(57)【要約】  医療用デバイスとデバイスを位置特定する方法は、長さ次元と表面（１０２）とを有する構造を含む。ボリューム（１０６）は、表面に関連し、長さ次元の少なくとも一部に沿って延在する。ナノマテリアル（１０８）は、ボリューム内に組み込まれ、一励起信号に応答し、励起信号がナノマテリアルからの応答を発生して、被験者内における構成の位置特定を可能にするように構成されている。
2014528257.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長さ次元と表面とを有する構成；
前記表面に関連し、前記長さ次元の少なくとも一部にそって延在するボリューム；及び
前記ボリューム内に組み込まれ、少なくとも一励起信号に応答し、前記励起信号が前記ナノマテリアルからの応答を発生して、被験者内における前記構成の位置特定を可能にするように構成されたナノマテリアルを有する
医療用デバイス。
【請求項２】
前記デバイスはニードル、カテーテル、またはスコープのうち少なくとも一を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記ナノマテリアルは、ナノスフェア、ナノロッド、ナノチューブ、ナノケージ、量子ドットのうち少なくとも一を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記ボリュームは前記表面上に形成された固体レイヤを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記ボリュームは前記表面に対して環状キャビティを形成するチューブを含み、前記環状キャビティはサスペンション中の前記ナノマテリアルを含む、
請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記ナノマテリアルが滞留するのを防ぐ、前記サスペンションと連通したかくはんメカニズムをさらに有する、請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
前記ボリュームは前記表面に縦に沿って形成されたチューブを含み、前記チューブはサスペンション中のナノマテリアルを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記ナノマテリアルが滞留するのを防ぐ、前記サスペンションと連通したかくはんメカニズムをさらに有する、請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
前記少なくとも一励起信号は電磁信号を含み、応答は音響応答及び／または電磁応答のうち一方を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
医療用デバイスを位置特定するシステムであって、
ナノマテリアルが組み込まれた、前記ナノマテリアルは少なくとも一励起信号に応答するように構成された医療用デバイス；
前記少なくとも一励起信号を発生し、前記ナノマテリアルからの応答輻射を発生するように構成された励起源；
前記応答輻射を受信するように構成されたセンサ；及び
前記応答輻射を用いて医療用画像中に前記医療用デバイスをレンダリングするように構成された画像処理モジュールを有する、システム。
【請求項１１】
前記医療用デバイスはニードル、カテーテル、またはスコープのうち少なくとも一を含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ナノマテリアルは、ナノスフェア、ナノロッド、ナノチューブ、ナノケージ、量子ドットのうち少なくとも一を含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記ナノマテリアルは前記医療用デバイス上に形成された個体レイヤに組み込まれる、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１４】
前記医療用デバイスはそのデバイス壁に対して環状キャビティを形成するチューブを含み、前記環状キャビティはサスペンション中の前記ナノマテリアルを含む、
請求項１０に記載のシステム。
【請求項１５】
前記医療用デバイスはそのデバイス壁に縦に沿って形成されたチューブを含み、前記チューブはサスペンション中のナノマテリアルを含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１６】
前記ナノマテリアルを含むサスペンションと連通した、前記ナノマテリアルが滞留するのを防止するかくはんメカニズムをさらに含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１７】
前記少なくとも一励起信号は電磁信号を含み、応答は音響応答及び／または電磁応答のうち一方を含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１８】
前記音響応答は超音波画像にレンダリングされる、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
医療用デバイスの位置特定方法であって、
ナノマテリアルが組み込まれた、前記ナノマテリアルは少なくとも一励起信号に応答するように構成された医療用デバイスを設けるステップ；
前記少なくとも一励起信号を用いて前記ナノマテリアルを励起して、前記ナノマテリアルからの応答輻射を発生するステップ；
前記応答輻射を検知するステップ；及び
前記応答輻射を処理して、医療用画像に関して前記医療用デバイスを位置特定するステップを有する方法。
【請求項２０】
前記医療用デバイスはニードル、カテーテル、またはスコープのうち少なくとも一を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記ナノマテリアルは、ナノスフェア、ナノロッド、ナノチューブ、ナノケージ、量子ドットのうち少なくとも一を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
ナノマテリアルが組み込まれた医療用デバイスを設けるステップは、前記ナノマテリアルを、前記医療用デバイス上に形成された固体レイヤ；前記医療用デバイスのデバイス壁に対して形成された環状キャビティ中のサスペンション；または前記医療用デバイスのデバイス壁に縦に沿って形成されたチューブ中のサスペンションのうち少なくとも一に組み込むステップを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
サスペンションが前記ナノマテリアルを含むとき、前記医療用デバイスに組み込まれたナノマテリアルをかくはんして、前記ナノマテリアルが滞留するのを防止するステップをさらに有する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
前記少なくとも一励起信号に応じて吸収スペクトルを提供するように前記ナノマテリアルの吸収特性を調整するステップをさらに有する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
前記処理するステップは、前記医療用画像に前記医療用デバイスの画像をデジタル的に生成するステップを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２６】
医療用デバイスの画像生成方法であって、
前記ナノマテリアルの第１電磁的励起周波数を用いて、医療用デバイスに含まれるナノマテリアルを励起し、第１の画像化可能応答を取得する、前記第１画像化可能応答は周辺マテリアルに対して検出可能であるステップ；
前記ナノマテリアルの第２電磁的励起周波数を用いて、医療用デバイスに含まれるナノマテリアルを励起し、前記第１の画像化可能応答との実感可能差異を含む第２の画像化可能応答を取得する、前記第２画像化可能応答は前記周辺マテリアルに対して検出可能であるステップ；
前記第１の画像化可能応答を前記第２の画像化可能応答から減算して、被験者に対する前記医療用デバイスの画像を提供するステップを有する、方法。
【請求項２７】
前記医療用デバイスはニードル、カテーテル、またはスコープのうち少なくとも一を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記ナノマテリアルは、ナノスフェア、ナノロッド、ナノチューブ、ナノケージ、量子ドットのうち少なくとも一を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記医療用デバイスは、前記ナノマテリアルを、前記医療用デバイス上に形成された固体レイヤ；前記医療用デバイスのデバイス壁に対して形成された環状キャビティ中のサスペンション；または前記医療用デバイスのデバイス壁に縦に沿って形成されたチューブ中のサスペンションのうち少なくとも一に組み込むまれた、
請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
サスペンションが前記ナノマテリアルを含むとき、前記医療用デバイスに組み込まれたナノマテリアルをかくはんして、前記ナノマテリアルが滞留するのを防止するステップをさらに有する、請求項２６に記載の方法。
【請求項３１】
前記励起周波数に応じて吸収スペクトルを提供するように前記ナノマテリアルの吸収特性を調整するステップをさらに有する、請求項２６に記載の方法。
【請求項３２】
医療用画像に前記医療用デバイスの画像をデジタル的に生成するステップをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、医療用画像可視性に関し、より具体的には、医療用画像における装置の可視性を向上するシステムと方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
カテーテルやニードルの可視化は、多くの医学的介入行為において重要である。カテーテル可視化に関する現在の標準には、造影剤を用いるＸ線画像化（蛍光透視法）が含まれる。イオン化放射と造影剤そのものの毒性とにより、かかる行為は侵襲的である。超音波や磁気共鳴画像化などの従来の画像化テクニックは、カテーテル材料の明確な違いを提供できない。カテーテル可視化で用いられるカテーテルに取り付けられた電磁式トラッキングセンサは、電磁場の歪みにより、精度がよくない。また、一般的に、カテーテルでは角度依存性のある鏡面反射が制御できないので、正確なカテーテル可視化は困難である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本原理では、医療用デバイスと、そのデバイスを位置特定する方法は、長さ次元と表面とを有する構造を含む。ボリュームは、表面に関連し、長さ次元の少なくとも一部に沿って延在する。ナノマテリアルは、前記ボリューム内に組み込まれ、少なくとも一励起信号に応答し、前記励起信号が前記ナノマテリアルからの応答を発生して、被験者内における前記構成の位置特定を可能にするように構成されている。
【０００４】
医療用デバイスを位置特定するシステムは、ナノマテリアルが組み込まれた、前記ナノマテリアルは少なくとも一励起信号に応答するように構成された医療用デバイスを有する。励起源は、前記少なくとも一励起信号を発生し、前記ナノマテリアルからの応答輻射を発生するように構成される。センサは、前記応答輻射を受信するように構成される。画像処理モジュールは、前記応答輻射を用いて医療用画像中に前記医療用デバイスをレンダリングするように構成される。
【０００５】
医療用デバイスを位置特定する方法は、ナノマテリアルが組み込まれた、前記ナノマテリアルは少なくとも一励起信号に応答するように構成された医療用デバイス設けるステップ；前記少なくとも一励起信号を用いて前記ナノマテリアルを励起して、前記ナノマテリアルからの応答輻射を発生するステップ；前記応答輻射を検知するステップ；及び前記応答輻射を処理して、医療用画像に関して前記医療用デバイスを位置特定するステップを有する。
【０００６】
医療用デバイスの画像生成する他の一方法は、前記ナノマテリアルの第１電磁的励起周波数を用いて、医療用デバイスに含まれるナノマテリアルを励起し、第１の画像化可能応答を取得する、前記第１画像化可能応答は周辺マテリアルに対して検出可能であるステップ；前記ナノマテリアルの第２電磁的励起周波数を用いて、医療用デバイスに含まれるナノマテリアルを励起し、前記第１の画像化可能応答との実感可能差異を含む第２の画像化可能応答を取得する、前記第２画像化可能応答は前記周辺マテリアルに対して検出可能であるステップ；前記第１の画像化可能応答を前記第２の画像化可能応答から減算して、被験者に対する前記医療用デバイスの画像を提供するステップを有する。
【０００７】
本開示の上記その他の目的、特徴、及び効果は、その実施形態の以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。詳細な説明は、添付した図面を参照して読まれたい。
【０００８】
この開示は、以下の図面を参照して、詳細に好ましい実施形態の以下の説明をする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態による、ナノマテリアルを含む個体レイヤまたはコーティングを有する医療用装置の部分的断面図である。
【図２】他の一実施形態による、サスペンションにナノマテリアルを含む環状キャビティを形成するチューブを有する医療用装置の部分的断面図である。
【図３】他の一実施形態による、サスペンションにナノマテリアルを含む縦型チューブを有する医療用装置の部分的断面図である。
【図４】一実施形態による医療用装置を画像化するシステムを示すブロック／フロー図である。
【図５】他の一実施形態による医療用装置を探し画像化する方法を示すブロック／フロー図である。
【図６】一実施形態による医療用装置を構成及び使用する他の方法を示すブロック／フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本原理により、医療用装置を変更（modify）してその装置の表面上にまたはその中に組み込まれた追加的材料のレイヤを有するシステム、装置、及び方法が提供される。一実施形態では、ナノマテリアルを利用する。特定波長に対する吸収特性を有するナノマテリアルを選択してもよい。医療行為などの際、関心領域（region  of  interest）に電磁場をかける。この電磁場に応じて、ナノマテリアルが、入射電磁波の衝撃により音響シグネチャを発生し、その音響シグネチャが音響ディテクタを用いて検出される。
【００１１】
特に有用な実施形態では、利用されるナノマテリアルには、例えば、カーボンナノチューブ、ナノロッド、またはナノスフェアが含まれる。他の実施形態では、２つの周波数での電磁放射を用いて、患者内にある医療用装置の位置をより正確に推定する画像減算法が利用される。
【００１２】
言うまでもなく、本発明は、医療用機器に関して説明されるが、本発明の教示はそれよりも広く、複雑な生物学的または機械的システムをトラッキングまたは分析する際に利用される任意の機器に適用可能である。具体的に、本原理は、生物学的システムの内部トラッキング行為に適用可能であり、肺、消化管、排泄器官、血管などの人体のすべてのエリアにおける行為に適用可能である。図面に示した、特に図４に示した要素は、ハードウェアとソフトウェアの様々な組合せで実施でき、複数の機能を提供でき、これらの機能は、単一の要素または複数の要素にcombineできる。
【００１３】
図示した様々な要素の機能は、専用ハードウェアを用いても、ソフトウェアを実行可能なハードウェアと適当なソフトウェアとを組み合わせても提供できる。プロセッサにより提供される場合、機能を単一の専用プロセッサで提供してもよいし、共有された単一のプロセッサで提供してもよいし、一部が共有された複数の個別プロセッサで提供してもよい。さらに、「プロセッサ」または「コントローラ」という用語を明示的に使用した場合、ソフトウェアを実行できるハードウェアのみをいうと解釈してはならず、限定はされないが、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、ソフトウェアを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性記憶装置等を黙示的に含んでもよい。
【００１４】
さらに、本発明の原理、態様、実施形態、及びその実施例のすべての記載は、その構成的等価物及び機能的等価物の両方を含むものである。また、かかる均等物は、現在知られている均等物及び将来開発される均等物を含み、すなわち、構成にかかわらず同じ機能を発揮する開発されるすべての要素を含む。このように、例えば、当業者には言うまでもなく、ここに説明したブロック図は本発明の原理を化体するシステムコンポーネント及び／または回路を概念的に示すものである。同様に、言うまでもなく、フローチャート、フロー図等は、様々な方法（processes）を表し、これらの方法をコンピュータ読み取り可能記憶媒体に実質的に表しても、明示的に示していようがいまいがコンピュータやプロセッサで実行してもよい。
【００１５】
さらに、本発明の実施形態は、コンピュータや命令実行システムにより使用されるプログラムコードを提供するコンピュータ利用可能媒体またはコンピュータ読み取り可能媒体からアクセスできるコンピュータプログラム製品の形体を取りうる。本開示の目的では、コンピュータ使用可能またはコンピュータ読み取り可能媒体は、命令実行システム、装置、またはデバイスにより、またはそれらに関して使用される、プログラムを包含、格納、伝達、伝送、搬送できる任意の装置である。  この媒体は、電子的媒体、磁気的媒体、光媒体、光磁気媒体、赤外線媒体、半導体システム（または装置やデバイス）、伝達媒体などである。コンピュータ読み取り可能媒体の例としては、半導体または固体メモリ、磁気テープ、リムーバブルコンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、固定磁気ディスク、光ディスクなどがある。光ディスクの例としては、コンパクトディスク−リードオンリメモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、コンパクトディスク−リード／ライト（ＣＤ−Ｒ／Ｗ）、及びＤＶＤなどがある。
【００１６】
ここで図面を参照する。図中、同様の数字は同一のまたは同様の要素を表す。最初に図１を参照して、一実施形態による医療用装置１００の一部の断面図を示す。装置１００は、カテーテル、ガイドワイヤ、内視鏡、プローブ、ロボット、電極、フィルタ装置、バルーン装置、ニードルその他の医療用コンポーネントなどを含む。装置１００は、キャビティ１０４を構成する装置面または壁１０２を含む。マテリアルレイヤまたはボリューム１０６は、装置壁または面１０２の外側に構成される。レイヤ１０６は、医療用画像中における医療用装置１００の可視化を支援する構成（composition）を含む。
【００１７】
一実施形態では、レイヤ１０６は、レイヤ１０６中に及び／またはレイヤ１０６上にsuspendされたナノマテリアル１０８を含む。ポリマーマテリアルにはプラスチック、エポキシ、接着剤、レジン、ペイントなどが含まれ得る。ナノマテリアルサスペンションは、ソリッドマトリックスにモールドされ、または組み込まれ、デバイス壁１０２の表面中に形成され、または表面上にデポジットされる。サスペンドされたナノパーティクルを有するソリッドマトリックスは、ＰＶＡマトリックス、アガロースゲル、その他のポリマーゲルを用いて、またはシリコンを用いて生産できる。
【００１８】
ナノマテリアル１０８は、シングルウォールまたはマルチウォールのカーボンナノチューブ、金属ナノロッド、ナノスフェア、ナノケージ、入射波長に依存する光学特性を有する量子ドット、または同様のコンポーネントを含み得る。ナノマテリアル１０８は、画定された波長において吸収または散乱のピークを有するものが選択される。医療行為中、関心エリアに電磁場がかけられる。レイヤ１０６のナノマテリアル１０８は、入射電磁波とナノマテリアル１０８との相互作用により、患者内の周囲の組織とは異なる電磁的シグネチャまたは音響シグネチャを発生する。検出方法は、光音響、光学的後方散乱画像化、体外のまたは内視鏡受信器を用いた熱音響などを使うことができる。適用可能な電磁放射の例としては、画定波長の赤外線場を用いることができる。この実施例では、アスペクト比が５．９であり、入射波長が１０００ｎｍの金ナノロッドのレイヤを用いることができる。このようにして、ナノロッドが励起され、可視の及び／または測定可能な応答をする。この応答を用いて、患者内のデバイス１００を正確に位置特定することができる。
【００１９】
金属ナノスフェア、ナノロッド、カーボンナノチューブなどのナノマテリアル１０８の電磁波吸収スペクトルは、材料のジオメトリに依存する。エキシトン、フォノン、プラズモンなどの擬粒子の振る舞い、及びこれらと入射波とのインターラクションも、吸収スペクトルに大きく影響する。その他の、ナノマテリアル１０８のドーピングや合金化などの変化も、その吸収スペクトルに大きく影響する。
【００２０】
例えば、金属ナノパーティクルによる電磁波の吸収の物理的期限は、電磁場により誘起される伝導帯電子のコヒーレント振動である。これらの共鳴は表面プラズモンと呼ばれる。局所的な表面プラズモン共鳴は、粒子の物理的な大きさ、周囲の媒体の誘電率、ナノストラクチャの形状に依存する。
【００２１】
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、グラフェンと呼ばれる平面シートをチューブ状の構造に巻いて構成された炭素原子を有する構造を含む。ＣＮＴはシングルウォールまたはマルチウォールに分類できる。シングルウォールＣＮＴのサイズは、直径が約１ｎｍであり、長さが数百ナノメートルから数百マイクロメートルである。ＣＮＴは特別な電気的、熱的、及び機械的特性を有する。ＣＮＴによる電磁放射の吸収は、ジオメトリにより、具体的には直径とキラリティー（ツイスト）により、及び周辺媒体の誘電特性により決まる。
【００２２】
ＣＮＴの吸収スペクトルは、そのバンドギャップ特性により記述される。ＣＮＴはダイレクトバンドギャップマテリアルであり、その光学的スペクトルは、バレンス及びコンダクションバンドにおけるエネルギー状態間の遷移による吸収スペクトルの通常のvan  Hove吸収によるものと、長い間考えられていた。しかし、他の現象が、具体的には、これらの擬１次元系におけるエキシトン（電子・ホールペア）の振る舞いが、光学吸収特性の大部分を占めている。
【００２３】
ＣＮＴは、エキシトン状態遷移に対応する明確な吸収ピークを有する。また、ドーピングをして、ＣＮＴの吸収ピークを大きくする（significantly  tune）こともできる。ＣＮＴの吸収特性を、画像化に都合良く用いることができる。例えば、ＣＮＴは近赤外波長の放射を吸収するが、この波長では組織による固有の吸収が最低である。このように、ＣＮＴは、有効な光音響造影剤として利用できる。
【００２４】
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の場合、πプラズモン共鳴はナノチューブの直径とともに、経験的には
【数１】
2014528257.tif 000003
のように変化する。ここで、Ｅｎはエネルギーであり、ｄはナノチューブの直径である。
【００２５】
ナノマテリアル１０８の他の形式にはナノスフェア（nanospheres）が含まれる。ナノスフェアは、例えば金を含む。かかる材料の吸収スペクトルも、サイズやアスペクト比などのジオメトリに、及びプラズモン（自由電子ガス密度の振動）の振る舞いに依存する。直径が数十ナノメートルの金ナノスフェアは、約５５０ｎｍのところに吸収ピークを示す。サイズが大きくなると、光吸収ピークは可視スペクトルの赤色端に向けてシフトする。単元素金属ナノスフェアの場合、サイズが大きくなるにつれて赤方向にシフトするという一般的なトレンドとともに、その金属ナノスフェアのピーク吸収はそのサイズに弱く依存する。例えば、サイズが２２および９９ｎｍの金ナノスフェアでは、ピーク吸収波長はそれぞれ５２０ｎｍと５７５ｎｍである。
【００２６】
球形ナノパーティクルの吸収ピークを決定するその他の強い要因は、他の金属を加えて合金を形成することである。金銀合金ナノパーティクルのピーク吸収スペクトルは、金モル比率が小さくなると、青シフトする（波長が短くなる）。例えば、金モル比率がゼロに近いとき、ピークスペクトルは約４００ｎｍであるが、金モル比率が０．５になると４５０ｎｍに長くなり、さらにモル比率が０．８０になると５００ｎｍに長くなる。このように、ナノスフェアは、そのサイズと合金化により調整して、特定のピーク吸収スペクトルを作り出すことができる。
【００２７】
合金ナノスフェアの場合、合金の形成を用いて、ピーク波長を幅広く選択することができる。１８ｎｍ金銀合金ナノスフェアのピーク波長の決定は、λｍａｘ＝１３０χＡｕ＋３９０を用いて行うことができる。ここで、λｍａｘはｎｍ単位のピーク吸収波長であり、χＡｕは金のモル比率である。
【００２８】
ナノマテリアル１０８の他の形式にはナノロッド（nanorods）が含まれる。ナノスフェアと対照的に、例えば、金ナノロッド（すなわち、円筒形の金ナノパーティクル）のピーク吸収波長は、その直径には弱く依存するだけであるが、そのアスペクト比とともに非常に長くなる。例えば、平均アスペクト比が５．９と３．７の金ナノロッドは、それぞれ１０００及び７８５ｎｍのピーク光吸収を示す。
【００２９】
例えば、単元素金属ナノロッドの場合、金はその生物学的適合性のため、材料として選択される。金属ナノロッドのピーク吸収波長は、λｍａｘ＝３３．３４εｍＲ−４６．３１εｍ＋４７２．３１により与えられる。ここで、λｍａｘはｎｍ単位のピーク波長であり、εｍは周辺媒体の誘電率であり、Ｒはロッドの長さを幅で割ったアスペクト比である。このように、吸収のピーク波長は、アスペクト比とともに、及び媒体の誘電率とともに線形に変化する。好ましいピーク波長は、赤外領域における人体組織の光学窓に、例えば６５０乃至１２００ｎｍに入るように選択できる。周辺媒体の誘電率が分かっている場合（例えば、εｍ＝３）、この値を上式に入れて、ピーク波長をアスペクト比Ｒの関数として決定できる。媒体の誘電率はアスペクト比の関数であり、単調減少関数としてモデル化できる。
【００３０】
合金ナノロッドの場合、光学特性は合金組成と長さの関数として変化する。縦モードと横モードを含む複数の共鳴がある。一例として、横モードを画像化に用いることができるが、それは長さが決まれば、これらのピークが合金組成の関数として変化するからである。ピーク縦モード波長（ｎｍ）は、金モル比率χＡｕの関数として、λｍａｘ＝１４９χＡｕ＋３６０のように変化する。
【００３１】
縦モードは差分画像化にも用いることができるが、それはこれらの波長がロッド長（または、同じ事であるが、一定サイズの場合のアスペクト比）の関数として変化するからである。金が６５％モル比率である場合、ピーク縦波長は、長さが１２３ｎｍの場合の７１６ｎｍから、長さが３２８ｎｍの場合の１４６７ｎｍまで赤シフトする。
【００３２】
ナノマテリアル１０８は、スペクトル共鳴を示すのに加え、生物学的組織とは本質的に異なる光学特性を有し、これにより光コヒーレンストモグラフィなどの画像化モダリティによりコントラストメカニズムを提供する。かかる状況では、ナノマテリアル１０８は散乱造影剤として利用される。
【００３３】
ナノマテリアル１０８は、電磁波吸収特性を調整する複数の方法とマテリアルを提供する。医療画像化アプリケーションではこれらの特性を都合良く用いて、画像コントラストと不透過率を提供することができる。例えば、近赤外波長ではほとんどの生物学的組織の固有吸収は低いので、例えば、血液中では、ナノマテリアルが光学造影剤となる。また、ナノマテリアル１０８の吸収特性により、光音響効果が生じ、画像化超音波スキャナを用いてこれを検出することができる。
【００３４】
図２を参照するに、他の実施形態による他の医療用デバイス２００を示す。デバイス２００は、デバイス１００と同じ形状である。デバイス２００は、デバイス壁２０５の一部または全部を囲む同心チューブ２０２を含む。同心チューブ２０２は、デバイス壁２０５とチューブ２０２との間の環状キャビティ２０６を形成している。環状キャビティ２０６は、ナノマテリアルサスペンション２０８中のナノマテリアル１０８で満たされている。キャビティ２０６中のサスペンション２０８の液体は、水、生理食塩水、その他の生物適合的材料を含む。ナノマテリアルサスペンションは、循環／かくはんデバイス２１０を用いて、ナノマテリアル１０８の滞留を防止するため、循環される。循環／かくはんデバイス２１０は、外付けポンプ、振動デバイス、強磁性粒子をかくはんすることによる電磁かくはんデバイスなどのうち一または複数を含む。言うまでもなく、循環／かくはんデバイス２１０は、医療行為中、デバイス２００に配置されてもよいし、患者の外部に配置されてもよい。
【００３５】
他の実施形態では、デバイス２００の内部キャビティ２１２は、環状キャビティ２０６の替わりに、または環状キャビティ２０６に加えてナノマテリアルサスペンション２０８で満たされる。
【００３６】
図３を参照するに、他の実施形態による他の医療用デバイス３００を示す。デバイス３００は、医療用デバイス３００の長さまたはその一部にわたるチューブ３０２を含む。また、チューブ３０２は、デバイスを（コイル状に、スパイラル状に、またはその他の構成で）包み込んでいてもよい。チューブ３０２はナノマテリアルサスペンション２０８を運ぶ。
【００３７】
ナノマテリアルサスペンション２０８は、循環／かくはんデバイス２１０を用いて、ナノマテリアル１０８の滞留を防止するため、循環される。循環／かくはんデバイス２１０は、外付けポンプ、振動デバイス、強磁性粒子をかくはんすることによる電磁かくはんデバイスなどのうち一または複数を含む。言うまでもなく、循環／かくはんデバイス２１０は、医療行為中、デバイス３００に配置されてもよいし、患者の外部に配置されてもよい。
【００３８】
図４を参照するに、医療行為を実行するシステム４００を示す。システム４００は、行為を管理するワークステーションまたはコンソール４１２を含む。ワークステーション４１２は、好ましくは、一または複数のプロセッサ４１４と、プログラムとアプリケーションを記憶するメモリ４１６とを含む。メモリ４１６は、医療用デバイス４０２（４０３）のナノマテリアルレイヤまたはサスペンション４０４（４０５）からの電磁的及び／または音響的フィードバックを解釈するように構成されたデバイスセンシングモジュール４１５を記憶している。センシングモジュール４１５は、信号フィードバック（及びその他の任意のフィードバック）を用いて、医療用画像中において、場所を特定し、または医療用デバイス４０２（または４０３）を描くように構成されている。医療用デバイス４０２（４０３）は、カテーテル、ガイドワイヤ、内視鏡、プローブ、ロボット、電極、フィルタ装置、バルーン装置、ニードルその他の医療用コンポーネントなどを含む。ワークステーション４１２は、画像化システム４１０を用いて被験者の内部画像を見るディスプレイ４１８を含む。画像化デバイス４１０は、光コヒーレンストモグラフィ、共焦点顕微鏡法、光音響などの画像化モダリティを含む。また、画像化システム４１０は、例えば、磁気共鳴画像化（ＭＲＩ）システム、蛍光透視法システム、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）システム、超音波システム、または励起されたナノマテリアルを見ることができるその他のシステムなどを含む。また、ディスプレイ４１８により、ユーザは、ワークステーション４１２及びそのコンポーネント・機能とインターラクトできる。これは、さらにインタフェース４２０により促進される。インタフェース４２０は、キーボード、マウス、ジョイスティック、その他の、ユーザがワークステーション４１２とインターラクトできるようにする周辺機器やコントロールを含み得る。
【００３９】
ワークステーション４１２は、所定波長の励起エネルギーを供給する一または複数のエネルギーまたは励起源４０６を含む。あるいは、一または複数の励起源４０６は、デバイス４０３（または４０２）に組み込まれて、入射する放射が人体／被験者４４８の外部の放射源から供給される必要がないようにしてもよい。励起波長を選択し、この波長に感度があるようにナノマテリアルを調整する。これは医療行為の場で、または事前に、行うことができる。エネルギー源４０６は、赤外線、Ｘ線、可視光線などの形式の電磁エネルギーを供給する。ナノマテリアルの吸収スペクトルは、励起に対して測定可能な応答をするように適宜調整される。センサユニット４０８を用いて、ナノマテリアル４０４（４０５）から戻る電磁エネルギーまたは音響エネルギーを検出する。これにより、エネルギー放射を決定でき、そのエネルギー放射を用いてデバイス４０２の形状及び／または方向を解釈できる。信号は、医療行為を調整するまたは行うためのフィードバックとして利用する。センサユニット４０８は、光検出器、超音波センサ（プローブ）、またはその他のセンサデバイスを含む。
【００４０】
ナノマテリアルがサスペンション（suspension）中にある場合、循環またはかくはんデバイス４２２を用いてサスペンションをミックスまたはかくはんし、ナノマテリアル（４０４、４０５）の滞留を防止する。画像化システム４１０は、リアルタイムのイントラオペレーティブ（intra-operative）画像化データの補正をできる。画像化データがディスプレイ上に表示され、センシングモジュール４１５がリアルタイム画像内のエネルギー放射位置を計算する。（ナノマテリアル４０４からのフィードバックを用いて）医療用デバイス４０２のデジタルレンダリングを表示して、リアルタイム画像に対するデバイス４０２の位置を示す。デジタルレンダリングは画像処理モジュール４１７により生成される。一実施形態では、画像化システム４１０は、超音波システムを含み、ナノマテリアル４０４からの放射は本質的に音響的である。このように、解剖学的画像とデバイス画像の両方が同時に表示される。
【００４１】
他の有用な実施形態では、侵襲的アプリケーションは、被験者４４８の内部で２つの医療用デバイスを用いる。例えば、一方のデバイス４０２は、ガイドカテーテルを含み、ある点に配置され、他方のデバイス４０３は、そのカテーテルの長さに沿った一定の／異なる点でのアブレーション（ablation）またはバイオプシー（biopsy）を行う針を含む。デバイス４０２はナノマテリアル４０４を含み、デバイス４０３はナノマテリアル４０５を含む。この例では、ナノマテリアル４０４と４０５は２つのタイプが異なるナノマテリアルであり、ピーク吸収波長も異なる。ナノマテリアル４０４はガイドカテーテルの画像化に用いられ、ナノマテリアル４０５は針の画像化に用いられる。
【００４２】
医療行為中、ナノマテリアル４０４は第１の波長により励起され、ナノマテリアル４０５は異なる波長により励起される。このように、ナノマテリアル４０４はカテーテルの位置を決定するのに用いられ、一方、ニードル上のナノマテリアル４０５はそのカテーテルに対してニードルを正確に位置付けするために用いられる。
【００４３】
他の一実施形態では、画像減算法を用いて、組み込まれたナノマテリアル４０４を用いてデバイス４０２の位置をより正確に推測する。ナノマテリアル４０４の吸収スペクトルは先験的に既知であり、組織成分の吸収スペクトルは未知であるから、吸収係数が組織の吸収係数に類似した２つの周波数を選択し、一方、その２つの周波数におけるナノマテリアル４０４の吸収が異なるようにする。患者または被験者４４８は、最初に第１の周波数にさらされ、これによりナノマテリアル４０４による第１の応答（放射）が得られ、第１の画像に記録される。次に、患者は、第２の周波数にさらされ、これによりナノマテリアル４０４による第２の、異なる応答（放射）が得られ、第２の画像に記録される。次に、画像処理モジュール４１７が、第１の画像から第２の画像を減算して、ナノマテリアル４０４のみに関し、それゆえ医療用デバイス４０２の位置に関する情報を生成する。
【００４４】
この方法は、上記の実施形態のいずれか、及びすべてとともに利用して、デバイス４０２、４０２など（例えば、カテーテル、ニードルなど）の位置を推測できる。ナノマテリアル４０４、４０５の画像化の場合、電磁放射の入射波長は、ナノマテリアルとそのジオメトリに依存する。例えば、平均アスペクト比が５．９と３．７の金ナノロッドは、それぞれ１０００及び７８５ｎｍのピーク光吸収を示す。画像化デバイス４１０は、表示できるナノマテリアル４０４、４０５を提供する。
【００４５】
図５を参照するに、一実施形態によるナノマテリアルの画像化方法を示す。ブロック５０２において、電磁放射の所定波長（または周波数）に応答するようにナノマテリアルの組成を選択し、調整する。この調整には、ここに説明したように、材料タイプ（例えば、ナノスフェア、ナノチューブＣＮＴなど）、材料選択（例えば、金、グラファイトなど）、ジオメトリ選択（例えば、サイズと形状）、ドーパント濃度などが含まれる。ブロック５０３において、ナノマテリアルの組成を一または複数の医療用デバイスまたは機器に組み込む。ナノマテリアルは、同じ吸収スペクトルを有する複数の材料を含んでもよいし、異なる吸収スペクトルを有する複数の材料を含んでも良い。一実施形態では、異なるナノマテリアルのそれぞれが異なるデバイスに一意的に関連していてもよいし、同一デバイスが異なる波長／周波数に応答する複数のナノマテリアルを含んでいてもよい。ブロック５０４において、医療行為中、一または複数の医療用デバイスが患者（例えば、ほ乳類）に導入される。
【００４６】
ブロック５０６において、一または複数のタイプのナノマテリアルの励起周波数に対応する電磁周波数を選択的に印加して、ナノマテリアルを励起する。ブロック５０８において、ナノマテリアルからの応答輻射から画像情報が収集される。輻射は、最も低い電磁励起周波数に応じるものである。画像情報は、患者の解剖学的／医療用画像において一または複数の医療用デバイスを位置特定するために用いることができる。
【００４７】
ブロック５１０において、他の一実施形態では、一デバイスのまたは複数のデバイスの複数の電磁励起周波数の画像情報を取得する。この例では、デバイスは２つの区別できる励起周波数を有するナノマテリアルを含む。好ましくは、ナノマテリアルによる第２の周波数応答は、第１の周波数と比較して異なり、これらの応答は周辺領域とは異なる。例えば、第１の、第２の応答等は、周辺組織の応答と異なり、組織応答はすべての励起周波数で実質的に同じである。
【００４８】
ブロック５１２において、デバイスのナノマテリアルに一意的な画像情報を取得するため、第１と第２の画像が互いに減算される。これにより、患者内の医療用デバイスの位置を特定する。かかる情報を用いて、例えばカテーテル、ニードルなどの位置を推測する。減算には、単純な画素値の減算を含むが、任意の有用な画像処理方法を用いることができる。
【００４９】
ブロック５１４において、デバイスの位置を他の医療用画像にオーバーレイして、技術者や医師に、デバイス位置を特定し医療行為を実行するのに有用なロケーションツールを提供できる。かかる行為には、例えば、カテーテル、スコープ、ニードルなどを用いる侵襲的行為が含まれ、例えば、心臓カテーテル法、カテーテル検出、アブレーション中のトラッキングとポジショニング、組織バイオプシーのガイドのためのニードル可視化、最小侵襲手術（内視鏡）における他の機器の可視化などが含まれる。
図６を参照するに、他の一実施形態による所望の特性を有するカテーテルを構成して使用する他の方法を示す。ブロック６０２において、関心組織（入射波長における人体組織特性）による吸収が最小な波長を選択する。人体組織の場合、６５０ｎｍ−１２００ｎｍが望ましい（これは、光が組織への最大侵入深度を有する７００−９００ｎｍの近赤外ウィンドウを含む）。医療用デバイス（例えば、カテーテルやニードル）が人体の表面または外側にある場合、他の波長を選択してもよい。
【００５０】
ブロック６０４において、これらの波長または周波数で最もよい吸収をするナノマテリアルを特定する。粒子サイズ、形状などを選択する。これらのナノマテリアルは、さらに、最適な生物適合性を有するものをスクリーニングする。ナノマテリアルの選択は上記の通り行える。
【００５１】
ブロック６０６において、医療用デバイス（例えば、カテーテル）を、その表面にナノマテリアルをコーティング、レイヤリング等することにより、または医療用デバイスをここに開示した一または複数の実施形態によるデバイスを形成することにより、構成する。粒子を励起する電子放射源は、デバイスの外に設けてもよいし、（医療行為中にそのデバイスを利用する人体の外部の放射源から放射を供給しなくもよいように）カテーテルのデザインに組み込んでもよい。高出力赤外（ＩＲ）発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いて励起してもよい。
【００５２】
ブロック６０８において、デバイスの入射によりナノマテリアルにより発生する光音響信号その他のフィードバックを、人体表面上の超音波プローブやその他のセンサでトラッキングすることもできる。
【００５３】
添付した請求項の解釈において、以下のことを理解すべきである：
ａ）「有する」という用語は、請求項に上げられたもの以外の構成要素やステップの存在を排除するものではない；
ｂ）構成要素に付された「１つの」、「一」という用語は、その構成要素が複数あることを排除するものではない；
c）請求項中の参照符号はその請求項の範囲を限定するものではない；
ｄ）同一のアイテム、ハードウェアまたはソフトウェアにより実施された構造、もしくは機能により、幾つかの「手段」を代表してもよい；
ｅ）特に断らなければ、動作（act)の順序を指定するものではない。
【００５４】
ナノマテリアルを用いるリアルタイム医療用デバイス可視化の方法及びシステムの好ましい実施形態（これらは例示であって限定ではない）を説明したが、当業者は上記の教示を考慮して修正や変形をすることができることに留意すべきである。それゆえ、当然のことながら、添付した請求項により規定されるここに開示した実施形態の範囲内における、開示した開示の実施形態を変更することができる。特許法により要求される詳細と具体性をもって説明した。特許証により請求され保護を求めるものは、添付した請求項に記載されている。
【図１】
2014528257.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年10月22日(2013.10.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長さ次元と表面とを有する構成；
前記表面に関連し、前記長さ次元の少なくとも一部にそって延在するボリューム；及び
前記ボリューム内に組み込まれ、少なくとも一励起信号に応答し、前記励起信号が前記ナノマテリアルからの応答を発生して、被験者内における前記構成の位置特定を可能にするように構成されたナノマテリアルを有する
医療用デバイス。
【請求項２】
前記ボリュームは前記表面上に形成された固体レイヤを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記ボリュームは前記表面に対して環状キャビティを形成するチューブを含み、前記環状キャビティはサスペンション中の前記ナノマテリアルを含む、
請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記ナノマテリアルが滞留するのを防ぐ、前記サスペンションと連通したかくはんメカニズムをさらに有する、請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記ボリュームは前記表面に縦に沿って形成されたチューブを含み、前記チューブはサスペンション中のナノマテリアルを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
医療用デバイスを位置特定するシステムであって、
ナノマテリアルが組み込まれた、前記ナノマテリアルは少なくとも一励起信号に応答するように構成された医療用デバイス；
前記少なくとも一励起信号を発生し、前記ナノマテリアルからの応答輻射を発生するように構成された励起源；
前記応答輻射を受信するように構成されたセンサ；及び
前記応答輻射を用いて医療用画像中に前記医療用デバイスをレンダリングするように構成された画像処理モジュールを有する、システム。
【請求項７】
前記医療用デバイスはそのデバイス壁に縦に沿って形成されたチューブを含み、前記チューブはサスペンション中のナノマテリアルを含む、
請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記ナノマテリアルを含むサスペンションと連通した、前記ナノマテリアルが滞留するのを防止するかくはんメカニズムをさらに含む、
請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
医療用デバイスの位置特定方法であって、
ナノマテリアルが組み込まれた、前記ナノマテリアルは少なくとも一励起信号に応答するように構成された医療用デバイスを設けるステップ；
前記少なくとも一励起信号を用いて前記ナノマテリアルを励起して、前記ナノマテリアルからの応答輻射を発生するステップ；
前記応答輻射を検知するステップ；及び
前記応答輻射を処理して、医療用画像に関して前記医療用デバイスを位置特定するステップを有する方法。
【請求項１０】
ナノマテリアルが組み込まれた医療用デバイスを設けるステップは、前記ナノマテリアルを、前記医療用デバイス上に形成された固体レイヤ；前記医療用デバイスのデバイス壁に対して形成された環状キャビティ中のサスペンション；または前記医療用デバイスのデバイス壁に縦に沿って形成されたチューブ中のサスペンションのうち少なくとも一に組み込むステップを含む、
請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
サスペンションが前記ナノマテリアルを含むとき、前記医療用デバイスに組み込まれたナノマテリアルをかくはんして、前記ナノマテリアルが滞留するのを防止するステップをさらに有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
医療用デバイスの画像生成方法であって、
前記ナノマテリアルの第１電磁的励起周波数を用いて、医療用デバイスに含まれるナノマテリアルを励起し、第１の画像化可能応答を取得する、前記第１画像化可能応答は周辺マテリアルに対して検出可能であるステップ；
前記ナノマテリアルの第２電磁的励起周波数を用いて、医療用デバイスに含まれるナノマテリアルを励起し、前記第１の画像化可能応答との実感可能差異を含む第２の画像化可能応答を取得する、前記第２画像化可能応答は前記周辺マテリアルに対して検出可能であるステップ；
前記第１の画像化可能応答を前記第２の画像化可能応答から減算して、被験者に対する前記医療用デバイスの画像を提供するステップを有する、方法。
【請求項１３】
前記医療用デバイスは、前記ナノマテリアルを、前記医療用デバイス上に形成された固体レイヤ；前記医療用デバイスのデバイス壁に対して形成された環状キャビティ中のサスペンション；または前記医療用デバイスのデバイス壁に縦に沿って形成されたチューブ中のサスペンションのうち少なくとも一に組み込むまれた、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
サスペンションが前記ナノマテリアルを含むとき、前記医療用デバイスに組み込まれたナノマテリアルをかくはんして、前記ナノマテリアルが滞留するのを防止するステップをさらに有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
医療用画像に前記医療用デバイスの画像をデジタル的に生成するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【国際調査報告】
2014528257.tif 000010
2014528257.tif 000011