KR20210032317A - 소형화된 혈관내 형광 초음파 이미징 카테터 - Google Patents
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Abstract
i) 공간적으로 절단된 광학 렌즈로서, 그의 실질적으로 평면형 표면은 렌즈의 본체로 내부적으로, 프로브의 근위 및 원위 단부들 사이에 송신된 광을 반사하기 위해 축에 대해 기울어지는, 상기 공간적으로 절단된 광학 렌즈, 및 ii) 동시에 (프로브가 타겟 신체 혈관과 교환하는) 방사 및 기계적 에너지들을 송신하는 프로브의 광학 및 전기적 부재들이 프로브의 하우징 내에서 서로 평행하는 동안 프로브의 축에 광학 렌즈와 함께 순차적으로 배치된 음향 트랜스듀서를 포함하는 하이브리드 NIRF/IVUS 이미징 프로브가 개시된다. 프로브를 동작시키는 방법은 타겟의 공간적으로 공동 등록된 광학 및 음향 이미지들의 형성을 야기한다. 관련된 이미징 시스템 및 컴퓨터 프로그램 제품.
Description
관련된 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 2018년 6월 6일에 출원된 미국 가 특허출원 제62/681,272호의 이득을 주장하며, 그 전체 내용은 모든 목적들을 위해 본 명세서에 참조로써 통합된다.
혈관내 초음파(IVUS) 절차는 혈관내 이미징의 현재 임상 표준이며 심혈관 질환의 해부학적 특성들을 평가하기 위해 사용된다. 독립형 IVUS 이미징은 심혈관 질환의 구조적 특징들을 해결한다. 해부학적 정보만을 수집하는 것 이상으로 이미징을 개선하기 위해, 관련된 분야는 IVUS 절차와 관련된 구조적 특징들을 근적외선 형광(NIRF) 분자 이미징을 용이하게 하는 것들과 조합했다. 하이브리드 NIRF-IVUS 가능 카테터는 심혈관 질환의 병태생리학적 및 생물학적 특징들 둘 모두를 동시에 시각화할 수 있다. 이러한 조합들은 생체 내 동물들의 NIRF-IVUS 이미징화 절차 동안 경험적으로 테스트되었다; 그러나, 관련된 분야의 현재 NIRF-IVUS 카테터들의 상당한 제한들은 임상 표준들을 만족시키지 않는 NIRF-IVUS 카테터의 큰 크기(특히, 1.5mm보다 큰 직경을 갖고, 이는 직경이 1mm 미만인 임상 표준 IVUS와 반대임), 및 관련된 분야의 프리즘 기반 해결책들로부터의 광학 집속 부족이다. 이들 2가지 특징들은 관상 동맥들의 고 품질의 임상적으로 안전한 NIRF-IVUS 이미징을 제한하며, 이들 제한들을 극복하는 것을 허용하는 해결책들은 지금까지 보고되지 않았다.
본 발명의 일 실시예는 축 및 시스(sheath)를 가지는 이미징 프로브를 동작시키기 위한 방법을 제공한다. 방법은 적어도: (i) 프로브의 근위 단부와 광학 트랜시버 사이에서 시스 내부의 축을 따라 연장되고 프로브의 근위 단부와 광학 트랜시버를 연결하는 광학 부재 내부로 광을 송신하는 단계; 및 (ii) 시스 내부로 광학 부재와 평행하게 연장되는 전기 전도성 부재를 통해 전기 신호를 송신하고 프로브의 근위 단부 및 음향 트랜스듀서를 연결하는 단계를 포함한다. 여기서, 광학 트랜시버는 광학 부재의 원위 단부에 직접적으로 부착되고 음향 트랜스듀서 및 광학 트랜시버는 축을 따라 서로 순서대로 배치된다. 방법은 광학 트랜시버의 실질적으로 평면형 표면으로부터 이러한 광을 반사하는 단계를 부가적으로 포함할 수 있고(표면이 기울어짐 - 즉, 광학 부재의 광축에 대해 - 에 평행하거나 수직이 아님); 반사는 광학 트랜시버의 본체에서 내부적으로 및 본체로 발생한다. 실질적으로 임의의 구현에서, 방법은: (a) 여기 광의 제 1 빔을 형성하기 위해, 광학 트랜시버의 공간적으로 만곡된 표면을 통해 광학 트랜시버를 둘러싸는 주변 매체로, 실질적으로 평면형 표면에 의해 광학 트랜시버의 본체로 내부적으로 반사된 광을 분리(outcouple)하는 단계; 및 (b) 근위 단부로 전달된 형광 신호를 형성하기 위해 주변 매체로부터 광학 트랜시버의 공간적으로 만곡된 표면을 통해 광학 트랜시버에 의해 수집되고 광학 부재로, 실질적으로 평면형 표면에 의해 광학 트랜시버의 본체로 내부적으로 반사된 광을 결합하는 단계 중 적어도 하나를 부가적으로 포함할 수 있다.
상기 정의된 구현들 중 임의의 것에서, 광을 송신하는 단계의 특정 구현은 (1) 광학 트랜시버의 공간적으로 만곡된 표면에서 광학 부재의 원위 단부에 직접적으로 부착되는 광학 트랜시버를 통해 광을 송신하는 단계; 및/또는 (2) 상기 광학 트랜시버를 포함하는 챔버에서 밀봉되고 상기 광학 트랜시버를 시스로부터 분리하는 유체를 통해 광을 송신하는 단계를 포함한다. 대안적으로 또는 게다가, 유체를 통한 광의 송신은 가스를 통한 광의 송신을 포함할 수 있다.
대안적으로 또는 게다가, 방법의 구현은 기계적 에너지를 생성하고 음향 트랜스듀서의 표면(표면이 축에 대해 기울어져 있음)과 타겟 사이에 이러한 기계적 에너지를 보내는 단계를 포함할 수 있다. 이 후자의 실시예의 특정 구현에서, 다음 조건들 중 적어도 하나가 만족될 수 있다: (a) 기계적 에너지는 음향 트랜스듀서에 의해 생성된 제 2 음향 빔을 포함하고; 제 1 빔으로 조사되고 제 2 빔으로 노출된 둘 모두를 포함하는 영역을 정의하기 위해, (광학 트랜시버의 실질적으로 평면형 표면으로부터의 광을 반사하고 광학 트랜시버의 공간적으로 만곡된 표면을 통해 이러한 광을 송신할 때 광학 트랜시버로부터 시스를 통해 분리된) 여기 광의 제 1 빔을 시스를 통해 전달된 제 2 음향 빔과 공간적으로 중첩시키는 단계를 더 포함하고; (b) 기계적 에너지는 타겟이 제 2 빔으로 노출되는 것에 응답하여 타겟에 형성된 제 3 음향 빔을 포함한다. 이 방법은 타겟으로 하여금 형광 광 및 음향 에너지를 생성하게 하기 위해 타겟에 그렇게 정의된 영역을 배치하는 단계; 및 근위 단부에서 프로브에 동작가능하게 연결된 전자 회로에 의해 리턴 전기 신호 및 형광 광을 공동 등록하기 위해 음향 에너지를 리턴 전기 신호로 전환하면서 실질적으로 평면형 표면에 의해 형광 광을 반사할 때 광학 부재에 의해 형광 광을 수집하는 단계를 더 포함할 수 있다. 임의의 경우에, 공간적으로 중첩시키는 단계는 프로브의 축을 포함하는 평면의 위치에서 제 1 및 제 2 빔들을 공간적으로 중첩시키는 단계를 포함한다.
대안적으로 또는 게다가, 광을 송신하는 단계는 광학 트랜시버가 제 1 공간적으로 만곡된 표면 및 제 2 실질적으로 평면형 표면에 의해 제한된 본체를 갖는 조건들 하에서, 그리고 제 2 광이 제 1 광으로 조사된 시스 외부의 위치에서 방출될 때 광학 트랜시버를 통해 제 1 광 및 제 2 광을 송신하는 단계를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 게다가, 광학 부재 내부로 광을 송신하는 단계 및 전기 전도성 부재를 통해 전기 신호를 송신하는 단계의 각각은 1.2밀리미터보다 작은 직경을 가지는 시스 내부로 에너지를 송신하는 단계를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 게다가, 광학 부재 내부로 광을 송신하는 단계 및 전기 전도성 부재를 통해 전기 신호를 송신하는 단계의 각각은 0.7밀리미터보다 작은 직경을 가지는 시스 내부로 에너지를 송신하는 단계를 포함할 수 있다(이들 경우들 중 임의의 경우에, 이미징 프로브는 시스 내부에 배치되고 동작 동안 회전하도록 구성된 토크 코일을 포함하도록 구조화되고, 에너지를 송신하는 단계는 토크 코일 내부로 에너지를 송신하는 단계를 포함한다). 대안적으로 또는 게다가, 방법의 주어진 구현에서, 다음의 조건들 중 적어도 하나가 만족될 수 있다:
(i) 광학 부재 내부로 광을 송신하는 단계는 렌즈형 광섬유를 통해 광을 송신하는 단계를 포함하고;
(ii) 광학 부재 내부로 광을 송신하는 단계는 절단된 반사 표면으로 종단된 광섬유를 통해 광을 송신하는 단계를 포함하고;
(iii) 이미징 프로브의 동작은 광학 프리즘을 사용하지 않고;
(iv) 음향 트랜스듀서 및 광학 트랜시버는 프로브의 축에 순차적으로 배치된다.
실질적으로 임의의 구현에서, 방법은 부가적으로, a) 제 1 위치에서 해부학적 구조를 표현하는 제 1 이미지를 형성하기 위해 시스 외부의 제 1 위치로부터 음향 트랜시버로 얻어진 리턴 전기 신호를 수신하는 단계; 및 b) 제 2 위치를 특징짓는 분자 구조의 제 2 이미지를 형성하기 위해 시스 외부의 제 2 위치로부터 광학 트랜시버를 통해 송신 시에 얻어진 리턴 광 신호를 수신하는 단계를 포함할 수 있고, 리턴 광 신호는 타겟이 광학 부재의 근위 단부로부터 전달되고 실질적으로 평면형 반사기에 의해 광학 트랜시버의 본체로 내부적으로 반사된 여기 광으로 조사되는 것에 응답하여 타겟에서 생성된 형광을 포함한다. 이들 단계들은 프로브의 근위 단부에서 광전자 회로의 사용을 통해 구현된다.
본 발명의 실시예들은 부가적으로, 프로브 축을 가지는 이미징 프로브를 제공하고 이미징 프로브는: 프로브의 근위 단부로부터 프로브의 원위 단부까지 프로브 축에 평행하게 연장되고 프로브의 원위 단부에서 광학적으로 투명한 부재에 일체로 부착된 광학 트랜시버로 종단된 광학적으로 투명한 부재; 및 프로브의 근위 단부로부터 프로브의 원위 단부까지 광학적으로 투명한 부재에 평행하게 연장되고 음향 트랜스듀서로 종단된 전기 전도성 부재를 포함한다. 여기서, 음향 트랜스듀서 및 광학 트랜시버는 프로브 축에 순차적으로 배치된다. 실시예는 부가적으로, 광학적으로 투명한 부재, 광학 트랜시버, 전기 전도성 부재, 및 음향 트랜스듀서를 적어도 부분적으로 둘러싸고 직경이 1.2mm를 초과하지 않도록 치수화된 하우징 소자를 부가적으로 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 게다가. 하우징 소자는 직경이 0.7mm를 초과하지 않도록 구성된다(이들 경우들 중 임의의 경우에, 이미징 프로브는 시스 내부에 배치되고 동작 동안 회전하도록 구성된 토크 코일을 부가적으로 포함하고, 광학적으로 투명한 부재 및 전기 전도성 부재의 각각은 토크 코일 내부에 배치된다).
하우징 소자가 존재하는 실질적으로 임의의 실시예에서, 하우징 소자는 하우징 소자의 벽에 제 1 및 제 2 개구들을 포함하고, 제 1 개구는 광학적으로 투명하고 제 2 개구는 음향적으로 투명하고, 제 1 및 제 2 개구들은 광학 트랜시버 및 음향 트랜스듀서와 각각 공간적으로 조정된다(특정 경우에, 이들 제 1 및 제 2 개구들은 프로브의 축에 대해 하우징의 동일한 측에 형성된다). 실질적으로 임의의 실시예에서, 광학 트랜시버는 광학 렌즈의 평면형 표면을 갖는 평면 볼록 광학 렌즈로서 구성되고, 광학 렌즈의 평면형 표면은 광학적으로 투명한 부재의 축에 대해 경사진다(기울어지고, 수직도 아니고 평행하지도 않음).
음향 트랜스듀서 및 광학 트랜시버는 광의 제 1 빔(광학적으로 투명한 부재를 통해 전달되고, 광학 트랜시버의 실질적으로 평면형 표면으로부터 반사되며, 광학 트랜시버를 통해 프로브를 둘러싸는 매체로 송신됨) 및 음향 에너지의 제 2 빔(근위 단부로부터 매체로 전기 전도성 부재를 통해 전달된 전기 신호에 응답하여 음향 트랜스듀서에 의해 생성됨)이 프로브를 둘러싸는 매체의 위치에서 중첩하도록 지향될 수 있다. 특정 경우에, 이러한 위치는 하우징의 축을 포함하는 평면에서 정의된다.
실질적으로 임의의 실시예에서, 이미징 프로브는 적어도 광학 트랜시버를 포함하고 이러한 챔버의 벽으로부터 광학 트랜시버를 분리하는 유체로 채워진 유체 밀봉 챔버를 포함하도록 구성될 수 있다. 실질적으로 임의의 실시예에서, 광학 트랜시버는 공간적으로 만곡된 표면 및 실질적으로 평면형 표면에 의해 공간적으로 제한되고 공간적으로 만곡된 표면에서 광학적으로 투명한 부재에 직접적으로 부착된 본체를 갖도록 포맷될 수 있다. 실질적으로 임의의 실시예에서, 이미징 프로브에는 광학 프리즘이 없다(그것을 포함하지 않음).
본 발명은 도면들과 결부하여 특정 실시예들의 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 더 완전하게 이해될 것이다.
도 1a, 도 1b는 카테터의 실시예에서 NIRF 및 IVUS 센서들의 공간 배치의 예들의 개략적으로 도시한 도면들이다. 도 1a: IVUS 센서는 NIRF 센서 다음의 카테터의 실시예의 원위 단부에 위치된다. 도 1b: NIRF 센서는 IVUS 센서 다음의 카테터의 실시예의 원위 단부에 위치된다.
도 1c 및 도 1d는 본 발명의 실시예의 직렬(순차적) 배열과의 관련된 분야의 NIRF-IVUS 실시예의 병렬 공간 배열의 비교를 제공하는 도면들이다.
도 1e, 도 1f는 렌즈의 반사 평면형 표면을 갖도록 구조화되는 절단된 볼 렌즈로 종단된 프로브의 실시예의 광학적으로 투명한 부재(채널)를 개략적으로 도시한 도면들이다. 도 1e: 측면도; 도 1f는 상면도(화살표(AA)를 따름).
도 1g, 도 1h는 반사 평면형 표면을 정의하는 절단된 볼 렌즈로 종단된 공간적으로 테이퍼링된 광섬유로서 구성된 본 발명의 일 실시예의 광학적으로 투명한 부재를 개략적으로 도시한 도면들이다. 도 1g: 측면도; 도 1h: 상면도(화살표(BB)를 따름).
도 2a, 도 2b, 도 2c는 카테터 시스 없이 도시된 본 발명의 하이브리드 카테터의 일 실시예를 도시한 도면들이다: 도 2a는 사시도; 도 2b는 원위 단부를 향해 축을 따르는 뷰를 도시한 도면; 도 2c는 근위 단부를 향해 축을 따르는 뷰를 도시한 도면.
도 3은 카테터 시스를 갖는 도 2a, 도 2b, 도 2c의 실시예의 도면이다.
도 4는 이미징 카테터의 실시예의 상세들 없는, 카테터 시스 및 카테터 망원경 만의 외부 뷰를 제공하는 도면이다.
도 5a, 도 5b, 도 5c는 초음파 및 광학 빔들의 상이한 조향 각도들을 도시하기 위해 본 발명의 아이디어에 따라 구조화된 카테터의 일 실시예의 특정 구성요소들을 상이한 뷰들로 개략적으로 도시한 도면들이다. 도 5a: 카테터의 종방향 뷰. 상이한 조향 각도들은 광학 및 초음파 빔들의 공간 중첩을 허용하여 IVUS 및 NIRF 이미지들의 공간 공동 등록을 가능하게 한다. 도 5b: 카테터의 종방향 뷰. 구현은 IVUS 센서 및 NIRF 센서 윈도우들이 상이한 방향들로 향하고 있는 경우이다. 도 5c: 카테터의 축방향 뷰. 카테터의 구현은 광학 빔 및 IVUS 빔이 축 방향에서 각도(γ)로 변위되는 경우이다.
도 6a, 도 6b는 본 발명의 카테터의 완전 조립된 실시예의 개략도들이다. 여기서, 도 6a는 임상 적용을 위해 구성된 주요 특징들(모노레일 액세스 및 플러싱 능력과 같은)을 구비한 카테터의 모델을 도시하고, 도 6b는 3.4F 카테터 시스에 삽입된 카테터의 실시예를 도시한다.
도 7은 광학 프리즘 소자를 활용한 관련된 분야의 동작으로, 카테터의 동작 동안 카테터의 실시예의 광학 채널로부터 분리된, 센서로부터의 거리의 함수로서 광학 방사선의 집속 지점의 품질의 개선을 도시하는 플롯(A)을 포함하는 도면이다. 삽입물들(B 및 C)은 각각, 본 발명의 일 실시예에 따라 구조화된 렌즈로 종단된 광섬유, 및 광학 채널의 렌즈로부터 약 15mm의 거리에서 광학 빔의 단면 프로파일을 도시한다.
도 8은 다음의 구조적 및/또는 재료 및/또는 동작 특성들을 요약한 표이다. a) 관련된 분야의 하이브리드 이미징 프로브(표에서 v.1.0으로서 지정되고 서로 평행한 광 신호 송신 부재 및 전기 신호 송신 부재와 광학 프리즘을 포함하고, 광학 프리즘은 음향 트랜스듀서와 평행하고 그 옆의 광 신호 송신 부재로 광을 결합하고 그로부터 광을 분리하도록 구성된다, 도 1c에 따라; 생체 내에서 테스트됨); b) 본 발명의 아이디어에 따른 프로브의 일 실시예(v..2.0으로서 표시됨, 절단된 렌즈 소자, 및 프로브의 축의 음향 트랜스듀서를 포함하는 광학 트랜시버의 직렬/순차적 위치 지정은 생체 외에서 테스트됨). 카테터 시스의 단면 치수(프로브의 본체의 윤곽을 보여줌)는 1.2mm를 초과하지 않고 시스 내부의 프로브의 본체는 그의 단면 치수가 0.7mm를 초과하지 않는다; 및 c) 더 치수가 감소된 v. 2.0의 실시예(표에서 v.3.0으로서 표시됨).
도 9는 생체 외 토끼 대동맥에서 본 발명의 카테터의 일 실시예의 풀백(pull-back) 동안 얻어진 광 신호의 묘사를 도시한 도면이다.
도 10a, 도 10b, 도 10c는 생체 외 실험 및 NIRF-IVUS 이미지 재구성의 예시를 제공하는 도면들이다. 도 10a는 절제된 대동맥 혈관인 본 발명의 카테터의 3.4F 실시예를 도시한다. AF750 염료가 있는 모세관은 혈관의 카테터 옆에 위치하여 NIRF 대비를 가능하게 한다. 도 10b는 이미지들 둘 모두에서 대동맥 및 모세관을 도시하는 NIRF 이미지와 IVUS 이미지의 중첩을 제공한다. 도 10c: 대동맥 혈관의 깊이 프로파일(공간적으로 풀린) IVUS 이미지.
도 11은 이미징 시스템의 일 실시예의 주변 부분(들)의 단순화된 개략도이다.
도 12는 본 발명의 NIRF 서브 시스템의 일 실시예의 개략도이다.
도 13은 본 발명의 이미지 데이터 획득 및 데이터 프로세싱 서브 시스템의 실시예의 개략도이다.
도 14는 본 발명의 이미징 시스템의 주변 서브 시스템들과 시스템에 구비되는 프로브의 일 실시예 사이에 동작 인터페이스를 제공하는 모터 구동(전기 기계) 디바이스를 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예의 동작을 위한 방법의 선택된 단계들을 도시하는 흐름도이다.
도 16a는 감지 소자로부터의 거리의 함수로서 빔 프로파일러로 측정된 광학 플루언스(optical fluence)를 표현하는 경험적으로 얻어진 데이터 사이의 비교를 제공하는 플롯들을 포함하는 도면이다. 400um 직경의 절단된 볼 렌즈(BL400) 및 360um 직경의 절단된 볼 렌즈(BL360)로 종단된 프로브의 광학 채널로부터의 출력들은 다른 동일한 광학 채널의 끝에서 광학 프리즘을 이용하는 일 실시예와 비교하여 각각 거의 4배 및 3배 더 높은 플루언스를 입증한다.
도 16b는 센서들로부터의 거리의 함수로서 빔 프로파일러로 측정된 빔 프로파일들을 도시한 도면이다. 400um 직경의 절단된 볼 렌즈(BL400) 및 360um 직경의 절단된 볼 렌즈(BL360)는 관련된 분야의 프리즘 기반 실시예에 비해 가장 작은 빔 폭들을 보여준다.
도 17은 본 발명의 구성요소들의 공간적 위치 지정에 대한 개략적인 예시를 제공하는 도면이다.
일반적으로, 도면들의 단순성, 명확성, 및 이해를 적절하게 용이하게 하기 위해 도면들에서 소자들의 크기들 및 상대적인 축척들은 실제의 것들과 상이하게 설정될 수 있다. 동일한 이유로, 하나의 도면에 존재하는 모든 소자들이 반드시 또 다른 도면에 도시될 수 없다.
도 1a, 도 1b는 카테터의 실시예에서 NIRF 및 IVUS 센서들의 공간 배치의 예들의 개략적으로 도시한 도면들이다. 도 1a: IVUS 센서는 NIRF 센서 다음의 카테터의 실시예의 원위 단부에 위치된다. 도 1b: NIRF 센서는 IVUS 센서 다음의 카테터의 실시예의 원위 단부에 위치된다.
도 1c 및 도 1d는 본 발명의 실시예의 직렬(순차적) 배열과의 관련된 분야의 NIRF-IVUS 실시예의 병렬 공간 배열의 비교를 제공하는 도면들이다.
도 1e, 도 1f는 렌즈의 반사 평면형 표면을 갖도록 구조화되는 절단된 볼 렌즈로 종단된 프로브의 실시예의 광학적으로 투명한 부재(채널)를 개략적으로 도시한 도면들이다. 도 1e: 측면도; 도 1f는 상면도(화살표(AA)를 따름).
도 1g, 도 1h는 반사 평면형 표면을 정의하는 절단된 볼 렌즈로 종단된 공간적으로 테이퍼링된 광섬유로서 구성된 본 발명의 일 실시예의 광학적으로 투명한 부재를 개략적으로 도시한 도면들이다. 도 1g: 측면도; 도 1h: 상면도(화살표(BB)를 따름).
도 2a, 도 2b, 도 2c는 카테터 시스 없이 도시된 본 발명의 하이브리드 카테터의 일 실시예를 도시한 도면들이다: 도 2a는 사시도; 도 2b는 원위 단부를 향해 축을 따르는 뷰를 도시한 도면; 도 2c는 근위 단부를 향해 축을 따르는 뷰를 도시한 도면.
도 3은 카테터 시스를 갖는 도 2a, 도 2b, 도 2c의 실시예의 도면이다.
도 4는 이미징 카테터의 실시예의 상세들 없는, 카테터 시스 및 카테터 망원경 만의 외부 뷰를 제공하는 도면이다.
도 5a, 도 5b, 도 5c는 초음파 및 광학 빔들의 상이한 조향 각도들을 도시하기 위해 본 발명의 아이디어에 따라 구조화된 카테터의 일 실시예의 특정 구성요소들을 상이한 뷰들로 개략적으로 도시한 도면들이다. 도 5a: 카테터의 종방향 뷰. 상이한 조향 각도들은 광학 및 초음파 빔들의 공간 중첩을 허용하여 IVUS 및 NIRF 이미지들의 공간 공동 등록을 가능하게 한다. 도 5b: 카테터의 종방향 뷰. 구현은 IVUS 센서 및 NIRF 센서 윈도우들이 상이한 방향들로 향하고 있는 경우이다. 도 5c: 카테터의 축방향 뷰. 카테터의 구현은 광학 빔 및 IVUS 빔이 축 방향에서 각도(γ)로 변위되는 경우이다.
도 6a, 도 6b는 본 발명의 카테터의 완전 조립된 실시예의 개략도들이다. 여기서, 도 6a는 임상 적용을 위해 구성된 주요 특징들(모노레일 액세스 및 플러싱 능력과 같은)을 구비한 카테터의 모델을 도시하고, 도 6b는 3.4F 카테터 시스에 삽입된 카테터의 실시예를 도시한다.
도 7은 광학 프리즘 소자를 활용한 관련된 분야의 동작으로, 카테터의 동작 동안 카테터의 실시예의 광학 채널로부터 분리된, 센서로부터의 거리의 함수로서 광학 방사선의 집속 지점의 품질의 개선을 도시하는 플롯(A)을 포함하는 도면이다. 삽입물들(B 및 C)은 각각, 본 발명의 일 실시예에 따라 구조화된 렌즈로 종단된 광섬유, 및 광학 채널의 렌즈로부터 약 15mm의 거리에서 광학 빔의 단면 프로파일을 도시한다.
도 8은 다음의 구조적 및/또는 재료 및/또는 동작 특성들을 요약한 표이다. a) 관련된 분야의 하이브리드 이미징 프로브(표에서 v.1.0으로서 지정되고 서로 평행한 광 신호 송신 부재 및 전기 신호 송신 부재와 광학 프리즘을 포함하고, 광학 프리즘은 음향 트랜스듀서와 평행하고 그 옆의 광 신호 송신 부재로 광을 결합하고 그로부터 광을 분리하도록 구성된다, 도 1c에 따라; 생체 내에서 테스트됨); b) 본 발명의 아이디어에 따른 프로브의 일 실시예(v..2.0으로서 표시됨, 절단된 렌즈 소자, 및 프로브의 축의 음향 트랜스듀서를 포함하는 광학 트랜시버의 직렬/순차적 위치 지정은 생체 외에서 테스트됨). 카테터 시스의 단면 치수(프로브의 본체의 윤곽을 보여줌)는 1.2mm를 초과하지 않고 시스 내부의 프로브의 본체는 그의 단면 치수가 0.7mm를 초과하지 않는다; 및 c) 더 치수가 감소된 v. 2.0의 실시예(표에서 v.3.0으로서 표시됨).
도 9는 생체 외 토끼 대동맥에서 본 발명의 카테터의 일 실시예의 풀백(pull-back) 동안 얻어진 광 신호의 묘사를 도시한 도면이다.
도 10a, 도 10b, 도 10c는 생체 외 실험 및 NIRF-IVUS 이미지 재구성의 예시를 제공하는 도면들이다. 도 10a는 절제된 대동맥 혈관인 본 발명의 카테터의 3.4F 실시예를 도시한다. AF750 염료가 있는 모세관은 혈관의 카테터 옆에 위치하여 NIRF 대비를 가능하게 한다. 도 10b는 이미지들 둘 모두에서 대동맥 및 모세관을 도시하는 NIRF 이미지와 IVUS 이미지의 중첩을 제공한다. 도 10c: 대동맥 혈관의 깊이 프로파일(공간적으로 풀린) IVUS 이미지.
도 11은 이미징 시스템의 일 실시예의 주변 부분(들)의 단순화된 개략도이다.
도 12는 본 발명의 NIRF 서브 시스템의 일 실시예의 개략도이다.
도 13은 본 발명의 이미지 데이터 획득 및 데이터 프로세싱 서브 시스템의 실시예의 개략도이다.
도 14는 본 발명의 이미징 시스템의 주변 서브 시스템들과 시스템에 구비되는 프로브의 일 실시예 사이에 동작 인터페이스를 제공하는 모터 구동(전기 기계) 디바이스를 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예의 동작을 위한 방법의 선택된 단계들을 도시하는 흐름도이다.
도 16a는 감지 소자로부터의 거리의 함수로서 빔 프로파일러로 측정된 광학 플루언스(optical fluence)를 표현하는 경험적으로 얻어진 데이터 사이의 비교를 제공하는 플롯들을 포함하는 도면이다. 400um 직경의 절단된 볼 렌즈(BL400) 및 360um 직경의 절단된 볼 렌즈(BL360)로 종단된 프로브의 광학 채널로부터의 출력들은 다른 동일한 광학 채널의 끝에서 광학 프리즘을 이용하는 일 실시예와 비교하여 각각 거의 4배 및 3배 더 높은 플루언스를 입증한다.
도 16b는 센서들로부터의 거리의 함수로서 빔 프로파일러로 측정된 빔 프로파일들을 도시한 도면이다. 400um 직경의 절단된 볼 렌즈(BL400) 및 360um 직경의 절단된 볼 렌즈(BL360)는 관련된 분야의 프리즘 기반 실시예에 비해 가장 작은 빔 폭들을 보여준다.
도 17은 본 발명의 구성요소들의 공간적 위치 지정에 대한 개략적인 예시를 제공하는 도면이다.
일반적으로, 도면들의 단순성, 명확성, 및 이해를 적절하게 용이하게 하기 위해 도면들에서 소자들의 크기들 및 상대적인 축척들은 실제의 것들과 상이하게 설정될 수 있다. 동일한 이유로, 하나의 도면에 존재하는 모든 소자들이 반드시 또 다른 도면에 도시될 수 없다.
본 명세서의 전반에 걸쳐 "하나의 실시예", "일 실시예", "관련된 실시예", 또는 유사한 언어에 대한 언급들은 "실시예"로 언급된 것과 관련하여 설명된 특정한 특징, 구조, 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함됨을 의미한다. 따라서, 문구들 "하나의 실시예에서", "일 실시예에서", 및 본 명세서의 전반에 걸쳐 유사한 언어의 출현들은 모두 동일한 실시예를 언급할 수 있지만 반드시 그런 것은 아니다. 그 자체로 그리고 가능한 도면과 관련하여 취해진, 본 발명의 어느 부분도 본 발명의 모든 특징들의 완전한 설명을 제공하도록 의도되지 않음을 이해해야 한다.
본 발명의 아이디어의 특정 구현(들)의 특징들은 대응하는 도면들을 참조하여 설명되며, 여기서 유사한 부호들은 언제든 가능하면 동일하거나 유사한 소자들을 표현한다. 도면들에서, 묘사된 구조적 소자들은 일반적으로 축척대로 그려지지 않고, 특정 구성요소들은 강조 및 이해의 목적들을 위해 다른 구성요소들에 비해 확대된다. 어떠한 단일 도면도 본 발명의 모든 특징들의 완전한 설명을 지원하도록 의도되지 않음을 이해해야 한다. 즉, 주어진 도면은 일반적으로, 본 발명의 특징들 중 일반적으로 전부가 아닌 일부만을 설명한다. 주어진 도면 및 이러한 도면을 참조하는 설명을 포함하는 본 발명의 연관된 부분은 일반적으로, 주어진 도면 및 논의를 단순화하는 목적들을 위해, 그리고 이 도면에 특별히 포함되는 특정한 소자들에 대한 논의를 진행하기 위해 이 뷰에서 제공될 수 있는 모든 특징들 또는 특정한 뷰의 모든 소자들을 포함하지 않는다. 숙련된 기술자는 본 발명이 특정 특징들, 소자들, 구성요소들, 구조들, 상세들, 또는 특성들 중 하나 이상 없이, 또는 다른 방법들, 구성요소들, 재료들, 등을 사용하여 가능하게 실행될 수 있음을 인식할 것이다. 따라서, 본 발명의 일 실시예의 특정한 상세가 이러한 실시예를 설명하는 각각의 그리고 모든 도면에 반드시 도시될 수 없을지라도, 설명의 문맥이 달리 요구하지 않는 한 도면에서 이 상세의 존재는 암시될 수 있다. 다른 사례들에서, 잘 알려진 구조들, 상세들, 재료들, 또는 동작들은 논의되고 있는 본 발명의 일 실시예의 양태들을 모호하게 하는 것을 회피하기 위해 상세히 설명되거나 주어진 도면에 도시되지 않을 수 있다.
본 개시에 첨부된 청구항들에서 인용된 바와 같이 본 발명은 본 개시를 전체적으로 고려하여 평가되도록 의도된다.
동시 분자 및 구조적 이미징을 위해 구성된 서브-3F 카테터 또는 프로브를 제공하지 못하는 관련된 분야의 지속되는 문제점은 동시에, 광학 및 음향 신호를 송신하는 가늘고 긴 부재들(카테터의 근위 단부와 협력하는 적절한 전자 및/또는 광학 회로와 대응하는 센서들을 동작가능하게 연결시킴)을 실질적으로 서로 및 카테터의 축에 평행하게 배치하면서 하이브리드 NIRF-IVUS 프로브의 센서들을 카테터의 실시예의 축을 따라 직렬 방식으로서 구성함으로써 해결된다. 특히, 제안된 해결책은 임상 이미징을 위해 적합하고 관련된 분야의 독립형 임상 IVUS 카테터보다 크지 않도록 치수화된, 0.55mm 또는 그보다 작은 외부 직경을 가지는 하이브리드 NIRF-IVUS 카테터를 제공한다.
실시예의 광학 채널의 동작에 사용된, 광학 빔의 공간적 특성들을 이미징 프로브의 원위 단부에서 광학 채널의 종단 부근에서 실질적으로 일정하게 유지하는 관련된 분야의 불능의 문제점은 광학 채널의 일부로서 광학 프리즘 소자들의 사용을 회피함으로써 해결된다(특히, 접착제에 의해 절단된 광섬유에 부착되고 인입하는 광학 빔의 약 90% 또는 그보다 큰 반사를 제공하는 프리즘의 사용을 회피하여, 프로브의 광학 채널과 주변 매체 사이로 이러한 빔을 송신함). 대신에, 본 발명의 실시예들은 적어도 부분적으로 유체로 채워진(하나의 구현에서 - 적절한 기체 물질, 관련된 선택적 구현에서 - 부분적으로 액체로 채워짐) 챔버 내에서 광섬유 종단 렌즈를 동시에 분리하면서, 광학 채널의 축에 대해 기울어지는 실질적으로 평면형 표면 및 만곡된 표면을 가지는 신중한 형상의 렌즈(judiciously-shaped lens)로 광학 채널을 종단하도록 구조화된다.
NIRF/IVUS 이미지들의 공동 등록의 구조적 어려움에서 드러나는 관련된 분야의 실시예들의 지속적인 동작 단점은 카테터의 축에 대해 미리 정의된 각도들로 기울어지도록 초음파 트랜스듀서 및 평면형 반사 표면의 각각을 구성함으로써 및/또는 광학 및 음향 센서들을 포함하는 페룰(ferrule)의 초음파 투명 및 광학적으로 투명 윈도우들의 공간 방위를 신중하게 구성함으로써 해결된다.
구체적으로, 본 발명의 바람직한 실시예들에 따르면, 관련된 분야의 현재 광학 프리즘 보완 모델들보다는 신중하게 치수화된 렌즈(하나의 예에서 - 적절하게 절단된 구형/볼 렌즈의 형상의)를 구비한 광섬유를 통합하는 구조적으로 통합된 NIRF-IVUS 카테터의 소형화된 버전의 실시예들에 대한 방법들 및 장치가 개시된다. 이렇게 구조화되어, 실시예들은 IVUS 절차들의 중요한 치수 표준들을 만족시키고 동작 시에, 의도된 타겟으로부터의 초음파 신호 검출과 병행하여 형광 광의 수집을 개선하기 위해 적절하게 소형화된다. 특히, 관련된 분야와는 달리, 하이브리드 NIRF-IVUS 설계는 특수화된 가스 챔버에서 그것의 굴절률을 보존하고, 그에 의해 고도로 집속된 이미징 및 소형화된 해결책을 허용하는 렌즈형 섬유의 새로운 구현에 기초하여, 임상적으로 이용된 IVUS 카테터들의 크기와 대략 동일한 크기이고 이전 설계들에 비해 개선된 NIRF 신호 감도가 딸려 온다. 본 발명의 실시예들에서 활용된 구체적으로 렌즈형 광섬유는 부가적으로 다음을 용이하게 한다:
- 타겟에 대한 더 높은 광 플루언스로 인한 증가된 NIRF 감도
- 카테터의 대량 생산을 가능하게 하는 간단한 구현
- 관상 동맥들의 임상적으로 실행가능한 NIRF-IVUS 이미징을 허용하는 매우 작은 카테터 크기(약 0.55mm); 뿐만 아니라
- 렌즈형 섬유의 폴리싱/반사 각도의 적절한 선택을 통해 광학 빔을 조향하고, 그에 따라 NIRF-IVUS 이미지 공동 등록을 위한 초음파 및 광학 빔들의 공간적 중첩을 가능하기 위한 능력.
본 발명의 NIRF-IVUS 카테터의 실시예들은 사전 임상 및 임상 환경들에서 심혈관 질환의 혈관내 이미징에 사용되도록 구성된다. 새로운 카테터는 또한, 신약들(예를 들면, PCSK9 억제제들 또는 칸키누맙과 같은)을 테스트하기 위한 약물치료 시험들을 위해 유용할 수 있다. NIRF-IVUS 기술을 갖는 우리의 카테터는 또한, 그것이 염증, 섬유소, 내피 누출, 등에 대한 상이한 분자 프로브들과 결합될 수 있기 때문에, 새로운 조사 약물들 및 스텐트들을 테스트하기 위해 유용할 수 있다.
본 발명의 아이디어에 따르면, 하이브리드 NIRF-IVUS 카테터의 일 실시예는 광 및 사운드를 선택된 타겟(혈관내 적용들의 경우 혈관 벽)으로 안내하기 위해 초음파 트랜스듀서 및 절단된 볼 렌즈로서 구성된 광학 렌즈 - 실시예의 원위 부분에서 둘 모두 - 를 포함한다. 당업자는 NIRF-IVUS 시스템을 위한 렌즈형 섬유 - 절단된 볼 렌즈의 일 실시예로 보완된 광섬유는 고사하고 - 의 사용이 카테터의 광섬유에 및 그로부터 광 신호들을 결합/분리하기 위해 광학 프리즘을 종래적으로 사용하는 다른 IVUS 및 NIRF 디바이스들로 현재 실현되지 않는다는 사실을 잘 알고 있다. 이를 위해, 도 1a, 도 1b는 실시예의 원위 부분(130)에서 본 발명의 카테터의 실시예(100)의 광섬유 구성요소(이 도면들에서 광섬유 구성요소의 원위 단부를 표현하는)의 렌즈(120) 및 IVUS 트랜스듀서 구성요소(110)의 상호 공간 배치를 개략적으로 도시한다. IVUS 트랜스듀서(110) 및 렌즈(120)를 갖는 NIRF 렌즈형 섬유는 소형화된 카테터의 얇은 설계를 용이하게 하기 위해 직렬 방위로 배치하는 것으로 도시된다. 예를 들면, 도 1a에 도시된 바와 같이, IVUS 트랜스듀서(110)는 NIRF 렌즈형 섬유가 IVUS 트랜스듀서(110) 앞에 배치되는 동안 카테터의 원위 단부에 더 가깝게 위치될 수 있다. 또 다른 예로서(도 1b), NIRF 센서의 단부(렌즈(120)에 의해 정의됨)는 IVUS 센서의 단부(트랜스듀서(110)에 의해 정의됨)보다 카테터의 원위 단부에 더 가깝게 배치될 수 있다.
적절한 형상의 렌즈를 사용한 광학 방사선의 집속은 부가적으로, 필요에 따라 렌즈형 섬유들, 마이크로렌즈들, 및/또는 그레디언트 인덱스 광학의 조합의 사용을 통해 개선되고/거나 수정될 수 있으며, 그들 중 적어도 하나는 섬유와 렌즈 사이 또는 렌즈형 섬유 다음에 배치될 수 있다. 예를 들면, 렌즈형 섬유 이전에 및/또는 다음에 위치된 GRIN 렌즈(그레디언트 인덱스 렌즈, 그레이디드 인덱스 렌즈로 또한 칭해짐)는 렌즈형 섬유의 집속을 개선하기 위해 사용될 수 있다.
초음파 트랜스듀서/센서와 렌즈형 광섬유의 조합은 실시예가 유체 충전 환경과 동작가능하게 호환가능하게 하도록 적절하게 구조화된다. 구체적으로, 하기에 논의된 바와 같이, 렌즈형 섬유가 정상적인, 전형적인 IVUS 환경(물/염수 침지됨)에서 기능하는 것을 돕기 위해, 실시예의 광섬유 구성요소의 렌즈는 렌즈의 굴절률의 동작 값, 및 그에 따라 그것의 개구수의 보존/고정을 보장하기 위해 기체 환경(예로서, 공기) - 채워진 폐쇄된 챔버로 격리되었다. NIRF 신호 검출을 위해 렌즈형 섬유를 사용하는 새로운 NIRF-IVUS 카테터의 예시적인 특징들은 관련된 분야의 프리즘 기반 해결책들에서 활용된 것들과 비교하여 더 작은 섬유들의 사용을 포함한다(실제로, 관련된 분야의 이미징 프로브들의 프리즘 포함 광학 채널들은 전형적으로, 직경이 약 200 마이크론 코어/직경이 220 마이크론 클래딩 또는 그보다 큰 치수들을 갖는 광섬유들을 활용한다).
방사 및 음향 트랜시버들의 직렬/순차적인 축 공간 배열.
도 1c는 관련된 분야의 실시예, 구체적으로 예를 들면, 그의 개시가 본 명세서에 참고로써 통합되는 US 10,076,248에서 설명된 실시예(140)(그의 광학 채널이 광학 프리즘(142) 주위에 구조화되고 초음파 및 광학 채널들이 서로 평행하게 배열되는)의 예시를 제공한다. 관련된 분야와 달리, 도 1d는 직렬로 배치된 US 트랜스듀서(110) 및 렌즈(120)(섬유(160)의 단부에 나란히 배치되고 챔버(152)(즉, 유체, 바람직하게 가스로 채워진)에 위치됨)를 갖는, 본 발명의 실시예(150)을 제공하고 그의 둘 모두는 동시에 프로브의 축에 배치된다. 관련된 분야의 실시예에 비해 본 발명의 실시예(150)의 하나의 유리한 구조는 숙련자에게 즉시 명백해진다: 4.5F로부터 3.4F까지의 전체 직경의 감소. 특히, 실시예들 둘 모두에서 토크 코일(154)은 카테터의 기계적 안정성 및 강도를 증가시키고/거나 센서들로부터 시스템으로 신호를 송신하는 신호/섬유들/와이어들을 보호하기 위해 구현될 수 있어서, 카테터가 혈관에서 조종될 수 있도록 유연성을 제공하고, 하기에 논의된 회전 모터 구동 유닛(MDU)으로부터 카테터 원위 단부로 토크의 최대 송신을 가능하게 한다.
렌즈형 광학 채널. 도 1e 및 도 1f를 참조하고, 특정한 구현의 세부 사항에 의존하여, 표면(전형적으로, 평면형 표면)(120A)을 형성하기 위해 특정 각도(α)(예를 들면, 광섬유(160)의 축(160A)에 대해 정의됨)로 볼 렌즈(120)를 베어 폴리싱(bare polishing)하는 것은 렌즈형 섬유(170)의 반사 표면(120A)에서 80% 또는 심지어 90%를 초과하는 반사 효율을 제공하기 위해 활용된다. 당연히, 렌즈형 섬유(170)의 광학 반사율 특성, 및 이에 대응하여 광원(타겟에 대한 레이저 광원과 같은)으로부터의 광 투과율은 광 반사기 표면(120A)을 단지 베어 폴리싱하는 대신에 그것을 적절하게 코팅함으로써 변경될 수 있다. 이 경우에, 렌즈형 섬유의 반사 표면은 폴리싱 후에 반사율이 높은 필름으로 코팅될 것이다. 특정한 구현에 의존하여, 광섬유(160)는 다중모드 섬유(MMF), 단일모드 섬유(SMF), 또는 이중 클래드 섬유(DCF)일 수 있으며, 이는 광 채널의 근위 단부와 협력하여 광원으로부터 절단된 렌즈(120)로 광축(160A)을 따라 제 1 여기 파장에서 여기 광 방사선을 전달하도록 구성된다. DCF의 경우에, 여기 파장은 DCF의 코어에서 전파되고 있고, 형광 방출은 DCF의 클래딩에서 검출된다. 여기 방사선은 실질적으로 평면형 반사기(120A)를 향해 렌즈(120)의 본체를 가로지르고, 반사기(120)에 의해 렌즈(120)로 내부적으로 렌즈(120)의 공간적으로 만곡된 표면을 향해 그리고 이를 통해 반사되어 렌즈(120) 외부의 타겟을 향해 공간적으로 수렴하는 광학 빔을 형성한다. 실험 데이터는 동작 시에, 90%보다 많은 여기 방사선이 타겟로 전달되었음을 보여주었다. 동일한 광섬유(160)는 여기 방사선으로 조사되는 것에 응답하여 타겟에 의해 생성되고 그 다음, 렌즈(120A)의 만곡된 표면을 통해 수집되고 표면(120A)에 의해 반사되는 채널 형광(750nm 초과하는 파장들인)에 대해 치수화되고, 섬유(160)의 본체로, 내부적으로 렌즈(120)에 결합된다.
일반적으로, 광섬유의 원위 단부에 있는 렌즈의 특정한 형상은 구형 또는 볼로 제한되지 않지만, 타원형, 원추형(액시콘 렌즈를 야기함), 공간적으로 테이퍼링된 형상(프로브의 광학 채널의 구성의 옵션으로서 도 1g, 도 1h에 개략적으로 도시된 바와 같음), 및/또는 원하는 대로 광을 안내하고/거나 집속할 수 있는 임의의 다른 적절한 형상(들)인 것으로 선택될 수 있다. 예를 들면, 하나의 구현에서 렌즈의 외부 표면은 카테터 시스의 만곡된 형상으로 인한 난시 초점을 정정하기 위해 타원형 표면을 따르도록 만들어질 수 있다. 관련된 구현에서, 프로브의 광학적으로 투명한 부재(즉, 프로브의 광섬유 채널)는 광섬유의 축에 대해 일정 각도로 정의된 절단되고/거나 폴리싱된 면으로 및 광섬유의 끝에 광학 렌즈 소자가 없이 종단된 광섬유로서 구성될 수 있다(부가적으로 코팅되든 아니든).
하나의 예에서, IVUS 트랜스듀서(110)는 단 결정 센서(PMN-PT, PIN-PMN-PT, LN, 또는 LiNbO3 결정과 같지만 그것으로 제한되지 않음) 및/또는 종래의 PZT 세라믹들(Pb(Zr, Ti)O3 세라믹들과 같지만, 그들로 제한되지 않음) 및/또는 납 기반 초음파 센서(PbTiO3과 같지만, 그것으로 제한되지 않음) 및/또는 압전 트랜스듀서(예를 들면, 폴리비닐리덴 플루오라이드, PVDF, 필름에 기초함)에 기초하여 구현된다. 대안적으로 또는 게다가, 용량성 미세기계 초음파 트랜스듀서(CMUT)는 초음파 펄스/에코 측정들을 위해 사용될 수 있다. 대안적으로 또는 게다가, 초음파 검출의 검출은 또한, 광학 간섭계 검출기들(관련된 분야에서 알려진 바와 같이)에 기초할 수 있으며, 이는 높은 검출 대역폭들과 조합된 높은 초음파 주파수들(최대 100MHz 또는 심지어 200MHz까지)을 용이하게 하는데 도움이 될 수 있다.
기체/액체/고체 충전된 NIRF 이미징 챔버.
일반적인 IVUS 이미징 환경에서, 카테터 시스의 내강은 식염수/물과 같은 유체들로 채워진다. 이 목적을 위해, 그리고 추가로 도 1d 및 도 1e를 더 참조하면, 본 발명의 실시예의 광학 채널의 광학적 특성들이 실질적으로 일정하게 유지되고 측정의 측정으로부터 변하지 않는 것을 보장하기 위해, 카테터의 실시예는 적절하게 선택된 유체(예로서, 공기 또는 또 다른 가스 또는 다른 유체(들))로 적어도 부분적으로 채워진 챔버(152)를 구비하고, 이는 카테터의 액체로 채워진 시스 내강으로부터 렌즈(120) 및/또는 렌즈형 섬유(170)의 적어도 일부를 광학적으로 그리고 공간적으로 분리한다. 내강 환경으로부터 섬유(170)의 렌즈(120)의 이러한 동작가능한 격리는, 하나의 구현에서, 높은 광 투과율 및 낮은 광 산란 계수들을 갖는 배관들(예로서, 광학적으로 투명한 의료용 배관들, 예를 들면, 노드슨 바이오메디컬 사로부터의 배관 모델 번호 103-0025와 같은 광학적으로 투명한 열 수축 배관들)의 사용을 용이하게 했다.
NIRF 이미징을 위해 사용된 챔버(152)는 렌즈형 섬유의 집속 능력들을 제어하기 위해 상이한 굴절률들을 보여주는 기체들, 유체들 및/또는 고체들과 같은 하나 이상의 재료들로 적어도 부분적으로 채워질 수 있다. 대부분의 가스들이 약 1의 굴절률을 갖지만, 챔버는 또한, 광학 매체의 굴절률을 변경하고 그에 대응하여, 렌즈형 섬유의 집속 속성들을 변경하는 액체들, 다른 유체들, 및/또는 고체 재료들로 적어도 부분적으로 채워질 수 있다.
특정 실시예에서, IVUS/NIRF 센서들은 카테터 시스 없이 카테터의 실제 구현을 도시하는 도 2a, 도 2b, 도 2c의 예에 도시된 바와 같이, 적어도 부분적으로 캡슐화되고 센서들을 기계적 충격들로부터 보호하는 것을 도울 수 있는 페룰에 배치될 수 있고, 여기서 (유체가 채워진 챔버에서 렌즈 및 이러한 페룰(210) 내부의 초음파 트랜스듀서를 포함하는) 카테터의 "헤드" 부분의 축방향 범위는 이 특정 경우에 직경이 0.65mm로 3mm를 초과하지 않는다. 페룰은 광학 방사선 및 초음파 에너지를 타겟으로 실질적으로 무손실 송신하는 것을 용이하게 하기 위해 이미징 및 감지 윈도우들(구멍들)을 포함하는 맞춤형 하이포튜브들(예로서, 스테인리스 스틸, 알루미늄, PVC, 및/또는 다른 재료들)로 적어도 부분적으로 만들어질 수 있다. 일례로서, 페룰은 정밀 레이저 절단 또는 적절하게 선택된 재료 에칭 방법들을 사용하여 만들어진 이미징 및 감지 윈도우들(도 2a에서 용이하게 볼 수 있음)을 포함할 수 있다. IVUS 및 NIRF 센서들은 에폭시 수지들, 우레탄 기반 접착제들, 실리콘 기반 접착제들, 및/또는 다른 접착제들/아교들을 사용하여 페룰 내에 고정될 수 있다. 접착제는 도 2a, 도 2b, 도 2c에 도시된 바와 같이, 센서들을 페룰에 고정하고 동시에 적어도 부분적으로 NIRF 센서를 내강 시스의 유체 환경으로부터 격리시킬 수 있다. 전기 전도성 부재(220)(와이어 또는 케이블과 같은)는 트랜스듀서(110)를 적절한 전자 회로(도시되지 않음; 실시예의 근위 단부에 위치됨)와 연결하기 위해 사용된다.
도 2a, 도 2b, 도 2c의 실시예의 부가적인 상세들은 도 3에 도시되며, 여기서 이러한 실시예(300)는 그의 외부 직경이 1mm를 초과하지 않는 카테터 시스(310)로 도시된다. 음향(초음파) 트랜스듀서(센서)(110)는 트랜스듀서의 동작 시에, 프로브의 축에 대해 기울어지고 절단된 광학 렌즈(120)에 위치된 온-더-프로브(on-the-probe)로 순차적으로 프로브의 축에 배치되기 위해 프로브를 둘러싸는 매체에 대해 음향 빔을 분리하는 그것의 표면을 갖도록 신중하게 지향된다. 음향 트랜스듀서(110)의 이러한 각도 경사(도 2a에서 "각진 센서"로서 라벨링됨)는 광학 트랜시버(120)를 통해 음향 트랜스듀서에 의해 전달된 음향 빔과 함께 주변 매체로 전달된 광학 빔의 집속 지점 사이의 공간적 중첩을 보장하기 위해 고안되었다(실제로, 숙련자는 광학 프리즘들이 구비된 광학 트랜스듀서들을 이용하는, 관련된 분야의 실시예들이 이러한 공간적 중첩을 허용하지 않는다는 것을 용이하게 인식할 것이며, 그의 결과로서 프로브로부터의 여기 광으로 타겟의 여기의 결과로서 형광 광의 형태로 타겟으로부터 수신된, 타겟 및 광학 에너지로부터 수신된 기계적 에너지의 공간 공동 등록이 발생하지 않는다). 하나의 구현에서, 광학 트랜시버(120) 및 음향 트랜스듀서는 프로브의 그 축을 포함하는 평면의 위치에서 이러한 중첩이 발생하는지를 보장하기 위해 신중하게 지향된다.
실시예는 유체에서 프로브의 IVUS 양식의 동작을 위해 요구된 플러싱 포트(314), 및 그 위에 장착된 프로브의 지지 및 안내를 제공하는 가이드와이어(guidewire)를 위한 모노레일(318)을 구비한다. 당업계에 알려진 바와 같이, 무선마커들은 혈관에서 프로브의 위치를 독립적으로 결정하는 부가적인 자유도를 제공하기 위해 사용된다(예를 들면, 혈관조영술 절차 동안에 실제적으로 사용될 수 있음).
도 4는 (이미징 카테터 자체가 없는) 카테터의 실시예의 시스 구성요소(400)를 개략적으로 도시한다. 플러싱 메커니즘(410)은 플러싱 포트(314)와 결부하여 동작하도록 고안된다. 카테터 광학 망원경(420)은 신중하게 설계된 정적 기계적 지지부에 장착되며, 따라서 풀백 및 회전 절차의 프로세스에서 정지 상태를 유지하고, 그 동안 광학 트랜시버는 나선 곡선을 따라 위치되는 신체 혈관의 부분들로부터 리턴 형광 신호를 조사하고, 그에 따라 그것을 수집할 수 있다. 원위 무선마커(430)는 일반적으로 선택적이다. 프로브의 근위 단부에 있는 광 기계 연결기(440)는 전체 이미징 시스템의 주변 부분의 모터 구동 유닛의 일부로서 구조화되며, 하기에 논의되는 본 발명의 이미징 시스템의 광전자 서브 시스템들과 카테터/프로브 사이로 광 및 전기 신호들을 중단 없이 송신하도록 구성된 광섬유 로터리 접합(fiber-optic rotery junction) 또는 연결 및/또는 슬립 링(slip-ring) 배열을 포함한다.
공간에서 에너지의 빔(들)의 방향(방향 전환).
본 발명의 아이디어에 따르면, 그리고 도 2a를 더 참조하면, 트랜스듀서(110) 빔에 의해 전달된 초음파 빔의 방출 각도는 트랜스듀서(110)를 카테터의 실시예의 하우징/페룰에서 프로브의 축에 대한 특정 각도로 배치함으로써 적어도 부분적으로 제어되고/거나 변경된다.
유사하게, 렌즈형 섬유(170)는 렌즈의 상이한 폴리싱 각도들 및/또는 방위각 평면에서 좌표의 방위각 시스템을 참조하여 폴리싱된 반사기(120A)의 적절한 방위에 의해 섬유의 축(160A)을 가로지르는 방위각 평면에서 볼 수 있는 바와 같이, 상이한 각도들에서 광학 빔의 조향 및/또는 방향 전환을 허용한다. 이러한 정도의 변동이 페룰(210)에서 각각 대응하는 윈도우들을 통해 카테터(렌즈(120) 및 트랜스듀서(110)에 따라)로부터 발산되는 초음파 및 광학 빔들 둘 모두에 대해 가능하게 되면(그 경우에, 공간 전파의 유사한 변동은 타겟에 의해 대응하는 센서들로 리턴된 초음파 및 광 신호들에 대해 가능하게 됨), 초음파 빔 및 광학 빔은 적절하게 조향되고/거나 공간적으로 서로 중첩하고/거나 교차하도록 보내질 수 있고, 그에 의해 재구성된 NIRF 및 IVUS 이미지의 공간적인 공동 등록의 단순한 구현을 용이하게 한다. 이 상황은 도 1a, 도 1b, 도 1c의 단순화된 개략도들을 더 참조하여 도 5a에 개략적으로 도시된다. 일례로서, 그리고 도 17의 개략도를 참조하면, IVUS 트랜스듀서(110) 및 NIRF 센서(예로서, 렌즈형 섬유 170)는 센서들로부터 h=1mm의 거리에서 최대 공간 중첩을 가능하게 하기 위해 a=0.25mm 거리로 떨어져 배치되고 x1=x2=83˚의 각도로 배치될 수 있다. 또 다른 예에서, 광학 빔과의 초음파 빔의 공간 중첩의 위치 사이의 분리를 h=1mm로 증가시키기 위해 파라미터들은 다음과 같다: a=0.5mm, x1=x2=76˚.
숙련자가 실제로 3D 이미지들(나선형 데이터 매트릭스)을 얻기 위해 용이하게 인식할 바와 같이, 카테터(특히, 전기 전도성 부재 및 IVUS 센서(110)와 절단된 렌즈(120)를 갖는 광섬유(160))는 혈관 벽의 "파노라믹/원형 데이터 세트"(카테터의 회전 조합에 의해 정의된 원형 경로를 따라)를 얻기 위해 카테터의 축을 중심으로 회전되고, 카테터의 풀백과의 이러한 회전의 조합이 체적 이미지 재구성을 위해 3D "나선 데이터 세트"의 획득을 용이하게 한다.
도 5a에 도시된 본 발명의 특정 실시예에서, 이미징 및 감지 윈도우들이 페룰(210)(카테터의 축에 대해)에 구성되고, 그의 결과로서 광학 및 초음파 빔들이 동일한 방향으로/로부터 대응하는 광학 및 음향 신호들을 전달하도록 보내지며, 도 5b에 도시된 관련된 실시예에서, 이러한 방위는 적절하게 변경될 수 있다. 예를 들면, 도 5b는 윈도우들이 카테터의 축에 대해 페룰의 반대 측들에 배치되어, 광학/음향 신호들의 전달/수집의 공간적 방위가 적절하게 변경되는 것을 야기할 때의 상황을 도시한다. 도 5c는 90도 미만의 광학 및 초음파 빔들(방위 평면에서)의 축들 사이의 각도 분리를 도시한다.
도 6a는 임상 적용을 위해 구성된 본 발명의 주요 구조적 특징들을 구비한 본 발명의 카테터의 완전 조립된 실시예를 도시하고, 도 6b는 3.4F 카테터 시스에 삽입된 카테터의 실시예를 보여준다.
도 7은 광학 프리즘 소자를 활용한 관련된 분야의 품질과, 카테터의 동작 동안 그것의 실시예의 광학 채널로부터 분리된 광학 방사선의 집속 지점의 품질의 산출된 개선을 도시하는 플롯(A)이다. 볼 렌즈(120)는 400 마이크론 직경(250 마이크론x250 마이크론의 개구를 가짐)을 갖는 것으로 가정되어, 볼 렌즈(ISO11146 정의 레벨)로부터 10mm 거리에서 1mm 미만의 빔 폭을 갖는 광의 빔을 형성한다. (일례로서, 단순성의 목적을 위해 - 면(120A)을 형성하기 위해 손상되지 않고 아직 폴리싱되지 않은 볼 렌즈를 고려한다. 개구수(NA)는 볼 렌즈 직경(D), 굴절률(n), 및 입력 소스(d)로부터의 빔의 직경(d)의 함수이며: NA=n*sin(θ)=1/(sqrt(1+4(nD/(4d(n-1))2이다. 그에 따라, D=360um, n=1.454, 및 d=50um에 대해 NA=0.1이다. 게다가, 도 16a, 도 16b는 a) 본 발명의 실시예들이 관련된 분야의 프리즘 기반 실시예들과 비교하여 타겟에 대해 여기 광의 더 높은 플루언스를 제공하고, 그에 의해 측정의 NIRF 감도의 증가를 야기하고, b) 본 발명의 실시예들이 광학 프리즘(관련된 분야에 따라)과 협력된 다른 동일한 광학 채널들과 비교하여 공간적으로 감소되는 광학 빔들을 형성한다는 경험적 증거를 제공한다.
숙련된 기술자는 관련된 분야의 실시예들에서 사용된 광학 프리즘이 방사선 빔을 집속하는 능력이 결여되고, 그의 결과로서 프리즘의 동일한 3mm 거리에서 빔의 FWHM이 그 치수가 1mm를 초과한다는 것을 용이하게 인식한다. 그에 따라, 본 발명의 실시예는 렌즈로부터 3mm의 거리에서 대응하는 지점의 광학 품질이 50%보다 많이 개선되고, 섬유로부터 0.5mm의 거리에서 집속이 20%보다 많이 개선되었음을 입증한다. 따라서, 광학 트랜시버의 절단된 볼 렌즈 기반 설계는 조직 타겟에서 더 높은 플루언스를 가능하게 하고, 그에 의해 더 높은 신호 대 잡음 비(SNR)를 야기하며, 그에 따라, 분리된 광학 빔의 더 양호한 집속으로 인해 관련된 분야의 프리즘 기반 설계와 비교하여 더 높은 공간 해상도를 야기한다.
도 8의 카테터 파라미터들의 요약을 참조하여, 하이브리드 NIRF/IVUS 카테터의 버전 3.0F는 동축 와이어(200V 정격, 160 마이크론의 외부 직경)를 음향 트랜스듀서를 사용하여 초음파 신호가 변환되는 전기 신호의 송신 및 펄스 에코 이미징을 위해 구성된 전기 전도성 부재로서 사용하여 구성되었다. 40MHz 중심 주파수에서 임상 IVUS 이미징을 위해 현재 사용되는 트랜스듀서(또는 관련된 실시예에서 - 최대 100MHz의 중앙 주파수로 동작하는 것)와 같은 IVUS 트랜스듀서(예를 들면, PZT, pvdF, PMN-PT, PZN-PT를 활용함) 뿐만 아니라, 10MHz 미만으로부터 최대 60MHz 및 심지어 더 높은 주파수들의 범위를 커버하는 광대역 센서. 중앙 주파수 및 검출 대역폭은 그러나, 이 주파수 범위로 제한되지 않지만, 또한 60MHz, 80MHz, 및/또는 100MHz와 같은 더 높은 주파수 레벨이거나, 대안적으로 100%보다 큰 검출 대역폭을 갖는 30MHz, 20MHz, 및/또는 10MHz와 같은 더 낮은 주파수 레벨일 수 있다(여기서, 검출 대역의 폭(BW)은 통상적으로 중심 주파수(fctr)를 참조하여 -6dB의 레벨에서 수치로 표시된다. 즉, 이 경우에 fhi=fctr+(fhi*BW/2)과 flow=fctr-(fctr*BW/2) 사이의 차의 값은 fctr의 값보다 크다. 볼 렌즈(관련된 실시예에서 직경이 약 320 마이크론 또는 약 360 마이크론을 가짐)가 약 6도의 각도(α)로 실질적으로 평면형 표면(120A)을 형성하기 위해 폴리싱된 동안 MMF(160)(코어 직경 50 마이크론; 클래딩 직경 125 마이크론; 외부 직경 250 마이크론)에 광학적으로 부착되었고, 그에 의해 프로브로부터 주변 매체를 향해 발산하는 음향 및 광학 빔들 사이의 공간 중첩을 최대화하기 위해 섬유(160)로부터 렌즈(120)에 도달하는 광의 적절한 방향 전환을 가능하게 한다(도 5a 참조).
폴리싱 각도(α)가 관련된 실시예들에서 특정 구현으로 카테터의 크기(뿐만 아니라, 사용된 센서들의 기하학적 구조, 타겟 혈관의 크기, 등)에 맞추도록 변경되고 맞춤화될 수 있고, MMF 대신에 SMF 또는 이중 클래딩된 광섬유/DCF가 사용될 수 있음이 이해된다. 열 수축 배관은 유체(바람직하게 - 가스)로 채워진 챔버(152)를 구성하기 위해 사용되었다(하나의 실시예에서, 챔버(152)는 광 빔의 광학적 속성들이 광학 부재(160)와 타겟 혈관 사이로 송신되도록 - 및 특히 렌즈(120)의 집속 파라미터들이 액체 환경에서 카테터의 실시예를 동작시킬 때 일정하게 유지되도록 1의 굴절률을 유지하기 위해 공기로 채워졌다). 아사히 토크 코일(154)(외부 직경 0.55mm, 내부 직경 0.45mm을 가짐)이 사용되었다. 광학/음향 센서들을 위한 페룰/하우징(210)은 프로브의 축을 따라 센서들의 위치들에 공간적으로 대응하는, 페룰의 측 벽에 2개의 개구부들을 갖는 스테인리스 스틸로 맞춤화되었고 제작되었다. 폴리우레탄 접착제는 카테터의 하나의 구현에서 실런트로서 사용되었다(관련된 실시예에서, 렌즈(120)의 실질적으로 평면형 표면(120A)은 액체/물에서 이용되도록 폴리싱된 절단된 볼 렌즈를 위한 고 반사율 코팅으로 코팅될 수 있고: 여기서, 이러한 광학 트랜시버는 굴절률이 1을 초과하는 동일한 액체 매질에서 프로브의 축에 음향 트랜스듀서와 함께 순차적으로 그리고 음향 트랜스듀서 바로 옆에 배치될 수 있고 그 경우에, 광학 트랜시버를 포함하는 별개의 유체 충전된 챔버가 요구되지 않는다.
주변 서브 시스템들
도 11은 동작 동안, 경험적 데이터를 수집 및 프로세싱하고 유익한 출력(들)을 형성하기 위해 사용된 시스템의 구성요소들 및/또는 서브 시스템들 중 일부를 상세하는 본 발명의 이미징 시스템의 일 실시예(1100)의 단순화된 개략도이고, 그들 중 적어도 일부는 시스템의 사용자에 의해 시각적으로 지각가능하다(숙련된 기술자는 도 11의 개략도가 프로브의 실시예(들)의 유형의 구성요소(들)의 상기 제공된 설명에 비추어 그리고 그와 결부하여 인식되어야 함을 용이하게 이해할 것이다).
도시된 바와 같이, 이미징 시스템의 실시예(1100)의 동작은 프로그래밍가능한 프로세서(1110)로 통제된다(이러한 통제는 비 일시적 유형의 컴퓨터 판독가능한 저장 매체에서 인코딩되고 이미징 시스템의 동작의 단계들을 수행하기 위한 프로그램 코드(들)를 포함하는, 적절하게 구성된 컴퓨터 프로그램 제품의 사용으로 시행될 수 있다, 도시되지 않음). 프로그래밍가능한 프로세서(1110)는 시스템(1100)의 구성요소 및 서브 시스템들로부터 다양한 데이터를 얻고 이들 데이터를 프로세싱하여 사용자 보고서 및/또는 다른 유형의 정보를 포함하는 출력(예를 들면, 시각적으로 지각가능한 이미지와 같은)을 생성하도록 구성된, 전자 회로(1160)와 함께, 및 음향(초음파) 펄스/에코 생성기(1150)와 함께 적어도 NIRF 서브 시스템(1120), 레이저 방사선의 소스(1130), 모터 구동 유닛(MDU) 서브 시스템(1140)과 전자적으로 통신하고 데이터를 교환하도록 동작가능하게 협력된다. 카테터의 실시예는 광섬유 연결기 및 RF 연결기를 포함하는 카테터 인터페이스를 통해 MDU(1140)에 동작가능하게 연결된다.
광원(1130)(레이저 소스, 그러나 선택적으로 광다이오드 또는 LED로서 도시됨)으로부터 수신된 여기 광(E, 예로서, 협대역, 또는 단색, 또는 특정 광학 대역폭의 광) 및 MDU 서브 시스템(1140)으로부터 얻어진 형광(F)을 변환하고/거나 프로세싱하도록 구성된 NIRF 서브 시스템(1120)의 개략도가 도 12에 도시된다. 서브 시스템(1120)은 광학 필터들(1210, 1220, 1230)(광학 스펙트럼의 미리 결정된 부분(들) 내에 광을 투과하도록 구성됨); 이색성 광학 반사기(1240); 및 형광 방출로부터 광자들을 검출하고, 대응하는 형광 신호를 증폭시키며, 형광 신호를 DAQ(1310)에 의해 더 얻어지는 전기 신호로 변환하도록 구성된 광학 검출 디바이스(1250)(이 예에서 적절한 증폭기와의 광전자증 배관의 조합으로서 도시됨)를 포함한다. 관련된 실시예에서, 여기 광을 형광 광 신호로부터 분리하도록 구성된 이색성 필터는 또한, 광학 순환기(3 포트 구현에서)로 실현될 수 있으며, 이에 의해 여기 광은 제 1 포트로/에서 보내지고, 제 2 포트는 여기 광 및 형광 광 둘 모두와 연관되며, 제 3 포트는 형광 광과 동작가능하게 연관된다.
도 13은 적어도 데이터 획득(1310), 신호 프로세싱(1320), 거리 정정 및 이미지 공동 등록(1330), 데이터 재구성(1340), 및/또는 데이터 시각화(1350)을 수행하도록 구성된 전자 장치를 포함하는 전자 회로(1160)를 포함하는 이미지 데이터 획득 및 프로세싱 서브 시스템의 일 실시예를 제공한다. 구체적으로, 회로(1160)는 추후 프로세싱을 위해 형광 신호(NIRF) 및 초음파 신호(IVUS)를 얻었다. 데이터 시각화(1350)를 위한 디바이스는 예를 들면, 선택된 정보(이미징 절차의 일부 중간 단계를 묘사하는 이미지 또는 타겟의 형광 이미지든 초음파든 식별된 경험적으로 얻어진 데이터 서브 세트들 사이의 원하는 비교를 표현하는 이미지든)를 표현하는 시각적으로 지각가능한 이미지를 형성하도록(예를 들면, 모니터 또는 디스플레이의 화면에) 구성된 모니터 또는 디스플레이에 의해 표현될 수 있다.
모터 구동 유닛(1140)의 일 실시예가 도 14에 개략적으로 도시된다. 유닛(1140)의 구성요소들은 풀백 디바이스(1410)(라이너 재배치 스테이지 주위에 구조화됨), DC 모터(1420), 및 카테터 인터페이스로부터 3D 이미지 데이터의 획득을 가능하게 하기 위한 광섬유 로터리 조인트(FORJ) 및 슬립 링(1430)의 신중하게 설계된 조합을 포함한다(광학 로터리 조인트들 및 슬립 링들의 유형들 및 구성들에 대한 상세한 예들은 관련된 분야의 문헌에서 발견될 수 있다).
따라서, 상기 논의된 주변 서브 시스템들과 협력하여 본 발명의 NIRF/IVUS 프로브의 실시예의 사용으로, 본 발명의 이미징 시스템이 예를 들면, 풀백 절차의 결과들로서 프로브가 재배치될 수 있는 신체 혈관의 (공간적으로 공동 등록된) 광학 및 초음파 이미지들을 얻도록 구성됨이 인식된다. 본 발명의 이미징 프로브(예로서, 도 3의 프로브(300)와 같은)의 일 실시예를 동작시키기 위한 방법의 일례가 도 15의 흐름도로 개략적으로 도시된다. 여기서, 프로브는 1510에 의해 동작되어, 프로브의 근위 단부와 광학 트랜시버 사이에서 프로브의 시스 내부의 축을 따라 연장되고 프로브의 근위 단부 및 광학 트랜시버를 연결하는 광학 부재 내부로 광을 송신하고 광학 부재에 평행하게 시스 내부에서 연장되는 전기 전도성 부재를 통해 전기 신호를 송신하며 프로브의 근위 단부 및 음향 트랜스듀서를 연결한다. 음향 트랜스듀서 및 광학 트랜시버는 프로브의 축을 따라 서로 순서대로 배치된다. 광학 부재를 따라 송신된 광은 1520에서 광학 트랜시버의 실질적으로 평면형 표면(표면이 광학 부재의 광학 축에 대해 기울어져 있음)으로부터 광학 트랜시버의 본체로 내부적으로 반사된다(광학 부재를 따라 송신된 광은 여기 파장의 광(광학 부재 및 광학 트랜시버를 통해 레이저 소스로부터 프로브 및/또는 형광 광 외부의 타겟 혈관으로 전달됨, 혈관이 여기 파장의 광으로 조사되는 결과로서 타겟 혈관에서 생성됨))을 포함한다. 방법은: a) 여기 광의 제 1 빔을 형성하기 위해 광학 트랜시버를 둘러싸는 주변 매체로 광학 트랜시버의 공간적으로 만곡된 표면을 통해, 광학 트랜시버의 실질적으로 평면형 표면에 의해 광학 트랜시버의 본체로 내부적으로 반사된 광을 분리하는 단계(1530A에서) 및 b) 프로브의 축에 대해 기울어진 초음파 트랜스듀서에서 음향 빔을 생성하는 단계(1530B에서) 중 적어도 하나의 단계를 부가적으로 포함할 수 있다. 이들 단계들에서 프로브의 원위 부분으로부터 주변 매체로 발산된 광학 및 음향 빔들 둘 모두는 예를 들면, 이들 2개의 빔들이 서로 중첩하는 공간의 영역 또는 체적을 정의하도록 보내진다.
프로브가 이 영역 또는 공간의 체적(광학 여기 빔 및 음향 여기 빔이 중첩하는)이 관심 있는 타겟의 위치(예를 들면, 신체 혈관)에 배치되도록 지향된 후에, 그리고 여기 광 및/또는 음향 빔으로 조사되는 것에 응답하여, 타겟 혈관은 각각 타겟의 분자 구조를 표현하는 형광 및 타겟의 해부학적 구조를 표현하는 초음파 신호를 생성한다. 이때, 단계(1540A)는 프로브의 근위 단부 및 또한 본 발명의 이미징 시스템의 주변 서브 시스템들로 전달된 형광 신호를 형성하기 위해 광학 챔버로의 형광 광(광학 트랜시버에 의해 주변 매체로부터 광학 트랜시버의 공간적으로 만곡된 표면을 통해 수집되고 실질적으로 평면형 표면에 의해 광학 트랜시버의 본체로 내부적으로 반사됨)의 결합을 통해 발생한다. 실질적으로 동시에 또는 상이한 시간에, 타겟에 의해 생성된 음향 신호는 단계(1540B)로서, 초음파 트랜스듀서에서 수집되고 전기적 신호로 변환되어 이미징 시스템의 주변 서브 시스템들을 향해 전기 부재를 따라 이동된다. 단계(1550)에서, 프로그래밍가능한 프로세서 및 이미징 시스템의 디스플레이(도시되지 않음)의 사용으로 타겟의 공간적으로 공동 등록된 형광 신호 기반 및 음향 신호 기반 이미지들이 형성되고 있다. 신호들의 또 다른 사후 프로세싱 후에, 혼합된 NIRF-IVUS 이미지에서 해부학적 IVUS 이미지에 공동 등록된 이미징된 형광단/형광 방출 타겟의 분자 농도들을 디스플레이하는 정량적 NIRF 이미지들을 생성하기 위해 거리 정정 알고리즘이 적용될 수 있다. 거리 정정은 예를 들면, IVUS 이미지들로부터 알려진 거리로들로 광 흡수 및 산란 모델에 기초하여 이미징된 형광 타겟의 농도를 산출함으로써 수행된다.
이 목적을 위해, 도 9, 도 10a, 도 10b, 도 10c는 본 발명의 일 실시예로 얻어진 경험적 결과들을 도시한다. 도 9는 토끼 대동맥에서 본 발명의 카테터의 실시예(920)의 생체 외 풀백 동안 얻어진 광 신호(광의 지점(910))를 묘사한다. 도 10a는 절제된 대동맥 혈관인 본 발명의 카테터의 3.4F 실시예(1012)를 보여준다. AF750 염료가 있는 모세관(1020)은 NIRF 이미지의 대비를 가능하게 하기 위해 혈관의 카테터(910) 옆에 배치된다. 도 10b는 NIRF 이미지(광 신호(1024)) 및 IVUS 이미지(이미지의 회색 부분)의 중첩을 제공하여 이미지들 둘 모두에서 대동맥 및 모세관을 보여준다. 도 10c: 대동맥 혈관의 도 10b의 깊이 프로파일(공간적으로 풀린 풀백) IVUS 이미지이다.
실시예들의 예들에 따르면, 이미징 프로브, 이러한 프로브를 포함하는 이미징 시스템, 및 이러한 이미징 시스템 및/또는 이미징 프로브를 동작시키기 위한 방법이 제공된다. 이미징 시스템의 일 실시예는 예를 들면, 공간적으로 공동 등록된 제 1 및 제 2 이미지들(제 1 이미지는 타겟의 해부학적 구조를 표현하고, 제 2 이미지는 타겟의 분자 구조를 표현함)을 생성하도록 구성되며 축, 근위 및 원위 단부들, 및 광학적으로 투명한 부재 및 전기 전도성 부재를 가지는 이미징 카테터; 모터 구동 서브 시스템이 근위 단부에 동작가능하게 부착되도록 광학 로터리 조인트 및 슬립 링을 포함하는 모터 구동 서브 시스템; 광학 로터리 조인트를 통해 광학적으로 투명한 부재와 광학적으로 연결된 여기 광원; 및 슬립 링을 통해 전기 전도성 부재와 전기적으로 연결된 초음파 펄스 생성기를 포함한다. 광학적으로 투명한 부재는 축에 평행하게 프로브의 근위 단부로부터 원위 단부까지 연장되고 광학 렌즈(그의 본체가 공간적으로 만곡된 표면과 실질적으로 평면형 표면 사이에 포함되고, 광학 렌즈가 실질적으로 평면형 표면이 광학적으로 투명한 부재의 축에 대해 기울어지도록 공간적으로 만곡된 표면에서 광학적으로 투명한 부재에 부착됨)에 부착된다. 전기 전도성 부재는 또한, 광학적으로 투명한 부재에 평행하게 프로브의 근위 단부로부터 원위 단부까지 연장되고 음향 트랜스듀서로 종단된다. 음향 트랜스듀서 및 광학 트랜시버는 카테터의 축에 순차적으로 배치된다. 하나의 경우에, 광학적으로 투명한 부재, 광학 트랜시버, 전기 전도성 부재 및 음향 트랜스듀서를 적어도 부분적으로 둘러싸는 하우징 소자가 존재한다. 하우징 소자는 직경이 1.2mm를 초과하지 않도록 치수화된다. 실질적으로 본 발명의 이미징 시스템의 임의의 구현에서, 시스템은 프로그래밍가능한 컴퓨터 프로세서 및 프로그래밍가능한 프로세서로 다운로드될 때, 프로그래밍가능한 프로세서로 하여금: (a) 광학 렌즈 및 음향 트랜스듀서 각각으로 여기 광 및 전기 펄스들을 전달하기 위해 여기 광원 및 초음파 펄스 생성기를 시간 조정 방식으로 동작시키는 프로세스; (b) 동시에 타겟에서 생성된 음향 파 및 타겟에서 생성된 형광 광을 각각 표현하는 리턴 전기 신호 및 리턴 광 신호를 수집하면서 선택된 타겟에 대한 카테터의 위치를 변경하는 프로세스; 및 (c) 리턴 전기 신호 데이터 및 리턴 광 신호 데이터에 기초하여 공간적으로 공동 등록된 제 1 및 제 2 이미지들을 형성하는 프로세스 중 적어도 하나를 시행하게 하는 프로그램 코드를 포함하는 유형의 비 일시적 저장 매체를 부가적으로 포함할 수 있다. 특히, 이미징 시스템의 카테터에는 광학 프리즘이 없다(즉, 포함하지 않음).
이들 실시예들에 대해 선택된 특정 값들이 인용되지만, 본 발명의 범위 내에서 모든 파라미터들의 값들은 상이한 적용들에 적합하도록 넓은 범위들에 걸쳐 달라질 수 있음을 이해해야 한다.
본 발명의 이미징 시스템의 실시예들 및 그들의 동작들은 메모리에 저장된 지시들에 의해 제어된 프로세서를 포함하는 것으로서 설명되었다. 메모리는 제어 소프트웨어 또는 다른 지시들 및 데이터를 저장하기 위해 적합한 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 플래시 메모리 또는 임의의 다른 메모리, 또는 그들의 조합일 수 있다. 본 발명의 이미징 시스템에 의해 수행된 기능들 중 일부는 흐름도들 및/또는 블록도들을 참조하여 설명되었다. 당업자들은 흐름도들 또는 블록도들의 각각의 블록의 전체 또는 일부, 또는 블록들의 조합의 기능들, 동작들, 결정들, 등이 컴퓨터 프로그램 지시들, 소프트웨어, 하드웨어, 펌웨어 또는 그들의 조합들로서 구현될 수 있음을 용이하게 인식해야 한다. 당업자들은 또한, 본 발명의 기능들을 정의하는 지시들 또는 프로그램들이 기록가능하지 않은 저장 매체들(예로서, ROM과 같은 컴퓨터 내의 판독 전용 메모리 디바이스들, 또는 CD-ROM 또는 DVD 디스크들과 같은 컴퓨터 I/O 부착물에 의해 판독가능한 디바이스들)에 영구적으로 저장된 정보, 기록가능한 저장 매체들(예로서, 플로피 디스크들, 탈착가능한 플래시 메모리 및 하드 드라이브들)에 변경가능하게 저장된 정보 또는 유선 또는 무선 컴퓨터 네트워크들을 포함하는, 통신 매체들을 통해 컴퓨터로 전달된 정보를 포함하지만 그들로 제한되지 않는 많은 형태들로 프로세서로 전달될 수 있음을 용이하게 인식해야 한다. 게다가, 본 발명이 소프트웨어로 구현될 수 있지만, 본 발명을 구현하기 위해 필요한 기능들은 선택적으로 또는 대안적으로, 조합 로직, 주문형 반도체들(Application Specific Integrated Circuits; ASICs), 필드 프로그래밍가능한 게이트 어레이들(FPGAs) 또는 다른 하드웨어 또는 하드웨어, 소프트웨어 및/또는 펌웨어 구성요소들의 일부 조합과 같은, 펌웨어 및/또는 하드웨어 구성요소들을 사용하여 부분적으로 또는 전체적으로 구현될 수 있다. 본 발명의 범위는 마이크로프로세서, 및 컴퓨터 판독가능한 매체(광원, 전기 펄스 생성기, 및 이미징 프로브를 구비하고 이미징 프로브의 축에서 서로 옆에 배치된 음향 트랜스듀서 및 광학 트랜시버를 포함하는 이미징 시스템을 동작시키기 위한 컴퓨터 판독가능한 프로그램 코드를 그 안에 포함하는)를 포함하는 제품을 포함한다. 여기서, 광학 트랜시버는 축에 대해 제 1 각도로 기울어지는 실질적으로 평면형 표면을 포함하고 음향 트랜스듀서는 축에 대해 제 2 각도로 기울어지는 트랜스듀서 표면을 포함한다. 컴퓨터 판독가능한 프로그램 코드는 (a) 광원에서 여기 광 및 시간 조정 방식으로 전기 펄스 생성기에서 전기 펄스들을 생성하는 단계; 및 (b) (i) 실질적으로 평면형 표면으로부터의 여기 광의 반사 시에 타겟으로 전달된 여기 광으로 조사되고, (ii) 음향 트랜스듀서로부터 전달된 음향 빔으로 노출된 타겟의 제 1 및 제 2 시각적으로 지각가능한 표현들을 형성하는 단계에 영향을 미치는 제 1 일련의 컴퓨터 판독가능한 프로그램 스텝들을 포함한다. 여기서, 제 1 시각적으로 지각가능한 표현은 여기 광의 파장보다 긴 파장을 가지는 광으로 형성되고, 제 1 및 제 2 시각적으로 지각가능한 표현들은 상기 제 1 및 제 2 각도들이 제로가 아닌 각도들인 결과로서 공간적으로 공동 등록된다. 이러한 제품에서, 컴퓨터 판독가능한 프로그램 코드는 선택적으로, 축을 중심으로 상기 원위 단부를 최대 360도까지의 각도로 회전시키면서 타겟에 대해 상기 이미징 프로브의 원위 단부를 재배치하는 것에 영향을 미치는 제 2 일련의 컴퓨터 판독가능한 프로그램 스텝들을 포함할 수 있다.
본 발명 및 첨부된 청구항들의 목적들을 위해, 용어들 "실질적으로", "대략적으로", "약" 및 값, 소자, 속성 또는 특성의 설명자와 관련하여 유사한 용어들의 사용은 머지 않아 언급된 값, 소자, 속성, 또는 특성이 반드시 정확하게 언급된 것과 같지는 않지만, 그럼에도 불구하고 당업자에 의해 언급된 바와 같이, 실용적인 목적들을 위해 고려될 것임을 강조하도록 의도된다. 명시된 특성 또는 품질 설명자에 적용된 바와 같이, 이들 용어들은 대략적으로 언어를 합리적으로 표시하고 명시된 특성 또는 설명자를 설명하여 그것의 범위가 당업자에 의해 이해되게 하는 것과 같은 "대부분", "주로", "상당히", "대체로", "본질적으로", "많거나 상당한 정도로", "대체로 그러나 반드시 전체적으로 동일하지 않음"을 의미한다. 수치를 참조하여 사용될 때, 명시된 값에 대해 플러스 또는 마이너스 20%, 더 바람직하게 플러스 또는 마이너스 10%, 더욱 더 바람직하게 플러스 또는 마이너스 5%, 가장 바람직하게 명시된 값에 대해 플러스 또는 마이너스 2%의 범위를 표현한다.
선택된 특성 또는 개념을 설명하는데 이들 용어들을 사용하는 것은 무기한에 대한 그리고 명시된 특성 또는 설명자에 수치 제한을 부가하기 위해 임의의 근거를 암시하거나 제공하지 않는다. 숙련된 기술자에 의해 이해된 바와 같이, 그 언급된 것으로부터의 이러한 값, 소자, 또는 특성의 정확한 값 또는 특성의 실제 편차는 이러한 목적들을 위해 당업계에서 수용된 측정 방법을 사용할 때 전형적인 실험 측정 오류에 의해 정의된 수치 범위 내에 속하고 수치 범위 내에서 달라질 수 있다. 본 발명의 범위 내에 있는 일부 특정 경우들에서, 수치를 참조하여 사용될 때, 용어들 "대략" 및 "약"은 명시된 값에 대해 플러스 또는 마이너스 20%, 더 바람직하게 플러스 또는 마이너스 10%, 더욱 더 바람직하게 플러스 또는 마이너스 5%, 가장 바람직하게 명시된 값에 대해 플러스 또는 마이너스 2%의 범위를 표현한다.
본 발명이 상기 설명된 예시적인 실시예들을 통해 설명되지만, 본 명세서에 개시된 발명의 개념들을 벗어나지 않고 도시된 실시예들에 대한 수정들 및 그들의 변형들이 행해질 수 있음이 당업자들에 의해 이해될 것이다. 예를 들면, 본 발명의 방법의 일부 양태들이 흐름도를 참조하여 설명되었을지라도, 당업자들은 흐름도의 각각의 블록의 전부 또는 일부, 또는 블록들의 조합의 기능들, 동작들, 결정들, 등이 조합되거나, 별개의 동작들로 분리되거나 다른 순서들로 수행될 수 있음을 용이하게 인식해야 한다. 게다가, 실시예들이 다양한 예시적인 데이터 구조들과 관련하여 설명되지만, 당업자는 시스템이 다양한 데이터 구조들을 사용하여 구현될 수 있음을 인식할 것이다. 또한, 개시된 양태들, 또는 이들 양태들 중 일부들은 상기 열거되지 않은 방식들로 조합될 수 있다. 그에 따라, 본 발명은 개시된 실시예(들)로 제한되는 것으로서 간주되어서는 안된다.
Claims (36)
- 프로브 축을 가지는 이미징 프로브에 있어서:
상기 프로브의 근위 단부로부터 상기 프로브의 원위 단부까지 상기 프로브 축에 평행하게 연장되고 상기 프로브의 원위 단부에서 광학적으로 투명한 부재에 일체로 부착된 광학 트랜시버로 종단된 상기 광학적으로 투명한 부재; 및
상기 프로브의 근위 단부로부터 상기 프로브의 원위 단부까지 상기 광학적으로 투명한 부재에 평행하게 연장되고 음향 트랜스듀서로 종단된 전기 전도성 부재를 포함하고,
상기 음향 트랜스듀서 및 상기 광학 트랜시버는 상기 프로브 축에 순차적으로 배치되는, 프로브 축을 가지는 이미징 프로브. - 제 1 항에 있어서, 상기 광학적으로 투명한 부재, 상기 광학 트랜시버, 상기 전기 전도성 부재, 및 상기 음향 트랜스듀서를 적어도 부분적으로 둘러싸고 직경이 1.2mm를 초과하지 않도록 치수화된 하우징 소자를 더 포함하는, 프로브 축을 가지는 이미징 프로브.
- 제 2 항에 있어서, 시스(sheath) 내부에 배치되고 상기 동작 동안 회전하도록 구성된 토크 코일을 더 포함하고, 상기 광학적으로 투명한 부재 및 상기 전기 전도성 부재의 각각은 상기 토크 코일 내부에 배치되는, 프로브 축을 가지는 이미징 프로브.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광학적으로 투명한 부재, 상기 광학 트랜시버, 상기 전기 전도성 부재, 및 상기 음향 트랜스듀서를 적어도 부분적으로 둘러싸고 직경이 0.7mm보다 작도록 치수화된 하우징 소자를 더 포함하는, 프로브 축을 가지는 이미징 프로브.
- 제 4 항에 있어서, 상기 시스 내부에 배치되고 상기 동작 동안 회전하도록 구성된 토크 코일을 더 포함하고, 상기 광학적으로 투명한 부재 및 상기 전기 전도성 부재의 각각은 상기 토크 코일 내부에 배치되는, 프로브 축을 가지는 이미징 프로브.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징 소자는 상기 하우징 소자의 벽에 제 1 및 제 2 개구들을 포함하고, 상기 제 1 개구는 광학적으로 투명하고 상기 제 2 개구는 음향적으로 투명하고, 상기 제 1 및 제 2 개구들은 상기 광학 트랜시버 및 상기 음향 트랜스듀서와 각각 공간적으로 조정되는, 프로브 축을 가지는 이미징 프로브.
- 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 개구들은 상기 프로브의 축에 대해 상기 하우징의 동일한 측에 형성되는, 프로브 축을 가지는 이미징 프로브.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 트랜시버는 평면 볼록 광학 렌즈이고, 상기 광학 렌즈의 평면형 표면은 상기 광학적으로 투명한 부재의 축에 대해 경사지는, 프로브 축을 가지는 이미징 프로브.
- 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 음향 트랜스듀서 및 상기 광학 트랜시버는,
광의 제 1 빔으로서, 상기 광학적으로 투명한 부재를 통해 전달되고, 상기 광학 트랜시버의 실질적으로 평면형 표면으로부터 반사되며, 상기 광학 트랜시버를 통해 상기 프로브를 둘러싸는 매체로 송신되는, 상기 광의 제 1 빔, 및
음향 에너지의 제 2 빔으로서, 상기 근위 단부로부터 상기 매체로 상기 전기 전도성 부재를 통해 전달된 상기 전기 신호에 응답하여 상기 음향 트랜스듀서에 의해 생성되는, 상기 음향 에너지의 제 2 빔이,
상기 매체의 위치에서 중첩하도록 지향되는, 프로브 축을 가지는 이미징 프로브. - 제 9 항에 있어서, 상기 위치는 상기 하우징의 축을 포함하는 평면에 있는, 프로브 축을 가지는 이미징 프로브.
- 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 상기 광학 트랜시버를 포함하고 상기 챔버의 벽으로부터 상기 광학 트랜시버를 분리하는 유체로 채워진 유체 밀봉 챔버를 더 포함하는, 프로브 축을 가지는 이미징 프로브.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광학 트랜시버는 공간적으로 만곡된 표면 및 실질적으로 평면형 표면에 의해 공간적으로 제한되고 상기 공간적으로 만곡된 표면에서 상기 광학적으로 투명한 부재에 직접적으로 부착된 본체를 갖는, 프로브 축을 가지는 이미징 프로브.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 프리즘이 없는, 프로브 축을 가지는 이미징 프로브.
- 축 및 시스를 가지는 이미징 프로브를 동작시키기 위한 방법에 있어서:
상기 프로브의 근위 단부와 광학 트랜시버 사이에서 상기 시스 내부의 상기 축을 따라 연장되고 상기 프로브의 근위 단부와 상기 광학 트랜시버를 연결하는 광학 부재 내부로 광을 송신하는 단계로서,
상기 광학 트랜시버는 상기 광학 부재의 원위 단부에 직접적으로 부착되는, 상기 광을 송신하는 단계; 및
상기 시스 내부로 상기 광학 부재와 평행하게 연장되는 전기 전도성 부재를 통해 전기 신호를 송신하고 상기 프로브의 근위 단부 및 음향 트랜스듀서를 연결하는 단계를 포함하고,
상기 음향 트랜스듀서 및 상기 광학 트랜시버는 상기 축을 따라 서로 순서대로 배치되는, 이미징 프로브를 동작시키기 위한 방법. - 제 14 항에 있어서, 상기 광학 부재의 광축에 대해 기울어진 상기 광학 트랜시버의 실질적으로 평면형 표면으로부터 상기 광학 트랜시버의 본체로 내부적으로 상기 광을 반사시키는 단계를 포함하는, 이미징 프로브를 동작시키기 위한 방법.
- 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
- 여기 광의 제 1 빔을 형성하기 위해 상기 광학 트랜시버의 공간적으로 만곡된 표면을 통해 상기 광학 트랜시버를 둘러싸는 주변 매체로 상기 실질적으로 평면형 표면에 의해 상기 광학 트랜시버의 본체로 내부적으로 반사된 상기 광을 분리(outcouple)하는 단계; 및
- 상기 근위 단부로 전달된 형광 신호를 형성하기 위해 상기 주변 매체로부터 상기 광학 트랜시버의 공간적으로 만곡된 표면을 통해 상기 광학 트랜시버에 의해 수집되고 상기 광학 부재로, 상기 실질적으로 평면형 표면에 의해 상기 광학 트랜시버의 본체로 내부적으로 반사된 상기 광을 결합하는 단계 중 적어도 하나를 더 포함하는, 이미징 프로브를 동작시키기 위한 방법. - 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광을 송신하는 단계는 상기 광학 트랜시버의 공간적으로 만곡된 표면에서 상기 광학 부재의 원위 단부에 직접적으로 부착되는 상기 광학 트랜시버를 통해 광을 송신하는 단계를 포함하는, 이미징 프로브를 동작시키기 위한 방법.
- 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광을 송신하는 단계는 상기 광학 트랜시버를 포함하는 챔버에서 밀봉되고 상기 광학 트랜시버를 상기 시스로부터 분리하는 유체를 통해 광을 송신하는 단계를 포함하는, 이미징 프로브를 동작시키기 위한 방법.
- 제 18 항에 있어서, 상기 유체를 통해 상기 광을 송신하는 단계는 가스를 통해 광을 송신하는 단계를 포함하는, 이미징 프로브를 동작시키기 위한 방법.
- 제 14 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 기계적 에너지를 생성하고 상기 축에 대해 기울어지는, 상기 음향 트랜스듀서의 표면과 타겟 사이에 상기 기계적 에너지를 보내는 단계를 더 포함하는, 이미징 프로브를 동작시키기 위한 방법.
- 제 20 항에 있어서,
다음의 조건들 중 적어도 하나가 만족되고, 상기 다음의 조건들은:
(a) 상기 기계적 에너지가 상기 음향 트랜스듀서에 의해 생성된 제 2 음향 빔을 포함하고;
제 1 빔으로 조사되고 제 2 빔으로 노출된 둘 모두를 포함하는 영역을 정의하기 위해, 상기 광학 트랜시버의 실질적으로 평면형 표면으로부터의 상기 광을 반사하고 상기 광학 트랜시버의 공간적으로 만곡된 표면을 통해 상기 광을 송신할 때 상기 광학 트랜시버로부터 상기 시스를 통해 분리된, 상기 여기 광의 제 1 빔을 상기 시스를 통해 전달된 상기 제 2 음향 빔과 공간적으로 중첩시키는 단계를 포함하고;
(b) 상기 기계적 에너지는 상기 타겟이 상기 제 2 빔으로 노출되는 것에 응답하여 상기 타겟에 형성된 제 3 음향 빔을 포함하는 것인, 이미징 프로브를 동작시키기 위한 방법. - 제 21 항에 있어서,
상기 타겟으로 하여금 형광 광 및 음향 에너지를 생성하게 하기 위해 상기 타겟에 상기 영역을 배치하는 단계; 및
상기 근위 단부에서 상기 프로브에 동작가능하게 연결된 전자 회로에 의해 리턴 전기 신호 및 상기 형광 광을 공동 등록하기 위해 상기 음향 에너지를 상기 리턴 전기 신호로 전환하면서 상기 실질적으로 평면형 표면에 의해 상기 형광 광을 반사할 때 상기 광학 부재에 의해 상기 형광 광을 수집하는 단계를 포함하는, 이미징 프로브를 동작시키기 위한 방법. - 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서, 상기 공간적으로 중첩시키는 단계는 상기 프로브의 축을 포함하는 평면의 위치에서 상기 제 1 및 제 2 빔들을 공간적으로 중첩시키는 단계를 포함하는, 이미징 프로브를 동작시키기 위한 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 광을 송신하는 단계는 상기 광학 트랜시버를 통해 제 1 광 및 제 2 광을 송신하는 단계를 포함하고, 상기 광학 트랜시버는 제 1 공간적으로 만곡된 표면 및 제 2 실질적으로 평면형 표면에 의해 제한된 본체를 갖고, 상기 제 2 광은 상기 제 1 광으로 조사된 상기 시스 외부의 위치에서 방출되는, 이미징 프로브를 동작시키기 위한 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 광학 부재 내부로 상기 광을 송신하는 상기 단계 및 상기 전기 전도성 부재를 통해 상기 전기 신호를 송신하는 상기 단계의 각각은 1.2밀리미터보다 작은 직경을 가지는 상기 시스 내부로 에너지를 송신하는 단계를 포함하는, 이미징 프로브를 동작시키기 위한 방법.
- 제 25 항에 있어서, 상기 이미징 프로브는 상기 시스 내부에 배치되고 상기 동작 동안 회전하도록 구성된 토크 코일을 더 포함하고, 상기 에너지를 송신하는 상기 단계의 각각은 상기 토크 코일 내부로 상기 에너지를 송신하는 단계를 포함하는, 이미징 프로브를 동작시키기 위한 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 광학 부재 내부로 상기 광을 송신하는 상기 단계 및 상기 전기 전도성 부재를 통해 상기 전기 신호를 송신하는 상기 단계의 각각은 0.7밀리미터보다 작은 직경을 가지는 상기 시스 내부로 에너지를 송신하는 단계를 포함하는, 이미징 프로브를 동작시키기 위한 방법.
- 제 27 항에 있어서, 상기 이미징 프로브는 상기 시스 내부에 배치되고 상기 동작 동안 회전하도록 구성된 토크 코일을 더 포함하고, 상기 에너지를 송신하는 상기 단계의 각각은 상기 토크 코일 내부로 상기 에너지를 송신하는 단계를 포함하는, 이미징 프로브를 동작시키기 위한 방법.
- 제 14 항에 있어서,
다음의 조건들 중 적어도 하나가 만족되고, 상기 다음의 조건들은:
(i) 상기 광학 부재 내부로 상기 광을 송신하는 상기 단계는 렌즈형 광섬유를 통해 광을 송신하는 단계를 포함하고;
(ii) 상기 광학 부재 내부로 상기 광을 송신하는 상기 단계는 절단된 반사 표면으로 종단된 광섬유를 통해 광을 송신하는 단계를 포함하고;
(iii) 상기 동작은 광학 프리즘을 사용하지 않고;
(iv) 상기 음향 트랜스듀서 및 상기 광학 트랜시버는 상기 프로브의 축에 순차적으로 배치되는 것인, 이미징 프로브를 동작시키기 위한 방법. - 제 14 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프로브의 근위 단부에서 광전자 회로를 사용하여,
a) 제 1 위치에서 해부학적 구조를 표현하는 제 1 이미지를 형성하기 위해 상기 시스 외부의 상기 제 1 위치로부터 상기 음향 트랜시버로 얻어진 리턴 전기 신호를 수신하는 단계; 및
b) 제 2 위치를 특징짓는 분자 구조의 제 2 이미지를 형성하기 위해 상기 시스 외부의 상기 제 2 위치로부터 상기 광학 트랜시버를 통해 송신 시에 얻어진 리턴 광 신호를 수신하는 단계를 더 포함하고, 상기 리턴 광 신호는 상기 타겟이 상기 광학 부재의 근위 단부로부터 전달되고 상기 실질적으로 평면형 반사기에 의해 상기 광학 트랜시버의 본체로 내부적으로 반사된 여기 광으로 조사되는 것에 응답하여 상기 타겟에서 생성된 형광을 포함하는, 이미징 프로브를 동작시키기 위한 방법. - 공간적으로 공동 등록된 제 1 및 제 2 이미지들을 생성하도록 구성된 이미징 시스템으로서, 상기 제 1 이미지는 타겟의 해부학적 구조를 표현하고, 상기 제 2 이미지는 상기 타겟의 분자 구조를 표현하는, 상기 이미징 시스템에 있어서:
축과 근위 및 원위 단부들을 가지는 이미징 카테터로서,
i) 상기 축에 평행하게 상기 프로브의 근위 단부로부터 원위 단부까지 연장되는 광학적으로 투명한 부재;
ii) 본체가 공간적으로 만곡된 표면과 실질적으로 평면형 표면 사이에 포함되는 광학 렌즈로서, 상기 실질적으로 평면형 표면이 상기 광학적으로 투명한 부재의 축에 대해 기울어지도록 상기 공간적으로 만곡된 표면에서 상기 광학적으로 투명한 부재에 부착되는, 상기 광학 렌즈; 및
iii) 상기 광학적으로 투명한 부재에 평행하게 상기 프로브의 근위 단부로부터 원위 단부까지 연장되고 음향 트랜스듀서로 종단되는 전기 전도성 부재로서,
상기 음향 트랜스듀서 및 상기 광학 트랜시버는 상기 카테터의 축에 순차적으로 배치되는, 상기 전기 전도성 부재를 포함하는, 상기 이미징 카테터;
광학 로터리 조인트(optical rotary joint) 및 슬립 링(slip-ring)을 포함하는 모터 구동 서브 시스템으로서, 상기 근위 단부에 동작가능하게 부착되는, 상기 모터 구동 서브 시스템; 및
상기 광학 로터리 조인트를 통해 상기 광학적으로 투명한 부재와 광학적으로 연결된 여기 광원 및 상기 슬립 링을 통해 상기 전기 전도성 부재와 전기적으로 연결된 에코 검출기와 초음파 펄스 생성기를 포함하는, 이미징 시스템. - 제 31 항에 있어서, 상기 광학적으로 투명한 부재, 상기 광학 트랜시버, 상기 전기 전도성 부재, 및 상기 음향 트랜스듀서를 적어도 부분적으로 둘러싸는 하우징 소자를 더 포함하고, 상기 하우징 소자는 직경이 1.2mm를 초과하지 않도록 치수화되는, 이미징 시스템.
- 제 31 항 또는 제 32 항에 있어서,
프로그래밍가능한 컴퓨터 프로세서 및 프로그램 코드를 포함하는 유형의 비 일시적 저장 매체를 더 포함하고, 상기 프로그램 코드는 상기 프로그래밍가능한 프로세서에 다운로드될 때 상기 프로그래밍가능한 프로세서로 하여금:
(i) 상기 광학 렌즈 및 상기 음향 트랜스듀서에 각각 상기 여기 광 및 전기 펄스들을 전달하기 위해 상기 여기 광원 및 상기 초음파 펄스 생성기를 시간 조정 방식으로 동작시키고;
(ii) 동시에 상기 타겟에서 생성된 음향 파 및 상기 타겟에서 생성된 형광 광을 각각 표현하는 리턴 전기 신호 및 리턴 광 신호를 수집하면서 선택된 타겟에 대한 상기 카테터의 위치를 변경하고;
(iii) 리턴 전기 신호 데이터 및 리턴 광 신호 데이터에 기초하여 공간적으로 공동 등록된 제 1 및 제 2 이미지들을 형성하며;
(iv) 정량화된 NIRF 분자 이미지들을 생성하기 위해 검출된 US 신호들에 기초하여 NIRF 신호들의 거리 정정을 수행하는 프로세스들 중 적어도 하나를 시행하게 하는, 이미징 시스템. - 제 31 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 카테터에는 광학 프리즘이 없은, 이미징 시스템.
- 마이크로프로세서, 및
컴퓨터 판독가능한 매체를 포함하고, 상기 컴퓨터 판독가능한 매체는 광원, 전기 펄스 생성기, 및 이미징 프로브를 구비하고 상기 이미징 프로브의 축에서 서로 옆에 배치된 음향 트랜스듀서 및 광학 트랜시버를 포함하는 이미징 시스템을 동작시키기 위해 상기 컴퓨터 판독가능한 매체에 배치된 컴퓨터 판독가능한 프로그램 코드를 포함하고, 상기 광학 트랜시버는 상기 축에 대해 제 1 각도로 기울어지는 실질적으로 평면형 표면을 포함하고 상기 음향 트랜스듀서는 상기 축에 대해 제 2 각도로 기울어지는 트랜스듀서 표면을 포함하고,
상기 컴퓨터 판독가능한 프로그램 코드는:
상기 광원에서 여기 광 및 상기 전기 펄스 생성기에서 전기 펄스들을 시간 조정 방식으로 생성하는 것; 및
(i) 상기 실질적으로 평면형 표면으로부터의 여기 광의 반사 시에 타겟으로 전달된 상기 여기 광으로 조사되고, (ii) 상기 음향 트랜스듀서로부터 전달된 음향 빔으로 노출된 상기 타겟의 제 1 및 제 2 시각적으로 지각가능한 표현들을 형성하는 것에 영향을 미치는 제 1 일련의 컴퓨터 판독가능한 프로그램 스텝들을 포함하고,
상기 제 1 시각적으로 지각가능한 표현은 상기 여기 광의 파장보다 긴 파장을 가지는 광으로 형성되며,
상기 제 1 및 제 2 시각적으로 지각가능한 표현들은 상기 제 1 및 제 2 각도들이 제로가 아닌 각도들인 결과로서 공간적으로 공동 등록되는, 제품. - 제 35 항에 있어서,
상기 컴퓨터 판독가능한 프로그램 코드는:
3D 나선형 데이터 세트를 얻기 위해 상기 축을 중심으로 상기 원위 단부를 최대 360도까지의 각도로 회전시키고 상기 이미징 프로브를 풀백(pull back)하면서 상기 타겟에 대해 상기 이미징 프로브의 원위 단부를 재배치하는 것에 영향을 미치는 제 2 일련의 컴퓨터 판독가능한 프로그램 스텝들을 포함하는, 제품.
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