JP4820825B2 - バルーンカテーテル及びその他の治療装置への極低温水の制御された効率的な搬送 - Google Patents

Description

本発明は、冷却及びバルーン膨張ののうちの少なくともいずれか一方を使用して組織の治療をするための器具及び方法に関する。

多くの実施例において、本発明は、冷却流体圧力及び温度制御のうち少なくともいずれかにて組織の温度を目標温度範囲まで冷却することによって、患者の血管系や他の組織を低温で治療するためのシステム、装置、及び方法を提供する。冷却水圧及び温度制御のうち少なくともいずれか一方は、冷却水の流れが通過する制御バルブにおける一つ以上の特性を測定することによって、高められる。ある実施例では、組織は冷却、または非冷却状態に保持されるが、気化された、或いは気体の膨張水により、組織治療バルーンの膨張を制御している。

多くの経皮的な血管内処理が患者の血管系におけるアテローム性動脈硬化性の治療のため開発されてきた。これらの治療のうちもっとも成功したものは、経皮的血管形成術（ＰＴＡ）である。ＰＴＡは拡張可能な先端部を有するカテーテルを使用し、通常膨張可能なバルーンの形状で、血管系内の狭窄部位を膨張させ、狭窄していた部位の血液が十分に流れるよう復旧する。狭窄部位を開くためのその他の方法として、指向的なアテローム切除術、回転アテローム切除術、レーザー血管形成術、ステント術等がある。これらの処理の中でも、特にＰＴＡ及びステント術は広く受け入れられているが、その一方、二次の再狭窄の発生に苦しみ続けている。

再狭窄は、動脈が再び狭くなることを意味し、最初の有効な血管形成術や、他の一次治療に続いて発生する。再狭窄は通常、最初の処理から数週間乃至数ヶ月の間に起こり、血管形成術が施された患者の５０％にある程度の影響を及ぼす。再狭窄は、一次治療に起因する負傷に応じて平滑筋細胞増殖から少なくとも一部に生ずる。この細胞増殖は「過形成」と呼ばれる。重大な再狭窄が起こる血管は通常さらなる治療を要する。

過形成を治療し、再狭窄を減少させるため、多くの治療案が提案されてきた。以前に提案された治療案は、長期のバルーン膨張、加熱したバルーンを使用した血管の治療、放射線を使用した血管の治療、一次治療に続く反血栓症薬の投与、一次治療に続く部位のステント術、薬剤溶出性ステントの使用等である。これらの提案が様々なレベルの成功を収める一方で、これらの治療案は、あらゆる部位における再狭窄及び過形成の全ての発生を回避するために完全に成功しているとは証明されていない。また、多くの患者にとって、これらを実行するために要するコストは過大である。

膨張及び極低温の冷却の組み合わせを使用して、変形を再構成することによって、冠状動脈や末梢の血管系における血管形成術に続く、変形の防止や緩慢な再閉が最近提案されてきた。特許文献１には、極低温に冷却されたバルーンを使用して再狭窄を抑制する構造及び方法が開示されている。２００３年６月４日に出願された特許文献２において、冷却されたバルーンが非膨張状態と膨張して血管を膨張させる膨張状態の間の圧力に制御可能に膨張され、極低温に組織を冷却するための構造及び方法の改良を開示している。
米国特許第６３０００２９号明細書 米国特許出願第１０／４５５２５３号明細書

これらの冷却治療は血管内における使用に大きな保証をもたらすものだが、血管内における極低温の冷却を実行するための上述の構造及び方法はさらに向上する余地がある。特に、本発明に関連した作業は、バルーン膨張圧、バルーン温度、バルーンが膨張していない状態から膨張した冷却バルーンに至る過程に対する正確な制御が、極低温の冷却水の有効な使用と同時には、必ずしも膨張速度に対して所望のレベルの制御を提供するとは限らないということを示している。

これらの理由により、血管及び他の身体の管腔の極低温の冷却のために向上した装置、システム、及び方法を提供するのが望ましい。概して、極低温療法の圧力及び温度を制御する新しい向上した技術は有益である。特に、もしこれらの改良が、冷却流体をより有効に使用しつつ、コスト及び複雑さのうち少なくともいずれか一方を有意に抑える場合である。仮にこれらの装置、システム、及び方法の改良により、非常に制御された状態で治療を遂行でき、その結果、血管内の極低温のバルーンが膨張している間に組織の損傷を防止できるなら、特に望ましい。

本発明は、血管及びその他の身体の組織を、制御可能に膨張及び冷却する装置、システム、及び方法を提供する。血管を治療するために使用される場合に、本発明の実施例は、アテローム性動脈硬化性やその他の病気の治療のため周囲の血管の壁を冷却するための、極低温の冷却流体により膨張されるバルーンにより構成される。バルーンは、バルーン内の極低温の流体の位相における変化、通常、液体の位相から気体の位相への変化により冷却される。極低温の冷却流体の放出や浪費を制限しながら、数値に制限のある圧力における「段階的」増加に頼ることなく、時間に対する治療圧力及び温度プロファイルのうちいずれか一方を提供する。ある実施例において、拡張等のためのバルーン膨張の制御は、治療のための冷却、あるいは非冷却により、少なくともその一部が、気体の膨張の影響を受ける。

本発明に関連する作業により、温度制御及び圧力のうち少なくともいずれか一方を備える治療プローブから放出される極低温の冷却流体の量が減少する。あるいは、このようなプローブにおける温度及び圧力のうち少なくともいずれか一方の制御は、使用される構成要素のタイプの標準的な性能に単純に依存するよりは、むしろ極低温の冷却流体路における流体制御要素（特にソレノイドバルブ）において測定される応答を使用することにより、驚くべきほどに高められる。例えば、特定のタイプのバルブを確実に開く最小パルス幅、あるいは特定の製造バッチのバルブを開くのに十分なパルス幅を使用するよりは、むしろ、重要な極低温の冷却流体を開放するソレノイドバルブに出力される最小パルス幅を決定することにより、指令パルス幅を測定して使用する。そのようなパルス幅は、治療設定において、治療中にソレノイドバルブを駆動する特定のバッテリを使用して測定される。また、そのようなパルス幅は、周知技術に基づき形成される少量の極低温の冷却流体を許容する。処理プロトコルは測定されたパルス幅から決定される。プロトコルは、測定された最小パルス幅を繰り返し使用可能である。

第一の側面において、本発明は、患者の目標組織を極低温で冷却する方法を提供する。この方法は目標組織と熱的に接続されるプローブシステムの熱伝達面を配置する工程と、プローブシステムの個々のバルブのバルブ性能特性が測定する工程と、測定されたバルブ性能特性を使用して処理プロトコルを決定する工程よりなる。処理プロトコルはバルブを駆動することにより構成される。極低温の冷却流体が治療面と熱的に接触するようバルブを駆動することにより処理プロトコルが実行され、少なくとも冷却流体の一部が組織を冷却するために蒸発する。

特定の治療設定において患者のために処理プロトコルが実行され、バルブ性能特性がその特定の治療設定において測定される。例えば、患者が病室で治療を受ける場合に、治療の直前に、バルブ性能特性も病室内において測定される。これにより、例えば、同じシステム構成を使用して、同じ周囲の温度及び気圧等でというように、治療の状況が容易に再現できるようになる。

プローブシステムの制御部を使用してバルブ性能特性が測定され、プローブシステムの制御部が処理プロトコルも実行する。好適には、制御部は、極低温の冷却流体キャニスター、制御部入力、制御部出力ディスプレイ等のための設置部とともに、プローブシステムの携帯可能なハウジング内に備えられる。プローブシステムのバッテリを使用してバルブ性能特性が測定され、治療中にバッテリは、バルブの駆動装置も駆動する。別の一人を超える患者に使用されるのを抑制するように、患者の治療後に個々のバルブは配置される。

バルブはソレノイドバルブから構成され、バルブ性能特性は、バルブを駆動するための指令パルス幅を決定することにより測定される。指令パルス幅は、複数のパルス幅候補を順次的に算定し、プローブシステム内の冷却流体の流れを監視することにより、測定される。複数の順次的なパルス幅候補は、短いパルス幅から長いパルス幅の順に算定される。通常、指令パルス幅は、バルブの下流における冷却流体路の圧力と閾値の圧力とを比較することにより決定される。

指令パルス幅は、プローブシステムの制御部を使用して測定され、プローブシステムの制御部も、ａ）バルブへの指令パルス幅を有する指令パルスを搬送する工程と、ｂ）先行する指令パルスに応じて冷却流体路に沿った熱伝達面に隣接する、あるいは、下流の、冷却流体の圧力を測定する工程と、ｃ）測定された圧力と目標圧力とを比較する工程と、ｄ）目標圧力より低い、測定された圧力に応じてａ）〜ｃ）の工程を繰り返す工程と、ｅ）目標圧力より大きい測定された圧力に応じてａ）〜ｄ）の工程を終結する工程とを実行することにより処理プロトコルを実行する。時間の機能として目標圧力は変更可能である。例えば、目標圧力は、時間を増やす機能として線形に増加し、それによって、膨張圧力において円滑に、かつ徐々に増加する。ある実施例において、圧力は膨張サイクルの第１の部分の間、第１の速度で増加し、その後、膨張サイクルの第２の部分の間、第２の速度で増加する。例えば、５ｐｓｉ／秒（約３４．５ｋＰａ／秒）以下の最初の比較的低い膨張速度が、バルーンを小さな外形構造から展開した外形構造になるまで徐々に膨張させるために使用され、その後、膨張圧力に対して過剰な膨張速度を回避するために５ｐｓｉ／秒（約３４．５ｋＰａ／秒）を超える膨張速度が続く。このような円滑かつ徐々の膨張により、隣接する組織等に対するバルーンの壁の急激な動きや衝突を防止する。さらに治療圧力または温度プロファイルの別例が可能であり、極低温の冷却流体の温度と圧力との関係は、治療面と熱的に接触する蒸発室内における蒸発温度と圧力との関係により、決定される。選択された治療温度及び圧力のうち少なくともいずれか一方が決定され、さらに、これらのパラメーターの制御された変化速度が決定される。異なる温度や圧力における異なるドウェル時間や、温度及び圧力の偏位のサイクルの繰り返し等も同様に使用可能である。

処理プロトコルは、ソレノイドバルブに搬送される、指令パルス幅を有する複数の指令パルスから構成される。各指令パルスは冷却流体路の極低温の冷却流体の全集合を開放する。冷却する表面はバルーンからなる。目標圧力は、バルーンが非膨張状態と組織膨張状態との間で徐々に変化する。指令パルスにより開放された、冷却流体の全集合の大部分が冷却流体路において蒸発するように、指令パルス幅は短く設定されている。極低温のバルーンの膨張速度における段階的な変化とは異なり、圧力における徐々の変化は、少なくとも５ｐｓｉの圧力における増加の間中、１００ｐｓｉ／秒（約６８９ｋＰａ／秒）未満の圧力膨張速度に制限され、通常は５０ｐｓｉ／秒（約３４４．５ｋＰａ／秒）以下であり、理想的には、５ｐｓｉ／秒（約３４．５ｋＰａ／秒）以下である。

バルブは、プローブシステムを製造する業者により、プローブシステムのその他の構成要素とともに組み立てられる。バルブは、共通するバルブのモデルを共有する複数のバルブのうちの一つであり、バルブを供給する業者経由でプローブシステムを製造する業者によって供給される。通常、指令パルス幅は当該バルブのモデルの複数のバルブを確実に開く最小パルス幅より小さい。モデルの最小パルス幅は、プローブシステムを製造する業者及びバルブを供給する業者のうち少なくともいずれか一方により特定される。

指令パルス幅は、特定のバルブの所望の動作反応を得るための、最小パルス幅により構成される。制御部により測定された最小指令パルス幅及び治療中に適用された最小指令パルス幅のうち少なくともいずれか一方は、バルブを開閉するための絶対的な最小パルス幅である必要性はない。例えば、小さな安全係数を、測定された最小パルス幅に加算することも可能である。最小パルス幅を測定する場合に、制御部は連続したパルス幅の候補をスキャンする。パルス幅の候補はステップサイズで増加し、その結果、測定された最小パルス幅は、二つの候補の間にあたる絶対的な最小パルス幅よりわずかに大きくなるかもしれない。にもかかわらず、指令パルス幅は最小パルス幅や最小搬送パルス幅とされる。いずれの場合にせよ、このバルブの測定されるバルブ特性は、膨張圧力及び温度のうち少なくともいずれか一方に対して、極低温の膨張流体を蒸発させるために、特定のタイプやモデルの全てのバルブを許容する標準的なパルス幅を単純に使用するシステムの性能を超える制御を提供するものである。

別の側面において、本発明は、患者の組織を極低温で冷却する方法を提供する。この方法は、組織と熱的に接続されるプローブシステムの熱伝達面を配置する工程と、プローブシステムの制御部を使用してプローブシステムの個々のソレノイドバルブの最小の受容可能な指令パルス幅を測定する工程と、プローブシステムの制御部を使用して、最小の指令パルス幅によって繰り返しバルブを駆動させ、組織を冷却する工程と、極低温の冷却流体が治療面と熱的に接触するよう流れるようにする工程からなる。少なくとも一部の冷却流体が蒸発する。

別の側面において、本発明は、患者の目標組織を治療する方法を提供する。この方法は、目標組織に隣接するバルーンシステムのバルーンを配置する工程と、バルーンシステムの個々のバルブのバルブ性能特性を測定する工程と、測定されたバルブ特性性能を使用して処理プロトコルを決定する工程からなる。処理プロトコルはバルブの駆動から構成される。すなわち、バルブを駆動することによりバルーン内に流体が流れるようにし、バルーン内の流体の少なくとも一部が気体から構成され、気体がバルーンを膨張させることにより処理プロトコルを実行する。

通常、バルーンは目標組織を膨張させるのに使用され、バルーンシステムは、目標組織の冷却に影響を与える可能性がある。膨張圧力は、膨張治療サイクルを通して正確に制御可能である。バルーンは、ともに配置された放射線不透過性の材料により、露出が容易になる。驚くべきことに、このような気体の膨張は、標準的な流体及び膨張に比して、繰り返しが容易である。これにより、血管形成術、ステント術、末梢の血管の膨張、その他の様々なバルーンシステムによる治療が容易になる。バルブは通常ソレノイドバルブにより構成され、バルブ性能特性は通常バルブを駆動させるための最小指令パルス幅を決定することにより測定される。少なくとも流体の一部は、バルーン内で蒸発する流体からなる。

またある側面において、本発明は患者の組織を治療するためのシステムを提供する。そのシステムは、流体路とそれに接続する治療面を有するプローブから構成される。流体路は流体源と接続可能である。バルブは、プローブの流体路に沿って設けられ、センサは、プローブの流体路に沿って設けられる。制御部は、バルブとセンサとに接続される。制御部は、バルブを駆動し、センサを使用して冷却流体を監視することにより、バルブの特性を測定するよう構成されている。さらに、制御部は、測定されたバルブ性能特性に応じて処理プロトコルを決定し、組織を冷却するようバルブを駆動することにより処理プロトコルを実行するよう構成されている。

バルブは、ソレノイドバルブから構成され、バルブの性能特性は、バルブを駆動するための指令パルス幅から構成される。測定された指令パルス幅は所望の駆動結果を達成するための最小の指令パルス幅から構成される。測定された指令パルス幅は、いかなる冷却流体の開放をも許容する絶対的な最小の指令パルス幅である必要性はないが、同一のバルブのモデルのバルブを確実に開放するようバルブを供給する業者により特定される最小パルス幅以下である。

バッテリは、制御部と電気的に接続される。制御部は、組織を治療できるようバッテリを使用してバルブ性能特性を測定し、バルブを駆動するよう構成されている。制御部は、センサを使用して冷却流体を監視する間、複数のパルス幅候補を順次的に算定することにより指令パルス幅を測定するよう構成されている。複数の順次的なパルス幅候補が、短いパルス幅から長いパルス幅の順に算定される。順番は多少前後してもよく、短いパルス幅から長いパルス幅に渡る全体的な傾向が維持されているならば、好適な最小パルス幅が特定される場合に、冷却流体が不必要に開放されるのを防止することができる。センサは圧力センサから構成され、流体路に沿った冷却流体の流れ及び圧力のうち少なくともいずれか一方を示す。制御部は、冷却流体路の圧力と閾値の圧力とを比較することにより、指令パルス幅が決定されるように構成されている。

制御部は、指令パルス幅を有する指令パルスをバルブに搬送することにより処理プロトコルを実行するよう構成されている。冷却流体路に沿った熱伝達面に隣接する、あるいは、下流の、冷却流体の圧力が測定される。なぜなら冷却流体は先行する各指令パルスに応じて変化するからである。測定された圧力は、目標圧力と比較され、測定された圧力が目標圧力より低い場合、指令パルスの搬送、測定、及び比較が繰り返される。目標圧力より大きい測定された圧力に応じて、搬送、測定、比較、及び、任意に反復が終結する。

制御部は、目標圧力を時間の機能として変更するよう構成されている。処理プロトコルは指令パルス幅を有する複数の指令パルスから構成可能である。各指令パルスは、冷却流体路に沿った極低温の冷却流体の集合を開放する。冷却する表面はバルーンから構成可能であり、制御部は、目標圧力を徐々に変化させるよう構成されている。バルーンは、非膨張状態と組織膨張状態の間で徐々に変化する。指令パルスにより開放された、冷却流体の全集合の大部分が冷却流体路において蒸発するように、指令パルス幅が短く設定されている。

本発明は、人体の管腔における管腔壁及び人体の他の組織の膨張及び冷却のうち少なくともいずれかを使用した治療のための装置、システム、及び方法に関する。本発明においては、通常は血管壁（あるいは他の包囲する組織）を径方向にはめ込むために、冷却流体で膨張させたバルーンを使用する。通常、冷却流体は、バルーン内において少なくともその一部が第１の段階から第２の段階に変化する。その結果、気化による潜熱が、周囲の組織を冷却する。好適な冷却流体の導入により、冷却流体が液体からガスの段階に沸騰し始めたら（通常液体がカテーテルに入るとすぐに起こる）、バルーンが非常に速く拡張される。本発明は、バルーン膨張工程を好適に制御できる。例えば、ゆっくり時間をかけてバルーン内の圧力の状態を円滑に、かつ叙々に変化させる。冷却処理する表面に対して熱的に接触する液体と、蒸気との混合物を気化させて冷却効果を得る極低温の冷却システムにおいて、圧力と温度とは相関関係にあるため、本発明は、過剰な通気や冷却流体の浪費を回避するための重要な「段階的」変化に頼ることなく、温度及び圧力のうち少なくともいずれかによる多種多様な治療の概略を描く。類似の技術が、バルーンの少なくともその一部を気体で膨張させるために使用可能であるが、治療のための冷却を伴うものではない。

本発明は、膨張可能なバルーンカテーテルを使用する実施例において、以下に記載されるが、代替的なプローブ構造においても、ここに記載される有効な冷却流体制御装置、システム、及び方法が利用可能である。例えば、拡張しない気化室を有する可撓性を備えた極低温のカテーテルは、不整脈及び他の冠状動脈の疾患を治療できるよう、心臓の組織において変形部位を制御可能に形成するために使用される。固定の処理表面及び膨張可能である処理表面のうち少なくともどちらか一方を有する堅固なプローブは、体中の組織や特定の組織の広範囲な治療のための侵入を最小限にした外科的治療に適用可能である。圧力及び温度プロファイルのうち少なくともいずれか一方を制御することにより、極低温の研磨の制御やその他の冷却療法が提供される。

図１を参照する。カテーテルシステム１０は制御／供給ユニット１２及びカテーテル１４を備える。ユニット１２は、冷却流体サプライ１６、バルブ、圧力変換器、電子制御ハードウェア及びソフトウェアのうち少なくともいずれか一方等の冷却流体制御システム構成品を備える。ユニット１２は、スイッチ、インプットキー、ディスプレイ等を含むユーザーインターフェースを任意に組み込む。代替的な実施例では、外部ユーザーインターフェースやデータプロセッサが使用可能である。ユニット１２の構成品は複数のハウジング構造体に分散される。

具体例としての供給／制御ユニット１２は、バッテリから受ける電力を供給するためのケーブル１８、壁コンセント、あるいは好適な電源を備える。加えて、真空源２０はユニット１２に組み込まれ、ここではシリンジのようなプラスの排気ポンプの形状である。ユニット１２のハウジングは処置中に片手で保持するのに好適な寸法、形状、重さを有する。ユニット１２はカテーテル１４に対して、ユニット上の連結ハブやコネクタ２２及びカテーテルにより連結される。ユニット１２、カテーテル１４、及び連結コネクタについては、発明の名称が「安全冷凍療法カテーテルの改良」である米国特許第６６４８８７９号明細書において十分に開示されている。

カテーテル１４は基端部隣接コネクタ２２、先端部２４、及びそれらの間を延びる長尺状のカテーテル本体２６を備える。バルーン２８はカテーテル本体２６の近接する先端部２４に配置される。実施例において、バルーン２８は内部バルーン３０及び真空空間を有する外部バルーン３２（図２参照）よりなる。第１のバルーン及び第２のバルーンの間の真空を監視し、仮に真空が悪化するならば冷却流体の流れを遮断することにより、第１のバルーン及び第２のバルーンの両者の封じ込めが効果的に監視可能になり、血管系内の冷却流体や気体の流出が抑制可能である。

極低温に冷却されたバルーンが膨張している間、膨張水は６５０ｐｓｉ（約４４７８．５ｋＰａ）を超す高圧、通常８５０ｐｓｉ（約５８５６．５ｋＰａ）乃至９５０ｐｓｉ（約６５４５．５ｋＰａ）の間で、ユニット１２内のキャニスターに保持される。容積の少ない小さな密封したキャニスターを使用することにより、冷却流体の消耗による過処理を制限することができるシングルユースの好適なシステムが使用可能である。１０ｃｃ乃至２０ｃｃの容積を有する亜酸化窒素のキャニスターは、約８ｇ乃至２５ｇの冷却流体を収容可能で、バルーンカテーテルシステム１０用の非常に安全かつ有効な冷却及び膨張媒体を提供することができる。しかしながら、これらの高圧キャニスターがバルーンカテーテルシステム１０に連結されるときのバルーン膨張速度は、過大になり、通常０．１秒以下になる。このような高速のバルーン膨張は、治療する部位の血管に対する過大な損傷の原因となり、その結果、解剖率が上昇し、再狭窄率等も上昇する。

バルーンの膨張速度を減少させるために、様々な制御方法が使用可能である。２００３年６月４日に出願され、発明の名称が「圧力制御可能な極低温のバルーン治療システム及び方法」である米国特許出願第１０／４５５２５３号明細書には制御方法が開示され、その全内容がここに開示されたものとする。この特許に記載されているように、カテーテル間の重要な変化、すなわち、管腔からバルーンへの冷却流体の流入量と径、冷却流体を搬送する管系の温度、サプライキャニスターをカテーテル本体へ連結する様々なマニフォ―ルド、及びその他の物理的差異が、カテーテルに入る亜酸化窒素水の温度、並びに、ガス及び液体の混合等を有効に制御する。これにより、圧力制御アルゴリズムが複雑化され、広汎に変化するカテーテルにおいて、一様な応答をするのは無理となる。さらに、カテーテル本体からの流出量を測定する際に、全冷却流体システムの応答時間が単純なフィードバックループに依存するのが無理となり、その結果、例えば、カテーテルのいかなる範囲を使用する際にも圧力は徐々に変化することになる。

ユニット１２は複数のバルーンカテーテルに選択的に接続され、通常、カテーテル本体及びバルーン、並びに、その他の特性が異なる構成要素を備える。より詳細には、交互に配置される選択可能なカテーテルの具体例としての組み合わせは、カテーテル本体の長さが８０，１２０，１３５ｃｍ、並びに、バルーンの長さが２，４，６及び８ｃｍである。本体の長さとバルーンの長さの組み合わせのいくつか、あるいは全ては直径が２．５，３．０，４，５，６，７，及び８ｍｍのバルーンを備えるカテーテルにおいて利用可能である。具体的な組み合わせは、異なる液流特性を有する４８のカテーテルを含む。これはカテーテル構造体間の付加的な相違に起因する。例えば、カテーテルの長さ、バルーンの長さ、及びバルーンの径の相違に伴い、バルーンに流入する流体を冷却させるためのオリフィスの長さがカテーテルごとに異なる（通常、短いオリフィスを有する長いバルーンにおける冷却流体の流入速度は、バルーン表面全体を冷却するのに十分になる）。これらの異なる特性は、ユニット１２からの冷却流体の液流特性に強く影響を与えるため、ユニット１２に接続されるときに、選択されるいずれのバルーンカテーテルの膨張速度でも制御できる制御方法が望ましい。

図２及び３を参照する。カテーテル１０の様々な構造が詳細に図示されている。カテーテル本体２６は、冷却流体供給管腔４０と、カテーテル本体の基端部及び先端部に延びる排出管腔４２とを備える。第１バルーン及び第２バルーン３０，３２はカテーテル本体に組み込まれた拡張体であるか、あるいは、別々に形成されて、カテーテル本体に取り付けられるものである。バルーンはカテーテル本体と同一、あるいは別の材料から形成され、接着剤や熱溶接等によりカテーテル本体に取り付けられる。カテーテル本体２６は様々なポリマー材料からなる。ポリマー材料としては、ポリエチレン、ポリイミド、ナイロン、ポリエステル、並びに、これらのコポリマー及び派生物の少なくともいずれか一方を含む。バルーン３０，３２は弾性を備えた構造体及び非弾性を備えた構造体の少なくともいずれか一方からなり、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ウレタン、ラテックスシリコン、ポリエチレンや、ＰＥＢ ＡＸ（登録商標）のような強力なポリマー等からなる。バルーン３０，３２は様々な材料からなり、例えば、第１のバルーンがＰＥＴのような強力な材料からなる一方で、第２のバルーンがポリエチレンのような高い耐久性を備えた材料からなる。バルーン２８は通常少なくとも１ｃｍの長さを有し、好ましくは、１．５ｃｍ乃至１０ｃｍの範囲にある。バルーン２８は直径が１．５ｍｍ乃至１０ｍｍの範囲にある。

防熱壁が真空スペース３４内に設けられる。防熱壁は、バルーンとバルーンの間の空間を含む。好適な防熱壁は、螺旋状に編み込まれた繊維材、あるいは、ニューヨーク州ＳｕｍｍｅｒｓのＳＡＡＴＩＴＥＣＨから登録商標名ＳＡＡＴＩＦＩＬポリエステル、ＰＥＳ３８／３ＩＭとして販売されているポリエステル材料のような結ばれた繊維材よりなる。放射線不透過性のマーカもポリエステル層上、あるいは、第１バルーン及び第２バルーン間に設けられて、表示され易くなっている。これ以外に、各種の代替物が採用可能である。

さらに、図２及び３を参照する。カテーテル本体２６に沿って配置されたハブ４４はガイドワイヤポート４６をカテーテル本体のガイドワイヤ管腔４８に接続する。バルーン膨張ポート５０は、排出管腔４２に接続され、処理工程の完了後、バルーンが膨張し易くする。少なくとも１枚の破裂板が内部バルーンの内側表面と、真空スペースとの間に設けられ、バルーンの破裂前にシステムの全動作を停止させる。真空スペース３４は真空管腔５２によりハブ２２に接続されている。ワイヤ５４によりバルーンのセンサはユニット１２に接続される。

図４はシステム１０の流体通過路と制御要素との作用を示すフローチャートである。システム１０における流体遮断部６０は、回路により遮断バルブ６４に接続される真空スィッチ６２を備え、回路はバッテリ６６により電力供給される。スィッチ６２は、一定レベルの真空が検知されるときにのみ閉状態に保持される。これに代えて、一定レベルの真空が存在するときにのみスィッチが開き、スィッチが開状態にあるときに遮断バルブ６４が開放されるように回路を構成することもできる。真空は、カテーテル本体、内部バルーン、及び外部バルーンの少なくともいずれか一つに裂け目があるときに減少し、真空管腔や真空スペースに極低温の水や血液が進入することを許容する。

システムの圧力制御部７０において、（亜酸化窒素キャニスターのような）流体供給部７４からソレノイド式の搬送バルブ６４を介して冷却流体路に沿って流体が通過する。バルブ６４が開状態にあるとき、流体は流体供給管腔４０に沿ってバルーン３０に向かって移動することが許容され、バルーン３０において冷却流体は液体から気体に位相を変化させる。流体がバルーン３０に進入前、及びバルーンが、バルーン３０から排出管腔４２に排出された後のいずれか一方において、流体の少なくとも一部が液体から気体に変換される。圧力開放バルブ７６は排出流体を外部に逃がすように制御する。別例として、排出流体は真空源、排出流体チャンバ、リサイクルシステム等に逃がされる。開放バルブ７６は排出管腔４２及びバルーン３０内の後方圧力を制御する。

バルブ６４の開放時において、流体供給部７４からの冷却流体は通気バルブ７２に向かって移動することが許容される。このバルブ７２（及び冷却流体制御部７０のその他の部材）はバッテリ６６に接続されている。この接続回路はバルブの稼動サイクルを設定するタイマを備えることが一般的である。通気バルブ７２の開放時に、流体供給部及び流体供給管腔の少なくともいずれか一方からの冷却流体は排出され、バルーン３０への冷却流体の通過を相当量にわたって制限する。

米国特許出願第１０／４５５２５３号明細書に開示されるように、非膨張状態と完全な膨張状態との間にあったり、段階的な膨張圧の変化を受けているバルーンは、トランスデューサー７８により測定された圧力に応じて選択される通気バルブのサイクルや、遮断バルブのサイクルの調整により制御されている。詳細には、初期状態、即ちキャリブレーション状態にある冷却流体は、バルブ６４を開閉することにより、流体供給部４０内に導入される。トランスデューサー７８において圧力を測定することにより、制御部がシステムにおける冷却流体路の特性の少なくともいくつかを決定する。具体的な実施例において、通気バルブ及び遮断バルブのバルブサイクルのうち少なくともいずれか一方は、圧力トランスデューサー７８により測定される排出圧力に応じて決定される。その結果、カテーテル本体の所定の長さやバルーンの所定の寸法等に対して、制御システムの応答を適合させる。冷却流体路に沿ったシステム１０の構成要素は図５に示されている。

図６を参照する。制御部１００と冷却流体路１０２に沿って配置された構成要素とが簡易的に示されている。冷却流体の流れは、少なくともその一部が冷却流体路１０２に沿って配置されたソレノイドバルブ６４により制御される。圧力トランスデューサー７８は圧力センサ―として機能し、冷却流体路１０２に沿った冷却流体の流れを監視する。

ソレノイドバルブ６４はユニット１２内に設けられ、ユニットのその他の構成要素とともに、プローブシステムを製造する業者によって組み立てられる。ソレノイドバルブ６４はユニット１２とともに再利用することも可能であるが、カテーテル１４は廃棄される。これは、カテーテルを一人の患者のみに使用することを意図するものである。別例においては、バルブはカテーテル１４の構造をなしている。このため、バルブは一人の特定の患者のためにのみ使用される。いずれの場合にせよ、ソレノイドバルブは通常、型番や名称等のようなバルブのタイプによって指定される。バルブは、関連するバッチ番号等によって指定可能である。同一のタイプ、モデル、名称、番号、及びバッチ番号のうち少なくともいずれかに該当する複数のバルブが（バルブ製造業者やバルブの中間業者のような）バルブを供給する業者から、プローブシステムを製造する業者に供給される。

バルブを供給する業者はプローブシステムを製造する業者に対してバルブの特性に関する情報を提供する。このような情報は通常、ソレノイドバルブを駆動するための特定の最小パルス幅を含む。この情報は、特定のバルブ作動電位が引加されるときに、このタイプ（等）のバルブを確実に駆動するに十分なパルス幅を正確に指示する。しかしながら、これらバルブは、バルブを供給する業者により特定される情報より小さなパルス幅に応じて開閉するのが実情である。実際、バルブは非常に少量の冷却流体を通過させる。膨張バルーン（例）内の圧を円滑、かつ徐々に変化させる制御において、所望の正確性を達成することは、個々のバルブの能力の限界付近でバルブを操作することにより高められる。バルブをその個々の性能の限界付近で開閉し、各パルスにより流体の流れを最小にするために、個々のバルブ、バッテリ電圧、周囲の温度等とともに変化するパルス幅が望ましい。

バルブの性能の限界付近において同バルブを開閉するために、最小のバルブの反応を得るためのパルス幅が、個々のバルブのため測定される。バルブの製造交差や、バルブが駆動される環境等により、バルブの性能及び最小パルス幅は、特定されているバルブ特性とは異なるものである。

個々のバルブの能力を利用するため、制御部１００はパルス幅スキャンモジュール１０４と、処理プロトコル設定モジュール１０６と、処理プロトコル実行モジュール１０８とを備える。制御部１００は一連の方法のステップを実行するためのソフトウェア、ハードウェアを備える。典型的なモジュールは機械で読み取り可能なコードでプログラムされた再プログラム可能なハードウェアで構成される。典型的な制御部は登録商標名がMicrochip Pic であるプロセッサを備え、Ｃ言語でプログラムされる。

パルス幅スキャンモジュール１０４は、バルブからの所望な応答を引き出す指令パルス幅を決定する。このパルス幅は、所望の結果が得られる「最小の」パルス幅を意味する。パルス幅は必ずしも絶対的な最小のパルス幅ではない。その理由として、スキャンの結果により安全指数が加算されたり、乗算されたりすることが挙げられる。さらに、スキャン自身が、単にパルス幅を得るためのものであり、ここで得られたパルス幅が増分により増加されることもあるからである（従って、スキャンによって得た２つのパルス幅の中間のパルス幅が所望の結果をもたらすこともある）。

処理プロトコルモジュール１０６は、パルス幅スキャンモジュール１０４により特定されたパルス幅に応答して処理プロトコルを立ち上げる。実施例において、処理プロトコルモジュールは、パルス幅の候補群中において、所望の結果を提供する最小のパルス幅の候補に対応して変化可能な指令パルス幅を設定する。別例として、選択されたパルス幅を修正するように設定してもよい。あるいは、システム１０中のソレノイドバルブ６４の特性を適切に利用すべく、処理プロトコルを再調整することも可能である。

処理実行モジュール１０８は所望の極低温組織治療に影響を与える。この極低温組織処理は、一つあるいはそれ以上の組織処理温度、一つあるいはそれ以上の組織冷却速度、一つあるいはそれ以上の処理温度における滞留時間等を含む。処理の温度及び温度変化速度は、特定の目標処理温度や目標温度変化速度、あるいは、目標範囲により決定される。

所望の範囲内の温度や圧力における制御された変化に影響を及ぼすように、処理実行モジュール１０８は、制御部１００のクロックからの入力を受承する。処理実行モジュール１０８は、測定したパルス幅やその他のバルブの性能に従って、バッテリ６６の電力をソレノイドバルブ６４へ送る。バルブ特性の決定の際及び処置の実行のうちいずれか一方において、パルス幅スキャンモジュール１０４及び処理実行モジュール１０８の少なくともどちらか一方では圧力センサ７８からのフィードバックが使用される。

図７を参照すると、バルブのパルス幅をスキャンし、特定の膨張圧を提供するための具体的な方法が詳細に示されている。この方法全体は参照符号１２０にて示されている。最初のステップ１２２において最初のパルス幅候補ＰＷを設定し、ステップ１２４において圧力センサ７８で排出圧力を測定する。初期のパルス幅は０．１秒以下、通常３０ミリ秒以下で、多くの場合１０ミリ秒以下であり、理想的には３ミリ秒以下である。設定したパルス幅がソレノイド１２６に出力され、その後、システムが指令したパルスによって生じる排出圧力１３０を登録することを許容するように適切なディレイ１２８が実行される。最終的な圧力も圧力センサ７８により測定される。ステップ１３２において、最終的な圧力は最初の圧力と比較され、圧力や他の冷却水の応答についての閾値が変化されたか否かが判断される。圧力の変化の閾値は通常５ｐｓｉ（約３４．５ｋＰａ）以下であり、理想的には２ｐｓｉ（約１３．８ｋＰａ）以下である。

直前に指令されたパルスが、閾値より大きな圧力の変化を生成しなかったならば、パルス幅はステップ１３４において増分１３４だけ増加する。そして、排出圧力は再びステップ１２４で測定される。パルス幅の増加は１０ミリ秒以下であり、通常１．０ミリ秒以下である。新しいパルス幅がソレノイド１２６に対して指令され、閾値に関するシステム応答が再び計測される。パルス幅は閾値に関する応答が得られるまで繰り返し増加される。

短いパルス幅の候補から長いパルス幅の候補にわたってパルス幅の候補をスキャンすることにより、スキャンモジュール１０４により実行されるパルス幅スキャンの間、冷却流体路に沿った冷却流体の過剰な放出が防止される。その順番は必ずしも絶対的なものではない。なぜなら（例えば）、スキャンの幅を狭めるように、パルス幅の大きな増加が最初に使用され、次に続くより細かいスキャンの増加が使用される。従って、スキャンの連続におけるパルスの大多数は、先のパルスの大多数より長いため、スキャンにおける冷却流体の全使用量は制限される。

所望の結果を得るための最小の出力パルス幅が一旦特定されると、処理プロトコルが、特定されたパルス幅（あるいは、そこから導かれる他の指令パルス幅）を使用して設定される。図７に示される方法１２０において、処理プロトコルは、単に選択されたパルス幅候補ＰＷに等しい指令パルス幅を設定することにより、決定される。実施例の別例は、安全率等を決定した候補に加算したり乗算したりして、決定したパルス幅候補を修正する。

方法１２０は処理実行モジュール１０８により実行される工程を含む。この工程では、ステップ１３６においてソレノイドバルブにパルス幅を出力することによるパルス幅スキャンから導かれる指令パルス幅を使用する。ステップ１３８において排出圧が圧力センサ７８にて測定される。排出圧は、ステップ１４０において、目標圧力と比較される。処理プロトコルの少なくとも一部の工程の間、目標圧力は固定された値である。処理プロトコルの他の工程において、目標圧力は計時的に機能する。目標圧力が提供されているかいないかに拘わらず、方法１２０のステップ１３６において、ソレノイドに対して再度パルス幅が出力され、排出圧が測定される。これは目標圧力が提供されるまで繰り返される。

フローチャートに示される方法１２０はさらなる利点を有する。例えば、ステップ１３６におけるパルス幅の出力、及びステップ１３８における排出圧力の測定の間で十分なディレイが実行される。その結果、プローブシステムの圧力を適切に反応させる。さらに、目標圧力がステップ１４０において決定されると、処理は終了しない。その代わり、圧力減衰遅延時間が決定されるか、排出圧力が目標圧力以下に下がるまで監視される。圧力が目標圧力以下に減衰したら、目標圧力が再び得られるまで、ステップ１３６においてパルス幅に関する指令がソレノイドに出力される。代替的に、米国特許出願第１０／４５５２５３号明細書に記載の方法に類似したものを任意に使用して、ソレノイドバルブ及び吸気バルブのうち少なくともいずれか一方が、周期的に開放及び閉塞される。

図８を参照する。極低温バルーンカテーテルの段階的な膨張が、時間（秒）対膨張圧（ｐｓｉ（ｋＰａ））でグラフに示されている。バルーンが非膨張状態１５０と膨張状態１５２との間の複数の中間状態を取るとき、バルーンの膨張速度１５４は５０ｐｓｉ／秒（約３４４．５ｋＰａ／秒）を超える。このような段階的な膨張は、システム１０から影響を受けるが、特に最初に非膨張状態１５０からバルーンを拡張するときには緩やかな膨張が有利である。挿入と位置づけのために小さな形状を維持するようバルーン内に真空が引き込まれるため、圧力は最初ゼロ以下である。

図９に示す別例では、非膨張状態１５０から膨張状態１５２までの膨張が低い圧力変化速度での圧力において円滑かつ徐々に変化する。
初期の膨張部分１５６は、圧力の変化速度が５ｐｓｉ／秒（約３４．５ｋＰａ／秒）以下に制限され、バルーンの壁を非膨張状態１５０から径方向にすなわち外側に徐々に広げ、バルーンの周囲の血管の内壁に係合する。バルーンが十分に膨張されると（例えば、一気圧より大きい膨張圧まで）、膨張サイクルの他の膨張部分１５８において圧力の変化速度が上昇する。この膨張には、極低温のプローブシステムにおける特定のソレノイドバルブ用の最小パルス幅が使用される。

図１０Ａ乃至１０Ｃを参照する。血管ＢＶの目標部位ＴＰを治療する方法が示されている。カテーテル１４はガイドワイヤＧＷにより導入され、バルーン２８が目標部位ＴＰに隣接する血管ＢＶ内に位置される。

患部が膨張前や、膨張中において冷却されると、非冷却バルーンを使用した血管形成術に適用される圧力より低い膨張バルーンの膨張圧が使用できるようになる。ある実施例において、約８ａｔｍの圧力でバルーン２８を膨張し、係合される血管の壁の組織を約−２℃から−１２℃の間、好ましくは−１０℃の温度に冷却すると、反動や再狭窄を抑制しながら、狭窄した部位を開くことができる。患部のうち、特に激しく石灰化したり繊維化したりした部位はより高い圧力の影響を受ける。血管の壁に対する損傷を規制すべく、初期においてはゆるやかな膨張速度で患部は膨張させるのが有効である。初期の低い圧力で血管が順調に膨張しなければ、２回目はより高い圧力にて（任意だが、続く３回目ではさらに高い圧での）膨張されることが望ましい。膨張速度は２つ以上の膨張圧力値の間で制御される。

上記したような亜酸化窒素のような極低温の冷却流体を搬送するための最小パルス幅の多数のパルスが使用されるが、これに代える実施例を以下に述べる。例えば、最小の出力パルスを使用して送られるガスの量を特徴とするものであり、より大きな幅のパルスが最小の幅のパルスから生じ、膨張サイクルの少なくとも一部において、より大きな量の冷却水を選択的かつ制御可能に搬送する。

上述のプローブシステム１０において、冷却流体の供給量に制限がある。通気バルブ７２（図４参照）は、圧力及び温度のうち少なくともいずれか一方を制御するために、冷却水が組織治療バルーン（あるいはその他の蒸発室）に入る前に冷却水を放出する。これにより冷却水を外部に放出し、所定のコンテナサイズから提供されうる治療を制限する。これに代えて、システム１０において個々のバルブの性能特性を利用して、気体の放出をより少なくすることにより、より多くの気体が冷却バルーンを通過し、組織の治療のために使用される。多くの実施例において、５ｐｓｉ／秒（約３４．５ｋＰａ／秒）以下の円滑にして、徐々に移行するバルーン膨張速度にもかかわらず、冷却流体の大部分（冷却流体の７５％を超える。ある実施例においては、冷却流体の９０％以上）はバルーンを通過する。従って、同一の制限された冷却流体を供給しても、バルーンはより大きい容積を有したり、より長い治療のサイクルに使用されたり、個別の治療に使用されたりするよう実施することも可能である。

典型的な実施例が、例を通して明確に理解されるよう詳述されてきたが、当業者には、様々な変形及び変更が可能なのが認識されるであろう。従って、本発明の範囲は付加している請求項によってのみ制限される。

本発明の原理に基づいた極低温バルーンカテーテルシステムの一部破断斜視図。 図１のシステムのバルーンカテーテルの一部破断斜視図。 図２の３−３線における断面図。 図１のバルーンカテーテルシステムの構成要素を機能的に示すブロック図。 図１のシステムの冷却流体の流体路に沿って配置される構成要素を示す概要図。 時間に対する膨張圧及び温度のうち少なくともいずれか一方を制御する制御部の構成要素、並びに、制御部及び冷却流体路の構成要素の相互作用を示す概要図。 図１のシステムにおける冷却流体路に沿って配置されたソレノイドバルブのための最小パルス幅を測定する方法を、所望の治療圧力を提供するための単一のプロトコルとともに概略的に示すフローチャート。 バルーンの非膨張状態から血管が膨張するバルーンの膨張状態までの圧力の段階的な増加を示すグラフ。 図１のシステムを使用した、非膨張状態から血管が膨張する膨張状態にわたる、冷却したバルーンの円滑にして、かつ徐々に移行する膨張を示すグラフ。 図１のシステムを使用した治療法を概略的に示すための血管の壁の断面図。 図１のシステムを使用した治療法を概略的に示すための血管の壁の断面図。 図１のシステムを使用した治療法を概略的に示すための血管の壁の断面図。

Claims (10)

1. 個々の患者の組織を治療するためのシステムであって、
   流体路とそれに接続する組織治療面を有するプローブと、
   該流体路は流体源と接続可能であることと、プローブの流体路に沿って設けられるバルブと、プローブの流体路に沿って設けられるセンサと、該バルブと該センサに接続される制御部と、該制御部は、バルブを駆動し、センサを使用して流体路沿いの流体を監視することにより、バルブの特性を測定することと、さらに、該制御部は、測定されたバルブ性能特性に応じて処理プロトコルを決定し、組織を治療するためバルブを駆動することにより処理プロトコルを実行するよう構成されていることとを特徴とするシステム。
2. 流体路が冷却流体路から構成されることと、処理プロトコルは、治療面と熱的に接触をする冷却流体の蒸発による目標組織の極低温の冷却に影響を与えることと、該治療面が熱伝達面からなることと、該バルブはソレノイドバルブから構成されることと、バルブ性能特性は、バルブを駆動させるための指令パルス幅から構成されることとを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 制御部と電気的に接続されるバッテリをさらに備え、該制御部が、バルブ性能特性を測定し、バッテリを使用して処理プロトコルを実行しながらバルブを駆動させるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
4. 前記制御部は、センサを使用して冷却流体の流れを監視する間、複数のパルス幅候補を順次的に算定することにより指令パルス幅を測定するよう構成されていることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
5. 複数の順次的なパルス幅候補が、短いパルス幅から長いパルス幅の順に算定されることと、前記センサが圧力センサから構成されることと、指令パルス幅が冷却流体路の圧力と閾値の圧力とを比較することにより決定されるように制御部が構成されていることとを特徴とする請求項４に記載のシステム。
6. 制御部が、
   ａ）バルブへ指令パルス幅を有する指令パルスを搬送する工程と、
   ｂ）冷却流体路に沿った熱伝達面に隣接する、あるいは、下流の、冷却流体の圧力を測定する工程と、
   ｃ）測定された圧力と目標圧力とを比較する工程と、
   ｄ）目標圧力より低い、測定された圧力に応じてａ）〜ｃ）の工程を繰り返す工程と、
   目標圧力より大きい測定された圧力に応じてａ）〜ｄ）の工程を終結する工程とを実行することにより、処理プロトコルを実行するよう構成されていることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
7. 制御部が目標圧力を時間の機能として変更するようさらに構成されていることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
8. 処理プロトコルは、指令パルス幅を有する複数の指令パルスからなることと、各指令パルスは、冷却流体路に沿った極低温の冷却流体の集合を開放することと、冷却する表面はバルーンからなることと、バルーンが非膨張状態と組織膨張状態の間で徐々に変化するように、制御部が目標圧力を徐々に変化させるよう構成されていることと、指令パルスにより開放された、冷却流体の全集合の大部分が冷却流体路において蒸発するように、指令パルス幅が短く設定されていることとを特徴とする請求項２に記載のシステム。
9. バルブは、統合されたバルブのモデルを有し、バルブを供給する業者により供給されることと、指令パルス幅は、同バルブのモデルのバルブを確実に開くためバルブを供給する業者により特定される最小パルス幅より小さいこととを特徴とする請求項２に記載のシステム。
10. 前記治療面がバルーンからなることと、流体の少なくとも一部が気体からなる一方で、処理プロトコルが制御可能に流体を使用してバルーンを膨張させることとを特徴とする請求項１に記載のシステム。

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