JP6059369B2 - トランスデューサのアレイを有する医用撮像アセンブリ及び非一時的なコンピュータ可読媒体 - Google Patents
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Description
本発明は、患者に挿入可能な撮像システム、並びに、撮像システムを作製及び使用する方法の分野に関する。本発明はまた、トランスデューサのアレイを有するカテーテル及びシステム、並びに、複数のトランスデューサにおいてエコー信号を同時に受信する動作方法を含む、カテーテル及びシステムを作製及び使用する方法に関する。
患者に挿入可能な超音波装置は、種々の疾病及び障害に対する診断能力が証明されている。例えば、血管内超音波（「ＩＶＵＳ」）撮像システムは、塞がれた血管を診断し、血流を回復又は増大させるようにステント及び他の装置を選択並びに配置する上で医師を助ける情報を提供する画像診断法として使用されてきた。ＩＶＵＳ撮像システムは、血管内の特定の位置に蓄積したアテローム斑を診断するのに使用されてきた。ＩＶＵＳ撮像システムは、血管内の閉塞又は狭窄の存在、並びに、閉塞又は狭窄の性質及び程度を判断するのに使用することができる。ＩＶＵＳ撮像システムは、例えば、１つ又は複数の構造（例えば撮像されることが望まれない１つ又は複数の血管）による動き（例えば鼓動する心臓）又は妨げに起因して、血管造影法等の他の血管内撮像技法を用いて可視化することが困難であり得る血管系のセグメントを可視化するのに使用することができる。ＩＶＵＳ撮像システムは、リアルタイム（又はほぼリアルタイム）で、血管造影法等の進行中の血管内治療及びステントの配置を監視又は評価するのに使用することができる。さらに、ＩＶＵＳ撮像システムは、１つ又は複数の心腔を監視するのに使用することができる。
ＩＶＵＳ撮像システムは、種々の疾病又は障害を可視化する診断ツールを提供するように開発されてきた。ＩＶＵＳ撮像システムは、制御モジュール（パルス発生器、画像プロセッサ及びモニタを有する）、カテーテル、並びに、カテーテル内に配置される１つ又は複数のトランスデューサを含むことができる。トランスデューサを収容するカテーテルは、血管壁又は血管壁に近接した患者の組織等の、撮像される領域内又はそれに近接した内腔又は空洞に位置決めすることができる。制御モジュール内のパルス発生器は、１つ又は複数のトランスデューサに送達されて患者の組織を通じて伝達される音響パルスに変換される電気パルスを発生させる。伝達された音響パルスの反射されたパルスは、１つ又は複数のトランスデューサによって吸収され、電気パルスに変換される。変換された電気パルスは、画像プロセッサに送られ、モニタに表示可能な画像に変換される。多くの従来のＩＶＵＳ撮像システムでは、カテーテル内のトランスデューサは、全３６０°画像を得るために回転する。トランスデューサは、カテーテルが取り付けられるモータに連結される駆動軸に配置される。そのような構成は、トランスデューサの自由で一貫した回転を確実にするために最小のカテーテル径を必然的に必要とする。
１つの実施形態は、近位端、遠位端、長手方向軸、及び、近位端に配置されるコネクタを有する細長いカテーテル；カテーテルの遠位端に配置されるトランスデューサのアレイであって、各トランスデューサは、印加される電気信号を音響信号に変換し、音響信号を送信し、対応するエコー信号を受信し、受信したエコー信号を電気信号に変換するように構成及び配置されている、トランスデューサのアレイ；トランスデューサのアレイに電気的に結合されるとともにカテーテルのコネクタと電気的に連通する複数の導体；並びに、カテーテルに結合可能であるとともに、カテーテルのコネクタを通じてトランスデューサのアレイとの間で電気信号を送受信するように構成及び配置されている制御ユニットを含む、医用撮像アセンブリである。制御ユニットは、１）Ｍ個の送信トランスデューサの第１のサブセットをトランスデューサのアレイから選択するとともに、Ｎ個の受信トランスデューサの第２のサブセットをトランスデューサのアレイから選択することであって、Ｍ及びＮはそれぞれ、トランスデューサのアレイのトランスデューサの総数以下である整数であり、かつＮ＞Ｍであること；並びに、２）少なくともＮ回の送受信サイクルのそれぞれに関して、ａ）Ｍ個の送信トランスデューサの第１のサブセットに、音響信号を送信するよう命令すること；及び、ｂ）Ｎ個の受信トランスデューサの第２のサブセットに、送信された音響信号に応答して生じる対応するエコー信号を受信するよう命令することを含む命令を実行するように構成及び配置されるプロセッサを有する。
別の実施形態は、トランスデューサのアレイからの信号を処理するプロセッサ実行可能な命令を有する非一時的なコンピュータ可読媒体である。プロセッサ実行可能な命令は、装置にインストールされると、１）Ｍ個の送信トランスデューサの第１のサブセットをトランスデューサのアレイから選択するとともに、Ｎ個の受信トランスデューサの第２のサブセットをトランスデューサのアレイから選択することであって、Ｍ及びＮはそれぞれ、トランスデューサのアレイのトランスデューサの総数以下である整数であり、かつＮ＞Ｍであること；並びに、２）少なくともＮ回の送受信サイクルのそれぞれに関して、ａ）Ｍ個の送信トランスデューサの第１のサブセットに、音響信号を送信するよう命令すること；ｂ）Ｎ個の受信トランスデューサの第２のサブセットに、送信された音響信号に応答して生じる対応するエコー信号を受信するよう命令すること；及び、ｃ）第２のサブセットのトランスデューサからのエコー信号を組み合わせて、組み合わせ信号を与えることを含む動作を装置が行うことを可能にする。時間ｔにわたるｈ回目の送受信サイクルの組み合わせ信号Ｃ（ｈ，ｔ）は、形式
を有し、式中、Ｒ（ｅ，ｔ）は、ｈ回目の送受信サイクルの第２のサブセットのｅ番目のトランスデューサからのエコー信号であり、Ｈｈｅは非ゼロ係数である。係数Ｈｈｅは、サブセットのトランスデューサのいずれか１つについての送受信サイクルのＮから受信したエコー信号の複合信号を、組み合わせ信号のＮ個をＮ個の組み合わせ信号の選択的な加算及び減算によって組み合わせることによって回復することができるように選択される。
また別の実施形態は、近位端、遠位端、長手方向軸、及び、近位端に配置されるコネクタを有する細長いカテーテル；カテーテルの遠位端に配置されるトランスデューサのアレイであって、各トランスデューサは、印加される電気信号を音響信号に変換し、音響信号を送信し、対応するエコー信号を受信し、受信したエコー信号を電気信号に変換するように構成及び配置されている、トランスデューサのアレイ；トランスデューサのアレイに電気的に結合されるとともにカテーテルのコネクタと電気的に連通する複数の導体；並びに、カテーテルに結合可能であるとともに、カテーテルのコネクタを通じてトランスデューサのアレイとの間で電気信号を送受信するように構成及び配置されている制御ユニットを含む、医用撮像アセンブリである。医用撮像アセンブリは、少なくとも３０ＭＨｚのトランスデューサの中心周波数で動作するように構成及び配置されている。
以下の図面を参照して、本発明の非限定的で非網羅的な実施形態を説明する。図面において、同様の参照符号は、別途明記されない限り、種々の図を通して同様の部分を指す。
本発明をより良く理解するために、添付の図面と関連して読まれる以下の詳細な説明を参照する。
本発明をより良く理解するために、添付の図面と関連して読まれる以下の詳細な説明を参照する。
本発明は、患者に挿入可能な撮像システム、並びに、撮像システムを作製及び使用する方法の分野に関する。本発明はまた、トランスデューサのアレイを有するカテーテル及びシステム、並びに、複数のトランスデューサにおいてエコー信号を同時に受信する動作方法を含む、カテーテル及びシステムを作製及び使用する方法に関する。
好適な血管内超音波（「ＩＶＵＳ」）システム及び装置は、限定はされないが、患者に経皮的に挿入されるように構成及び配置されているカテーテルの遠位端に配置されるトランスデューサのアレイを含む。カテーテルを有するＩＶＵＳ撮像システムの例は、例えば、米国特許第７，２４６，９５９号；同第７，３０６，５６１号；及び同第６，９４５，９３８号；並びに、米国特許出願公開第２００６／０１００５２２号；同第２００６／０１０６３２０号；同第２００６／０１７３３５０号；同第２００６／０２５３０２８号；同第２００７／００１６０５４号；及び同第２００７／００３８１１１号において見られ；これらは全て参照により本明細書に援用される。
図１は、ＩＶＵＳ撮像システム１００の１つの実施形態を概略的に示している。ＩＶＵＳ撮像システム１００は、制御モジュール１０４に結合可能なカテーテル１０２を含む。制御モジュール１０４は、例えば、プロセッサ１０６、パルス発生器１０８及び１つ又は複数のディスプレイ１１２を含むことができる。少なくとも幾つかの実施形態では、パルス発生器１０８は、カテーテル１０２に配置されるトランスデューサ（図３の３１２）のアレイに入力することができる電気パルスを形成する。任意選択的に、制御ユニットは、スキャン手順中にカテーテル又はカテーテルの一部を引き戻す駆動ユニットを含むことができる。
少なくとも幾つかの実施形態では、トランスデューサ（図３の３１２）から送信された電気信号を、処理のためにプロセッサ１０６に入力することができる。少なくとも幾つかの実施形態では、トランスデューサ（図３の３１２）からの処理された電気信号を、１つ又は複数のディスプレイ１１２に１つ又は複数の画像として表示することができる。例えば、スキャンコンバータを使用して、スキャンラインサンプル（例えばラジアルスキャンラインサンプル等）を、二次元デカルト格子にマッピングし、１つ又は複数の画像を１つ又は複数のディスプレイ１１２に表示することができる。プロセッサ１０６を使用して、図５及び図８におけるフローチャートによって示されているプロセス又はそれらのプロセスの任意の部分を行うこともできる。
少なくとも幾つかの実施形態では、プロセッサ１０６を用いて、制御モジュール１０４の他の構成要素のうちの１つ又は複数の機能を制御することもできる。例えば、プロセッサ１０６を用いて、パルス発生器１０８から送信される電気パルスの周波数若しくは持続時間、駆動ユニットによってカテーテルを引き戻す速度若しくは長さ、又は、１つ又は複数のディスプレイ１１２に形成される１つ又は複数の画像の１つ又は複数の性質のうちの少なくとも１つを制御することができる。
図２は、ＩＶＵＳ撮像システム（図１の１００）のカテーテル１０２の１つの実施形態の概略側面図である。カテーテル１０２は細長い部材２０２及びハブ２０４（例えばコネクタ）を含む。細長い部材２０２は近位端２０６及び遠位端２０８を含む。図２では、細長い部材２０２の近位端２０６はカテーテルハブ２０４に連結され、細長い部材の遠位端２０８は、患者に経皮的に挿入されるように構成及び配置されている。ハブ２０４は、制御モジュール（図１の１０４）に連結されるように構成及び配置することができる。幾つかの実施形態では、細長い部材２０２及びハブ２０４は単一体として形成される。他の実施形態では、細長い部材２０２及びカテーテルハブ２０４は別個に形成され、後で一緒に組み付けられる。
図３は、カテーテル１０２の細長い部材２０２の遠位端２０８の１つの実施形態の概略斜視図である。トランスデューサ３１２のアレイが細長い部材２０２の軸３１０の端部に配置され、音響信号を送受信する。トランスデューサのアレイは、図３に示されている細長いトランスデューサの周方向アレイ等の任意の好適な配置で設けることができる。トランスデューサ３１２は、印加された電気パルスをトランスデューサ３１２の表面上の圧力歪みに変換することが（その逆もまた同様に）可能である１つ又は複数の既知の材料から形成することができる。好適な材料の例としては、圧電セラミック材料、圧電コンポジット材料、圧電プラスチック、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン等が挙げられる。他のトランスデューサ技術としては、複合材料、単結晶複合材料、半導体素子（例えば容量性マイクロマシン加工超音波トランスデューサ（「ｃＭＵＴ」）、圧電マイクロマシン加工超音波トランスデューサ（「ｐＭＵＴ」）等）が挙げられる。
トランスデューサ３１２を用いて周囲のスペースの径方向断面画像を形成することができる。したがって、例えば、トランスデューサ３１２がカテーテル１０２に配置されて患者の血管に挿入されると、トランスデューサ３１２を用いて、血管の壁及び血管の周囲の組織の画像を形成することができる。図示の実施形態のトランスデューサは軸の全周の周りに配置されているため、トランスデューサ又は軸を回転させる必要がない。
トランスデューサ３１２は様々な径方向に音響パルスを放出する。十分なエネルギを有する放出された音響パルスが１つ又は複数の組織境界等の１つ又は複数の媒体境界に当たると、放出された音響パルスの一部が、エコーパルスとして放出トランスデューサに反射して戻る。検出される十分なエネルギでトランスデューサに達する各エコーパルスは、受信トランスデューサにおいて電気信号に変換される。変換された電気信号は、制御モジュール（図１の１０４）に送信され、そこで、プロセッサ１０６が電気信号特性を処理し、送信した音響パルス及び受信したエコーパルスのそれぞれからの情報の収集物（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）に少なくとも部分的に基づいて、撮像される領域の表示可能な画像を形成する。これらの信号の処理については以下でより詳細に説明する。
トランスデューサ３１２のアレイは、カテーテル１０２の表面の周りに設けることができるため、対象とする血管の壁及び血管の周囲の組織等の、トランスデューサ３１２の周囲の領域の一部の径方向断面画像をまとめて形成する複数の画像を形成することができる。径方向断面画像は、任意選択的に、１つ又は複数のディスプレイ１１２（図１）に表示することができる。
トランスデューサ３１２のアレイは、カテーテル１０２が挿入される血管に沿って長手方向に移動することができるため、複数の断面画像を血管の長手方向長さに沿って形成することができる。幾つかの実施形態では、カテーテル１０２は、トランスデューサ３１２のアレイの引き戻し又は挿入中に後退又は伸張することができる少なくとも１つの伸縮部分を含むことができる。
トランスデューサ３１２から異なる深さにおいて生成される画像の質は、例えば帯域幅、トランスデューサの焦点、ビームパターン及び音響パルスの周波数を含む１つ又は複数の要因によって影響を受ける可能性がある。トランスデューサ３１２からの音響パルス出力の周波数も、トランスデューサ３１２からの音響パルス出力の侵入深さに影響を与える可能性がある。概して、音響パルスの周波数が下がると、患者の組織内に音響パルスが侵入する深さが増大する。少なくとも幾つかの実施形態では、ＩＶＵＳ撮像システム１００は、５ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数範囲内、例えば少なくとも２０ＭＨｚ、２５ＭＨｚ、３０ＭＨｚ、４０ＭＨｚ又は５０ＭＨｚの周波数で動作する。
１つ又は複数の導体３１４が、トランスデューサ３１２を制御モジュール１０４（例えば図１を参照のこと）に電気的に結合する。１つ又は複数の導体３１４は、軸３１０の長手方向長さに沿って延びる。
遠位端２０８に取り付けられるトランスデューサ３１２のアレイを有するカテーテル１０２は、撮像される血管等の選択された領域の選択された部分から離れた部位において、例えば、大腿動脈、大腿静脈又は頸静脈等のアクセス可能な血管を介して患者に皮下的に挿入することができる。カテーテル１０２は次に、患者の血管を通して、選択された血管の一部等の選択された撮像部位まで前進させることができる。
多くの従来の血管内超音波装置は、装置の全周の周りの超音波信号を得るように回転される１つ又は複数のトランスデューサを有する撮像コアを使用する。そのような装置は、トランスデューサ（複数の場合もあり）を回転させるために回転モータ及び駆動軸を必要とし、これは、費用、及び設計に対する機械的故障のより高い可能性を付加する。他の従来の血管内超音波装置は静止したトランスデューサのアレイを使用する。これらのトランスデューサは多くの場合に、トランスデューサ間の漏話を回避するように１つずつ動作される。
本発明の装置は、トランスデューサの回転を必要とせず、比較的多数のトランスデューサにおける信号の同時の受信を可能にする。そのような装置は、回転するトランスデューサを有する装置よりも直径が小さいものとすることができる。例えば、少なくとも幾つかの実施形態では、直径は、３フレンチ、４フレンチ、５フレンチ又は６フレンチ（１フレンチ＝１／３ｍｍ）に過ぎないものとすることができる。さらに、本明細書において記載される装置は、可動部品を必要としないものとすることができ、カテーテルのフラッシングを必要としないものとすることができる。
本発明の装置は比較的高い周波数で動作することができる。例えば、装置は、少なくとも３０ＭＨｚ、４０ＭＨｚ、４５ＭＨｚ又は５０ＭＨｚの周波数で動作することができる。帯域幅も比較的大きいものとすることができ；例えば少なくとも２５％、３０％、４０％、４５％又は５０％である。
図３に示されているように、血管内超音波装置はトランスデューサのアレイを含む。動作中に、トランスデューサの第１のサブセットが音響信号を送信するように選択される。このトランスデューサの第１のサブセットは、送信開口部（ｔｒａｎｓｍｉｔ ａｐｅｒｔｕｒｅ）と称することができる。少なくとも幾つかの実施形態では、トランスデューサの第１のサブセットは焦点の合っていない音響信号を送信する。
トランスデューサの第２のサブセットが、音響信号を反射する周囲の物質（例えば血管）からのエコー信号を受信するように選択される。このトランスデューサの第２のサブセットは、受信開口部（ｒｅｃｅｉｖｅ ａｐｅｒｔｕｒｅ）と称することができる。
少なくとも幾つかの実施形態では、第１のサブセットのトランスデューサの数は、第２のサブセットのトランスデューサの数よりも少ない。少なくとも幾つかの実施形態では、第１のサブセットのトランスデューサは第２のサブセットにもある。これらの実施形態の幾つかでは、第１のサブセットのトランスデューサは、第２のサブセットのトランスデューサに対してセンタリングされるか又はほぼセンタリングされる。
第１のサブセットのトランスデューサは、互いから離間させることができる（すなわち、第１のサブセットの一部ではない１つ又は複数の介在するトランスデューサを有する）が、少なくとも幾つかの実施形態では、第１のサブセットのトランスデューサは、近づけて位置決めされ、第１のサブセットの各トランスデューサが、第１のサブセットの１つ（そのトランスデューサが第１のサブセットのいずれかの端にある場合）又は２つの他のトランスデューサに近接するように配置することができる。
第２のサブセットのトランスデューサは、互いから離間させることができる（すなわち、第２のサブセットの一部ではない１つ又は複数の介在するトランスデューサを有する）が、少なくとも幾つかの実施形態では、第２のサブセットのトランスデューサは、近づけて位置決めされ、第２のサブセットの各トランスデューサが、第２のサブセットの１つ（そのトランスデューサが第２のサブセットのいずれかの端にある場合）又は２つの他のトランスデューサに近接するように配置することができる。
第２のサブセットのトランスデューサのそれぞれはエコー信号を受信する。第２のサブセットのトランスデューサからのエコー信号は組み合わせられて組み合わせ信号になり、各受信したエコー信号は選択された係数によって乗算される。少なくとも幾つかの実施形態では、送信／受信手順は、組み合わせ信号のセットを得るために、少なくとも第２のサブセットのトランスデューサがあるだけ何回も繰り返される。係数は、以下でより詳細に記載するように、各送受信サイクルの間に個々に選択され、それによって、組み合わせ信号のセットは、選択的な加算及び減算によって更に組み合わせられ、第２のサブセットの個々のトランスデューサのいずれか１つについての複合信号を回復することができる。次に、音響信号を反射する周囲の物質の部分の画像を、これらの信号から求めることができる。
トランスデューサの特定の第１のサブセットに関して手順が完了すると、送信トランスデューサの新たな第１のサブセット及び受信トランスデューサの新たな第２のサブセットを選択し、周囲の物質（例えば血管）の異なる部分を撮像することができる。加えて、幾つかの実施形態では、トランスデューサのアレイを、各位置において行われる撮像手順に伴って物体（例えば血管）に沿って移動させることができる。本明細書において記載される配置及び方法の結果として、各トランスデューサにおいて連続して送受信する装置にわたる信号対雑音を改善することができる。
図４は、トランスデューサ４２０の周方向のアレイを有するカテーテル４０８の遠位端の１つの実施形態の断面図である。少なくとも幾つかの実施形態では、各トランスデューサは、半導体（又は他の好適な）基板上に形成されるＣＭＵＴ（又は任意の他の好適なタイプの）トランスデューサである。半導体基板は、フレックス回路等に実装することができ、半導体基板／フレックス回路は、トランスデューサの動作のためのスイッチ又は電極等の他の電子部品を含むことができる。フレックス回路又は半導体基板は、カテーテルに沿って延びる導体を撮像コアに取り付けるための接触部位を含むことができる。
幾つかの実施形態では、図４に示されているように、トランスデューサは、好ましくは音響的に損失があるバッキング材料４３０に配置される。例えば、チタン粒子等の金属粒子を含むことができるエポキシを含む任意の好適な損失材料を使用することができる。少なくとも幾つかの実施形態では、カテーテル４０８は、撮像される血管又は他の構造内へのカテーテルの送達及び位置決めを容易にするために、ガイドワイヤを収容するようにガイドワイヤルーメン４３２を含むことができる。
撮像コアが、例えば、８個、１０個、１２個、１６個、２０個、２４個、３０個、３２個、４０個、４８個、５０個、６４個、７５個、９６個、１００個、１２８個、１４４個、２００個を含む任意の数のトランスデューサ、又は、任意の他の数のトランスデューサを含むことができることが理解されるであろう。説明を容易にするために、図４のアレイは２４個のトランスデューサとともに示されているが、多くのアレイが実質的により多くのトランスデューサを有することが理解されるであろう。これらのトランスデューサを、例えばカテーテルの外周の周りに一次元アレイで配置することができることも理解されるであろう。トランスデューサを、カテーテルの全周の周りに又は外周の一部のみの周りに配置することができることも理解されるであろう。他の実施形態では、カテーテルは、非円形の断面（例えば、正方形、矩形、３角形、６角形、８角形、１０角形、１２角形、長円形の形状、又は任意の他の規則的若しくは不規則的な形状の断面）を有することができ、トランスデューサは、カテーテルの１つ又は複数の表面（幾つかの場合に各表面）、好ましくはカテーテルの周囲又は周囲の一部の周りに配置される。
幾つかの実施形態では、トランスデューサは図３に示されているように細長いものとすることができる。一例として、トランスデューサの（カテーテルの長手方向に沿う）長さは、０．１ｍｍ〜１ｍｍの範囲にあるものとすることができ、（カテーテルの外周の周りの）幅は１０μｍ〜５０μｍの範囲内である。他の長さ、幅又は形状を有するトランスデューサも使用することができることが理解されるであろう。
トランスデューサのアレイを有する撮像コアを使用して信号を得る方法の一例が、図５にフローチャートの形で提供される。Ｍ個の送信トランスデューサの第１のサブセット及びＮ個の受信トランスデューサの第２のサブセットをステップ５０２において選択し、ここで、Ｍ、Ｎは、トランスデューサのアレイのトランスデューサの総数以下である整数であり、好ましくはＮ＞Ｍである。少なくとも幾つかの実施形態では、Ｎ≧２Ｍ又はＮ≧４Ｍ又はＮ≧６Ｍ又はＮ≧８Ｍである。一例として、１４４個のトランスデューサを有する一実施形態を使用する場合、第１のサブセットは、８個の隣り合うトランスデューサを含み、第２のサブセットは、第１のサブセットのトランスデューサを含む４８個の隣り合うトランスデューサを含む。
ステップ５０４において、第１のサブセットのトランスデューサは音響信号を送信する。音響信号は、周囲の物質（例えば患者の血管内の組織）と相互作用し、音響信号の一部が第２のサブセットのトランスデューサに向かって反射されるか又は別様に再び方向付けられて戻される。ステップ５０６において、第２のサブセットのトランスデューサはエコー信号をそれぞれ受信する。ステップ５０８において、第２のサブセットのトランスデューサから受信したエコー信号を、各個々のトランスデューサについて複合信号（すなわち、複数の送受信サイクル（ステップ５０４及び５０６）からの信号の組み合わせ）を回復することを可能にするように選択される係数を用いて組み合わせて組み合わせ信号を形成する。ステップ５０４〜５０８は単一の送信／受信（ＴＸ／ＲＸ）サイクルである。次に、少なくともＮ個の組み合わせ信号が得られるまでステップ５０４〜５０８を繰り返し（ステップ５１０）、これは、最後の送信／受信（ＴＸ／ＲＸ）サイクルが第１のサブセット及び第２のサブセットのこの選択に関して行われたことを意味する。第２のサブセットの各個々のトランスデューサについて複合信号を回復するように選択的な加算及び減算によって更に組み合わせることができるのはこれらのＮ個の組み合わせ信号である。
少なくとも１つの実施形態では、時間ｔにわたるｈ回目の送受信サイクルの組み合わせ信号Ｃ（ｈ，ｔ）は、形式
を有し、式中、Ｒ（ｅ，ｔ）は、ｈ回目の送受信サイクルの第２のサブセットのｅ番目のトランスデューサからのエコー信号であり、Ｈｈｅは行列Ｈから選択される非ゼロ係数である。少なくとも幾つかの実施形態では、Ｈｈｅは＋１又は−１である。少なくとも幾つかの実施形態では、係数Ｈｈｅの全ての組み合わせはアダマール行列を形成する。アダマール行列は、成分が＋１又は−１であり、それらの行が互いに直交する正方形行列である。
図６Ａ及び図６Ｂは、各個々のトランスデューサの複合信号の回復を可能にするように、４８個のトランスデューサ及び４８回の送受信サイクルについて係数Ｈｈｅの異なる選択を用いた２つの異なる行列Ｈを示している（第２のサブセットのｅ番目の受信トランスデューサが横軸に沿い、ｈ回目の送受信サイクルが縦軸に沿う）。図６Ａ及び図６Ｂでは、白い正方形は＋１の係数に対応することができ、黒い正方形は−１の係数に対応することができる（＋１及び−１の逆の割り当ても同様に機能する）。各組み合わせ信号は、図６Ａ又は図６Ｂの１つの行に沿う係数を使用して個々のトランスデューサ信号を付加することによって生成される。図６Ａ及び図６Ｂにおける係数の選択は、４８個の異なる（図６Ａ又は図６Ｂの行列内の各行について１つの）組み合わせ信号の、それらの信号の選択的な加算及び減算による組み合わせを可能にし、選択された第２のサブセットの受信トランスデューサのうちのいずれか１つについての複合信号を得るが、ここで、ｅ番目のトランスデューサの複合信号Ｄ（ｅ，ｔ）は
であり、式中、
は、上記で特定した行列Ｈの転置から得られる係数であり、Ｃ（ｈ，ｔ）は、ｈ番目の送受信サイクルの組み合わせた受信信号である。
少なくとも幾つかの実施形態では、個々のトランスデューサの複合信号を、超音波画像を得るように処理する。少なくとも幾つかの実施形態では、以下でより詳細に説明するように、信号を処理するときに動き補償を使用し、超音波画像を得ることができる。少なくとも幾つかの実施形態では、各送受信サイクルは例えば１５マイクロ秒〜２０マイクロ秒かかり得る。したがって、４８回〜５０回の送受信サイクルを伴うトランスデューサの１つの第１のサブセットの処理全体は、例えば１ミリ秒以下であり得る。
少なくとも幾つかの実施形態では、個々のトランスデューサの複合信号を、超音波画像を得るように処理する。少なくとも幾つかの実施形態では、以下でより詳細に説明するように、信号を処理するときに動き補償を使用し、超音波画像を得ることができる。少なくとも幾つかの実施形態では、各送受信サイクルは例えば１５マイクロ秒〜２０マイクロ秒かかり得る。したがって、４８回〜５０回の送受信サイクルを伴うトランスデューサの１つの第１のサブセットの処理全体は、例えば１ミリ秒以下であり得る。
トランスデューサの選択された第１のサブセットに関して送受信サイクルの全てが行われた後で、その部位における撮像が完成していない場合（ステップ５１２）、トランスデューサの異なる第１のサブセット及び第２のサブセットを選択することができ（ステップ５１４）、トランスデューサの新たな第１のサブセット及び第２のサブセットに関してステップ５０４〜５１０の送受信サイクルプロセスを行う。トランスデューサの新たな第１のサブセット及び第２のサブセットは、例えば、トランスデューサのアレイ付近の物質（例えば血管）の異なる領域を撮像するように選択することができる。
トランスデューサの任意の新たな第１のサブセット及び第２のサブセットを選択することができる。例えば、図４における配置を参照すると、１個（又は２個又は４個又は８個又は任意の他の数の）トランスデューサ（複数の場合もあり）だけ時計回り又は反時計回りに移動させることによって新たなサブセットを選択することができる。新たな第１のサブセット及び第２のサブセットを選択する任意の他の好適な方法も使用することができる。一例として、図４の配置を使用する場合、図４に示されているトランスデューサの周方向のアレイの周りの３６０°の撮像を生成するように２４個の異なる第１のサブセットを順次選択することができる。少なくとも幾つかの実施形態では、このプロセスは、例えば１秒あたり３０フレーム、４０フレーム、５０フレーム又はより多くのフレーム率で行うことができ、この場合、各フレームは１つの選択される第１のサブセットに対応する。少なくとも幾つかの実施形態では、撮像の解像度は少なくとも２００マイクロメートル、１００マイクロメートル又は５０マイクロメートルである。
トランスデューサの所望の第１のサブセット及び第２のサブセットの全てを選択し、撮像コアのその時点の位置において送受信サイクルプロセスを行った後で、トランスデューサのアレイを、例えば、カテーテルを新たな位置まで引き戻す（又は前進させる）ことによって、任意選択的に移動させることができ（ステップ５１６〜５１８）、ステップ５０２〜５１４の手順を新たな位置において行う。これは、別個に表示されるか又は「三次元」画像のために一緒に組み合わせることができる各位置の超音波画像を生成するために、トランスデューサのアレイの任意の数の新たな位置において繰り返すことができる。
図７は、選択的な係数を使用してトランスデューサからのエコー信号の組み合わせをインプリメントする回路部の１つの実施形態を概略的に示す図である。図７では、トランスデューサ７１２は、そのトランスデューサによって生成されるエコー信号をコンバイナ７４４のどの入力部７４２ａ、７４２ｂに送信するかを判断する個々のスイッチ７４０に結合されている。１つの入力部は正の係数に対応し、他の入力部は負の係数に対応する。スイッチ７４０はプロセッサ７４６によって個々に制御される。スイッチ７４０、コンバイナ７４４、プロセッサ７４６若しくはそれらの任意の組み合わせ（又はこれらの要素を形成する構成要素の組み合わせ）は、トランスデューサ要素と同じ基板内、トランスデューサ要素と同じフレックス回路上、トランスデューサ要素と同じカテーテル又は撮像コア内、カテーテルに結合される制御ユニット内、又はそれらの任意の組み合わせに組み込むことができる。これらの構成要素（例えばスイッチ７４０、コンバイナ７４４又はプロセッサ７４６）の任意の組み合わせを、１つ又は複数の集積回路として形成することができる。例えば、スイッチ７４０は、トランスデューサ要素と同じ基板内又は同じフレックス回路上に組み込むことができ、コンバイナ及びプロセッサは制御ユニットに組み込むことができる。プロセッサは、各送受信サイクルについてトランスデューサの第１のサブセット及び第２のサブセットを選択するのに使用される付加的なスイッチ（図示せず）の動作も命令することができることが理解されるであろう。
少なくとも幾つかの実施形態では、トランスデューサの任意の所与のサブセットについて行われる送受信サイクルに１つ又は複数の付加的な送受信サイクルを含めることによって、動き補償を提供することができる（例えば、Ｎ回のサイクルではなくＮ＋１又はＮ＋２又はＮ＋３の送受信サイクルを行う）。１回、２回、３回、４回、６回、８回、１０回、１２回又はより多くの付加的なサイクルを含む、任意の回数の付加的な送受信サイクルを用いることができる。
幾つかの実施形態では、組み合わせ信号は、前回の送受信サイクルと同じ係数を使用してこれらの付加的な１回又は複数回の送受信サイクルについて生成される。例えば、一連のサイクルの終わりの送受信サイクルは、第１の送受信サイクル（又は任意の他の送受信サイクル）に用いた同じ係数を用いて、組み合わせ信号を生成することができる。付加的に又は代替的に、一連のサイクルの中間で（又は一連のサイクル内の任意の他の位置で）送受信サイクルを加え、第１の送受信サイクル（又は任意の他の送受信サイクル）に用いた同じ係数を用いて、組み合わせ信号を生成することができる。これらの送受信サイクル間の相関を求め、動きの推定に使用することができる。
他の実施形態では、トランスデューサの付加的な送受信信号を任意の他のやり方で一緒に加えるか又は組み合わせることができる。幾つかの実施形態では、２つ以上の連続した送受信サイクルを組み合わせて、信号対雑音比を改善することができる。１つの例として、動き検出信号のために、３つの送受信サイクルについての受信トランスデューサからの受信信号を組み合わせることができる。動き検出信号は、規則的な時間間隔Δｐで得られる（例えば、１０回、１５回、２０回、２５回、２８回、３０回、３５回又は４０回の送受信サイクル毎）。これらの動き検出信号間の相関を求め、Δｐの間の動きの推定に使用することができる。
１つの例として、Ｒｍｃ（ｅ，ｔ）は、時間ｔにおける動き補正送受信サイクルについての第２のサブセットのｅ番目のトランスデューサからのエコー信号であり、Ｒｍｃ（ｅ，ｔ＋Δｐ）は、時間ｔ＋Δｐにおける動き補正送受信サイクルについての第２のサブセットのｅ番目のトランスデューサからのエコー信号である。動き補正は、以下の式：
を用いて推定することができ、式中、λ０はトランスデューサの中心周波数であり、νｒは移動速度である。移動速度νｒは、時間ｔ及びｔ＋Δｐにおいて受信したエコー信号間の相互相関によって推定することができる。次に、この移動速度を用いて、送受信サイクル中の動きを考慮するようにトランスデューサのエコー信号を修正することができる。動き補償送受信サイクルは、送信のために第１のサブセットのトランスデューサの全て、又は、それらのトランスデューサのうちの幾つかのみ（すなわち１つ又は複数）を使用することができることが認識されるであろう。加えて、動き補償送受信サイクルは、対応するエコー信号を受信するのに第２のサブセットのトランスデューサの全て、又は、それらのトランスデューサのうちの幾つかのみ（すなわち１つ又は複数）を使用することができる。
図８は、動き補償を提供する１つの方法を示している。ステップ８０２において、トランスデューサのサブセットについての組み合わせ信号を、同じ係数を用いて少なくとも２つのサイクル（例えば最初のサイクル及び最後のサイクル）の組み合わせ信号を得ることを含め、上述したように得る。ステップ８０４において、動き補償を、同じ係数を用いた２つ以上の送受信サイクルからの組み合わせ信号を用いて求める。動き補償は、例えば、これらの２つ以上のサイクル間の相関を求めることによって求めることができる。ステップ８０６において、次に、動き補償を、個々のトランスデューサの組み合わせ信号又は複合信号に適用する。ステップ８０８において、動き補償信号を用いて画像を生成する。
同じ係数を用いて組み合わせ信号を得るため、これらの２回以上の送受信サイクルから得られる組み合わせ信号間の相関を用いて、装置と撮像される物体との間の相対的な動き、特に軸方向の動きを推定することができる。信号の相関が高い場合、相対的な動きは小さく；概して、信号間の相関が低いほど、相対的な動きは大きくなる。相関の程度を用いて、動きを推定するとともに各トランスデューサに関して求められる信号を補正し、それらの信号を、撮像される物体の対応する部分により正確に割り当てることができる。動き補正に２回以上の付加的な送受信サイクルを用いることによって、一連のサイクルの間にこれらのサイクルが隔てられていると仮定すると、多くの場合に、より微細な程度の動き補正を提供することができる。
上述したフローチャートの説明の各ブロック、及び、フローチャートの説明におけるブロックの組み合わせ、並びに、システムのいずれかの部分、撮像コアを用いて信号を得る方法、撮像方法並びに本明細書において開示される任意の他のシステム及び方法を、コンピュータプログラム命令によってインプリメントすることができることが理解されるであろう。これらのプログラム命令は、マシンを生成するようにプロセッサに提供することができ、プロセッサ上で実行される命令が、フローチャートのブロック（単数又は複数）において明記されるか又は本明細書において開示されるシステム及び方法について記載される動作をインプリメントする手段を形成するようにする。コンピュータプログラム命令は、プロセッサによって実行され、一連の動作ステップをプロセッサによって行わせ、コンピュータインプリメントプロセスを生成することができる。コンピュータプログラム命令はまた、動作ステップの少なくとも幾つかを並行して行わせることができる。その上、ステップの幾つかは、２つ以上のプロセッサにわたって行うこともできる。加えて、本発明の範囲又は主旨から逸脱することなく、１つ又は複数のプロセスを他のプロセスと同時に、又は更には、示されているシーケンスとは異なるシーケンスで行うこともできる。
コンピュータプログラム命令は、限定はされないが、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ若しくは他のメモリ技術、ＣＤ−ＲＯＭ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）若しくは他の光学記憶装置、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク記憶装置若しくは他の磁気記憶装置、又は、所望の情報を記憶するのに使用することができ、コンピューティング装置によってアクセスすることができる任意の他の媒体を含む、任意の好適なコンピュータ可読媒体（任意の非一時的なコンピュータ可読媒体を含む）に記憶することができる。
上記の明細書、例及びデータは、本発明の構成の製造及び使用の説明を提供する。本発明の多くの実施形態は、本発明の主旨及び範囲から逸脱することなく行うことができるため、本発明は添付の特許請求の範囲にも属する。
Claims (15)
- 医用撮像アセンブリであって、前記医用撮像アセンブリは、
近位端、遠位端、長手方向軸、及び、前記近位端に配置されるコネクタを有する細長いカテーテルと、
前記カテーテルの前記遠位端に配置されるトランスデューサのアレイであって、各トランスデューサは、印加される電気信号を音響信号に変換し、該音響信号を送信し、対応するエコー信号を受信し、受信した該エコー信号を電気信号に変換するように構成及び配置されている、トランスデューサのアレイと、
前記トランスデューサのアレイに電気的に結合されるとともに前記カテーテルの前記コネクタと電気的に連通する複数の導体と、
前記カテーテルに結合可能であるとともに、前記カテーテルの前記コネクタを通じて前記トランスデューサのアレイとの間で電気信号を送受信するように構成及び配置されている制御ユニットであって、命令を実行するように構成及び配置されるプロセッサを含み、前記命令は：
１）Ｍ個の送信トランスデューサの第１のサブセットを前記トランスデューサのアレイから選択するとともに、Ｎ個の受信トランスデューサの第２のサブセットを前記トランスデューサのアレイから選択することであって、Ｍ及びＮはそれぞれ、２以上の整数であって前記トランスデューサのアレイのトランスデューサの総数未満である整数であり、かつＮ＞Ｍであること；並びに
２）少なくともＮ回の送受信サイクルのそれぞれに関して、
ａ）前記Ｍ個の送信トランスデューサの第１のサブセットに、音響信号を送信するよう命令すること；及び
ｂ）前記Ｎ個の受信トランスデューサの第２のサブセットに、送信された前記音響信号に応答して生じる対応するエコー信号を受信するよう命令すること
を含む、制御ユニットと、
を備える、医用撮像アセンブリ。 - 前記命令は、前記第２のサブセットの前記トランスデューサからの前記エコー信号を組み合わせて、組み合わせ信号を与えることを更に含み、時間ｔにわたるｈ回目の送受信サイクルの前記組み合わせ信号Ｃ（ｈ，ｔ）は、形式
- 各Ｈｈｅは＋１又は−１から選択される、請求項２に記載の医用撮像アセンブリ。
- 前記命令は、前記組み合わせ信号を用いて超音波画像を生成することを更に含む、請求項２に記載の医用撮像アセンブリ。
- 前記トランスデューサのアレイは、前記カテーテルの全周の周りに周方向に配置される、請求項１に記載の医用撮像アセンブリ。
- 前記少なくともＮ回の送受信サイクルは少なくともＮ＋１回の送受信サイクルを含み、該少なくともＮ＋１回の送受信サイクルの少なくとも２回の送受信サイクルのそれぞれについて、前記命令は、前記少なくとも２回の送受信サイクルに同一の係数Ｈｈｅを用いて、その送受信サイクルの前記エコー信号を組み合わせて、前記組み合わせ信号を与えることを更に含む、請求項２に記載の医用撮像アセンブリ。
- 前記命令は、前記少なくとも２回の送受信サイクルに同一の係数Ｈｈｅを用いて前記エコー信号を組み合わせることによって生成される前記少なくとも２回の送受信サイクルの前記組み合わせ信号を用いて、動き補償を求めることを更に含む、請求項６に記載の医用撮像アセンブリ。
- 前記少なくとも２回の送受信サイクルは、前記少なくともＮ＋１回の送受信サイクルの最初の送受信サイクル及び前記少なくともＮ＋１回の送受信サイクルの最後の送受信サイクルを含む、請求項６に記載の医用撮像アセンブリ。
- 前記命令は、Ｎ個のトランスデューサの複数の異なる第２のサブセットのそれぞれについて命令１）及び２）を行うことを更に含み、Ｎは、前記トランスデューサのアレイのトランスデューサの総数よりも少ない、請求項１に記載の医用撮像アセンブリ。
- Ｎ≧２Ｍである、請求項１に記載の医用撮像アセンブリ。
- トランスデューサのアレイからの信号を処理するプロセッサ実行可能な命令を有する非一時的なコンピュータ可読媒体であって、前記プロセッサ実行可能な命令は、装置にインストールされると：
１）Ｍ個の送信トランスデューサの第１のサブセットを前記トランスデューサのアレイから選択するとともに、Ｎ個の受信トランスデューサの第２のサブセットを前記トランスデューサのアレイから選択することであって、Ｍ及びＮはそれぞれ、前記トランスデューサのアレイのトランスデューサの総数以下である整数であり、かつＮ＞Ｍであること；並びに
２）少なくともＮ回の送受信サイクルのそれぞれに関して、
ａ）前記Ｍ個の送信トランスデューサの第１のサブセットに、音響信号を送信するよう命令すること；
ｂ）前記Ｎ個の受信トランスデューサの第２のサブセットに、送信された前記音響信号に応答して生じる対応するエコー信号を受信するよう命令すること；及び
ｃ）組み合わせ信号を与えるために前記第２のサブセットの前記トランスデューサからの前記エコー信号を組み合わせることであって、時間ｔにわたるｈ回目の送受信サイクルの前記組み合わせ信号Ｃ（ｈ，ｔ）は、形式
を含む動作を前記装置が行うことを可能にする、非一時的なコンピュータ可読媒体。 - 前記命令は、前記組み合わせ信号を用いて超音波画像を生成することを更に含む、請求項１１に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
- 前記少なくともＮ回の送受信サイクルは少なくともＮ＋１回の送受信サイクルを含み、該少なくともＮ＋１回の送受信サイクルの少なくとも２回の送受信サイクルのそれぞれについて、前記命令は、前記少なくとも２回の送受信サイクルに同一の係数Ｈｈｅを用いて、その送受信サイクルの前記エコー信号を組み合わせて、前記組み合わせ信号を与えることを更に含む、請求項１１に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
- 前記命令は、前記少なくとも２回の送受信サイクル間で同一の係数ｃｉｊを用いて前記エコー信号を組み合わせることによって生成される前記少なくとも２回の送受信サイクルの前記組み合わせ信号を用いて、動き補償を求めることを更に含む、請求項１３に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
- 前記命令は、Ｎ個のトランスデューサの複数の異なるサブセットのそれぞれについて命令１）及び２）を行うことを更に含み、Ｎは、前記トランスデューサのアレイのトランスデューサの総数よりも少ない、請求項１３に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
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