JP5404416B2 - 磁気共鳴システム用伝送ライン - Google Patents

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Description

本発明は、磁気共鳴(MR)、特に高周波(RF)の場の存在における電流の伝導に関する。
国際特許出願に係る文献のWO2006/003566A1は、特に、例えば電源又は制御ユニットのような接続ユニットに、例えばMR画像形成システムの付属装置のような電気的装置を接続するために設けられる伝送ラインを説明している。この伝送ラインはまた、特に例えば心臓ペースメーカ又は人工神経のような長い導電体すなわち電極とインプラントを接続すること、電力を前置増幅器に供給すること、MR互換IVUS(血管内超音波法)装置、MR画像発生中のカテーテル又はガイドワイヤのトラッキング、RF場(例えばMR画像形成システムにより発生されたもの)を通じて案内されるときに安全な伝送ラインを必要とするその他の用途にも適している。かかる伝送ラインは、当該伝送ラインの少なくとも2つのリードセグメントを結合するためのそしてRF場を通じて案内されるときに当該ラインの安全性を提供するための少なくとも1つのトランスを有し、当該リードセグメント及び/又はトランスは、基板上に少なくとも1つの金属性の構造物の形態で設けられる。この伝送ラインは、MRの誘導の下で行われる心臓の介入手順において用いられる電気生理学的カテーテルに用途を見出すものである。

心臓への診療行為の間、カテーテルは、通常は、信号伝送を必要とする3つの基本的機能を提供しなければならない。すなわち、心内心電図(ECG)信号のマッピング、心臓ペーシングのためのDCペーシング信号の伝送及び組織のRFアブレーションのためのDC電力の供給、である。カテーテル介入を案内するためにMRを画像形成モダリティとして用いることは、使用する機器に制限を課すことになる。何故なら、MRシステム内部における長い金属ワイヤ又はケーブルのような導電構造は、特に当該導電構造の先端においてRF加熱の影響を受け易い。能動カテーテルトラッキングに関する高周波信号の伝送のため、上で引用した国際特許出願のWO2006/003566A1において説明されているように、トランスに基づく伝送ラインを用いることによって大幅に先端加熱を抑制することができる。低周波数の心臓内ECG信号のマッピングは、高抵抗性ワイヤを用いてMRで使えるようにすることができる。しかしながら、例えば心臓ペーシング又はRFアブレーションに必要とされるようなRF場の存在において安全なDC電力伝送を提供することは、より難しい。したがって、信号伝送のために導電ワイヤを使う標準の電気生理学的カテーテルは、MR環境においては有用ではない。
したがって、RF場の存在下において、補助装置、例えば介入カテーテルの先端にDC信号を安全に伝送することができる伝送ケーブルを備えることが望ましい。
それ故、RF場の存在下においてDC信号を伝送するための導電性伝送ケーブルがここに開示される。この伝送ケーブルは、少なくとも第1のセグメント及び第2のセグメントからなる伝送ラインを有し、当該第1及び第2のセグメントは、反応型ユニットにより互いに電気的に接続される。「反応的に結合され」又は「反応型結合」なる文言は、誘導結合、容量結合又はこれら2つの組み合わせを示す。したがって、反応型結合ユニットは、第1のセグメントと第2のセグメントとの間にこのような反応型結合又は接続を確立することができるユニットである。反応型結合ユニットは、キャパシタ又はインダクタのようなトランス又はインピーダンスユニットとすることができる。伝送ラインは、通常は同軸ケーブルとすることができるが、ペアラインも可能である。このような伝送ケーブルは、以下では、安全伝送ライン(STL;safe transmission line)とも呼ばれる。この伝送ケーブルは、入力として、変調されたDC信号を受信するよう構成される。整流ユニットは、伝送ラインに接続され、当該変調されたDC信号からDC信号を抽出するよう構成される。抽出されたDC信号は、心臓のペーシングを行うために電気的装置又は心臓組織に供給されるようにしてもよい。
これらの態様及びその他の態様は、添付図面を参照して以下の実施例に基づいて例示により詳しく説明される。
各図において用いられる場合の対応の参照符号は、各図において対応の要素を表す。
ここに開示される伝送ケーブルの1つの可能性のある実施例を示す図。 ここに開示される伝送ケーブルにおいて伝送することのできる振幅変調DC信号の例を示す図。 振幅変調されたDC信号から得られる整流されフィルタ処理されたDC信号を示す図。 介入カテーテル用の能動トラッキング回路とともにここで開示される伝送ケーブルを示す図。 ここで開示される伝送ケーブルをDC信号を安全に伝送するために用いることができるMRシステムを示す図。
図1は、MR使用の態様でカテーテル(又は他の予備的介入装置)の電極E1,E2に心臓ペーシングのために必要なDC電力を伝送するために用いられるここで開示される伝送ケーブルの可能な実施例を示している。電極E1,E2の近くの伝送ケーブルの端部に配置された整流ユニット101は、振幅変調されたDC信号(図2aの201)を整流し、DC信号(図2bの203)を抽出する。この伝送ケーブルは、結合ユニット(CU;coupling unit)103により互いに電気的に接続された第1のセグメントS1及び第2のセグメントS2を有する。心臓ペーシングのために、DC信号又はパルスは、通常は数ミリ秒続き、伝送ケーブルの先端における電極E1,E2の間に数ミリアンペア(mA)の直流電流をもたらす。他の用途に対しては、これより長いか又は短い持続期間続くパルスを発生することができる。当該先端において発生される電流は、電極E1,E2の間の抵抗に依存することになる。整流ユニット101は、抵抗器R及びキャパシタCからなる低域通過フィルタ(LPF)に直列接続されたダイオード(D)として実現可能である。或る実施例においては、ダイオード及び伝送ラインの抵抗が必要な低域通過フィルタ作用を達成するのに十分な抵抗を与えることができるので、個別のユニットとして抵抗を付加することは必要にならない場合がある。整流ユニットの他の実現例も可能であり、ここで開示される伝送ケーブルで機能することになる。
図2bは、電極E1,E2に供給されるべき所望のDC電流波形203を示している。所望のDC電流波形203は、図2aに示されるようにRF搬送波により変調され、これが伝送ケーブルにおけるDC電流波形の伝搬を可能にする。このRF搬送波の中心周波数は、MR信号との干渉を回避するために、例えば1.5TにおけるH(プロトン)では64MHz、3Tにおける23Na(ナトリウム)では34MHz、又は4.7TにおけるHでは200MHzなど、調査中の核種のMR共鳴周波数から離れて位置づけられる。図2a及び図2bの双方において、「t」が付される水平軸は時間軸であり、「A」が付された垂直軸は、信号の振幅又は強度を示す。
振幅変調されたDC信号201は、ダイオードDにまで伝送ケーブルを通じて伝播することができ、ここで整流されてLPFに伝送される。LPF回路は、電極E1及びE2にさら伝送される最も高い周波数成分を規定する。LPF回路の模範的値は、抵抗器Rには10Ω、キャパシタンスCには10nFで、0.5Ωの直列損失を含むものである。慣例的なシリコンダイオードを、ダイオードDのために用いることができる。このようにして、MRとの互換性の態様で電極E1,E2に心臓ペーシングその他の目的で電力を伝送するDCパルスを送信することができる。
結合ユニット103は、第1のセグメントS1及び第2のセグメントS2を結合する誘導型及び/又は容量型の方法を提供する点で「反応型」の結合ユニットである。なお、ここで開示される伝送ケーブルは、1つ又は複数の反応型結合ユニット103を各ペアのセグメントを結合するために用いて数多くのこのようなセグメントを有することができる。反応型結合ユニットは、トランス又はインピーダンスに基づくものとすることができる。
インピーダンスに基づくタイプの反応型結合ユニットにおいて、第1のセグメントS1及び第2のセグメントS2は、インダクタ又はキャパシタにより互いに電気的に接続されるとともに、トランスに基づくタイプの反応型結合ユニットでは、これらセグメントは、トランスにより接続される。いずれのケースにおいても、結合ユニット(すなわち、トランス又はインピーダンス)及び/又は伝送ラインは、基板上に少なくとも1つ金属構造の形態で設けられる。当該基板は、金属及び誘電体材料の単一又は複数層の層状組織とすることができ、当該セグメントは、基板上の及び/又は基板内のストリップラインの形態で設けることができる。これらセグメントは、高い正味電圧の誘導が少なくとも実質的に回避されるように伝送ラインを捩じることによってシールドされることができる並列のストリップラインを有することができる。このシールドは、セグメントの局部化した交換により達成可能である。トランスは、例えば、基板の異なる金属層において導電性ループを誘導的に結合することによって、少なくとも1つの誘導結合部の形態で実現可能である。セグメントをトランスにマッチングするためのマッチングネットワークは、少なくともインダクタ及び/又はキャパシタ及び/又は抵抗器からなるものとすることができる。キャパシタ、インダクタ及び/又は抵抗器の素子は、基板の層構造の中に埋め込むことができる。さらに、トランスに基づくSTLに関する詳細は、上で引用した国際特許出願のWO2006/003566A1において見ることができ、インピーダンスに基づくSTLに関しては、国際特許出願のWO2004/090914A1において見ることができる。
振幅変調されたDC電流の効率的整流のため、高速回復時間を持つダイオード、例えばタイプBAS40のショットキーダイオード(Infinion,40V,120mA,100ps電荷キャリア寿命)を使うことができる。1nFの表面実装デバイス(SMD;surface mount device)(図示せず)は、心臓ペーシング装置又は他のDC電源型装置に供給されているDC電流を円滑にするよう、端子E1,E2において接続可能である。心臓ペーシング装置は、端子E1,E2とすることができ、或いは端子E1,E2に接続しここでペーシングパルスを心臓に供給する他の組の電極とすることができる。
提案の概念は、図3に示されるようにアクティブトラッキングカテーテルにも適用可能である。整流ユニット101における整流及びフィルタリング回路の前には、バラクタV、キャパシタンスC1及びトラッキングコイルLからなる同調可能型共振回路が挿入される。トラッキングコイルLは、局在化したMR画像形成のために用いることができる。したがって、このセットアップにおいて、バラクタVは、画像形成しているとき又はカテーテルトラッキングが行われているときにトラッキングコイルLの共振へのチューニングを可能にする。バラクタを動作させるために必要な電圧は、高抵抗のワイヤを用いて適用可能であり、これにより、そのRF安全性、すなわちRF場の存在下における安全性を保証する。キャパシタンスC1は、バラクタを制御するDC電流の近道を回避する。バラクタは、伝送ラインにおける誘導されたRFにより発生された心臓のペース調整をすることを潜在的に可能なパルスが反射するように調整されることが可能である。
このバラクタは、原理的に、外部電圧により調整可能なキャパシタンスである。トラッキング機能を提供するため、トラッキング信号を発生する装置には共振回路がなければならない。これは、キャパシタC1、V及びインダクティビティLの組み合わせによって与えられる。バラクタVを、この共振器を同調/離調させるために用いることができる。高抵抗線を用いて、数ボルトの電圧がRFに使える形での同調のために適用可能である。この電圧は、(電極に対して)順方向においてDC電流を駆動することができ、それでC1により遮断される。V,C1及びLにより形成された共振回路は、その後にトラッキング用の特定のMR共振周波数、例えばH共振周波数に同調させられると、画像形成のために発生されたRFパルスは、伝送ケーブルにおいて信号を誘導することができる。こうした信号は、これら信号が原因で患者の心臓の不要なペーシングを起こしうるので、危険なものとなる可能性がある。Vが高い値を有するように当該回路を作ることによって、これら信号(RF画像形成パルスにより伝送ケーブルにおいて誘導されるもの)は、Vにおいて短絡され、これにより不要なペーシングに関して何ら危険を及ぼさない。
心臓ペーシング又は他の目的に必要なDC電流及び電圧を、ここで開示されるような伝送ケーブルを用いて介入装置の先端電極へ伝送することは、コモンモード共振を効果的に抑制する。したがって、これは、導電ラインの先端において熱を発生するようRF場と相互作用するコモンモード共振であるので、STLを用いることは、伝送ラインにより効果的に加熱を低減する。他方、差動モード信号は、共振周波数(例えば、Hの場合1.5及び3Tではそれぞれ64MHz,128MHz)近辺の何10MHzの周波数範囲内で伝送可能である。このようにして、MR共振周波数から十分除去された変調周波数を、トラッキング(MR)信号を妨害しないように選ぶことができる。
なお、STLに設けられたトランスは、アクティブトラッキングのために用いられる信号に或る程度の付加的損失をもたらす可能性がある。
変調されたDC信号を伝送する機能に加えて、ここで開示されるような伝送ラインの広伝送帯域幅により、様々な周波数における非MR信号のMR互換可能な伝送をなすこともできる。
提案の概念は、心臓ペーシングに限定されるものではなく、DC信号をRF使用可能な態様で、例えばカテーテル内部のDC電源にて伝送しなければならない全ての用途に役立つことができる。幾つかの模範的な用途は、圧力センサ、部分ガス圧力センサ、流量センサ、温度センサなどの如き給電電気機器を含む。前置増幅器又は他の電子回路のような他の電子装置も、ここで開示される伝送ケーブルによって給電可能である。
図4は、ここで開示されるような伝送ケーブルを使うことのできるMRシステムに係る、特に当該MRシステム内又はその近傍において行われる介入手順における可能性のある実施例を示している。このMRシステムは、主コイル401、勾配駆動ユニット406に接続される複数の勾配コイル402、RFコイル駆動ユニット407に接続されるRFコイル403のセットを有する。ボディコイルの形態で磁石に一体化され、又は別個の表面コイルとされうるRFコイル403の機能は、送信/受信(T/R)スイッチ413によりさらに制御される。複数の勾配コイル402及びRFコイルは、電源ユニット412によって給電される。例えば患者テーブルなどの移送システム404は、被験体405例えば患者をMR画像形成システム内に位置づけるために用いられる。制御ユニット408は、RFコイル403及び勾配コイル402を制御する。制御ユニット408は、単一のユニットとして図示されているが、複数のユニットとして実現されるようにしてもよい。制御ユニット408はさらに、復元ユニット409の動作を制御する。制御ユニット408はまた、モニタスクリーン又はプロジェクタなどの表示ユニット410、データ記憶ユニット415、及び例えばキーボード、マウス、トラックボールなどのユーザ入力インターフェースユニット411も制御する。
メインコイル401は、例えば1T,1.5T又は3Tの磁界強度の安定した均等な静磁界を発生する。充電回路を備えた開示のRFコイルアレイを、別の磁界強度で使うこともできる。メインコイル401は、通常は被験体405が導かれることの可能なトンネル状検査空間を取り巻くように配置される。他の共通構成は、移送システム404を用いることによって被験体405が導かれることの可能な間に存在する空隙を伴う反対極面を有する。MR画像形成を可能にするため、静磁界に重ねられる時間的に可変な磁界勾配は、勾配駆動ユニット406により供給される電流に応じて複数の勾配コイル402により発生される。電子勾配増幅回路が適用される電源ユニット412は、複数の勾配コイル402に電流を供給し、その結果として、勾配パルス(勾配パルス波形とも呼ばれる)が発生される。制御ユニット408は、適切な勾配波形を形成するよう勾配コイルを通じる電流の特性、特にその強度、持続長及び方向を制御する。RFコイル403は、被験体405においてRF励起パルスを発生し、このRF励起パルスに応答して被験体405により発生されたMR信号を受信する。RFコイル駆動ユニット407は、RFコイル403に電流を供給してRF励起パルスを伝送し、RFコイル403により受信されたMR信号を増幅する。RFコイル403又はRFコイルのセットの送信及び受信機能は、T/Rスイッチ413を介して制御ユニット408により制御される。T/Rスイッチ413には、送信モードと受信モードとにRFコイル403を切り換え、崩壊又は他の過負荷などに対してRFコイル403及び他の関連の電子回路を保護する電子回路が設けられる。伝送されるRF励起パルスの特性、特にそれらの強度及び持続長は、制御ユニット408によって制御される。
なお、送受信コイルは、この実施例においては1つのユニットとして示されているが、それぞれ送信及び受信のための個別のコイルを有することもできる。さらに、送信若しくは受信又はこれら双方のための複数のRFコイル403を有することもできる。RFコイル403は、ボディコイルの形態で磁石に一体化されるようにしてもよいし、或いは個別の表面コイルとしてもよい。これらコイルは、異なる幾何学的形状配置、例えばバードケージ構成又は単純なループ構成などを有することができる。制御ユニット408は、プロセッサ、例えばマイクロプロセッサを含むコンピュータの形態とされるのが好ましい。制御ユニット408は、RFパルス励起の印加、及び自由誘導減衰などのエコーを有するMR信号の受信を、T/Rスイッチ413を介して制御する。キーボード、マウス、タッチ感応スクリーン、トラックボールなどの如きユーザ入力インターフェース装置411によって、オペレータは、MRシステムと対話動作することができる。
RFコイル403で受信されたMR信号は、画像形成されつつある被験体405の関心領域における局所スピン密度に関する実際の情報を含む。受信信号は、復元ユニット409により復元され、MR画像又はMRスペクトルとして表示ユニット410に表示される。或いは、復元ユニット409からの信号を記憶ユニット415に記憶するとともにさらなる処理を待つことができる。復元ユニット409は、RFコイル403から受信されるMR信号を得るようにプログラムされるディジタル画像処理ユニットとして有利に構成される。
ここで開示した伝送ケーブルを有する介入カテーテル(図示せず)は、被験体がMRシステムに位置づけられながら被験体405の心臓のペース調整をするために用いられることができる。振幅変調されたDC信号(図2bの203)の伝送のためのSTLの使用が理由で、介入カテーテルの先端におけるRF誘導加熱を最小に維持することができる。振幅変調されたDC信号(図2aの201)からDC信号(図2bの203)を抽出するために整流ユニットを使用することにより、STLにわたるDC信号の供給が可能になる。抽出されたDC信号は、被験体の心臓のペース調整をなすよう心臓ペーシングユニットに供給されることができる。或いは、抽出されたDC信号は、動作のためにDC電力を必要とする装置に供給されるようにしてもよい。
なお、上述した実施例は、本発明を限定するのではなく例示するものであり、当業者であれば、添付の請求項の範囲を逸脱することなく数多くの代替実施例を構成することができる筈である。請求項において、括弧内の参照符号は、その請求項を限定するものと解釈してはならない。「有する」なる文言は、請求項に挙げられているもの以外の要素又はステップの存在を排除しない。要素の単数表現は、そのような要素の複数の存在を排除しない。開示した方法は、幾つかの別個の要素を有するハードウェア及び適切にプログラムされたコンピュータによって実現可能である。幾つかの手段を列挙するシステムの請求項において、これら手段の幾つかは、コンピュータ読取可能な同一アイテムのソフトウェア又はハードウェアにより具現化可能である。或る特定の方策が相互に異なる従属請求項において挙げられているという点は、これらの方策の組み合わせが活用できないことを意味するものではない。

Claims (14)

  1. RF場の存在下においてDC信号を伝送する導電性伝送ケーブルであって、変調されたDC信号を受信するように構成され、前記導電性伝送ケーブルが、
    前記導電性伝送ケーブルの先端部における電極と、
    反応型結合ユニットにより互いに電気的に接続される少なくとも第1のセグメント及び第2のセグメントを有する伝送ラインと、
    前記電極に接続された整流ユニットであって、前記伝送ラインから前記変調されたDC信号を入力し、前記変調されたDC信号からDC信号を抽出し、前記抽出されたDC信号を前記電極に供給する整流ユニットと、
    を有する導電性伝送ケーブル。
  2. 請求項1に記載の導電性伝送ケーブルであって、前記反応型結合ユニットは、トランスである、導電性伝送ケーブル。
  3. 請求項1に記載の導電性伝送ケーブルであって、前記反応型結合ユニットは、電気的インピーダンスである、導電性伝送ケーブル。
  4. 請求項1に記載の導電性伝送ケーブルであって、前記セグメント及び/又は反応型結合ユニットは、基板上の少なくとも1つの金属構造の形態で設けられる、導電性伝送ケーブル。
  5. 請求項1に記載の導電性伝送ケーブルを含む介入カテーテルその他の予備的装置であって、磁気共鳴システムにおける使用と互換性がある、装置。
  6. 請求項5に記載の予備的装置であって、前記伝送ケーブルに接続されるトラッキング回路を含み、前記トラッキング回路は、当該予備的装置の位置を判定するために前記磁気共鳴システムにより追従されることの可能なトラッキング信号を発生するよう構成されている、装置。
  7. 請求項5に記載の予備的装置であって、前記トラッキング回路は、前記磁気共鳴システムにおける検査の下で被験体に対して高周波信号を送信し及び/又は磁気共鳴信号を受信するよう構成される、装置。
  8. 請求項1に記載の導電性伝送ケーブルに電気的に接続される心臓ペーシング装置であって、当該抽出されたDC信号につき作用するよう構成される心臓ペーシング装置。
  9. 請求項1に記載の導電性伝送ケーブルに電気的に接続される充電可能な電気的記憶装置を含む電気的装置であって、前記充電可能な電気的記憶装置は、当該電気的装置に電力を供給するように構成され、前記充電可能な電気的記憶装置は、当該抽出されたDC信号を用いて充電されるように構成される、装置。
  10. 請求項1に記載の導電性伝送ケーブルであって、前記変調されたDC信号は、振幅変調されたDC信号である、ケーブル。
  11. 請求項1に記載の導電性伝送ケーブルであって、前記変調されたDC信号を発生するよう高周波搬送波について入力DC信号を変調するよう構成された変調器を含む、ケーブル。
  12. 請求項1に記載の導電性伝送ケーブルであって、セグメントを反応型結合ユニットにマッチングするための、少なくとも1つのインダクタ及び/又はキャパシタ及び/又は抵抗器を備えた少なくとも1つのマッチングネットワークを含む、ケーブル。
  13. 請求項1に記載の導電性伝送ケーブルであって、前記整流ユニットは、前記伝送ラインに直列接続された少なくとも1つのダイオードと、前記ダイオードに直列接続された低域通過フィルタとを含む、ケーブル。
  14. RF場の存在下においてDC信号を伝送するための導電性伝送ケーブルを有する磁気共鳴システムであって、前記伝送ケーブルは、変調されたDC信号を受信するよう構成され、前記伝送ケーブルは、
    前記伝送ケーブルの先端部における電極と、
    反応型結合ユニットにより互いに電気的に接続される少なくとも第1及び第2のセグメントを有する伝送ラインと、
    前記電極に接続された整流ユニットであって、前記伝送ラインから前記変調されたDC信号を入力し、前記変調されたDC信号からDC信号を抽出し、前記抽出されたDC信号を前記電極に供給する整流ユニットと、
    を有する、システム。
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