JP7096237B2 - 信号チャネル数が少ない管腔内撮像デバイス - Google Patents

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関連出願
本願は、２０１６年１０月３日に出願された米国仮特許出願第６２／４０３，３１１号及び２０１６年１２月２２日に出願された米国仮特許出願第６２／４３７，７７８号の利益及び優先権を主張し、これらは参照することによりその全体が組み込まれる。

[0001] 本開示は、概して管腔内撮像デバイスに関し、特に信号線の数が少ないアレイベースの管腔内撮像デバイスに関する。

[0002] 診断用及び治療用の超音波カテーテルが、人体の多くの領域内での使用のためにデザインされてきている。心臓血管系において、一般的な超音波診断法は、管腔内超音波撮像法であり、心腔内心エコー検査法（ＩＣＥ）は、管腔内撮像法の具体例である。典型的には、単一の回転トランスデューサ又はトランスデューサ素子のアレイを用いて、カテーテルの先端で超音波を送信する。同じトランスデューサ（又は別個のトランスデューサ）を用いて、組織からのエコーを受信する。エコーから生成された信号は、超音波関連データの処理、保存、表示又は操作を可能にするコンソールに転送される。

[0003] ＩＣＥカテーテルといった管腔内撮像カテーテルは、通常、例えば経中隔管腔穿刺、左心耳閉鎖、心房細動アブレーション及び弁修復といった医療処置を誘導及び容易にするために、心臓及び周囲構造を撮像するために使用される。市販のＩＣＥ撮像カテーテルは、カテーテルの近位端のハンドル内にあるステアリング機構によって関節運動が可能な遠位端を有する。例えばＩＣＥカテーテルといった管腔内撮像カテーテルは、解剖学的構造にアクセスするときに、大腿動脈又は頸静脈を通って挿入され、医療処置の安全性に必要な画像を取得するために心臓内でステアリングされる。

[0004] ＩＣＥカテーテルは、通常、音響エネルギーを生成及び受信する超音波撮像用の撮像トランスデューサを含む。撮像コアは、トランスデューサ素子のアレイか、又は、任意の適切な構成に配列されたトランスデューサ素子を含む。撮像コアは、カテーテルの最遠位先端にある撮像アセンブリ内に入れられる。撮像アセンブリは音響接着材料で覆われる。電気ケーブルが撮像コアにはんだ付けされ、カテーテルの本体のコアの中を延在する。電気ケーブルは、心臓の解剖学的構造の撮像を容易にするために、コア制御信号及びエコー信号を運ぶ。アセンブリは、心臓の解剖学的構造の前面像、後面像、左側像及び／又は右側像を撮像することができるように、回転式の２方向又は４方向のステアリング機構を提供してもよい。

[0005] ＩＣＥ撮像トランスデューサは、よく知られている（例えばシーメンス社のＡｃｕＮａｖ、セントジュードメディカル社のＶｉｅｗＦｌｅｘ）。これらのトランスデューサは、カテーテルによって血管を介して心臓の内部へと導入される。ＩＣＥトランスデューサは、カテーテルを撮像コンソールに接続する別々の線をそれぞれ有する多数の小型の個別トランスデューサを含むフェーズドアレイセンサを使用する。最大で１２８本の線が必要になる場合があり、これは、高コスト、難しい製造及び画質低下につながる。

[0006] フェーズドドアレイＩＣＥトランスデューサでは、ＩＣＥトランスデューサから撮像システムまで、多数の線がカテーテルから引き出される。典型的なＩＣＥトランスデューサは、１２８個のトランスデューサと、トランスデューサに個々に結合される１２８本の線と有する。これらの線はすべて、典型的な外径が約３ｍｍであるカテーテル内に収められる。このような小さい直径内に非常に多くの線があるという要件は、大型超音波撮像トランスデューサにおいて使用されるように、線に同軸ケーブルを使用することを事実上排除する。同軸ケーブルがないと、信号チャンネル間のクロストークが多くなり、外部ノイズ源からの干渉も多くなり、どちらも超音波画像の質を下げる。更に、線は、カテーテル先端内に収まるようにコンパクトな構成でトランスデューサの素子に個々に接続される。この難しい相互接続作業は、トランスデューサのコストを上昇させ、また、ミス及び損傷が生じやすい。組み立てられた後は、細い線は、通常使用における撓みのために破損しやすく、トランスデューサの全体的な信頼性が低下する。

[0007] 現在の技術のＩＣＥトランスデューサに関する別の問題は、臨床医が３Ｄ画像の可能性を得たいにも関わらず、ＩＣＥトランスデューサのほとんどが２Ｄ画像しか作成しない点である。現在利用可能な唯一の３Ｄ ＩＣＥトランスデューサは、小さな視野しか持たず、画質が良くない。マイクロビーム形成は、大型超音波撮像トランスデューサ（例えばフィリップス社のｘＭａｔｒｉｘ、Ｃｌｅａｒｖｕｅ及びＬｕｍｉｆｙトランスデューサーライン）において、３Ｄ画像の作成と必要な線数の低減との両方のために使用される技術である。

[0008] ＩＣＥ処置のための高品質の管腔内画像に対する要求は、小型撮像素子及びカテーテルコンポーネントの開発を必要とする。課題の１つは、カテーテル内に収まるように構成され、また、マイクロビーム形成といった高スループットプロセスも可能である撮像アセンブリを作成することである。

[0009] 本開示は、チャネル数が少ない集積回路（ＩＣ）を含む超音波アセンブリを提供することによって、上記課題を解決する。特に集積回路は、ビーム形成処理を行うように構成されているが、必要とされる線数が、典型的なマイクロビーム形成トランスデューサの場合よりも少なくなるようにデザインされる。線数の削減により、３Ｄ撮像、同軸ケーブルの使用、高い製造歩留まり、材料コストの削減及びより単純且つより簡単に製造される電気的相互接続部が可能になる。

[0010] 幾つかの実施形態では、超音波素子へのマイクロビーム形成接続が単純化される。例えば素子をＩＣに直接フリップチップ実装することによって単純化される。これは、２Ｄ撮像トランスデューサには有利であり、３Ｄ撮像にはほぼ不可欠である。また、必要な線の数が低減される。特に３Ｄ撮像についての信号処理の利点は、マイクロビームフォーマの送信器及び受信器が、長いケーブルの端部ではなく、トランスデューサ素子に直接取り付けられることから得られる。ただし、ＩＣは、デジタル制御線、電力及びこれらの電源のためのノイズデカップリング及びエネルギー蓄積用の幾つかの個別のコンデンサを必要とする。これは、すべての信号線、コンデンサ及び電源線をＩＣに接続するという新たな相互接続問題をもたらす。大型マイクロビーム形成トランスデューサでは、通常、フレキシブルプリント回路とリジッドプリント回路との組み合わせが使用されて、ＩＣの１つ以上の縁部に沿ってＩ／Ｏパッドに接続する。ＩＣＥトランスデューサでは、大型トランスデューサの２乃至５ｃｍの直径に対して通常３ｍｍの直径しかないカテーテル先端内に、アセンブリ全体が入れられる場合がある。更に、カテーテルの直径が小さいので、音響アパーチャの短い寸法ができるだけ当該直径を満たすことが望ましいので、当該寸法（ＩＣの長辺）のいずれも相互接続に使用することが望ましくない。これは、相互接続が、ＩＣの短い端部、典型的には２．５ｍｍ以下の端部にあるように制限する。また、線を両端部に同時に引くことが困難であることから、ＩＣの両端部を使用することは不可能である。２．５ｍｍ未満の１つの縁部しか使用できないという制限は、形成可能な接続数を厳しく制限する。カテーテル内のサイズ制限から、おそらく１列のＩ／Ｏパッドしかその縁部に沿って接続できないため、最新のボンディング機器を使用すると最大約３０の接続を行うことができるが、カテーテルの処理に関連する実用上の配慮点から、数は更に少なくなることがある。

[0011] 本開示の実施形態は、管腔内撮像デバイス用の撮像アセンブリを提供する。撮像アセンブリは、管腔内撮像デバイスの遠位部に配置される撮像アレイを含む。撮像アレイは、複数のサブアレイに配列される複数の撮像素子を含む。撮像アセンブリはまた、管腔内撮像デバイスの遠位部において撮像アレイに結合されるマイクロビームフォーマ集積回路（ＩＣ）を含む。マイクロビームフォーマＩＣは、少なくとも２つのサブアレイの撮像素子から受信される信号を個別にビーム形成する複数のマイクロチャネルを含む。撮像アセンブリは更に、マイクロビームフォーマＩＣに結合される２本以上の信号線を含む。各信号線は、１つのサブアレイに対応して、対応するサブアレイに特有のビーム形成信号を受信する。

[0012] 一実施形態では、撮像素子のアレイは、マイクロビームフォーマＩＣに直接フリップチップ実装される超音波撮像トランスデューサのアレイである。幾つかの実施例では、撮像トランスデューサの送信器及び受信器は、マイクロビームフォーマＩＣ３０４上に実装され、したがってトランスデューサに直接取り付けられる。

[0013] 一実施形態では、管腔内撮像方法は、管腔内撮像デバイスの遠位部内に配置される撮像素子のアレイにおいて、超音波信号を受信するステップを含む。当該方法は、撮像素子のアレイの第１のサブアレイの第１の複数の撮像素子によって受信される超音波信号を、第１のビーム形成信号を生成するようにビーム形成するステップを含む。上記方法はまた、撮像素子のアレイの第２のサブアレイの第２の複数の撮像素子によって受信される超音波信号を、第２のビーム形成信号を生成するようにビーム形成するステップを含む。ビーム形成は、撮像素子のアレイに結合されるマイクロビームフォーマ集積回路（ＩＣ）を用いて行われてよい。上記方法は、第１のビーム形成信号を、管腔内撮像デバイスのケーブルの第１の信号線を介して送信するステップと、第２のビーム形成信号を、管腔内撮像デバイスのケーブルの第２の信号線を介して送信するステップとを含む。

[0014] 幾つかの実施形態では、上記方法は更に、管腔内撮像デバイスによって送信された信号から２Ｄ画像及び３Ｄ画像を生成するステップを含む。幾つかの実施形態では、マイクロビームフォーマＩＣは、複数のマイクロチャネル遅延線を含み、上記方法は更に、マイクロチャネル遅延線を用いて、撮像素子のアレイの第１のサブアレイ及び第２のサブアレイをビーム形成するステップを含む。

[0015] 本開示の実施形態は、撮像デバイス用のトランスデューサアレイを提供する。トランスデューサアレイは、複数の撮像素子とビームフォーマとを含む。ビームフォーマは、それぞれ遅延素子を有する複数のマイクロチャネルを含む。マイクロチャネルの遅延素子は、複数の撮像素子からの信号を整列させる。トランスデューサアレイはまた、整列された信号を受信して撮像システムに送信する信号線を含む。

[0016] 本開示の更なる態様、特徴及び利点は、以下の詳細な説明から明らかとなろう。

[0017] 本開示の例示的な実施形態は、添付図面を参照して説明される。

[0018] 図１は、本開示の実施形態による管腔内撮像システムの概略図である。 [0019] 図２は、本開示の実施形態による撮像アセンブリの斜視図である。 [0020] 図３は、本開示の実施形態による先端部材の上面図である。 [0021] 図４は、本開示の実施形態による管腔内撮像デバイスのビーム形成を説明する概略図である。 [0022] 図５は、本開示の実施形態による管腔内撮像デバイスの態様を示す概略図である。 [0023] 図６は、本開示の態様による管腔内デバイスを用いて管腔内撮像を行う方法のフロー図である。

[0024] 本開示の原理の理解を促進するために、ここで図面に示される実施形態が参照され、特定の用語が同じものを説明するのに用いられる。しかしながら、本開示の範囲の限定が意図されるものではないことが理解されるべきである。説明されるデバイス、システム及び方法に対する任意の変更及び更なる修正、並びに、本開示の原理の任意の更なる応用は、本開示が関連する分野の当業者に通常想起されるように、十分に考えられ、本開示内に含まれる。例えばＩＣＥシステムが、管腔内撮像に関して説明されているが、当然ながら、この応用に限定されることを意図していない。具体的には、一実施形態に関して説明される特徴、コンポーネント及び／又はステップは、本開示の他の実施形態に関して説明される特徴、コンポーネント及び／又はステップと組み合わせることができると十分に考えられる。しかし、簡潔さのために、これらの組み合わせの多数の繰り返しは個々に説明しない。

[0025] 図１は、本開示の実施形態による管腔内撮像システム１００の概略図である。システム１００は、管腔内撮像デバイス１１０、コネクタ１２４、例えばコンソール及びコンピュータである制御及び処理システム１３０並びにモニタ１３２を含んでよい。管腔内撮像デバイス１１０は、可撓性伸長部材１０８の先端における撮像アセンブリ１０２と、ハンドル１２０とを含む。可撓性伸長部材１０８は、遠位部１０４と近位部１０６とを含む。遠位部１０４の遠位端は、撮像アセンブリ１０２に取り付けられる。近位部１０６の近位端は、例えば弾性張力緩和器１１２によってハンドル１２０に取り付けられる。ハンドル１２０は、管腔内撮像デバイス１１０の操作及び管腔内撮像デバイス１１０の手動制御に使用される。撮像アセンブリ１０２は、超音波トランスデューサ素子及び関連回路を有する撮像コアを含んでよい。ハンドル１２０は、アクチュエータ１１６、クラッチ１１４及び管腔内撮像デバイス１１０をステアリングする他のステアリング制御コンポーネントを含んでよい。ステアリングには、本明細書により詳細に説明されるように、撮像アセンブリ１０２及び遠位部１０４を偏向させることが含まれる。

[0026] ハンドル１２０は、別の張力緩和器１１８及び接続ケーブル１２２を介してコネクタ１２４に接続される。コネクタ１２４は、制御及び処理システム１３０及びモニタ１３２と、撮像アセンブリ１０２とを相互接続する任意の適切な構成であってよい。制御及び処理システム１３０は、データを処理、保存、分析及び操作するために使用され、モニタ１３２は、撮像アセンブリ１０２によって生成される得られた信号を表示するために使用される。制御及び処理システム１３０は、１つ以上のプロセッサ、メモリ、キーボードといった１つ以上の入力デバイス及び任意の適切なコマンド制御インターフェースデバイスを含んでよい。制御及び処理システム１３０は、本明細書に説明される管腔内撮像システム１００の特徴を支援するように動作可能である。例えばプロセッサは、非一時的有形コンピュータ可読媒体に格納されたコンピュータ可読命令を実行することができる。モニタ１３２は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネル等といった任意の適切な表示デバイスであってよい。

[0027] 動作中、医師又は臨床医が、心臓の解剖学的構造内の血管内へと可撓性伸長部材１０８を前進させる。医師又は臨床医は、ハンドル１２０のアクチュエータ１１６及びクラッチ１１４を制御することによって、可撓性伸長部材１０８を、撮像されるべき関心領域付近の位置へと進ませることができる。本明細書により詳細に説明されるように、例えば一方のアクチュエータ１１６は、撮像アセンブリ１０２及び遠位部１０４を左右平面内で偏向させ、他方のアクチュエータ１１６は、撮像アセンブリ１０２及び遠位部１０４を前後平面内で偏向させる。クラッチ１１４は、関心領域を撮像している間に、アクチュエータ１１６の位置をロックし、事実上、可撓性伸長部材１０８の偏向をロックするロック機構を提供する。

[0028] 撮像工程には、超音波エネルギーを生成するように、撮像アセンブリ１０２の超音波トランスデューサ素子を作動させることが含まれる。超音波エネルギーの一部が関心領域及び周囲の解剖学的構造によって反射され、超音波エコー信号が超音波トランスデューサ素子によって受信される。コネクタ１２４は、受信したエコー信号を制御及び処理システム１３０に転送し、そこで超音波画像が再構成されてモニタ１３２に表示される。幾つかの実施形態では、制御処理システム１３０が、超音波トランスデューサ素子の起動及びエコー信号の受信を制御する。幾つかの実施形態では、制御及び処理システム１３０とモニタ１３２とは、同じシステムの一部であってよい。

[0029] システム１００は、経中隔管腔穿刺、左心耳閉鎖、心房細動アブレーション及び弁修復といった様々な応用に利用され、また、生体内の血管及び構造を撮像するために使用される。システム１００は、管腔内撮像法のコンテキストにおいて説明されているが、例えばＩＣＥである任意のカテーテル法との使用に適している。更に、撮像アセンブリ１０２は、診断、治療及び／又は処置のための任意の適切な生理学的センサ又はコンポーネントを含んでよい。例えば撮像アセンブリは、撮像コンポーネント、切除コンポーネント、切断コンポーネント、細切除去コンポーネント、圧力感知コンポーネント、流量感知コンポーネント、温度感知コンポーネント及び／又はこれらの組み合わせを含んでよい。

[0030] 幾つかの実施形態では、管腔内撮像デバイス１１０は、血管内に配置可能な可撓性伸長部材１０８を含む。可撓性伸長部材１０８は、遠位部１０４と近位部１０６とを有する。管腔内撮像デバイス１１０は、可撓性伸長部材１０８の遠位部１０４内に取り付けられる撮像アセンブリ１０２を含む。

[0031] 幾つかの実施形態では、管腔内撮像システム１００は、２Ｄ画像及び３Ｄ画像の生成に使用される。幾つかの実施例では、管腔内撮像システム１００は、互いに垂直な２つの異なる視野方向でのＸ平面画像の生成に使用される。

[0032] 図２は、図１に関して説明された撮像アセンブリ１０２の斜視図である。撮像アセンブリ１０２は、先端部材２００内に配置される撮像コア２６２を含む。撮像コア２６２は、電気的相互接続部２６４を介して電気ケーブル２６６に結合される。電気ケーブル２６６は、内部空洞２５０のアライメント部２４４及びインターフェース部分２４６の中を延在する。電気ケーブル２６６はまた、図１に示されるように、可撓性伸長部材１０８の中を延在する。

[0033] 上記先端部材２００の構成及び構造は、幾つかの利点を提供する。当該利点には、カテーテルの安全且つ容易な送達、ステアリング又はナビゲーションに対する引張強度の向上、一貫したアライメント、及び、画質の向上が含まれる。例えば先端部材２００の外形は、平滑表面及び小さい半径を有する平滑縁部を提供する。平滑縁部は、先端部材２００が、挿入中に血管を横切る際の摩擦を低減する。平滑表面は、挿入中の裂傷及び／又は組織構造への損傷を防ぐ。加えて、平滑縁部及び平滑表面は、カテーテル挿入処置中の隔壁又は他の解剖学的特徴の交差を容易にする。幾つかの実施形態では、先端部材２００の材料の種類及び壁厚は、音響の歪み、減衰及び／又は反射を最小限に抑えるように選択される。先端部材２００の内形は、製造時のアライメントを容易にするような形にされる。先端部材２００はまた、他の特徴、例えばガイドワイヤルーメン、１つ以上の穴、又は、圧力センサ、薬物送達機構及び／若しくは任意の適切な介入特徴といった追加のデバイス若しくは特徴を収容するための他の幾何学形状も含んでよい。

[0034] 図３は、本開示の実施形態による撮像アセンブリ１０２の上面図である。撮像アセンブリ１０２は、撮像素子アレイ３０２と当該撮像素子アレイ３０２に結合可能であるマイクロビームフォーマＩＣ３０４とを有する撮像コア２６２を含む。撮像アセンブリ１０２はまた、電気的相互接続部２６４に結合される電気ケーブル２６６を示す。幾つかの実施例では、電気ケーブル２６６は更に、インターポーザ３１０を介してマイクロビームフォーマＩＣ３０４にも結合される。幾つかの実施例では、インターポーザ３１０は、ワイヤボンディング３２０を介してマイクロビームフォーマＩＣ３０４に接続される。

[0035] 幾つかの実施例では、撮像素子アレイ３０２は、マイクロビームフォーマＩＣ３０４に直接フリップチップ実装される超音波撮像トランスデューサのアレイである。超音波撮像トランスデューサの送信器及び受信器は、マイクロビームフォーマＩＣ３０４上にあり、トランスデューサに直接取り付けられている。幾つかの実施例では、音響素子のマスターミネーションは、マイクロビームフォーマＩＣ３０４で行われる。

[0036] 幾つかの実施例では、撮像アセンブリ１０２は、８００個を超える撮像素子アレイの形の撮像素子アレイ３０２を含み、電気ケーブル２６６は、合計１２本以下の信号線を含む。幾つかの実施例では、電気ケーブル２６６は、信号線、電力線及び制御線を含む合計３０本以下の線を含む。幾つかの実施例では、例えば１Ｄ又は２Ｄアレイである撮像素子アレイは、３２乃至１０００個の撮像素子を含む。例えばアレイは３２、６４、１２８、２５６、５１２、６４０、７６８又は任意の他の適切な数の撮像素子を含む。例えば１Ｄアレイは、３２個の撮像素子を有してよい。２Ｄアレイは、３２、６４又はそれ以上の撮像素子を有してよい。幾つかの実施例では、信号線の数は、例えば１２本の信号線、１６本の信号線又は任意の他の適切な数の信号線のように１０乃至２０本である。１Ｄアレイは、２Ｄ画像を生成するように構成されてよい。２Ｄアレイは、２Ｄ及び／又は３Ｄ画像を生成するように構成されてよい。

[0037] 幾つかの実施形態では、撮像アセンブリ１０２は、制御及び撮像システム１３０に接続する３０本未満の線を有する超音波トランスデューサアレイを含む。特定の実施形態では、３０本以下の線は、６乃至１２本の信号線、好適には８本の信号線を含む。幾つかの実施例では、トランスデューサアレイは２Ｄ及び３Ｄ撮像が可能である。管腔内撮像システムの更なる態様は、必要な超音波信号線の数を、電力線及び制御線を含む全線の何分の１かに低減するのに十分な信号処理能力を有するマイクロビームフォーマＩＣ３０４を含む。

[0038] 幾つかの実施例では、撮像アセンブリ１０２の電気ケーブル２６６は、撮像アセンブリ１０２のマイクロビームフォーマＩＣ３０４に直接結合される。

[0039] 幾つかの実施形態では、マイクロビームフォーマＩＣ３０４は、音響素子３０２のアレイの真下にあり、音響素子に電気的に接続される。アレイ３０２の音響素子は、圧電素子又はマイクロマシン超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）素子であってよい。幾つかの実施例では、圧電素子は、個々の素子への切断を含む音響層のアセンブリのフリップチップ実装によってＩＣ３０４に取り付けられる。ＭＵＴ素子は、ユニットとしてフリップチップ実装されるか又はマイクロビームフォーマＩＣ３０４上に直接成長させられる。幾つかの実施例では、ケーブル束は、マイクロビームフォーマＩＣ３０４に対して直接終端されてもよく、又は、剛性若しくは可撓性プリント回路アセンブリといった適切な材料のインターポーザ３１０に対して終端処理されてもよい。インターポーザ３１０は、ワイヤボンディング３２０といった任意の適切な手段を介してマイクロビームフォーマＩＣ３０４に接続されてよい。

[0040] 図４は、本開示の実施形態による管腔内撮像デバイスのビーム形成を説明する概略図４００である。図４００は、撮像素子アレイ３０２と、マイクロビームフォーマＩＣ３０４とを含む撮像アセンブリ１０２を示す。マイクロビームフォーマＩＣ３０４は、管腔内撮像デバイス（例えば管腔内撮像デバイス１１０）の遠位部において撮像素子アレイ３０２に結合される。図示されるように、撮像素子アレイ３０２は、１つ以上の撮像素子サブアレイ４２０に分割される。例えば撮像素子アレイ３０２は、それぞれ１６個の撮像素子が４×４で配置される９個の撮像素子サブアレイ４２０に分割される。撮像アセンブリ１０２はまた、それぞれが対応するサブアレイ４２０の撮像素子から受信した信号を別々にビーム形成することができる複数のマイクロチャネル４３０を含むマイクロビームフォーマＩＣ３０４を有する。図４に示されるように、例えばマイクロチャネル４３０はそれぞれ、サブアレイ４２０の撮像素子から受信した信号のアライメントのための遅延素子を含む。図示されるように、撮像素子の各サブアレイ４２０のマイクロチャネル遅延線４３０は、撮像素子の各サブアレイ４２０の受信信号が別々のチャネル、例えば同軸ケーブル４１０を介して制御及び処理システム１３０に転送されるように１つの同軸ケーブル４１０に別々に結合される。

[0041] 幾つかの実施形態では、撮像アセンブリ１０２は、撮像素子アレイ３０２を含む。撮像素子アレイ３０２は、２つ以上の撮像素子サブアレイ４２０を含んでよい。撮像アセンブリ１０２は、撮像素子アレイに結合されたマイクロビームフォーマ集積回路（ＩＣ）３０４を含む。

[0042] 幾つかの実施例では、マイクロビームフォーマ集積回路（ＩＣ）３０４は、撮像素子アレイ３０２を制御し、撮像素子アレイ３０２の各撮像素子サブアレイ４２０の複数の撮像素子に対してビーム形成を行うことができる。

[0043] 幾つかの実施形態では、撮像アセンブリ１０２は、マイクロビームフォーマＩＣ３０４に結合される２本以上の信号線を含むケーブル２６６を含む。各信号線は、関連するサブアレイのビーム形成撮像信号を転送するために、撮像素子アレイ３０２の撮像素子サブアレイ４２０のうちの１つと関連付けられる。例えば各信号線は、特定のサブアレイ４２０に対応して、対応するサブアレイに特有のビーム形成信号を受信する。

[0044] 幾つかの実施形態では、電気ケーブル２６６は更に、マイクロビームフォーマＩＣ３０４に給電するための１つ以上の電力線と、マイクロビームフォーマＩＣ３０４に制御信号を伝達するための１つ以上の制御線とを含む。

[0045] 幾つかの実施例では、撮像アセンブリ１０２は、撮像素子アレイが１２個未満の撮像素子サブアレイ４２０に分割されるように、８００個を超える撮像素子のアレイの形の撮像素子アレイ３０２を含む。ケーブル４１０は、１２本未満の信号線を含み、各信号線は、１つの撮像素子サブアレイ４２０に関連付けられる。

[0046] 幾つかの実施形態では、撮像素子アレイ３０２は、２次元アレイである。幾つかの実施例では、撮像素子アレイ３０２は、同数の撮像素子の行と撮像素子の列とを有して対称である。幾つかの他の実施例では、撮像素子アレイ３０２は、異なる数の撮像素子の行及び撮像素子の列を有して非対称である。

[0047] 幾つかの実施形態では、マイクロビームフォーマＩＣ３０４は、複数のマイクロチャネル遅延線４３０を含む。マイクロチャネル遅延線４３０は、２つ以上の撮像素子サブアレイ４２０それぞれの複数の撮像素子に対してビーム形成を行うために使用される。幾つかの実施例では、複数のマイクロチャネル遅延線４３０は、電荷結合素子、アナログランダムアクセスメモリ又はタップ付きアナログ遅延線のうちの少なくとも１つを含む。

[0048] 幾つかの実施例では、第１のビーム形成信号及び第２のビーム形成信号は、接続ケーブルを介して図１及び図４の制御及び処理システム１３０に送信される。

[0049] 図５は、本開示の実施形態による管腔内撮像デバイスの態様を示す概略図である。図５００は、撮像素子アレイ３０２と、マイクロビームフォーマＩＣ３０４とを含む図１乃至図４の撮像アセンブリ１０２と一致する。図示されるように、撮像素子アレイ３０２は、撮像素子サブアレイ４２０に分割される。例えば撮像素子アレイ３０２は、８個の撮像素子サブアレイ４２０に分割される。撮像アセンブリ５００はまた、図３及び図４におけるケーブル４１０及び２６６と一致し、８本の信号線５０５、２本の制御線５１０及び２本の電力線５２０を含むケーブル５３０を示す。図示されるように、８個の撮像素子サブアレイ４２０があり、また、各撮像素子サブアレイ４２０に対して１つの信号線があり、これにより、各撮像素子サブアレイ４２０によって受信された信号が、図４の同軸ケーブル４１０と一致する単独の信号線５０５を介して制御及び処理システム１３０に転送されるように、各信号線は１つの撮像素子サブアレイ４２０と関連付けられる。図示されるように、電力線５２０／制御線５１０は、１つ以上の撮像素子サブアレイ４２０に結合されてよく、１つ以上の撮像素子サブアレイ４２０に給電する／当該サブアレイ４２０を制御することができる。

[0050] 幾つかの実施形態では、図４及び図５に示されるように、開口全体が、それぞれ独立してビーム形成される撮像素子サブアレイ４２０に分割される。撮像素子の２Ｄアレイ３０２が示されており、これは３Ｄ撮像にも使用することができる。マイクロビームフォーマＩＣ３０４における重要な要素は、各マイクロチャネル４３０における遅延素子である。遅延素子は、信号が所望のビーム方向では建設的に増大するが、他の方向では破壊的に増大するように、撮像素子サブアレイ４２０内の各素子によって受信されたエコーを時間的に整列させるために使用される。遅延素子は、電荷結合素子（ＣＣＤ）、アナログＲＡＭ、タップ付きアナログ遅延線等といった任意の好都合な種類の被制御可変遅延素子であってよい。必要とされる遅延量τは、撮像素子サブアレイ４２０のサイズ及び最大ステアリング角θに依存する。
τ＝ｄｓｉｎθ／ｖ
ここで、ｄはサブアレイの最大寸法であり、θは最大ビームステアリング角であり、ｖは撮像される物体内の音速である。幾つかの実施例では、撮像素子サブアレイ４２０の面積は、その寸法の二乗に比例するので、最大サブアレイ面積Ａは、利用可能な遅延の二乗に比例する。
Ａ∝τ^２
個々の撮像素子サブアレイ４２０それぞれの面積が大きいほど、音響アパーチャ全体、即ち、撮像素子アレイ３０２全体をカバーするのに必要となるサブアレイの数は少なくなる。幾つかの実施例では、各撮像素子サブアレイ４２０は、素線を通して１本の信号線を供給するので、ケーブルに必要な超音波信号線の数Ｎは、利用可能な遅延の二乗に反比例する。
Ｎ∝１／τ^２

[0051] 幾つかの実施形態では、使用される遅延素子は、幾つかの連続する素子からなり、これらの素子数が、利用可能である最大遅延を決定する。音響アレイは、マイクロビームフォーマＩＣ３０４にフリップチップ実装されるので、任意の所与の素子についての遅延を含むすべての処理は、当該１つの素子によって占められる領域にあってよい。幾つかの実施例では、超音波撮像カテーテル２Ｄアレイは、１０００個以上の素子を有するので、必要な超音波信号線の数は、３０乃至５０本の範囲内であり、１５乃至２０本の電力線及び制御線も必要とされる。この線数は、同軸線ではなく非シールド素線を使用し、音響素子に個別に取り付けられる既存の１Ｄ超音波撮像カテーテルにおいて典型的である。幾つかの実施例では、同軸線ではなく素線を使用すると、ノイズ感受性及び非シールド線間のクロストークのために画質が下がる。幾つかの実施例では、カテーテル先端内にＩＣを使用する場合、接続は、典型的には２．５ｍｍの１つの狭い端部にすることができ、したがって、超音波信号線、電力線及び制御線をすべて含めて最大で約３０本に制限される。

[0052] 幾つかの実施形態では、撮像信号、例えばトランスデューサ信号について利用可能な遅延量を約２倍にすることができる新しいＩＣ処理機器が現在利用可能である。上記の関係により、超音波信号線の数は、約４倍で、例えば８乃至１２本に減らすことができる。この場合、必要とされる線の総数は、マイクロビームフォーマＩＣ３０４に接続することができる範囲内にある２０乃至３０本の範囲内にあり、また、同軸ケーブルの使用を可能にする。幾つかの実施例では、少ない線数は、可撓性伸長部材１０８の先端、例えばカテーテル先端における相互接続部の数が少なくなり、製造コストが削減され、歩留まりが向上し、より大きいサブアレイが時間における受信焦点の深さを追跡できることを含む幾つかの利点を有する。

[0053] 幾つかの実施例では、チャネル数を更に減らす可能性があるデジタルの第２のビーム形成段を使用することができる。幾つかの実施例では、オンチップ電力調整を実施し、線の機能を共有し、電力線及び制御線の数を減らすためにプログラム可能な自律型ＩＣコントローラを使用することによって、ケーブル数を更に減らすことができる。

[0054] 図６は、血管の管腔内撮像方法６００を示すフロー図を提供する。図示されるように、方法６００は、幾つかの列挙されたステップを含むが、方法６００の実施形態は、列挙されたステップの前、後及び間に追加のステップを含んでよい。幾つかの実施形態では、列挙されたステップのうちの１つ以上が省略されても、異なる順序で行われても又は同時に行われてもよい。方法６００は、図１、図２、図３及び図４を参照して行うことができる。ステップ６０２において、超音波信号が、撮像素子アレイ、例えば撮像素子アレイ３０２で受信される。撮像素子アレイ３０２は、管腔内撮像デバイス１１０の遠位部１０４内に配置することができる。幾つかの実施例では、マイクロビームフォーマＩＣ３０４が、撮像素子アレイ３０２に直接結合され、撮像信号、例えば超音波信号を送受信する。

[0055] 方法６００のステップ６０４において、撮像素子アレイ３０２の第１のサブアレイによって受信された超音波信号がビーム形成される。ビーム形成は、図３及び図４を参照して行うことができる。幾つかの実施形態では、マイクロビームフォーマＩＣ３０４は、例えば下から撮像素子アレイ３０２に結合される。マイクロビームフォーマＩＣ３０４は、撮像素子アレイ３０２に命令し、信号、例えば超音波信号を送受信することができる。幾つかの実施例では、撮像素子アレイ３０２は、第１のサブアレイを含む複数の撮像素子サブアレイ４２０に分割される。マイクロビームフォーマＩＣ３０４はまた、複数のマイクロチャネル遅延線４３０を含むことができる。マイクロビームフォーマＩＣ３０４は、マイクロチャネル遅延線４３０のうちの１つからビーム形成に必要な遅延を第１のサブアレイに供給して、第１のサブアレイのビーム形成を提供する。したがって、ビーム形成は、第１のサブアレイの複数の撮像素子それぞれの信号に必要な遅延を印加することによって提供される。幾つかの実施例では、ビーム形成は送信及び受信の両方の間に行われる。幾つかの他の実施例では、ビーム形成は受信の間に行われる。幾つかの実施例では、撮像素子アレイの第１のサブアレイの複数の撮像素子によって受信された超音波信号は、必要な遅延が印加されることによってビーム形成され、第１のビーム形成信号が作成される。

[0056] 方法６００のステップ６０６において、撮像素子アレイ３０２の第２のサブアレイによって受信された超音波信号がビーム形成される。ビーム形成は、図３及び図４を参照して行うことができる。マイクロビームフォーマＩＣ３０４は、マイクロチャネル遅延線４３０のうちの１つからビーム形成に必要な遅延を第２のサブアレイに供給して、第２のサブアレイのビーム形成を提供する。したがって、ビーム形成は、第２のサブアレイの複数の撮像素子それぞれの信号に必要な遅延を印加することによって提供される。幾つかの実施例では、撮像素子アレイの第２のサブアレイの複数の撮像素子によって受信された超音波信号は、必要な遅延が印加されることによってビーム形成され、第２のビーム形成信号が作成される。

[0057] 方法６００のステップ６０８において、第１のビーム形成信号は、管腔内撮像デバイスのケーブルの第１の信号線を介して送信される。このステップは、図４を参照して行うことができる。ビーム形成信号は、マイクロビームフォーマＩＣ３０４のマイクロチャネル遅延線４３０によって提供される必要なビーム形成遅延を、第１の撮像素子サブアレイ４２０の受信信号に印加した後、第１の撮像素子サブアレイ４２０の受信及び遅延された信号の集合を、例えば同軸ケーブル４１０であるケーブルを介して制御及び処理システム１３０に送信することによって作成される。

[0058] 方法６００のステップ６１０において、第２のビーム形成信号は、管腔内撮像デバイスのケーブルの第２の信号線を介して送信される。同様に、このステップも図４を参照して行うことができる。ビーム形成信号は、マイクロビームフォーマＩＣ３０４のマイクロチャネル遅延線４３０によって提供される必要なビーム形成遅延を、第２の撮像素子サブアレイ４２０の受信信号に印加した後、第２のサブアレイ４２０の受信及び遅延された信号の集合を、例えば同軸ケーブルであるケーブルを介して制御及び処理システム１３０に送信することによって作成される。幾つかの実施例では、制御及び処理システム１３０は、複数のサブアレイから複数のビーム形成信号を受信し、２Ｄ画像及び３Ｄ画像を作成する。

[0059] 幾つかの実施形態では、典型的なマイクロビームフォーマＩＣ３０４への最大数の接続は、マイクロビーム形成された受信信号を撮像システムまで戻し、場合によっては、システム１００からマイクロビームフォーマＩＣに信号を送信するアナログチャネル線である。幾つかの実施形態では、既存のマイクロビームフォーマ技術と比較してアナログチャネル線の数を低減するために、マイクロビームフォーマＩＣ３０４上に大きいマイクロビーム形成遅延が生成され、これにより、マイクロビームフォーマＩＣ３０４への接続数、及び、撮像アセンブリ１０２を制御及び処理システム１３０に接続するのに必要な線数が低減される。少ない線数は、材料及び組み立てコスト削減、製造コスト削減、歩留まり増加、信号伝達のための同軸ケーブルの使用、これによって、画質を低下させうるチャネル間のノイズ及びクロストークに対する感受性の低下、線数が少ないことにより大きい線サイズが使用可能であること、それによる信頼性の増加、３Ｄ撮像能力の提供、ケーブルとマイクロビームフォーマＩＣとの相互接続の単純化及び相互接続工程の自動化の可能性の提供を含む幾つかの利点を有する。

[0060] 当業者であれば、上記装置、システム及び方法が様々な態様で修正可能であることを認識するであろう。したがって、当業者であれば、本開示に包含される実施形態が、上記特定の例示的な実施形態に限定されないことを理解するであろう。この点に関して、例示的な実施形態が示され説明されたが、前述の開示では広範囲の修正、変更及び置換が考えられる。本開示の範囲から逸脱することなく、そのような変形が前述に対してなされうることが理解される。したがって、添付の特許請求の範囲は、広くそして本開示と一致する態様で解釈されることが適切である。

Claims (14)

1. 管腔内撮像デバイス用の撮像アセンブリであって、
   前記管腔内撮像デバイスの遠位部に配置され、複数のサブアレイに配列される複数の撮像素子を含む撮像アレイと、
   前記管腔内撮像デバイスの前記遠位部に配置され、前記複数のサブアレイのうちの少なくとも２つのサブアレイの撮像素子から受信される信号を個別にビーム形成する複数のマイクロチャネルを含み、前記撮像アレイが取り付けられたマイクロビームフォーマ集積回路と、
   前記マイクロビームフォーマ集積回路に結合される２本以上の信号線と、
   を含み、
   各信号線は、前記少なくとも２つのサブアレイのうちの１つのサブアレイに対応して、対応する前記サブアレイに特有のビーム形成信号を受信し、
   前記複数のマイクロチャネルそれぞれは、前記サブアレイの前記撮像素子から受信される前記信号の整列のための、前記サブアレイのサイズ及び最大ビームステアリング角に依存した最大遅延量を実現する被制御可変遅延素子を含む、撮像アセンブリ。
2. 前記撮像素子は、超音波トランスデューサである、請求項１に記載の撮像アセンブリ。
3. 前記撮像アレイは、２次元アレイである、請求項１に記載の撮像アセンブリ。
4. 前記２本以上の信号線を含むケーブルを更に含み、前記ケーブルは更に、前記マイクロビームフォーマ集積回路に給電するための１本以上の電力線を含む、請求項１に記載の撮像アセンブリ。
5. 前記ケーブルは更に、前記マイクロビームフォーマ集積回路に制御信号を通信するための１つ以上の制御線を含む、請求項４に記載の撮像アセンブリ。
6. 前記管腔内撮像デバイスは、２Ｄ画像及び３Ｄ画像を生成する、請求項１に記載の撮像アセンブリ。
7. 前記撮像アセンブリは、前記２本以上の信号線を含むケーブルを更に含み、５１２個を超える素子のアレイを含み、前記ケーブルは、合計で１６本以下の信号線を含む、請求項１に記載の撮像アセンブリ。
8. 前記ケーブルは、前記信号線、電力線、及び制御線を含む、合計で３０本以下の線を含む、請求項７に記載の撮像アセンブリ。
9. 前記２本以上の信号線を含むケーブルを更に含み、前記ケーブルは、前記マイクロビームフォーマ集積回路に直接結合される、請求項１に記載の撮像アセンブリ。
10. 前記２本以上の信号線を含むケーブルを更に含み、前記ケーブルは、前記マイクロビームフォーマ集積回路に結合されるインターポーザに結合される、請求項１に記載の撮像アセンブリ。
11. 前記インターポーザは、前記マイクロビームフォーマ集積回路にワイヤボンディングされる、請求項１０に記載の撮像アセンブリ。
12. 複数の前記被制御可変遅延素子は、撮像素子の前記少なくとも２つのサブアレイそれぞれの前記複数の撮像素子についてビーム形成を行うように使用される、請求項１に記載の撮像アセンブリ。
13. 前記複数の被制御可変遅延素子は、電荷結合素子、アナログランダムアクセスメモリ又はタップ付きアナログ遅延線の少なくとも１つを含む、請求項１２に記載の撮像アセンブリ。
14. 管腔内撮像システムのトランスデューサアレイであって、
    複数のサブアレイに配列される複数の撮像素子と、
    ビームフォーマと、
    を含み、
    前記複数の撮像素子及び前記ビームフォーマは、前記管腔内撮像システムのカテーテルの遠位部に配置され、
    前記複数の撮像素子は、前記ビームフォーマに取り付けられ、
    前記ビームフォーマは、
    被制御可変遅延素子をそれぞれ含む複数のマイクロチャネルと、
    信号線と、
    を含み、
    前記複数のマイクロチャネルそれぞれの前記被制御可変遅延素子は、前記サブアレイのサイズ及び最大ビームステアリング角に依存した最大遅延量を実現して、前記サブアレイの前記撮像素子からの信号を整列させ、
    前記信号線は、整列された前記信号を受信し、前記管腔内撮像システムに送信する、トランスデューサアレイ。
    

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