WO2002005716A1 - Système angioscopique à ulrasons - Google Patents

Description

明 細 書 超音波血管内視鏡システム 技術分野

本発明は、 レーザを集光させ誘電破壌（レーザブレークダウン） を生じさせる ことによって発生した超音波を用いて、 狭窄が生じた血管を可視化する超音波血 管内視鏡システムに関するものである。 背景技術

従来、 このような分野の技術としては、 例えば、

( 1 ) 「医用超音波器ハンドプック」 、 日本電子機械工業界編 コロナ社刊 1 9 9 7. 1 . 2 0発行、

( 2 ) 特開平 1 1 - 1 2 8 2 2 9号公報に開示されるものがあった。

従来の超音波血管内視鏡においては、 ビーム超音波を円周方向に走査して血管 断面を獲得するようにしている。

以下、 その点を詳細に説明する。

血管の狭窄部位の治療は、 血管内にガイドワイヤを貫通させ、 そこに挿入した バルーンを用レ、て病変を穿つ方法が採用されており、 この時ワイヤを狭窄部位に 過不足なく貫通させることが重要である。 そのため、 小型で、 超音波により前方 から 3次元的にかつ実時間で可視化できるシステムが切望されている。 発明の開示

現行の超音波血管内視鏡は、 プローブ軸に対して 9 0度の方向に超音波を発信 し、 回転させて血管断面の 2次元像を得ているが、 3次元像取得には時間を要し、 また、 狭窄部の更に先の情報が得られない。 これは現在、 無指向性の超音波作成 の手法がないことによる。

さらに、 従来の超音波血管内視鏡においては、 圧電素子を用いてビーム超音波 を発生させて円周方向に走査することにより画像を獲得していたが、 血管断面の 2次元情報しか得られないという問題点があつた。

本発明は、 上記問題点を除去し、 超音波を血管の狭窄部の前方に送波して、 内 視鏡の前方向を可視化するイメージング手法を用いたレーザブレークダウンによ る超音波血管内視鏡システムを提供することを目的とする。

本発明は、 上記の目的を達成するに、

〔1〕 超音波血管内視鏡システムにおいて、 体外に設置されるレーザ発生装置 と、 このレーザ発生装置から照射されるレーザを光ファイバを介して血管内に導 入するとともに、 この光ファイバの先端部に設けられる、 レンズと誘電体とを有 するプローブと、 前記誘電体で生じるレーザブレークダウンを用いた超音波の発 生手段と、 前記レーザブレークダウンにより放射される超音波による血管の狭窄 部位からの反射波を受信する前記プローブ先端に配置する複数のハイドロホンと、 この複数のハイドロホンからの受信信号から合成開口法により前記狭窄部位の狭 窄形状の画像を作成する手段とを具備することを特徴とする。

〔2〕 上記 〔1〕 記載の超音波血管内視鏡システムにおいて、 前記誘電体は水、 重水、 ポリスチレン含有水であることを特徵とする。

〔3〕 上記 〔2〕 記載の超音波血管内視鏡システムにおいて、 前記ポリスチレ ン含有水は蒸留水に直径 5 0乃至 1 0 0 0 n mのポリスチレン粒子を分散するこ とを特徴とする。

〔4〕 上記 〔1〕 記載の超音波血管内視鏡システムにおいて、 前記レーザは 1 0 6 4 n mの N d ： YA Gレーザであることを特徵とする。

〔5〕 上記 〔1〕 記載の超音波血管内視鏡システムにおいて、 前記複数のハイ ドロホンは 1 6から 6 4個のハイドロホンを前記プロ一ブの同心円上に配置する ことを特徴とする。

本発明の超音波血管内視鏡システムにおいては、 指向性の低い超音波を送波し、 計測対象からの反射波を複数の超音波振動子で受信し、 開口合成法を用いて 3次 元可視化を行うものである。

前方の広い範囲を可視化するためには、 送波超音波としては無指向性の波が好 ましく、 そのためには、 圧電素子によって生成される超音波ではなく、 集光した レ―ザが誘電破壊を起こす際に生じる超音波を用いる。 また、 受信専用の超音波振動子を用いるため、 受波感度の高い高分子材料系の ハイドロホンを受波子として用いる。 図面の簡単な説明

第 1図は、 本発明の実施例を示すレーザブレークダウンを用いた超音波血管内 視鏡システムの模式図である。

第 2図は、 本発明に係る受波信号の一例を示す図である。

第 3図は、 本発明に係るレーザブレークダウンによる超音波伝搬の様子を示す 図である。

第 4図は、 本発明に係る画像再構成方法を示す図である。

第 5図は、 本発明に係る計測対象からの波形を示す図である。

第 6図は、 本発明に係るレーザブレークダウンによる画像再構成結果を示す図 である。

第 7図は、 本発明に係るレーザブレークダウン部の断面を示す図である。

第 8図は、 本発明に係るレーザ誘起ブレークダウン発生確率を示す図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

第 1図は本発明の実施例を示すレーザブレークダウンを用いた超音波血管内視 鏡システムの模式図である。

この図において、 1は血管、 2はその血管 1の狭窄部位、 1 1は体外に設置さ れたレーザ発生装置、 1 2は光ファイバ、 1 3はそのレーザ発生装置 1 1から照 射されるレーザであり、 体外に設置されたレーザ発生装置 1 1より発生したレー ザ 1 3は、 光ファイバ 1 2を用いて血管 1内を通って、 所望の部位まで導入され る。 1 4はそのレ一ザ 1 3を集光するレンズ、 1 5は集光されたレーザが作用す る誘電体としての水槽であり、 内視鏡の内部に導入されたレーザ 1 3は、 内視鏡 内に設置されたレンズ 1 4で、 同じく内視鏡内の小さな水槽 1 5にて集光される _c 集光されたレーザは高いエネルギ密度状態と化し、 誘電破壊、 つまり、 レーザブ レークダウン 1 6が引き起こされる。 この誘電破壊 （レーザブレークダウン） 1 6により、 光と熱と超音波が発生するが、 このうちの超音波 （前方球面波） を距 離計測に用いる。 つまり、 指向性の低い超音波 1 7を送波し、 計測対象としての 血管 1の狭窄部位 2からの反射波を複数の超音波振動子としての高分子製ハイド 口ホン 1 8で受信し、 増幅器 1 9で増幅した後、 3次元可視化装置 2 1 〔受波信 号のみをチェックする場合には、 デジタルオシロスコープ （D S O) 〕 を用いて 開口合成法を用いて狭窄部位 2の 3次元可視化を行う。 なお、 2 0はレンズ 1 4、 7]槽 1 5を有する光ファイバ 1 2からなるプローブである。

さらに、 詳細に説明すると、 誘電体としての水槽 1 5には、 ポリスチレン粒子

(直径 2 0 0 n m) を分散させた蒸留水を満たし、 レーザ 1 3としては、 N d ： YA Gレーザを集光させると、 集光点付近の媒質を誘電破壊し、 光や超音波を発 生させるレーザブレークダウン 1 6が起こる。 この時の収束点を絞ることによつ て、 無指向性の球面波の超音波を発現した。 この波形はリンギングが極めて少な レ、。 内視鏡において、 体外に設置したレーザ発生装置 1 1からのレーザを光ファ ィバ 1 2でプローブ 2 0に導入し、 レンズ 1 4で同じくプローブ 2 0内の小さな R槽 1 5にて集光させる。 集光させたレーザは高いエネルギー密度と化し誘電破 壊を生じ、 無指向性の超音波 1 7を生じる。 プローブ 2 0先端には受信用のハイ ドロホン 1 8を複数個設置し、 エコーを受信する。 各ポイントでのエコーから合 成開口法により前方 3次元画像を作成する。 血管の診断に威力があり、 更に C C D等の光学的手法が使えない場所での画像取得にも有用である。

上記したように、 レンズ 1 4と水槽 （誘電体） 1 5は光ファイバ 1 2からなる プローブ 2 0内に設置する。 誘電体 1 5は水、 重水、 ポリスチレン含有水である。 レーザ集光スポットは 1 0 z m以内、 好ましくは 1 /^ m以内であり、 スポットが 小さいほど無指向性の超音波になる。 レーザ 1 3は、 例えば、 1 0 6 4 n mの N d ： YA Gレーザであり、 プローブ 2 0先端に、 第 7図に示すように、 超音波受 信用の複数のハイド口ホン 1 8を設置する。 好ましくは 1 6から 6 4個のハイド 口ホンをプローブ 2 0の同心円上に配置する。 そこで、 複数のハイドロホン 1 8 からの受信信号から合成開口法により画像を作成する。 従ってハイド口ホン 1 8 の数は多いほど好ましい。

以下、 具体例について説明する。 レーザ 1 3としての N d ： YA Gレーザは 1 0 6 4 n m、 パルス幅 6 n sであ り、 繰り返し 1 0 H z、 パルスエネルギー最大 1 8 O m Jである。

レンズ 1 4は f 二 3 O mmが望ましく、 ス 2と偏光子はレーザ強度の調整に 用いる。 水槽 1 5の蒸留水には直径 5 0乃至 1 0 0 0 n mのポリスチレン粒子を 分散する。 特に、 水は 1 0 6 4 n mに吸光がないため、 熱の発生を抑えられる。 ハイドロホン 1 8は P Z Tニードルハイドロホンを用いる。

球面超音波の発生は、 この時に発生する超音波を P Z Tニードルハイドロホン を用いて受波し、 増幅した後に、 デジタルオシロスコープにて格納する。 受波信 号の一例を第 2図に示す。

入力のレーザは非常に幅の短いパルスであるので、 第 2図に示した波形は、 P Z T二一ドルハイドロホンおよび増幅器を含めた計測系のインパルス応答と見な すことができる。 第 2図から分かるように、 レ一ザブレークダウンによる超音波 は、 0 . 2 s e cの間に拡張、 収縮が一回ずつ生じる単一正弦波である。 とこ ろで球面波が発生すると、 それに伴う反射波も指向性がない。 大きなピークの後 に続く波は、 セラミクス系の振動子で生成した超音波に見られるようなリンギン グではなく、 7j面や水槽の底面等からの反射波である。 従って、 この計測系には 大きなリンギングは存在しない。

さらに、 レーザブレークダウンで生じる超音波を複数の点で計測し、 そこから 伝播する波面を描画した。 その一例を第 3図に示す。 この第 3図は、 レーザブレ ークダウン発生から、 約 3 5 s e c後の音場分布である。

中央の点がレーザブレークダウンが発生した地点で、 各格子の頂点が計測点で ある。 また、 格子の歪みは、 各計測点での受波信号の大きさを表している。 これ より、 波が等方的に伝播している。 すなわち、 球面波が発生しているのが確認で きた。

本発明のレーザブレークダウンで生じた超音波を用いて画像再構成する場合、 第 2図に示したようにリンギングが極めて少なく、 量子化された計測点からのデ —夕はパルス列と見なせる。 また、 第 3図に示したように無指向性であるため、 データの足し合わせの際に、 重みを考慮する必要がないという特徴を有する。 従 つて、 再構成アルゴリズムによる画像再構成を施した。 第 4図はその画像再構成 の手法の説明図である。

ここでは、 計測对象としては、 長さが数 c mである 6角レンチを選び、 水槽の 中に配置して、 反射波を P ZTニードルハイドロホンを用いて複数点で計測した。 増幅後の波形の一例を、 第 5図に示す。

直接受波した信号と比べると強度的には小さくなつているものの、 この反射信 号は 3次元計測の用途に十分な振幅を持つ。 ここで、 上述したような単純な同相 加算による画像再構成を施した。 計測対象を再構成した結果を第 6図に示す。 第 6図 （ a ) は計測対象を上から見た 3次元画像であり、 細長レ、部分が再構成 できている。 また、 第 6図 （b ) は横から見た画像であり、 矢印で示した部分が 折れ曲がつている部分である。 このように球面波を用いると、 単純な画像再構成 アルゴリズムでも、 高画質の結果を得ることができた。

第 8図はレーザ光強度を変化させたときのブレークダウン発生確率の変化を測 定した結果を示す図であり、 この図に示すように、 蒸留水 （H₂ 0) に対する結 果 （a )、 水中にポリスチレン （P S) (粒径 1 m) を分散させた場合の結果 (b ) 、 重水 (D ₂ 0) を用いた場合の結果 （c ) をそれぞれ示している。 蒸留 水に対してポリスチレン （粒径 1 m) を加えるか、 重水に置き換えることで、 低レ、入射レーザパワーでもブレークダウンが起こる確率を著しく上げられること がわかる。 これによりレーザ誘起ブレークダウンに必要なエネルギーを下げてよ り安全に超音波を発生させることができる。

なお、 本発明は上記実施例に限定されるものではなく、 本発明の趣旨に基づい て種々の変形が可能であり、 これらを本発明の範囲から排除するものではない。 以上、 詳細に説明したように、 本発明によれば、 以下のような効果を奏するこ とか'でさる。

(A)超音波を血管の狭窄部の前方に送波して、 内視鏡の前方向を確実に可視 化することができる超音波血管内視鏡システムを構築することができる。

( B) レーザブレークダウンによる超音波を送波するが、 これは指向性がない ため、 前方の広い範囲を可視化することができ、 血管内部の診断に非常に有用と なる。 ( C ) レーザブレークダウンによる超音波は、 リンギングのないパルス状のも のであるため、 非常に高い解像度の画像を再構成することが可能になる。 産業上の利用可能性

本発明の超音波血管内視鏡システムは、 光学的には見えない狭搾部の前方を無 指向超音波で広い範囲を観察することができ、 血管内視鏡を用いた診断や治療に 好適である。 また、 工業用内視鏡への用途が期待できる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 .

( a ) 体外に設置されるレーザ発生装置と、

( b ) 該レ一ザ発生装置から照射されるレーザを光ファイバを介して血管内に導 入するとともに、 該光ファイバの先端部に設けられる、 レンズと誘電体とを有す るプローブと、

( c ) 前記誘電体で生じるレーザブレークダウンを用レヽた超音波の発生手段と、

( d ) 前記レーザブレークダウンにより放射される超音波による血管の狭窄部位 からの反射波を受信する前記プ口一ブ先端に配置する複数のハイド口ホンと、

( e ) 該複数のハイドロホンからの受信信号から合成開口法により前記狭窄部位 の狭窄形状の画像を作成する手段とを具備することを特徴とする超音波血管内視 鏡システム。

2. 請求項 1記載の超音波血管内視鏡システムにおいて、 前記誘電体は水、 重水、 ポリスチレン含有水であることを特徴とする超音波血管内視鏡システム。

3. 請求項 2記載の超音波血管内視鏡システムにおいて、 前記ポリスチレン含有 水は蒸留水に直径 5 0乃至 1 0 0 0 n mのポリスチレン粒子を分散することを特 徵とする超音波血管内視鏡システム。

4 . 請求項 1記載の超音波血管内視鏡システムにおいて、 前記レーザは 1 0 6 4 n mの N d ： YA Gレーザであることを特徵とする超音波血管内視鏡システム。

5 . 請求項 1記載の超音波血管内視鏡システムにおいて、 前記複数のハイドロホ ンは 1 6から 6 4個のハイドロホンを前記プローブの同心円上に配置することを 特徵とする超音波血管内視鏡システム。