JP6352941B2 - 回転式ｉｖｕｓのための出射制御システム - Google Patents

Description

本開示は、概して、生体内の血管内超音波（ＩＶＵＳ）イメージングに関し、特には、機械的にスキャンされる超音波トランスデューサーに依拠した回転式カテーテルを用いたＩＶＵＳイメージングシステムのための制御システムに関する。

血管内超音波（ＩＶＵＳ）イメージングは、治療の必要性を決定し、介入を案内し、及び／又はその効果を評価するため、人体内の罹患した動脈といった管のための診断ツールとして心臓介入で広範囲に用いられている。ＩＶＵＳイメージングは、超音波エコーを用いて対象の管のイメージを形成する。超音波は、大半の組織及び血液を難なく透過できるが、組織構造（例えば、管壁の様々な層）、赤血球、及び他の対象の構造から生じる不連続から部分的に反射される。患者インターフェイスモジュール（ＰＩＭ）を介してＩＶＵＳカテーテルに接続したＩＶＵＳイメージングシステムは、受け取った超音波エコーを処理し、カテーテルが配置された場所の管の断面イメージを生成する。

典型的な回転式ＩＶＵＳカテーテルでは、単一の超音波トランスデューサー要素が、対象の管内に挿入されたプラスチックシース内で回転するフレキシブル駆動シャフトの先端に設けられる。トランスデューサー要素は、超音波ビームがカテーテルの軸に概して垂直に伝播するように配向される。流体充填済シースは、超音波信号がトランスデューサーから組織内に自由に伝播して戻ることを許容しつつ、回転するトランスデューサー及び駆動シャフトから管組織を保護する。駆動シャフトが回転する時（典型的には、毎秒３０回転）、トランスデューサーが、高電圧パルスにより周期的に励起され、超音波の短バーストを出射する。次に、同一のトランスデューサーが、様々な組織構造から反射した帰還エコーを聞き取り、ＩＶＵＳイメージングシステムが、トランスデューサーの単一回転中に生じるこれらのパルス／取得サイクルのシーケンスから管断面の２次元（２Ｄ）表示を構築する。幾何歪無しで正確なイメージを形成するため、各パルス／取得サイクルについてトランスデューサー角度を正確に知る必要がある。これは、カテーテルに対する抗力の変動、モーター運動の不規則性、及びカテーテルの先端のトランスデューサーの回転とモーターシャフトの回転の間の位相関係を妨げる傾向がある他の要因に直面するに困難である。

伝統的な回転式ＩＶＵＳシステムは、モーターシャフトに実装された高分解能ロータリーエンコーダー（典型的には、一回転あたり５１２パルス）を用いカテーテル駆動シャフトの一回転を、名目上は均一な角度間隔で、例えば、５１２パルス／取得シーケンスに細分化する。このアプローチは、モーター／エンコーダーの角度位置が、フレキシブル駆動シャフトの先端に実装されたトランスデューサーの角度位置を正確に表すという前提に依拠している。フレキシブル駆動シャフトにおいて変動する抗力及びねじれ非対称性は、モーター角とトランスデューサー角の間の相関が崩れる時、非均一回転歪（ＮＵＲＤ（Non-Uniform Rotational Distortion））と一般的に呼ばれるイメージにおける幾何歪を生じさせる。これとは別に、モーター制御回路は、所望の公称値（nominal value）（典型的には、毎秒３０回転）にモーター速度を維持する。典型的には、回転式ＩＶＵＳシステムは、小型ブラシレスＤＣモーターに依拠し、高効率及び最大トルクを維持するように電子的に整流され、所望の平均回転速度を維持するためにエンコーダーフィードバックを用いる。

伝統的なアプローチを用いると、エンコーダー出力によりトリガーされるパルス／取得サイクルがモーター回転に同期され、モーター速度が変化する範囲で、パルス／取得サイクル間のインターバルも変化する。既存のＩＶＵＳカテーテルが有用な診断情報を提供するが、管状態のより価値がある洞察を提供するため、改善されたイメージ品質の必要がある。回転式ＩＶＵＳのイメージ品質の更なる改善のため、送信エレクトロニクス又は他の信号処理を改善することが望ましい。

従って、血管内超音波イメージングシステムにて同期信号を提供するための改善された装置、システム、及び方法の必要が残存する。

本明細書に開示の実施形態においては、血管内超音波(ＩＶＵＳ）イメージングシステムにおける使用のための患者インターフェイスモジュール（ＰＩＭ）が：位置センサーを有するモーター；前記モーターに信号を提供するモーターコントローラー回路；及びパルス送信器回路にトリガー信号を提供し、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）回路に参照クロック信号を提供するクロック及びタイミング回路であって、前記トリガー信号及び前記参照クロック信号が局部発振器に同期される、クロック及びタイミング回路を備え、前記モーターは、モーターシャフト及び局部発振器の間の相対的な位相値をデータ処理回路に提供するように構成される。

幾つかの実施形態によれば、イメージングシステムは、モニター；処理システム；患者インターフェイスモジュール（ＰＩＭ）；及びＰＩＭに結合したカテーテルであって、カテーテルがトランスデューサーを含むカテーテルを備え、前記ＰＩＭが：位置センサーを更に有するモーター；前記モーターに信号を提供するモーターコントローラー回路；及びパルス送信器回路にトリガー信号を提供し、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）回路に参照クロック信号を提供するクロック及びタイミング回路であって、前記トリガー信号及び前記参照クロック信号が局部発振器に同期される、クロック及びタイミング回路を備え、前記モーターは、モーターシャフト及び局部発振器の間の相対的な位相値を前記処理システムに提供するように更に構成される。

幾つかの実施形態によれば、イメージングシステム用の出射制御システムにおける同期信号の生成のための方法が、アナログデジタル変換（ＡＤＣ）回路にクロック信号を提供すること；パルス送信器に信号を提供すること；モーターコントローラーに参照クロック信号を提供すること；前記クロック信号に対するモーター位相をモニタリングすること；及び処理システムに前記モーター位相を提供することを含む。

本発明のこれら及び他の実施形態が次の図面を参照して以降により詳細に記述される。

図１は、本開示の幾つかの実施形態に係る、イメージングシステムの概略図である。 図２Ａは、本開示の幾つかの実施形態に係る、ＩＶＵＳイメージングシステムでの使用のための患者インターフェイスモジュール（ＰＩＭ）の部分概略図を示す。 図２Ｂは、本開示の幾つかの実施形態に係る、ＩＶＵＳイメージングシステムでの使用のための患者インターフェイスモジュール（ＰＩＭ）の部分概略図を示す。 図３Ａは、本開示の幾つかの実施形態に係る、同期ＰＩＭからの同期信号の部分図を示す。 図３Ｂは、本開示の幾つかの実施形態に係る、同期ＰＩＭにより受け取られた同期エコーの部分図を示す。 図４Ａは、本開示の幾つかの実施形態に係る、モーターの部分図を示す。 図４Ｂは、本開示の幾つかの実施形態に係る、多相モーター駆動波形の部分図を示す。 図５は、本開示の幾つかの実施形態に係る、同期信号を生成するクロック及びタイミング回路の部分図を示す。 図６は、本開示の幾つかの実施形態に係る、回転式ＩＶＵＳのための出射制御システムにおける同期信号を生成するための方法におけるフローチャートの部分図を示す。

図面においては、同一の参照番号を有する要素が同一又は同様の機能を持つ。

本開示の原理の理解を促進する目的のため、ここで図面に図示された実施形態に参照が為され、これを記述するために特定の用語が用いられる。しかしながら、本開示の範囲に如何なる限定も意図されないものと理解される。記述された装置、システム、及び方法の如何なる変更及び更なる変更、また本開示の原理の如何なる更なる適用は、本開示が関連する技術分野の当業者に通常に生じるように、十分に検討され、本開示内に含まれる。特には、一つの実施形態に関して記述された特徴、構成要素、及び／又はステップが、本開示の他の実施形態に関して記述した特徴、構成要素、及び／又はステップに組み合わされることが十分に検討される。しかしながら、簡潔さのため、これらの組み合わせの多数の反復が別々に記述されない。

幾つかの実施形態においては、回転式ＩＶＵＳイメージングシステムにおいてモーター速度及びスキャンライントリガーを制御するための機器及び方法が提供される。スキャンライントリガーは、カテーテルの遠位端で回転するトランスデューサーからの送信パルス生成及びエコー信号データ取得を含む。カテーテル１０２の駆動シャフトのねじれ柔軟性のため、トランスデューサー位置が、モーター位置から非常に顕著に逸脱し、非均一回転歪（ＮＵＲＤ）アーチファクトを生成する。ＮＵＲＤアーチファクトは、駆動シャフトの回転速度の不一致を生じさせる駆動シャフトの非対称曲げモーメントにより悪化される。

伝統的アプローチは、モーター駆動部に結合した高分解能ロータリーエンコーダーを用いる。幾つかの実施形態においては、モーター速度及びスキャンライントリガーの制御が、同期モーター駆動部を用いて実行される。同期モーター駆動部では、医療用途にて望ましい、過剰な抗力（drag）に到達するならば、モーターの失速（stalling）が問題である。同期モーター駆動部は、トルク制限のために増加した安全性を含む。本開示に整合する実施形態が、オープンループ制御において動作する；所望速度でのロータリーモーターの同期駆動が電子制御されてモニターされる。幾つかの実施形態においては、モーター速度フィードバックを有するブラシレスＤＣ（ＢＬＤＣ（brushless DC））が用いられる。速度フィードバックが、固定速度にモーターを維持することを試み、効率を高める。ＢＬＤＣアプローチは、トルク変動に対処できるが、速度変化を有する。幾つかの実施形態においては、モーターにおける低分解能センサーが、高感度クロック及びタイミング回路に結合される。幾つかの実施形態においては、モーターにおける低分解能センサーが、一群のホール効果センサーである。幾つかの実施形態によれば、同期モーター駆動部及び同期スキャンライントリガー回路が用いられ、モーター駆動部に結合した高分解能ロータリーエンコーダーの必要を除去する。

図１は、本開示の一実施形態に係るＩＶＵＳイメージングシステム１００を示す。本開示の幾つかの実施形態においては、ＩＶＵＳイメージングシステム１００は、回転式ＩＶＵＳイメージングシステムである。これについて、回転式ＩＶＵＳイメージングシステムの主要構成部品は、回転式ＩＶＵＳカテーテル１０２、患者インターフェイスモジュール（ＰＩＭ）１０４、ＩＶＵＳコンソール又は処理システム１０６、及びＩＶＵＳコンソール１０６により生成されたＩＶＵＳイメージをディスプレイ表示するモニター１０８である。カテーテル１０２は、幾つかの実施形態に係る超音波トランスデューサー１５０を含む。ＰＩＭ１０４は、カテーテル１０２を支持する適切なインターフェイス仕様を実施する。幾つかの実施形態によれば、ＰＩＭ１０４が、送信トリガー信号及び制御波形のシーケンスを生成し、超音波トランスデューサー１５０の動作を調整する。

超音波トランスデューサー１５０は、ＰＩＭ１０４から受け取ったトリガー信号に応答して管組織に超音波信号を送信する。超音波トランスデューサー１５０は、また、管組織及び／又は他の周囲の構造から受け取ったエコー信号を、電気信号に変換し、これが、ＰＩＭ１０４を介してコンソール１０６へ通信される。単一の超音波送信パルスに応答してＰＩＭ１０４により受け取られた超音波エコー信号が、カテーテルの長軸（ＬＡ）に関して軸方向沿いの対象組織深さのラインスキャン（Ａ−スキャン）を形成するために用いられる。幾つかの実施形態においては、ＰＩＭ１０４が、また、高及び低電圧ＤＣ電源を供給する。高電圧が、上限８０Ｖであり、典型的には、６０〜７０Ｖの電圧を含む。幾つかの実施形態においては、ＰＩＭ１０４により提供される電圧が、３．３Ｖほどの低さである。従って、ＰＭＵＴトランスデューサーといった幾つかの実施形態においては、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）が用いられ、トランスデューサーに電圧を供給する。幾つかの実施形態においては、ＡＳＩＣが、カテーテルの遠位部に含まれ、また幾つかの実施形態においては、ＡＳＩＣの一部がＰＩＭ１０４に含まれる。例えば、ＡＳＩＣが、ＰＩＭ１０４により提供されたＤＣを用い、短時間の間に高電圧パルスを生成する。幾つかの実施形態においては、高電圧パルスが、上限１２０Ｖ、１５０Ｖ、及びこれよりも高く、数ナノ秒の間（１ナノ秒、１ｎｓ＝１０^-9秒）、継続する。ＰＩＭ１０４により提供された電圧が、最終的には、回転式ＩＶＵＳカテーテル１０２の遠位端に伝送される。

更には、全目的のためにそれらの全体にてそれらの内容が参照により本明細書に組み込まれる、米国特許出願Ｎｏ．８，１０４，４７９、５，２４３，９８８、及び５，５４６，９４８に記述のものといった、幾つかのカテーテルにとっては、ＰＩＭ１０４が、単純に、トランスデューサー１５０に高電圧信号を直接的に送信する。例えば、電圧が、数ｎｓ継続する一サイクル（各サイクルが、対称の正電圧及び負電圧期間を有する波形に似ている）のピーク間で４００Ｖほどの高さかもしれない。幾つかの実施形態においては、ＰＩＭ１０４は、回転インターフェイスを介してトランスデューサー１５０にＤＣ電圧を供給する。これについて、回転インターフェイスを介したＤＣ電源の供給のためのオプションが、スリップリング（slip-rings）の使用、及び／又はアクティブスピナー技術（active spinner technology）の実施を含む。

図２Ａは、本開示の幾つかの実施形態に係る、ＩＶＵＳイメージングシステム１００での使用のためのＰＩＭ１０４の部分概略図を示す。図２Ａは、より詳細にＰＩＭ１０４を図示し、カテーテルの長さに沿って延びるシャフト１１４を通じてカテーテル１０２の遠位部のトランスデューサー１５０に回転運動を提供するモーター２５０を含む。シャフト１１４は、テレスコープ１２２に適合するコネクター１１８によりＰＩＭ１０４に取り付けられる。テレスコープ１２２は、カテーテル１０２の長さ調整を許容する。ＰＩＭ１０４は、また、トランスデューサー１５０にパルス信号２２３を提供する回転変圧器２６０を含む。回転変圧器２６０は、トランスデューサー１５０からＰＩＭ１０４へ電気信号２２４も伝送する。パルス信号２２３がパルス送信器２１２により提供され、また電気信号２２４が、受信アンプ２１４により増幅される。幾つかの実施形態によれば、電気信号２２４は、トランスデューサー１５０により検出される管組織及び／又は他の周囲の構造からのエコー応答を含むアナログ信号である。アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）２１６が、増幅された電気信号２２４をデジタル信号に変換し、これが、通信プロトコル回路２１８によりＰＩＭ１０４からＩＶＵＳ制御システム１０６へ伝送される。

モーター２５０は、幾つかの実施においては、ブラシレスモーターといった電気モーターである。幾つかの実施形態においては、モーター２５０は、ブラシレスＤＣモーター、永久磁石ローターを有する、２相又は３相モーターである。幾つかの実施形態においては、モーター制御部２１０は、モーター２５０のスピン速度を制御する回路である。これについて、モーター制御部２１０は、モーター２５０を所望の回転速度で回転させるように構成され、幾つかの実施においては、毎秒約３０回転である。モーター速度は、クロック及びタイミング回路２００により提供される同期モーター駆動信号２２１により精密に制御される。モータートルク及び位相が、制御回路２１０により制御される。

本明細書に開示の実施形態に係るクロック及びタイミング回路２００に結合したモーターにおける低分解能位置センサーの使用は、良く規定されるモーター速度を提供する。クロック及びタイミング回路２００は、連続的にモーター回転の位相及び周波数を調整することにより、回転式ＩＶＵＳカテーテルの脆弱性を低減してランナウェイ回転速度（runaway rotational velocity）をフォールト状態とする。クロック及びタイミング回路２００により提供される同期制御が、単純なタイミング制御で精密なモーター速度を保証する。幾つかの実施によれば、クロック及びタイミング回路２００が、共通の安定システムクロックを用いてトランスミッタータイミング信号２２２及びモーター速度制御信号２２１を提供する。

幾つかの実施形態においては、ＰＩＭ１０４が、モーター２５０における高分解能エンコーダーの必要を除去するハードウェア構造を有する。幾つかの実施形態は、モーター２５０によりモーター制御回路２１０及び通信プロトコル回路２１８へ提供される回転信号２２０を含む。信号２２１、２２２、及び２２６がお互いに同期され、他方、回転信号２２０は、モーター２５０の抵抗、又はある程度の非同期挙動を示す位相遅延を有し得る。

幾つかの実施形態は、システム１００として回転式ＩＶＵＳイメージングシステムを含む。本開示に整合する幾つかの実施形態は、任意の種類のトランスデューサー１５０、例えば、伝統的なＰＺＴ装置、ＰＭＵＴ装置、ＣＭＵＴ装置、及び／又はこれらの組み合わせを含む。幾つかの実施においては、トランスデューサー１５０が、血管内光コヒーレント・トモグラフィー（ＯＣＴ）イメージングで用いられるものといった光学要素（例えば、ミラー、プリズム、及び／又は他のレフレクター又はエミッター）で置換される。これについて、ＰＭＵＴ装置においては、パルス送信器２１２の部分及び受信アンプ２１４の部分が、トランスデューサー１５０の近位の、カテーテル１０２の遠位端の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に含まれる。

図２Ｂは、本開示の幾つかの実施形態に係る、ＩＶＵＳイメージングシステムにおいて用いられる患者インターフェイスモジュール（ＰＩＭ）１０４の部分的な概略図を示す。従って、図２Ｂは、詳細に上述したトランスデューサー１５０を有するカテーテル１０２、及びＩＶＵＳ制御システム１０６を含む（図２Ａ参照）。また、図２ＢのＰＩＭ１０４は、図２Ａの参照で記述のとおりである。従って、図２Ｂは、パルス送信器２１２からカテーテル１０２のトランスデューサー１５０へ提供される信号２２３Ｂを示す。幾つかの実施形態においては、信号２２３Ｂは、制御信号２２１に対するモーター２５０からの信号２２０の位相遅延に関わらず、トランスデューサー１５０のための均一間隔のパルストリガーを含む。従って、信号２２３Ｂは、固定速度でのトランスデューサー１５０への均一間隔の超音波パルスのためのトリガーを含む。ＩＶＵＳ制御システム１０６は、通信プロトコル回路２１８により提供された位相遅延信号の知識を用いることにより、ディスプレイ１０８上に２Ｄスキャンイメージを十分に形成することができる。これについて、パルス送信器２１２により均一な時間期間で複数の超音波送信パルスがトリガーされる間、各送信パルスにより生成されたＡ−スキャンライン２６０が、ＩＶＵＳ制御システム１０６により変化する空間方向に配される。

図２Ａ及び２Ｂに整合する幾つかの実施形態においては、モーター制御回路２１０が、モーター２５０に多相制御信号を提供する同期制御回路であり得る。幾つかの実施形態においては、モーター制御回路２１０が、より精密にモーター２５０の速度を制御するためフィードバックループ及びエンコーダーを有するブラシレスＤＣ制御回路（ＢＬＤＣ）を含み得る。

図３Ａは、幾つかの実施形態に係る、同期ＰＩＭ１０４からの同期信号３２０、３２２及び３２３の部分図を示す。図３Ａにおける水平軸が時間を示し、垂直軸が、電圧である信号強度を示す。全てについて図２に関して詳細に上述したように、信号３２０は、回転信号２２０といった回転信号を表し、信号３２２は、トランスミッタータイミング信号２２２といったトランスミッタータイミング信号を表し、及び信号３２３は、パルス信号２２３といったパルス信号を表す。従って、幾つかの実施形態においては、信号３２０は、モーター２５０内のセンサーを用いて、モーター制御部２１０によりクロック及びタイミング回路２００に提供された低分解能回転信号である；信号３２２は、クロック及びタイミング回路２００によりパルス送信器２１２へ提供されたトリガー信号であり、パルス信号３２３をトリガーする；及びパルス信号３２３が、トランスデューサー１５０に提供され、超音波励起インパルスを生成し、これが、管組織を通じて伝播してエコー信号を生成する。

図３Ａは、タイミング信号３２２及びパルス信号３２３に対する回転信号３２０の低周波数を図示する。幾つかの実施形態においては、３つの信号３２０、３２２、及び３２３が同期される。幾つかの実施形態においては、回転信号３２０が、信号３２２及び３２３に対して時間的にある程度シフトする。例えば、幾つかの実施形態においては、回転信号３２６が、信号３２２及び３２３よりも前進し、若しくは回転信号３２４が、信号３２２及び３２３よりも遅延し得る。本開示に整合する実施形態は、モーター信号３２６又は３２４を信号３２２及び３２３とロックステップ（lockstep）(同調）にさせるのではなく、信号３２２及び３２３に対するミスアライメントの正確な値を記録する。ＢＬＤＣモーターコントローラー２１０（図２Ｂ参照）を用いる実施形態においては、モーター信号３２０と信号３２２及び３２３の間のミスアライメントが相対的に小さい。なぜなら、ＢＬＤＣコントローラーが、フィードバックループを含み、モーター速度及び／又は位相を調整し得るためである。オープンループにてモーター２５０の同期回路を用いる実施形態においては、トランスデューサー１５０の回転のねじれ非対称性に起因してミスアライメントがより大きい。モーター２５０に制御信号を提供することによりミスアライメントを解消することを試みるのではなく、本開示に整合する実施形態は、ＩＶＵＳ制御システム１０６でのデータ処理を通じた正確な２Ｄイメージを生成するため、各Ａ−スキャンのためにミスアライメント値の記録を提供する。

幾つかの実施形態においては、トランスミッタータイミング信号３２２及びパルス信号３２３が同一周波数を有し得る。図３Ａに図示のように、トランスミッタータイミング信号３２２及びパルス信号３２３の周波数が、回転信号３２０の周波数よりもかなり高い。幾つかの実施形態においては、タイミング信号３２２が、回転信号３２０の周波数よりも５１２倍高い周波数を有する。従って、幾つかの実施形態においては、回転信号３２０の２つの連続パルスの間の時間において均等間隔のタイミング信号３２２の５１２パルスがある。他の構成も可能であり、回転信号３２０の２つのパルス間のパルス数が、５１２よりも大きく、若しくは５１２よりも小さい。

図３Ａに図示のように、幾つかの実施形態においては、パルス信号３２３が、ある時間期間の負の振幅を含む信号プロファイルを有する一連のパルス３３１を含み、同一の時間期間の正の振幅により直ちに続かれる。パルス信号３２３の詳細なプロファイルは限定するものではなく、当業者は、他のアレンジ及び構成が用いられ得るものと理解する。パルス信号３２３は、概して、タイミング信号３２２よりも高い振幅を有する。パルス信号は、カテーテル１０２を通じて提供され、トランスデューサー１５０を駆動し、超音波インパルスを生成する。超音波インパルスが、管組織においてエコー信号を生成し、これが、伝播してトランスデューサー１５０に戻り、図３Ｂに関して以降に詳細に記述の信号３２４といった電気信号を生成する。概して、ＩＶＵＳイメージングシステム１００のスキャンラインが、信号３２３における２つの連続のパルス３３１の間のスキャンラインインターバル３１０の過程のエコー信号から取得される。

図３Ｂは、幾つかの実施形態に係る、同期ＰＩＭ１０４により受け取られた同期エコー３２４の部分図を示す。図３Ｂには、パルス３３１を有する信号３２３も明確さのために図示される。同期エコー３２４が、ＰＩＭ１０４の受信アンプ２１４に提供され、これが、ＡＤＣ２１６に送信する前に信号を更に増幅し得る。信号３２３の一部が、説明のためにエコー３２４に重ね合わされている。同期エコー３２４は、超音波がトランスデューサー１５０及びカテーテル１０２を被覆するシースの間の食塩水を伝播して通過する時の沈黙部分３３２を含む。沈黙部分３３２が、管組織又は他の周囲の構造に関する何らの情報も搬送しない。同期エコー３２４が、管組織及び／又は生物的及び非生物構造（例えば、ステント）を含む他の周囲構造からの情報を含む組織エコー信号３３３も含む。

図３Ｂは、組織を通じて伝達した超音波のサイクル又は期間を示す組織エコー３３３の拡大部分を図示する。超音波は、超音波周波数３５０ｆに関連した周波数期間３５０ｔを有する。幾つかの実施形態においては、超音波周波数３５０ｆが、トランスデューサー１５０の発振の中心周波数である。例えば、幾つかの実施形態においては、超音波周波数３５０ｆが、４０ＭＨｚ（メガヘルツ又は１０⁶Ｈｚ）である。更には、組織エコー３３３は、中心周波数が周波数３５０ｆのバンド幅を有するマルチ周波数を有する信号を含み得る。バンド幅は、トランスデューサー１５０の応答関数により与えられる。公称（nominal）中心周波数の上限７５％まで又は大半のバンド幅が用いられ得る。幾つかの実施形態が、１０ＭＨｚ、２０ＭＨｚ、４０ＭＨｚ、６０ＭＨｚ、８０ＭＨｚ、又はこれよりも高い値の中心周波数の超音波周波数３５０ｆを有する。組織エコー３３３が、受信アンプ２１４により増幅され、ＡＤＣ２１６に提供される。ＡＤＣ２１６が、連続のサンプリングポイント３３６の間のデジタル化インターバル３２６ｔを用いることにより、組織エコー３３３からのアナログ電気信号をデジタル信号に変換する。サンプリングポイント３３６は、増幅された組織エコー３３３からＡＤＣ２１６により選択される。

幾つかの実施形態においては、デジタル化インターバル３２６ｔ及びサンプリングポイント３３６の正確な場所が、デジタル化信号２２６（図２参照）を用いてＡＤＣ２１６により選択される。従って、デジタル化信号２２６が、回転信号２２０又は信号３２０のマルチの周波数を用いることにより、クロック及びタイミング回路２００によりＡＤＣ２１６に提供される。幾つかの実施形態においては、デジタル化インターバル３２６ｔが、超音波期間３５０ｔよりも短い。例えば、幾つかの実施形態においては、デジタル化インターバル３２６ｔが、数ナノ秒（ｎｓ＝１０^-9ｓｅｃ）長であり、他方、超音波期間３５０ｔが、数十ナノ秒である。超音波周波数３５０ｆの中心周波数が４０ＭＨｚの幾つかの実施形態においては、期間３２６ｔに対応するデジタル化信号２２６の周波数３２６ｆが、およそ１６０ＭＨｚである。従って、幾つかの実施形態においては、クロック及びタイミング回路２００が、非常に異なる周波数スケールで信号２２０、２２６、及び２２１を提供する。

パルス３３１間で正確及び均一間隔のタイミングを有することで、ドップラー測定を含む進歩した信号処理技術の使用が可能になる。従って、連続パルス間のインターバルが均一間隔のため、エコー信号タイミングの正確な制御が取得され、次の送信パルスからの信号との間の干渉が避けられる。送信パルスの均一間隔の時間間隔が、一定のベースラインを提供する。従って、一定の背景レベルを固定アーチファクトとして取り扱うことができ、標準の信号処理を用いて除去できる。

幾つかの実施形態においては、送信パルス間のインターバルは、ほんの僅かな超音波期間３５０ｔ内で均一間隔である。例えば、４０ＭＨｚの超音波信号について、期間３５０ｔが２５ｎｓであり、本明細書に開示のクロック及びタイミング回路が、１ｎｓよりも高い安定性で送信パルス３２３を提供する。例えば、ドップラー信号処理においては、度々、エコー信号３２４と同期する送信パルス３２３間の正確なインターバルを有することが望ましい。従って、ドップラー信号処理のため、次のパルス３２３の対応のデータサンプル３３６間の相対的な位相が用いられ、組織運動（血液、管壁の収縮等）を正確に決定する。幾つかの実施形態においては、信号３２０（２２０）、３２２（２２０）、３２３（２２３）、及び３２４（２２４）間の正確な同期により、進歩したデータ処理アルゴリズムが可能又は改善される。例えば、幾つかの実施形態は、スキャンライン間の相関処理を用いて、アンチＮＵＲＤアルゴリズムをサポートする。進歩した相関技術では、本開示に整合する実施形態のように、連続のスキャンライン間の相対的な位相が良く検知され、正確に制御されることが望ましい。高いパルス繰返し周波数（ｐｒｆ、例えばパルス信号３２４の周波数）を用いた他の進歩した処理技術が、上述した同期モーター制御部から利益を得る。これらの技術の幾つかは、同期データ取得、信号平均化によるノイズ減、ダイナミックレンジ改良アルゴリズム、及びパルス反転ハーモニック処理を含む。概して、高いｐｒｆから利益を得るデータ処理技術は、本開示に整合した実施形態において用いられる。なぜなら、図３Ａ及び３Ｂに開示の均一間隔のシグナリングスキームが、高いｐｒｆの使用を可能にするためである。

幾つかの実施形態においては、均一間隔のトリガーパルスの使用が、パルス反転ハーモニック技術の使用を可能にする。パルス反転ハーモニックは、非線形音響測定において用いられる進歩した信号処理である。非線形音響効果が、組織特徴のための詳細な情報を提供する。パルス反転ハーモニックは、一次効果（linear effects）が取り消される（非線形性が、平方関数として機能し、従って、除去されない）ように正及び負のパルスを送信することによりハーモニック歪を解消する。この点について、同一の位相を有する次のパルスにより生成されるエコー信号の重複が望ましくない。従って、ドップラー測定におけるように、パルスのタイミング精度及び干渉の回避が関連する。例えば、数ピコ秒（例えば、１０ピコ秒）まで下げた精度が望ましい。幾つかの実施形態が、ドップラー測定用途及びパルス反転用途の両方において１００ピコ秒又は１ナノ秒の時間精度を提供する。

従って、全パルス３３１について均一なインターバル送信３１０が、モーターポジショニングに関わらず望ましい。高レベルのデータ分析のため、単位回転当たりのパルス（ｐｐｒ）の最大数を利用可能に持つことが望ましい。送信パルス３３１と超音波エコー信号の間の干渉を避けるため、スキャンラインインターバル３１０は、パルスが約７ｍｍの組織深さまで伝播して戻るのに要する時間未満ではない。この点について、固定インターバル送信３１０が、典型的には、多数のｐｐｒを与える。幾つかの実施形態においては、スキャンラインインターバルが、少なくとも１０μｓであることが望ましい。これについて、信号３２３の周波数が約１００ＫＨｚであり、幾つかの実施形態においては、約３０００パルス／回転の回転速度にとって約３０００ｐｐｒをもたらす。

図４Ａは、幾つかの実施形態に係るモーター４５０の部分図を示す。モーター４５０は、シャフト４１４、及びモーター内の組み込まれた多数の位置センサー４５５−１〜４５５−３（一括してセンサー４５５と呼ばれる）を含む。図４Ａにはモーター制御部４１０も開示され、幾つかの実施形態においては、モーター４５０の外部上に実装され得る。モーター４５０、シャフト４１４、及びモーター制御部４１０は、モーター２５０、シャフト１１４、及びモーター制御部２１０（図２参照）に関して詳細に上述したとおりである。モーター４５０に含まれる正確な数のセンサー４５５が、用途に応じて変化し、図４に具現の概要のコンセプトに限定するものではない。センサー４５５が、モーター４５０のシャフト４１４の回転状態を検出する。幾つかの実施形態においては、シャフト４１４の位置が、シャフト４１４の中心に位置付けられたマグネット４６０により示される。センサー４５５が、光検出器及び信号、又は電磁センサー及び信号を含み得る。例えば、幾つかの実施形態においては、センサー４５５が、少なくとも一つのホール効果センサーを含み、マグネット４６０における反対の極性（例えば、ノースＮ、及びサウスＳ）により生成される磁場を測定する。

幾つかの実施形態は、センサー４５５においてエンコーダーを含み、ホール効果センサーよりも高い分解能を提供する。幾つかの実施形態が、オープンループにおいて動作する同期モーターコントローラーを含むが、モーター制御部４１０における平衡回路が、効率的な動作、十分なトルクを可能とし、モーター過熱を避ける。フィードバックループを持つＢＬＤＣコントローラーを用いる実施形態は、高分解能エンコーダーを用い、各パルスについて正確なモーター位置を記録する。

図４Ａは、モーター制御部４１０に速度制御信号４２１を提供し、モーター制御部４１０から回転信号４２０を伝送するケーブルを図示する。図２に関して詳細に上述したように、速度制御信号４２１が速度制御信号２２１のようであり、回転信号４２０が回転信号２２０のようである。従って、速度制御信号４２１が、クロック及びタイミング回路２００といったクロック及びタイミング回路によりモーター制御部４１０に提供される。回転信号４２０が、モーター制御部４１０により、通信プロトコル回路２１８（図２参照）といった通信プロトコル回路に提供される。従って、ＩＶＵＳ制御システム１０６が、ローター４１４の位相の正確な値を用いてデータ処理を実行する。

図４Ｂは、本開示の幾つかの実施形態に係る多相モーター駆動波形４６５の部分図を示す。従って、波形４６５が、波形４６５−１、４６５−２、及び４６５−３により提供される３つの位相を含む。これについて、マグネット４６０がシャフト４１４にて完全な回転をする時、波形４６５−１がセンサー４５５−１により提供され、波形４６５−２がセンサー４５５−２により提供される。また、波形４６５−３がセンサー４５５−３により提供される。波形４６５が、同一又は同様の周波数を有し、お互いに位相にて分離されている。図４Ｂに示すように、波形４６５は、モーター４５０の回転のサイクルについて６つの異なる位相構成４７０−１、４７０−２、４７０−３、４７０−４、４７０−５、及び４７０−６（以降、一括して構成４７０と呼ばれる）を規定する。従って、多相波形４６５における各センサーの位相状態を特定することにより、シャフト４１４の位置が精密に決定される。従って、幾つかの実施形態においては、多相波形４６５が、通信プロトコル回路２１８に提供される信号４２０に含まれる。同様に、多相波形４６５が、モーターコントローラー４１０の参照として制御信号４２１に含まれ、シャフト４１４の実際の位置とシャフト４１４の名目位置の間の位相遅延を決定する。

図５は、本開示の幾つかの実施形態に係る、同期信号５２１、５２２、及び５２６を生成するクロック及びタイミング回路５００の部分概略図を示す。クロック及びタイミング回路５００は、局部発振器５１０、フェーズロックループ（ＰＬＬ）５１５、及び分周器回路５１６、５１７−１、５１７−２、及び５１８を含む。局部発振器５１０は、電圧制御発振器又は水晶発振器であり得る。分周器回路５１８は、分周因子５１８ｆを用いて、デジタル化クロック信号５２６をＡＤＣ回路２１６に提供する。同様に、分周器回路５１７−１が、分周因子５１７ｆ１を用いて、パルス整形信号５２２−１をパルス送信器２１２に提供する。例えば、パルス整形信号は、パルス信号の公称中心周波数で一サイクルのプロファイルであり得る。分周器回路５１７−２が、分周因子５１７ｆ２を用いて、パルス送信器２１２にパルス繰返し周波数（ｐｒｆ）５２２−２を提供する。例えば、パルス整形信号５２２−１及びｐｒｆ５２２−２を用いて、パルス送信器２１２が、固定インターバル３１０の間隔の公称中心周波数の多数の一サイクルのパルスを有する信号２２３をトランスデューサー１５０に提供する。分周器回路５１６が、分周因子５１６ｆを用い、モーター２５０（図２Ａ参照）又はモーター４５０（図４Ａ参照）といったモーターに多相信号５２１を提供する。

図５の説明例のように、水晶発振器５１０が、６４０ＭＨｚにおおよそ近い周波数で動作する。次に、約四（４）の分周因子５１８ｆが、約１６０ＭＨｚのＡＤＣクロック信号５２６に帰結する。これについて、分周因子５１７ｆが、分周因子５１８ｆからカスケードし、６４０ＭＨｚに対する十六（１６）の全分周因子について、４の更なる分周因子を提供する。つまり、中心周波数が約４０ＭＨｚの応答周波数を有するトランスデューサー１５０について、信号５２２−１が、約４０ＭＨｚ（６４０ＭＨｚ／１６）である。分周因子５１７ｆ２が、４３２の更なる因子により５１７ｆ１からカスケードされ、約９２．５ＫＨｚ（６４０ＭＨｚ／１６／４３２）の周波数を有するｐｒｆ５２２−２に帰結する。更には、分周因子５１６ｆが分周因子５１７ｆ２からカスケードして下がり、６４０ＭＨｚに関して約３０７２の更なる分周因子を提供する。つまり、信号５２１が約３０．１４Ｈｚ（６４０ＭＨｚ／１６／４３２／３０７２）である。分周因子の特定値及び周波数が、本開示に整合する実施形態への限定なしで用途に応じて変化する。当業者は、異なる周波数及び分周因子が、本明細書に開示の実施形態に整合するクロック及びタイミング回路５００の任意のステージで用いられるものと理解する。

幾つかの実施形態は、モーター速度を直接的に制御することに代えて、モーター位相モニタリングアルゴリズムを使用することを含む。そのような実施形態においては、多相波形は、平均モーター速度が公称値（例えば、毎秒３０回転−３０Ｈｚ−）に維持されることを保証する。幾つかの実施形態は、通信プロトコル回路２１８に伝送される信号としてＰＬＬ５１５において検出されるモーター位相遅延を用いる。従ってモーター上の負荷が変化するとき、実際のモーター位相（又は、モーターコントローラー４１０により決定される回転位置、図４参照）と所望のモーター位相の間の位相遅延又はリードが、ＩＶＵＳ制御システム１０６により記録される。幾つかの実施形態においては、ＰＬＬ５１５が、モーターに提供される電圧を調整し、最適値に向けて位相リード／遅延を変化させ、モーター４５０がより効率的に動作する。

同期ＰＩＭ１０４を用いたシステム１００といったＩＶＵＳイメージングシステムの実施形態が、モーター制御回路のエンコーダーを除去することにより単純な機械ハードウェアを提供する。幾つかの実施形態は、負荷とは独立して、安定したモーター速度も提供する。回路２００（図２参照）又は回路５００（図５参照）といったクロック及びタイミング回路を用いることにより、制御エレクトロニクスが、同期ＰＩＭ１０４に配置される。

図６は、本開示の幾つかの実施形態に係る回転式ＩＶＵＳのための出射制御システムにおける同期信号を生成するための方法６００のフローチャートの部分図を示す。幾つかの実施においては、方法６００の側面が、同期ＰＩＭ１０４（図１参照）といったＰＩＭにより実行される。

方法６００は、分散したシステム設計を促進し、出射制御及び取得がＰＩＭ内に置かれ、コンソールハードウェアが、信号処理及びイメージ表示機能に集中できる。本明細書に開示のタイミングスキームでは、送信トリガータイミング及びデータ取得回路が、ＰＩＭハードウェアに負わされ、ＩＶＵＳ制御システム１０６から分散されたタイミング機能が提供される（図１参照）。本開示に整合する実施形態が、（制御システム１０６に通信接続される特定モダリティーインターフェイス（例えば、ＩＶＵＳのためのＰＩＭ）内の特定モダリティー機能を有する）マルチモダリティーシステムのため集中信号処理源としてＩＶＵＳ制御システム１０６を提供する。従って、方法６００のステップが、ＰＩＭ１０４により、及びＩＶＵＳ制御システム１０６により部分的に実行される。

ステップ６１０は、アナログデジタル変換器回路にクロック信号を提供することを含む（例えば、ＡＤＣ２１６への信号２２６、図２Ａ参照）。ステップ６２０は、公称中心周波数で多相クロック信号をパルス送信器に提供することを含む（例えば、パルス送信器２１２に信号２２２を提供する、図２Ａ参照）。ステップ６３０は、パルス繰返し周波数クロック信号をパルス送信器に提供することを含む（例えば、ｐｒｆ５２２−２、図５参照）。ステップ６４０が、モーターコントローラー参照クロック信号をモーター用のモーターコントローラー回路に提供することを含む（例えば、モーター制御部２１０に信号２２１を提供する、図２Ａ参照）。ステップ６５０は、多相、モーター駆動波形をモーターコントローラー回路に提供することを含む（例えば、波形４６５、図４参照）。ステップ６６０は、モーター駆動信号を調整して安定したモーター位相を維持することを含む。ステップ６７０は、モーター位相をモニタリングし、データ処理用の通信プロトコル回路（例えば、回路２１８、図２Ａ参照）にモーター位相を提供することを含む。

出射制御及び取得機能をＰＩＭ内に移動することにより、コンソール１０６内により大きい信号処理能力が提供され、次に、これが用いられ、多大なプロセッサー負担であるエコー信号基準ＮＵＲＤ低減スキームが実施される。これについて、ＮＵＲＤ低減アルゴリズムが、以降に詳述のように、方法６００に整合する実施形態の高ｐｒｆ同期能力に組み合わされる。

上述の本発明の実施形態は、単なる例である。当業者は、詳細に開示されたところから様々な代替の実施形態を理解する。これらの代替の実施形態は、また、この開示の範囲内にあることが意図される。そのため、本発明は、次の請求項によりのみ限定される。

Claims (20)

1. 血管内超音波(ＩＶＵＳ）イメージングシステムにおける使用のための患者インターフェイスモジュール（ＰＩＭ）であって、当該ＰＩＭが：
   位置センサーを有するモーター；
   前記モーターに信号を提供するモーターコントローラー回路；及び
   パルス送信器回路にトリガー信号を提供し、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）回路に参照クロック信号を提供するクロック及びタイミング回路であって、前記トリガー信号及び前記参照クロック信号が局部発振器に同期される、クロック及びタイミング回路；
   を備え、
   前記モーターは、モーターシャフト及び前記局部発振器の間の相対的な位相値をデータ処理回路に提供するように構成される、ＰＩＭ。
2. 前記モーターコントローラーは、前記モーターに多相信号を提供する同期モーターコントローラーである、請求項１に記載のＰＩＭ。
3. 前記多相信号が、前記モーターの一サイクルで位相にて均一間隔の複数の波形を含む、請求項２に記載のＰＩＭ。
4. 前記複数の波形の各々が、前記モーターにおける位置センサーの信号に対応する、請求項３に記載のＰＩＭ。
5. 位置エンコーダーが、磁気センサー及び光センサーから成る群から選択される、請求項４に記載のＰＩＭ。
6. 前記磁気センサーがホール効果センサーである、請求項５に記載のＰＩＭ。
7. 前記同期モーターコントローラーが、オープンループ構成にて動作する、請求項２に記載のＰＩＭ。
8. 前記モーターコントローラーは、前記モーターの回転速度を制御するためのフィードバックループを有するブラシレスＤＣ（ＢＬＤＣ）モーターコントローラーである、請求項１に記載のＰＩＭ。
9. 前記パルス送信器によりトリガーされた音響パルスに応答して増幅されたエコー信号を提供する受信アンプを更に備える、請求項１に記載のＰＩＭ。
10. 前記パルス送信器によりトリガーされる超音波信号を提供し、前記受信アンプへエコー信号を提供するトランスデューサーを更に備える、請求項９に記載のＰＩＭ。
11. モニター；
    処理システム；
    患者インターフェイスモジュール（ＰＩＭ)；及び
    前記ＰＩＭに結合したカテーテルであって、トランスデューサーを含む、カテーテル；
    を備え、
    前記ＰＩＭが：
    位置センサーを有するモーター；
    前記モーターに信号を提供するモーターコントローラー回路；及び
    パルス送信器回路にトリガー信号を提供し、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）回路に参照クロック信号を提供するクロック及びタイミング回路であって、前記トリガー信号及び前記参照クロック信号が局部発振器に同期される、クロック及びタイミング回路；
    を更に備え、
    前記モーターは、モーターシャフト及び前記局部発振器の間の相対的な位相値を前記処理システムに提供するように構成される、イメージングシステム。
12. 前記処理システムが、前記モーターにより提供される前記相対的な位相値に応じて複数のＡ−スキャンラインを配列することにより血管組織の２次元（２Ｄ）イメージを提供する、請求項１１に記載のイメージングシステム。
13. 前記モーターコントローラーは、前記モーターに多相信号を提供する同期モーターコントローラーである、請求項１１に記載のイメージングシステム。
14. 前記多相信号が、前記モーターの一サイクルで位相にて均一間隔の複数の波形を含む、請求項１３に記載のイメージングシステム。
15. イメージングシステム用の出射制御システムにおける同期信号の生成のための方法であって、当該方法が：
    アナログデジタル変換（ＡＤＣ）回路にクロック信号を提供すること；
    パルス送信器に信号を提供すること；
    モーターコントローラーに参照クロック信号を提供すること；
    前記クロック信号に対するモーター位相をモニタリングすること；及び
    処理システムに前記モーター位相を提供すること；
    を含む、方法。
16. 平均モーター速度を事前選択値に調整することを更に含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記パルス送信器への前記信号が、多相クロック信号及びパルス繰返し周波数を含む、請求項１５に記載の方法。
18. 前記パルス送信器への前記信号が、超音波トランスデューサーの応答スペクトルの中心周波数にほぼ等しい周波数の信号を含む、請求項１５に記載の方法。
19. 前記超音波トランスデューサーから超音波エコー信号を受け取ることを更に含み、前記超音波エコー信号が対象組織に由来する、請求項１８に記載の方法。
20. 前記超音波エコー信号で前記対象組織から複数のＡ−スキャンを形成すること；及び
    前記複数のＡ−スキャン及び前記モーター位相を用いて対象組織の２次元（２Ｄ）イメージを形成すること；
    を更に含む、請求項１９に記載の方法。