JP7214399B2 - ヘテロダイン模倣アダプタ - Google Patents

Description

本発明は、概して、医療機器における信号処理のための装置及び方法に関し、詳細にはプローブによって取得された信号を制御コンソールに伝送するためのアダプタに関する。

ヘテロダイニングは、よく確立された信号処理技術である。例えば、米国特許第７，８６０，１８９号は、通信システム又は他のシステムで使用するためのハイブリッドヘテロダイン送信機及び受信機、並びにハイブリッドヘテロダイン送受信のための対応する方法について記載している。連続時間変調信号を離散時間デジタルベースバンド信号に変換するためのヘテロダイン受信機は、ＲＦキャリア周波数で変調信号を受信し、中間周波数で量子化出力を与える。次いで、デジタルミキサが、デジタル信号処理に適したベースバンド信号を表すデジタル信号を与える。

別の例として、米国特許第６，３７３，４２２号は、アナログ／デジタル変換器によって受信されてアナログ信号からデジタル信号に変換される無線周波数信号について記載している。次いで、このデジタル信号は間引きフィルタに与えられ、デジタル信号がベースバンド信号に変換される。間引きフィルタを用いることにより、第２のダウンコンバージョンミキサが不要となり、これによって第２のミキサを用いることに伴うあらゆる関連するノイズ、消費電力、歪みをなくす。

更に別の例として、米国特許出願公開第２０１３／０１３１７５５号は、生理学的信号の選択された周波数帯域をベースバンドに変換して分析を行うために適用されるヘテロダイニングアーキテクチャについて記載している。１つの例として、信号のベースバンド成分は数百ヘルツの範囲の周波数を有してもよく、キャリア周波数は数ｋＨｚの範囲である。信号の元のベースバンド成分は、より高い周波数帯域、例えば数ｋＨｚにチョッピングされる。これにより、低周波数のノイズ信号は信号の元のベースバンド成分から分離される。

本発明の一実施形態は、第１の医療器具を、異なる第２の医療器具に取り付けられるように構成されたコンソールレセプタクルを有する制御コンソールに連結するためのアダプタを提供する。アダプタは、ケースと、ケース上のレセプタクルと、ケース内に収容された回路と、ケース上の出力コネクタとを含む。ケース上のレセプタクルは、第１の医療器具からの変調されたアナログ入力信号を伝送する第１の医療器具の入力コネクタを受容するように構成されている。ケース内に収容された回路は、アナログ入力信号をサンプリング及びデジタル化してデジタルサンプルのストリームを生成するように連結されたアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）と、デジタルサンプルのストリームをデジタル的にダウンコンバートしてベースバンドデジタル信号を生成するように構成されたデジタル処理回路と、ベースバンドデジタル信号を、第２の医療器具の出力に適合するアナログベースバンド信号に変換するように構成されたデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）と、を含む。ケース上の出力コネクタは、コンソールレセプタクルに挿入され、アナログベースバンド信号をコンソールに伝送するように構成されている。

特定の実施形態では、アナログ入力信号は異なる搬送周波数に変調され、回路はアナログ入力信号を異なるベースバンド周波数を有する複数のベースバンド信号に変換するように構成される。一実施形態では、ＡＤＣ、デジタル処理回路、及びＤＡＣは単一の回路基板上に集積される。特定の実施形態では、レセプタクルは、医療器具の遠位端に取り付けられた１つ以上の接触力センサからアナログ入力信号を受信するように構成される。別の実施形態では、制御コンソールは、カテーテルに基づくアブレーションシステムの一部である。

本発明の一実施形態によれば、第１の医療器具を、異なる第２の医療器具を取り付けるように構成された制御コンソールに連結するための方法が更に提供される。本方法は、アダプタにおいて、第１の医療器具から変調されたアナログ入力信号を受信することを含む。アダプタ内の回路は、アナログ入力信号をサンプリング及びデジタル化してデジタルサンプルのストリームを生成し、デジタルサンプルのストリームをデジタル的にダウンコンバートしてベースバンドデジタル信号を生成し、ベースバンドデジタル信号を、第２の医療器具の出力に適合するアナログベースバンド信号に変換するために使用される。アナログベースバンド信号は、アダプタからコンソールに伝送される。

本発明は、本発明の実施形態のより詳細な説明を図面と併せて考慮することにより、より完全に理解されよう。

本発明の一実施形態に基づくヘテロダイン模倣アダプタを備えた、カテーテルに基づいたアブレーションシステムの概略描図である。 本発明の一実施形態に基づくヘテロダイン模倣アダプタを概略的に示すブロック図である。 本発明の一実施形態に基づく、ヘテロダイン模倣アダプタにおける信号処理の方法を概略的に示したフローチャートである。

概要
カテーテルなどの医療器具に取り付けられたセンサは、一般的に複数の異なるアナログ信号を生成する。例えば、従来のアブレーションカテーテルの接触力センサは、比較的低い周波数のアナログ信号を生成するようにしばしば構成されているのに対して、より新しいアブレーションカテーテルのセンサは、より高い周波数の信号をしばしば生成する。ヘテロダイニングは、システムのコンソールに更に情報を送信する前に、比較的低い周波数信号からベースバンドコンテンツを抽出するために一般的に適用されている。しかしながら、新規な医療装置の中には極めて高い周波数を送信するものがあり、その場合、ヘテロダイニングは下記に説明するように信号破損を生じるおそれがある。

本明細書に述べられる本発明の各実施形態は、高い周波数を有するアナログ信号からアナログベースバンド信号をヘテロダイン的に抽出することができる医療器具用アダプタを提供する。開示されるヘテロダイン模倣アダプタは、高い周波数のアナログ信号をデジタル的にサンプリングした後、このサンプルをデジタル的にダウンコンバートしてデジタルベースバンド信号を生成し、このデジタルベースバンド信号を従来のシステムコンソールが従来の医療器具から受信するベースバンド信号と互換性を有するアナログベースバンド信号に再び変換する回路を備える。

特定の実施形態では、回路は、医療器具のケーブルと医療器具のコンソールとの間に接続されたアダプタに含まれる。アダプタは、従来のシステムコンソールと動作するうえでこのようなアダプタを必要とする新たな医療器具デザインを受容するレセプタクルと、従来のコンソールのレセプタクルに嵌合する出力コネクタとを有する。これにより、従来のシステムコンソールは、何らの変更も行うことなく、例えばカテーテルの遠位端に取り付けられた新たな高周波接触力センサと機能することができる。

特定の実施形態では、アダプタケース内の回路は、入力レセプタクルに連結された高周波アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）と、デジタル信号処理（ＤＳＰ）回路と、出力プラグに連結された低周波デジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）とを含む。ＡＤＣは、医療器具から受信した高周波信号をデジタル化する。ＤＳＰ回路は、デジタル化された信号をベースバンドにダウンコンバートする。ＤＡＣは、ベースバンド信号を従来のコンソールに与えられる低周波アナログ信号に変換する。

開示されるヘテロダイン模倣アダプタは、同様の機能を行おうとするアナログヘテロダインによる解決手段と比較して、ベースバンド信号を破損しないという明確な利点を有する。この性能は、信号周波数が高い場合に特に顕著となる。このような場合、アナログのヘテロダイン解決手段によるベースバンド信号の破損のため、かかる解決手段は非実用的なものとなりうる。

システムの説明
図１は、本発明の一実施形態に基づくヘテロダイン模倣アダプタを備えた、カテーテルに基づいたアブレーションシステム２０の概略描図である。システム２０は、テーブル２９上に仰臥した患者２８の心臓２６内に医師３０によって誘導される挿入管２２を有するカテーテル２１を含んでいる。図の例では、医師３０は、カテーテルの近位端付近のマニピュレータ３２を使用して挿入管２２を操作しながら、シース２３を通じて挿入管２２を挿入している。

挿入図２５に示されるように、挿入管２２の遠位端には、システム２０と接続及び動作するうえでヘテロダイン模倣アダプタ５０を必要とする装置４０が装着されている。挿入図４５は、装置４０内部の高周波接触力センサ４８の構成を示している。センサ４８は、高周波搬送波の緩やかに変調された振幅を有する信号を生成する。例えば、搬送波の振幅を１００Ｈｚの変調速度で変調することができるが、搬送周波数自体は１００ｋＨｚのオーダーである。しかしながら、別の方法として、他の任意の適当な変調速度及び搬送周波数を使用することもできる。

従来の医療器具と使用される技術などのアナログヘテロダイニング技術は、搬送周波数よりも何桁も小さい処理変調周波数において劣っている。その理由の１つとして、アナログ増幅器自体がベースバンド周波数内の周波数で漂遊信号を導入し、アナログ増幅器はまた、搬送波自体の周波数ドリフトもやはりベースバンド周波数内の漂遊信号周波数に変換することがある。これらの漂遊信号はすべて、ベースバンド信号を破損する。

ヘテロダイン模倣アダプタがベースバンド信号に変換するように構成された高周波信号は、必ずしも図１に示されるような接触力センサでなく、他のあらゆる種類の高周波センサが発生するものであってよい。更に、このような信号は、医療器具に含まれる他の種類の高周波源のすべてから発生するものであってよい。

本明細書に述べられる実施形態では、カテーテル２１は、心臓２６内の組織のアブレーションなどの任意の適当な治療及び／又は診断目的で使用することができる。

図に見られるように、カテーテル２１の近位端は、レセプタクル５４を介してヘテロダイン模倣アダプタ５０にその内蔵コネクタ３５によって接続されており、レセプタクル５４はその目的で構成されている。アダプタ５０は、出力コネクタ５６によって制御コンソール２４に更に接続されており、出力コネクタはアダプタ５０の一部をなし、その目的で構成されている。制御コンソール２４は、カテーテル２１からの信号を受信するとともに、カテーテル２１を介してエネルギーを印加して心臓２６内の組織を焼灼し、更にシステム２０の他の構成要素を制御するための適当なフロントエンド及びインタフェース回路３８を備えたプロセッサ４１、通常は汎用コンピュータを備える。

プロセッサ４１は、本明細書に述べられる機能を実施するために通常はソフトウェアにプログラムされる。そのソフトウェアは、例えば、ネットワークを介して電子形式でプロセッサにダウンロードされてもよく、あるいは、代替的に又は付加的に、磁気的、光学的、又は電子的メモリなどの非一時的な有形媒体上に提供及び／又は記憶されてもよい。

ヘテロダイン模倣アダプタの説明
図２は、本発明の一実施形態に基づくアダプタ５０を概略的に示したブロック図である。アダプタ５０は、外部から見た場合に、ケース５２、レセプタクル５４、及び出力コネクタ５６を有している。ケース内部において、アダプタ５０は、高周波アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）回路６０、デジタル信号処理（ＤＳＰ）回路６２、及び低周波デジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）回路６４を有している。これに関して、ＡＤＣ回路６０、ＤＳＰ回路６２、及びＤＡＣ回路６４を、アダプタのデジタル処理機能を実行する「回路」と総称する。

図２の例では、単一の高速ＡＤＣが、センサ４８から受信された複数の信号をデジタル化する。代替的な一実施形態では、アダプタ５０は、受信信号の各サブセットをデジタル化するようにそれぞれが構成された２つ以上のＡＤＣを含むことができる。同様に、図２の例では、単一のＤＡＣが、複数のベースバンド信号をアナログ信号に変換する。代替的な一実施形態では、アダプタ５０は、ベースバンド信号の各サブセットを変換するようにそれぞれが構成された２つ以上のＤＡＣを含むことができる。

一実施形態では、ＡＤＣ６０、ＤＳＰ６２、及びＤＡＣ６４はいずれも単一のプリント回路基板上に集積される。アダプタ５０の様々な要素は、例えば、１つ以上の個別の構成要素、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、又は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を使用してハードウェアとして実施することができる。特定の実施形態では、アダプタ５０の特定の要素、例えばＤＳＰ６２を、ソフトウェアとして、又はソフトウェア及びハードウェア要素の組み合わせを用いて実施することができる。図２に示されるアダプタ５０の構成は、あくまで概念を明確化する目的で示される構成の一例である。代替的な実施形態では、アダプタ５０は、他の任意の適当な構成要素又は構成を用いて実施することができる。

図３は、本発明の一実施形態に基づく、ヘテロダイン模倣アダプタ５０における信号処理の方法を概略的に示したフローチャートである。図に見られるように、高周波アナログ入力信号７０は、Ａ／Ｄ変換ステップ７２においてＡＤＣ回路６０によってデジタルサンプルのストリームを含む高周波デジタル信号７４に変換される。デジタルサンプルのストリームは、ダウンコンバートステップ７６において、ＤＳＰ回路６２により更に低周波デジタルベースバンド信号７８にデジタル的にダウンコンバートされる。次いで、デジタルベースバンド信号は、Ｄ／Ａ変換ステップ８０においてＤＡＣ回路６４によりアナログベースバンド出力信号８２に再び変換される。

上記に述べたように、特定の実施形態では、制御コンソールは、従来の医療器具を取り付けるように構成されたコンソールレセプタクルを有する。このような従来の医療器具は、例えば上記に例示した１００ｋＨｚの搬送周波数に対してわずかに１０ｋＨｚの搬送周波数を有する、新しい医療器具と比較して低い周波数を有する信号を一般的に生成する。アダプタ５０を介して新しい医療器具を制御コンソールに取り付ける必要がある場合、アダプタは従来の医療器具のアナログ出力ベースバンド信号に適合する出力ベースバンドアナログ信号を与える。これにより、アダプタ５０を必要としない従来のカテーテルのような従来の医療器具から生じる信号と、アダプタ５０を備えた新たなカテーテルのような新たな高周波医療器具からの信号とを、同一のコンソールで扱うことができる。

図２に示される構成例は、あくまで概念を明確化する目的で選択されたものである。代替的な実施形態では、開示される技術は、開示されるアダプタ／プラグレセプタクルによって連結される他の医療器具、例えば内視鏡と、アダプタ／プラグコネクタによって連結される他の医療システム、例えばプローブ位置検知システムと、を含む他の適当な構成を使用することができる。例えば、高周波数の値、ベースバンド周波数の値、及びアダプタが並行して変換することができる信号チャネル／周波数の数などの信号の特性、アダプタのアーキテクチャ及び機能性は異なりうる。

例示的な一実施形態では、高周波アナログ信号の搬送周波数は１６．７５ｋＨｚであってよく、より高い搬送周波数、例えば最大で６０ｋＨｚを選択してもよい。この例示的な一実施形態における信号帯域幅は、約１ｋＨｚ、例えば１０６０Ｈｚである。しかしながら、他の実施形態では、高周波アナログ信号の搬送周波数は１０～１００ｋＨｚの範囲で選択することができる。ベースバンドアナログ信号は、最大で５ｋＨｚのオーダーの帯域幅を有することができる。別の方法では、他の任意の適当な値を使用することもできる。

別の例として、アダプタはアダプタが生成したベースバンド信号を分析して接触力値などの測定値を導出するように構成することもできる。

本明細書に記載される実施形態は、主に医療用センサを対象としたものであるが、本明細書に記載される方法及びシステムは、様々な軍事用途をはじめとする、センサを用いる他の任意の適当な用途で使用することもできる。

したがって、上記に述べた実施形態は、例として引用したものであり、また本発明は、上記に具体的に示し説明したものに限定されないことが理解されよう。むしろ本発明の範囲は、上述の様々な特徴の組み合わせ及びその一部の組み合わせの両方、並びに上述の説明を読むことで当業者により想到されるであろう、また従来技術において開示されていないそれらの変形及び修正を含むものである。参照により本特許出願に援用される文献は、これらの援用文献において、いずれかの用語が本明細書において明示的又は暗示的になされた定義と矛盾して定義されている場合には、本明細書における定義のみを考慮するものとする点を除き、本出願の一部とみなすものとする。

〔実施の態様〕
（１） 第１の医療器具を、異なる第２の医療器具を取り付けるように構成されたコンソールレセプタクルを有する制御コンソールに連結するためのアダプタであって、
ケースと、
前記第１の医療器具からの変調されたアナログ入力信号を伝送する前記第１の医療器具の入力コネクタを受容するように構成された、前記ケース上のレセプタクルと、
前記ケース内に収容された回路であって、
前記アナログ入力信号をサンプリング及びデジタル化してデジタルサンプルのストリームを生成するように連結されたアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）と、
前記デジタルサンプルのストリームをデジタル的にダウンコンバートしてベースバンドデジタル信号を生成するように構成されたデジタル処理回路と、
前記ベースバンドデジタル信号を、前記第２の医療器具の出力に適合するアナログベースバンド信号に変換するように構成されたデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）と、を含む、回路と、
前記コンソールレセプタクルに挿入され、前記アナログベースバンド信号を前記コンソールに伝送するように構成された、前記ケース上の出力コネクタと、を含む、アダプタ。
（２） 前記アナログ入力信号が異なる搬送周波数に変調され、前記回路が、前記アナログ入力信号を異なるベースバンド周波数を有する複数のベースバンド信号に変換するように構成されている、実施態様１に記載のアダプタ。
（３） 前記ＡＤＣ、前記デジタル処理回路、及び前記ＤＡＣが単一の回路基板上に集積されている、実施態様１に記載のアダプタ。
（４） 前記レセプタクルが、医療器具の遠位端に取り付けられた１つ以上の接触力センサから前記アナログ入力信号を受信するように構成されている、実施態様１に記載のアダプタ。
（５） 前記制御コンソールが、カテーテルに基づくアブレーションシステムの一部である、実施態様１に記載のアダプタ。

（６） 第１の医療器具を、異なる第２の医療器具を取り付けるように構成された制御コンソールに連結するための方法であって、
アダプタにおいて、前記第１の医療器具から変調されたアナログ入力信号を受信することと、
前記アダプタ内の回路を使用して、
前記アナログ入力信号をサンプリング及びデジタル化してデジタルサンプルのストリームを生成し、
前記デジタルサンプルのストリームをデジタル的にダウンコンバートしてベースバンドデジタル信号を生成し、
前記ベースバンドデジタル信号を、前記第２の医療器具の出力に適合するアナログベースバンド信号に変換することと、
前記アナログベースバンド信号を前記アダプタから前記コンソールに伝送することと、を含む、方法。
（７） 前記アナログ入力信号が異なる搬送周波数に変調され、前記ベースバンドデジタル信号を前記アナログベースバンド信号に変換することが、前記アナログ入力信号を異なるベースバンド周波数を有する複数のベースバンド信号に変換することを含む、実施態様６に記載の方法。
（８） 前記アナログ入力信号を受信することが、前記第１の医療器具の前記遠位端に取り付けられた１つ以上の接触力センサから前記アナログ入力信号を受信することを含む、実施態様６に記載の方法。
（９） 前記制御コンソールが、カテーテルに基づくアブレーションシステムの一部である、実施態様６に記載の方法。

Claims (7)

1. 第１の医療器具を、異なる第２の医療器具を取り付けるように構成されたコンソールレセプタクルを有する制御コンソールに連結するためのアダプタであって、
   ケースと、
   前記第１の医療器具からの変調されたアナログ入力信号を伝送する前記第１の医療器具の入力コネクタを受容するように構成された、前記ケース上のレセプタクルと、
   前記ケース内に収容された回路であって、
   前記アナログ入力信号をサンプリング及びデジタル化してデジタルサンプルのストリームを生成するように連結されたアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）と、
   前記デジタルサンプルのストリームをデジタル的にダウンコンバートしてベースバンドデジタル信号を生成するように構成されたデジタル処理回路と、
   前記ベースバンドデジタル信号を、前記第２の医療器具の出力に適合するアナログベースバンド信号に変換するように構成されたデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）と、を含む、回路と、
   前記コンソールレセプタクルに挿入され、前記アナログベースバンド信号を前記制御コンソールに伝送するように構成された、前記ケース上の出力コネクタと、を含み、
   前記レセプタクルが、前記第１の医療器具の遠位端に取り付けられた１つ以上の接触力センサから前記アナログ入力信号を受信するように構成されている、アダプタ。
2. 前記回路が、前記アナログ入力信号を異なるベースバンド周波数を有する複数のベースバンド信号に変換するように構成されている、請求項１に記載のアダプタ。
3. 前記ＡＤＣ、前記デジタル処理回路、及び前記ＤＡＣが単一の回路基板上に集積されている、請求項１に記載のアダプタ。
4. 前記制御コンソールが、カテーテルに基づくアブレーションシステムの一部である、請求項１に記載のアダプタ。
5. 第１の医療器具を、異なる第２の医療器具を取り付けるように構成された制御コンソールに連結するための方法であって、
   アダプタにおいて、前記第１の医療器具から変調されたアナログ入力信号を受信することと、
   前記アダプタ内の回路を使用して、
   前記アナログ入力信号をサンプリング及びデジタル化してデジタルサンプルのストリームを生成し、
   前記デジタルサンプルのストリームをデジタル的にダウンコンバートしてベースバンドデジタル信号を生成し、
   前記ベースバンドデジタル信号を、前記第２の医療器具の出力に適合するアナログベースバンド信号に変換することと、
   前記アナログベースバンド信号を前記アダプタから前記制御コンソールに伝送することと、を含み、
   前記アナログ入力信号を受信することが、前記第１の医療器具の遠位端に取り付けられた１つ以上の接触力センサから前記アナログ入力信号を受信することを含む、方法。
6. 前記ベースバンドデジタル信号を前記アナログベースバンド信号に変換することが、前記アナログ入力信号を異なるベースバンド周波数を有する複数のベースバンド信号に変換することを含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記制御コンソールが、カテーテルに基づくアブレーションシステムの一部である、請求項５に記載の方法。

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