JP6450328B2 - 超音波を用いる低侵襲デバイスの能動的位置特定及び視覚化 - Google Patents
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Description
本発明は、哺乳動物内の低侵襲(minimally invasive)処置における画像ガイダンスの分野に関する。
第1の体内超音波イメージングプローブを制御して3次元イメージングボリュームを走査するステップであって、3次元イメージングボリュームに広がる複数のイメージングAスキャンベクトルにおいて、超音波イメージングデバイスが超音波イメージングエネルギを出射し、超音波イメージングエネルギを受信するステップと、
所与のイメージングAスキャンベクトルが第2の体内デバイス上の所与の超音波ビーコントランスデューサに方向付けられているとき、所与の超音波ビーコントランスデューサに関連する通信信号を受信するステップと、
受信した超音波イメージングエネルギに関連付けられたイメージング信号を処理して画像を生成するステップと、
通信信号を処理して、所与のイメージングAスキャンベクトルの方向及び通信信号に関連する時間遅延に基づいて、第1の体内超音波イメージングプローブに対する第2の体内デバイスの位置を特定するステップと含む、方法が提供される。
第1の体内超音波イメージングプローブを制御して3次元イメージングボリュームを走査するステップであって、
3次元イメージングボリュームに広がる複数のイメージングAスキャンベクトルにおいて、超音波イメージングデバイスが超音波イメージングエネルギを出射し、超音波イメージングエネルギを受信し、超音波イメージングエネルギは、イメージング周波数帯域内にあり、
超音波イメージングデバイスが3次元通信ボリュームに広がる複数の通信Aスキャンベクトルにおいて超音波通信エネルギを出射し、超音波通信エネルギは、通信周波数帯域内にあるステップと、
所与の通信Aスキャンベクトルが第2の体内デバイス上の所与の超音波ビーコントランスデューサに方向付けられているとき、所与の超音波ビーコントランスデューサに関連する通信信号を受信するステップと、
受信した超音波イメージングエネルギに関連付けられたイメージング信号を処理して画像を生成するステップと、
通信信号を処理して、所与の通信Aスキャンベクトルの方向及び通信信号に関連する時間遅延に基づいて、第1の体内超音波イメージングプローブに対する第2の体内デバイスの位置を特定するステップとを含む、方法が提供される。
超音波イメージングデバイスを含み、3次元イメージングボリュームを走査するように構成された第1の体内超音波イメージングプローブと、
組み合わされた広角度応答を有する1つ以上の超音波ビーコントランスデューサを含む第2の体内デバイスと、
第1の体内超音波イメージングプローブにインタフェースされ、1つ以上のプロセッサと、1つ以上のプロセッサに接続されたメモリとを含む制御及び処理システムとを備え、
メモリは、命令を保存し、命令が1つ以上のプロセッサによって実行されると、1つ以上のプロセッサは、
第1の体内超音波イメージングプローブを制御して3次元イメージングボリュームを走査し、3次元イメージングボリュームに広がる複数のイメージングAスキャンベクトルにおいて、超音波イメージングデバイスが超音波イメージングエネルギを出射し、超音波イメージングエネルギを受信し、
所与のイメージングAスキャンベクトルが第2の体内デバイス上の所与の超音波ビーコントランスデューサに方向付けられているとき、所与の超音波ビーコントランスデューサに関連する通信信号を受信し、
受信した超音波イメージングエネルギに関連付けられたイメージング信号を処理して画像を生成し、
通信信号を処理して、イメージングAスキャンベクトルの方向及び通信信号に関連する時間遅延に基づいて、第1の体内超音波イメージングプローブに対する第2の体内デバイスの位置を特定する、体内超音波イメージングシステムが提供される。
超音波イメージングデバイスを含み、3次元イメージングボリュームを走査するように構成された第1の体内超音波イメージングプローブと、
組み合わされた広角度応答を有する1つ以上の超音波ビーコントランスデューサを含む第2の体内デバイスと、
第1の体内超音波イメージングプローブにインタフェースされ、1つ以上のプロセッサと、1つ以上のプロセッサに接続されたメモリとを含む制御及び処理システムとを備え、
メモリは、命令を保存し、命令が1つ以上のプロセッサによって実行されると、1つ以上のプロセッサは、
第1の体内超音波イメージングプローブを制御して3次元イメージングボリュームを走査させ、
3次元イメージングボリュームに広がる複数のイメージングAスキャンベクトルにおいて、超音波イメージングデバイスが超音波イメージングエネルギを出射し、超音波イメージングエネルギを受信し、超音波イメージングエネルギは、イメージング周波数帯域内にあり、
超音波イメージングデバイスが3次元通信ボリュームに広がる複数の通信Aスキャンベクトルにおいて超音波通信エネルギを出射し、超音波通信エネルギは、通信周波数帯域内にあり、
所与の通信グAスキャンベクトルが第2の体内デバイス上の所与の超音波ビーコントランスデューサに方向付けられているとき、所与の超音波ビーコントランスデューサに関連する通信信号を受信し、
受信した超音波イメージングエネルギに関連付けられたイメージング信号を処理して画像を生成し、
通信信号を処理して、所与の通信Aスキャンベクトルの方向及び通信信号に関連する時間遅延に基づいて、第1の体内超音波イメージングプローブに対する第2の体内デバイスの位置を特定する、体内超音波イメージングシステムが提供される。
裏打ち層と、
裏打ち層に接触する非能動圧電層と、
非能動圧電層に接触する下側電極と、
下側電極に接触する能動圧電層と、
能動圧電層に接触する上側電極と、
上側電極に接触する1つ以上の整合層とを備え、
能動圧電層及び非能動圧電層の厚さは、第1の周波数帯域及び第2の周波数帯域の周波数分離を制御するように選択される、超音波トランスデューサが提供される。
裏打ち層と、
裏打ち層に接触する第1の下側電極と、
第1の下側電極に接触する第1の能動圧電層と、
第1の能動圧電層に接触する第1の上側電極と、
第1の上側電極に接触する第1の整合層と、
第1の整合層に接触する第2の下側電極と、
第2の下側電極に接触する第2の能動圧電層と、
第2の能動圧電層に接触する第2の上側電極と、
第2の上側電極に接触する第2の整合層とを備え、
第1の能動圧電層は、第1の周波数帯域を画定するのに適した厚さを有し、
第2の能動圧電層は、第2の周波数帯域を画定するのに適した厚さを有し、
第1の整合層は、第1の周波数帯域に関連する動作波長の4分の1に略々等しい厚さを有し、
第2の能動圧電層及び第2の整合層の合計の厚さは、第1の周波数帯域に関連する動作波長の4分の1に略々等しく、第1の整合層と、第2の能動圧電層と、第2の整合層とが、第1能動圧電層のための整合層として機能する、超音波トランスデューサが提供される。
第1の体内イメージングプローブを制御して3次元イメージングボリュームを走査し、3次元イメージングボリュームに広がる複数のイメージングAスキャンベクトルにおいて、イメージングエネルギを出射及び受信するステップと、
超音波デバイスを制御して、複数のイメージングAスキャンベクトルにおいて超音波エネルギを出射するステップと、
所与のイメージングAスキャンベクトルが第2の体内デバイス上の所与の超音波ビーコントランスデューサに方向付けられているとき、所与の超音波ビーコントランスデューサに関連する通信信号を受信するステップと、
受信したイメージングエネルギに基づいてイメージを生成するステップと、
通信信号を処理して、所与のイメージングAスキャンベクトルの方向及び通信信号に関連する時間遅延に基づいて、第1の体内イメージングプローブに対する第2の体内デバイスの位置を特定するステップとを含む、方法が提供される。
以下、例示のみを目的として、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
特別に定義しない限り、ここで用いる技術用語及び学術用語は、当業者に知られているものと同じ意味として解釈される。
a)イメージング信号及び超音波通信信号をトリガし、超音波的に探索される2D領域又は3Dボリュームを形成する、システムによって制御されるイメージングAスキャンの掃引の間に、イメージング信号と超音波通信信号との送信間の時間間隔を制御するために用いられるタイミングクロック。
b)指向性超音波イメージングエネルギの送信。特徴的時間波形を有する超音波イメージングエネルギを生成するために使用される電気的送信信号であり、特徴的時間波形は、単一サイクルであってもよく、トーンバースト変調されたトーンバースト又は連続波を定義する複数のサイクルを有していてもよい。これらのタイプの各波形は、動作中心周波数によって記述できる。
c)指向性超音波通信信号の送信。特徴的時間波形を有する超音波通信エネルギを生成するために使用される電気的送信信号であり、特徴的時間波形は、単一サイクルであってもよく、トーンバースト変調されたトーンバースト又は連続波を定義する複数のサイクルを有していてもよい。これらのタイプの各波形は、動作中心周波数によって記述できる。
d)第1の超音波イメージングデバイスのイメージング又は通信用の3次元ボリューム内に配置される第2の体内デバイス上のビーコントランスデューサによる上述した指向性超音波波形の受信。
e)第1の体内超音波イメージングプローブ100のシステムによって受信されることが意図された、第2の器具のシステムによる、受信した指向性超音波波形に対する応答。この応答は、第2の器具から第1の体内超音波イメージングプローブ100のシステムへの1つ以上のケーブルを介する電子信号によって、又は第2の器具のシステムから第1の体内超音波イメージングプローブ100のシステムへの1つ以上のケーブルをする電子信号によって、又はビーコントランスデューサから、第1の体内超音波イメージングプローブ100内の1又は複数のトランスデューサスタックに戻される超音波応答によって行うことができる。これらの3つの構成のうち、先の2つは、一方向能動超音波通信リンクとみなすことができ、最後の1つは、双方向能動超音波通信リンクとみなすことができる。
単純化のため、各イメージング及び通信Aスキャンのための超音波ビームプロファイルは、小さいアパーチャによって生成される微細線であるとみなし、回折の効果は、無視する。
第1の体内超音波イメージングプローブ100は、10MHzの動作周波数で広帯域イメージング超音波波形を出射する。第1の体内超音波イメージングプローブ100は、回転速度に応じて傾斜角が変化する単一の要素の平坦なトランスデューサスタックを収容し、一定の回転速度で回転し、これにより、第1の体内超音波イメージングプローブ100の長軸に対するトランスデューサ傾斜角が固定され、Aスキャンは、長軸に対して15°に固定されている。トランスデューサは、所与のパルス繰返し周波数(PRF)でパルス駆動され、したがって、15°の固定円錐角度で2D画像円錐を走査する。このイメージングエネルギは、同時に、超音波通信送信波形としても用いられる。この波形は、10MHzの超音波エネルギを感知できる第2の器具上のビーコントランスデューサによって感知される。ビーコン信号は、第2の器具のシステムによって受信され、超音波エネルギの受信の通知は、定義された通信プロトコルを用いて、ワイヤ又はケーブルを介して、制御及び処理システムに通信される。
第1の体内超音波イメージングプローブ100は、10MHzの動作周波数で広帯域イメージング超音波波形を出射する。第1の体内超音波イメージングプローブ100は、線形アレイのエレベーション軸(elevation axis)がカテーテルの長軸に垂直になり、アレイの2D画像平面がカテーテルの横断面に対して放射状に広がるように線形アレイトランスデューサスタックを収容する。アレイの要素への送信信号をフェージングすることによって、優先的前方視方向(preferentially forward looking direction)から優先的後方視方向(preferentially backwards looking direction)までの範囲のAスキャンに超音波エネルギを方向付けることができる。手動、電動又はロボット制御によって、交互に時計回り及び逆時計回りにカテーテルを回転させ、前後方向のロッキングモーション(rocking motion)を実現する。このロッキングモーションを360°にすると、最大の3次元ボリュームが実現される。ロッキングモーションが360°未満の場合、可能な最大の3Dボリュームの一部のみがイメージングされる。アレイ要素のフェージングと回転動作との間のタイミングは、3Dボリュームを掃引するために用いられるイメージングAスキャンのシーケンスを決定する。このイメージングエネルギは、同時に、超音波通信送信波形としても用いられる。この波形は、10MHzの超音波エネルギを感知できる第2の器具上のビーコントランスデューサによって感知される。ビーコン信号は、第2の器具のシステムによって受信され、超音波エネルギの受信の通知は、定義された通信プロトコルを用いて、ワイヤ又はケーブルを介して、制御及び処理システムに通信される。
第1の体内超音波イメージングプローブ100は、10MHzの動作周波数で広帯域イメージング超音波波形を出射し、使用可能なイメージング帯域幅は7〜13MHzである。第1の体内超音波イメージングプローブ100は、実施例1と同様の手法で回転するように単一の要素フラットトランスデューサスタックを収容するが、ここでは、回転速度を固定せず、回転速度を初期値20rpsから最終値70rpsまで傾斜させ、第1の体内超音波イメージングプローブ100の長軸に対するトランスデューサ傾斜角が、初期のAスキャンに対して横向きから、最終的にAスキャンに対して前方視方向となるように変化する。トランスデューサは、所与のPRFでパルス駆動され、したがって、イメージングAスキャンを螺旋状に方向付け、これによって、3D画像ボリュームを走査する。なお、デバイスは、回転速度を傾斜させる(ramp)ように構成でき、これによって、回転角を上下に傾けることができる。このイメージングエネルギは、同時に、超音波通信送信波形としても用いられる。第2の器具は、第2の器具上の1つ以上のビーコントランスデューサによって波形が感知されるように位置決めされ、各ビーコントランスデューサは、好ましくは、広帯域の性質を有する(例えば:ポリマPVDFデバイス)。第2の器具のシステムは、各ビーコン信号を受信し、各ビーコンは、動作周波数及び特定のサイクル数のトーンバーストの組合せである狭帯域応答を出射する(例えば、3つのビーコンが、それぞれ8MHzの動作周波数の8サイクルのトーンバースト、10MHzの動作周波数の12サイクルのトーンバースト及び12MHzの動作周波数の8サイクルのトーンバーストを出射する)。また、第1のトランスデューサスタックの超音波応答は、各ビーコン動作周波数における受信を感知でき、したがって、第1の体内超音波イメージングプローブ100のシステムは、組織の後方散乱から10MHzイメージングエコーを受信し、飛行時間において異なる狭帯域信号を受信し、この飛行時間は、第1のトランスデューサスタックと第2の器具に取り付けられた有効な各ビーコンとの間の相対的二方向距離に、有効な(アクティブな)ビーコン毎に第2のシステムの潜在応答に等しい僅かな遅延を加えたものである。何れかのビーコンに関連する1つ以上の動作周波数の検出は、第1の体内超音波イメージングプローブ100のイメージング視野内に第2の器具が存在することを示す。受信した通信信号の全ての組合せによって、第1の体内超音波イメージングプローブ100に対する第2の器具の向きをより正しく判定することができる。この検出は、各指向性イメージングAスキャンの個々の時間窓内で行われる。
第1の体内超音波イメージングプローブ100は、10MHzの動作周波数で広帯域イメージングエネルギを出射する。第1の体内超音波イメージングプローブ100は、実施例1と同様の手法で一定の回転速度で回転し、第1の体内超音波イメージングプローブ100の長軸に対するトランスデューサの傾斜角が固定され、Aスキャンは、長軸に対して40°の角度で固定される。トランスデューサスタックは、所与のPRFでパルス駆動され、したがって、第1のカテーテルの長軸に対して40°の円錐角度で2D画像円錐を走査する。また、第1の体内超音波イメージングプローブ100のトランスデューサスタックは、同じPRFの30MHzの動作周波数で、イメージングエネルギに対して0秒タイムラグで狭帯域超音波通信エネルギ(例えば、8サイクルのトーンバースト)を同時に出射し、これによりイメージング及び通信波形が重なる。超音波通信エネルギは、第1のトランスデューサスタック内に埋め込まれた超音波能動回折格子(ultrasonically active diffraction grating)によって、少なくとも3つの基本方向(principle directions)に伝送される。3個の超音波通信方向ベクトルの1つは、2D画像円錐のイメージングAスキャンに平行であり及び一致し、他の2つは、それぞれイメージングAスキャンに対して+24.6°進み及び−24.6°遅れ、2D画像円錐の表面に沿う方向を有する。第2の器具は、真っ直ぐな器具であり、第1のカテーテルに対して、器具が2D画像円錐に正接し、+24.6°「進んだ」超音波通信パルスのみが第2の体内デバイスに入射し、ビーコンが入射の位置に来るように配置される。第2の器具のシステムは、ビーコン信号を受信し、同じビーコンが12サイクルの30MHzの動作周波数トーンバーストを送信する。10MHz及び30MHzの両方の動作周波数の受信を感知することができる第1のトランスデューサスタックは、10MHzでイメージングエコーを受信し、及び同様のイメージングエコーに一致しない30MHzの超音波波形を検出する(イメージングAスキャンベクトルに沿って、飛行時間に対応する距離だけ離れた位置に、同時に、背景拡散レベルと異なる顕著なエコーを出射する十分大きい音響インピーダンスの変化を有する組織が偶然ある場合を除く)。複数のイメージングAスキャンベクトルのインターバル(時間的関係は、トランスデューサのPRF及び回転速度に依存する)の後、この実施例では、現在のイメージングAスキャンの方向が、初期のイメージングAスキャンベクトルから約24.6°の角度を向くようにトランスデューサが回転している。このとき、第1のトランスデューサは、イメージングエコー及び超音波通信エネルギ(第2のシステムが受信した30MHzの波形を処理し、応答波形を送信する際の遅延分遅れている。)を受信する。複数のAスキャンベクトルの第2のインターバルの後、トランスデューサは、イメージングベクトルが第2の器具より24.6°「進む」ように回転している。10MHz及び30MHzの両方での受信を感知できる第1のトランスデューサは、10MHzでイメージングエコーを受信し、及び同様のイメージングエコーに一致しない30MHzの超音波波形を検出する。このイベントのシーケンスは、意図された2D画像円錐の受信RFラインのセット内で感知され、第1のイメージングデバイスの視野内のビーコンデバイスの存在の確認を補助する。この実施例を拡張して、第1の体内超音波イメージングプローブ100の回転速度を傾斜させ、円錐角度の範囲を掃引することによって、3Dイメージングボリュームを探索することができる。40°より大きい円錐角度では、各超音波Aスキャンは、第2の器具に2回入射する。第2の入射位置は、ビーコンに一致することもあり、一致しないこともある。40°より小さい円錐角度では、何れの超音波Aスキャンも第2の器具に入射しない。イベントのタイミングを各イベントの各イメージングAスキャンに関する空間の知識と関連させることによって、第2の体内デバイスの位置及び向きを特定できる(イベントは、第2の体内デバイスからの受動イメージングエコーの識別であっても、何れも第2の体内デバイスに由来する電気配線又は音響経路の何れかによる能動超音波通信信号の識別であってもよい)。
先の実施例の第1の体内超音波イメージングプローブ100及び第2の器具の位置構成において、第1の体内超音波イメージングプローブ100が10MHzの動作周波数を有する広帯域イメージングエネルギを出射するようにした。また、第1の体内超音波イメージングプローブ100は、同時に、40μ秒のタイムラグで、同じPRFの20サイクルのより狭帯域の30MHzの動作周波数の超音波通信エネルギを出射し、このエネルギは、水を伝播すると、イメージングエネルギと超音波通信エネルギとの間に約6cmの一方向距離遅延を生じる。ビーコントランスデューサ及び第2のシステムは、超音波エコー後方散乱モードで動作するように構成されている。このように用いられたビーコントランスデューサは、半受動モード(semi-passive mode)で動作する。超音波通信は、無線周波数識別デバイスと同様の標準後方散乱変調によって確立される。後方散乱変調は、ビーコントランスデューサの電気的インピーダンスを短絡させるか、ビーコントランスデューサを自然な電気的インピーダンスのままにするかを選択するスイッチによるビーコントランスデューサのインピーダンスの変化によって行われる。より詳細な説明は、「IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 60, No. 6, Pages 1074-1083 June 2013」に掲載されてるMari他による論文「Doppler detection of deeply implanted impedance-switching devices Using Ultrasound Doppler」に開示されている。
イメージング周波数及び超音波通信動作周波数の実際の選択は、異なるパラメータに依存する。例えば、第1及び第2の体内デバイスの用途を考慮すれば、発生の尤度が高い優先的な相対的距離及び向きがあることがあり、これに基づいて、平坦な又は曲がったトランスデューサの使用を選択してもよい。更に、第1の体内超音波イメージングプローブ100のトランスデューサの実際のビームプロファイルは、イメージングされる媒体に依存する(減衰及び拡散がビームプロファイルを変更する)。
以下のセクションでは、本発明の実施形態の超音波通信帯域の超音波信号の送信及び受信を実現するために用いることができる第1の体内超音波プローブの超音波イメージングデバイスの例示的な概念として、超音波イメージングトランスデューサスタックの3つの例示的な実施形態を説明する。以下の各概念の特定の実施例では、トランスデューサスタックの電気導線の構成は、全ての例示的なトランスデューサスタックが米国特許番号第8,214,010号に開示されているタイプの10フレンチカテーテル(10 French catheter)に統合できるように示している。これらの具体例は、10フレンチに限定されず、0.5〜100MHzの範囲の携帯型超音波プローブにおける、4〜100MHzの範囲のイメージングトランスデューサを収容するより小さい又はより大きいサイズのカテーテルで用いてもよい。全ての特定の実施例において、当業者にとって周知のトランスデューサスタック設計における通常の規則を適用しており、整合層の厚さは、材料における音速に基づき、動作波長の1/4であり、圧電層の厚さは、動作波長の1/4〜1/2の範囲であり、隣接層の音響インピーダンスのため、圧電層の質量負荷に基づいて決定される。裏打ち層(backing)の厚さは、第1の体内超音波イメージングプローブ100内の空間的制約のために制限される。
(1)イメージング目的のために妥当な帯域幅を生成するように用いられる整合層及び裏打ち層と共に単一の圧電層を用いるベースラインイメージングスタック。この場合、イメージング送信パルスを通信信号として使用してもよく、圧電層のイメージング帯域幅の一部を用いて固有の通信信号を生成してもよい。また、他の共振モード又は圧電層の高調波を用いてもよい。
(2)単一の圧電層を、能動圧電層及び超音波的にヘビーな支持体によって置換した、変更されたイメージングスタック。支持体は、非極性圧電層であってもよく、能動圧電層と同等な音響インピーダンスの受動層(例えば、金属、他のセラミック又は単結晶(ニオブ酸リチウム、非極性PMN−PT等))であってもよい。この種のスタックによって、トランスデューサの元のイメージング帯域を維持しながら、通信に利用できる更なる共振周波数帯域を作成できる。2つの周波数帯域の電極アパーチャは、同じである。
(3)超音波カップリング層(すなわち、整合層)の1つが薄い圧電層である二重圧電能動イメージングスタック(dual piezoelectrically active imaging stack)。第1の体内デバイス内の寸法が制約されているため、追加的な圧電層は、イメージング圧電層と共通の電極を共有し、両方の層が電気的に互いに並列に接続され、スタックへの単一の電気的接続手段によって電気的に駆動できることが望ましい。なお、超音波カップリング層は、1/4波長設計であってもよく、質量バネ式設計(mass-spring type design)であってもよい。この種のスタックによってトランスデューサの元のイメージング帯域を維持しながら、独立したアパーチャによって通信に利用できる更なる共振周波数帯域を作成できる。
第1の体内超音波イメージングプローブ100は、10MHzの動作周波数で広帯域イメージングエネルギを出射する。第1の体内超音波イメージングプローブ100は、一定回転速度で回転し、これにより、第1の体内超音波イメージングプローブ100の長軸に対するトランスデューサ傾斜角が固定され、Aスキャンは、長軸に対して、40°に固定されている。トランスデューサスタックは、所与のPRFでパルス駆動され、したがって、第1のカテーテルの長軸に対して40°の円錐角度で2D画像円錐を走査する。また、第1の体内超音波イメージングプローブ100のトランスデューサスタックは、同じPRFの30MHzの動作周波数で、イメージングエネルギに対して0秒のタイムラグで、狭帯域超音波通信エネルギ(例えば、14サイクルのトーンバースト)を同時に出射する。超音波通信エネルギは、第1のトランスデューサスタック内に埋め込まれた圧電能動回折格子(piezoelectrically active diffraction grating)によって、少なくとも3つの基本方向に伝送される。(単純化のため、以下では、3個の基本方向:−1、0、+1の方向のみを検討する。)3個の超音波通信方向ベクトルの1つは、2D画像円錐の各イメージングAスキャンに平行であり、これに一致し、他の2つは、それぞれ40+24.6=64.6°及び40−24.6=16.4°の有効なトランスデューサ傾斜角に等しい方向を有する。これは、超音波通信信号が3個の2D円錐を同時に走査することを意味する。
EEPROM及び持続的メモリによって、意図された使用の前に超音波通信のパラメータを構成設定することができる。超音波通信補助の性質に関する先験的な知識は、第1の体内超音波イメージングプローブ100及び第2の器具に関連する制御システム間のハンドシェイクの補助となる。超音波通信は、以下に限定されるわけではないが、第1の体内超音波イメージングプローブ100の一方向パルス励起応答の選択(広帯域又は狭帯域信号、振幅変調又は周波数変調信号、励起信号におけるDCオフセットの使用等)、励起のパルス繰返し周波数(Pulse Repetition Frequency:PRF)、第1の体内超音波イメージングプローブ100内の1又は複数のトランスデューサスタックの励起の公称強度(nominal strength)等のパラメータによって定義できる。第2の器具内のビーコン又は複数のビーコントランスデューサの固有の応答についても同様であり、ビーコン回路の受信及び送信指向性感度、各ビーコンの動作周波数の選択、一方向パルス励起応答、第2の器具上の各ビーコンの位置、ビーコン間の空間的関係は、全て、先験的に知ることができる。これらの(及びこの他の)パラメータは、メモリに保存でき、通信帯域のパラメータは、第1の制御システムによって定義及びアクセスされ、これらを用いて、第1のカテーテルと第2の器具との間で能動通信リンクを確立することができる。このハンドシェイクによってデバイス間の誤使用(又は誤通信)又は任意の受動反射の誤検出を防止することができる。
Claims (26)
- 第2の体内デバイスの位置を特定するための血管内又は心臓内のイメージングプローブの操作を制御するシステムによる制御の方法であって、前記血管内又は心臓内のイメージングプローブは、超音波イメージングデバイスを含み、前記血管内又は心臓内のイメージングプローブは、3次元走査を行うように構成され、前記第2の体内デバイスは、組み合わされた広角度応答を有する1つ以上の超音波ビーコントランスデューサを含み、
前記システムが第2の体内デバイスの位置を特定するための血管内又は心臓内のイメージングプローブの操作を制御するステップであって、
前記血管内又は心臓内のイメージングプローブが3次元イメージングボリュームを走査するように前記血管内又は心臓内のイメージングプローブへ制御信号を送信するステップであって、前記3次元イメージングボリュームに広がる複数のイメージングAスキャンベクトルにおいて、前記超音波イメージングデバイスが超音波イメージングエネルギを出射し、超音波イメージングエネルギを受信するように前記制御信号が提供されるステップと、
所与のイメージングAスキャンベクトルが前記第2の体内デバイス上の所与の超音波ビーコントランスデューサに方向付けられているとき、前記所与の超音波ビーコントランスデューサに関連する通信信号を受信するステップと、
前記受信した超音波イメージングエネルギに関連付けられたイメージング信号を処理して画像を生成するステップと、
前記通信信号を処理して、前記所与のイメージングAスキャンベクトルの方向及び前記通信信号に関連する時間遅延に基づいて、前記血管内又は心臓内のイメージングプローブに対する前記第2の体内デバイスの位置を特定するステップと
を含む方法。 - 前記第2の体内デバイスの前記位置を画像上に表示するステップを更に含む請求項1記載の方法。
- 各超音波ビーコントランスデューサに関連する周波数帯域幅は、前記超音波イメージングデバイスに関連するイメージング帯域幅内にあり、前記通信信号は、前記所与の超音波ビーコントランスデューサを介する前記出射された超音波イメージングエネルギの検出に応じて生成される、請求項1又は2記載の方法。
- 前記通信信号は、前記第2の体内デバイスと、制御及び処理システムとの間の少なくとも1つの外部接続を介して提供される、請求項3記載の方法。
- 前記通信信号は、前記第2の体内デバイスの前記所与の超音波ビーコントランスデューサから送信され、前記血管内又は心臓内のイメージングプローブの前記超音波イメージングデバイスによって検出される音響通信信号であり、
前記音響通信信号は、前記超音波イメージングデバイスによって検出される受動後方散乱超音波イメージング信号と区別可能であり、
前記所与の超音波ビーコントランスデューサからの音響通信信号は、前記第2の体内デバイス上の異なる箇所にある他の超音波ビーコントランスデューサからの音響通信信号と区別可能である、請求項3記載の方法。 - 前記所与の超音波ビーコントランスデューサをエコー後方散乱モードで動作させるステップであって、前記通信信号が、前記第2の体内デバイスの前記所与の超音波ビーコントランスデューサから後方散乱し、前記血管内又は心臓内のイメージングプローブの前記超音波イメージングデバイスによって検出される、符号化された音響通信信号であるようなステップを更に含み、
前記符号化された音響通信信号は、前記超音波イメージングデバイスで検出される受動後方散乱超音波イメージング信号と区別可能であり、
前記所与の超音波ビーコントランスデューサからの符号化された音響通信信号は、前記第2の体内デバイス上の異なる箇所にある他の超音波ビーコントランスデューサからの音響通信信号と区別可能である、請求項3記載の方法。 - 前記超音波イメージングデバイスは、前記3次元イメージングボリュームを機械的に走査するように構成されている、請求項1乃至6いずれか1項記載の超音波イメージングシステム。
- 前記超音波イメージングデバイスは、前記3次元イメージングボリュームを機械的に走査するように構成され、
前記超音波イメージングデバイスは、複数のイメージングAスキャンベクトルに沿って超音波通信エネルギを出射し、
前記超音波通信エネルギは、前記出射された超音波イメージングエネルギに関連するイメージング周波数帯域とは異なる通信周波数帯域内で出射され、
前記通信信号は、前記所与の超音波ビーコントランスデューサを介する前記出射された超音波通信エネルギの検出に応じて生成される、請求項1又は2記載の方法。 - 前記通信周波数帯域の中心周波数は、前記イメージング周波数帯域の中心周波数より高く、
前記超音波イメージングデバイスには、格子構造が形成され、前記超音波イメージングデバイスは、イメージングAスキャンベクトル毎に、格子の少なくとも第1の次数に対応する角度で超音波通信エネルギを出射し、これにより、イメージングAスキャンベクトル毎に、少なくとも2つの更なる通信Aスキャンベクトルにおいて超音波通信エネルギを出射する、請求項8記載の方法。 - 第1の体内超音波イメージングプローブによってイメージングを行いながら第2の体内デバイスの位置を特定するための前記第1の体内超音波イメージングプローブの操作を制御するシステムによる制御の方法であって、前記第1の体内超音波イメージングプローブは、イメージング周波数帯域及び通信周波数帯域を有する超音波イメージングデバイスを含み、前記第1の体内超音波イメージングプローブは、3次元走査を行うように構成され、前記第2の体内デバイスは、組み合わされた広角度応答を有する1つ以上の超音波ビーコントランスデューサを含み、
前記システムが第1の体内超音波イメージングプローブによってイメージングを行いながら第2の体内デバイスの位置を特定するための前記第1の体内超音波イメージングプローブの操作を制御するステップであって、
前記第1の体内超音波イメージングプローブが3次元イメージングボリュームを走査するように前記第1の体内超音波イメージングプローブへ制御信号を送信するステップであって、前記3次元イメージングボリュームに広がる複数のイメージングAスキャンベクトルにおいて、前記超音波イメージングデバイスが、超音波イメージングエネルギを出射し、超音波イメージングエネルギを受信し、前記超音波イメージングエネルギは、前記イメージング周波数帯域内にあり、前記超音波イメージングデバイスが、3次元通信ボリュームに広がる複数の通信Aスキャンベクトルにおいて、超音波通信エネルギを出射し、前記超音波通信エネルギは、前記通信周波数帯域内にあるように前記制御信号が提供されるステップと、
所与の通信Aスキャンベクトルが前記第2の体内デバイス上の所与の超音波ビーコントランスデューサに方向付けられているとき、前記所与の超音波ビーコントランスデューサに関連する通信信号を受信するステップと、
前記受信した超音波イメージングエネルギに関連付けられたイメージング信号を処理して画像を生成するステップと、
前記通信信号を処理して、前記所与の通信Aスキャンベクトルの方向及び前記通信信号に関連する時間遅延に基づいて、前記第1の体内超音波イメージングプローブに対する前記第2の体内デバイスの位置を特定するステップと
を含む方法。 - 前記第2の体内デバイスの位置を画像上に表示するステップを更に含む請求項10記載の方法。
- 前記第2の体内デバイスの位置に応じて、前記第2の体内デバイスがより小さい空間的領域において追跡されるように、前記3次元通信ボリュームを縮小するステップを更に含み、前記画像は、前記第2の体内デバイスの位置に基づいて前記3次元イメージングボリュームから選択される2次元画像である、請求項10又は11記載の方法。
- 超音波イメージングデバイスを含み、3次元イメージングボリュームを走査するように構成された血管内又は心臓内のイメージングプローブと、
組み合わされた広角度応答を有する1つ以上の超音波ビーコントランスデューサを含む第2の体内デバイスと、
前記血管内又は心臓内のイメージングプローブにインタフェースされ、1つ以上のプロセッサと、前記1つ以上のプロセッサに接続されたメモリとを含む制御及び処理システムとを備え、
前記メモリは、命令を保存し、前記命令が前記1つ以上のプロセッサによって実行されると、前記1つ以上のプロセッサは、
前記血管内又は心臓内のイメージングプローブを制御して前記3次元イメージングボリュームを走査し、前記3次元イメージングボリュームに広がる複数のイメージングAスキャンベクトルにおいて、前記超音波イメージングデバイスが超音波イメージングエネルギを出射し、超音波イメージングエネルギを受信し、
所与のイメージングAスキャンベクトルが前記第2の体内デバイス上の所与の超音波ビーコントランスデューサに方向付けられているとき、前記所与の超音波ビーコントランスデューサに関連する通信信号を受信し、
前記受信した超音波イメージングエネルギに関連付けられたイメージング信号を処理して画像を生成し、
前記通信信号を処理して、前記イメージングAスキャンベクトルの方向及び前記通信信号に関連する時間遅延に基づいて、前記血管内又は心臓内のイメージングプローブに対する前記第2の体内デバイスの位置を特定する、
体内超音波イメージングシステム。 - 前記制御及び処理システムは、画像を表示し、及び前記画像上に前記第2の体内デバイスの位置を表示するように更に構成されている、請求項13記載の体内超音波イメージングシステム。
- 各超音波ビーコントランスデューサに関連する周波数帯域幅は、前記超音波イメージングデバイスに関連するイメージング帯域幅内にあり、前記通信信号は、前記所与の超音波ビーコントランスデューサを介する前記出射された超音波イメージングエネルギの検出に応じて生成される、請求項13又は14記載の体内超音波イメージングシステム。
- 前記制御及び処理システムは、前記所与の超音波ビーコントランスデューサをエコー後方散乱モードで動作させるように前記第2の体内デバイスを制御して、前記通信信号が、前記第2の体内デバイスの前記所与の超音波ビーコントランスデューサから後方散乱し、前記血管内又は心臓内のイメージングプローブの前記超音波イメージングデバイスによって検出される、符号化された音響通信信号となるようにし、
前記符号化された音響通信信号は、前記超音波イメージングデバイスで検出される受動後方散乱超音波イメージング信号と区別可能であり、
前記所与の超音波ビーコントランスデューサからの符号化された音響通信信号は、前記第2の体内デバイス上の異なる箇所にある他の超音波ビーコントランスデューサからの音響通信信号と区別可能である、請求項15記載の体内超音波イメージングシステム。 - 前記超音波イメージングデバイスは、前記3次元イメージングボリュームを機械的に走査するように構成されている、請求項15又は16記載の体内超音波イメージングシステム。
- 前記超音波イメージングデバイスは、前記3次元イメージングボリュームを機械的に走査するように構成され、
前記制御及び処理システムは、前記超音波イメージングデバイスが複数のイメージングAスキャンベクトルに沿って超音波通信エネルギを出射し、前記超音波通信エネルギが前記出射された超音波イメージングエネルギに関連するイメージング周波数帯域とは異なる通信周波数帯域内で出射されるように、前記血管内又は心臓内のイメージングプローブを制御するように更に構成され、
前記通信信号は、前記所与の超音波ビーコントランスデューサを介する前記出射された超音波通信エネルギの検出に応じて生成される、請求項13又は14記載の体内超音波イメージングシステム。 - 前記通信周波数帯域の中心周波数は、前記イメージング周波数帯域の中心周波数より高く、
前記超音波イメージングデバイスには、格子構造が形成されており、前記超音波イメージングデバイスは、イメージングAスキャンベクトル毎に、格子の少なくとも第1の次数に対応する角度で超音波通信エネルギを出射し、これにより、イメージングAスキャンベクトル毎に、少なくとも2つの更なる通信Aスキャンベクトルにおいて超音波通信エネルギを出射する、請求項18記載の体内超音波イメージングシステム。 - 前記超音波イメージングデバイスは、
裏打ち層と、
前記裏打ち層に接触する非能動圧電層と、
前記非能動圧電層に接触する下側電極と、
前記下側電極に接触する能動圧電層と、
前記能動圧電層に接触する上側電極と、
前記上側電極に接触する1つ以上の整合層とを備える単一スタック超音波イメージングトランスデューサを含み、
前記能動圧電層及び前記非能動圧電層の厚さは、前記イメージング周波数帯域及び前記通信周波数帯域の周波数を制御するように選択される、請求項18又は19記載の体内超音波イメージングシステム。 - 前記超音波イメージングデバイスは、
裏打ち層と、
前記裏打ち層に接触する第1の下側電極と、
前記第1の下側電極に接触する第1の能動圧電層と、
前記第1の能動圧電層に接触する第1の上側電極と、
前記第1の上側電極に接触する第1の整合層と、
前記第1の整合層に接触する第2の下側電極と、
前記第2の下側電極に接触する第2の能動圧電層と、
前記第2の能動圧電層に接触する第2の上側電極と、
前記第2の上側電極に接触する第2の整合層とを備える単一スタック超音波イメージングトランスデューサを含み、
前記第1の能動圧電層は、前記イメージング周波数帯域を画定するのに適した厚さを有し、
前記第2の能動圧電層は、前記通信周波数帯域を画定するのに適した厚さを有し、
前記第1の整合層は、前記イメージング周波数帯域に関連する動作波長の4分の1に略々等しい厚さを有し、
前記第2の能動圧電層及び前記第2の整合層の合計の厚さは、前記イメージング周波数帯域に関連する動作波長の4分の1に略々等しく、前記第1の整合層と、前記第2の能動圧電層と、前記第2の整合層とが、前記第1の能動圧電層のための整合層として機能する、請求項18又は19記載の体内超音波イメージングシステム。 - 前記超音波イメージングデバイスは、前記3次元イメージングボリュームを走査するように構成された超音波トランスデューサのアレイを含む、請求項16乃至19いずれか1項記載の体内超音波イメージングシステム。
- 超音波イメージングデバイスを含み、3次元イメージングボリュームを走査するように構成された第1の体内超音波イメージングプローブと、
組み合わされた広角度応答を有する1つ以上の超音波ビーコントランスデューサを含む第2の体内デバイスと、
前記第1の体内超音波イメージングプローブにインタフェースされ、1つ以上のプロセッサと、前記1つ以上のプロセッサに接続されたメモリとを含む制御及び処理システムとを備え、
前記メモリは、命令を保存し、前記命令が前記1つ以上のプロセッサによって実行されると、前記1つ以上のプロセッサは、
前記第1の体内超音波イメージングプローブを制御して3次元イメージングボリュームを走査させ、
前記3次元イメージングボリュームに広がる複数のイメージングAスキャンベクトルにおいて、前記超音波イメージングデバイスが超音波イメージングエネルギを出射し、超音波イメージングエネルギを受信し、前記超音波イメージングエネルギは、イメージング周波数帯域内にあり、
前記超音波イメージングデバイスが、3次元通信ボリュームに広がる複数の通信Aスキャンベクトルにおいて、超音波通信エネルギを出射し、前記超音波通信エネルギは、通信周波数帯域内にあり、
所与の通信Aスキャンベクトルが前記第2の体内デバイス上の所与の超音波ビーコントランスデューサに方向付けられているとき、前記所与の超音波ビーコントランスデューサに関連する通信信号を受信し、
前記受信した超音波イメージングエネルギに関連付けられたイメージング信号を処理して画像を生成し、
前記通信信号を処理して、前記所与の通信Aスキャンベクトルの方向及び前記通信信号に関連する時間遅延に基づいて、前記第1の体内超音波イメージングプローブに対する前記第2の体内デバイスの位置を特定する、
体内超音波イメージングシステム。 - 前記制御及び処理システムは、前記第2の体内デバイスの位置に応じて、前記第2の体内デバイスがより小さい空間的領域において追跡されるように、前記3次元通信ボリュームを縮小するように更に構成されている、請求項23記載の体内超音波イメージングシステム。
- 前記画像は、前記第2の体内デバイスの位置に基づいて前記3次元イメージングボリュームから選択される2次元画像である、請求項24記載の体内超音波イメージングシステム。
- イメージングを行いながら第2の体内デバイスの位置を特定するための血管内又は心臓内のイメージングプローブの操作を制御するシステムによる制御の方法であって、前記血管内又は心臓内のイメージングプローブは、超音波デバイスを含み、前記血管内又は心臓内のイメージングプローブは、3次元走査を行うように構成され、前記第2の体内デバイスは、組み合わされた広角度応答を有する1つ以上の超音波ビーコントランスデューサを含み、
前記システムがイメージングを行いながら第2の体内デバイスの位置を特定するための血管内又は心臓内のイメージングプローブの操作を制御するステップであって、
前記血管内又は心臓内のイメージングプローブが3次元イメージングボリュームを走査するように前記血管内又は心臓内のイメージングプローブへ制御信号を送信するステップであって、前記3次元イメージングボリュームに広がる複数のイメージングAスキャンベクトルにおいて、イメージングエネルギを出射及び受信するように前記制御信号が提供されるステップと、
前記超音波デバイスが、前記複数のイメージングAスキャンベクトルにおいて超音波エネルギを出射するように前記血管内又は心臓内のイメージングプローブへ制御信号を送信するステップと、
所与のイメージングAスキャンベクトルが前記第2の体内デバイス上の所与の超音波ビーコントランスデューサに方向付けられているとき、前記所与の超音波ビーコントランスデューサに関連する通信信号を受信するステップと、
前記受信したイメージングエネルギに基づいてイメージを生成するステップと、
前記通信信号を処理して、前記所与のイメージングAスキャンベクトルの方向及び前記通信信号に関連する時間遅延に基づいて、前記血管内又は心臓内のイメージングプローブに対する前記第2の体内デバイスの位置を特定するステップと
を含む方法。
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