JP2007536017A - 血管内アンテナ - Google Patents

Abstract

本発明は、患者の脈管を通って進められるように構成された細長い脈管内装置に関する。本発明は、さらに膨張性部材上に配置されたアンテナを有するので、アンテナのサイズを大きくしたり小さくしたりして、本発明が採用されるシステムをより正確に調整することができる。

Description

本出願は、「脈管内器具用のインピーダンス整合装置および構造」という名称で２００１年１１月１３日に出願された係属中の米国特許出願第１０／００８，３８０号と、「能動型ＭＲＩカテーテル等血管内器具用装置および構造」という名称で２００４年５月６日に出願された係属中の米国特許出願第１０／８４０，３１８号を参照する。

本発明は、広く脈管内装置に関する。特に、本発明は、脈管内磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システム内で用いられるアンテナに関する。

脈管内撮像は、脈管内装置を取り囲む組織の画像の生成を含んでいる。視覚化は、カテーテルもしくは他の脈管内装置の画像、またはそれ自体による画像を、通常にはこれらの装置のすぐ隣りの組織からの局部的信号を通じて生成することを含んでいる。

人体内に配置されるカテーテルやその他の装置を撮像、視覚化、および追跡する作業は、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システムを用いて実行することができる。典型的には、このような磁気共鳴撮像システムは、磁石、パルス磁界勾配発生器（pulsed magnetic field gradient generator）、無線周波数（ＲＦ）域内の電磁波の送信機、ＲＦ受信器、および制御装置で構成されている。通常の実施においては、追跡される装置、あるいは、装置を目的位置へ搬送する際の支援として利用されるガイドワイヤやカテーテル（普通、ＭＲカテーテルと呼ばれている）には、アンテナが装備される。一つの従来例では、アンテナは導電性のコイルからなり、このコイルは、互いに電気絶縁され、かつ検知された信号をＲＦ受信器へ送信するように構成された送信線からなる一対の伸長導電体に結合されている。

一例として、前記コイルはソレノイド形状で構成されている。患者は磁石内部あるいはその近辺に置かれ、この患者内に装置が挿入される。磁気共鳴撮像システムは、患者の体内に送り込まれ、患者体内の選択された核スピンから共鳴応答信号を誘導する無線周波数域の電磁波および磁界勾配パルスを発生する。この共鳴応答信号は、装置に取り付けられた導電線コイル内に電流を誘起する。こうして、コイルは、その近辺の核スピン運動を検出する。検出された応答信号は、送信線により無線周波数受信器へ送られて、処理された後、制御装置に保存される。この作業が、３次元方向で繰り返される。磁界勾配に起因する検出信号の周波数は、各勾配での無線周波数コイルの位置に比例する。

患者体内における無線周波数コイルの位置は、フーリエ変換を使ったデータ処理により算定でき、コイルの位置画像が作成できる。実際例では、この位置画像は、所望領域の磁気共鳴画像に重ね合わされる。この領域の画像は撮像されて位置画像として、撮影と同時あるいは早い時期に保存される。

上述のようなコイル型アンテナでは、アンテナコイルのインピーダンスが送信線のインピーダンスと実質的に整合していることが望ましい。従来のＭＲＩコイルのインピーダンス整合では、分流器列または分流コンデンサの組み合わせでコイルを同調させれば十分であった。このような従来の使用法では、コンデンサはサイズの制約を受けることがほとんどなかった。

しかしながら、脈管内コイル用には同調コンデンサを小型化することが必要である。脈管内装置上の整合・同調回路を構成するのに個々に独立した部品が用いられていた。しかし、このような部品は、かさばるし、装置の設計に容易に組みこむことができない。また、信号対雑音比（ＳＮＲ）を低減することなく、同調コンデンサをコイルから離して配置することが望ましい。任意の、またはトリム（調整）可能なコンデンサを形成する手段として開回路スタブ送信線を使うことや、同調インダクタである短絡回路スタブを用いることが提案されてきた。このようなプローブは、同軸ケーブルの長さを調整することによって同調される。しかしながら、これらの回路は、それでもなお脈管内の移動には理想的でない比較的大きな装置となる。また、回路は多くの接続部を必要とするので、組み立てプロセスが比較的に複雑である。

脈管内ＭＲＩアンテナ装置の別の問題は、現今の装置は制限が多いということである。
そのようなアンテナは、一回巻きのループおよび鞍型コイルを含む。それらのアンテナは、ある周波数で共振するが、その周波数は、典型的にはギガヘルツレンジ内で極めて高い。典型的には、アンテナは、検知されるべき信号の波長に比べて小さい。したがって、従来のコイルアンテナをその波長に合わせて最適とするように調整するのは非常に難しい。従来のシステムでは、回路は、前述のコイルアンテナ上の個別のインダクタとコンデンサとを用いて調整されていた。

従って、多くの場合、できるだけ大きなアンテナを製作することが望ましいことが理解されるだろう。しかしながら、脈管にアクセスする必要から、アンテナの直径は制限されている。単純な膨張するループが、部分的にこの制限を満たすが、そのループは脈管内で展開させるのが難しい。

本発明は、これらの問題並びにその他の問題の内の少なくとも一つを解消し、従来技術以上の効果を提供する。

本発明は、体内の脈管内に挿入できるように構成された、伸長された脈管内装置に関する。さらに、本発明は、膨張性の部材上に配置されたアンテナを含むので、それを使用するシステムに正確に適合するように、アンテナのサイズを大きくしたり小さくしたりすることができる。

図１は、本発明によるいくつかの実施例が利用できる磁気共鳴撮像、視覚化、および脈管内ガイダンスシステムの一例の部分ブロック図である。図１において、支持台１１０上の患者１００は、磁界発生器１２０で発生される均等な磁界内に置かれている。磁界発生器１２０は、典型的には、患者１００を受容できる筒状磁気体からなる。磁界勾配発生器１３０は、予め決められた時間に、互いに直角である３方向で予定の強さの勾配磁力線を形成する。磁界勾配発生器１３０は、例えば、磁界発生器１２０内に同心に配備された１組の円筒状コイルからなる。カテーテルとして図示された装置１５０が挿入される患者１００の患部は、磁界発生器１２０の筒状体の孔のほぼ中央に位置している。

ＲＦ発生源１４０は、患者１００および装置１５０内のＭＲ能動的サンプルに予め定められた周波数でかつ十分な強さで予め定められた時間、パルス状無線周波数エネルギを照射し、当業者に周知の方法によって核磁気スピンを章動する。このスピン章動（nutation）により、ラーモア周波数値（Larmor frequency）での共振が発生する。各スピンのラーモア周波数は、スピンに影響する磁界の強さに正比例する。この磁界の強さは、磁界発生器１２０による静電磁界強さと磁界勾配発生器１３０による局地磁界強さとの和である。実施例におけるＲＦ発生源１４０は、患者１００の患部の周囲を取り囲む円筒状の外部コイルである。この外部コイルは、患者１００の全身を囲い込むための十分な直径を有することができる。また、頭部や手足などを撮像できるよう専用に設計された小さな円筒など、その他の形状を使っても構わない。さらに、表面コイルなどの非円筒状の外部コイルを代わりに利用することも可能である。

装置１５０は、操作担当者により患者１００内に挿入される。装置１５０は、ガイドワイヤ、カテーテル、剥離(ablation)装置、あるいは同様の再疎通器であってよい。装置１５０は、ＲＦ発生源１４０が生成する無線周波数電界に応答して患者と装置１５０の両方で発生するＭＲ信号を検知するためのＲＦアンテナを備える。内部装置アンテナは小型であるため、感知域も同じく狭い。その結果、検出信号は、アンテナに近い区域の磁界の強度からだけで発生するラーモア周波数信号となる。この装置アンテナで検知された信号は、導体１８０を経由して撮像・視覚化・追跡制御装置１７０へ送られる。

一実施例において、外部ＲＦ受信機１６０は、患者１００の患部を取り囲むような円筒状の外部コイルで構成される。そのような外部コイルの直径は、患者１００の全身を囲めるサイズである。その他の形状として、頭部や手足などを撮像できるよう専用に設計された小さな円筒などの形状でも構わない。さらに、表面コイルなどの非円筒状の外部コイルの利用も可能である。外部ＲＦ受信器１６０は、その構造の一部または全部をＲＦ発生源１４０中に含めてもよいし、あるいは、ＲＦ発生源１４０から完全に独立した構造とすることも可能である。ＲＦ受信機１６０の感知域は、装置アンテナの感知域よりも広いため、患者１００全体、または、その患部だけを取り囲むことができる。しかしながら、外部ＲＦ受信機１６０から得られる解像度は、装置アンテナの解像度よりも低い。

外部ＲＦ受信機１６０が検知したＲＦ信号も、前記撮像・視覚化・追跡制御装置１７０へ送られて、装置アンテナが検知したＲＦ信号とともに分析される。アンテナへの接続における困難さを克服するために、また組立手順の複雑さを克服するための幾つかの実施例が、「能動型ＭＲＩカテーテル等血管内器具用装置および構造」という名称で２００４年５月６日に出願された係属中の米国特許出願第１０／８４０，３１８号に述べられている。さらに当該出願は、脈管内装置を含む回路を調節するため、すなわちそのような回路の構成要素または部分内のインピーダンスに一致させるために用いられる構成要素および回路を構成するための、導体および誘電性材料を交互に積層する交互層を示す多数の実施例について述べている。

上述の問題点に対処するため、前記継続中の参照出願に詳述された実施例では、導体および誘電性材料の交互層を用いて、脈管内装置の回路の同調、すなわち前記回路の部品間つまりセグメント間のインピーダンス整合に使用することができる部品および回路を形成している。図２は、当技術分野で知られるインピーダンス整合回路２００の概略図である。インピーダンス整合回路２００は、送信線２０２，２０４、キャパシタンス２０６，２０８，２１０、および誘導性コイル２１２を含む。節点２１４、２１６、２１８、２２０および２２２備えたインピーダンス整合回路２００は、インピーダンス整合に用いられる。

図１に示されるシステムで用いられる脈管内装置に関連する別の問題は、患者内で適当なアンテナを使用することによって生じる。図３Ａは、本発明の１つの実施例による脈管内装置３００の側面図である。脈管内装置３００は、（カテーテルやガイドワイヤなどの）細長い部材３０４によって支持された膨張性部材３０２を含む。図３Ａに示される実施例においては、導体３０６とこれに関連する接続パッド３０８とが、全体としてアンテナ部分３１０を形成するように膨張性部材３０２上に配置される。

１つの実施例においては、アンテナ３１０を備えた脈管内装置３００が、図１に示されるようなシステム内のアンテナとして機能し、ＲＦ信号を受信し、レシーバ／コントローラに当該信号を送信する。他の実施例では、脈管内装置３００は、アンテナ機能以外の機能をも果たす。例えば、１つの実施例では、装置３００は、脈管内のある位置に別の脈管内装置を運ぶのを助けるため用いられるガイドワイヤの役割を果たす。さらに別の実施例では、装置３００は、脈管内の閉塞を分解させるために用いられる除去（アブレーション）装置の役割を果たす。さらになお別の実施例では、装置３００は、膨張装置またはカテーテルによって支持された他の装置として配置される。また、装置３００は、カテーテル３０４と一体に組み合わされて、あるいはカテーテル３０４とは別々に形成されることができる。

図３Ａは、放射状に折り畳まれるか収縮させられた移送状態の装置３００を示し、図３Ｂは、放射状に拡張されるか、展開状態にある装置３００を示す。図３Ａでは、膨張性部材３０２は収縮され、ねじられるかまたはそれ自身の上に折り重ねられている。膨張性部材３０２が、図３Ｂに示される状態に膨張する時、導体３０６は、矢印３１２で示された方向へ膨張し、導体３０６は、膨張性部材３０２の表面に一回巻きのアンテナを形成する。膨張性部材３０２が収縮される時、アンテナ３１０は、矢印３１２と反対方向に動き、膨張性部材３０２を折りたたむか、わずかにねじるかのどちらかによって、図３Ａに示された状態にまで戻る。

接続パッド３０８は、誘電性のバルーン材料を介して、図１に示されるシステムの近位端部にまで伸びている伝送線を形成する１つ以上の導体１８０に接続される。バルーン圧力が変わるのにつれて、キャパシタンスが変わるので、これは回路内の可変同調コンデンサとしての機能を果たすことができる。

１つの実施例では、膨張性部材３０２は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの非コンプリアント（non-compliant）な材料から作られる。これにより、導体３０６、接続パッド３０８、および膨張性部材３０２を形成する材料との間の接触面での不具合を完全に回避することができるようになる。

導体３０６および接続パッド３０８は、たくさんの様々な技術を用いて、膨張性部材３０２の表面上にプリントされる。例えば、リソグラフィまたは転写印刷でパターンが作成される。例えば、アンテナ３１０の伝導性部分の回路の導体は金である。金以外にも、他の材料をアンテナ３１０の伝導性部分として同様に用いることができる。例えば、伝導性ポリマー（伝導性粒子が充填されたポリマー）または他の材料も同様に用いることができる。

膨張性部材３０２の膨張および屈曲によって、膨張性部材３０２とアンテナ３１０との間の接触面に付加的なストレスが発生する。さらに、膨張性部材３０２を折りたたむことによって、バルーンと導体との間に全面的なストレスが発生し、導体自身に引張応力を発生する。したがって、１つの実施例では、導体３０６および接続パッド３０８は、膨張性部材３０２の折りたたみ部分上には配置されない。別の実施例では、結合層３１４が、アンテナ３１０の伝導性部分と膨張性部材３０２の表面との間に用いられる。結合層は、２つの材料間の接触面の全面的なストレスを最小限にする柔軟で弾性の特性を有する。結合層は、アンテナ３１０と膨張性部材３０２との間の接触面に現れるストレスを望ましいレベルにまで低減するために、所望の弾性性質を有する任意の適当な形式の材料または被膜である。別の実施例では、アンテナ領域は、疲労および過度のストレスが増加することなく、より容易に折りたたまれるか、または曲げられるように形成される。

図４Ａおよび４Ｂは、１回巻きのアンテナではなく、複数回巻きのアンテナである点を除いて、図３Ａおよび３Ｂに示された装置３００と類似の別の装置４００を示す。膨張性部材３０２が収縮される時、接続パッド４０８は、矢印４１２で示される方向へ動き、膨張性部材３０２を折りたたむか、わずかにねじるかによって、アンテナ４１０の膨張性部材３０２のまわりにコイルができる。しかしながら、膨張性部材３０２が図４Ｂで示される状態まで膨張する時、接続パッド４０８は、アンテナ４１０の巻きの直径を増加させるために矢印４１４によって示される方向へ動く。

図５は、膨張性部材３０２の表面に配置される、さらに別のタイプのアンテナを示す。図５は、図３Ａ〜４Ｂに示された実施例に類似しており、いくつかの要素には同じ符号が付けられている。しかしながら、図５の膨張性部材３０２上に配置されたアンテナは、フラクタルアンテナである。本明細書で用いられるように、フラクタルアンテナは、決定的であるか、あるいはランダムまたは無秩序であるかの２つの主な幾何学的なタイプのうちの１つの形式のアンテナである。ランダムフラクタルは、ランダムウォーク（random walks）、デンドライト（dendrites）、あるいは稲妻に似た形状であってよい。決定的フラクタル（deterministic fractals）は、連続する同じ大きさのスケールのジェネレータを適用する。本明細書の説明のために、決定的フラクタルは、有限数の（または少なくとも２回の）自己相似反復を有するものと考えられる。

フラクタルアンテナは、従来のアンテナと同じ性能を有し、従来のアンテナよりかなり小さく作ることができる。同様に、フラクタルアンテナは「セルフローディング（self- loading）」であるので、それらを共振させるのに、ほんの少しのコイルおよびコンデンサしか必要ない。いくつかのフラクタルアンテナは、マサチューセッツ州メイデン（Maiden）のフラクタルアンテナシステムズインコーポレイテッド社（Fractal Antenna Systems, Inc.）から入手可能である。

このように、図５は、フラクタルアンテナ５０２を使用する点を除いて、装置３００および４００と同様の装置５００を示す。もちろん、フラクタルアンテナ５０２は、所望通りに任意の適当な回数の繰り返しを有する、決定的またはランダムのフラクタルアンテナでありえる。このように、本発明の１つの実施例では、単純なループまたはサドルループアンテナの構成よりも幾何学的に複雑な「コンプレックス」アンテナの形を用いる。例えば、これらの複雑な形状は、単純なループまたはサドルループよりももっと幾何学的な特徴（例えば、角度、形、または特性）を有しており、アンテナを壊したり電気的に不連続にしたりすることなく、膨張性部材を容易に折り重ねるか折り畳む技術または構成を用いて膨張性材料上に形成される。このことは、例えば、膨張性部材上に複雑なアンテナの形状をプリントすること、（以下に述べられる）結合層を用いること、アンテナ形状中に弾性を大きくするか、または膨張性部材を折り重ねるか折り畳むことによるダメージを受けにくくする折り目領域を作ること、あるいは折り重ねる必要がないように、単に複雑なアンテナの形状を膨張性部材上に配置することによって実現できる。

図６Ａ〜６Ｅは、本発明の別の実施例を示す。図６Ａは、１つの実施例を示し、伝導性部分６１２および接続パッド６１４を含むアンテナ６１０が、柔軟な回路材料６１６上に配置されている。１つの実施例では、アンテナ６１０は、ポリイミド（polyimide）などの適当な材料で形成されるフレックス回路基板６１６上にプリントされる。

１つの実施例では、図６Ｂに示されるように、基板６１６およびアンテナ６１０は、巻かれた形状（あるいは渦巻形）になるように癖がつけられている（バイアスがかけられる）。さらに、図６Ｃに示されるように、アンテナ６１０がその上に配置されたフレックス回路基板６１６は、膨張性部材６１８上に配置される。図６Ｃは、膨張性部材６１８が膨張性部材３０２と同じ形状であり、カテーテル３０４によって支持されることを示す。図６Ｃは、さらに膨張性部材６１８が折り畳まれるか膨張していない状態にあることを示す。

１つの実施例では、フレックス回路基板６１６は、１つの場所（例えば、端部付近のパッド６１４、または中間地点）でのみ、膨張性部材６１８の表面に接着される。したがって、膨張性部材６１８が、図６Ｄに示される状態にまで膨張する時、基板６１６の接着部分は膨張性部材６１８の表面に固定されたままであり、一方、残りの部分は移動するか膨張性部材６１８の表面に関連して滑り動くことができる。このことにより、基板６１６の両端は、それぞれ、図６Ｃの矢印６２０で示される方向へ、図６Ｄに示される状態にまで移動する。もちろん、これにより、アンテナ６１０（一回巻きのループアンテナで示されているが、他の形式のアンテナでもよい）は、その展開される直径を大きくすることができる。

図６Ｅは、図６Ａ〜６Ｄに示された装置の１つの実施例の断面図を示す。図６Ｅは、それ自体が膨張性部材６１８の表面に接着された基板６１６上に配置された導体６１２を示す。フレックス回路基板６１６は、膨張性部材６１８の表面上に接着剤を用いて直接的に接着されるか、あるいは、膨張性部材６１８および基板６１６の接触面に配置された結合層６２２に接着される。フレックス回路は、市場で入手可能であり、一般に知られている。結合層は、ポリ酢酸ビニル（polyvinyl acetate）、ローデュロメータナイロン（ow durometer nylon）、またはポリエステル（polyester）などの任意の望ましい結合層である。他の結合層も同様に用いることができる。

このように、本発明がＭＲＩシステム内のアンテナで用いられる特有の装置を提供することが理解されるだろう。このような装置には、従来の装置に比べて著しい長所がある。本発明によるアンテナは、実質的に、単極（モノポール）、双極子（ダイポール）、ソレノイド、フラクタルなどなど任意の形式を採用することができる。本発明は、アンテナ構成全体を包含して熟考されている。

本発明は好ましい実施例に関して説明されたが、当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱しないで、形状および細部において変形できることを認識できるであろう。

本発明の実施例を使用できる磁気共鳴撮像／脈管内ガイドシステムを例示する部分ブロック図である。 従来技術における既知のインピーダンス整合回路の概略図である。 収縮状態の膨張性部材上に配置されたアンテナの図である。 膨張あるいは展開状態の膨張性部材上に配置されたアンテナの図である。 収縮状態の膨張性部材上に配置された別のタイプのアンテナの図である。 膨張あるいは展開状態の膨張性部材上に配置された別のタイプのアンテナの図である。 膨張性部材上に配置されたさらに別のタイプのアンテナの図である。 フレックス回路材上にプリントされたアンテナの１つの実施例を示す。 フレックス回路材上にプリントされたアンテナの１つの実施例を示す。 収縮状態の膨張性部材上に配置された図６Ａおよび６Ｂに示されるフレックス回路の図である。 展開状態の膨張性部材上に配置された図６Ａおよび６Ｂに示されるフレックス回路の図である。 図６Ｄに示されるフレックス回路および膨張性部材の断面である。

符号の説明

１００・・・患者
１１０・・・支持台
１２０・・・磁界発生器
１３０・・・磁界勾配発生器
１４０・・・ＲＦ発生源
１５０・・・装置（カテーテル）
１６０・・・外部ＲＦ受信機
１７０・・・撮像追跡制御器
１８０・・・導体
１９０・・・表示手段
３００・・・脈管内装置
３０２・・・膨張性部材
３０４・・・細長い部材
３０６・・・導体
３０８・・・接続パッド
３１０・・・アンテナ

Claims (26)

1. 遠位端部と近位端部を有する細長い部材、
   前記細長い部材の近位部分に接続された膨張性部材、および
   複雑なアンテナ形状を有し、前記膨張性部材に結合され、その膨張により全体構成の大きさを変化させられるアンテナからなる体腔内挿入装置。
2. 前記アンテナが、前記膨張性部材の外表面上にプリントされた請求項１の装置。
3. 前記アンテナが、前記膨張性部材と一体的に形成された請求項１の装置。
4. さらに、前記膨張性部材と前記アンテナとの間に配置された結合層からなる請求項１の装置。
5. 前記結合層が、前記膨張性部材の膨張によって前記膨張性部材と前記アンテナとの接触面に発生するストレスを低減するように形成された請求項４の装置。
6. 前記結合層が、ポリビニル、アセテート、ナイロン、およびポリエステルの少なくとも１つからなる請求項５の装置。
7. さらに、前記アンテナと前記膨張性部材との間にあって、前記アンテナが結合されるフレックス回路基板からなる請求項１の装置。
8. 前記フレックス回路基板が、湾曲形にバイアスをかけられた請求項７の装置。
9. さらに、前記フレックス回路基板を前記膨張性部材に結合する結合層からなる請求項８の装置。
10. 前記アンテナが、フラクタルアンテナからなる請求項１の装置。
11. 前記細長い部材が、カテーテルからなる請求項１の装置。
12. 前記細長い部材が、ガイドワイヤからなる請求項１の装置。
13. 前記膨張性部材の膨張が、前記アンテナの全体構成の直径を増加させる請求項１の装置。
14. 遠位端部と近位端部とを有し、その近位端部に膨張性部材を備えた細長い部材、および前記膨張性部材の表面上に配置されたアンテナを含む脈管内操作用脈管内装置、および
    前記脈管内装置に結合された磁気共鳴撮像装置からなる人体の一部を撮像するためのシステム。
15. 前記アンテナが、前記膨張性部材の外表面上にプリントされた請求項１４の装置。
16. 前記アンテナが、前記膨張性部材と一体的に形成された請求項１４の装置。
17. さらに、前記膨張性部材と前記アンテナとの間に配置された結合層からなる請求項１４の装置。
18. 前記結合層が、前記膨張性部材の膨張によって前記膨張性部材と前記アンテナとの接触面に発生するストレスを低減するように形成される請求項１７の装置。
19. 前記結合層が、ポリビニル、アセテート、ナイロン、およびポリエステルの少なくとも１つからなる請求項１８の装置。
20. さらに、前記アンテナと前記膨張性部材との間にあって、前記アンテナが結合されるフレックス回路基板からなる請求項１４の装置。
21. 前記フレックス回路基板が、湾曲形にバイアスをかけられた請求項２０の装置。
22. さらに、前記フレックス回路基板を前記膨張性部材に結合する結合層からなる請求項２１の装置。
23. 前記アンテナが、フラクタルアンテナからなる請求項１４の装置。
24. 前記細長い部材が、カテーテルからなる請求項１４の装置。
25. 前記細長い部材が、ガイドワイヤからなる請求項１４の装置。
26. 前記膨張性部材の膨張が、前記アンテナの全体構成の直径を増加させる請求項１４の装置。

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