JP2023520898A - 積分aモード信号を用いた気管支除神経法 - Google Patents
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Abstract
喘息及び関連する状態を治療するために、哺乳類対象の気管支に沿って伸びる気管支神経を不活性化するための機器及び方法である。超音波トランスデューサ(11)は、例えば、トランスデューサを備えたカテーテル(10)の遠位端を、治療する気管支部分に進めることによって気管支に挿入される。超音波トランスデューサは、気管支を包含する、例えば少なくとも約1cm3である、円形の影響容積(13)全体の組織を、神経伝導を不活性化するには十分であるが組織の急速なアブレーション又は壊死を引き起こすには不十分な温度まで加熱するようにして、集束超音波を放射する。治療は、個々の気管支神経に位置を合わせたり焦点を合わせたりすることなしに、行われることができる。
Description
本発明は、喘息の治療及び他の肺の療法のための機器及び関連する方法に関する。本発明は、円周に集束した超音波場の使用を考えるものである。
喘息やCOPDなどの肺疾患の治療の成功は、これらの疾患が生活の質を低下させる世界的に重大な健康の問題であるため、重要である。喘息の治療には薬物療法(気管支拡張剤、抗炎症剤、ロイコトリエン修飾薬)を用いることができるが、必ずしも成功するとは限らず、また非常に高価である。喘息は、呼吸困難を引き起こす気道の収縮及び炎症を特徴とする疾患である。喘鳴、息切れ及び咳が典型的な症状である。
これらの症状は、気道閉塞をもたらす粘液産生の増加、気道の炎症、平滑筋の収縮によって引き起こされる。この閉塞は、気管支壁を傷つけて瘢痕を形成することによって治療されることができる。この気管支壁の再形成は、気管支を硬くして収縮性を低下させる。特許文献1におけるように、機械的手段及び熱の適用が提案されている。他の方法は、特許文献2及び特許文献3に記載されているように、気管支周囲の平滑筋細胞の破壊に注目する。他の技術は、特許文献4及び特許文献5におけるように、RFエネルギーを気管支壁に与え、それによって開示されていない過程を通じて気管支を直接広げることを含む。どのような過程であっても、気管支壁は損傷を受け、そのためその処置は、特許文献4に記載されているように段階的に行われなければならない。特許文献6は、注入剤による熱衝撃の適用を記載している。
機械的作用、すなわち、神経組織の穿刺、引き裂き、切断によって気管支周囲の神経の伝導を不活性化することが、特許文献7で提案されている。特許文献8では、神経組織のアブレーションは、経皮的に神経に直接エネルギー(RF、HIFU、マイクロ波、放射線、熱エネルギー)を加えることによって行われる。エネルギーの焦点(すなわちHIFU)を神経の位置に合わせるために、どのように神経の位置を特定するかは教示されていない。神経はとても小さく、標準的な超音波、CT、MRIの画像検査法で可視化できないため、これは問題である。したがって、エネルギー場の焦点は、標的又は神経の位置を予測して位置合わせされることはできない。特許文献9は、気管支内腔内に配置されたカテーテルで気管支壁にRFエネルギーを加えることによって除神経することを教示している。気管支壁を同時に冷却することによって、気管支壁を保護することが提案されている。RFアブレーションは電極の接触部分に限定されるため、当然ながらこれは非常に時間のかかる治療法である。そのため、神経に影響を与える見込みがより高い大きなアブレーション領域を得るためには、多数のアブレーション領域をつなぎ合わせる必要がある。冷却作用により、効力が著しく限定されるかもしれない。
しかしながら、気管支壁及び周囲組織に影響を与えることなく主に神経を選択的に標的にする方法は、従来技術では教示されていない。気管支壁及び周囲組織に損傷を与えることなく、気管支神経を選択的にアブレーションする機器及び方法が必要とされている。これが達成できれば、治療を行うのがより簡単かつ迅速である。今日の複数回の治療(特許文献4とAlair Systemの説明、BSXを参照)は1回の治療に減らすことができ、患者、特にCOVID19の患者による忍容性がかなり良くなる。また、組織ではなく神経を選択的に標的とすることによって、(遠位の気管支部分に信号を伝える)神経のより近位の1回のアブレーションは、大きなエネルギーを与えて近位から遠位までの気管支樹を治療するのと同じ臨床効果を有するであろう。
他の損傷を引き起こすことなく気管支を除神経することが困難であることを説明するために、ここで気管支系及び神経の解剖学的構造を説明する。図6に示されるのは、気管支樹の説明図である。図3は、平滑筋(7)と神経(6)で囲まれた気管支の断面図を示す。更に、図5は、気管支(BR)とそれに隣接する神経(6)の縦断面を示す図である。これら2つの図(3、5)から分かるように、気管支の神経(6)は気管支を取り囲んでいる。異なる個人では、神経(6)を気管支の周囲の異なる円周位置に有する。更に、神経は、エネルギー放射体(11)が配置される気管支の中心軸から異なる半径方向の距離にある場合がある(図3)。解剖学的なランドマークを参照して気管支神経の位置を特定することは現実的でない。また、従来の生体内イメージング技術を用いて、個々の気管支神経の位置を特定することは困難又は不可能である。更に、主気管支で除神経が行われる場合、軟骨輪は、特に超音波アブレーションの障害となる。特許文献10では、超音波エネルギーが軟骨輪の間又は後ろに適用されるように超音波源を据え付けた、機械的手段及び重なり合った超音波ビームが提案されている。機械的な設置を除いて、最適な軟骨間配置を保証する方法に関して、機器も方法も教示されていない。軟骨輪の間にエネルギー源を配置することを容易に確実にする機器及び方法が必要である。超音波治療容積が実際に軟骨輪の間に配置されているか、又は超音波が軟骨輪によって反射されているかを知ることが望ましいであろう。また、直径に依存して用量が最適化された完全な円周の超音波伝送を可能にすることが望ましい。
気管支神経(6)の位置を特定して標的化することができないことは、気管支壁への損傷又は他の副作用を引き起こすことなく、非外科的技術を用いて気管支神経活動を中断又は終わらせることを困難にする。例えば、気管支神経にエネルギーを加えようとすると、気管支に狭窄又は壊死を引き起こす可能性がある。更に、気管支神経(6)を標的にして位置を特定することができないことは、気管支神経の活動が、許容される治療処置を達成するのに十分に中断されたことを保証することを困難にする。
特許文献9は、気管支樹に挿入されるカテーテルに接続された無線周波数(「RF」)放射体を使用することを提案している。RF放射体は気管支壁に付けて配置され、RFエネルギーは、放射体のすぐ近くにたまたまある気管支神経の活動を低下させる温度まで神経を加熱するために放射される。気管支を取り囲むすべての神経を治療するためには、各気管支の内部で何度もRF放射源の位置を変更しなければならない。気管支壁を保護するために、このRFでの加熱は、処置を更にいっそう複雑にする冷却と組み合わされる。放射体は一部の気管支神経を逃して、治療が不完全になることがある。更に、RFエネルギー源(電極)は、周囲組織及び神経を加熱できるように気管支壁に接触しなければならず、これは気管支の内壁に損傷又は壊死を引き起こす可能性がある。
特許文献8はまた、気管支神経を不活性化するために高密度焦点式超音波を使用することを提案している。高密度焦点式超音波(HIFU)領域を、どのようにして標的とする気管支神経に合わせることができるかは明らかでない。現在の技術では気管支神経を可視化して標的とすることが困難又は不可能であり、更に気管支神経は気管支の中心軸から異なる半径距離及び円周位置にあることがあるので、この高密度領域を気管支神経に合わせることは困難又は不可能である。後者の問題は、形状や厚みに大きなばらつきのある気管支を有する患者では増大する。更に、その焦点は、気管支の長さ方向に沿って各気管支神経の小さな部分のみを包含することができる。神経は再成する傾向があるので、治療領域が小さいと神経は短期間で再接続が可能である。
長年に亘り、超音波は、細胞修復の促進、骨細胞の成長の刺激、特定の組織への薬物送達の促進、及び体内組織のイメージングに使用されてきた。更に、高密度焦点式超音波は、体内の腫瘍及び組織を加熱して焼灼するために使用されてきた。組織の焼灼は、放射された超音波エネルギーが特定の場所に集中して、超音波エネルギーが通過しなければならない周囲組織及び途中の構造体に影響を与えることなく、正確で深い組織の壊死を可能にするので、ほぼ高密度焦点式超音波のみによって行われてきた。
特許文献11は、心臓への電気信号の伝達を遮断すること(肺静脈隔離術)について、肺静脈内に瘢痕環を形成するために、組織を焼灼するための高強度の集束超音波ではなく、高度にコリメートされた超音波エネルギーの使用を記載している。
本発明の一態様は、ヒト又は非ヒト哺乳類対象における気管支神経伝導を不活性化するための器具を提供することである。本発明のこの態様による機器は、好ましくは、哺乳類対象の気管支系への挿入に適した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、望ましくは、集束超音波エネルギーの環を伝達するように構成される(図8A~8C及び12を参照)。本発明のこの態様による機器は、望ましくは、トランスデューサに電気的に接続されるアクチュエータも含む。アクチュエータは、最も好ましくは、円周に集束された超音波エネルギーが、影響容積全体に亘って気管支神経の伝導を不活性化するのに十分な治療レベルで適用されるように、気管支を包含する少なくとも約1cm3の影響容積に集束超音波エネルギーを伝達するよう超音波トランスデューサを制御するように構成される。このエネルギーレベルは、組織壊死のために通常適用されるエネルギーレベルの約1/10である。以下で更に説明されるように、このような治療レベルは、組織のアブレーションに必要なレベル以下である。超音波圧力波形エネルギーが通過する気管支壁の領域よりも、気管支の外側の神経が位置する領域がより高いエネルギーレベルに曝されるので、非集束超音波の代わりに集束超音波を利用することによって、安全マージンが更に増加する。更に本発明は、軟骨間での治療を確実にするために、配置センサを使用することを想定する。
本発明の機器は、遠位端及び近位端を備えたカテーテルを更に含み、トランスデューサは遠位端に隣接してカテーテルに取り付けられ、トランスデューサは、気管支壁と接触することになるコンプライアントバルーンの内部に構成されて配置される。このコンプライアントバルーンは、循環する冷却液で満たされ、トランスデューサからの超音波エネルギーを気管支壁並びに周囲組織及び神経に伝導する。この冷却液はまた、過剰な熱をトランスデューサから外へ輸送する。トランスデューサに供給される電気エネルギーの約半分は熱に変換され、残りの半分は超音波エネルギーに変換される。臨床での使用が可能にされるために、アブレーション部位の気管支の直径に合わせてエネルギーレベルとバルーンの直径が調整されなければならない。これらのパラメータが調整されない場合(つまり、すべての気管支の直径に対して一定のエネルギー設定である場合)、超音波アブレーションにより生じる損傷が大きすぎるか、肺を適切にアブレーションして除神経するのに十分なエネルギーでないことのいずれかの大きなリスクがある。そのため、様々な気管支直径で効果を発揮するためには、その機器は、気管支気道の直径に応じて超音波の出力設定を調整できるようにされなくてはならない。更に、バルーンの膨張した直径が、バルーンが周囲で気管支に接触するのに十分に大きくない場合、エネルギーは周囲で気管支壁に供給されず、除神経は不完全となる。従って、本発明の機器は、バルーン/気管支の円周での接触が完全であるか部分的であるかを検出することも可能でなければならない。
トランスデューサは、長手方向のトランスデューサ軸の周り360°の円筒形態で超音波エネルギーを伝達するように構成されてもよく、カテーテルは、トランスデューサの軸を気管支の軸と概ね平行に保持する構造及び構成にされてもよい。焦点調整機構は、フェーズドアレイのように電子的であることも、流体レンズ12'(図8B)又は機械的なレンズ322(図8C)を含むこともできる。図8Bに示されるような適切な構成のバルーン12'によって実装される流体レンズの場合、焦点リングの直径は、バルーン圧力により、コンプライアントバルーン12'の形状を圧力によって変化させ、それによってレンズ効果を変えることによって、変えられることができる。当然ながら、電子的な焦点調節方法は、図10Aに示されるようにバルーン圧力から計算されることができる気管支(すなわちバルーン)の直径に基づいて又は超音波探知(図10B及び11参照)により調整されることもできる。
別の形態は、機械的なIVUSシステム(すなわちBSX)で使用されるような回転する単結晶又は環状アレイのトランスデューサ11''(図12に示されるような)である。治療用超音波パルス及び/又は完全な回転は、ほぼ同時のイメージング/治療モードをもたらすために、イメージングパルスと交互にされることができる。図12に示されるような環状アレイトランスデューサ11''が利用される場合、非常に高解像度の画像を得ることができる。除神経用途では、焦点領域における有害なエネルギー密度を回避しかつ効果を最大化するために十分に大きな治療容積を確保するために、ある程度まで治療用環状アレイビームの焦点をぼかすことが望ましい。
結合/冷却液を循環させるシステムは、流体体積及び圧力を測定し、それによって気管支直径を決定してもよい。図10Aを参照されたい。バルーンが気管支と周方向で接触すると、そのシステムは、そのバルーン/気管支の直径に対応して、大きな体積増加のない圧力増加を検出する。この気管支直径に基づいて、全体の超音波出力は、様々な直径に対して自動的に最適化されることができる。
本発明の更なる態様は、哺乳類対象における気管支神経伝導を不活性化するための方法を提供する。本発明のこの態様による方法は、望ましくは、超音波トランスデューサを対象の気管支に挿入するステップと、気管支を包含する少なくとも約1cm3の円形影響容積に治療上有効な超音波エネルギーを伝達するためにトランスデューサを動作させるステップとを含む。望ましくは、治療上有効な超音波エネルギーは、影響容積内の全ての神経の伝導を不活性化するようにして加えられる。例えば、トランスデューサを動作させるステップは、影響容積内の神経を含めて、影響容積内の固体組織を42℃以上に加熱しながら、気管支壁の温度を65℃未満に維持するようにしてもよい。
影響容積は比較的大きく、そして影響容積全体の組織は、好ましくは神経伝導を不活性化するのに十分な温度に達するので、本発明のこの態様による好ましい方法は、気管支神経の実際の位置を決定せずに、そして気管支神経を標的としたりそれに焦点を当てたりせずに、うまく実施されることができる。治療は、組織の温度を測定することなく行われることができる。更に、好ましくは、その治療は、気管支に損傷を与えることなく行われる。
本発明の更なる態様は、上述した方法及び機器において使用することができるプローブ、並びに上述した方法のステップを実行するための手段を組み込んだ機器を提供する。
本発明の一実施形態による器具(図2)は、気管支鏡5のワーキングチャネルを通って前進される。あるいは、超音波カテーテル10は、シースを通って、又は経口挿管装置を通って送達器具(図1)を用いずに直接、前進されることが可能である。シース又は超音波カテーテル10は、近位端、遠位端、及び近位端から遠位端までの軸を有する概ね細長い管の形態であってもよい。身体への挿入のための細長い要素に関する本明細書での使用については、用語「遠位」は、最初に身体に挿入される端、つまり身体へのその要素の前進の間の先端を指し、一方で用語「近位」は、反対の端を指す。シース又は超音波カテーテルは、操縦可能なシース又はカテーテルであってもよい。したがって、シース又はカテーテルは、シース又はカテーテルの近位端と遠位端との間を延びて操縦制御装置に接続された1つ又は複数のプルワイヤ(図示しない)などの既知の要素を含み、操作者による操縦制御の作動がシース又はカテーテルの遠位端を軸に対して横方向に曲げるように構成されてもよい。シース又は超音波カテーテル10は、図9Bでの直接送達される超音波カテーテル10について示されるように、経口挿管装置202を介して左気管支BL又は右気管支BR(図1)のいずれかに挿入されることができる。送達技術の1つ(図9Aに示されるような)は、操縦可能なシース内に、又は超音波カテーテルの中央ルーメン内に光ファイバ203を含んでもよい。光ファイバを通して見ることができる気管分岐部を通過すると、治療領域の1つに到達し、光ファイバ203はシースから引き抜かれ、光ファイバ挿入長まで前進される超音波治療カテーテル10と交換される。別の送達方法は、超音波カテーテル10又はシースでの長さ表示204(図9B)に依存する。シース/カテーテルシャフトのある長さ(CT、MRI又はスコープによって処置前に決定される)が挿入されると、図9Bに示されるように、処置バルーン12又は遠位のシース端が標的領域に到達している。更に別の送達の変形例は、歪みゲージ206(図9C及び図9D)によって遠位のカテーテル部分の曲げの程度を測定することである。カテーテル10は、気管内に位置する限り、比較的真っ直ぐである。図9Dに示されるように、遠位のカテーテル部分が右気管支BR(又は左気管支BL)での気管分岐部MBの遠位に配置されると、大きな曲げが測定されることになる。別の送達方法は、図10Bでのバルーン12の膨張又は図11に示されるような超音波測定のいずれかによって気管支の直径を監視することである。図9に示されるように、直径の著しい減少(約50%)が測定されたら、気管分岐部を通過している。
本機器は、近位端と、遠位端と、近位端から遠位端までの軸とを有するカテーテル10を含み、その軸は、図4Aに示された状態において、好ましくは気管支の軸と一致する。気管支の軸との整合は、図4Aに、カテーテル10の遠位端のバルーン12内のトランスデューサ11からの半径方向の距離又は変位の関数としての超音波パワーの重ね合わされた曲線208a、208bによって示されるように、円筒形又は環状の治療容積を通じてより均質なエネルギー分布を提供することになる。位置がずれた場合、エネルギーレベルは、図4Bにパワー曲線210a、210bによって示されるように、左右で大きく変わる。適用される超音波パワー分布のこのような非対称は、一方の側(210a)で壁の損傷を引き起こし、他方の側(210b)は神経をアブレーションするのに効果がない。中心への位置合わせは、図4Aに示されるように、治療容積内のエネルギー分布を定めるのに1/R曲線のより平坦な部分をもたらす。
カテーテル10は、遠位端に取り付けられたコンプライアントバルーン12を有する。その膨張した状態(図2及び図3)で、バルーン12は気管支壁に嵌り、それによって超音波がトランスデューサ11から気管支壁及び周囲組織7(図3)へ伝わることができる。
超音波トランスデューサ11(図3)は、バルーン12内でカテーテル10の遠位端に隣接して取り付けられる。トランスデューサ11は、望ましくはセラミック圧電材料から形成され、管状であり、トランスデューサ11の近位端から遠位端までの軸を中心として回転する円柱面形状の放射外面を有する。トランスデューサ11は、通常は約2~約10mm、好ましくは約6mmの軸方向の長さを有する。トランスデューサ11の外径は、直径約1.5~3mmであり、好ましくは2mmである。また、トランスデューサ11は、その内面及び外面に導電性コーティング(図示せず)を備えている。したがって、トランスデューサは、物理的に金属製の支持管(図示せず)に取り付けられてもよく、この支持管は次にカテーテル10に取り付けられる。コーティングは、接地線及び信号線に電気的に接続される。ワイヤ110は、トランスデューサ11からカテーテル10内のルーメンを通って、超音波システムと電気的に結合されたコネクタ102まで延びている。ルーメン(符号を付さない)は、カテーテル10の近位端と遠位端との間を延び、ワイヤ110は、トランスデューサ11からルーメンを通ってカテーテル10の近位端まで延びる。
トランスデューサ11は、トランスデューサで発生した超音波エネルギーが主に外部又は外面(別に符号を付さない)から放射されるように構成される。したがって、トランスデューサは、トランスデューサの内部に向けられた超音波エネルギーを反射するように構成された特徴を含むことにより、外側に向かう反射されたエネルギーが、外面での超音波振動を増強するようにしてもよい。例えば、支持管及びトランスデューサ11は、トランスデューサ11の内面から放射されたエネルギーが外側に方向を変えられて、トランスデューサの全体的な効率を高めるように構成されてもよい。本実施形態では、トランスデューサ11によって発生された超音波エネルギーは、トランスデューサ11から伝搬する超音波エネルギーを増強するために内側の取り付けで反射され、それによって確実に超音波エネルギーがトランスデューサ11の外面から外側に向けられるようにする。
トランスデューサ11はまた、外面に衝突した超音波をワイヤ110での電気信号に変換するように構成されている。治療容積について積分されたAモード信号は、イメージングトランスデューサのような空間分解能を提供できないが、体積積分されたAモード信号の振幅と距離(時間)の大きさに基づいて、気管支内腔についての結論を出すことができる。反射構造が完全な円形でない場合、反射信号の幅は、最大の気管支直径dmaxと最小の直径dminとの間の差に数学的に関連し、例えば比例する(図11参照)。言い方を変えれば、トランスデューサ11は、超音波放射器又は超音波受信器のいずれかとして機能することができる。受信モードは、米国特許出願第14/770,941号、公開第2016/0008636号明細書に記載されているようなアレイ型トランスデューサにとって特に重要であり、それはアレイ型トランスデューサ11では、フェーズドアレイ処理を用いて受信エコーを電子的に収束させて、高解像度画像を得ることができるためである。
トランスデューサ11は、例えば、約1MHz~約数十MHz、通常は約10MHzの周波数で動作するように設計される。トランスデューサ11の実際の周波数は、通常は製造公差に応じて多少変わる。トランスデューサの最適な動作周波数は、カテーテルに貼り付けられたデジタルメモリ、バーコードなどの機械が読み取り可能な要素又は人間が読み取り可能な要素(図示せず)にコード化されてもよい。あるいは、読み取り可能な要素は、個々のカテーテルを識別するシリアル番号又は他の情報をコード化して、インターネットなどの通信リンクを通じてアクセス可能な中央データベースから最適な動作周波数が取り出されてもよい。
本明細書ではアクチュエータとも呼ばれる超音波システムは、プラグコネクタ102(図1)を介してカテーテル10及びトランスデューサ11に取り外し可能に接続される。制御ユニット104及び超音波信号発生器又は波形発生器106は、トランスデューサ11によって放射される超音波周波数信号のパワーレベル及び持続時間を制御するために、電気信号の振幅及びタイミングを制御するように構成されている。制御ユニット104及び超音波信号発生器106を含む通電回路100はまた検出サブサーキット108を含み、検出サブサーキット108は、トランスデューサ11によって生成されてワイヤ110を介して送信される電気信号を検出し、その信号を制御ユニット104に伝達するように構成される。より詳細には、検出サブサーキット108は、互いに直列に接続された受信器又はエコー信号抽出器112と、デジタイザ114と、超音波エコー信号前処理器116と、画像分析器118とを含む。超音波信号発生器106は、治療用除神経信号と発信される診断用イメージング信号の両方を生成する。後述するように、発信イメージング信号及び反射エコー信号は、フェーズドアレイとして動作するトランスデューサ要素122の円形アレイ120によって送信及び検知されてもよい。従って、トランスデューサ11は、トランスデューサ要素122の円形アレイ120の軸方向アレイを含んでもよい。マルチプレクサ又はスイッチング回路124は、デジタル/アナログ変換器126及び送信モジュール128を介して送信モード中にイメージング信号が発せられた後に、受信モードに切り替えるために制御ユニット104によって操作される。
図1に示されるように、循環装置212は、カテーテル10内のルーメン(図示せず)に接続されており、このルーメンは、次にバルーン12に接続されている。循環装置212は、液体、好ましくは水性液体を、カテーテル10を通ってバルーン12内のトランスデューサ11に循環させるように構成されている。循環装置212は、制御された温度、望ましくは体温以下の制御された温度でバルーン12の内部空間に液体を供給するために、循環冷却液を保持するためのタンク214、ポンプ216、冷凍コイル218などの要素を含んでもよい。制御ユニット104は、バルーン12に出入りする液体の流れを制御するために、循環装置212とインターフェースで連結する。例えば、制御ユニット104は、ポンプの動作速度を制御するために、ポンプ216に関係する駆動モータ222に連結されたモータ制御装置220を含むことができる。このようなモータ制御装置220は、例えば、ポンプ216が蠕動ポンプのような容積型ポンプである場合に使用されることができる。代わりに又は加えて、制御ユニット104は、流体の流れに対する回路の抵抗を変化させるために、流体回路内に接続された制御可能なバルブ224のような構造物を操作してもよい。
超音波システムは、カテーテル10を通る液体流を監視して、気管支BL又はBRの内部でバルーンが完全膨張に到達することに対応する大きな体積増加のない圧力増加の点を検出することによって図10Aに示されるように気管支直径を決定するために、圧力センサ226(図1)を更に含んでもよい。対応する直径は、参照テーブルを介して、例えば、制御ユニット104に接続されたメモリ内にある体積/圧力値が直径に関連付けられた参照テーブルを介して決定されることができる。少なくとも1つの圧力センサ226は、カテーテル10の遠位端への液体の流れを監視して閉塞があるかどうかを判断し、別の圧力センサ226はカテーテル10内での漏れを監視する。バルーン12が膨張状態にある間、圧力センサ226、228は、好ましくはコンプライアントバルーンが気管支BL又はBRを閉塞するように、バルーン内の所望の圧力を維持する。
超音波システム100は、カテーテル10での機械読み取り可能な要素を読み取り、その要素からの情報を制御ユニット又は制御盤104に伝えるためのリーダー228を組み込んでいる。上述したように、カテーテルでの機械読み取り可能な要素は、特定のカテーテル10におけるトランスデューサ11の動作周波数及び動作効率などの情報を含んでもよく、制御ユニット104はこの情報を使用して、トランスデューサを励起するための適切な周波数及び電力を設定してもよい。あるいは、制御ユニット104は、例えば8.5MHz~10.5MHzのような予め定められた周波数範囲に亘って励起周波数を走査しながら低電力レベルでトランスデューサに通電することによってトランスデューサの動作周波数を測定し、そのような励起に対するトランスデューサ11の応答を監視して最適動作周波数を選択するように、励起源又は周波数スキャナ230を作動させるように構成されてもよい。
超音波システムは、米国特許出願第14/770,941号、公開番号2016/0008636号明細書に開示されているものと同様であることができ、その開示内容は参照により本明細書に援用される。
本発明の実施形態による方法は、図7にフローチャートの形式で示される。患者などのヒト又は非ヒト哺乳類対象の準備(気管アクセス部位の準備)、及びカテーテル10の超音波システムへの接続の後に、気管支鏡カメラ又は光ファイバを通じた視覚誘導により所望の治療部位に気管支鏡を前進させ(ステップ1202、1204)、その後に超音波カテーテル10は気管支鏡のワーキングチャネルに挿入される(ステップ1206)。あるいは、操縦可能なシースを、好ましくは米国特許出願第14/770,941号、公開番号2016/0008636号明細書に記載されているような超音波イメージング機能を備えた操縦可能なシースを、治療カテーテルの送達チャネルとして使用することができる。別の実施形態では、治療カテーテルは操縦又は偏向機構を備え、図1に示されるように治療部位に直接進められることができる。米国特許出願第14/770,941号明細書、公開番号2016/0008636号明細書に記載されているように、カテーテルが画像処理機能及び治療機能を兼ね備えている場合、この送達方法は最速の処置時間を可能にし、患者が楽に耐えることができる。更に別の実施形態では、ガイドワイヤ14(図2)を気管支鏡のワーキングチャネルを通って処置部位に送達し、気管支鏡が引き出された後にワイヤを介して超音波処置カテーテルを前進させる。この技術は、非常に小さくて柔軟な気管支鏡の利用を可能にする。
カテーテルの遠位端が主気管支内の所定の位置となったら、図2及び図3に示されるように、ポンプでバルーン12を膨らませた状態にする(図7のステップ1210及び1212)。この状態では、コンプライアントバルーン12は気管支壁に嵌り、従ってトランスデューサ11を気管支内で中心に配置し、トランスデューサ11の軸は気管支の軸とほぼ同軸である。これは、周方向に比較的均質なエネルギー分布を提供するだけでなく、冷却液内に位置するトランスデューサの近くに非常に高いエネルギーレベルを維持し、超音波は流体と相互作用しないのでそれは無害である(図4参照)。もし、これらのピークエネルギーレベルを気管支壁(1)の近くに位置させたならば、損傷が生じるであろう。これらの2つの状況は図4A及び4Bに示されており、図4Aでは超音波トランスデューサ11が適切に中心に配置され、気管支BL又はBRの壁に損傷を引き起こすことなくエネルギーが分布される。適切な中心への位置合わせの別の利点は、治療容積が1/R曲線の比較的平坦な部分と一致し、治療容積全体に亘ってほぼ一定のパワーレベルを提供することである。図4Bでは、トランスデューサ11は中心に配置されておらず、周辺に不均一なパワー分布を生じさせる。また、トランスデューサ11は、軸から外れて配置されており(バルーン直径が小さすぎることにより)、壁の損傷を引き起こす可能性のあるピークパワーレベルに気管支壁を曝す。
治療中(図7のステップ1214)には、ポンプ216、コイル218、及びバルブ224(図1)を含む循環装置は、トランスデューサ11を冷却するように、バルーン12に流入及びバルーン12から流出する冷却された水性液体の流れを維持する。また、冷却されたバルーン12は、気管支BL、BRの内面を冷却するのに役立つ。バルーン12内を流れる液体は、蛍光透視法でのバルーンの視覚化及び適切な配置の確認を支援するために、X線造影剤を含んでもよい。
別の実施形態では、超音波システムは、気管支BL、BRの大きさを測定するためにトランスデューサ11を使用する(図6参照)。制御ユニット104及び超音波源又は超音波信号発生器106は、図11に示されるように、低出力超音波パルスで気管支を「探知」するようにトランスデューサ11を動作させる。このパルスの超音波は、気管支壁によってエコーとしてトランスデューサ11に反射される。トランスデューサ11は、エコーを電気的なエコーコード化信号に変換する。超音波システム、特に制御ユニット104(これは通常はプログラムされた汎用コンピュータ又はハードワイヤードプロセッサの形態をとる)は、次にエコー信号を分析することによって気管支BL又はBRの直径を決定する。例えば、超音波システムは、「音波」を発生させるトランスデューサ11の動作と、エコー信号の帰還との間の時間遅延を決定することができる。帰還信号の幅は、気管支断面が完全な円形ではなく楕円形である場合の直径dmaxと直径dminの差を示す(図11参照)。超音波システムは、測定された気管支の大きさを使用して、後のステップで治療用超音波エネルギーを適用する際にトランスデューサ11によって出力される音響パワーを設定する。例えば、制御盤又は制御ユニット104は、特定のエコー遅延(従って気管支の直径)と特定のパワーレベルとを相関させる参照テーブルを使用することができる。一般に、直径が大きいほど、より多くの電力の使用が必要である。円筒形の均一なトランスデューサによる治療容積に亘って積分されたAモード信号は、空間分解能を提供できないが、体積積分されたAモード信号の振幅及び距離(時間)の大きさに基づいて反射体に関する結論を出すことができる。言い換えれば、バルーン/組織境界面の存在を検出することはできるが、周方向については区別することはできない。
体積積分エコーは、図15A及び図15Bに示されるように、バルーンと気管支壁の結合も示す。空気が閉じ込められている場合、バルーン/気管支境界面のエコー振幅は、図15Aに示されるような完全な周方向の結合の場合よりも、図15Bに示されるように著しく大きくなる。この積分Aモード信号によって空間分解能は得られないが、図15A及び15Bに示されるように、バルーン/気管支境界面における積分Aモード信号の振幅や、送信及び受信エコー間の対応する時間遅延を分析することによって、エアポケット、即ち閉じ込められた空気を明確に検出することが可能である。治療容積にわたる積分Aモード信号は空間分解能を提供できないが、積分Aモード信号の振幅及び距離(時間)の大きさに基づいて、閉じ込められた空気について結論を出すことができる(図15A及び15Bを参照)。言い換えれば、バルーン/組織境界面における空気の存在は検出されることができるが、閉じ込められた空気の周方向での位置を特定することはできない。閉じ込められた空気を排除するためにバルーン直径が適切に調整されない場合、エネルギーは周囲に完全には供給されず、これは処置の効力に悪影響を及ぼす。
体積積分Aモード信号は、食道303に配置された空気充填バルーンカテーテル315により、図14Aに示されるように治療容積内のいずれかの空気充填空間、すなわち空気が充填された食道303を検出するために分析されることもできる。トランスデューサ付きカテーテル10の遠位端に近接した空気充填バルーン315は、図14Bのグラフに示されるように、体積積分Aモード信号でのアーチファクトとして記録される。食道周囲の神経損傷を避けるために、食道の信号又はアーチファクトが消えるまで、言い換えれば食道が治療容積の外に位置するようになるまで、治療カテーテル10は気管支BL又はBRにおいてより遠位に前進される。極端な場合には、治療容積を第1の気管支分岐部の遠位に進めて、その特定の左側又は右側に1つのエネルギー適用の代わりに2つのエネルギー適用が行われるようにすることが必要かもしれない。追加の安全対策として、食道のバルーン315内の空気は、食道の付随的損傷の可能性を更に低減するために、距離検出後に循環冷却液に代えられることができる。そうでなければ、食道瘻及び/又は食道周囲の迷走神経の損傷が生じる可能性がある。
容積積分Aモード信号は、軟骨輪CRによって反射される超音波の部分が最小化されて、超音波治療容積が主に軟骨輪CR間の平面BCに配置されるように、エネルギー源又はトランスデューサ11の配置を最適化するために分析されることも可能である。図13Aは、軟骨輪CR内、すなわち軟骨輪の横断面内に配置されたカテーテル10、トランスデューサ11、及びバルーン12を示す。図13Cは、隣接する軟骨輪CR間の横断面BCに配置されたカテーテル10、トランスデューサ11及びバルーン12を示す。最適化された配置は、カテーテル10の移動、バルーン12内のトランスデューサ11の移動、又は図8Aに示されるようなトランスデューサ部分の電子的選択によって、体積積分Aモード信号を分析して周囲での積分軟骨エコーUcを最小化することによって得られる。方向については、エコー信号Ucは、気管支壁信号Ubよりも遠位で発生する。言い換えれば、特許文献10に記載されるように軟骨輪に対して超音波源が特定の位置に押し込まれることによって機械的な設置機構を通じて超音波エネルギー源を配置するのではなく、配置は、軟骨輪CR間に超音波エネルギーを最適に供給するために、ここでは軟骨エコーを検出して超音波源トランスデューサ11の長手方向の位置を調節することによって直接制御される。カテーテル全体を、エコー信号Ucが最小になるまで長手方向に移動させることができ、又はバルーン内のトランスデューサを、エコー信号Ucが最小になるまで移動させることができる。別の実施形態では、トランスデューサの複数の部分又はそのグループは、エコー信号Ucが最小になり、それによって軟骨輪CRの間の最適な配置が得られるようになるまで、作動がされる。
積分Aモード信号を生成し分析するいずれの方法でも、気管支樹への超音波トランスデューサ11の挿入は、(i)視覚誘導下で気管支鏡のワーキングチャネルを通って、(ii)操縦可能なシースを通って、(iii)口腔挿管装置を通って操縦可能な超音波カテーテルを用いて、(iv)操縦可能な超音波処置カテーテルの中央ルーメンを通って挿入された光ファイバを用いた光学画像誘導下で、(v)気管支部分までの気管支樹に沿った距離を確認するためにCT、MRI処置を行った後に挿入の程度を監視するための距離目盛り表示を備えた操縦可能な超音波カテーテルを用いて、シースや気管支鏡を用いずに、口腔挿管装置を直接通って、などの本明細書に記載するいずれかの方法によって実施されることができる。超音波トランスデューサは、カテーテルの遠位端に取り付けられてもよく、超音波トランスデューサを気管支樹に挿入することは、歪みゲージを介して監視される遠位のカテーテル部分の曲げ半径に少なくとも一部で基づいて決まる所望の動作位置に超音波トランスデューサが配置されるようにして、カテーテルを挿入することを含む。所望のカテーテル位置は、本明細書に記載されるように、気管及び分岐気管支の直径を監視することを一部として、決められてもよい。
医師は、ユーザーインタフェース(図示せず)を通じて治療を開始する。治療では、超音波システム又はアクチュエータ、特に制御盤又は制御ユニット104及び超音波信号源又は発生器106は、トランスデューサ11にエネルギーを与えて、治療上有効な超音波を影響容積13(図2)に送る。トランスデューサ11によって伝達される超音波エネルギーは、トランスデューサ11の近位-遠位の寸法の周りの全円又はトランスデューサ11の縦軸及び治療される気管支部分の軸の周りの全円、つまり360゜の弧を包含して、概して半径方向外側に離れるように伝搬する。
超音波トランスデューサ11の選択される動作周波数、焦点特性、配置、サイズ、及び形状は、気管支部分の全体及び気管支神経が、トランスデューサ11の「焦点領域」内に位置することを可能にする。図2に示されるように、この領域内では、外側に広がる、超音波の集束した全方向性(360°)の円筒形の場が、トランスデューサ11によって生成される。円筒形トランスデューサについては、ビームを集束できる近接場領域の半径方向の領域は式L2/λで定義され、ここでLはトランスデューサ11の軸方向長さであり、λは超音波の波長である。L2/λよりも大きいトランスデューサ11の表面からの距離では、ビームはかなりの程度で軸方向に広がり始める。しかしながら、L2/λ未満の距離では、ビームは実質的な程度では軸方向に広がらず(図2)、集束されることができる。本明細書での使用によれば、用語「集束」は、トランスデューサ11から離れるビームの伝搬方向において強度が増加するビームを指す。影響容積13は、概して円筒形であり、処理される気管支部分と同軸である(図2)。影響容積は、バルーン外部又は外表面から影響半径まで延び、影響半径においては、超音波エネルギーの強度が小さく、組織を神経の不活性化を引き起こす温度範囲まで加熱することができない。
上述したように、トランスデューサ11の長さは、2mm~10mmの間で変えられることができ、集束を可能にする広いアパーチャを提供するために、好ましくは6mmである。トランスデューサ11の直径は、1.5mmと3.0mmの間で変えられることができ、好ましくは約2.0mmである。用量は、その治療効果のためだけでなく、図1に示される食道3及び図14Aに示される食道303のような付随的な構造に、損傷を与える超音波エネルギーを伝達することなく、バルーン表面から5mm未満の平均半径内にあるすべての治療される気管支部分及び隣接する気管支神経を包含するために、影響容積(焦点領域)13の半径がバルーン表面から好ましくは5mm未満であるように選択される。
望ましくは、パワーレベルは、影響容積全体に亘って、固体組織が数秒以上に亘って約42℃以上に加熱されるが、望ましくは、気管支壁を含む全ての固体組織が65℃より十分に低い状態を維持するように選択される。したがって、影響領域全体で、固体組織(気管支神経の全てを含む)は、神経伝導を不活性化するのに十分な温度であるが、組織の急速な壊死を引き起こす温度よりも低い温度にされる。
研究により、神経の不活性化は、組織の壊死よりもはるかに低い温度で、はるかに速く起こることが示されている。参照により援用される、Bunch,Jared.T.らのMechanisms of Phrenic Nerve Injury During Radiofrequency Ablation at the Pulmonary Vein Orifice, Journal of Cardiovascular Electrophysiology, Volume 16, Issue 12, pp.1318-1325(2005年12月8日)を参照されたい。組織の壊死は、一般的には約10秒以上、65℃以上の温度にすることで起こり、一方で神経の不活性化は、一般的には数秒以上、42℃以上の温度にすることで起こるので、超音波エネルギーの用量は、影響容積13での温度をそれらの温度の間で数秒以上保つように選択される。超音波エネルギーの用量はまた、望ましくは、影響容積内でコラーゲンの実質的な収縮を引き起こすのに必要とされる用量よりも少ない。したがって、トランスデューサの動作は、気管支BL又はBRに損傷を与えることなく神経を不活性化する治療用量を提供する。更に、トランスデューサ11を含んでいるバルーン12を通る冷却された液体の循環もまた、トランスデューサ11から気管支の内層に伝達される熱を低減させるのに役立ち得る。したがって、伝達された治療用の集束超音波エネルギーは、気管支の内層を損傷せず、安全な治療を提供する。
超音波エネルギーの治療用量を生成するために、トランスデューサ11の音響パワー出力は、典型的には約10ワット~約100ワット、より典型的には約20ワット~約50ワットである。パワー適用の持続時間は、典型的には約2秒~約1分以上であり、より典型的には約10秒~約20秒である。所望の温度レベルを達成するために特定のシステムで使用される最適な用量は、数学的モデリング又は動物試験によって決定されてもよい。
集束超音波エネルギーの影響容積13は、治療される気管支部分全体及び近接した周囲組織を包含し、そのため気管支BL又はBR周囲の気管支神経の全てを包含する。したがって、トランスデューサ11の気管支BL、BRへの配置は、対象の気管支を取り囲む全ての周囲の気管支神経6(図3及び図5参照)の伝導を不活性化するために、無差別に行われてもよい。本明細書で使用される「無差別」及び「無差別に」は、特定の気管支神経を標的としない又は特定の気管支神経に配置しないことを意味する。アブレーションが主気管支で行われる場合、超音波源の位置は、図13A~図13Dを参照して上述したように、軟骨輪の間にあるようにして最適化される。
任意で医師は、その後に気管支BL、BRに沿ってカテーテル10及びトランスデューサ11を再配置して、治療上有効な集束超音波エネルギーを再伝達するために治療を再開することができる。これにより、気管支樹(図6)の長さに沿った追加の位置で気管支神経が不活性化されるため、より確実な治療が提供される。再配置ステップ及び再伝達ステップは、任意で複数回行われることができる。次に医師は、トランスデューサ11を備えたカテーテル10を他方の主気管支(BL、BR)に移動させ、その気管支の側面(図6参照)に対して再び全体的な治療を行う。治療終了後に、カテーテル10は対象の体内から引き抜かれる。
上述した特徴の多くの変形例及び組み合わせを利用することができる。例えば、超音波システムは、治療用超音波エネルギーの適用中に、パルス状の作用で超音波エネルギーを伝達するようにトランスデューサ11を制御することができる。パルス状の作用は、超音波トランスデューサ11に、例えば50%のデューティサイクルで超音波エネルギーを放射させる。超音波エネルギーのパルス変調は、治療時間を増加させながら組織温度を制限するのに有用であり、これは治療容積全体により均質又は均一な温度分布をもたらす。超音波トランスデューサが、単一の円筒形トランスデューサの代わりに、別々に動作させることができるトランスデューサ要素のアレイからなる場合、パルス状の治療作用は、診断撮像モードと交互にされることもできる。これにより、診断用超音波撮像を治療と本質的に又はほぼ同時に得ることができる。米国特許出願第14/770,941号、公開番号2016/0008636号明細書を参照されたい。
更なる変形例では、気管支の大きさを測定するステップ及び用量を調整するステップが省略されてもよい。この例では、トランスデューサは、平均的な対象の気管支直径について十分な、あらかじめ設定されたパワーレベルで単純に動作される。更なる変形例では、気管支直径は、例えば、X線撮影又は磁気共鳴イメージング、ファイバオプティクスイメージング、又は別個の超音波イメージングカテーテルの使用など、トランスデューサ11の動作以外の技術によって測定されることができる。この例では、別の測定からのデータは、用量を設定するために使用されることができる。
更なる変形例では、バルーン12は、多孔質膜から形成されてもよく、又は穴を含んでもよく、それによりバルーン内で循環される冷却された液体は、音響接触を改善するために気管支壁に対してバルーン12から漏出したり流れ出たりすることが可能である。
通常は、カテーテル10は、使い捨ての1回使用の装置である。カテーテル10又は超音波システムは、1回使用後のカテーテル10の再使用を抑制する安全装置を含んでもよい。そのような安全装置自体は、当技術分野で公知である。
更に別の変形例では、カテーテル10自体が、医師がカテーテルの遠位端を直接操縦することを可能にする操縦機構を含んでもよい。この場合には、気管支鏡又はシースが省略されてもよい。
別の変形例では、超音波トランスデューサを含むカテーテルの遠位端の超音波エネルギー放射体ユニットが、肺動脈又は大動脈(図1の4及び図14Aの304)のような隣接構造に配置されてもよく、超音波トランスデューサは、トランスデューサからの超音波エネルギーを、気管支神経に向けて半径方向の限られた範囲でのみ選択的に向けるための反射又は遮断構造を含んでもよい。この方法が利用されるとき、超音波エネルギーは、一般に側面発射トランスデューサの構成として知られている、トランスデューサの外面から出て伝搬する一部分又はビームとされる。例えば、超音波トランスデューサは、参照により本明細書に援用される米国特許出願第14/770,941号、公開番号2016/0008636号明細書での開示と同様にして、画像誘導下で超音波アレイ及び指向超音波エネルギーとして放射する構造を有して、動作されることができる。この変形例では、カテーテルが体内に導入されて気管支の近くに配置される経路は、上述した気管支進入から変えられる。
図8Aは、個別に又は組み合わせて動作させることができる複数の円形トランスデューサ要素11'からなる複数要素形式のトランスデューサ11を示す。図1を参照して説明したように、各円形トランスデューサ要素11'は、フェーズドアレイとして動作する複数のトランスデューサ要素122の円形アレイ120の形態を取ってもよい。したがって、トランスデューサ要素11'は、トランスデューサ要素の円形アレイの軸方向アレイを構成してもよい。制御ユニット104からの信号に応答して、マルチプレクサ又はスイッチング回路124(図1)は、デジタル/アナログ変換器126及び送信モジュール128によって、イメージング信号が放射された後に超音波エコー又は反射波形を受信するように、イメージングモードの動作中に受信と送信との間を切り替えてもよい。治療モードの動作中に、制御ユニット104は、トランスデューサ要素11'(図8A)のフェーズドアレイに、非活性化される神経を含む環状の治療領域320に超音波エネルギーを集束させる。制御ユニット104は、やはり、ハードワイヤードプロセッサであってもよいし、プログラムされた汎用コンピュータ又はマイクロプロセッサであってもよい。また、制御ユニット104からの信号に応答して、マルチプレクサ又はスイッチング回路124は、イメージングモードと治療モードとの間を切り替えてもよい。
図8Bに示されるように、コンプライアントバルーン12は流体レンズとして機能するように構成され、それによって焦点リング(図8Aの320参照)の直径は、バルーン圧力により、バルーン12の形状を圧力によって変化させ、それによってレンズ効果を変えることによって、変えられることができる。当然ながら、図8Aの電子的な焦点調節方法は、図8Bの流体レンズバルーン12と組み合わされてもよい。焦点は、バルーン圧力から計算されることができるバルーン12の直径に対応する又は一致する、又は図10及び図11を参照して上述したような超音波探知による気管支直径に基づいて、調節されてもよい。
図12に示されるように、回転トランスデューサ11''が、機械的な血管内超音波(IVUS)システム(例えば、ボストン・サイエンティフィック社、BSX)に組み込まれてもよい。治療用超音波パルス及び/又は完全な回転は、ほぼ同時のイメージング/治療モードをもたらすために、イメージングパルスと交互にされてもよい。結合/冷却液を循環させるシステム(図1)は、流体体積及び/又は圧力を測定し、それによって気管支直径を決定してもよい(図10)。測定された気管支直径に基づいて、全体的な超音波出力が自動的に最適化されることができる。
エネルギー分散特性(過度の近接場損傷のない大きな深さ、図4A)を利用した上述の機器の更なる用途は、肺腫瘍アブレーションである。肺腫瘍がCT又はMRIで診断されると、生検を行うために、ガイドワイヤが通常は3次元誘導(すなわち、Super Dimensions)の下で挿入される。これらのシステムは、3Dイメージングと気管支鏡検査時のガイドワイヤの配置を組み合わせたものである。しかし、治療は、通常は別のフォローアップ処置で後に行われる。同じ生検の処置で、そのガイドワイヤが、上記の超音波治療カテーテルを腫瘍の中に進めるために使用されることができる。病変体積に応じて、超音波の用量が計算されて1つ又は複数の損傷がもたらされる。好ましくは、アブレーションは、画像誘導下で行われる。特に、図12の環状アレイ構成は、腫瘍と正常組織の区別を可能にする最高解像度の画像誘導を提供する。図12では、3つの要素の回転する環状アレイトランスデューサ11''が示されている。画像誘導により腫瘍アブレーションを行う別の方法は、ガイドワイヤを通じて治療用カテーテルとイメージング用カテーテルを交換することである。IVUSイメージングカテーテルは、腫瘍アブレーションの進行を監視するために治療カテーテルの引き抜き後に前進され、IVUS画像が非破壊腫瘍領域を示した場合に、治療カテーテルに戻されることがある。
上述した機器の更なる用途は、主気管支での脱神経によって気管支収縮及び粘液分泌を防止又は低減することにより、残っている健康な肺機能の利用を最適化することによって、COVID19によって引き起こされるARDSの悪影響を低減することである。
本明細書では、特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、これらの実施形態は、本発明の原理及び用途を単に例示するものであると理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、例示の実施形態に対して多数の変更がなされることができること及び他の構成を考えることができることが理解される。
5 気管支鏡
10 超音波カテーテル
11 トランスデューサ
11' 円形トランスデューサ要素
11'' 回転トランスデューサ、環状アレイトランスデューサ
12 処置バルーン
13 影響容積(焦点領域)
14 ガイドワイヤ
100 通電回路
110 ワイヤ
102 プラグコネクタ
104 制御ユニット
106 超音波信号発生器又は波形発生器
108 検出サブサーキット
112 受信器又はエコー信号抽出器
114 デジタイザ
116 超音波エコー信号前処理器
118 画像分析器
120 円形アレイ
122 トランスデューサ要素
124 マルチプレクサ又はスイッチング回路
126 デジタル/アナログ変換器
128 送信モジュール
202 経口挿管装置
203 光ファイバ
204 長さ表示
206 歪みゲージ
208a、208b 超音波パワーの重ね合わされた曲線
210a、210b パワー曲線
212 循環装置
214 タンク
216 ポンプ
218 冷凍コイル
220 モータ制御装置
224 バルブ
226 圧力センサ
228 リーダー
230 励起源又は周波数スキャナ
303 食道
315 空気充填バルーンカテーテル
BL 左気管支
BR 右気管支
BC 軟骨輪間の横断面
CR 軟骨輪
dmax 最大の気管支直径
dmin 最小の気管支直径
MB 気管分岐部
Ub 気管支壁信号
Uc 積分軟骨エコー
10 超音波カテーテル
11 トランスデューサ
11' 円形トランスデューサ要素
11'' 回転トランスデューサ、環状アレイトランスデューサ
12 処置バルーン
13 影響容積(焦点領域)
14 ガイドワイヤ
100 通電回路
110 ワイヤ
102 プラグコネクタ
104 制御ユニット
106 超音波信号発生器又は波形発生器
108 検出サブサーキット
112 受信器又はエコー信号抽出器
114 デジタイザ
116 超音波エコー信号前処理器
118 画像分析器
120 円形アレイ
122 トランスデューサ要素
124 マルチプレクサ又はスイッチング回路
126 デジタル/アナログ変換器
128 送信モジュール
202 経口挿管装置
203 光ファイバ
204 長さ表示
206 歪みゲージ
208a、208b 超音波パワーの重ね合わされた曲線
210a、210b パワー曲線
212 循環装置
214 タンク
216 ポンプ
218 冷凍コイル
220 モータ制御装置
224 バルブ
226 圧力センサ
228 リーダー
230 励起源又は周波数スキャナ
303 食道
315 空気充填バルーンカテーテル
BL 左気管支
BR 右気管支
BC 軟骨輪間の横断面
CR 軟骨輪
dmax 最大の気管支直径
dmin 最小の気管支直径
MB 気管分岐部
Ub 気管支壁信号
Uc 積分軟骨エコー
Claims (55)
- 哺乳類対象における有害な呼吸器症状を治療するための方法であって、
超音波トランスデューサを前記哺乳類対象の気管支樹に挿入することと、
前記超音波トランスデューサに電気的に接続されたアクチュエータ又は制御ユニットを操作して、前記超音波トランスデューサにエネルギーを与えて治療レベル以下の短パルスを放射させることと、
前記短パルスに応じた前記哺乳類対象の有機組織からの超音波エコーを、前記超音波トランスデューサを介して受信することと、ここで前記超音波エコーは体積積分Aモード信号であり、
前記アクチュエータ又は制御ユニットを操作して、周方向での前記超音波エコーの累積強度を示す前記体積積分Aモード信号を処理することと、
気管支の軟骨輪の位置を決定するために前記体積積分Aモード信号を分析すること、
前記超音波トランスデューサを動作させ、隣接する前記気管支の軟骨輪の間に超音波治療波形エネルギーを伝達することと
を含む、方法。 - 前記超音波トランスデューサを動作させて前記超音波治療波形エネルギーを伝達する前に、前記超音波トランスデューサを動かして、隣接する前記気管支の軟骨輪の間の空間又は間隙に隣接して前記超音波トランスデューサを配置することを更に含む、請求項1に記載の方法。
- 前記超音波トランスデューサは、複数の別々に作動可能なトランスデューサ要素を含み、前記超音波トランスデューサの作動が、前記複数の別々に作動可能なトランスデューサ要素にエネルギーを与えて、隣接する前記気管支の軟骨輪の間に前記超音波治療波形エネルギーを向けることを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記体積積分Aモード信号を分析してバルーンと気管支の間のエアポケット又は閉じ込められた空気の存在を検出することを更に含み、超音波治療波形エネルギーを伝達するための前記超音波トランスデューサの作動は、前記体積積分Aモード信号の分析により空気がないことが明らかになった場合にのみ行われ、それにより完全な周囲での結合を確保する、請求項1に記載の方法。
- 治療されるべき気管支部分の直径を決定するために、前記短パルスの放射時間に対する前記超音波エコー波形の時間遅延の測定についての電気信号を処理するように前記アクチュエータ又は制御ユニットを操作することを更に含み、超音波治療波形エネルギーを伝達するための前記超音波トランスデューサの作動が、前記気管支部分の決定された大きさに応じた音響パワーレベルで前記超音波トランスデューサを作動させることを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記超音波トランスデューサの動作が、気管支部分を周方向に囲む影響容積に、該影響容積内の全ての気管支神経の伝導を不活性化する治療上有効な量の超音波治療波形エネルギーを伝達することを含む、請求項1に記載の方法。
- 約1cm3の影響容積に対して、前記超音波治療波形エネルギーが約10~約50ワットの音響パワーレベルで約10~約20秒間に亘って伝達されて、前記影響容積の全体に約100~約1000ジュールの吸収用量を提供する、請求項1に記載の方法。
- 前記超音波治療波形エネルギーは、前記超音波トランスデューサを取り囲む気管支壁部の温度を65℃未満に維持し、前記気管支壁部の周りの周方向の影響容積内の気管支神経を42℃以上に加熱するようにして伝達される、請求項1に記載の方法。
- 前記気管支樹への前記超音波トランスデューサの挿入が、視覚誘導下で気管支鏡のワーキングチャネルを通って、又は操縦可能なシースを通って、又は口腔挿管装置を通って操縦可能な超音波カテーテルを用いて、又は該操縦可能な超音波治療カテーテルの中央ルーメンを通って挿入された光ファイバを用いて光学画像誘導下で、又は前記気管支部分までの気管支樹に沿った距離を確認するためにCT、MRI処置を行った後に挿入の程度を監視するための距離目盛り表示を備えた操縦可能な超音波カテーテルを用いて、シースや気管支鏡を用いずに、口腔挿管装置を直接通って行われる、請求項1に記載の方法。
- 空気充填バルーンを患者の食道に挿入することと、
前記体積積分Aモード信号を監視することと、
前記食道内の前記空気充填バルーンによって引き起こされる食道の信号が減少するまで、治療カテーテルを極端な場合には第1の分岐部を越えて遠位に進め、それによって前記食道周囲の神経損傷の防止を可能にすることと、
空気に代えて前記バルーンに冷却液を循環させて、それにより食道周囲の神経の損傷を抑制することと
を更に含む、請求項1に記載の方法。 - 前記超音波トランスデューサがカテーテルの遠位端に取り付けられ、前記超音波トランスデューサを前記気管支樹に挿入することが、歪みゲージを介して監視される遠位のカテーテル部分の曲げ半径に少なくとも一部で基づいて決まる所望の動作位置に前記超音波トランスデューサが配置されるようにして、前記カテーテルを挿入することを含む、請求項1に記載の方法。
- 所望のカテーテル位置が、気管及び分岐気管支の直径を監視することによって決定される、請求項1に記載の方法。
- 哺乳類対象における気管支神経伝導を不活性化するための機器であって、
前記哺乳類対象の気管支樹に挿入されて、超音波エネルギーを放射する超音波トランスデューサと、
前記超音波トランスデューサに電気的に接続されたアクチュエータ又は制御ユニットと
を含み、前記アクチュエータ又は制御ユニットは、治療レベル以下の短パルスを放射させるために前記超音波トランスデューサを動作させるように構成され、電気的にコード化された体積積分Aモード信号又は前記哺乳類対象の有機組織からの超音波エコーの蓄積強度を受け取るために、前記超音波トランスデューサは、前記アクチュエータ又は制御ユニットに作用可能に接続され、前記アクチュエータ又は制御ユニットは、前記体積積分Aモード信号を処理するように更に構成されている、機器。 - 前記アクチュエータ又は制御ユニットは、前記気管支樹における前記超音波トランスデューサの挿入の程度に関する前記体積積分Aモード信号の相対的な最小値を識別するために前記体積積分Aモード信号を分析するように更に構成され、それによって、治療上有効な集束超音波エネルギーを気管支の軟骨輪の間の治療容積又は影響容積に伝達する前記超音波トランスデューサの配置を可能にする、請求項13に記載の機器。
- 前記アクチュエータ又は制御ユニットは、前記体積積分Aモード信号の時間遅延を測定し、それによって気管支部分の大きさを決定するように構成され、前記アクチュエータ又は制御ユニットはまた、前記気管支部分の決定された大きさに従って前記治療上有効な集束超音波エネルギーの量を変えるように前記超音波トランスデューサを制御するように構成される、請求項14に記載の機器。
- 前記超音波トランスデューサは、別々に動作させることができる複数のトランスデューサ要素の長手方向アレイを含み、前記アクチュエータ又は制御ユニットは、隣接する前記気管支の軟骨輪の間に前記超音波治療波形エネルギーを向けるために、前記別々に動作させることができる複数のトランスデューサ要素に順々に通電するように構成される、請求項13に記載の機器。
- 前記アクチュエータ又は制御ユニットは、完全な周方向の結合を促進するために、前記体積積分Aモード信号を分析するように構成されている、請求項13に記載の機器。
- 前記超音波トランスデューサは、気管支部分までの気管支樹に沿った距離を確認するためにCT、MRI処置を行った後に挿入の程度を監視するための距離目盛り表示を備えた操縦可能な超音波カテーテルに備えられる、請求項13に記載の機器。
- 前記超音波トランスデューサが、歪みゲージ付きカテーテルに備えられる、請求項13に記載の機器。
- 哺乳類対象における気管支神経伝導を不活性化するための機器であって、
前記哺乳類対象の気管支部分に挿入されて、集束超音波エネルギーを放射する超音波トランスデューサと、
前記超音波トランスデューサに電気的に接続されたアクチュエータ又は制御ユニットと
を含み、前記アクチュエータ又は制御ユニットは、前記気管支部分の少なくとも一部を取り囲む少なくとも約1cm3の影響容積に集束超音波エネルギーを伝達するために前記超音波トランスデューサを制御するように構成され、前記集束超音波エネルギーは、前記影響容積の全体に亘って気管支神経の伝導を不活性化するのに有効な量である、機器。 - 前記アクチュエータ又は制御ユニットは、約10~約50ワットの音響パワーレベルで約10~約20秒間に亘って集束超音波エネルギーを伝達し、前記影響容積内に約100~約1000ジュールの用量を提供するようにして、前記超音波トランスデューサを制御するように構成される、請求項20に記載の機器。
- 前記アクチュエータ又は制御ユニットは、前記気管支部分の気管支壁の部分の温度を65℃未満に維持し、前記影響容積の全体で42℃以上の温度を達成するようにして、前記トランスデューサを制御するように構成される、請求項20に記載の機器。
- 前記アクチュエータが、前記影響容積の全体に亘って温度分布を均質化するために、所定の用量を維持しながら治療時間及び温度を変化させて前記治療時間を増加させるために、パルス状の作用で前記集束超音波エネルギーを伝達するように前記超音波トランスデューサを制御するようにされている、請求項20に記載の機器。
- 前記超音波トランスデューサが円形フェーズドアレイであり、前記アクチュエータ又は制御ユニットは、アブレーション処置の進行が2Dイメージングによりリアルタイムで監視されることができるように、ほぼ同時に超音波イメージング及び治療波形を生成するようにされている、請求項20に記載の機器。
- 遠位端及び近位端を備えたカテーテルを更に含み、前記超音波トランスデューサは、前記超音波トランスデューサを冷却するために、及び前記影響容積の全体での均質又は均一な超音波出力分布を促進するために前記超音波トランスデューサを中心に配置して気管支の軸と整列させるために、循環流体で満たされたコンプライアントバルーンの内側で前記遠位端に隣接して前記カテーテルに取り付けられる、請求項20に記載の機器。
- 前記カテーテルが、前記気管支部分の壁の損傷を避けるために、前記壁と接触しないで前記超音波トランスデューサを保持する構造及び構成にされている、請求項25に記載の機器。
- 前記超音波トランスデューサが軸を有し、前記カテーテルが前記超音波トランスデューサの前記軸を前記気管支部分の軸に概ね平行に保持する構造及び構成にされ、前記超音波トランスデューサは、前記超音波トランスデューサの前記軸の周り360°の円筒形態で超音波エネルギーを伝達して、影響容積の全体に亘ってパワー分布を最適化するようにされている、請求項25に記載の機器。
- 前記コンプライアントバルーンが、前記気管支部分の壁に嵌ることができる多孔質膜を含み、前記コンプライアントバルーン及びその中に配置された前記超音波トランスデューサの長手方向の可動性を維持しながら音響結合を改善するための流体を備える、請求項25に記載の機器。
- 前記循環流体は結合及び冷却液からなり、前記機器は、前記結合及び冷却液を循環させる手段を更に備え、前記アクチュエータ又は制御ユニットは、前記コンプライアントバルーン内の冷却及び循環流体の液量及び圧力を測定するように構成され、前記アクチュエータ又は制御ユニットは、一定体積かつ急激な圧力増加の点を決定し、それにより前記気管支部分の直径を決定し、それによって全体の超音波出力を最適化するように更に構成されている、請求項25に記載の機器。
- 循環流体で満たされたコンプライアントバルーンを更に備え、前記超音波トランスデューサは、前記コンプライアントバルーンの内部に配置され、前記コンプライアントバルーンは、電子制御、流体レンズ、及び機械的なレンズからなる群から選択された集束構成要素もまた含む、請求項20に記載の機器。
- 哺乳類対象における気管支神経伝導を不活性化するための方法であって、
超音波トランスデューサを前記哺乳類対象の気管支部分に挿入するステップと、
前記気管支部分を少なくとも部分的に取り囲む少なくとも約1cm3の影響容積内に治療上有効な集束超音波エネルギーを伝達するように前記超音波トランスデューサを動作させ、それにより前記治療上有効な集束超音波エネルギーが前記影響容積内の全ての気管支神経の伝導を不活性化するステップと
を含む、方法。 - 前記超音波エネルギーが、約10~約50ワットの音響パワーレベルで約10~約20秒間に亘って伝達されて、前記影響容積の全体に約100~約1000ジュールの吸収用量を提供する、請求項31に記載の方法。
- 前記超音波トランスデューサの動作は、前記気管支部分の温度を65℃未満に維持し、前記影響における気管支神経を42℃以上に加熱するようにして行われる、請求項31に記載の方法。
- 超音波治療波形エネルギーを伝達するための前記超音波トランスデューサの動作が、いずれの特定の気管支神経の位置も決定することなく行われる、請求項31に記載の方法。
- 各主気管支の治療部分への超音波エネルギーの1回の適用が、それぞれの前記治療部分を取り囲む全ての気管支神経のそれぞれの前記治療部分の遠位での伝導を不活性化するのに有効であるようにして、前記トランスデューサの動作が行われる、請求項31に記載の方法。
- 前記トランスデューサを動作させるステップの後に、気管支樹の中で前記超音波トランスデューサを再配置するステップと、
次に前記超音波トランスデューサを動作させるステップを繰り返すステップと
を更に含む、請求項31に記載の方法。 - 前記超音波トランスデューサの動作が、用量を増加させることなく治療時間を増加させるためにパルス状の作用で超音波エネルギーを放射し、それによって前記影響容積の全体で温度を均一にすることを含む、請求項31に記載の方法。
- 前記超音波トランスデューサは、ほぼ同時の2Dイメージング及び治療を行うように動作可能なフェーズドアレイであり、それによってリアルタイムでアブレーション過程の監視を可能にする、請求項31に記載の方法。
- 前記気管支部分への前記超音波カテーテルの挿入が、視覚誘導下で気管支鏡のワーキングチャネルを通って行われる、請求項31に記載の方法。
- 前記超音波カテーテルの挿入が、操縦可能なシースを通って行われる、請求項31に記載の方法。
- 前記超音波カテーテルの挿入が、シース又は気管支鏡を用いずに、経口挿管装置を通る操縦可能な超音波カテーテルを用いて行われる、請求項31に記載の方法。
- 前記超音波カテーテルの挿入が、操縦可能な超音波治療カテーテルの中央ルーメンを通って挿入された光ファイバを介した光学画像誘導下で行われる、請求項31に記載の方法。
- 前記超音波トランスデューサの挿入が、シース又は気管支鏡を用いずに、挿入の程度を監視するための距離目盛りを備えた操縦可能な超音波カテーテルを用いて口腔挿管装置を直接通って行われ、更に前記超音波カテーテルの挿入前にCT、MRI処置を実施して、前記気管支部分までの気管支樹に沿った距離を確認することを含む、請求項31に記載の方法。
- 所望のカテーテル位置が、歪みゲージを介して監視される遠位のカテーテル部分の曲げ半径に基づいて決定される、請求項43に記載の方法。
- 所望のカテーテル位置が、気管と分岐気管支の直径を対比して監視することによって決定される、請求項43に記載の方法。
- 前記超音波トランスデューサの挿入が、気管支鏡のワーキングチャネルを通って配置されたガイドワイヤを介して行われる、請求項31に記載の方法。
- 治療上有効な超音波エネルギーのパワーレベルよりも小さいパワーレベルで非治療用の超音波エネルギーを適用するステップと、
反射された非治療用の超音波エネルギーを受信して、反射されたエネルギーを示すエコー信号を生成するステップと、
軟骨輪の間にあるようにして治療容積の長手方向の位置を最適化するステップと
を更に含む、請求項31に記載の方法。 - 治療上有効な超音波エネルギーを適用するために前記超音波トランスデューサを動作させる前に、エコー信号に基づいて前記気管支部分の直径を決定することを更に含む、請求項31に記載の方法。
- 前記気管支部分の決定された前記直径に少なくとも一部で基づいた量で治療上有効な集束超音波エネルギーを放射するために、前記超音波トランスデューサに与える電力をその動作中に調節することを更に含む、請求項48に記載の方法。
- 気管支神経の不活性化において使用するためのプローブであって、該プローブは、
集束超音波エネルギーを伝達するように構成された超音波トランスデューサと、
遠位端及び近位端を備えたカテーテルと
を含み、前記トランスデューサは前記遠位端に隣接して前記カテーテルに取り付けられ、前記カテーテルと前記トランスデューサは、前記遠位端と前記トランスデューサとを気管支部分内に配置すること及びコンプライアントバルーンを気管支壁に接触させることができる構造及び構成にされている、プローブ。 - 前記カテーテルは、治療される前記気管支部分内で前記トランスデューサを中心に配置しかつ位置を合わせて保持する構造及び構成にされている、請求項50に記載のプローブ。
- 前記トランスデューサは軸を有し、前記カテーテルは、前記トランスデューサの前記軸を気管支の軸に概ね平行に保持する構造及び構成にされ、前記トランスデューサは、前記トランスデューサの前記軸の周り360°の円筒形態で超音波エネルギーを伝達するようにされている、請求項50に記載のプローブ。
- 前記カテーテルは、前記トランスデューサを取り囲む、流体が充填された中心への位置合わせ要素を含み、前記中心への位置合わせ要素は、前記気管支部分の実質的に中心に前記トランスデューサを保持するように構成されている、請求項50に記載のプローブ。
- 前記中心への位置合わせ要素は、前記気管支部分の壁に嵌るようにされた膨張可能な要素を含む、請求項50に記載のプローブ。
- 肺動脈に挿入された側面発射トランスデューサを用いて行われる、請求項31に記載の方法。
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