KR20000010666A - 광-음향 혈전 용해법 - Google Patents

광-음향 혈전 용해법 Download PDF

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마이클 글린스키
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던칸 메이트랜드
데니스 매튜스
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린다 에스. 스티븐슨
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Abstract

본 발명은 생물 조직에 초음파 여기를 발생시키기 위한 카테터를 기본으로 하는 장치에 관한 것이다. 펄스형 레이저광은 광섬유(10)를 통하여 인도되어 음향 진동을 생성시키는 에너지를 제공한다. 광학 에너지는 수-기재 흡수 유체, 예컨대 식염수, 혈전 용해제, 혈액 또는 혈전에 축적되며, 열탄성 및/또는 열역학적 메카니즘을 통하여 유체내에 음향 충격을 발생시킨다. 레이저를 임의의 반복율(10Hz 내지 100kHz로 다양함)로 진동시킴으로써, 매질내에 초음파 방사장이 형성될 수 있다. 상기 초음파 진동을 형성시키는 방법은 인간의 체내에서 발작과 관련된 질병, 특히 혈전 용해 또는 혈관 경련의 치료에 사용될 수 있다. 카테터(14)는 또한 부수적인 치료법으로서 혈전 용해제 치료법을 포함할 수 있으며, 영상 및 피드백 조절을 위한 초음파 탐지 장치 및 혈전 형태 및 경도를 확인하기 위한 광학 센서와 함께 사용될 수 있다.

Description

광-음향 혈전 용해법
허혈성 발작은 뇌 동맥 망상조직에 있어서 혈전의 형성 또는 정체에 의해 야기된다. 통상, 이들 폐색은 경동맥 또는 두개골 강에서 훨씬 높이 위치하는 훨씬 더 작은 혈관에서 발견된다. 개입(interventional) 심장학자 및 혈관 외과 의사들은 다른 신체 부위의 맥관 구조에서 최소한으로 침해하면서 상기 상태를 치료하는 방법을 고안하여 왔다. 이들 치료법 중에는 마이크로카테터(microcatheter)가 폐색 위치를 가리키는 초음파 혈관 성형술이 있다. 초음파 변환기는 카테터내를 통과하며 폐색 부위에 아주 근접한 원 말단(distal end)에 있는 작동 말단(working tip)에 진동을 전달하는 전달 매질과 연결되어 있다. 동맥 경화성 플라크를 분해시키고 응혈 분해를 용이하게 하는 초음파 카테터는 종래에 기재되어 있다. 이들 발명의 개선점은 동일한 기본적인 장치의 작동 및 기능을 개선시키는데 집중되어 있다(Pflueger 일행, 미국 특허 5,397,301호). 조직내로 연결된 진동은 응혈을 강한 국부적인 전단 및 인장 응력에 노출시키는 공동 기포(cavitation bubble) 및 마이크로젯과 같은 다양한 초음파 메카니즘을 통하여 응혈의 분해 또는 유화를 돕는다. 이들 종래 기술의 장치는 통상 시각화를 용이하게 하기 위하여 혈전 용해제 및/또는 방사선 촬영용 콘트라스트제와 함께 사용된다.
초음파 카테터 장치는 모두 진동원(변환기)이 카테터의 외부에 존재하는 공통된 구조를 갖는다. 진동 에너지는 카테터의 근 말단(proximal end)에 연결되고 음파를 전달할 수 있는 와이어를 통하여 카테터의 길이 방향으로 전달된다. 상기 구조에 있어서는 다음과 같은 관련된 단점이 있다: 근접된 조직의 수반된 열과 함께 굴곡 및 커브를 통한 에너지 손실이 있다; 상기 장치가 발작 치료용으로 충분히 작지 않으며 더 작은 크기로 제작하기 어렵다; 초음파 발생기와 카테터의 근 말단 사이의 알려지지 않은 다양한 커플링 효과 때문에 선량 측정기를 평가 또는 조절하기가 어렵다. Dubrul 일행의 미국 특허 5,380,273호에서는 전송 장치내에 향상된 재료를 혼입함으로써 종래 기술의 장치를 개선하고자 시도하고 있다. 초음파 변환기 자체를 카테터 원 말단에 위치시키는 것은 크기 제한 및 전력 요건을 포함하는 많은 이유 때문에 비실용적이었다.
폐색물의 제거와 관련된 방법은 레이저 광이 광섬유를 통하여 폐색 물질에 직접 충돌하는 레이저 혈관 성형술이다. 레이저 혈관 성형 장치는 주변 조직을 손상 또는 파괴시키는 것으로 밝혀졌다. 몇몇 경우에 있어서 조절되지 않은 열이 혈관 천공을 야기하였다. 고에너지 레이저 펄스를 낮은 또는 적당한 주파수, 예컨대 약 1Hz 내지 100Hz에서 사용하는 것은 건강한 조직을 심하게 손상시키는 비차별적인 응력파를 야기하거나 또는 건강한 조직이 영향받지 않을 정도로 독립적인 레이저 파라미터가 조정될 때 목적 조직를 불충분하게 제거한다. 열적 가열을 피하기 위하여 고에너지 레이저광을 사용하는 것은 거대한 공동 기포 및 천공을 야기하는 충격파 또는 조직에 역효과를 주는 관련된 다른 메카니즘을 통하여 손상을 야기하는 것으로 밝혀졌다.
미국 정부는 로렌스 리버모어 내셔널 래보러토리(Lawrence Livermore National Laboratory)의 수술에 대하여 미국 에너지부와 유니버시티 오브 캘리포니아 사이의 계약 번호 W-7405-ENG-48에 의해 본 발명의 권리를 갖는다.
본 발명은 관상 조직과 기관에서 차단물의 제거에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 동맥 경화성 플라크 또는 혈전과 같은 혈관내 폐색의 제거에 관한 것이다.
도 1a는 본 발명의 광섬유-기재 광-음향 혈전 용해 카테터의 적용을 나타내는 약도이다.
도 1b는 보조 유체를 사용한 폐색물의 초음파 분해를 묘사한다.
도 2a 내지 2c는 본 발명의 열-탄성 조작을 묘사한다.
도 3a 내지 3c는 본 발명의 과열 증기 팽창 방식을 묘사한다.
도 4a는 오목 말단을 갖는 광섬유를 나타낸다.
도 4b는 볼록 말단을 갖는 광섬유를 나타낸다.
도 5는 섬유 가닥의 한 다발을 나타낸다.
도 6은 가변성 직경의 광섬유를 나타낸다.
도 7은 유리/플라스틱 섬유 복합체를 나타낸다.
본 발명의 목적은 폐색물에 근접한 유체(fluid)에 초음파 여기(excitation)를 발생시키는 일련의 저에너지 레이저 펄스의 고주파수를 사용하여 혈관 폐색물을 분해하는 장치를 제공하는 것이다.
카테터를 통한 에너지 전달은 레이저 펄스를 원 말단으로 인도하는 광섬유를 사용함으로써 이루어진다. 그러나, 레이저 혈관 성형 또는 혈전 용해와는 달리, 본 발명은 폐색물의 직접적인 제거에 의존하지 않으며, 대신 폐색물에 근접한 유체에 초음파 여기를 발생시키기 위하여 일련의 저에너지 레이저 펄스의 고주파수를 사용한다. 따라서, 폐색물의 분해는 초음파 작용 및/또는 유화에 의해 촉진되며, 직접적으로 레이저광과의 상호 작용에 의한 것은 아니다. 조직 및 유체에서 초음파 반응을 유도하는 비결은 레이저광의 파장, 펄스 시간, 펄스 에너지 및 반복율을 신중하게 조절하는데 있다. 조직에서 초음파 여기를 유도하는 광학 에너지를 사용하는 것은 많은 이점을 제공한다. 광섬유는 작은 치수로 제조될 수 있고, 매우 투명하며 상당한 양의 광 전력 밀도를 거의 또는 전혀 감쇠가 없이 전원으로부터 배달 위치에 전달할 수 있다. 광섬유는 또한 관심있는 모는 관을 통과하기에 충분히 탄력적이다. 본 발명은 작고 탄력있는 카테터를 통하여 예컨대 발작 치료에 필요한 음향학적 여기를 발생시키기에 충분한 에너지를 전달한다. 본 방법은 또한 조직에서 유도된 음향학적 진동의 크기를 모니터하고 제어하기 위한 피드백 메카니즘을 포함한다.
본 발명은 광섬유를 함유하는 카테터를 포함한다. 이 광섬유는 광 펄스를 상기 섬유에 주입하는 고주파 레이저 시스템과 근 말단에서 연결되어 있다. 근 말단에서 상기 섬유로부터 나오는 광은 카테터를 둘러싸고 있는 유체에 의해 흡수된다. 상기 유체는 혈액; 흡수성 염료, 혈전 용해성 약제 또는 혈전 자체를 함유하는 생물학적 식염수일 수 있다. 광섬유는 에너지 전달 장치로서 작용하여 레이저에 의해 생성된 광학 에너지가 섬유의 말단에 전달된다. 광섬유의 원 말단으로부터 나오는 레이저 광은 10Hz 내지 100kHz의 주파수, 200㎚ 내지 5000㎚의 파장 및 0.01J/㎝2내지 4J/㎝2, 광섬유의 직경이 작은 경우 최대 50J/㎝2에너지 밀도를 갖는다. 인가된 에너지는 5mJ 이하, 바람직하게는 1mJ 미만으로 유지된다. 하나의 실시예에 있어서, 펄스 주파수는 5kHz 내지 25kHz이다. 또는, 펄스 주파수 범위의 낮은 값은 100, 200, 400 또는 800Hz이며, 높은 값은 25, 50 또는 100kHz일 수 있다.
관상 조직에서 혈전, 동맥 경화성 플라크 또는 다른 폐색 물질의 용해는 폐색물 근처의 유체에서 발생되는 초음파 방사에 의해 용이하게 이루어진다. 보조 처리로서, 음향학적 혈전 용해 공정으로부터 남겨진 상당히 큰 파편(>5㎛의 입경)의 추가 용해를 용이하게 하는 소량의 혈전 용해제를 투여하기 위하여 광섬유를 둘러싸거나 또는 이에 평행한 하나의 작업 채널이 사용될 수 있다. 광학 에너지의 음향 에너지로의 변환은 열탄성적, 열역학적이거나 또는 이들의 조합일 수 있는 몇몇 메카니즘을 통하여 진행될 수 있다. 도 1a는 하나의 평행 작업 채널(12)을 갖는 광섬유(10)를 나타내며, 섬유(10)와 작업 채널(12)은 모두 혈관(16)내에 삽입되는 카테터(14)내에 위치한다. 섬유(10)의 원 말단은 혈관(16)내의 혈전(18) 및 협착성 플라크(20) 근처에 위치한다. 도 1b에 있어서, 섬유(10)는 레이저 광을 전달하여 붕괴성 공동 기포(11) 및 확장성 음파(13)를 생산한다. 카테터(14) 내의 평행 작업 채널(12)은 보조 유체(15)를 전달하여 혈관(16)내로부터 폐색물(17)의 제거를 돕는다.
도 2a 내지 2c에 묘사된 바와 같이, 열탄성 방식에 있어서, 광섬유(21)를 통하여 각 레이저 펄스(22)는 작은 부피의 유체내에서 큰 열탄성 응력을 생산하는 유체(24)에서 조절된 수준의 에너지를 전달한다. 상기 응력의 확장 방향은 도 2a에서 화살표(25)로 표시하였다. 레이저 펄스(22)에 의해 가열되는 유체(24)의 부피는 유체(24)내에서 레이저광의 흡수 깊이에 의해 결정되며, 필요한 크기를 생산하도록 조절되어야 한다. 예컨대, 적합한 크기는 섬유 직경이거나, 또는 폐색물을 함유하는 혈관의 몇몇 단편에 필적하는 거리일 수 있다. 이는 대부분의 레이저 에너지가 필요한 크기의 유체 깊이로 축적될 수 있도록 레이저 파장 또는 유체의 조성을 조절함으로써 조정될 수 있다. 레이저 펄스 시간은 최소 치수의 흡수 영역을 가로지르는 음향 통과 시간보다 짧은 시간 안에 흡수 유체내로 모든 레이저 에너지를 축적시키기에 충분히 짧다. 이는 등체적(일정 부피) 가열 공정이다. 직경이 약 100㎛인 흡수 부피에 대한 음향 통과 시간은 약 70ns이며, 따라서 축적 시간은 이보다 훨씬 짧은 예컨대, 약 10ns이어야 한다.
흡수 유체는 에너지 축적에 대하여 열탄성적으로 반응하여 고압 영역이 유체내에서 가열된 부피로 형성된다. 고압 영역의 경계는 음파의 패턴으로 붕괴되며, 압축파는 에너지 축적 영역(팔자형 파두)으로부터 전파되며 희박파(rarefaction wave)는 에너지 축적 영역(수렴 파두)의 중앙으로 전파된다. 희박파가 초기 축적 영역의 중앙에 수렴할 때, 합체되어 더 큰 기포(30)를 형성하는 공동 기포의 형성을 촉진시키는 인장 응력의 영역(26)을 형성시킨다. 결국, 공동 기포가 붕괴되고(32), 그 결과 확장성 음파(33)가 형성된다. 공동 기포의 붕괴 및 이후의 반향은 주변 유체에서 음향 충격을 생성시키며, 이는 공동의 에너지의 일부를 가져간다. 붕괴 및 반향 과정은 주로 유체 밀도 및 초기 공동의 최대 크기에 의해 좌우되는 시간 동안 발생한다. 최초 붕괴 및 반향 이후에 공동의 에너지가 유체에 분산될 때까지 밀도를 감소시키는 연이은 붕괴 및 반향이 발생한다. 그 후의 레이저 펄스는 상기 사이클을 반복 또는 계속하기 위하여 전달되어 임의의 주파수 또는 레이저 펄스 주파수에 의해 결정된 주파수로 초음파 방사장(ultrasonic radiation field)을 생성시킨다.
요약하면, 제 1방식을 통하여 작동하는 장치는 (i) 섬유 치수에 상당하는 유체 부피로 상기 치수를 가로지르는 음향 통과 시간보다 짧은 시간 동안 레이저 에너지를 축적시키고(경우에 따라 레이저 파장 및 흡수 유체의 선택에 의해 조절됨); (ii) 공동 기포의 최대 크기가 거의 섬유 직경과 동일하도록 레이저 에너지를 조절하며; (iii) 본 방법의 다중 사이클이 주변 유체에 음향 방사장을 생성시키도록 레이저를 임의의 반복율로 진동시킴으로써 유체에 초음파 방사장을 생성시키고; 레이저 펄스 반복율을 공동 수명과 일치시킴으로써 공명 작용이 얻어질 수 있다. 통상적인 조작은 사이클이 1-100kHz이고 100-200㎛의 상호 치환(reciprocal displacement)을 갖는 유체-기재 변환기에 이른다(통상적인 광섬유에 있어서). 상기 치환은 기계적으로 활성화된 초음파 혈관 성형 장치에서 발견되는 것과 매우 유사하다.
과열 증기 확장 방식에 있어서는 도 3a 내지 3c에 나타낸 바와 같이 광섬유(41)에서 각 레이저 펄스(40)는 카테터를 함유하는 관의 특징적인 크기에 비하여 유체에서 매우 작거나, 또는 심지어 섬유 직경에 비하여 작은 흡수 깊이내에서 조절된 수준의 에너지를 전달한다. 흡수 깊이는 또한 음파가 레이저 펄스의 지속 시간동안 이동하는 거리에 비하여 작을 수 있다. 레이저 에너지는 주위 압력에서 유체의 기화 온도보다 훨씬 높이 모든 유체를 가열하기 위하여 충분한 수준의 에너지를 흡수 깊이내에 축적한다. 레이저 에너지를 축적하는 과정에 있어서, 열탄성적으로 생성된 음파가 유체에 가해지고 가열된 영역으로부터 전파된다. 1μs보다 긴 시간인 경우, 과열된 유체(42)는 기화되어 증기 기포를 형성시킨다. 유체가 기화됨에 따라, 그 부피(44)는 크게 증가하며, 따라서 증기 기포의 최대 크기가 예컨대 관 직경을 초과하지 않도록 단지 작은 유체층을 포함할 필요가 있다.
레이저 펄스 지속 시간은 기포 확장이 거의 등압 과정이기 때문에 열탄성 방식에서 만큼 짧은 시간으로 제한될 필요는 없다. 그러나, 레이저 펄스 지속 시간은 기포 확장 시간보다 짧아야 하며, 과열된 영역인 경우는 통상적인 열 완화 시간보다 훨씬 더 짧아야 한다(Rayleigh의 기포 붕괴 이론에 따르면, 기포 수명은 50㎛ 직경의 기포에 대하여 약 25μs이며, 레이저 펄스의 지속 시간은 수 마이크로초 이하이어야 한다). 증기 기포는 유체에서 초기에 생성된 증기압에 의존하는 최대 직경까지 팽창한다. 최대 기포 직경에서, 팽창된 기포의 증기압은 주위 압력 이하로 떨어지며 기포(46)는 붕괴되어 확장성 음파(48)을 생성시킨다. 반향 및 이후의 붕괴 현상은 최초의 붕괴에 이어 발생한다. 기포 팽창 및 붕괴는 음향 에너지를 유체에 전달한다. 이후의 레이저 펄스가 전달되어 상기 사이클을 반복 또는 계속하도록 하며 임의의 주파수 또는 레이저 펄스 주파수에 의해 결정된 주파수에서 초음파 방사장을 형성시킨다. 제 1방식과 유사하게, 레이저 펄스 시간을 공동 기포의 수명과 일치시킴으로써 공명 작용이 얻어질 수 있다.
요약하면, 제 2방식을 통하여 작동하는 장치는 (i) 작은 부피의 유체에 레이저 에너지를 축적시키고(경우에 따라 레이저 파장 및 흡수 유체의 선택에 의해 조절됨); (ii) 공동 기포의 최대 크기가 거의 섬유 직경과 동일하도록 레이저 에너지를 조절하며; (iii) 기포 생성 및 붕괴 과정의 다중 사이클이 주변 유체에 음향 방사장을 생성시키도록 레이저를 임의의 반복율로 진동시킴으로써 유체에 초음파 방사장을 생성시킨다. 제 1방식과는 달리, 전달 시간은 중요한 쟁점이 아니며, 따라서 긴 펄스 지속 시간을 갖는 레이저가 유용할 수 있다.
상기 양 조작 방식에 있어서, 최소 레이저 펄스 에너지를 갖는 적합한 음향 반응이 얻어지도록 레이저 파장, 레이저 펄스 지속 시간 및 레이저 흡수 깊이은 정확히 조절되어야 한다. 제 1방식에 있어서, 흡수 부피를 섬유 직경 또는 관 직경의 몇몇 단편과 같은 본 시스템의 특징적인 치수와 일치시키고 짧은 레이저 펄스(20ns 미만)를 사용하는 것을 필요로 한다. 제 2방식에 있어서는 적은 에너지 비용으로 도모할 수 있는 충분한 수준의 과열을 소량의 유체에서 얻기 위하여 주변 조직에 손상을 주지 않을 정도로 큰 증기 기포를 형성시키지 않으면서 매우 작은 흡수 깊이로 레이저 에너지를 축적시키는 것을 필요로 한다.
조직내에서 레이저 에너지를 음향 여기와 연결하는 이들 광-음향 방식은 수많은 특징을 포함한다. 높은 반복율과 결합된 저 내지 적당한 레이저 펄스 에너지는 과도한 조직 가열 또는 강한 충격 발생을 피한다. 레이저 에너지의 국부적인 흡수가 발생한다. 레이저 에너지는 열탄성적으로 또는 열역학적으로 주변 유체와 상호 작용할 수 있다. 음향 방사장은 섬유 말단에서 작은 공동 기포의 반복된 확장 및 붕괴에 의해 생성된다. 공명 조작은 레이저 펄스 시간을 공동의 수명과 일치시킴으로써 얻어질 수 있다. 부드러운 섬유성 폐색(혈전)은 혈전내에 직접 공동 기포를 생성시킴으로써 분해될 수 있다.
섬유 말단에서 유체에 축적된 에너지의 공간 및 시간적 분배의 조절 및/또는 조작은 예컨대 음향 에너지를 섬유 근처의 대상에 집중시키거나 또는 음향 방사를 더욱 균일하게 분배하기 위하여 근접장 음향 방사 형태를 변형시키는데 사용될 수 있다. 상기 전략을 기본으로 하는 기술은 레이저 펄스 시간이 짧고 유체 흡수가 또한 비교적 강하여 레이저 에너지가 섬유 말단의 표면에 인접한 얇은 층에 축적되는 열탄성 반응의 특별한 경우(제 1방식)에 있어서 가장 성공적일 것이다. 예컨대, 섬유 말단에 오목한 표면을 형성함으로써, 광학 에너지는 유사한 분배 형태로 유체에 축적된다. 상기 오목 분배로부터 나오는 음파는 섬유 말단으로부터 거리 R의 지점에 초점을 맞추는 경향이 있으며, 여기서 R은 오목한 표면의 곡률 반경이다. 평면 섬유 말단은 초기에 평면 음향 파두를 섬유 말단 근처에 생성시키는 경향이 있다. 볼록 섬유 말단은 음향 에너지를 더 넓은 입체각으로 분산시키는 발산성 구형 파두를 생성할 것이다. 근접장 방사 형태를 변형시키는 또 다른 방법은 레이저 에너지가 전달되는 섬유 다발을 사용하여 축적된 레이저 에너지의 시간적 분배를 조절하는 것이다. 레이저 에너지는 카테터 말단에서 각 섬유 가닥에 서로 다른 시간에 도달하도록 배열될 수 있으며, 이는 레이더에서 사용되는 위상-배열 기술(phased-array techniques)과 유사한 이들 각 가닥의 상이한 공간적 위치와 조합되어 음향 방사 패턴의 방향 및 형태를 조절하도록 조정될 수 있다. 도 4a는 오목 원 말단(52)을 갖는 변형된 광섬유(50)를 나타낸다. 도 4b는 볼록 원 말단(54)을 갖는 광섬유(50)를 나타낸다. 도 5는 레이저 펄스 에너지가 서로 다른 시간에 전달되는 한 다발의 섬유 가닥(58)으로 구성된 변형된 광섬유(56)를 나타낸다.
시판되는 섬유는 일반적으로 환경으로부터 보호하기 위하여 피복된다. "노출" 또는 비피복 섬유도 사용할 수 있다. 카테터를 통하여 더욱 용이하게 미끄러지게 하기 위하여 섬유에 피복제를 사용하는 것이 편리하다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 가변성 직경의 광섬유(60)는 근 말단(62)에 더 큰 물리적 강도를 부여하며 원 말단(64)에서 더 높은 접근성을 가능하게 한다. 이는 존재하는 섬유를 변형시키거나(코어 주변의 보호막을 제거) 또는 주문 섬유를 제조함으로써 완수될 수 있다. 주문 제작은 섬유의 압출 또는 인장율을 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 유리 또는 플라스틱 조성은 섬유를 인장시키는 함수로서 변화될 수 있으며, 그 결과 광질을 희생시키지 않으면서 근 말단으로부터 더 높은 조절이 얻어진다. 이것의 하나의 특별한 예는 말단을 부드럽게 처리하는 것이며, 따라서 말단이 카테터 덮개에서 막히지 않는다. 또한, 말단에서의 형상 기억은 카테터 덮개의 근 말단으로부터 튀어나올 때 상기 섬유의 조종을 가능하게 한다.
도 7은 유리/플라스틱 섬유 복합체를 나타낸다. 섬유(70)는 1㎜ 내지 수 ㎝ 길이의 비교적 짧은 플라스틱 말단(74)과 유리부(72)를 포함한다. 유리부(72)의 단단함으로 인해, 상기 구조를 갖는 광섬유는 맥관 구조를 용이하게 통과한다. 부드러운 플라스틱 말단(74)은 유리 말단보다 정맥벽을 덜 천공시킨다. 상기 구조는 광섬유의 내구성을 증가시키기 위하여 부수적인 유리 말단을 포함할 수 있다.
다양한 주파수의 음향 에너지가 본 발명에서 발생되며, 신체 조직에서 음향 영상을 형성시키기 위한 신호원으로 간주될 수 있다. 상기 신호를 생산하는 음향 방사의 점원에 의존하는 임의의 신호 탐지 및 분석 시스템은 본 발명과 함께 사용될 수 있다.
본 발명에서 계획된 적용 방법은 국부적인 초음파 여기가 카테터의 적용을 통하여 신체 조직에서 생성될 수 있는 임의의 방법 또는 과정을 포함한다. 본 발명은 (i) 허혈성 발작을 유도하는 혈관 폐색의 혈관내 치료(이 기술은 혈전을 용해시키고 영향받은 대뇌 조직의 재관류를 유도한다), (ii) 대뇌 혈관 경련의 혈관내 치료(이 기술은 혈관 수축을 완화시키고 정상적인 관류를 회복시켜 또 다른 일시적인 허혈성 발작 또는 다른 비정상적인 관류 상태를 방지한다), (iii) 심혈관 폐색의 혈관내 치료(이 기술은 혈전을 용해하거나 또는 동맥으로부터 동맥경화성 플라크를 제거할 수 있다), (iv) 경동맥 협착의 혈관내 치료, (v) 말초 동맥 협착의 혈관내 치료, (vi) 피하 삽입을 통하여 용이하게 접근할 수 있는 신체의 임의의 내강 도입로에 있어서 일반적인 개통, (vii) 초음파 여기의 국부적인 (점)원이 카테터의 삽입을 통하여 접근할 수 있는 기관 또는 조직 위치내에 필요한 임의의 초음파 영상 적용, (viii) 담석, 신장 결석 또는 다른 신체내의 칼슘화된 물체의 제거를 포함하는 쇄석술적 적용 및 (ix) 초음파 조절형 광학 X-선 단층 촬영에 있어서 초음파의 원천으로서 사용될 수 있다.
본 발명에 의해 사용된 펄스형 레이저 에너지원은 기체, 액체 또는 고체 상태의 매질을 기본으로 할 수 있다. 희토류 도프형 고체상 레이저, 루비 레이저, 알렉산더 레이저, Nd:YAG 레이저 및 Ho:YLF 레이저는 모두 펄스형 방식에서 높은 반복율로 작동될 수 있고 본 발명에서 사용될 수 있는 레이저의 예이다. 상기 고체상 레이저는 기본적인 레이저 파장의 화성을 형성하기 위하여 비선형 주파수-더블링 또는 주파수-트리플링 결정을 포함할 수 있다. 초음파 방사의 간섭 광선을 만드는 고체상 레이저는 본 발명에서 직접 사용될 수 있거나 또는 자외선 및 가시 영역의 넓은 영역에서 조정할 수 있는 출력 광선을 생산하기 위하여 염료 레이저와 함께 사용될 수 있다. 넓은 영역의 조정성은 레이저 파장을 카테터의 원 말단에 위치하는 유체의 흡수 특성과 일치시키는데 있어서 광범위한 융통성을 제공한다. 출력 광선은 광섬유에 의해 예컨대 피하 카테터를 통하여 수술 위치에 연결된다. 작동시에, 펄스형 광선은 종래 기술의 장치보다 하부 조직을 덜 손상시키고 혈관벽을 천공시킬 가능성이 낮으면서 혈전 또는 동맥 경화성 플라크를 제거 및/또는 유화시키는 초음파 여기를 제공한다.
다양한 기타 펄스형 레이저가 상기 개시된 레이저원을 대신할 수 있다. 마찬가지로, 다양한 염료 및 구조가 염료 레이저에 사용될 수 있다. 염료-함침형 플라스틱 필름 또는 큐벳-함유형 염료와 같은 자유 유동형 염료 이외의 형태가 염료 레이저에서 사용될 수 있다. 염료 레이저는 또한 복수의 상이한 염료를 저장할 수있으며 사용자에 의한 조절 신호 또는 사용중에 부닥치는 상황(예컨대, 혈액이 충전된 영역으로부터 식염수 영역으로 스위칭할 때 또는 칼슘성 퇴적물에 따라)에 따라 자동적으로 서로 대체될 수 있다. 본 발명의 염료 레이저 성분에 사용하기에 적합한 염료는 예컨대 P-테르페닐(피이크 파장: 339); BiBuQ(피이크 파장: 385); DPS(피이크 파장: 405); 및 쿠마린 2(피이크 파장: 448)를 포함한다.
다른 실시 형태에 있어서 펄스형 광원은 주파수-더블형 또는 주파수-트리플형 고체상 레이저에 의해 펌핑되는 광학 파라메트릭 발진기(OPO, optical parametric oscillator)일 수 있다. OPO 시스템은 주로 고체상 광학 성분으로 구성된 콤팩트 시스템에서 광범위한 파장 조정성을 가능하게 한다. OPO 시스템에서 레이저 파장은 또한 사용자에 의한 조절 신호 또는 사용중에 부닥치는 상황에 따라 자동적으로 변화될 수 있다.
본 발명을 실시하는데 있어서 유용한 카테터는 다양한 형태를 가질 수 있다. 예컨대, 하나의 실시 형태는 3.5㎜ 이하, 바람직하게는 2.5㎜ 이하의 외경을 갖는 카테터로 구성될 수 있다. 직경이 400미크론인 광섬유 또는 SG800 섬유(Spectran, Inc.제조, 미국 매사추세츠주 Sturbridge 소재)와 같은 더 작은 실리카(융합 석영) 섬유도 상기 카테터의 범위내에 있다. 카테터는 플러슁(flushing) 및 흡입부를 제공하기 위하여 다중-내강일 수 있다. 하나의 실시 형태에 있어서, 카테터 말단은 방사선 비투과성 내열 재료로 제조될 수 있다. 상기 방사선 비투과성 말단은 형광투시기 아래에 카테터를 위치시키는데 사용될 수 있다.
본 발명은 반향그래픽 또는 광음향 영상 시스템 또는 광학 조망 시스템과 같은 영상 시스템을 포함하는 장치뿐만 아니라 형광투시기의 인도에 따라 작동하는 장치를 포함하여 다양한 카테터 장치와 함께 사용될 수 있다. 상기 카테터 환경에 특별히 적용될 수 있는 광음향 영상 시스템의 한 예로서 본 발명의 참고 자료로 포함된 미국 특허 4,504,727호를 참조한다.
구체적으로 기재된 실시 형태에 있어서의 변화 및 변형은 첨부된 청구항의 범위에 의해 한정된 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 실시될 수 있다.

Claims (48)

  1. 근 말단 및 원 말단을 포함하는 광섬유를 혈관 조직내의 폐색 부위에 삽입하고;
    상기 근 말단에 레이저광을 연결시키고, 상기 레이저광이 (i) 5kHz 내지 25kHz의 펄스 주파수, (ii) 200㎚ 내지 5000㎚의 파장 및 (iii) 0.01J/㎝2내지 4J/㎝2의 에너지 밀도를 가지며, 상기 레이저광이 상기 원 말단으로부터 방출되어 주변의 액상 매질에 음향 방사장을 생성시키며, 상기 음향 방사장이 상기 주변 액상 매질내의 열탄성 확장 및 상기 주변 액상 매질내의 과열 증기 확장으로 이루어진 군으로부터 선택된 메카니즘을 통하여 생성되는 것을 포함하는, 피하 내강 통과 접근 과정에 있어서 대뇌혈관 조직에 음향 에너지를 전달하는 방법.
  2. 근 말단 및 원 말단을 포함하는 광섬유를 혈관 조직내의 폐색 부위에 삽입하고;
    상기 근 말단에 레이저광을 연결시키고, 상기 레이저광이 (i) 10Hz 내지 100kHz의 펄스 주파수, (ii) 200㎚ 내지 5000㎚의 파장 및 (iii) 0.01J/㎝2내지 4J/㎝2의 에너지 밀도를 가지며, 상기 레이저광이 상기 원 말단으로부터 방출되어 주변의 액상 매질에 음향 방사장을 생성시키는 것을 포함하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 레이저광이 >1kHz 내지 25kHz의 펄스 주파수를 갖는 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 레이저광이 200ns 미만의 펄스 지속 시간을 가지며, 상기 원 말단으로부터 방출되는 레이저 광이 주변의 액상 매질의 열탄성 확장을 통하여 음향 방사장을 생성시키는 방법.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 원 말단으로부터 방출되는 레이저광이 과열 증기 확장을 통하여 음향 방사장을 생성시키는 방법.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 맥관 구조에서 혈관내 폐색의 제거를 위하여 주변 액상 매질에 음향 방사장을 생성시키기 위하여 상기 원 말단으로부터 레이저광이 방출되는 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 혈관내 폐색이 동맥경화성 플라크 및 혈전으로 구성된 군으로부터 선택된 방법.
  8. 제 3항에 있어서, 상기 주변 액상 매질이 혈액; 생물학적 식염수; 흡수성 염료, 혈전 용해성 약제 또는 혈전을 함유하는 생물학적 식염수로 구성된 군으로부터 선택된 방법.
  9. 제 3항에 있어서, 상기 광섬유가 카테터내에 위치하며, 폐색물을 유화시키기 위하여 상기 카테터를 통하여 혈전 용해제를 주변 액상 매질에 주입하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 작업 채널이 상기 카테터내의 광섬유와 평행하며, 카테터를 통하여 폐색물을 유화시키는 혈전 용해제를 주변 액상 매질에 주입하는 단계가 카테터내의 작업 채널을 통하여 폐색물을 유화시키는 혈전 용해제를 주입하는 것을 포함하는 방법.
  11. 제 3항에 있어서, 상기 광섬유가 카테터내에 위치하며, 시각화를 용이하게 하기 위하여 카테터를 통하여 주변 액상 매질에 방사선 사진 콘트라스트제를 주입하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  12. 제 3항에 있어서, 피드백 메카니즘을 통하여 조직에서 유도된 음향 진동의 크기를 모니터하고 제어하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  13. 제 3항에 있어서, 맥관 구조내에 광섬유를 삽입하는 상기 단계가 오목 말단, 볼록 말단 및 평면 말단으로 구성된 군으로부터 선택된 말단을 갖는 광섬유를 삽입하는 것을 포함하는 방법.
  14. 제 3항에 있어서, 맥관 구조내에 광섬유를 삽입하는 상기 단계가 맥관 구조내에 가변성 직경의 광섬유를 갖는 광섬유를 삽입하는 것을 포함하는 방법.
  15. 제 3항에 있어서, 맥관 구조내에 광섬유를 삽입하는 상기 단계가 맥관 구조내에 유리와 플라스틱의 복합체를 포함하는 광섬유를 삽입하는 것을 포함하는 방법.
  16. 제 3항에 있어서, 열탄성적, 열역학적 메카니즘 및 이들 메카니즘의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 메카니즘을 통하여 혈관내의 폐색물의 제거를 위하여 주변 액상 매질에 음향 방사장을 생성시키기 위하여 상기 레이저광이 원 말단으로부터 방출되는 방법.
  17. 제 3항에 있어서, 혈관내의 폐색물의 제거를 위하여 주변 액상 매질에 음향 방사장을 생성시키기 위하여 상기 레이저광이 원 말단으로부터 방출되고, 상기 레이저광이 200ns 미만의 펄스 지속 시간을 가지며, 원 말단으로부터 방출된 상기 레이저광이 주변 액상 매질의 열탄성 확장을 통하여 음향 방사장을 생성시키고, 상기 레이저광이 작은 부피의 상기 주변 액상 매질에 큰 열탄성 응력을 생성시키는 주변 액상 매질에 조절된 수준의 에너지를 제공하며, 상기 레이저광에 의해 가열되는 주변 액상 매질의 부피가 주변 액상 매질에서 레이저광의 흡수 깊이에 의해 결정되고, 상기 부피에서 필요한 열탄성 응력을 생산하기 위하여 상기 흡수 깊이가 조절되는 방법.
  18. 제 3항에 있어서, 혈관내의 폐색물의 제거를 위하여 주변 액상 매질에 음향 방사장을 생성시키기 위하여 상기 레이저광이 원 말단으로부터 방출되고, 상기 레이저광이 최소 치수의 흡수 영역을 가로지르는 음향 통과 시간보다 짧은 시간 안에 흡수 유체내로 모든 레이저 에너지를 축적시키기에 충분히 짧은 펄스 지속 시간을 가지며, 원 말단으로부터 방출된 상기 레이저광이 주변 액상 매질의 열탄성 확장을 통하여 음향 방사장을 생성시키는 방법.
  19. 제 3항에 있어서, 상기 광섬유가 한 다발의 섬유 가닥을 포함하고, 상기 다발의 각 가닥내의 레이저광이 상이한 시간에 근 말단에 도달하며, 상기 상이한 시간은 음향 방사장의 방향 및 형태를 조절하기 위하여 조정되고, 상기 상이한 시간이 각 가닥의 상이한 공간적 위치와 조합되어 조정되는 방법.
  20. 제 3항에 있어서, 상기 레이저광이 신체 조직에서 음향 영상을 형성시키기 위한 신호원으로 사용되는 방법.
  21. 광섬유를 맥관 조직에 삽입하고;
    광섬유의 직경에 상당하는 주변 액상 매질의 부피로 상기 부피의 길이를 가로지르는 음향 통과 시간보다 짧은 시간 동안 레이저 에너지를 축적시키고;
    공동 기포의 최대 크기가 거의 섬유 직경과 동일하도록 레이저 에너지를 조절하며;
    본 방법의 다중 사이클이 주변 유체에 음향 방사장을 생성시키도록 레이저 에너지를 임의의 반복율로 진동시키는 것을 포함하는, 맥관 조직내에 위치하는 주변 액상 매질의 열탄성 확장을 통하여 초음파 방사장을 생성시키는 방법.
  22. 제 20항에 있어서, 공명 작용을 얻기 위하여 상기 레이저 에너지의 레이저 펄스 반복율을 공동 수명과 일치시키는 것을 추가로 포함하는 방법.
  23. 광섬유를 맥관 조직에 삽입하고;
    공동 기포를 생성시키기 위하여 작은 부피의 주변 액상 매질에 레이저 에너지를 축적시키며;
    공동 기포의 최대 크기가 거의 섬유 직경과 동일하도록 레이저 에너지를 조절하고;
    기포 생성 및 붕괴 과정의 다중 사이클이 주변 액상 매질에 음향 방사장을 생성시키도록 레이저 에너지를 임의의 반복율로 진동시키는 것을 포함하는, 맥관 조직내에 위치하는 주변 액상 매질의 증기 확장을 통하여 초음파 방사장을 생성시키는 방법.
  24. 제 23항에 있어서, 공명 작용을 얻기 위하여 상기 레이저 에너지의 펄스 시간을 공동 기포의 공동 수명과 일치시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  25. 근 말단 및 원 말단을 포함하고 혈관 조직내의 폐색 부위에 삽입되는 광섬유; 및
    상기 근 말단에 레이저광을 연결시키고, (i) 10Hz 내지 100kHz의 펄스 주파수, (ii) 200㎚ 내지 5000㎚의 파장 및 (iii) 0.01J/㎝2내지 4J/㎝2의 에너지 밀도를 가지며, 원 말단으로부터 방출되어 주변의 액상 매질에 음향 방사장을 생성시키는 레이저광을 제공하기 위한 레이저를 포함하는 장치.
  26. 제 25항에 있어서, 상기 레이저광이 >1kHz 내지 25kHz의 펄스 주파수를 갖는 장치.
  27. 제 26항에 있어서, 상기 레이저광이 200ns 미만의 펄스 지속 시간을 가지며, 상기 원 말단으로부터 방출되는 레이저 광이 주변의 액상 매질의 열탄성 확장을 통하여 음향 방사장을 생성시키는 장치.
  28. 제 26항에 있어서, 상기 원 말단으로부터 방출되는 레이저광이 과열 증기 확장을 통하여 음향 방사장을 생성시키는 장치.
  29. 제 26항에 있어서, 상기 맥관 구조에서 혈관내 폐색의 제거를 위하여 주변 액상 매질에 음향 방사장을 생성시키기 위하여 상기 원 말단으로부터 레이저광이 방출되는 장치.
  30. 제 29항에 있어서, 상기 혈관내 폐색이 동맥경화성 플라크 및 혈전으로 구성된 군으로부터 선택된 장치.
  31. 제 25항에 있어서, 상기 주변 액상 매질이 혈액; 생물학적 식염수; 흡수성 염료, 혈전 용해성 약제 또는 혈전을 함유하는 생물학적 식염수로 구성된 군으로부터 선택된 장치.
  32. 제 25항에 있어서, 카테터를 추가로 포함하고, 상기 광섬유가 상기 카테터내에 위치하며, 폐색물을 유화시키기 위하여 카테터를 통하여 혈전 용해제가 주변 액상 매질에 주입될 수 있는 장치.
  33. 제 32항에 있어서, 상기 카테터내의 광섬유와 평행한 작업 채널을 추가로 포함하며, 상기 폐색물을 유화시키기 위하여 상기 작업 채널을 통하여 혈전 용해제가 주입될 수 있는 장치.
  34. 제 25항에 있어서, 카테터를 추가로 포함하고, 상기 광섬유가 카테터내에 위치하며, 시각화를 용이하게 하기 위하여 카테터를 통하여 주변 액상 매질에 방사선 사진 콘트라스트제가 주입될 수 있는 장치.
  35. 제 25항에 있어서, 상기 주변 액상 매질에서 유도된 음향 방사장의 크기를 모니터하고 제어하는 장치를 추가로 포함하는 장치.
  36. 제 25항에 있어서, 상기 광섬유가 오목, 볼록 및 평면으로 구성된 군으로부터 선택된 형태를 갖는 말단을 포함하는 장치.
  37. 제 25항에 있어서, 상기 광섬유가 가변성 직경을 포함하는 장치.
  38. 제 37항에 있어서, 상기 광섬유가 광섬유 말단에서 점점 가늘어지는 가변성 직경을 포함하는 장치.
  39. 제 25항에 있어서, 상기 광섬유가 유리와 플라스틱의 복합체를 포함하는 장치.
  40. 제 39항에 있어서, 상기 광섬유가 광섬유 말단에 유리와 짧은 영역의 플라스틱의 복합체를 포함하고, 상기 짧은 영역이 3㎜ 내지 3㎝의 길이를 갖는 장치.
  41. 제 25항에 있어서, 상기 레이저광에 의해 가열되는 주변 액상 매질의 부피가 주변 액상 매질에서 레이저광의 흡수 깊이에 의해 결정되고, 상기 흡수 깊이가 상기 부피에서 필요한 열탄성 응력을 생산하기 위하여 조절되는 장치.
  42. 제 25항에 있어서, 상기 레이저광이 최소 치수의 흡수 영역을 가로지르는 음향 통과 시간보다 짧은 시간 안에 흡수 유체내로 모든 레이저 에너지를 축적시키기에 충분히 짧은 펄스 지속 시간을 가지며, 원 말단으로부터 방출된 상기 레이저광이 주변 액상 매질의 열탄성 확장을 통하여 음향 방사장을 생성시키는 장치.
  43. 제 25항에 있어서, 상기 광섬유가 광 에너지를 주변 액상 매질에 집중시키는 광학 성분으로 사용되도록 구성된 말단을 포함하며, 상기 말단이 또한 필요한 음향 에너지의 생성을 위하여 레이저 에너지의 광선 프로필을 최적화시키도록 구성된 장치.
  44. 제 25항에 있어서, 상기 광섬유가 분쇄, 연마 및 화학적 에칭으로 구성된 군으로부터 선택된 방법에 의해 제조된 표면을 갖는 말단을 포함하는 장치.
  45. 제 25항에 있어서, 상기 레이저가 조정 가능한 파장을 포함하는 장치.
  46. 맥관 조직에 삽입되는 광섬유;
    광섬유의 직경에 상당하는 주변 액상 매질의 부피로 상기 부피의 길이를 가로지르는 음향 통과 시간보다 짧은 시간 동안 레이저 에너지를 축적시키는 장치;
    공동 기포의 최대 크기가 거의 광섬유 직경과 동일하도록 상기 레이저 에너지를 조절하는 장치; 및
    본 방법의 다중 사이클이 주변 유체에 음향 방사장을 생성시키도록 레이저 에너지를 임의의 반복율로 진동시키는 장치를 포함하는, 맥관 조직내에 위치하는 주변 액상 매질의 열탄성 확장을 통하여 초음파 방사장을 생성시키는 장치.
  47. 제 46항에 있어서, 상기 레이저 에너지의 레이저 펄스 반복율을 공동 수명과 일치시키는 장치를 추가로 포함하는 장치.
  48. 맥관 조직에 삽입되는 광섬유;
    공동 기포를 생성시키기 위하여 주변 액상 매질에 레이저 에너지를 축적시키는 장치;
    공동 기포의 최대 크기가 거의 광섬유 직경과 동일하도록 상기 레이저 에너지를 조절하는 장치; 및
    기포 생성 및 붕괴 과정의 다중 사이클이 주변 액상 매질에 음향 방사장을 생성시키도록 레이저 에너지를 임의의 반복율로 진동시키는 장치를 포함하는, 맥관 조직내에 위치하는 주변 액상 매질의 증기 확장을 통하여 초음파 방사장을 생성시키는 장치.
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