JP4167986B2 - 磁気共鳴画像法エラストグラフィのシステムと方法 - Google Patents

磁気共鳴画像法エラストグラフィのシステムと方法 Download PDF

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Description

本発明は一般的に磁気共鳴画像法(MRI)に係る発明であって、特に音響トランスデューサを使用して体のある部位の磁気共鳴画像法エラストグラフ(elastograph)を生成するシステムと方法に関する発明である。
核内に1つの陽子をもつ水素原子は、小さな磁気モーメントベクトルを生じる核スピンをもつ。磁場内では水素原子の磁気モーメントベクトルは磁場の方向へ向く傾向がある。加えて、水素原子の核スピンは共鳴周波数をもち、それは磁場の強さの関数であって、おおよそ42.85MHz/Tである。
水素原子の磁気特性は、人体の内部の画像を生成するために磁気共鳴画像法(MRI)で利用される。磁気共鳴画像法は、体内の異なる位置の水素原子密度を計測することにより体の内側を画像化する。体の異なる組織は異なる水素原子密度をもっているので、磁気共鳴画像法は、測定した水素原子密度を体の画像へ変換可能である。
磁気共鳴画像法は、磁気共鳴画像法エラストグラフィ(MRE)と呼ばれる医療画像化技術で使用されて、体内の異なる部位の相対的硬さを画像化する。磁気共鳴画像法エラストグラフィは、ある種の癌や腫瘍の診断における触診の重要性に端を発する。医者は、腫瘍とそのまわりの健康な組織の硬さの違いを評価することにより、典型的には触診を使用して体内の腫瘍を発見する。
磁気共鳴画像法エラストグラフィを使用して体内の異なる部位の相対的硬さを画像化するために、音響波が体に当てられる。音響波は体を伝播する横波を生成する。横波は体を伝播するので、磁気共鳴画像法はその横波を画像化するために使用される。上記横波の波長は、横波が伝播する体の組織の硬さに依存する。よりやわらかく、より容易に変形する体の組織では波長がより短くなり、より硬い体の組織ではより長くなる。横波のいくつかの磁気共鳴画像法の画像が異なる時間に撮られる。次に磁気共鳴画像法のその複数の波の画像が処理されて、1つのエラストグラフを生成して、そのエラストグラフは体内の異なる部位の相対的硬さの画像を提供する。エラストグラフは体のやわらかい組織と硬い組織の間の高いコントラストを提供する。これはまわりの組織よりも硬い傾向のある腫瘍の発見に特に有用である。
医療技術の進歩にもかかわらず、人体の組織を画像化することの更なる改良が必要である。
本発明は、例えばエラストグラフなどの、音響トランスデューサを使用して体のある部位の磁気共鳴画像法画像を生成するシステムと方法とに関する。
本発明に従って構築されたシステムでは、カテーテルは血管に挿入するのに適した可撓性の細長い部材を備える。別のシステムではカテーテルは、腹腔鏡下手術により開けられたものを含む体の穴へ挿入するのに適していてもよい。この別のシステムの構成では、上記カテーテルは血管以外の体の組織を画像化することを意図している。カテーテルは、さらに、細長い部材の遠位端の近くに位置する少なくとも1つの音響トランスデューサと、その音響トランスデューサに隣接して位置する少なくとも1つのRFコイルとを備える。カテーテルは、例えば図1の磁気共鳴画像法システムとともに利用でき、血管または血管の近くの体細胞組織のエラストグラフを生成する。エラストグラフを生成するために、カテーテルの細長い部材が患者の血管の中に挿入される。カテーテルの音響トランスデューサは血管中の望ましい部位に位置される。また、血管が磁気共鳴画像法システムの磁場中に位置されるように、患者が磁気共鳴画像法システムの磁場中に位置される。音響トランスデューサは血管内で音響波を発生して、血管とそのまわりの組織を伝播する横波を生成する。血管とそのまわりの組織を伝播するこれらの横波の磁気共鳴画像法画像が撮られる。これらの磁気共鳴画像法画像を撮るために、磁気共鳴画像法システムのRFボディコイル(複数の場合あり)が磁気パルスを発信して、血管とその回りの組織にRF信号を出させる。カテーテルのRFコイルは、出されたRF信号を検出して、検出したRF信号を磁気共鳴画像法レシーバーに出力する。磁気共鳴画像法レシーバーは、検出したRF信号を処理して、血管とその回りの組織を伝播する横波の磁気共鳴画像法画像を生成する。例えば横波のいくつかの磁気共鳴画像法画像が、異なるサンプリング時間で撮られる。磁気共鳴画像法の波の画像が、磁気共鳴画像法により処理されて、エラストグラフを生成して、望まれたように血管とその回りの組織の相対的硬さを示す。
もう1つの実施の形態では、音響トランスデューサとRFコイルとが、カテーテルの代わりに針の上に位置する。この実施の形態の上記針は、体のある部位、例えば肝臓や脳に挿入されて、その部位のエラストグラフを生成する。
以下、添付の図を参照して発明の実施の形態を説明する。
同様な参照番号が、異なる図内の対応する部品を示す。
図1は、磁石15、傾斜コイル20、およびRFボディコイル25を備える従来の磁気共鳴画像法システム10の概要を示している。磁石15は、典型的には超電導物質によりできていて、約1.5テスラの強さの磁場をもつ。磁気共鳴画像法システム10は、さらに、傾斜増幅器30、RFコイル増幅器35、磁気共鳴画像法システム10を制御するコンピュータ40、および磁気共鳴画像法画像を表示するディスプレイ45を備える。
傾斜増幅器30は、コンピュータ40と傾斜コイル20との間に結合されて、コンピュータ40からの制御信号を増幅して傾斜コイル20に伝えるために使用される。RFコイル増幅器35は、コンピュータ40とRFボディコイル25との間に結合されて、コンピュータ40からの信号を増幅してRFボディコイル25へ伝えるために使用される。
磁気共鳴画像法システム10を使用して人体内を画像化するために、患者50はテーブル55の上に位置して、テーブル55は磁石15とRFボディコイル25の中の位置へスライド可能である。磁気共鳴画像法システム10は、磁石15とRFボディコイル25の中に位置する患者の体を画像化可能である。傾斜コイル20は、線形の磁場傾斜を磁石15の磁場に加える。コンピュータ40は、傾斜コイル20により加えられる磁場の傾斜の勾配および/または方向を制御する。磁場の傾斜は、人体内の異なる位置にある水素原子を、わずかに異なる共鳴周波数を示すようにする。次にコンピュータ40は、RFコイル増幅器35経由でパルス信号を、RFボディコイル25へ送信する。上記パルス信号は、RFボディコイル25に、磁石15の磁場から離れて水素原子の磁場モーメントベクトルを回転させる方向へ、磁気パルスを体内へ発信させるので、水素原子を高エネルギー状態へ励起する。
磁気パルスが消えると、水素原子は自由誘導減衰と呼ばれる過程で低エネルギー状態へ緩和する。自由誘導減衰の間、水素原子は共鳴周波数のRF信号を発生する。傾斜コイル20の加える磁場の傾斜のために、体内の異なる位置にある水素原子は、わずかに異なる共鳴周波数のRF信号を発生する。RFボディコイル25は、発生したRF信号を検出して、検出されたRF信号をコンピュータ40へ出力する。コンピュータ40は、検出されたRF信号を処理して、体の内部の画像を生成して、その画像はディスプレイ45に表示される。コンピュータ40は、RF信号の共鳴周波数を加えられた磁場の傾斜に関する情報に相関することにより、各々の検出されたRF信号がどの部位で発生したかを決定可能である。磁気共鳴画像法システム10は、典型的には、異なる磁場の傾斜において数回計測をして磁気共鳴画像法画像を生成する。
よりよく人体の局所部位を画像化するために、小さな表面のRFコイル(図には示されていない)が、図1の磁気共鳴画像法システム10とともに使用できる。この構成では上記小さな表面のRFコイルは人体の局所部位の近くに位置する。次にRFボディコイル25は、体の局所部位を通る磁気パルスを発信して、局所部位にRF信号を発生させる。RFボディコイル25は、もし所望ならば、RF信号を受信する能力も備えていてもよい。上記小さな表面のRFコイルは、局所部位内で発生したRF信号を検出する。発生したRF信号を検出する小さな表面のRFコイルを使用する1つの利点は、それが典型的にはRFボディコイル25よりよい信号対ノイズ比(SNR)をもつことである。
図2は、磁気共鳴画像法システムで使用されるカテーテル210の1つの例の斜視図を示す。カテーテル210は、可撓性の細長い部材215を備える。細長い部材215は、好ましくは、ナイロン、ポリウレタン、ポリエチレンなどを含むが、これらに限定されない可撓性物質からできている。細長い部材215は、100センチメートル以上の長さであってもよく、縦方向にのびる細長い管腔220をもつ。ガイドワイヤ217が、血管の通り道に沿ってカテーテル210を案内するために提供される。ガイドワイヤ217は、細長い部材215の遠位端部に結合してもよく、または、細長い管腔220または他の形状の管腔を通してもよい。
カテーテル210は、細長い部材215の遠位端部の近くに位置する、音響波を発信する例えば超音波トランスデューサなどの音響トランスデューサ225も備える。ポリマー(図には示されていない)は、好ましくは音響トランスデューサ225の上に被膜されて、トランスデューサ225と血管内などの体内の流体との間の音響マッチング層を提供する。カテーテル210は、さらに、好ましくは細長い部材215のまわりに、かつ、音響トランスデューサ225に隣接して巻かれたRFコイル230を備える。RFコイル230は、例えば銅線でできていてもよい。加えて、RFコイル265は、例えばトランスデューサ225を被膜するのに使用されたポリマーなどの保護被膜層(図には示されていない)により覆われていてもよい。リード(lead)255、260、265、270、または同軸ケーブルは、細長い部材の管腔220の中を通るように提供される。RFコイル230の各端は、リードの1つまたは同軸ケーブルに結合されている。もちろん、カテーテル210の個々の形態は望むように変更可能である。この技術分野で知られている特徴は、本発明の範囲内で確かに付加可能である。例えば、カテーテルは1つまたは複数の管腔、カテーテルに結合されたふくらませることのできる風船か他の装置、1つまたは複数のトランスデューサ、または回転するかまたは固定されたトランスデューサ225をもつことが可能である。カテーテルは、そのリードをカテーテルの壁の中へ埋め込むことができ、または、離れた管腔の中に配置できる。
図3は、細長い部材215の軸とは垂直の平面に沿った音響トランスデューサ225の例の断面図である。この例では音響トランスデューサ225は、細長い部材215を覆うシリンダ状の内部伝導層245と、内部伝導層245を覆う圧電性結晶層240と、圧電性結晶層240を覆うシリンダ状の外部伝導層235とを備える。内部および外部の伝導層245、235は、各々数ミクロン(例えば2ミクロン)の厚みであって、各々アルミニウムからできていてもよい。内部および外部の伝導層245、235は、各々リード260、255に結合されているか、細長い部材の管腔220を通る同軸ケーブルに結合されている。上記音響トランスデューサ225の構築は、この技術分野でよく知られており、典型的には血管中の血小板を不動態化するのと、血管中の薬剤を拡散するのに超音波トランスデューサを構築するために使用される。そのような超音波トランスデューサは、バルーン血管形成術でも使用されて、血管中の障害物を取り除く。もちろん、この技術分野でよく知られているように、他のタイプのトランスデューサ、例えばキャパシタや磁気誘導コイルや光音響装置などが使用されてもよい。
図4は、音響トランスデューサ225とRFコイル230とに結合された外部システムの例を示すブロック図である。音響トランスデューサ225は、トランスミッター410とローパスフィルタ420とに、リード255、260経由で結合されている。トランスミッター410は、ローパスフィルタ420を通して、振動する励起信号を音響トランスデューサへ送信する。トランスミッター410からの励起信号は、圧電性結晶層240の厚さを変調して、音響トランスデューサ225に音響波を発生させる。典型的には、圧電性結晶層240の厚みと励起信号の周波数とは、音響波の望ましい音響周波数を達成するために選択される。波の音響周波数は望めば変更してもよい。
RFコイル230は、磁気共鳴画像法レシーバー430とハイパスフィルタ440とにリード265、270経由で結合される。RFコイル230は、音響トランスデューサ225の周辺のRF信号を検出する。検出されたRF信号は、ハイパスフィルタ440を通って磁気共鳴画像法レシーバー430に出力される。ハイパスフィルタ440は、例えば数10メガヘルツの周波数以上(64MHzなど)の信号を、磁気共鳴画像法レシーバー430に通すよう構築されている。磁気共鳴画像法システムは、検出されたRF信号を使用して、音響トランスデューサ225を覆う部位の磁気共鳴画像法画像を生成する。
カテーテル210は、図1の磁気共鳴画像法システム10のように、磁気共鳴画像法システムとともに使用されて、血管または近くの組織のエラストグラフを生成する。そのような方法では、カテーテル210の細長い部材215は患者の血管の中へ挿入される。次に音響トランスデューサ225は血管中の望まれる部位に位置する。また、患者は、血管が磁気共鳴画像法システム10の磁気架台15の中に位置するように、磁気共鳴画像法システム10の磁気架台15の中に位置する。トランスミッター410は励起信号を音響トランスデューサ225へ送り、その励起信号は音響トランスデューサに所定の周波数の音響波を血管中へ発生させる。音響波は例えば数10キロヘルツ(20kHzなど)の周波数をもっていてもよい。音響波は血管とそのまわりの組織を伝播する横波を生成してもよい。代わりに、カテーテルは、元々開いているか、腹腔鏡下手術により開けられた体の穴へ挿入するのに適していてもよい。この代わりの構成では、カテーテルは、血管以外の体細胞組織を画像化するように意図されている。
磁気共鳴画像法システム10のRFボディコイル25は、血管とそのまわりの組織にRF信号を発信させるために、人体へ磁気パルスを発信する。カテーテル210のRFコイル230は、発生したRF信号を検出して、検出されたRF信号を磁気共鳴画像法レシーバー430へ出力する。磁気共鳴画像法レシーバー430は、検出されたRF信号を処理して、血管および/またはそのまわりの組織を伝播する横波の磁気共鳴画像法画像を生成する。いくつかの横波の磁気共鳴画像法画像は、異なるサンプリング時間で撮られる。磁気共鳴画像法の波の画像は、磁気共鳴画像法レシーバー430で処理されて、例えば血管とそのまわりの組織の相対的硬さを示すエラストグラフを生成する。
結果として生じるエラストグラフは、血管中のアテローム性動脈硬化症のプラークの検出に有用である。アテローム性動脈硬化症のプラークは、薄い繊維状の覆いで覆われた大きな脂質の塊をともなうアテロームにより特徴付けられる。アテローム性動脈硬化症のプラークはそのまわりの血管壁よりも軟らかい傾向があるので、エラストグラフは、アテローム性動脈硬化症のプラークと血管壁との間にはっきりとしたコントラストを提供可能である。そのためアテローム性動脈硬化症のプラークの検出を向上させる。
図5はカテーテルのための向かい合ったソレノイドRFコイル505の例を示す。向い合ったソレノイドRFコイル505は、ある1方向へ細長い部材215のまわりに巻かれた第1のコイル510と、それとは反対方向へ細長い部材215のまわりに巻かれた第2のコイル520とを備える。例えば、もし第1のコイル510が左方向に巻かれたとすると、第2のコイル520は右方向に巻かれる、あるいはその逆も可能である。特にこの例では、音響トランスデューサ225が、細長い部材215の上の第1のコイル510および第2のコイル520の間に位置できるように、第1のコイル510と第2のコイル520の間には間隔が置かれる。図の簡略化のため、音響トランスデューサ225は図5には示されていないが、音響トランスデューサ225が第1のコイル510と第2のコイル520との間に位置することは理解できる。
第1のコイル510の一端は、リード530か、細長い部材の管腔220のなかを通る同軸ケーブルかに結合されている。第1のコイル510のもう一方の端は第2のコイル520に結合されている。2つのコイルの間の接続は、好ましくは、音響トランスデューサ225(図5には示されていない)の内部の伝導層245と接触するのを避けるため、細長い部材の管腔220を通る。第2のコイル520のもう一方の端は、リード535か、細長い部材の管腔220を通る同軸ケーブルかに結合されている。
向い合ったソレノイドRFコイル505は、音響トランスデューサ225が位置する第1のコイル510と第2のコイル520との間の部分で、RF信号に敏感である。それ故、向い合ったソレノイドRFコイル505は、音響トランスデューサ225のまわりでRF信号の向上した検出能力を提供するために使用できる。
もう1つの実施の形態では、音響トランスデューサ225とRFコイル230は、カテーテル210の細長い部材215の代わりに、針の上に位置してもよい。針は、その中を通るリードが、トランスデューサ225とRFコイル230を外部システムと組み合わせるように、中空になっていてもよい。本実施例による針は、例えば肝臓や脳などの体の部位に挿入されてもよくて、その部位のエラストグラフを提供する。これはまわりの組織よりも硬い傾向のある腫瘍の検出に有用である。
応用例の種々の実施の形態を記載してきたが、本発明の範囲内で、多くの実施の形態や装置が可能であることが、当業者にとって明らかである。例えば当業者は、カテーテル210から発生した音響波のパターンを変化させるために、複数の音響トランスデューサが、カテーテル210の細長い部材215の上に位置することは理解できる。もうひとつの例では、複数の音響トランスデューサが集中的配列かフェイズアレイで使用されてもよい。それ故、本発明は、添付の請求項やその均等物に従う点を除いて、制限や限定をされない。
従来技術の磁気共鳴画像法(MRI)システムを示す図 1つの磁気共鳴画像法システムで使用されるカテーテルの1つの例の斜視図 磁気共鳴画像法システムとともに使用されるカテーテルの音響トランスデューサの例の断面図 磁気共鳴画像法システムとともに使用されるカテーテルの音響トランスデューサとRFコイルとに結合された外部システムを示すブロック図 カテーテルのための向い合ったソレノイドRFコイルの例の斜視図
符号の説明
10 磁気共鳴画像法システム
15 磁石
20 傾斜コイル
25 RFボディコイル
30 傾斜増幅器
35 RFコイル増幅器
40 コンピュータ
45 ディスプレイ
50 患者
55 テーブル
210 カテーテル
215 細長い部材
217 ガイドワイヤ
220 細長い部材の管腔
225 音響トランスデューサ
230 RFコイル
235 シリンダ状の外部伝導層
240 圧電性結晶層
245 シリンダ状の内部伝導層
255 リード
260 リード
265 RFコイルのリード
270 リード
410 トランスミッター
420 ローパスフィルタ
430 磁気共鳴画像法レシーバー
440 ハイパスフィルタ
505 向い合ったソレノイドRFコイル
510 第1のコイル
520 第2のコイル
530 向い合ったソレノイドRFコイルのリード
535 リード

Claims (31)

  1. 人体へ挿入するカテーテルをもつカテーテルシステムであって、
    1つの細長い部材;
    上記細長い部材に結合された音響トランスデューサ;
    上記細長い部材上で上記音響トランスデューサに隣接したRF信号検出器;および
    RF信号検出器から信号を受信するのに適したレシーバー
    を備え、
    上記レシーバーが上記信号を処理するよう構成されて、エラストグラフを生成することを特徴とするカテーテルシステム。
  2. 上記音響トランスデューサが圧電性結晶を備える請求項1に記載のカテーテルシステム。
  3. 上記音響トランスデューサが、
    上記細長い部材を覆うシリンダ状の内部伝導層;
    上記シリンダ状の内部伝導層の少なくとも一部を覆う圧電性結晶層;および
    上記圧電性結晶層を覆うシリンダ状の外部伝導層
    を備える請求項1に記載のカテーテルシステム。
  4. 上記RF信号検出器が、RFコイルを備える請求項1に記載のカテーテルシステム。
  5. 上記音響トランスデューサが、圧電性結晶層を備える請求項4に記載のカテーテルシステム。
  6. 上記RFコイルが、上記細長い部材のまわりに巻かれた請求項4に記載のカテーテルシステム。
  7. 上記細長い部材が、その中を縦方向に通る細長い管腔をもつ請求項1に記載のカテーテルシステム。
  8. 上記RF信号検出器がRFコイルを備えて、上記カテーテルがさらに上記細長い管腔の中を通る2つのリードを備えて、各リードが上記RFコイルの1つの端に結合された請求項7に記載のカテーテルシステム。
  9. 上記細長い管腔を通るガイドワイヤをさらに備える請求項7に記載のカテーテルシステム。
  10. 上記細長い部材の中を通る第2の管腔をさらに備える請求項7に記載のカテーテルシステム。
  11. 上記RF信号検出器が、
    第1の方向に巻かれた第1のRFコイル;および
    第1のRFコイルに結合されて、第1の方向とは反対の第2の方向に巻かれた第2のRFコイル
    をさらに備える請求項1に記載のカテーテルシステム。
  12. 上記音響トランスデューサが、第1のRFコイルと第2のRFコイルとの間に位置する請求項11に記載のカテーテルシステム。
  13. 上記RF信号検出器が、磁気共鳴画像法(MRI)レシーバーに結合された請求項1に記載のカテーテルシステム。
  14. 上記音響トランスデューサが上記細長い部材に取り付けられた請求項1に記載のカテーテルシステム。
  15. さらに第2の音響トランスデューサを備える請求項14に記載のカテーテルシステム。
  16. 上記音響トランスデューサが、回転可能な状態で上記細長い部材に結合された請求項1に記載のカテーテルシステム。
  17. 上記音響トランスデューサがキャパシタを備える請求項1に記載のカテーテルシステム。
  18. 上記音響トランスデューサが光音響装置を備える請求項1に記載のカテーテルシステム。
  19. 医療用探針システムであって、
    体内への挿入に適した針;
    上記針に結合された音響トランスデューサ;
    上記針に結合されて上記音響トランスデューサに隣接したRF信号検出器;および
    RF信号検出器から信号を受信するのに適したレシーバー
    を備え、
    上記レシーバーが上記信号を処理して、エラストグラフを生成することを特徴とする医療用探針システム。
  20. 上記音響トランスデューサが圧電性結晶層を備える請求項19に記載の医療用探針システム。
  21. 上記音響トランスデューサが、
    上記針を覆うシリンダ状の内部伝導層;
    上記シリンダ状の内部伝導層の少なくとも一部を覆う圧電性結晶層;および
    上記圧電性結晶層を覆うシリンダ状の外部伝導層
    を備える請求項19に記載の医療用探針システム。
  22. 上記RF信号検出器が、RFコイルを備える請求項19に記載の医療用探針システム。
  23. 上記音響トランスデューサが、圧電性結晶層を備える請求項22に記載の医療用探針システム。
  24. 上記RFコイルが、針のまわりに巻かれた請求項22に記載の医療用探針システム。
  25. 上記RF信号検出器が、
    第1の方向へ針のまわりに巻かれた第1のRFコイル;および
    第1のRFコイルに結合されて、第1の方向とは反対の第2の方向へ針のまわりに巻かれた第2のRFコイル
    をさらに備える請求項19に記載の医療用探針システム。
  26. 上記音響トランスデューサが、第1のRFコイルと第2のRFコイルとの間に位置する請求項25に記載の医療用探針システム。
  27. RF検出器が、磁気共鳴画像法(MRI)レシーバーに結合された請求項19に記載の医療用探針システム。
  28. 上記音響トランスデューサが、上記針に取り付けられた請求項19に記載の医療用探針システム。
  29. 上記音響トランスデューサが、回転可能な状態で上記針に結合された請求項19に記載の医療用探針システム。
  30. 第2の音響トランスデューサをさらに備えた請求項19に記載の医療用探針システム。
  31. 針の中を通る細長い管腔をさらに備えた請求項19に記載の医療用探針システム。
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