JP2023546323A - 冠動脈手技の超音波および光音響ガイダンスのためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

冠動脈手技の超音波および光音響ガイダンスのための、装置、システムおよび方法が本明細書において開示される。特定の態様は、超音波送受信器を備える第1のカテーテルと、近位端および遠位端を含む第2のカテーテルとを含み、光音響励起光送信器は、第2のカテーテルの遠位端に配置される。光音響励起光送信器は、円錐形パターンで特定のパルス持続時間で励起光を出射するように構成することができる。第2のカテーテルは、光音響励起光送信器によって出射された励起光の吸収から生じる光音響信号を検出するように構成することができる。TIFF2023546323000005.tif93128

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2020年9月14日に出願された米国仮特許出願第63/078,096号の優先権を主張し、その内容全体が参照により本明細書に組み入れられる。

背景情報
冠動脈アテローム性動脈硬化症は、最も一般的なタイプの心血管疾患であり、毎年370,000人のアメリカ人の死をもたらす。血管内デバイスおよびステント留置を利用する経皮的冠動脈インターベンション（PCI）手技は、重度の冠動脈アテローム性動脈硬化症を有する多くの患者に効果的かつ低侵襲性の処置選択肢を提供しているが、慢性完全閉塞（CTO）を処置するためのそれらの使用は依然として困難であり、議論を呼ぶものである。CTOは、冠動脈アテローム性動脈硬化症を有する血管造影を受けている患者の20％に見られ［1］、既存の処置選択肢は最適以下であるため、罹患率および死亡率の増加に関連する［2,3］。現在のCTO処置選択肢としては、冠動脈バイパスグラフトすなわちCABG（30％）、医薬品による管理（60％）、およびPCI（10％）が挙げられる［1,4］。CABGは罹患率および死亡率を低下させるのに効果的であるが、この手技は、高価であり、高齢患者または虚弱患者には実用的ではなく、比較的長い回復時間を必要とする。CABGの別の重要な制限は、大部分のバイパスグラフトが静脈を利用することであり、これは、低圧環境から高圧環境へと静脈グラフトを再利用するため、早期に失敗する。再利用された静脈グラフトにおける動脈圧の上昇は、持続的な内皮細胞傷害およびアテローム性動脈硬化症の早期発症をもたらす。結果として、静脈グラフトの50％がCABG後10年以内に閉塞するようになる。

医薬品を用いたCTO管理は、基礎疾患機構を処置せず、多くの場合、主要有害心イベント（MACE）の数を減少させることができず、患者の転帰の改善は最小限である。一方、PCIは、狭心症およびMACEを低減することによって患者の転帰を有意に改善することが示されている［5,6］。非常に効果的で低侵襲性であるにもかかわらず、PCIは、手技が複雑で技術的に困難であり、少数のインターベンション心臓専門医しか実行することができないので、CTO症例の10％でしか使用されない［4］。PCIでCTOを処置することの困難さは、病変を含む硬質線維石灰化材料を交差するように、操縦可能なワイヤをナビゲートすることに関連する課題である。現在のCTO交差法は、プラークの周囲および血管壁の内膜下腔にワイヤを前進させ、真腔に再び進入させることを含む。内膜下交差のリスクとしては、血管壁穿孔および側枝閉塞が挙げられ、タンポナーデおよび心筋梗塞をもたらす。さらに、内膜下交差では、切開再進入による血管壁内の最終的なステント留置は、真腔CTO交差およびステント留置と比較して、再狭窄およびステント血栓症の増加に関連する［7～11］。

冠動脈の非CTO狭窄病変に使用される従来のPCI手技は、罹患動脈の狭窄管腔を通してワイヤをナビゲートすることを含む［12］。ワイヤがアテローム性動脈硬化プラークを交差して首尾よくナビゲートされると、ステントまたはアテローム切除デバイスを展開して狭窄した通路をさらに開き、正常な血流を回復させることができる。冠動脈CTOに適用される場合、これらの従来のPCI手技は、一般に、冠動脈が長さ1～2センチメートルにわたって100％閉塞されているために、ほとんどのインターベンション専門医にとって、真腔を残したままワイヤをCTO通過させることがほぼ不可能であるため、失敗する。真腔PCI手技の課題としては、血管壁の穿孔および動脈側枝の喪失のリスクを冒す、内膜下腔へのワイヤの意図しない誤方向を同時に回避しながら、硬質線維石灰化CTOキャップを安全に穿刺することが挙げられる。

代替的な方法は、内膜下交差として公知の手技である、硬質線維石灰化CTOキャップの側面にワイヤを意図的に導くことを試みる。内膜下交差法は、CTO病変を取り囲む血管壁を通してワイヤを前進させることを含む。血管壁は、薄い内皮層（内膜）、中間層（中膜）および外層から構成される3層構造である。アテローム性動脈硬化疾患は、3つの層すべてを厚くする。内膜下交差では、ワイヤはループ状にされ、アテローム性動脈硬化プラークと血管壁の外層との間の空間内でCTOを越えて順行方向および/または逆行方向のいずれかから意図的に前進される。CTOを越えて血管壁を通ってワイヤを前進させた後、血管壁または内膜下腔内にステントを展開して血流を再確立する。CTOを越えると、ワイヤは、内膜下腔から冠動脈の真腔に戻されなければならない。ワイヤを安全に真腔に戻すことは困難な工程であるため、血管分岐部で自発的に再進入することができる、Stingrayバルーンおよびナックルワイヤなどの特殊なデバイスが利用される。

薬理学的適用は、CTOを有する患者が罹患する狭心症を処置するために使用することができるが、これらは、狭心症症状の排除において必ずしも成功していない。医療的インターベンション手技は、薬物治療が成功しなかった場合にCTO処置を提供するために使用される。CTOに対処するための2つの主要な既存の手技としては、冠動脈バイパスグラフト（CABG）および経皮的冠動脈インターベンション（PCI）が挙げられる。CABGは、閉塞した冠動脈を越えて健常な動脈または静脈を移植する侵襲的外科手技である。移植された血管は、冠動脈の閉塞領域を迂回し、血液が心筋に流れるための経路を提供する。CABGは比較的高価な手技であり、PCIと比較して患者の回復時間が長く、患者にとってより外傷性である。

PCI手技は、典型的には、折り畳まれたステントを閉塞領域内に前進させることと、ステントを拡張して以前に遮断された血管を通る通路を提供することとを含む。そのような手技は、一般に、ステントの配置を可能にするために閉塞領域を通してガイドワイヤを導くことを含む。しかしながら、CTOの場合、完全に遮断された閉塞領域を通してガイドワイヤを導くことができないことが多い。そのような場合、処置の選択肢としては、血管壁を通すことを含む、閉塞を通してまたはその周囲にガイドワイヤまたは他の構成要素を導くことを含む。具体的には、多くの典型的な処置選択肢は、血管内の内膜下腔を通して構成要素を導くことを必要とする。

そのような処置選択肢は、一部には利用可能な空間が限られており、関連するリスクが提示されているため、医師に重大な課題を提示する。主な課題の1つは、血管壁を不注意に穿孔することなく閉塞を越えて機械的構成要素を導くことである。血管壁のそのような穿孔は、心タンポナーデなどの重篤な合併症を引き起こす可能性があり、したがって、血管閉塞を有する患者を処置する場合にそのようなリスクを回避することが非常に望ましい。

さらに、そのような処置選択肢は、実行するのにかなりの時間、典型的には最大3時間を必要とする可能性がある。手技を完了するには、医師は、極めて正確な操作を実行しながら、長時間にわたって極度に集中する必要がある。これは、医師の疲労につながり、血管壁を不注意に穿孔するリスクを増加させる可能性がある。したがって、CTOのPCI手技を実行することができるか、または実行する意思がある心臓専門医は少ない。そのような手技のための時間の延長はまた、他の手技のために通常利用可能なリソース（機器および人間の両方）の再配置をもたらす。

内膜下交差の技術的な困難および手技の複雑さのために、少数の高度に専門化したインターベンション心臓専門医のみが手技を実行する。さらに、2003年にAntonio Columbo,MDによって最初に内膜下交差が報告された日から現在まで、この手技は、血管壁穿孔などの深刻な合併症のリスクの増加のために、議論を呼ぶものである［13,14］。血管壁穿孔は、心嚢への血液の急速な喪失をもたらし、これは通常、患者をショック状態に陥らせる。急速な失血は、金属コイルの血管内配置または穿孔部位での被覆ステントの展開のいずれかによって直ちに停止させなければならない。金属コイルの配置は、出血を止めるが下流の梗塞をもたらす局所的な凝血塊を誘発する。被覆ステントを血管壁に対して展開することにより、穿孔を密封することができるが、血管再狭窄の割合が高い。内膜下交差PCI手技に関連する別の深刻なリスクは、側枝穿孔および/または閉塞である。内膜下交差中に、ワイヤは動脈側枝に遭遇して穿孔し、心筋梗塞を引き起こす可能性がある。

あるいは、冠動脈への血流を回復させるために内膜下腔にステントが展開された場合、図1のパネルBおよびCに示すように、側枝がステント拡張によって閉塞される可能性がある。これは、バルーン形成中の分枝閉鎖の一般的な合併症であり、1つの動脈におけるCTO内膜下交差が側枝における血流停止を引き起こす。

高度に専門化したインターベンション心臓専門医の必要性と共に、これらの深刻なリスクおよび潜在的な合併症は、内膜下交差手技の適用を制限しており、CTO患者の約10％しかPCI処置の利益を受けられない。

PCIを受けている石灰化CTOを有するほとんどの患者は、現在、内膜下交差手技を使用して処置されているが、最近の研究は、真腔アプローチが実際により良好な患者の転帰をもたらすことを実証している［15］。再狭窄率、ステント血栓症率、および患者の死亡率は、内膜下交差に対して真腔アプローチで改善される［15］。結果として、真腔CTO交差を実行するために利用される多くの血管内デバイスが開発され、臨床的に試験されている［16］。これらの血管内デバイスとしては、CTOアブレーションのための光ファイバ送達エキシマまたは中赤外レーザ放射、高周波超音波（HIFU）、音響ワイヤ、ワイヤセンタリングデバイス、および側視OCT撮像を伴う機械的ロータブレータが挙げられる。これらのデバイスはすべて、冠動脈CTOを交差するための臨床試験に失敗している［16］。エキシマレーザデバイスは、カルシウムの非効率的なアブレーション、不十分なガイダンスおよび非特異的な残留熱損傷のために、冠動脈では失敗している。中赤外線レーザ装置は、硬質線維石灰化CTOキャップを容易に切断することができるが［17］、これらのデバイスは、不十分なガイダンスおよび非特異的な熱傷害のために、失敗している。HIFUデバイスは、非特異的な熱損傷および最も遠位の冠動脈セグメントに対する大きなデバイスサイズのために失敗している。音響ワイヤは、蛇行した冠動脈をナビゲートするのに必要なワイヤの屈曲が、血管壁との望ましくない接触につながり、非特異的な音響エネルギーを送達して血管傷害をもたらすので、失敗している［16］。ワイヤセンタリングデバイスは、石灰化線維キャップの穿刺を補助しない。末梢循環のためのOCT側方視ロータブレータなどの剛性の機械的切断デバイスは、蛇行した冠動脈を安全にナビゲートする柔軟性を有さず、血管壁穿孔のリスクがあり、冠動脈で使用するには大きすぎる。インターベンション心臓専門医が、真腔CTO交差が可能な安全で堅牢なPCIデバイスへの容易に利用可能なアクセスを有しないので、PCI処置の利益を医薬品またはCABGで現在処置されているCTO患者の90％に拡大することができるデバイスを実現する好機が認識されている。

したがって、既存のシステムおよび方法に関連するこれらおよび他の制限を克服するシステムおよび方法が望まれている。

概要
PCIを単純化し、手技をすべてのインターベンション心臓専門医にアクセス可能にし、CABGまたは医薬品ではなくPCIによって連続的に処置され得るCTO患者の数を増加させる新しい血管内システムおよび方法に対する緊急の必要性が認識されている。本開示の例示的な態様は、既存の処置選択肢の短所に対処する、血管閉塞を処置することができる（例えば、血管の閉塞領域を通る血流を回復させる）システムおよび方法を含む。特定の態様は、血管の真腔を交差するシステムおよびデバイスを含む。

PCI真腔カテーテルデバイスおよび冠動脈内のCTOを交差するための手技を開発するための以前の試みは、成功した実施に対して障害となる短所を含んでいた。例えば、そのようなシステムは、柔軟性がないかまたは操縦不能である過大なカテーテルデバイスを組み込んでいた。さらに、そのようなシステムは、リアルタイムガイダンスを提供せず、ナビゲーションシステムも組み込んでいなかった。例えば、光干渉断層撮影（OCT）ガイダンスシステムが機械的アテローム切除デバイスに組み込まれているが、サイズが大きく柔軟性のない先端が、このデバイスの下肢末梢動脈への臨床適用を制限しており、湾曲および蛇行が多いより小さな冠動脈での使用は可能ではない。ガイダンスシステムをアテローム切除または切断デバイスと組み合わせた場合、カテーテルのサイズが増大し、操縦およびナビゲーションをより困難にする。

超音波、光音響、光干渉断層撮影（OCT）およびX線撮像を含むいくつかの潜在的なCTOガイダンス撮像システムが認識されている。しかしながら、これらの候補ガイダンスシステムの各々は、測距深度、空間分解能、デバイスサイズ、および生物学的適合性に関連する潜在的な制限を含む。超音波は優れた測距深度を有し、生物学的に適合性があるが、空間分解能はアレイサイズまたは回転カテーテルの必要性によって制限され得る。光音響は、超音波に類似して、優れた測距深度、良好な生物学的適合性および組織特異性を有するが、カテーテルサイズを増大させ得る励起光源および超音波受信器の両方を組み込んでいる。OCTは、良好な空間分解能を提供するが、測距深度が限られ（典型的には約2mm）、回転カテーテルを利用するため、CTOデバイスのサイズが増大する。X線撮像は、測距深度および解像度の両方の要件を満たすことができ、またX線源を体外に配置することができる。しかしながら、X線は、生物学的に適合性の線量測定によって、ならびに高度に湾曲および蛇行した閉塞冠動脈の不十分な撮像によって、適用が制限され得る。さらに、動脈壁および管腔プラーク中のカルシウムのみが、X線による冠動脈の識別を可能にするが、外膜カルシウムおよび管腔カルシウムは、従来のX線アプローチによって区別することができない。

本開示の例示的な態様は、高解像度撮像と、パルスレーザ放射を使用してCTOを交差する小型操縦可能カテーテルとを提供するCTOガイダンスおよび処置システムを含む。特定の態様では、ガイダンスシステムは、心内心エコー（ICE）（例えば、右心房または右心室のいずれかに配置される）を使用して超音波と光音響との両方を組み合わせ、それによって空間を解放し、交差カテーテルのサイズを縮小する。

超音波/光音響ガイダンスシステムおよびレーザCTOカテーテルを使用する例示的な態様は、優れたガイダンス能力を有する小型カテーテルによる真腔PCIアプローチの導入の成功により、冠動脈CTO患者の転帰を潜在的に実質的に改善することができる。

特定の態様は、慢性完全閉塞の処置のガイダンスのために構成された装置であって、超音波送受信器を備える第1のカテーテル、近位端および遠位端を含む第2のカテーテル、ならびに第2のカテーテルの遠位端に配置された光音響励起光送信器を備え、光音響励起光送信器が、円錐形パターンで励起光を出射し、光音響励起光送信器が、50フェムト秒（fs）～1マイクロ秒（μs）のパルス持続時間で励起光を出射し、第2のカテーテルが、光音響励起光送信器によって出射された励起光の吸収から生じる光音響信号を検出するように構成される装置を含む。

特定の態様は、制御モジュールをさらに備え、制御モジュールは、第1のカテーテルおよび第2のカテーテルに結合されている。いくつかの態様では、超音波送受信器は、フェーズドアレイとして構成される。特定の態様では、超音波送受信器は、超音波送受信器の周りに延在する円周方向列に配置された複数のトランスデューサを備える。特定の態様では、円周方向列は第1の円周方向列であり、複数のトランスデューサは、超音波送受信器の周りに延在する第2の円周方向列にさらに配置される。特定の態様では、制御モジュールは、励起光のパルス持続時間を制御するように構成される。特定の態様では、第2のカテーテルはフォトニック結晶ファイバを備える。特定の態様では、フォトニック結晶ファイバは、ダブルクラッドフォトニック結晶ファイバである。いくつかの態様では、ダブルクラッドファイバは、コアおよびクラッドを備え、光音響励起光送信器は、第2のカテーテルの遠位端にクラッドの円錐形先端として構成される。特定の態様では、円錐形先端は、遠位端から外向きに延在する。特定の態様では、円錐形先端は、遠位端から内向きに延在する。特定の態様では、コアは、遠位端の直前方の領域の近距離撮像のための照明を提供するように構成される。いくつかの態様では、光音響励起光送信器は、第2のカテーテルの遠位端にフォトニック結晶ファイバの円錐形先端として構成される。特定の態様では、フォトニック結晶ファイバは、多面先端を備える。特定の態様では、第2のカテーテルは、930ナノメートル（nm）の波長で励起光を出射するように構成される。特定の態様では、第2のカテーテルは、1200nm～1240nmの波長で励起光を出射するように構成される。いくつかの態様では、第2のカテーテルは、1210nmの波長で励起光を出射するように構成される。特定の態様では、第2のカテーテルは、1700nm～1740nmの波長で励起光を出射するように構成される。

特定の態様では、第2のカテーテルは、1720nmの波長で励起光を出射するように構成される。特定の態様では、第2のカテーテルは、脂質特異的である第1の波長および血液特異的である第2の波長で励起光を出射するように構成される。いくつかの態様では、第2のカテーテルは、915nm、1210nmまたは1720nmの第1の波長、および532nm、980nmまたは808nmの第2の波長で励起光を出射するように構成される。

特定の態様は、慢性完全閉塞（CTO）を含む血管を撮像する方法であって、以下の工程を含む方法を含む：超音波送受信器を備える第1のカテーテルを心臓の領域内に導く工程；慢性完全閉塞（CTO）を含む動脈に第2のカテーテルを導く工程；第2のカテーテルの遠位端から光音響励起光を出射する工程（ここで、光音響励起光は、円錐形パターンで出射され、光音響励起光は、50fs～1usのパルス持続時間で出射され、光音響励起光は、動脈を取り囲む組織またはCTO内の組織における光吸収によって光音響信号を生成する）；および、第1のカテーテルを介して動脈またはCTOの周囲から出射された光音響信号を検出する工程。

特定の態様では、動脈は右冠動脈であり、第1のカテーテルが導かれる心臓の領域は、右冠動脈に近位の右心房である。いくつかの態様では、動脈は、左前下行枝動脈であり、第1のカテーテルが導かれる心臓の領域は、左前下行枝動脈に近位の右心室である。特定の態様では、動脈は、左前下行枝動脈であり、第1のカテーテルが導かれる心臓の領域は、左前下行枝動脈に近位の静脈である。特定の態様では、動脈は、左回旋枝動脈であり、第1のカテーテルが導かれる心臓の領域は、左前回旋枝動脈に近位の右心室である。特定の態様では、動脈は左回旋枝動脈であり、第1のカテーテルが導かれる心臓の領域は、左前回旋枝動脈に近位の静脈である。特定の態様では、動脈は、左前下行枝動脈であり、第1のカテーテルが導かれる心臓の領域は、左前下行枝動脈に近位の左心室である。特定の態様では、動脈は左回旋枝動脈であり、第1のカテーテルが導かれる心臓の領域は、左前回旋枝動脈に近位の左心室である。特定の態様では、光音響励起光は、930ナノメートル（nm）の波長で出射される。特定の態様では、第2のカテーテルは、1200nm～1240nmの波長で励起光を出射するように構成される。いくつかの態様では、第2のカテーテルは、1210nmの波長で励起光を出射するように構成される。特定の態様では、第2のカテーテルは、1700nm～1740nmの波長で励起光を出射するように構成される。特定の態様では、第2のカテーテルは、1720nmの波長で励起光を出射するように構成される。

特定の態様は、超音波送受信器から、送信された超音波信号を発信する工程、および超音波送受信器によって、送出された超音波信号を受信する工程をさらに含む。いくつかの態様では、光音響信号および送出された超音波信号は、第2のカテーテルを運動学的に導くために利用される。特定の態様では、前記運動学的な導きは、機械的並進または再配向の任意の組み合わせを含み得る。特定の態様では、第1のカテーテルおよび第2のカテーテルは、制御モジュールに結合され、制御モジュールは、励起光のパルス持続時間を制御するように構成される。いくつかの態様では、第2のカテーテルはフォトニック結晶ファイバを備え、光音響励起光は、フォトニック結晶ファイバから出射される。特定の態様では、フォトニック結晶ファイバは、ダブルクラッドフォトニック結晶ファイバである。特定の態様では、ダブルクラッドファイバは、コアおよびクラッドを備え、光音響励起光は、第2のカテーテルの遠位端のクラッドの円錐形先端から出射される。特定の態様では、円錐形先端は、第2のカテーテルの遠位端から外向きに延在する。いくつかの態様では、円錐形先端は、第2のカテーテルの遠位端から内向きに延在する。特定の態様は、ダブルクラッドファイバのコアを介して第2のカテーテルの遠位端の直前方の領域を照明する工程をさらに含む。

以下の開示では、「結合された」という用語は、必ずしも直接的ではなく、必ずしも機械的ではないが、接続されていると定義される。

特許請求の範囲および/または明細書において「備える（comprising）」という用語と組み合わせて使用される場合の「1つの（a）」または「1つの（an）」という単語の使用は、「1つ」を意味し得るが、「1つまたは複数」または「少なくとも1つ」の意味とも一致する。「約（about）」および「約（approximately）」という用語は、一般に、記載された値±5％を意味する。特許請求の範囲における「または」という用語の使用は、代替物のみを指すかまたは代替物が相互に排他的であると明示的に示されない限り、「および/または」を意味するために使用されるが、本開示は、代替物のみおよび「および/または」を指す定義を支持する。

「備える（comprise）」（ならびに「備える（comprises）」および「備える（comprising）」などのcompriseの任意の形式）、「有する（have）」（ならびに「有する（has）」および「有する（having）」などのhaveの任意の形式）、「含む（include）」（ならびに「含む（includes）」および「含む（including）」などのincludeの任意の形式）、ならびに「含有する（contain）」（ならびに「含有する（contains）」および「含有する（containing）」などのcontainの任意の形式）という用語は、オープンエンドの連結動詞である。結果として、1つまたは複数の工程または要素を「備える（comprises）」、「有する（has）」、「含む（includes）」または「含有する（contains）」方法またはデバイスは、それらの1つまたは複数の工程または要素を有するが、それらの1つまたは複数の要素のみを有することに限定されない。同様に、1つまたは複数の特徴を「備える（comprises）」、「有する（has）」、「含む（includes）」または「含有する（contains）」方法の工程またはデバイスの要素は、それらの1つまたは複数の特徴を有するが、それらの1つまたは複数の特徴のみを有することに限定されない。さらに、特定の様式で構成されるデバイスまたは構造は、少なくともその様式で構成されるが、列挙されていない様式で構成されてもよい。

本発明の他の目的、特徴および利点は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。しかしながら、詳細な説明および特定の実施例は、本発明の特定の態様を示しているが、本発明の精神および範囲内の様々な変更および修正がこの詳細な説明から当業者には明らかであるので、例示としてのみ与えられることを理解されたい。

以下の図面は、本明細書の一部を形成し、本開示の特定の局面をさらに実証するために含まれる。本発明は、本明細書において提示される特定の態様の詳細な説明と組み合わせてこれらの図面のうちの1つを参照することによってよりよく理解され得る。

使用中の例示的な態様による装置の概略図を示す。 図1の態様の一部の概略図を示す。 図1の態様の一部の概略図を示す。 図1の態様の一部の概略図を示す。 本開示による例示的な態様の概略画像および超音波画像を示す。 本開示による例示的な態様の概略画像および超音波画像を示す。 エクスビボブタ心臓における光音響励起およびファントムCTO血管描出の画像を示す。本開示による例示的な態様の。 ヒトの心臓からのエクスビボ冠動脈についての光音響励起および石灰化CTO右冠動脈血管描出の画像を示す。 光音響励起の画像を示し、石灰化CTO左前下行枝血管描出がエクスビボヒト心臓において示されている。 本開示による例示的な態様による膨張可能部分を含むカテーテルを示す。 使用中の図10の態様を示す。 使用中の図10の態様を示す。 回転センサを備える例示的な態様による装置の部分断面概略図を示す。 円周方向センサを備える例示的な態様による装置の部分断面概略図を示す。 2列の円周方向センサを備える例示的な態様による装置の斜視図を示す。 図15の態様の部分断面図を示す。 距離による「円」壁検出の劣化を示す時間反転アルゴリズムを示す。 冠動脈ファントムの超音波および光音響撮像の実験結果を示す。 多面先端を有する光音響励起光送信ファイバを備える第1の例示的な態様による装置の斜視図を示す。 多面先端を有する光音響励起光送信ファイバを備える第2の例示的な態様による装置の斜視図を示す。 本開示の例示的な態様に従って、修正されたファイバ先端形状が点出力のリングを提供することができることを示す。 図21の態様の出力に基づいて円のすべての辺を完成させる能力を示すシミュレートされた再構成を示す。 連続的な（リング）励起対リングを完成させる点の集合である励起の2つの場合の比較を示す。 ウサギモデルの経静脈撮像アプローチに使用される装置を示す。 図24のウサギモデルの経静脈撮像アプローチの結果を示す。 本開示の例示的な態様によるインビボブタ心臓における経静脈カテーテル配置の実証を示す。 本開示の例示的な態様による概略図および撮像結果を示す。 本開示の例示的な態様によるブタ心臓右冠動脈の超音波および光音響画像を示す。

例示的な態様の詳細な説明
本開示の例示的な態様は、冠動脈内の慢性完全閉塞の処置のための光音響ガイダンスに利用するシステムおよび方法を含む。最初に図1～図4を参照すると、慢性完全閉塞（CTO）150の処置のための光音響ガイダンスのために構成された装置100が示されている。この態様では、装置100は、制御モジュール105に結合された第1のカテーテル110および第2のカテーテル120を備える。特定の態様では、第1のカテーテル110は、心内心エコー光音響超音波（ICE-PA）検出として構成されてもよく、第2のカテーテル120は、慢性完全閉塞（CTO）処置カテーテルとして構成されてもよい。図1は、心臓190の第1の動脈191に挿入されたICE-PA検出カテーテル110と、CTO 150を含む第2の動脈192に挿入された第2のカテーテル120とを有する動作中の装置100の概略図を示す。図2～図4は、以下でさらに詳細に説明するように、装置100の特定の部分の図を提供する。

図示の態様では、第1のカテーテル110は、制御モジュール105の近位にある近位端111と、遠位端112とを含む。ICE-PA第1の110はまた、遠位端112の近くに超音波送受信器115を備える。さらに、第2のカテーテル120は、制御モジュール105に結合された近位端121と、遠位端122とを含む。装置100の動作中、遠位端122は、関心対象の動脈、例えば、閉塞または処置のための他の状態を含む動脈に挿入することができる。本明細書において説明される例示的な態様では慢性完全閉塞に言及しているが、慢性完全閉塞以外の閉塞または状態の視覚化および処置も本開示の範囲内であることが理解される。図示の態様では、光音響励起光送信器125は、第2のカテーテル120の遠位端122の近くに配置されている。特定の態様では、最初に、第1のカテーテル110を所望の心臓位置に配置することができ、その後、第2のカテーテル120を、例えばガイドカテーテル（図示せず）を介してCTO 150に向けて導くことができる。

以下でさらに詳細に説明するように、超音波送受信器115が心臓190内の位置118に配置されるように、第1のカテーテル110を第1の血管191に挿入することができる。第1のカテーテル110、特に超音波送受信器115は、第2のカテーテル120の遠位端122の位置に対応する光音響信号129を受信することができる。これらの信号は、ユーザが第2のカテーテル120の遠位端122の位置を決定するのを支援するために利用することができる。第1のカテーテル110は、どの冠動脈がCTO 150を含むかに応じて、異なる位置に配置することができる。例えば、第1のカテーテル110は、CTO 150の位置128に基づいて、右心房内の位置118または右心室内の位置119に配置するように導くことができる。いくつかの例では、第1の110は、右冠動脈（RCA）に近接し、RCA内部の第2のカテーテル120の視覚化を可能にする右心房内の位置118に配置することができる。他の例では、第1のカテーテル110は、右心室内の位置119に配置して、左回旋枝（LCX）動脈および左前下行枝（LAD）動脈内の第2のカテーテル120の視覚化を可能にすることができる。第1のカテーテルによって受信された信号振幅が、左前下行枝（LAD）動脈または左回旋枝（LCx）動脈のCTOに対して減衰しすぎている場合、第1のカテーテルを左心室に配置することができる。第1のカテーテルを左心室の冠動脈のより近くに配置することにより、光音響および超音波信号振幅が増加する。

装置100の動作中、光音響励起光送信器125は、特定のパルス持続時間を有する円錐形パターン124で励起光127を出射することができる。特定の態様では、光音響励起光送信器125は、フォトニック結晶ファイバ130の円錐形先端である。図3に示すように、光音響励起光送信器125は、遠位端122から外向きに延在する円錐形先端133として構成することができる。他の態様では、光音響励起光送信器125は、図4に示すように、遠位端122から内向きに延在する円錐形先端133（例えば、遠位端122に形成された円錐形の逃げ部）として構成されてもよい。特定の態様では、フォトニック結晶ファイバ130は、コア131およびクラッド131を有するダブルクラッドファイバであってもよく、円錐形先端133はファイバクラッド131に形成される。特定の態様では、コア131は、遠位端122の直前方の領域の近距離撮像のための照明を提供することができる。

特定の態様では、制御モジュール105は、50フェムト秒（fs）～1マイクロ秒（μs）のパルス持続時間で励起光127を出射するように光音響励起光送信器125を制御する。光音響信号強度は、脂質層で受ける励起光127のフルエンス率（W/m²）および励起波長での吸収係数によって決定される。特定の態様は、放射状ファイバの線量測定を考慮して脂質層の輪郭を描くために、強い光音響信号強度生成のための適切なフルエンス率を達成するために、930nm、1210nm、1720nmの波長を利用する。制御モジュール105は、パルスエネルギー（ナノ秒単位のmJのパルスエネルギー対ピコ秒単位のuJのパルスエネルギー）に結合されたパルス持続時間を制御することによって光音響応答を最大化する。第1の110は、光音響励起光送信器125によって出射された励起光127の吸収から生じる光音響信号129を検出するように構成された1つまたは複数の超音波送受信器115を備えることができる。図示の例では、光音響信号129は、血管壁152を取り囲む脂質層151の間の境界で生成される。

超音波送受信器115は光音響信号129を受信することができ、これを使用して光音響励起光送信器125の位置、ひいては血管壁152に対する第2のカテーテル120の遠位端122の位置を決定することができる。したがって、光音響信号129の検出は、血管壁152を穿孔することなく、CTO 150の処置（例えば、材料の除去）を支援するために利用することができる。特定の態様では、第2のカテーテル120は、追加の機能（例えば、近距離撮像、材料の除去を支援するための真空管腔、例えば、生理食塩水またはCO₂を断続的またはパルス注入し、パルスレーザ照射に応答してCTOおよび動脈を一時的に冷却して、後の再狭窄をもたらし得る熱傷害を防止することなど）を実行するために、1つまたは複数の追加の管腔140、141を備えてもよい。

第1のカテーテル110は、どの冠動脈がCTO 150を含み、したがって視覚化される必要があるかに応じて異なる位置に配置することができる。例えば、第1のカテーテル110は、CTO 150の位置128に基づいて、右心房内の位置118または右心室の位置119に配置されるように導くことができる。いくつかの例では、第1のカテーテル110は、右冠動脈（RCA）に近接し、RCA内部の第2のカテーテル120の視覚化を可能にする右心房内の位置118に配置することができる。他の例では、第1のカテーテル110は、右心室内の位置119に配置して、左回旋枝（LCX）動脈および左前下行枝（LAD）動脈内の第2のカテーテル120の視覚化を可能にすることができる。あるいは、第1のカテーテル110は、LADまたはLCXの撮像を改善するために、左心室に配置することができる。

励起光127の放射状/円錐形の送信は、単一の光音響励起パルスに応答して動脈192の断面領域の完全な視覚化を可能にする。血管壁152の組織とファイバ130との間の高い音響インピーダンス不整合を考慮すると、超音波撮像は、超音波送受信器115を介してファイバ130の位置を決定することができる。ファイバ130の任意の断面の位置は、適切な断面図または三次元図を得るために回転および屈曲によって第1のカテーテル110の超音波送受信器115を操作することによって特定することができる。特定の態様では、超音波送受信器115は、フェーズドアレイまたは単一要素回転/傾斜超音波トランスデューサであり得る。したがって、冠動脈192の管腔内のファイバ130からの光音響励起は、動脈または動脈周囲脂肪組織（PAAT）を取り囲む脂質層を撮像することによって、CTO構造および管腔境界の位置特定および視覚化を可能にする。

本開示による態様によって取得された画像は、本明細書において説明される技術の実施の成功を実証する。図5のパネルAは、石灰化CTOを有するエクスビボのヒト冠動脈を取り囲む動脈周囲脂肪組織（PAAT）の超音波（US）画像であり、図5のパネルBは、光音響（PA）撮像が石灰化CTOでさえも血管（BV）を描出することができることを示す。図5のパネルCは、励起光127に対して異なる波長で生成されたPA信号を示す。パネルCに示す態様では、PA信号は930nmで最大になる。他の態様では、最大光音響信号は、1200～1240nm（1210nmにピーク）、1700～1740nm（1720nmにピーク）の波長範囲で得られ得る。図5のパネルDは、図1および図2で説明した概念の概略図であり、パネルEは、ファイバから放射状の照明を提供する円錐形ファイバの概略図を示す。図5のパネルFは、罹患したエクスビボヒト冠動脈内部の放射状ファイアリングファイバのフェーズドアレイ超音波画像を示す（「x」はファイバの位置を示す）。最後に、図5のパネルGは、USフェーズドアレイ（ICE-PAをシミュレートする）による罹患したエクスビボヒトBV境界のPA励起、撮像および描出を示す（破線は管腔壁を描出する）。

図6のパネルAの上側概略図における上側および下側の矢印は、中央の矢印によって示されている光ファイバからの前方放射状照明を示している。光ファイバは、そのような照明空間プロファイルを達成するように成形されたガラス表面を含む。図6のパネルAの下側概略図は、直前方の組織を照明する中心コアと、PA励起のための前方円錐形プロファイルを照明するクラッドとを有するダブルクラッドファイバを示す。図6のパネルBは、ファントムCTO（矢印で示す）の内部にカテーテルを配置する超音波（US）画像を示す。図6のパネルCは、PA撮像を使用して、パネルC内の矢印によって示されるファントムCTO血管壁（BV）を描出することができることを示す。

ここで図7を参照すると、エクスビボブタ心臓に配置されたPA励起およびファントムCTO血管描出の追加の結果が示されている。図7の左部分は、ブタ心筋に配置されたファントムCTO血管のUS撮像を示す。図7の右部分は、ブタ心筋に配置されたファントムCTO血管の壁のPA画像を示す。左パネルの白抜きの四角は、右パネルでPA画像が計算された領域を示している。この場合の励起光（波長930nm）は、ファントムCTO血管の半径方向断面領域を照明する、ファントムCTO血管の内部に配置された円錐形照明ファイバ（左パネルの矢印で示す）を通して送信される。右パネルの2つの矢印は、ファントムCTO血管壁を描出するコントラストを強調している。

図8は、以前にバイパス手術（CABG）を受けたことがあるヒト心臓からのエクスビボ冠動脈についてのPA励起および石灰化CTO右冠動脈（RCA）血管描出を示す。すべてのパネル（A、B、C、D）は、US/PA撮像システムの視野内で心臓を並進するときのRCA CTO冠動脈の断面画像である。パネルBおよびパネルCでは（パネルAおよびパネルDとは異なり）脂質プラークがCTOの内側に存在する（パネルB、CのPA画像において、冠動脈の内部に徴候が見える場所の矢印（すなわち、上方向左向きの矢印）によって強調表示されている。光は、外側から内側に（画像の上部からパネル内の左向き水平矢印で強調表示された8～11mmの領域まで）集束される。いずれの場合も、管腔境界の輪郭を明確に観察することができる（領域は、破線の白丸でパネルAおよびパネルDにおいてのみ強調表示されている）。励起波長は、画像において最も高いコントラストが得られる光源から選択される。図5で前述したように、励起波長は、930nm、1200～1240nm（1210nmにピーク）、1450～1470nm、1700～1740nm（1720nmにピーク）であり得る（図5のパネルF、Gは1720nmにある）。

ここで図9を参照すると、PA励起および石灰化CTO左前下行枝（LAD）血管描出がエクスビボヒト心臓において示されている。左部分は、ヒト心臓のLAD血管のUS画像を示す。右部分は、LADを取り囲む動脈周囲組織を示すPA画像（930nm励起で得た）を示す。光は外側から内側に集束される（画像の上部から8～11mmの領域まで、パネルの右側の矢印で強調表示されている）。左パネルの白抜きの四角は、右パネルでPA画像が計算された領域を示している。

本開示の特定の態様は、例えば、CTOに対する内膜下追跡および再進入（STAR）交差を含む、他の手技または技術を支援するために利用することができる。ここで図10～図12を参照すると、STAR技術は、膨張可能な平坦部分210を備えるカテーテル200を利用する。そのようなカテーテルの市販の態様としては、Boston Scientificから入手可能なStingray（商標）LP冠動脈システムが挙げられる。図11に示すように、カテーテル200は、動脈血管205の内膜下腔220内でCTO 230を越えて延在したガイドワイヤ240上に挿入される。カテーテル200は、平坦部分210がCTO 230の近位の内膜下腔220内に位置するように配置される。

平坦部分210は、動脈血管205の外周に沿った自己配向を可能にする。図12に示すように、ガイドワイヤ240は、平坦部分210の一方の側に位置する第1の位置241でカテーテル200から出ることができ、またはガイドワイヤ240は、平坦部分210の反対側に位置する第2の位置242でカテーテル200から出ることができる。典型的なSTAR手技では、血流を回復させるために真腔への再進入を達成するために血管205のどの側をガイドワイヤ240が穿刺されなければならないかを特定するために、試行錯誤手技が行われる。

2つの励起波長（脂質特異的（915nm、1210nm、1720nm）および血液特異的（532nm、980nm、808nm））を送信することができる光ファイバ（ガイドワイヤ適合性）は、再進入のどの側が血液（位置2真腔、血液特異的）に対応し、どの側が外壁（位置1、脂質層）に対応するかを容易に特定することができる。

しかしながら、本開示の特定の態様では、第2のカテーテル120は、脂質特異的（例えば、915nm、1210nmまたは1720nm）および血液特異的（例えば、532nm、980nmまたは808nm）である2つの励起波長を送信することができる光ファイバ（ガイドワイヤ適合性）を備えてもよい。脂質特異的波長および血液特異的波長を使用して、再進入のどの側が血液（例えば、真腔に対応する位置242）に対応し、どの側が外壁（例えば、脂質層に対応する位置241）に対応するかを特定することができる。

さらに、本開示の特定の態様は、CTO処置以外の手技におけるガイダンスに使用することができる。例えば、特定の態様は、従来のガイドワイヤと同様に使用するために組み込まれ得るが、X線技術ではなくガイダンスのためにOA-ICE原理を利用する。そのような「光ガイドワイヤ」は、例えば、遠位動脈における心臓カテーテルインターベンション（CCI）手技において実施することができる。

従来の技術を使用してCCI手技を実行する前に、ガイドワイヤは、従来のX線、X線コンピュータ断層撮影（CT）、および/またはX線透視からのフィードバックに基づいて正しい位置に配置される。ガイドワイヤは、典型的には、生来の組織と対比し、X線画像で容易に検出され得る材料で作製される。しかしながら、そのような技術は、患者の冠動脈ネットワークに応じた複雑なCCI手技中に、患者に対する有害なX線放射曝露の増加をもたらし得る。

本開示の態様によって利用されるOA-ICEガイダンスは、従来の技術を利用するとおこり得るX線曝露の問題に対処する。本開示の特定の態様では、円錐形先端を有する単一の光ファイバが、従来のガイドワイヤの代わりに光ガイドワイヤとして機能することができる。そのような光ガイドワイヤは、生来の組織とのその高いインピーダンス不整合のために、心内心エコー画像（ICE）で容易に検出することができる。この光ガイドワイヤから生成された光音響（OA）画像は、血液および典型的には冠状動脈を取り囲む動脈周囲脂肪組織（PAAT）によって生成されるコントラストを作り出すことができる。例えば、血液は、532nmの波長での励起を介して撮像することができ、PAATは、930nm、1210nm、および/または1720nmの波長での励起を介して撮像することができる。そのようなOA-ICEガイダンスは、冠動脈の解剖学的構造内のそのような光ガイドワイヤの配置をガイドするために使用することができる。

光ガイドワイヤが適切な位置に配置されると、適切なCCIツールを光ガイドワイヤに沿って供給して、関心対象の位置に到達させることができる。特定の態様では、光ガイドワイヤをX線透視視野内にも配置するために、X線コントラストマーカを光ガイドワイヤに追加することもできる。

特定の態様では、光ガイドワイヤは、（本開示で前述したように）円錐形に成形された端部を含み得る。他の態様は異なる構成の端部を組み込むことができることが理解される。

そのような手技中、ICEカテーテルフェーズドアレイ（例えば、本開示の他の箇所に記載されているように、遠位端に配置された光音響励起光送信器を有するカテーテル）を適切な位置に挿入することができる。特定の態様では、位置は、右心房、右心室、または心臓の解剖学的構造および関心対象の構造の広い「視野」（例えば、光音響励起光送信範囲）を提供することができる他の位置であり得る。導出されたOA-ICE信号は、所望の（例えば、CCI）手技を実行する前に、「光ガイドワイヤ」の横断をガイドするために使用することができる。

特定の態様はまた、例えば、光ガイドワイヤの位置決め（例えば、r、シータおよびz円筒座標によって定義されるように）を操作することができるインターフェースを含む制御システムを含むことができる。特定の態様では、ガイドワイヤが患者の冠動脈ネットワークを横断して所望の手技のための適切な領域に到達するときに、光ガイドワイヤの位置決めをインターフェースによって制御することができる。

光ガイドワイヤが展開された後、現在のガイドワイヤと同様に、適切なツール（例えば、CCI手技で使用されるものなど）をファイバの周りに供給することができる。特定の態様では、光ガイドワイヤは、ガイドワイヤ展開プロセスを自動化するためにロボットフィードバックシステムによって制御することができる。そのようなロボットシステムの例は、Appl.Sci.2019,9（20）,4305;https://doi.org/10.3390/app9204305に開示されている。前述の態様とは対照的に、光ガイドワイヤの態様は、CTOを横断するための特徴（例えば、Ho:YAGレーザ）を組み込まない。しかしながら、光ガイドワイヤの態様の特定の例は、光ガイドワイヤから円錐状に放射する脂質/血液励起光を組み込み、CCIまたは他の適切なツールを所望の位置にガイドするのを支援するためにOA-ICE信号を生成する。

特定の態様では、第1のカテーテル110を、CTO 150を含む動脈の近位にある静脈に（例えば心房または心室領域の代わりに）挿入することが望ましい場合がある。例えば、CTO 150（または処置されている他の状態）の位置128が左前下行枝（LAD）動脈にある場合、LAD動脈の近位の静脈（例えば、AIV）にカテーテル110を挿入することが望ましい場合がある。同様に、位置128が左回旋枝（CFX）動脈にある場合、左CFX動脈の近位にある静脈（例えば、大心静脈）にカテーテル110を挿入することが望ましい場合がある。

例えば、心房または心室領域に配置することにより光音響信号129の十分な検出感度が得られない場合、近位静脈に第1のカテーテル110を配置することが望ましい場合がある。近位静脈内への第1のカテーテル110の配置の配置は、例えば、第1のカテーテル110および第2のカテーテル120の両方を挿入するためにCTO 150（または処置されている他の状態）を含む動脈内に十分な空間がない場合にも望ましい場合がある。

位置128の近位の静脈内への第1のカテーテル110の配置は、このような状況である特定の利点を提供することができる。例えば、位置128と超音波送受信器115との間の距離を縮小することによって、超音波送受信器115によって検出される光音響信号129の強度または強さを増加させることができる。これは、第1のカテーテル110によって検出される位置128の精度を高めることができる。さらに、処置されている動脈内ではなく、位置128の近位の静脈内に第1のカテーテル110を配置することは、第2のカテーテル120がCTO 150を除去するか、さもなければ動脈内の処置されている状態に対処するために操作するためのより大きな空間を提供することができる。

特定の態様はまた、超音波送受信器115の異なる構成を含むことができる。特に、超音波送受信器115の特定の態様は、使用中に回転して周囲環境を走査する1つ（または複数）のトランスデューサを含むことができる。超音波送受信器115の他の態様は、超音波送受信器115の外周または周囲に延在するトランスデューサのアレイを含むことができる。図13および図14は、それぞれ回転センサおよび円周方向センサを備える超音波送受信器115の態様を示す。図13に示す態様では、トランスデューサ300の直線状アレイ310が示されている。図13に示す態様の動作中、アレイ310は、第1のカテーテル110の中心軸117を中心に回転する。アレイ310を軸117を中心に回転させることにより、トランスデューサ300は、第1のカテーテル110が挿入された管腔（例えば、動脈または静脈）の全周にわたって光音響信号を送信および/または受信することができる。図示の態様では、ガイドワイヤ145を使用して第1のカテーテル110を挿入する。ガイドワイヤおよび回転センサアレイを利用する態様は、ガイドワイヤに起因するアーチファクトを生成する可能性がある（例えば、ガイドワイヤは、回転の一部の間に、光音響信号が直線状アレイ310のトランスデューサ300によって送信または受信されることを制限する場合がある）。

ここで図15～図16を参照すると、超音波送受信器115の特定の態様は、超音波送受信器115の周囲に延在する複数のトランスデューサ300を含む。図15に斜視図を示し、図16に使用中の超音波送受信器115の部分断面図を示す。この態様では、トランスデューサ300は、第1の円周方向列301、および第1の円周方向列301から離間した第2の円周方向列302に配置されている。特定の態様では、第1および第2の円周方向列301、302は、異なる領域から撮像データを提供するように構成することができる。例えば、一態様では、第1の円周方向列301は、閉塞領域から撮像データを提供するように構成することができ、第2の円周方向列302は、超音波送受信器115が挿入される管腔（例えば、動脈または静脈）の撮像データを提供するように構成することができる。

ここで図16を参照すると、トランスデューサ300は、順次作動されて信号310を送信する。図16に示す図では、アレイの中央部分のトランスデューサ300が、標的328に向かって信号310を送信するように示されている。反射信号320が、標的328からトランスデューサ300に戻される。特定の態様は、例えば、Koninklijke Philips N.V（登録商標）から入手可能なEagle Eye Platinumデジタル血管内超音波（IVUS）を含む市販のシステムの局面を組み込むことができる。

超音波送受信器115の周囲に延在するトランスデューサ300を組み込んだ態様は、トランスデューサの回転アレイを組み込んだ態様には見られない特定の特徴を提供することができる。例えば、超音波送受信器115の周囲に延在するトランスデューサ300を組み込んだ態様は、光音響信号が送受信器115の外周の複数の点から送信および受信されるため、ガイドワイヤアーチファクトを生成しない。したがって、ガイドワイヤは、超音波送受信器115の周囲に延在するトランスデューサ300の各々の光音響信号の送信または受信を遮断せず、（直線状の回転アレイのトランスデューサとは対照的に）アーチファクトを生成しない。さらに、図15および図16に示すような円周方向トランスデューサを組み込んだ態様は、典型的には、トランスデューサのためのより小さいアパーチャ（例えば、回転アレイトランスデューサの態様の約3mmと比較して、1mm未満）を含む。さらに、円周方向トランスデューサの態様は、約100Hzのレーザ周波数を有する回転トランスデューサの態様とは対照的に、KHz範囲のより高周波のレーザを必要とする可能性がある。

限定された視野のアーチファクトは、例えば、撮像システムによって課される実際の幾何学的および物理的制約が理由で、光音響断層撮影画像に一般的に存在する。近距離再構成は、より高いコントラストノイズ比（CNR）を提供し、より長い距離（例えば、50mmを超える）での光音響（OA）励起のための画像再構成は、より低いCNRを提供する。この低いCNRは、全周（例えば、血管の）を含む画像を再構成することを困難にする可能性がある。CNRを高めるための超音波送受信器の再配置（例えば、調査されている領域の近位の静脈に超音波送受信器を配置することによって）に加えて、他の態様は、異なる光音響励起光送信ファイバ先端形状を含んでもよい。そのような幾何学的形状は、より長いOA励起距離での改善されたCNRを提供することができる。

より長い距離は、光音響再構成において限定された視野の問題をもたらす可能性がある。このシナリオでは、USプローブのアパーチャは、典型的には、USプローブから検出すべき目的の標的構造までの距離および/または目的の検出標的の相対的なサイズの一画分である。例えば、3mmのリングから50mm離れて3mmの直線状アレイを配置した場合、USプローブのアパーチャに垂直な曲率を除いて、リングの曲率全体を分離することが困難である。図17は、15mm～50mmのmm単位の距離による「円」壁検出の劣化を示す時間反転アルゴリズムを示す。図18は、効果を示す、動脈ファントムを使用して64素子プローブで収集したUS/OA画像の実験結果である。

しかしながら、光を集束させて点の集合（スライド3）を生成するようにファイバの円錐形先端を修正することによって、50～55mmのような長距離であっても血管の曲率のすべてを再構成することが可能である。（スライド4）。スライド5は、連続的な（リング）励起対リングを完成させる点の集合である励起の2つの場合の比較を示す。OA検出は、離散点のリングまたは離散点の集合を出射するようにファイバの先端を修正することによって行われる点励起を使用して可能であり得る。

例えば、図3および図4に示す内向きおよび外向きの円錐形先端に加えて、特定の態様では、光音響励起光送信ファイバ125は、それぞれ図19および図20に示すような多面先端138または139を備えることができる。多面先端138および139は、光音響励起光送信器125から追加の出力ビームを生成することができる複数の表面137を含む。例えば、多面先端138は、光音響励起光送信器125からの2つの出力ビームを生成することができ、多面先端139は、光音響励起光送信器125からの4つの出力ビームを生成することができる。複数の出力ビームは、より長いOA励起距離でのCNRを改善するために組み合わせて分析することができる複数の応答信号を生成することができる。図19および図20の他の局面（ファイバ先端形状以外）は、図3および図4で説明した局面と同等であり、ここでは繰り返さない。本明細書において特に説明しない限り、図19および図20に示す態様は、前述の態様と同様に動作することが理解される。

図21に示すように、ファイバの円錐形先端を修正して（例えば、図19または図20に示すように）、光を集束させて、離散点の集合を生成する。ファイバ先端形状を修正することにより、円錐形先端に対して、右側に示されるような連続的な出力の代わりに、左側に示されるような点出力の「リング」を提供することが可能である。図示の態様では、4つの対向する出力ビームが提供され、ビーム間の調節可能な角度を使用して左側の出力を作成することができる。

図22は、円のすべての辺を完成させる能力を示すシミュレートされた再構成を示す。図22に示すように、50～55mmなどの長距離であっても、血管のすべての曲率を再構成することが可能である。

図23は、血管壁の輪郭化が、（上部および底部だけでなく）すべての側面において可能であることを示す。具体的には、図23は、右側の、連続的な（リング）励起と、左側の、リングを完成させる点の集合である励起との、2つの場合の比較を示す。

結果
ここで図24を参照すると、本開示の例示的な態様によるウサギモデルの経静脈撮像アプローチが示されている。図24のパネルAは、円周方向生理食塩水ポートを有する中央管腔内のダブルクラッドファイバ（DCF）を示すSwiftNINJA（登録商標）の概略断面端部図を示す。図24のパネルBは、マイクロリットルの生理食塩水量の排出を可能にするDCFを中心とするスペーサを有する中央管腔を示す概略断面側面図を示す。この態様では、OA励起光はリング形状でDCFから伝播し、Tmレーザ光は中央管腔から直前方に出射してCTOを切除する。図24のパネルCに示すように、この態様は、偏向および並進の2つを介してCold Laser Wire（CLW）の操縦性を提供する。パネルDおよびパネルEは、電子トリガによる生理食塩水の放出を示す、高速応答時間（ミリ秒）を有する生理食塩水インジェクタバルブを示し、パネルFおよびパネルGは、CLWのプロトタイプアセンブリを示す。図24のパネルHおよびパネルIは、インビボウサギ大腿部CTO実験中の、SwiftNINJA（登録商標）（SN）で可能な微小移動を示す。隣接する静脈に配置されたEagleEye（商標）（EE）上のマーカは、ガイドワイヤ上を前進するときに見ることができ、SwiftNINJA（SN）上の放射線不透過性マーカは、5Frカテーテルの軸に対する先端位置を示す。

ここで図25を参照すると、パネルAは、CLWを用いたPCIインターベンション前に行われたコントラスト血管造影を示し、トロンビンを使用した急性CTOプラグの導入による閉塞（楕円形で示す）を示す。パネルBは、それぞれ大腿動脈および隣接する静脈におけるSwiftNINJA（登録商標）およびEagleEye（商標）の配置を示す。パネルCは、CLW交差前にSwiftNINJA（登録商標）を通して大腿動脈の近位領域に注入された小さな気泡を使用した動脈（左上円）の確認を示す。パネルDは、CLW（SwiftNINJA（登録商標）＋光ファイバ）交差後の大腿動脈（楕円形）のコントラスト後血管造影を示す。パネルE、パネルFおよびパネルGは、PCI交差中の経静脈撮像アプローチによる動脈（左上円）の周期的画像を示し、交差中のSwiftNINJA（登録商標）およびスイッチ内部の光ファイバを示す。PCI交差中に真腔（左上円）に対するCLWの方向をガイドするために、パネルE、パネルF、パネルGの図を利用した。

図26のパネルAおよびBは、本開示の例示的な態様によるインビボブタ心臓における経静脈カテーテル配置の実証を示す。パネルCは、エクスビボブタ心臓におけるLADの中間部（上の円）でのCLWファイバ先端（矢印）の、経静脈（下の円）EagleEye（商標）画像を示す。

図27のパネルAは、EagleEye（商標）電子走査スキームを示し、パネルBは、レーザトリガおよびOA信号取得事象を示すOA/USタイミング図を示す。パネルCは、EagleEye（商標）カテーテルを用いてファントム中で得られたOA-ビーコン信号（OA源:EagleEye（商標）と同期した500Hz、および10HzのOAフレームレートでトリガされた1064nm）の高速フーリエ変換（FFT）を示す。この態様では、パネルDは、標準的な逆投影（左）に対して側方解像度の改善（右）を示すシミュレートされたEagleEye（商標）データを使用したモデルベースの経静脈再構成アルゴリズム（TRA）の結果を示す。

図28は、64素子Abbott ViewFlex（商標）ICEトランスデューサを使用して、1205nm（OAアンプ:AMP128、Photosound（登録商標）Inc、OA:約10mJ/cm²）の放射状ファイアリングファイバを用いて血管壁を検出した、ブタ心臓RCAのUS（左）およびOA（右）画像を示す。

本明細書において開示および特許請求されるデバイス、システムおよび/または方法のすべては、本開示に照らして過度の実験をすることなく作製および実行することができる。本発明のデバイス、システムおよび方法を特定の態様に関して説明してきたが、本発明の概念、精神および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載の方法の工程または工程の順序でデバイス、システムおよび/または方法に変形を適用できることは当業者には明らかであろう。当業者に明らかなすべてのそのような類似の置換および修正は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神、範囲および概念内にあると見なされる。

参考文献:
以下の参考文献の内容は、参照により本明細書に組み入れられる。

Claims (44)

1. 超音波送受信器を備える第1のカテーテル、および
   近位端および遠位端を含む第2のカテーテル、および
   前記第2のカテーテルの前記遠位端に配置された光音響励起光送信器
   を備え、
   前記光音響励起光送信器が、円錐形パターンで励起光を出射し、
   前記光音響励起光送信器が、50フェムト秒（fs）～1マイクロ秒（μs）のパルス持続時間で励起光を出射し、
   前記第2のカテーテルが、前記光音響励起光送信器によって出射された励起光の吸収から生じる光音響信号を検出するように構成される、
   慢性完全閉塞の処置用のガイダンスのために構成された装置。
2. 制御モジュールをさらに備え、前記制御モジュールが、前記第1のカテーテルおよび前記第2のカテーテルに結合されている、請求項1記載の装置。
3. 前記超音波送受信器が、フェーズドアレイとして構成される、請求項1記載の装置。
4. 前記超音波送受信器が、前記超音波送受信器の周りに延在する円周方向列に配置された複数のトランスデューサを備える、請求項1記載の装置。
5. 前記円周方向列が第1の円周方向列であり、前記複数のトランスデューサが、前記超音波送受信器の周りに延在する第2の円周方向列にさらに配置される、請求項4記載の装置。
6. 前記制御モジュールが、前記励起光の前記パルス持続時間を制御するように構成される、請求項2記載の装置。
7. 前記第2のカテーテルが、フォトニック結晶ファイバを備える、請求項1記載の装置。
8. 前記フォトニック結晶ファイバが、ダブルクラッドフォトニック結晶ファイバである、請求項7記載の装置。
9. 前記ダブルクラッドファイバが、コアおよびクラッドを備え、
   前記光音響励起光送信器が、前記第2のカテーテルの前記遠位端に前記クラッドの円錐形先端として構成される、
   請求項8記載の装置。
10. 前記円錐形先端が、前記遠位端から外向きに延在する、請求項9記載の装置。
11. 前記円錐形先端が、前記遠位端から内向きに延在する、請求項9記載の装置。
12. 前記コアが、前記遠位端の直前方の領域の近距離撮像のための照明を提供するように構成される、請求項9記載の装置。
13. 前記光音響励起光送信器が、前記第2のカテーテルの前記遠位端に前記フォトニック結晶ファイバの円錐形先端として構成される、請求項7記載の装置。
14. 前記フォトニック結晶ファイバが、多面先端を備える、請求項7記載の装置。
15. 前記第2のカテーテルが、930ナノメートル（nm）の波長で励起光を出射するように構成される、請求項1記載の装置。
16. 前記第2のカテーテルが、1200nm～1240nmの波長で励起光を出射するように構成される、請求項1記載の装置。
17. 前記第2のカテーテルが、1210nmの波長で励起光を出射するように構成される、請求項1記載の装置。
18. 前記第2のカテーテルが、1700nm～1740nmの波長で励起光を出射するように構成される、請求項1記載の装置。
19. 前記第2のカテーテルが、1720nmの波長で励起光を出射するように構成される、請求項1記載の装置。
20. 前記第2のカテーテルが、脂質特異的である第1の波長および血液特異的である第2の波長で励起光を出射するように構成される、請求項1記載の装置。
21. 前記第2のカテーテルが、915nm、1210nmまたは1720nmの第1の波長、および532nm、980nmまたは808nmの第2の波長で励起光を出射するように構成される、請求項1記載の装置。
22. 慢性完全閉塞（CTO）を含む血管を撮像する方法であって、以下の工程を含む、方法:
    超音波送受信器を備える第1のカテーテルを心臓の領域内に導く工程;
    慢性完全閉塞（CTO）を含む動脈に第2のカテーテルを導く工程;
    前記第2のカテーテルの遠位端から光音響励起光を出射する工程であって、
    前記光音響励起光が、円錐形パターンで出射され、
    前記光音響励起光が、50fs～1usのパルス持続時間で出射され、
    前記光音響励起光が、前記動脈を取り囲む組織または前記CTO内の組織における光吸収によって光音響信号を生成する、工程;および
    第1のカテーテルを介して前記動脈または前記CTOの周囲から出射された前記光音響信号を検出する工程。
23. 前記動脈が右冠動脈であり、
    前記第1のカテーテルが導かれる前記心臓の前記領域が、前記右冠動脈に近位の右心房である、
    請求項22記載の方法。
24. 前記動脈が、左前下行枝動脈であり、
    前記第1のカテーテルが導かれる前記心臓の前記領域が、前記左前下行枝動脈に近位の右心室である、
    請求項22記載の方法。
25. 前記動脈が、左前下行枝動脈であり、
    前記第1のカテーテルが導かれる前記心臓の前記領域が、前記左前下行枝動脈に近位の静脈である、
    請求項22記載の方法。
26. 前記動脈が、左回旋枝動脈であり、
    前記第1のカテーテルが導かれる前記心臓の前記領域が、前記左前回旋枝動脈に近位の右心室である、
    請求項22記載の方法。
27. 前記動脈が、左回旋枝動脈であり、
    前記第1のカテーテルが導かれる前記心臓の前記領域が、前記左前回旋枝動脈に近位の静脈である、
    請求項22記載の方法。
28. 前記動脈が、左前下行枝動脈であり、
    前記第1のカテーテルが導かれる前記心臓の前記領域が、前記左前下行枝動脈に近位の左心室である、
    請求項22記載の方法。
29. 前記動脈が、左回旋枝動脈であり、
    前記第1のカテーテルが導かれる前記心臓の前記領域が、前記左前回旋枝動脈に近位の左心室である、
    請求項22記載の方法。
30. 前記光音響励起光が、930ナノメートル（nm）の波長で出射される、請求項22記載の方法。
31. 前記第2のカテーテルが、1200nm～1240nmの波長で励起光を出射するように構成される、請求項22記載の方法。
32. 前記第2のカテーテルが、1210nmの波長で励起光を出射するように構成される、請求項22記載の方法。
33. 前記第2のカテーテルが、1700nm～1740nmの波長で励起光を出射するように構成される、請求項22記載の方法。
34. 前記第2のカテーテルが、1720nmの波長で励起光を出射するように構成される、請求項22記載の方法。
35. 前記超音波送受信器から、送信された超音波信号を発信する工程、および
    前記超音波送受信器によって、送出された超音波信号を受信する工程
    をさらに含む、請求項22記載の方法。
36. 前記光音響信号および前記送出された超音波信号が、前記第2のカテーテルを運動学的に導くために利用される、請求項35記載の方法。
37. 前記運動学的な導きが、機械的並進または再配向の任意の組み合わせを含み得る、請求項36記載の方法。
38. 前記第1のカテーテルおよび前記第2のカテーテルが制御モジュールに結合され、
    前記制御モジュールが、前記励起光の前記パルス持続時間を制御するように構成される、
    請求項22記載の方法。
39. 前記第2のカテーテルがフォトニック結晶ファイバを備え、
    前記光音響励起光が、前記フォトニック結晶ファイバから出射される、
    請求項22記載の方法。
40. 前記フォトニック結晶ファイバが、ダブルクラッドフォトニック結晶ファイバである、請求項39記載の方法。
41. 前記ダブルクラッドファイバが、コアおよびクラッドを備え、
    前記光音響励起光が、前記第2のカテーテルの前記遠位端の前記クラッドの円錐形先端から出射される、
    請求項40記載の方法。
42. 前記円錐形先端が、前記第2のカテーテルの前記遠位端から外向きに延在する、請求項41記載の方法。
43. 前記円錐形先端が、前記第2のカテーテルの前記遠位端から内向きに延在する、請求項41記載の方法。
44. 前記ダブルクラッドファイバの前記コアを介して前記第2のカテーテルの前記遠位端の直前方の領域を照明する工程をさらに含む、請求項9記載の方法。

Images