直）のブレーズドＦＢＧ３３０を出る。図３Ｂの図解例では、光吸収性光学−音響材料３３５（「光学−音響」材料とも称する）が光ファイバ１０５の表面に配置されている。光吸収性光学−音響材料３３５は、ブレーズド回折格子を出る光エネルギーを受け取るように、ブレーズド回折格子３３０に対して配置される。受け取られた光エネルギーは、光吸収材料３３５において、光吸収光学−音響材料３３５を膨張させる熱に変換される。光吸収性光学−音響材料３３５は、撮像ガイドワイヤの遠位先端（又は他の所望の部分）の付近の対象領域の音響撮像に使用される超音波又は他の音波を生成し、伝送するのに十分に迅速に膨張・収縮するように選択される。一例において、光吸収性光学−音響材料３３５は、上述の音マッチング材料３０５と同じ材料である。

図４は、ブレーズド・ブラッグ回折格子３３０を使用する光学−音響トランスデューサ３２５の動作の一例を全体的に示す断面概略図である。特定波長λ₁の光エネルギーは、光ファイバ１０５のファイバコア１１５を下方移動し、ブレーズド回折格子３３０によって光ファイバ１０５から反射させられる。外方向に反射された光エネルギーは、光学−音響材料３３５に衝突する。次いで、光学−音響材料３３５は、光学−音響材料３３５から、撮像対象である近傍の生体又は他の物質に向かって放射する応答的音響インパルスを生成する。特定周波数の音響エネルギーは、所望の音周波数に等しいパルス速度で光学−音響材料３３５に光照射することによって生成される。

他の例において、光学−音響材料３３５は、音響エネルギーの照射効率を高めるように選択される（光エネルギーをブレーズド・ブラッグ回折格子３３０から受け取る方向の）厚さ３４０を有する。一例において、厚さ３４０は、所望の音伝送／受取周波数で材料の音波長の約１／４になるように選択される。これによって、光学−音響材料による音響エネルギーの生成が向上する。

さらなる例において、光学−音響材料は、所望の音伝送／受取周波数で材料の音波長の約１／４の厚さ３００を有し、対応するガラス系光ファイバ感知領域共鳴厚さ３００は、所望の音伝送／受取周波数におけるその材料の音波長の約１／２である。これによって、光学−音響材料による音響エネルギーの生成、及び光ファイバ感知領域による音響エネルギーの受取がさらに向上する。

動作の一例において、ブレーズド回折格子から反射された光は、光エネルギーが、ＦＢＧセンサが設計される同じ音周波数に実質的に効率的に変換されるように光学−音響材料を励起する。ブレーズドＦＢＧ及び光学−音響材料は、先述のＦＢＧセンサとともに、調和して、効率的な一体型の光学−音響−光学伝送／受取デバイスを生成する伝送トランスデューサ及び受取センサの両方を提供する。一例において、感知用光波長は伝送に用いられるものと異なる。さらなる例において、光伝送／受取周波数は、受取が伝送によって悪影響を受けないように、また伝送が受取によって悪影響を受けないように十分に大きな差がある。

図５は、例示的なブレーズドＦＢＧ光学−音響及び音響−光学複合デバイス５００の想定される角度感度パターンと圧電トランスデューサ５０５のそれとを比較した概略図である。図５の例に示されるように、光学−音響−光学センサ・アセンブリ５００は、同様の寸法の圧電トランスデューサ５０５の角度範囲と実質的に類似した特定角度範囲に対して動作可能であることが期待される。したがって、一例において、ブレーズドＦＢＧ光学−音響及び音響−光学複合デバイス５００は、従来の血管内超音波（「ＩＶＵＳ」）技術を使用することが可能である。

図６は、ブレーズドＦＢＧ光学−音響及び音響−光学複合トランスデューサ５００を回転させ、得られるラジアル画像ライン群を表示して、ラジアル画像を作成することによって血管壁６００の画像を生成する１つの技術を全体的に示す概略図である。他の例において、ＦＢＧセンサ５００Ａから５００Ｊの如き実質的に静的な（すなわち回転しない）多数のＦＢＧセンサの集合体を使用して、フェーズド・アレイ画像を作成する。図７は、各アレイ・トランスデューサ５００Ａから５００Ｊへの信号又は当該トランスデューサからの信号を１つ又は複数のトランスデューサ５００Ａから５００Ｊからの信号と組み合わせて、ラジアル画像ラインを合成する１つの当該フェーズド・アレイの例を全体的に示す概略図である。本例において、アレイ信号を組み合わせるのに用いられる信号処理の特定の変化を利用することなどによって、それらのアレイ信号から他の画像ラインも同様に合成される。

４．ガイドワイヤ設計の例
図８は、撮像ガイドワイヤ８０５又は他の細長いカテーテルの遠位部８００の側面図の例を全体的に示す概略図である（一例において、ガイドワイヤ８０５は、カテーテル又は他の医療器具を例えばガイドワイヤ８０５で導入し、かつ／又は誘導するのに使用することが可能である）。本例において、撮像ガイドワイヤ８０５の遠位部８００は、ガイドワイヤ８０５の遠位先端８１５のわずか、又は極めて近くに位置する１つ又は複数の撮像窓８１０Ａ、８１０Ｂ、．．．、８１０Ｎを含む。各撮像窓８１０は、１つ又は複数の光学−音響トランスデューサ３２５と、対応する１つ又は複数の個別又は一体的音響−光学ＦＢＧセンサ１００とを含む。一例において、各撮像窓８１０は、ガイドワイヤ８０５を血管又は他の内腔に誘導するのを可能にする機械特性を有するガイドワイヤ８０５の遠位先端８１５のわずか近くに位置する（図７に示されるような）ブレーズドＦＢＧ光学−音響及び音響−光学複合トランスデューサ５００のアレイを含む。一例において、ファイバコア１１５を通じて通信されている光波長を変化させることによって個々の窓に容易に対応できるように、それぞれの撮像窓８１０Ａ、８１０Ｂ、．．．、８１０Ｎがそれぞれ異なる光波長に対応して設計される。

図９は、他のガイドワイヤ９０５の遠位部９００の断面側面図の一例を全体的に示す概略図である。本例において、ガイドワイヤ９０５は、先細のコア９１０が接続される遠位先端９２０から好適な距離９１５（例えば約５０ｃｍ）のところで径が（例えば約０．０１１インチから）先細になる固体金属又は他のコア９１０を含む。本例において、光ファイバ９２５は、ガイドワイヤコア９１０の外周に沿って配設され、遠位先端９２０に接続されている。本例において、光ファイバ９２５は、ガイドワイヤコア９１０及び／又は遠位先端９２０に光ファイバ９２５を接着するポリマー基質又は他のバインダ材料に少なくとも部分的に埋め込まれている。バインダ材料は、得られるガイドワイヤアセンブリ９０５の捩れ応答に貢献することもできる。一例において、耐摩耗性、光ファイバの保護、及び／又は摩擦制御を提供するなどの目的で、光ファイバ９２５やバインダ材料にポリマー又は他の被膜９３０をオーバコートする。本例において、ガイドワイヤ９０５の遠領域９００の複合構造体は、柔軟性及び回転剛性等を提供することによって、ガイドワイヤ９０５を血管又は任意の他の内腔内の対象撮像領域に誘導することを可能にする。

図１０は、ガイドワイヤコア９１０と、光ファイバ９２５と、バインダ材料１００５と、外被膜９３０とを含むガイドワイヤ９０５の近位部１０００の断面端面図の一例を全体的に示す概略図である。本例において、限定することを目的とせずに、コア９１０の径は約１１／１０００インチで、光ファイバ９２５の径は約（１．２５）／１０００インチで、随意の外被膜９３０は厚さが約（０．２５）／１０００インチ）である。

図１１は、例えば遠位先端９２０に近接するガイドワイヤ９０５の遠位部９００の断面端面図の一例を全体的に示す概略図である。本例において、限定することを目的とせずに、コア９１０の径は、約（１．５／１０００インチ）まで先細になり、ガイドワイヤ９０５の近位端１００付近のコア９１０とほぼ同じ径（例えば約１１／１０００インチ）の空隙１１００に円周状に取り囲まれている。本例において、光ファイバ９２５は、空隙１１００の周囲のバインダ材料１００５に円周状に配置されている。バインダ材料１００５は、構造的支持を提供する。場合によっては、光ファイバ９２５に外被膜９３０が積層される。

図１２は、ガイドワイヤ９０５の遠位部９００の断面側面図の一例を全体的に示す概略図である。本例において、少なくとも１つの金属又は他の隔壁１２００が、ガイドワイヤ９１０の先細部に沿って設けられる。光ファイバ９２５とバインダ１００５は、その円周境界付近で隔壁１２００の近側面に接続される。隔壁１２００の遠側面は、その円周境界付近で、ガイドワイヤ９０５のボール又は他の遠位先端９２０までさらに遠方に伸びるコイル巻線１２０５に接続される。

５．音トランスデューサ構成の例
一例において、音トランスデューサを作製する前に、光ファイバ９２５をコア９１０及び遠位先端９２０又は隔壁１２００に接着し、場合によってはガイドワイヤ９０５にコーティングすることなどによってガイドワイヤ９０５をアセンブルする。次いで、ガイドワイヤ内の光学−音響トランスデューサ窓８１０の位置に１つ又は複数の溝を研削することなどによって、光学−音響トランスデューサをガイドワイヤアセンブリ９０５に組み込む。さらなる例において、光ファイバ９２５におけるこれらの溝の深さは、光学−音響トランスデューサの共鳴構造を定める。

光学−音響トランスデューサ窓８１０が定められた後に、当該窓８１０内の光ファイバ９２５の１つ又は複数の部分にＦＢＧが付加される。一例において、ブラッグ回折格子を定める慎重に制御されたＵＶ放射線のパターンを光ファイバ９２５の部分に照射する光学処理を用いてＦＢＧを形成する。次いで、光学−音響材料をそれぞれのブラッグ回折格子に対してトランスデューサ窓８１０に積層あるいは付加する。好適な光学−音響材料の一例としては、ＰＤＭＳとカーボン・ブラックとトルエンの混合物のような着色ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）がある。したがって、本例において、有利には、ガイドワイヤの主な要素がガイドワイヤアセンブリ９０５に機械的にアセンブルされた後にＦＢＧを構成する。

６．近位端インターフェースの例
一例において、ガイドワイヤ９０５は、ガイドワイヤの近位端におけるカテーテルのガイドワイヤによる挿入又は他の挿入法に対応する。したがって、当該例において、ガイドワイヤ９０５（任意の近位端インターフェースを含む）は、カテーテルの内径（例えば０．０１４インチ）より小さいか、又は等しい外径を有する。図１３Ａ及び図１３Ｂは、ガイドワイヤ９０５に容易に係合し、離脱する光結合器の図解例を示す図である。これは、なかでも、カテーテルをガイドワイヤにより挿入し、カテーテルがガイドワイヤにより導入される前、間、又は後で撮像領域を確認するのを容易にする。

図１３Ａは、光結合器１３０５を介して計測／制御インターフェースに通信結合されるガイドワイヤ９０５の近位部１３００の一例を全体的に示す断面概略図である。本例において、ガイドワイヤ９０５の近位部１３００は、光結合器１３０５の受口１３１０部内に受け入れられ、ガイドワイヤ９０５の１つ又は複数のそれぞれの光ファイバ９２５に対して光を導入かつ／又は導出させるための１つ又は複数のブレーズドＦＢＧ１３１５を含む。光結合器１３０５は、光結合器１３０５の１つ又は複数のそれぞれの光ファイバに対して光を導入及び／又は導出する１つ又は複数の対応するブレーズドＦＢＧ１３２０を含む。図１３Ａの例において、光結合器１３０５のＦＢＧ１３２０は、ガイドワイヤ９０５が光結合器１３０５の受口１３１０内に係合したときに、ガイドワイヤ９０５の対応するＦＢＧ１３１５に実質的に近接して配置される。図１３Ａはガイドワイヤ９０５の複数ファイバの実施形態を示しているが、計測／制御インターフェースに結合するための例示された技術は、単一の光ファイバを含むガイドワイヤにも適用可能である。

図１３Ｂは、光結合器１３０５を使用して計測／制御インターフェースに通信結合されるガイドワイヤ９０５の近位部１３００のさらなる例を全体的に示す断面概略図である。図１３Ｂの例において、少なくとも１つの光ファイバ９２５は、それが受光する波長と異なる波長の光を伝送する。したがって、当該光ファイバ９２５は、各々の当該光ファイバ９２５に光を導入及び導出させる２つの個別的なブレーズドＦＢＧを含む。例えば、図１３Ｂに示されるように、光ファイバ９２５Ａは、伝送波長で動作する第１のブレーズドＦＢＧ１３１５Ａと、受取波長で動作する第２のブレーズドＦＢＧ１３３０Ａとを含む。光結合器１３０５は、伝送波長で動作する対応する第１のブレーズドＦＢＧ１３２０Ａと、受取波長で動作する第２のブレーズドＦＢＧ１３３５Ａとを含む。ガイドワイヤ９０５の近位部１３００が完全に受口１３１０に挿入されると、ブレーズドＦＢＧ１３２０Ａ、１３１５Ａは、実質的に互いに近接して配置され、ブレーズドＦＢＧ１３３５Ａ、１３３０Ａは、実質的に互いに近接して配置される。同様に、光ファイバ９２５Ｂと光結合器１３０５は、実質的に近接する伝送ＦＢＧ１３１５Ｂ、１３２０Ｂと、実質的に近接する受取ＦＢＧ１３３０Ｂ、１３３５Ｂとをそれぞれ含む。

遠位部９００又はその近傍、あるいはガイドワイヤ９０５に沿う他の箇所における追加的な光学−音響トランスデューサ窓８１０については、当該追加的な光学−音響トランスデューサ窓８１０に対して光エネルギーを伝送し、かつ／又は受け取るための適切な波長において、光結合器１３０５に、対応する追加的なブレーズドＦＢＧを同様に含めることができる。さらに、光結合器１３０５をガイドワイヤ９０５の近位端に正確に配置する必要はなく、その代わりにガイドワイヤ９０５の近位部１３００付近の任意の箇所、又はさらにガイドワイヤ９０５の遠位部９００の方へ配置することができる。また、光結合器１３０５のガイドワイヤ９０５に対するアラインメントは、ガイドワイヤ９０５を光結合器１３０５の受口１３１０に突き合わせることに限定される必要はなく、他の任意のアラインメント機構及び／又は技術も含められる。

７．処理及び制御撮像エレクトロニクスの例
図１４Ａは、撮像ガイドワイヤ９０５と関連するインターフェース構成要素の一例を全体的に示す構成図である。図１４Ａの構成図は、光結合器１３０５によって光電子モジュール１４００に結合される撮像ガイドワイヤ９０５を含む。光電子モジュール１４００は、画像処理モジュール１４０５と、そこから受け取られた音変調光信号を使用して１つ又は複数の音響−光学トランスデューサ付近に撮像領域の可視静止及び／又は動画像を提供するディスプレイを含むユーザ・インターフェース１４１０とに結合される。一例において、図１４Ａの構成図に示されるシステム１４１５は、既存の音撮像システムと実質的に類似している画像処理モジュール１４０５及びユーザ・インターフェース１４１０を使用する。

図１４Ｂは、撮像ガイドワイヤ９０５及び関連するインターフェース構成要素の他の例を全体的に示す構成図である。本例において、関連するインターフェース構成要素は、組織（及び斑）特徴付けモジュール１４２０と画像強調モジュール１４２５を含む。本例において、組織特徴付けモジュール１４２０の入力は、光電子モジュール１４００からの出力に結合される。組織特徴付けモジュール１４２０の出力は、ユーザ・インターフェース１４１０又は画像強調モジュール１４２５の少なくとも一方に結合される。画像強調モジュール１４２５の出力は、画像処理モジュール１４０５などを通じてユーザ・インターフェース１４１０に結合される。

本例において、組織特徴付けモジュール１４２０は、光電子モジュール１４００からの信号出力を処理する。一例において、当該信号処理は、斑を近傍の血管組織から識別するのに役立つ。そのような斑は、血管壁内に蓄積するコレステロール、血栓、遊離結合組織を含むものとして説明できる。石灰化した斑は、典型的には近傍の血管組織より良好に超音波を反射ため、振幅エコーが高くなる。一方、軟質の斑は、より弱く、より組織的に均質なエコーを生成する。斑堆積物と近傍血管組織を区別するこれらの違いや他の違いは、組織特徴付け信号処理技術を用いて検知される。

例えば、当該組織特徴付け信号処理は、様々な周波数において戻り超音波信号のエネルギーを調べるスペクトル解析を行うことを含むことができる。斑堆積物は、典型的には、当該斑のない近傍血管組織と異なるスペクトル符号を有し、それらの区別を可能にする。当該信号処理は、追加的又は代替的に、時間領域における戻り超音波信号の統計処理（例えば平均化又はフィルタリング等）を含むことができる。組織特徴付けの技術分野で知られている他の信号処理技術も適用できる。一例において、処理された戻り超音波信号の空間分布が画像強調モジュール１４２５に提供され、それが、得られた画像強調情報を画像処理モジュール１４０５に提供する。このようにして、画像強調モジュール１４２５は、ユーザ・インターフェース１４１０に情報を提供することで、画像の他の部分と視覚的に異なる方法で（例えば画像上で斑堆積物に区別可能な色を割り当てることによって）斑堆積物が表示される。撮像の技術分野で知られている他の画像強調技術を適用することもできる。さらなる例において、脆弱な斑と他の斑を区別するのに同様の技術が使用され、表示画像を強調することにより、ユーザが脆弱な斑と他の斑を区別するのを支援する視覚的指標が提供される。

８．光電子モジュールの例
光電子モジュール１４００は、１つ又は複数のレーザと、光ファイバ要素とを含む。異なる伝送と受取波長が使用される場合のような一例において、伝送超音波に対してガイドワイヤ９０５に光を供給するのに第１のレーザが使用され、ガイドワイヤ９０５に光を供給して、受け取られた超音波によって変調するために個別的な第２のレーザが使用される。本例において、光ファイバ・マルチプレクサは、（ガイドワイヤの光ファイバ９２５の特定の１つに対応付けられた）各チャネルを伝送と受取レーザ及び対応する光学素子に結合させる。これによって、システムの複雑さとコストが低減される。

一例において、比較的短距離（例えばミリメートル）にわたって音画像が取得されるため、多数のガイドワイヤ・チャネルによって伝送と受取構成要素を共有することが少なくとも部分的に可能である。人体又は動物の体における超音波の速度は、一画像フレームの期間を通じて多数の伝送／受取サイクルを実施することを可能にするのに十分に遅い。例えば、約２ｃｍの画像深さ（範囲）では、超音波エネルギーがセンサから範囲限界に移動して、戻るのにほぼ２６マイクロ秒を要することになる。したがって、１つの当該例において、約３０マイクロ秒の伝送／受取（Ｔ／Ｒ）サイクルが用いられる。単一の画像フレームに割り当てられた約３０ミリ秒において、１０００Ｔ／Ｒサイクルまで実施することが可能である。一例において、フレーム当たりのＴ／Ｒサイクルの数がそのように多くなることで、各センサに順次アクセスしても、システムがフェーズド・アレイとして動作することが可能になる。そのようなガイドワイヤにおける光学−音響センサの順次アクセスは、順次動作される光マルチプレクサと１セットのＴ／Ｒ光電素子を併用することを可能にする（ただし、それを必要とするわけではない）。

９．三次元（３−Ｄ）撮像に対する使用例
一例において、解剖組織の１つの二次元切片を提示する代わりに、所望の体積の患者の解剖組織又は他の対象撮像領域の確認を可能にする三次元視覚画像を提供するようにシステムを動作させる。これにより、医師が、他の解剖組織に対する病変などの構造体の詳細な空間的配置を迅速に観察することが可能になる。ガイドワイヤ９０５が、光ファイバ当たり１０までの光学−音響トランスデューサ窓を有する３０の順次アクセス光ファイバを含む一例において、１つの画像フレームに対してすべてのトランスデューサ窓から画像情報を集めるのに３０×１０＝３００Ｔ／Ｒのサイクルが用いられる。これは、上述のように、２ｃｍの範囲に対して割り当てられた１０００の当該サイクル内に十分におさまる。したがって、当該実施形態は、ビデオ速度（例えば各トランスデューサ窓に対して１秒当たり約３０フレームの速度）で各光ファイバの１０のすべてのトランスデューサ窓から実質的に同時画像を得ることが可能になる。これにより、他の撮像技術に比べて独自の利点を提供するリアルタイムの立体データ取得が可能になる。なかでも、当該リアルタイムの立体データ取得は、血管壁の形状の視覚化、斑堆積物の広範囲かつ厳密な位置特定、脆弱な斑を識別する能力を含む三次元のリアルタイムな血管撮像を可能にする。

１０．音響−光学レシーバの代替例
図１５は、本例では、ファイバコア１０５とファイバ・クラッド１２０を含み、被膜９３０に覆われた光ファイバ１０５に組み込まれている代替的な音響−光学トランスデューサ１５００の一例を全体的に示す断面概略図である。図１５の図解例において、トランスデューサ１５００は、コア１１５内のブレーズドＦＢＧ３３０と、クラッド１２０内の半透明変形性（又は空）領域１５０５と、半透明領域１５０５の少なくとも一部に重なる音響変形性光反射表面領域１５１０とを含む。一例において、音響−光学トランスデューサ１５００は、音響−光学トランスデューサ１５００によって受け取られる音響エネルギーを近傍の対象撮像領域に生成する光学−音響トランスデューサ３２５とともに、撮像ガイドワイヤ８０５の窓８１０内に作製される。

図１６は、動作時の音響−光学トランスデューサ１５００の一例を全体的に示す断面概略図である。ＦＢＧ３３０は、ファイバコア１０５の近位端から光を受け取り、光が反射領域１５１０に衝突し、かつ反射されるように、受け取った光を半透明領域１５０５を通じて外方向に誘導する。反射光の少なくとも一部が、ＦＢＧ３３０で受け取られ、ファイバコア１０５の近位端の方へ誘導される。図１６に示されるように、反射領域１５１０は、近傍の光学−音響トランスデュー３２５による音変換の結果として近傍の対象撮像領域から受け取った音響エネルギーに応答して反射する。反射領域１５１０の屈折は、光がＦＢＧ３３０と反射領域１５１０の間を移動する距離を変調する。それに伴う波長又は強度の変化が、上述の構成要素及び技術を用いるなどして、光ファイバ１０５の近位端に結合されたインターフェース光電子素子によって監視される。

図１５、１６の例に示されるように、音響−光学トランスデューサ１５００は、単一のＦＢＧ（例えばブレーズドＦＢＧ３３０）を含むだけでよい。さらに、音響−光学トランスデューサ１５００は、受け取った音響エネルギーが、第１の方向に「圧搾」されることにより、第１の方向に垂直である第２の方向の干渉歪み感知距離を変調するポアソン効果に依存する必要はない。ポアソン効果を利用する音響−光学トランスデューサは、典型的には、機械的力を第１の方向から直交する第２の方向へ変換する際に、いくらか減衰する。しかし、図１６に示されるように、音響−光学トランスデューサ１５００は、受け取った音響エネルギーと実質的に同じ方向の変調距離を検知する。さらに、領域１５１０は反射性であるため、所定の屈折は、その屈折距離光の波長の数の２倍の変調をもたらす。これによって、音響−光学トランスデューサ１５００の感度がさらに高められる。

一例において、光エネルギーが透過できるように、領域１５０５に透明なポリマーを充填する。さらなる例において、領域１５０５は、受け取られた音圧力波と１／４波長共鳴する厚さ１５１５を有する。当該例において、ポリマー充填領域１５０５の共鳴は、反射領域１５１０の運動を、領域１５０５がガラスで形成されていた場合に生じたであろう運動に比べて増強させる。さらなる例において、ポリマー充填領域１５０５は、水に近く、したがって人体又は動物の組織に近い音インピーダンスを含む。

１１．結論
上記例のいくつかを（例えば脆弱性の斑を確認し、かつ／又は識別するための）血管内撮像に関して説明したが、本システム、デバイス及び方法は、任意の他の身体部分の撮像にも適用可能である。例えば、撮像を行うために、例えばガイドワイヤ、又は上述した他の細長い体を生検針、腹腔検査デバイス、又は任意の他の内腔もしくは窩洞に挿入することが可能である。さらに、当該撮像は、細長い体を内腔に挿入する必要はなく、例えば、代替的に、撮像対象領域の一部に撮像装置を巻きつけることが可能である。

他の例において、音周波数のドップラ・シフトを処理して、血流を撮像するためにこの技術を用いることが可能である。動作は上述の動作と同じであるが、伝送音信号の長さを大きくし、制御エレクトロニクスの画像処理部にドップラ信号処理を用いる。所望の音周波数と同じ速度で、伝送光エネルギーを繰り返しパルス化することによって、伝送音信号を長くすることが可能である。

上記説明は、例示的なもので、限定的なものでないことを理解すべきである。例えば、上述の実施形態を互いに組み合わせて用いることができる。上述の説明を吟味すれば、当業者にとって他の多くの実施形態が明らかになるであろう。したがって、本発明の範囲は、添付の請求項とともに、当該請求項が権利を有する同等物の全範囲を参照して判断されるべきである。添付の請求項において、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」及び「において（ｉｎ ｗｈｉｃｈ）」という用語は、それぞれ「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」及び「において（ｗｈｅｒｅｉｎ）」という用語の平易な英語の同等用語として用いられる。さらに、「第１の」、「第２の」及び「第３の」等の用語は、標識として用いられているにすぎず、それらの目的に数字的条件を課すものではない。

Claims (1)

1. 少なくとも１つの光ファイバを含む、近位端及び遠端を有する細長い本体と、
   前記光ファイバにおける第１の光信号に応答して、前記細長い本体の前記遠端付近の領域を撮像するために音響エネルギーを生成するように構成された、前記細長い本体の前記遠端付近の光学−音響トランスデューサと、
   前記細長い本体の前記遠端付近の前記領域からの音響エネルギーを感知し、前記光ファイバにおける応答第２光信号を提供するように構成された、前記細長い本体の前記遠端付近の音響光学トランスデューサと、
   前記第２の光信号を使用して、前記細長い本体の前記遠端付近の前記領域の画像を提供するように構成されたディスプレイを含むユーザ・インターフェースと
   を含む撮像装置。

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