JP4551896B2 - 結像変換器の解像度を高めるためのシステムと方法 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

発明の属する技術分野
本発明の属する技術分野は、医療結像システムに関するものであり、特に、結像変換器の結像解像度を高めるためのシステムと方法とに関する。

発明の背景
低侵襲的処置を用いる、腔内，空洞内，血管内，心臓内の治療と病状の診断とは、医療行為の様々な分野において、有効な手段である。これらの処置は、典型的には、結像と治療カテーテルとを用いて行われる。治療カテーテルは、経皮的に体内へ差し込まれ、且つ、大腿動脈のような、診断、及び／又は、治療されるべき血管や臓器から離れたところにある、脈管系の利用しやすい血管に差し込まれる。カテーテルは、その後、脈管系の血管を通り、治療されるべき体内領域へと進められる。カテーテルは、結像装置、典型的には、超音波結像装置を備えている。結像装置は、動脈の狭窄領域のような、体の病変部分を見つけ、診断するのに用いられる。例えば、Hamm等による米国特許No.5,368,035には、引例としてここに全開示内容が取り込まれるものであるが、血管内の超音波結像変換器を有しているカテーテルが、開示されている。

図１ａ，図１ｂは、当該技術分野で周知の結像変換器アッセンブリ１の例を示している。結像変換器アッセンブリ１は、ガイドワイヤ（部分的に示されている）のシース５の内腔５０に設けられており、シース５内で、シース５の軸周りに３６０度回転することができる。シース５の内腔５０は、典型的には、変換器アッセンブリ１を囲む、水や塩水のような、超音波発光（sonolucent）液で充たされている。結像変換器アッセンブリ１は、ドライブシャフト１０と、ドライブシャフト１０の遠位端に結合されているステンレススチール製のハウジング２０と、を含んでいる。ハウジング２０は、変換器アッセンブリ１の構造を補強するためのものである。ハウジング２０の遠位端近くには、内腔５０で超音波発光液に曝されている音響レンズ３０が取り付けられている圧電性結晶（“ＰＺＴ”）４０の層がある。

操作中、結像変換器アッセンブリ１は、画像が求められている領域、即ち、結像環境（図示せず）領域の血管内に置かれる。図１ｂは、遠位端からの図１ａの結像変換アッセンブリ１の断面図を示す。変換器アッセンブリ１は、その後、ＰＺＴ４０と音響レンズ３０とを介して、シース５の外側に、そして、結像される領域へと、音響ビーム６０の形式で音響エネルギーを放射する。シース５の目的の一つは、ビーム６０を歪ませないように、超音波発光状態を維持しつつ、結像環境から、結像変換器アッセンブリ１を隔離することである。これらの音響ビーム６０は、領域内の目標で反射し、その後、変換アッセンブリ１に戻ってくる。受け取られた、反射ビーム６０は、その後、所望の画像を生成するのに用いられる。ドライブシャフト１０は、変換器アッセンブリ１を、シース５内で、操縦し、回転するのに用いられる。変換器アッセンブリ１を３６０度回転することによって、血管内の完全な断面画像を得ることができる。

画質は、複数の要因によって決まる。要因の一つは、音響ビーム６０の幅Ｗである。それ故、画像の解像度を向上し、より細かな目標物の画像が得られるように、より狭い幅のビームを出力する、改良された結像装置が必要とされている。

発明の概要
改良された結像装置は、血管の内腔で用いることを想定している。一般に、結像装置は、１又は２以上のエネルギービームを放射できる、結像変換器を備えている。本発明のある実施例では、結像変換器は、シースに囲まれている。ここで、シースは、結像変換器が１又は２以上のエネルギービームを放射した時、１又は２以上のビームがシースを出ると同時に、シースが該１又は２以上のビームの幅を狭めるように、構成されている。

本発明の、他のシステム、方法、特徴、及び、利点が、以下の図の説明と詳細な説明とから、当業者によって、明らかであり、又は、明らかになるであろう。全ての上記追加システム、方法、特徴、及び、利点は、この説明に含まれており、発明の範囲内にあり、且つ、添付する請求の範囲によって保護されるものである。

図面の簡単な説明
上に列挙したものと、本発明の他の利点や目的とが、どのようにして得られるのかについて、より良く認識するため、上に簡単に説明した本発明の、より詳細な説明が、添付の図面に説明されている具体的な実施例を、参照することによって解釈される。図中の構成要素は、必ずしも縮尺比に従うものではなく、本発明の原理を示すために、強調して示されている。更に、図面では、同じ参照番号が、異なる図面にわたり、対応する部分に記されている。しかし、同様の部品に常に同じ参照番号が付されているとは限らない。しかし、全ての図面は、寸法、形状、他の属性に関して、そのまま又は正確にその通りのものを示すのではなく、むしろ、概略図が示されている、という概念を示唆するものである。

好ましい実施例の詳細な説明
以下の説明は、改良された結像装置についてのものである。
図１ｂには、湾曲面を有しているシース５の、内腔にある従来の結像変換器アッセンブリ１の遠位端の断面図が、示されている。シース５の目的は、一般には、結像環境から結像変換器アッセンブリ１を隔離することである。シース５は、望ましい、超音波発光状態であり、これによって、結像変換器アッセンブリ１から放射された音響ビーム６０が歪まないようになっている。典型的には、ビーム６０がシース５を出ると同時に、ビーム６０の幅は、実質一定になる。

結像変換器アッセンブリによって得られる画像の解像度を増加するため、ビーム６０の幅は狭められる。結像変換器から放射された音響ビームの幅を狭くする一つのアプローチが、図２に示されている。図２は、シース５の内腔１５０に設けられている結像変換器アッセンブリ１００の遠位端の断面図を示している。結像変換器アッセンブリ１００は、幅Ｗ１の音響ビーム１６０を放射する。ビーム１６０の幅Ｗ１を維持するのではなく、シース１０５は、以下に詳しく述べるように、ビーム１６０の幅をＷ１からＷ２に狭くするようになっている。より狭い幅Ｗ２は、得られる像の解像度と精密さとを、望ましく向上するものである。

ビーム１６０の幅Ｗ１を狭める能力は、スネルの法則として知られている物理原理を用いることによって説明される。

(1) n1 sinΘ1＝n2 sinΘ2
ここで、
n1 は、入射媒体の屈折率、
Θ1 は、入射角、
n2 は、透過媒体内の屈折率、
Θ2 は、屈折角、を表している。

屈折率ｎは、特定の材料、即ち、媒体に固有の値であり、媒体が、媒体表面に達したエネルギービームを、どの程度屈折させるのかを示すものである。入射媒体は、その中を、入射エネルギービームが進行する媒体のことをいう。これらの用語を図２に当てはめると、屈折率ｎ１の入射媒体は、内腔１５０内の媒体のことをいう。これは、典型的には、水や塩水のような、超音波発光媒体である。屈折率ｎ２の透過媒体は、シース１０５の媒体のことをいう。例えば、シース１０５の一般材料は、ポリエチレン（“ＰＥ")である。

入射角Θ１は、入射エネルギービームと、入射媒体と透過媒体との間の表面の法線と、の間の角度を測定したものである。屈折角Θ２は、入射媒体と透過媒体との表面の法線と、屈折されたエネルギービームと、の間の角度を測定したものである。これらの用語を図２に当てはめると、入射角は、角度Ａになる。該角度Ａは、シース１０５の、内腔１５０に曝されている、内面に対する法線１７０と、内腔１５０を通り進むエネルギービーム１６０の部分１６２と、の間の角度のことである。それに応じて、屈折角は、角度Ｂになる。該角度Ｂは、同じ法線１７０と、シース１０５を通り進むビーム１６０の部分１６４と、の間の角度のことである。

同様に、シース１０５は、また、入射媒体とみなすことができ、シース１０５の外側の領域１９０は、屈折媒体とみなすことができる。それ故、角度Ｃは、シース１０５の外側１９０の表面と、シース１０５を通り進むビーム１６０の部分１６４と、の間の角度である、入射角とみなすことができる。更に、角度Ｄは、シース１０５の外側１９０の表面に対する法線１８０と、シース１０５の外側の媒体を通り進むビーム１６０の部分１６６と、の間の角度である、屈折角とみなすことができる。図２に示すように、シース１０５の内面で生じる屈折と、シース１０５の外面で生じる屈折とは、結果として、シース１０５を出る狭いビーム１６０を生じる。

屈折率ｎに加えて、媒体は、また、例えば、媒体を通り進む、例えば、音響波等の、エネルギー波の伝搬速度である、位相速度又は音速，ｖ，によって、特徴付けられている。位相速度ｖは、屈折率ｎに反比例し、これによって、スネルの法則は、以下の通りになる。

(2) v2 sinΘ1＝v1 sinΘ2
ここで、
v2 は、透過媒体の位相速度、
Θ1 は、入射角、
v1 は、入射媒体の位相速度、
Θ2 は、屈折角である。

方程式（１）又は（２）を用いると、内腔１５０内の媒体が入射媒体であり、シース１０５が透過媒体である、とみなされ、そのうえ、シース１０５内の屈折角Θ２、即ち、角度Ｂが、角度Ａよりも、少なくとも大きな値に増加するならば、音響ビーム１６０は、望ましいように、より一層狭められ、即ち、Ｗ２の値がより小さな値になる。

角度Ｂを増加する幾つかの試みが存在する。ある試みは、シース１０５に、内腔１５０にある媒体の位相速度ｖ１よりも、速い、位相速度ｖ２の材料を用いるものである。方程式（２）を用いると、より高い値ｖ２は、結果として、より高い屈折角Θ２を生じ、これによって、増加した角度Ｂを生じる。例えば、典型的には、位相速度が略１．５mm/μsecの水が、内腔１５０の媒体として用いられると、例えば、２．０mm/μsecのより高い位相速度のシース１０５の物質は、結果として、角度Ｂを増加する。

角度Ｃ,Ｄに関し、角度Ｃは、シース１０５内の入射角であり、角度Ｄは、シース１０５内の外側の屈折角である。しばしば、シース１０５の外側の透過媒体は、典型的には、水と実質同じ１．５mm/μsecの位相速度を有している血液である。それ故、シース１０５の材料が、シース１０５の外側１９０の媒体の位相速度よりも速い位相速度を有しているならば、方程式（２）を用いると、入射角である角度Ｃは、屈折角である角度Ｄよりも大きくなる。しかし、シース１０５の湾曲面によって、シース１０５の外側１９０の表面に対する法線は、位置１８０で生じ、これ故、シース１０５から出るビーム１６０の部分１６６は、シース１０５の内腔１５０のビーム１６０の部分１６２よりも一層狭くなる。

一般的なシース１０５の材料は、異なる型の材料、例えば、異なる型のＰＥ材の混成物を含んでいても良い。当業者によって認識されるように、シース１０５の材料は、異なる光学濃度を有する異なる材料、例えば、略2.32mm/μsecの位相速度で、0.89g/mmの光学濃度を有しているRexeneと、略2.25mm/μsecの位相速度で、0.92g/mmの光学濃度を有しているAlathonと、を一定の割合で混ぜ合わせて製造したものでも良い。このことは、シース１０５の材料の位相速度ｖ２に影響を与える。ある例では、シース１０５の材料は、Rexeneを７０％、Alathonを３０％含んでいる。

他の試みは、シース１０５の厚みを増加することである。増加された厚みは、結果として、法線１８０を、ビーム１６０の中央付近の、シース１０５の外面にまで、動かし、これによって、狭められたビーム１６０を生成する。より厚みのあるシース１０５は、シース１０５内の入射角である角度Ｃを減少させ、これ故、シース１０５の外側１９０の屈折角である角度Ｄを減少させる。しかし、法線１８０の変化によって、結果として生じるビームの厚みＷ２は、望ましく、より小さくなる。厚みの合計は、シース１０５の直径と、結像環境の程度、例えば、変換器アッセンブリ１００とシース１０５とが置かれる血管の直径といったものと、に依存する。略１mmの直径を有しているシース１０５用で、且つ、少なくとも６mmの直径を有している血管用には、シース１０５の厚みは、少なくとも０．１８mm有していることが望ましい。さらに、多重シース層（図示せず）であって、更に、各層が隣接する内層よりも速い位相速度を有しているもの、を使用しても良い。

更に他の試みには、シース１０５の内面の曲率半径を、減少させるものがある。この試みでは、曲率半径の減少は、入射角Θ１である角度Ａを増加させ、そして、方程式（１）又は（２）を用いると、シース１０５内の屈折角Θ２である角度Ｂを増加する。他の試みでは、内腔１５０の媒体は、より遅い位相速度ｖ１のものが選択又は製造される。方程式（２）を用いると、より遅い位相速度ｖ１の内腔１５０の媒体は、シース１０５内において、より高い屈折角Θ２である角度Ｂを、結果として生じる。例えば、典型的には、内腔１５０の媒体は、略１．５mm/μsecの位相速度の水である。他の液体や材料には、例えば、位相速度１．２０７mm/μsecのエタノールのような、ある種のアルコールのように、水よりも位相速度の遅いものを用いる。

図３を参照すると、結像変換器アッセンブリ１００を上から見た斜視図が示されている。シース１０５は円筒形状を有している。ｘ，ｙ，ｚ軸を当てはめると、図示されているように、ｘ軸に沿うビーム１６０の部分１６２が、シース１０５を出るビーム１６０の幅を狭めているのが判る。しかし、円筒形状の理由で、ｙ軸に沿うビーム１６０の部分１６５は、ｙ軸に沿う湾曲面が無いため、シース１０５を出てもビーム１６０として実質変更されていない状態を維持している。ビーム１６０の全周辺部分に沿って、ビーム１６０を狭める、ある試みが、図４に示されている。図４は、シース２０５の内腔に設けられており、球状に形作られた結像変換器アッセンブリ１００の横断面を示す図であり、アッセンブリ１００を覆うシース２０５の一部を有しているものを示す図である。球状の形を備えたことによって、ビーム２６０がシース２０５を出る時に、ビーム２６０の表面領域は、ｘ軸に沿うビーム２６０の部分２６２と、ｙ軸に沿うビーム２６０の部分２６５とを含む、その全周辺部分に沿って、減少されることになる。

これらの試みは、独立して用いられ、あるいは、上述した試み、及び／又は、アッセンブリ１００から放射されるビームを狭める適切な他の試み、を任意に組み合わせて用いられる。

上記説明は、単一の変換器アッセンブリ１００を利用するものである。しかし、上述した概念と原理とは、音響ビームを包み、力学的回転又は電子位相化よって、操作される、多重変換器アレイを用いるものにも、同様に用いることができるものである。

図５を参照すると、変換器アッセンブリ１００と、上述したシースの内の何れか１つとは、ガイドワイヤ５００の遠位端５２０に設けられている。ガイドワイヤ５００は、外壁３０１を有している、柔軟で、細長い筒状のガイドワイヤ本体３０２を包含している。ガイドワイヤ本体３０２は、ニチノール・ハイポチューブ、合金、合成物、プラスチック、網状ポリイミド、ポリエチレン、ピーク・ブレイド（peek braids）、ステンレススチール、他の超弾性材を含む、当業者に知られている任意の材料で形成しても良い。

ガイドワイヤ５００の長さは、用途に応じて変化する。好ましい実施例において、ガイドワイヤ５００の長さは、３０ｃｍから３００ｃｍの間である。カテーテル（図示せず）は、複数の異なる直径のガイドワイヤ５００を使用するようになっている。例えば、ガイドワイヤ５００は、０.０１０、０.０１４、０.０１８、又は、０.０３５インチの直径を有している。典型的には、ガイドワイヤ５００の直径は、均一である。

ガイドワイヤ５００の近接部分５１０は、結像変換器からの画像信号を処理する、周知の回路に接続（図示せず）されている。

上述した明細書において、発明は、具体的な実施例を参照しつつ説明された。しかし、種々の変形例と変更が、本発明の広い精神と範囲から逸脱することなく、さらに形成されるであろう。例えば、読み手は、ここに記載された処理動作の具体的な順番や組合せが、単なる実例であること、そして、発明が、異なる又は追加の処理動作、又は、処理動作の異なる組合せや順序を用いて実行することができるということを、理解すべきである。例えば、本発明は、音響結像装置を用いる医療結像装置を必要とする用途に特に向いているものであるが、光学又は光結像装置のような、一般的な結像装置を必要とする任意の設計で用いることができる。更なる例として、実施例の各特徴は、既に示した他の実施例の他の特徴に合成し、又は、整合することができる。追加で、且つ、自明な特徴は、要望に応じて追加され、又は、取り除かれる。それ故、発明は、添付した請求の範囲とその均等物以外のものに制限されることはない。

従来の結像変換器の断面図である。 図１ａの従来の結像変換器アッセンブリの遠位端の断面図である。 本発明の実施例の結像変換器アッセンブリの遠位端の断面図である。 本発明の実施例の結像変換器アッセンブリを上から見た投影図である。 本発明の実施例の結像変換器アッセンブリの断面図である。 本発明の実施例のカテーテルの部分断面図である。

Claims (13)

1. カテーテルと、結像装置とを包含している人体用結像システムであり、
   カテーテルが、内腔を定めるシースを有しており、前記シースは、多重シース層によって形成され、
   結像装置が、少なくとも１つの超音波ビームを放射するようになっており、前記結像装置が、前記シースの内腔に設けられており、
   前記シースの多重シース層の各層の位相速度は、その内側に隣接した層の位相速度よりも速く、それにより、前記結像装置によって放射された少なくとも１つの超音波ビームが前記多重シース層の各層を通過するたびに、少なくとも１つの超音波ビームの屈折角が増大し、その結果、前記シースは、前記結像装置によって放射された少なくとも１つの超音波ビームを狭めるように形成されている、結像システム。
2. 前記シースが、内腔の位相速度よりも速い、位相速度を有している、請求項１に記載の結像システム。
3. 前記シースが、１．５ｍｍ／μｓｅｃ以上の位相速度を有している、請求項２に記載の結像システム。
4. 前記シースが、前記少なくとも１つの超音波ビームを狭めるような厚みを有している、請求項１に記載の結像システム。
5. 更に、前記シースの内腔に媒体を包含しており、媒体が、前記シースの位相速度よりも遅い位相速度を有している、請求項１に記載の結像システム。
6. 前記シースが、円筒形である、請求項１に記載の結像システム。
7. 前記結像装置を覆う前記シースの部分が、球状になっている、請求項１に記載の結像システム。
8. 前記結像装置が、結像変換器を含んでいる、請求項１に記載の結像システム。
9. 前記結像装置が、前記少なくとも１つの超音波ビームを放射する超音波放射手段を備えている、請求項１に記載の結像システム。
10. 前記シースが、前記結像装置からの前記少なくとも１つの超音波ビームを狭める手段を備えており、これによって、前記少なくとも１つの狭められた超音波ビームが結像装置を出て、人体の一部分に影響を及ぼすようになっている、請求項１に記載の結像システム。
11. 前記シースが、前記少なくとも１つの超音波ビームを狭める湾曲面を有している、請求項１に記載の結像システム。
12. 前記シースの直径が１ｍｍであり、前記シースの厚みが少なくとも０．１８ｍｍである、請求項１１に記載の結像システム。
13. 前記シースが、前記少なくとも１つの超音波ビームが前記シースを出ると同時に狭まるような曲率半径を有している、請求項１に記載の結像システム。

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