(57)【要約】  本発明は、超音波を反射する膜に基づくマーカーを使用する装置、システム及び方法を提供する。この技術では、超音波画像化法でマーカーが目立つように材料特性と形状特性（膜の領域と厚さ）を変更することにより、膜の共振周波数、振幅、非線形性及び残響期間を制御可能とする。マーカーは、カラードップラーモード又は高調波モードのいずれかで使用するように調整可能である。
2021528166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
医療デバイス（２０２、３０２）の位置に関する超音波画像化法で使用するマーカー（１０２、２０６、３０６、４００）であって、
前記マーカーは、超音波を反射する膜（１０４、４０４）を含み、
前記膜は、膜領域（１０６）及び膜厚（１０８）を有し、
前記膜は、共振周波数で振動する
ことを特徴とするマーカー。
【請求項２】
請求項１に記載のマーカー（１０２、２０６、３０６、４００）において、
前記マーカーは、背面側にエアを封入したエア封入膜（４０４）を含む
ことを特徴とするマーカー。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のマーカー（１０２、２０６、３０６、４００）において、
前記膜（１０４、４０４）は、ハウジング（４０２）に設けられる
ことを特徴とするマーカー。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のマーカー（１０２、２０６、３０６、４００）において、
前記膜（１０４、４０４）は、シリコン及びチタンからなるグループから選択される物質を含む
ことを特徴とするマーカー。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のマーカー（１０２、２０６、３０６、４００）において、
前記マーカーは、針（２０４）に組み込まれている
ことを特徴とするマーカー。
【請求項６】
請求項５に記載のマーカー（１０２、２０６、３０６、４００）において、
前記マーカーは、生検針（２０４）に組み込まれている
ことを特徴とするマーカー。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のマーカー（１０２、２０６、３０６、４００）において、
前記共振周波数は、高調波タイプの超音波画像化法で使用される周波数に対応する
ことを特徴とするマーカー。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のマーカー（１０２、２０６、３０６、４００）において、
前記共振周波数は、カラードップラー式超音波画像装置に利用可能な領域を有する
ことを特徴とするマーカー。
【請求項９】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のマーカー（１０２、２０６、３０６、４００）において、
前記共振周波数は、音響放射力インパルス画像化法に利用可能な領域を有する
ことを特徴とするマーカー。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載のマーカー（１０２、２０６、３０６、４００）において、
前記マーカーは、血管形成術カテーテルに組み込まれている
ことを特徴とするマーカー。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載のマーカー（１０２、２０６、３０６、４００）において、
前記共振周波数は、血流により生成されるドップラーシフトの周波数よりも大きい
ことを特徴とするマーカー。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載のマーカー（１０２、２０６、３０６、４００）において、
前記膜（１０４、４０４）の厚さ対直径比は、１：９０から１：３の間である
ことを特徴とするマーカー。
【請求項１３】
請求項１２に記載のマーカー（１０２、２０６、３０６、４００）において、
前記厚さ対直径比は、１：６から１：４の間である
ことを特徴とするマーカー。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載のマーカー（１０２、２０６、３０６、４００）において、
前記膜（１０４、４０４）は、円状であり且つ直径が０．３から２ミリメートルの間である
ことを特徴とするマーカー。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１項に記載のマーカー（１０２、２０６、３０６、４００）において、
前記マーカーは、矩形状であり且つ長さ及び幅が０．５から２ミリメートルの間である
ことを特徴とするマーカー。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１項に記載のマーカー（１０２、２０６、３０６、４００）において、
前記マーカーの厚さは、０．１から０．２０ミリメートルの間である
ことを特徴とするマーカー。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれか１項に記載のマーカー（１０２、２０６、３０６、４００）において、
前記マーカーの厚さは、０．０５から０．８ミリメートルの間である
ことを特徴とするマーカー。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか１項に記載の超音波マーカー（１０２、２０６、３０６、４００）が設けられた医療デバイス（２０２、３０２）と、
超音波トランスデューサと
を有するシステムであって、 
前記マーカーは、超音波を反射する膜（１０４、４０４）を備え、
前記膜は、膜領域（１０６）及び膜厚（１０８）を有し、
前記膜は、共振周波数で振動し、
前記超音波トランスデューサは、前記共振周波数に対応する周波数範囲で送信する
ことを特徴とするシステム。
【請求項１９】
請求項１８に記載のシステムにおいて、
前記システムは、超音波を完全に反射する第２膜（１０４、４０４）を有する第２超音波マーカー（１０２、２０６、３０６、４００）をさらに含み、
前記第２膜（１０４、４０４）は、前記第２膜を第２共振周波数で振動させる第２膜領域（１０６）及び第２膜厚（１０８）を含む
ことを特徴とするシステム。
【請求項２０】
体腔内の医療デバイス（２０２、３０２）を検出する方法であって、
ａ）  請求項１〜１７のいずれか１項に記載された検出可能なマーカー（１０２、２０６、３０６、４００）であって、前記体腔内において超音波を反射する膜（１０４、４０４）を備え、前記膜が、膜領域（１０６）及び膜厚（１０８）を有し、且つ共振周波数で振動するマーカーを有する前記医療デバイスを案内するステップと、
ｂ）  前記超音波マーカーが配置されている前記体腔の外面上に超音波トランスデューサを配置し、前記超音波トランスデューサに、前記共振周波数に対応する周波数範囲で超音波を送信させるステップと、
ｃ）  前記トランスデューサから送信された前記超音波の反射によって前記医療デバイスを検出するステップと
を有することを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法において、
前記医療デバイス（２０２、３０２）は、針（２０４）、カテーテル、ペースメーカー（３０２）、ステント、心臓弁、除細動器、センサ及び埋込み物からなるグループから選択される
ことを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項２０又は２１に記載の方法において、
ａ）  超音波を反射する第２膜（１０４、４０４）を有し、前記第２膜が、第２膜領域（１０６）及び第２膜厚（１０８）を有し且つ第２共振周波数で振動する第２超音波マーカー（１０２、２０６、３０６、４００）を、前記体腔内で案内するステップと、
ｂ）  前記超音波トランスデューサを調整して、前記トランスデューサに、前記第２共振周波数に対応する周波数で送信させるステップと
を有することを特徴とする方法。
【請求項２３】
侵襲性医療デバイス（２０２、３０２）を患者内において検出可能にする方法であって、
ａ）  超音波を反射する膜（１０４、４０４）を備える請求項１〜１７のいずれか１項に記載の超音波マーカー（１０２、２０６、３０６、４００）を有し、前記膜が膜領域（１０６）及び膜厚（１０８）を有し且つ共振周波数で振動する前記医療デバイスを、前記患者の体腔内で案内するステップと、
ｂ）  前記医療デバイスが配置されている前記体腔の外面上に超音波トランスデューサを配置し、前記超音波トランスデューサに、前記共振周波数に対応する周波数範囲で超音波を送信させるステップと、
ｃ）  第２トランスデューサから送信された超音波の反射によって前記医療デバイスを検出するステップと
を有することを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の方法において、
前記医療デバイス（２０２、３０２）は、針（２０４）、カテーテル、ペースメーカー（３０２）、ステント、心臓弁、除細動器、センサ及び埋込み物からなるグループから選択される
ことを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項２３又は２４に記載の方法において、
ａ）  超音波を反射する第２膜（１０４、４０４）を有し、前記第２膜が、第２膜領域（１０６）及び第２膜厚（１０８）を有し且つ第２共振周波数で振動する第２超音波マーカー（１０２、２０６、３０６、４００）を、前記体腔内で案内するステップと、
ｂ）  前記超音波トランスデューサを調整して、前記トランスデューサに、前記第２共振周波数に対応する周波数範囲で送信させるステップと
を有することを特徴とする方法。
【請求項２６】
侵襲性医療デバイス（２０２、３０２）を患者内において検出可能にする方法であって、
ａ）  前記医療デバイスが配置されている体腔の外面上に超音波トランスデューサを配置するステップと、
ｂ）  前記トランスデューサから送信された超音波の反射によって前記医療デバイスを検出するステップと
を有し、
前記医療デバイスは、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の超音波マーカー（１０２、２０６、３０６、４００）を含み、
前記超音波マーカーは、超音波を反射する膜（１０４、４０４）を有し且つ共振周波数で振動し、
前記超音波トランスデューサは、前記共振周波数に対応する周波数範囲で送信する
ことを特徴とする方法。
【請求項２７】
医療デバイス（２０２、３０２）の位置決めに用いる超音波画像化法における、請求項１〜１７のいずれか１項に記載のマーカー（１０２、２０６、３０６、４００）の使用であって、
前記マーカーは、超音波を反射する膜（１０４、４０４）を備え、
前記膜は、膜領域（１０６）及び膜厚（１０８）を有し、
前記膜は、共振周波数で振動する
ことを特徴とする使用。
【請求項２８】
請求項２７に記載のマーカー（１０２、２０６、３０６、４００）の使用において、
前記マーカーは、背面側にエアを封入したエア封入膜（４０４）を含む
ことを特徴とする使用。
【請求項２９】
請求項２７に記載のマーカー（１０２、２０６、３０６、４００）の使用において、
前記マーカーは、ハウジング（４０２）に設けられる
ことを特徴とする使用。
【請求項３０】
請求項２７に記載のマーカー（１０２、２０６、３０６、４００）の使用において、
前記医療装置（２０２、３０２）は、針（２０４）、カテーテル、ペースメーカー（３０２）、ステント、心臓弁、除細動器、センサ及び埋込み物からなるグループから選択される
ことを特徴とする使用。
【請求項３１】
請求項２７に記載のマーカー（１０２、２０６、３０６、４００）の使用において、
前記共振周波数は、高調波式超音波画像化法、カラードップラー式超音波画像化法、及び音響放射力インパルス画像化法からなるグループから選択される画像化法で使用される周波数に対応する
ことを特徴とする使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、2018年6月20日に出願された米国仮出願第62/687,398号の優先権の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、超音波画像を用いて物体の視認性を向上する装置、システム及び方法に関する。具体的には、当該装置は、超音波を用いて、区別可能な視覚的特徴を際立たせるという新規な特徴を有する。
【背景技術】
【０００３】
標準的な超音波画像は、音響インピーダンスの不一致による物体の反射率に基づいている。超音波装置には、送信波に対する反射波の周波数の変化を検出して画像に重ね合わせる機能もある。超音波装置は、様々な方法で動作可能である。ドップラー画像は、血流を検出するために一般的に使用されており、血流が、式Δｆ≒ｆ（１＋ｖcos(θ)/ｃ）で示される値の超音波周波数のシフトを引き起こすことを利用する。ここで、ｆは超音波プローブ周波数、ｃは音速、ｖは血流速度、θは超音波プローブと血流速度の間の角度である。一般的に使用される超音波画像装置は、１〜１０ｋＨｚの桁のΔｆを検出可能である。高調波画像では、超音波は、非線形特性を持つ生体組織によって反射され、ｆｒ＝ｎ*ｆで与えられる周波数の反射率をもたらす（ｎは整数である。）。
【０００４】
一般に、超音波画像装置は、反射波の振幅、飛行時間及び周波数に応じて、反射信号を画像に変換する。反射波の振幅、飛行時間及び周波数は、残響の影響を受けて、より長い距離から来る信号として画像装置により解釈されることがある。
【０００５】
現在、超音波画像化法は、不透明又はほとんど不透明な膜を構成する視認可能な画像又は信号を生成する非侵襲的方法を提供するために使用されており、様々な状況（例えば、胎児の健康から動脈の劣化まで様々な問題を評価する診断テスト等）で使用できる。さらに、超音波画像化法は、生検を含む多くの異なる医療目的で使用される針を案内するためにしばしば使用される。
【０００６】
埋込みデバイス又は侵襲性デバイスを、超音波を使用して可視化する現在利用可能な方法は、そのようなデバイスを身体の部分から区別することができない。例えば、埋込みデバイス、侵襲性デバイス及び/又は針を区別するのが難しいということは、デバイス検出の検査及び処置で、より侵襲性の高い処置を用いなければならないことを意味する。また、例えば、超音波による案内を使用して針を識別することが困難であるため、医師は、外科的処置中に当該デバイスを案内するのに苦労する。その結果、生検やその他の処置に必要以上の時間がかかり、案内の失敗や針の置き違えにより、患者に不必要な不快感を引き起こす。
【０００７】
米国特許第9,138.286号（NuVue Therapeutics Inc.に付与されている）に記載される介入性医療デバイスは、軟組織内の診断用又は治療用プローブの位置を判定することを目的としており、動きに敏感な超音波画像システムと共に使用される。当該医療デバイスの２軸屈曲機構は、医療デバイスの細長い部材の軌道運動を引き起こして振動させる。当該特許によれば、この動きは、細長い部材を取り巻く流体及び／又は生体組織の局所的な攪拌を引き起こし、その攪拌は、動きに敏感な超音波システム上で見ることができる。
【０００８】
NuVue Therapeuticsは、「NuVue ColorMark Needle」と呼ばれる製品のＦＤＡ販売承認を取得しており、当該製品は、体内に挿入された針（生検針等）を超音波で可視化できるようにすることを意図している。NuVueによれば、この製品は、介入性生検針を組み込んで振動させる電池式使い捨てデバイスで構成される携帯型針デバイスである。当該デバイスの動作原理は、針の振動がドップラーシステムへの動きとして現れるため、針が低音波周波数で振動するように作られ、ドップラーカラーフローシステム上で針が見えるようにすることである。
【０００９】
超音波データを表示するための視覚化システムがいくつか存在する。例えば、RealView Imaging（イスラエルのヨクネアム）は、干渉ベースのホログラフィを使用して医療用３Ｄ体積データから生成された３Ｄ構造を画像化するシステムを提供する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
これらの視覚化方法は、当該分野で有用な進歩をもたらしたが、侵襲的処置中又は埋込み後に超音波を介して体内における外科的、診断的又は治療的医療物体（生検針、プローブ、センサ等）の実際の位置を特定する問題を解決していない。
【００１１】
そのため、超音波画像化法を使用して、侵襲性埋込みデバイスをより簡単に且つ具体的に可視化する必要がある。さらに、体腔内の医療デバイスの位置を検出するより広い必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、超音波画像化法で検出可能なマーカーを有する医療デバイスに関するものであって、マーカーは、超音波を反射する振動膜を含む。マーカーは、ハウジングを含んでもよく、また、膜がハウジングの縁に取り付けられてもよい。振動膜の領域及び厚さは、振動刺激に応答して、膜が、特定の共振周波数、振幅、非線形性及び残響期間で振動するように設定される。超音波検出の３つの好ましいタイプ、すなわち、カラードップラー画像化法、音響放射力インパルス（ＡＲＦＩ：acoustic radiation force impulse）画像化法、及び高調波画像化法が好ましい。他の超音波法を利用してもよい。
【００１３】
特定の実施形態において、マーカーは、ハウジングと、背面側にエアを封入したエア封入膜（air-backed membrane）等の振動膜とを含む。膜は、シリコン、チタン、又は他の同様の生体適合性材料の１つ又は複数の適切な生体適合性材料製としてもよい。同様に、ハウジングは、シリコン、チタン、又は他の同様の生体適合性材料の１つ又は複数の適切な生体適合性材料製としてもよい。
【００１４】
本発明は、侵襲性医療デバイスと、超音波を反射する膜を有するマーカーとを含む、検出可能な侵襲性医療デバイスシステムに関する。マーカーは、任意の侵襲性医療デバイス、すなわち、永久的又は一時的な方法で埋め込まれるデバイス、又は体内に挿入される医療デバイスに取り付けられてもよい。例えば、侵襲性医療デバイスは、針、生検針、カテーテル、血管形成術カテーテル、又は他の侵襲性又は外科的なデバイスを含んでもよい。或いは、マーカーは、一時的又は永久的な埋込み物（例えば、ステント、心臓弁、除細動器、センサ、又は他の埋込み物）に取り付けられてもよい。マーカーは、溶接、接着剤、又は他の同様の手段を介して取り付けられるか、又は製造中にデバイスに組み込まれてもよい。
【００１５】
マーカーの検出には超音波技術を利用する。一実施形態において、マーカーは、高調波タイプの超音波画像化法の超音波画像装置の共振周波数に等しい共振周波数を有してもよい。別の実施形態において、マーカーは、カラードップラー式画像装置が利用可能な範囲の共振周波数を有してもよい。さらに別の実施形態において、マーカーは、血流によって生成されるドップラーシフトの共振周波数よりも大きい共振周波数を有してもよい。さらに別の実施形態において、膜は、ＡＲＦＩ画像装置が利用可能な共振周波数を有する。これらの技術のいくつかは、第１及び第２トランスデューサを用いてもよく、第１トランスデューサはマーカーを励起するために使用され、第２トランスデューサは画像を送信するために使用されてもよい。いくつかの技術では、励起と画像送信の両方に１つのトランスデューサを使用することもできる。
【００１６】
また、本発明は、超音波を反射する膜及びハウジングを有するマーカーデバイスと、超音波発生デバイスとを含むシステムに関する。このシステムにおいて、膜の領域及び厚さは、膜が、特定の共振周波数、振幅、非線形性及び残響期間で振動するように設定される。このシステムは、超音波トランスデューサ等の超音波生成デバイスを含む。超音波トランスデューサは、膜の共振周波数に対応する周波数範囲で送信することが好ましい。
【００１７】
また、本発明は、前記システムを使用する方法に関する。この方法は、（１）マーカー膜を有する医療デバイスを、体腔内の標的位置に配置するステップと、（２）前記標的位置の外面又はその近傍に超音波トランスデューサを配置してマーカー膜を励起させるステップと、（３）医療デバイスの位置を示す検出可能な信号を介して、前記励起されたマーカーの振動を検出するステップとを含む。この方法は、本明細書に記載のマーカー又はシステムの実施形態のいずれかを使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１Ａ】真のカテーテル先端及び超音波を使用した偽のカテーテル先端の検出を示す図である。
【図１Ｂ】起こり得る偽の先端を含む超音波画像を示す図である。
【図２Ａ】本発明に係るエア封入膜の一例を示す側面図である。
【図２Ｂ】本発明に係るエア封入膜の一例を示す正面図である。
【図３】超音波マーカーの一例を組み込んだ針を示す図である。
【図４】超音波マーカーの一例を組み込んだペースメーカーを示す図である。
【図５Ａ】本発明に係る超音波マーカーの一例を示す斜視図である。
【図５Ｂ】本発明に係る超音波マーカーの一例を示す側面図である。
【図５Ｃ】本発明に係る超音波マーカーの一例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、超音波マーカーを有する医療デバイスに関する。マーカーは、超音波を反射する膜を備える。また、本発明は、侵襲性医療デバイスを検出する際に超音波マーカーを使用するシステム及び方法に関する。
【００２０】
医療デバイスに設けられた又は組み込まれた超音波マーカーは、超音波画像で明確に現れる特定の共振周波数を有するように設計される。共振周波数は、マーカーの形状特性によって決定してもよい。マーカーは、好ましくは、０．５０ｍｍ３未満の大きさであり、任意の適切な形状及び寸法を有する。マーカーの一例としては、Kaplanに対する米国特許第6,770,032号に記載されているセンサデバイスを用いることが可能であり、当該特許は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。このマーカーは、各寸法が10〜2000マイクロメートルである表面を含むセンサデバイスに類似してもよい。他の実施形態において、マーカーは圧力に依存しない。Kaplanのセンサは圧力に敏感でなければならないため、厚さと直径の比率は約１：１００である必要がある。本発明に係るマーカーは、圧力に対する敏感であることを必要としない。膜は、厚さ対直径の比が１：４〜１：６のときに最も効果的であるが、特定の実施形態では、厚さ対直径の比は１：１００未満であり、例えば１：３まで低くてもよい。
【００２１】
Kaplanに対する米国特許第6,770,032号等の先行技術では、マーカーを保護するハウジングは、圧力を伝達し、超音波に対して大部分が透過性を有する。本発明では、圧力をハウジングの外側からハウジングの内側に伝達する必要はない。ハウジングの主な目的は、体内で発生する可能性のある劣化からマーカーを保護することである。別のマーカーの例は、Girmonskyに対する米国特許第7,134,341号に記載されているセンサデバイスである。さらに、従来技術のセンサは、短い広帯域超音波パルスを必要とする。本発明は、より長い広帯域超音波パルスを有するマーカーデバイスを使用してもよい。そのようなパルスは、マイクロ秒から連続波までの範囲であってもよい。
【００２２】
一実施形態において、マーカーは、侵襲性医療デバイスに組み込むことが可能であり、そのような組込みは、マーカーを当該医療デバイスに取り付けるか、又は当該医療デバイスの中若しくは外に統合することによって行われる。体腔には、体外からは見えない、任意の体内の空間、器官又は内腔が含まれる。マーカーは、製造中の溶接、埋込み又は統合を含むいくつかの方法の１つで取り付けることにより、医療デバイスに統合してもよい。いくつかのデバイスでは、腐食を防止したり、接着を補助したりするために、マーカーを特定の材料で作成する必要がある。侵襲性医療デバイスには、外科的処置又は永久的若しくは一時的な埋込み物（インプラント）に使用されるものが含まれる。そのような医療デバイスとしては、例えば、人工関節、人工股関節、人工膝、心臓ペースメーカー、乳房インプラント、子宮内デバイス、埋込みねじ、埋込みピン、埋込みプレート、埋込みロッド、脊椎ねじ、脊椎ロッド、人工脊椎ディスク、冠状動脈ステント、耳チューブ及び血管アクセスポートが含まれる。より一般的には、侵襲性医療デバイスは、体腔内で使用又は配置されるものである。
【００２３】
また、本発明は、超音波マーカーを使用して侵襲性医療デバイスを検出する方法に関する。この方法は、（ａ）体腔（例えば、動脈、耳腔、口、又は注入部位を含む。）内にマーカーを有する侵襲性医療デバイスを配置するステップと、（ｂ）超音波トランスデューサを使用して、体腔の外面から医療デバイスに対して超音波を向け、マーカーをその共振周波数で振動させるステップと、（ｃ）体腔内の医療デバイス及びその位置を検出するステップとを有してもよい。本発明に係る方法は、埋込みデバイスを検出可能であると共に、（１）マーカーを有する埋込みデバイスに対して体の外面から超音波を向けるステップと、（２）マーカーからの信号を検出して、埋込みデバイスの位置を判定するステップとを有してもよい。
【００２４】
超音波トランスデューサは、標準的なＡＣ電流を超音波に変換すると共に、その逆を行う。超音波トランスデューサとしては、例えば、圧電トランスデューサ又は容量性トランスデューサを含む。圧電結晶は、電圧が印加されると結晶がサイズ及び形状を変化させる点で使用することができる。具体的には、ＡＣ電圧により、圧電結晶が一定の周波数で振動し、超音波が発生する。圧電材料に力が加えられると圧電材料が電圧を発生するため、圧電デバイスは超音波検出器としても動作可能である。超音波システムの中には、別々の送信機及び受信機を使用するものもあれば、両方の機能を組み合わせて単一の圧電送受信機にするものもある。或いは、容量性トランスデューサは、導電性ダイアフラムとバッキングプレートとの間の静電界を使用して超音波を生成することができる。両方のタイプのトランスデューサが当技術分野で知られており、本発明で使用することができる。
【００２５】
異なる超音波画像システムには、異なるトランスデューサが必要である。本発明に係るマーカーは、例えば、カラードップラー超音波画像化法、連続波ドップラー画像化法、ＡＲＦＩ画像化法、又は高調波超音波画像化法を使用して検出することができる。
【００２６】
カラードップラー画像化法（Color Doppler imaging）は、静的な背景に対して動く物体の可視化を可能にするため、医療画像化に好適な超音波技術である。カラードップラー画像化法を使用するには、医師が標的に対して正確に検出デバイスを向けることができる必要がある。ドップラーシフトの測定により、血球の動きや（心エコー図におけるような）心臓の鼓動等、動く物体を背景から分離することができる。多くの場合、移動する物体には、その動作の方向に応じて色が割り当てられ、静的な背景はグレースケールで表示される。本発明に係るマーカーは、画像内で別個の色として表示してもよい。
【００２７】
カラードップラー式超音波診断装置は、被検物体に向けて送信される超音波パルスのドップラー効果による周波数シフトを、受信したエコー信号の周波数分析により検出し、検出結果に基づいて血流の分布画像を表示することで機能する。検出可能な周波数シフト（以下、ドップラーシフト成分と称する。）は、超音波ビーム方向の速度成分に対応する。
【００２８】
別の実施形態において、マーカーは、高調波画像化法（harmonic imaging）を使用して検出されてもよい。従来の超音波画像化法では、超音波システムは特定周波数の音響パルスを送受信する。従来の超音波画像化法での戻り信号は、送信信号よりも強度が低く、信号が生体組織を通過するときに強度が失われる。高調波画像化法では、標的から戻ってくる信号には、送信された基本周波数だけでなく、他の周波数の信号（特に、基本周波数の２倍である高調波周波数）が含まれる。この組み合わされた基本波／高調波信号が受信されると、超音波システムは２つの成分を分離し、高調波信号のみを処理する。
【００２９】
高調波は、送信波が生体組織を通過するときに超音波スキャナビームの経路によって生成される。送信されたパルスの山と谷により、標的は膨張及び収縮を交互に行い、その形状が歪められる。例えば、標的の生体組織は線形弾性ではないため、生体組織は拡張の程度よりも収縮の程度の方が小さい。生体組織の収縮中、生体組織の密度が増加し、音波のピークが谷よりもわずかに速く移動する。非線形伝搬と呼ばれるこの作用の結果、波は次第に非対称になる。この非対称の歪みにより、高調波が発生する。
【００３０】
標的の生体組織が任意の瞬間に生成する高調波の量は少ないが、パルスが生体組織を伝搬するにつれて高調波が構築される。従って、超音波スキャナ波がより多くの生体組織を通過するにつれて、より多くの高調波が生成される。超音波画像上で生体組織が非常に目立つように見える環境では、生体組織に囲まれたマーカーなしで従来の医療デバイス、埋込み物、針及びカテーテルを検出することは困難且つ不正確である。本発明は、生体組織よりも顕著に現れることで容易な検出を可能にするマーカーを有する医療デバイスを含む。
【００３１】
より高い強度の送信波は、より高い強度の高調波及びより多くの高調波の両方を生成する。２次高調波の生成は、基本強度の２乗に比例する。従って、基本ビームが３ｄＢ増加すると、高調波強度は６ｄＢ増加する。このため、高調波は主にメイン送信ビームによって生成される。高調波が最大に生成される領域は、ビーム強度が最も高くなる焦点領域となる。弱い波（サイドローブ、グレーティングローブ、散乱エコー等）や、メインの超音波スキャナビームのエッジでは、高調波はほとんど又は全く生成されない。その結果、高調波信号から形成されたビームはノイズが少なくなり、コントラスト分解能が向上する。本発明に係るマーカーの共振周波数は、トランスデューサの周波数であるように設計してもよく、これにより、マーカーは、超音波画像上でより強く、より明るく見えるようになる。
【００３２】
超音波スキャナを使用した生体高調波画像化法（Tissue harmonic imaging）は、より低い周波数の基本ビームを送信することによって動作する。結果として生じる基本パルスは、体内の生体組織を通って伝搬し、より高い周波数の調波音を生成する。超音波スキャナの生体高調波画像化法は、主により高い周波数の調波音から画像を形成する。基本周波数からのエコーは拒否されるため、画像の生成には使用されない。実際、より高い振幅の基本エコーが除去されない場合、エコーは画像を劣化させ、生体組織の高調波画像化の利点がなくなる。また、エコーは非常に強い信号を生じさせるが、医療デバイスには関連性がない。高品質の高調波画像を生成するには、高度な送信ビーム形成及び信号検出が好ましい。
【００３３】
本発明のさらに別の実施形態において、医療デバイスは、ＡＲＦＩ画像化法を使用して検出してもよい。音響放射力インパルス（ＡＲＦＩ：acoustic radiation force impulse）画像化法では、生体組織の硬さの定性的な画像を生成するために、単一の超音波トランスデューサを使用して軸上の変形を誘発及び監視する。単一の横方向の位置で、ＡＲＦＩパルスシーケンスは、次の３つのパルスタイプで構成される。すなわち、１）ＡＲＦバーストに先行し、生体組織位置のベースラインとして使用できる参照パルス、２）生体組織を変位させる高強度インパルスで構成されるプッシュパルス、及び３）ＡＲＦバースト後の生体組織の運動を監視する追跡パルスである。生体組織の変位は、参照パルス及び追跡パルスからの生のＲＦデータに対して相関又は位相シフトの推定技術を使用して測定される。パルスシーケンスと動作推定は、画像化視野全体のいくつかの横方向位置で繰り返され、軸方向位置、横方向位置及び時間の関数としての生体組織の変位からなる３Ｄデータセットを構築する。
【００３４】
超音波マーカーとして使用される膜は、背面側にエアが封入されたエア封入膜（air-backed membrane）としてもよい。エア封入膜は、他の膜と比較して音響漏れを防ぐ。具体的には、本発明で使用されるエア封入膜は、エネルギー散逸を低減又は排除し、超音波を反射する。エア封入膜は、フレームに保持されて又は吊り下げられて振動する。例えば、ハウジングは、幾何学的な中実材を形成してもよく、エア封入膜は、ハウジングに取り付けられた筒状体としてもよい。一実施形態において、円状のエア封入膜は、例えば、直径約０．３〜２．０ｍｍ×厚さ０．０５〜０．５０ｍｍの寸法であってもよい。実施形態の例において、円状のエア封入膜は、例えば、直径約０．６〜１．０ｍｍ×厚さ０．１〜０．２０ｍｍの寸法であってもよい。
【００３５】
本発明に係る膜は、超音波を反射することができる生体適合性材料でできている。膜は、実質的に超音波を反射する。具体的には、超音波の９０％以上を反射してもよい。膜は、超音波の９８％まで又はそれ以上を反射してもよい。膜の反射能力は、マーカーとしての膜の品質を示す１つの指標である。
【００３６】
上述のように、本発明に係る超音波マーカーを含むデバイスは、侵襲性医療処置中に患者の体又は体腔内において、超音波によって容易に検出することができる。本発明は、例えば、生検中における患者の体又は体腔内の医療機器又は装置（生検針、センサ、埋込み物、又は他のアイテム等）の配置についてリアルタイムで外科医又は他の医師を導くために使用することができる。また、本発明は、経カテーテル処置（不整脈の治療のための生体組織切除、経中隔穿刺、センサの埋込み、及び漏出性僧帽弁のクリッピング等）の間におけるカテーテル又はカテーテル先端の可視化を改善するために有用である。本発明の他の使用法は、以下の説明から明らかになるであろう。
【００３７】
図１Ａは、カテーテルの超音波画像化法に関する１つの課題、すなわち、「偽の先端」の問題を示す。経カテーテル処置中の画像診断法として超音波を用いる際、カテーテル先端の実際の位置の特定には、しばしば問題が生じる。超音波は、患者の体内の３次元空間を、単一平面で「切断」する。その結果、超音波画像は、実際の先端の位置を表示する代わりに、超音波平面がカテーテルを切断する偽の先端を示すことがしばしば起こる。このような不十分さは、図１Ａで見ることが可能であり、同図では、先端を有するカテーテル１５０は、超音波平面１６０を介して画像化されている。画像システムは、超音波平面１６０がカテーテルの端部と交差する位置に存在する偽の先端（false tip）１５５を表示する一方、真の先端（true tip）１６５は、超音波平面１６０の下方に位置し、医療処置の間、ディスプレイ画面で見ることができない。図１Ｂに示すように、従来の超音波技術では、ディスプレイ画面におけるカテーテル（又は他の医療デバイス）の先端が真の先端又は偽の先端であるか否かを知ることは不可能である。カテーテル以外の他の医療デバイスにも、偽の先端の表示と同様の問題がある。
【００３８】
図１Ｂは、従来のカテーテル先端を使用したブタモデルにおける移植心臓の左心房の超音波画像を示す。超音波画像内のカテーテル（Catheter）及びカテーテル先端（Catheter tip）の位置は、矢印を使用してマークされている。上述のような超音波画像化の不十分さのため、図１Ｂのカテーテル先端が真の先端又は偽の先端のいずれであるか（true or false）を知ることは不可能である。
【００３９】
予想されるように、ディスプレイ画面にカテーテル先端の真の位置を表示する際の不正確さは、手術、診断又は治療の対象物体（弁、センサ、プローブ、ステント、又は体内の他のそのような医療対象物体）の配置、留置又は埋込みを不十分とすることにつながり得る。本発明に係るマーカーは、マーカーを有するデバイスに音波を反射させて、従来の超音波技術を使用して医療デバイスの位置及び配置を高精度且つ正確に可視化することによって、そのような問題を克服することを意図している。
【００４０】
図２Ａ及び図２Ｂは、超音波を反射する膜１０４を組み込んだ本発明に係るマーカー１０２を示している。いくつかの実施形態において、膜１０４は、背面側にエアを封入した（air-backed）薄膜とすることができる。エア封入膜は、任意の材料で実質的に全ての超音波（好ましくは約９０％から９９％の間）を反射するため、任意の材料で作ることができる（ここにおける「約」という用語は、記載された値の１％〜５％以内の量を意味すると理解される。）。マーカー１０２は、針又はデバイスに優れた位置フィードバックをもたらす。これは、体内の他の物体の共振周波数とは異なる特定の共振周波数を持つように較正されることによって行われる。
【００４１】
超音波マーカーの共振周波数は、膜１０４の様々な属性（サイズ、厚さ及び組成を含む。）によって制御される。材料、膜領域１０６及び膜厚１０８の変更は、膜１０４の共振周波数を変化させて、異なる目的及び／又は状況に適したものにする。矩形状の膜の実施形態は、約０．５ｍｍから２．００ｍｍの幅及び長さ、並びに０．０５ｍｍから０．８ｍｍの厚さを有してもよい。例示的な矩形状の膜の幅及び長さは、約０．９ｍｍから１．３４ｍｍの範囲としてもよい。膜厚１０８は、０．１ｍｍから０．４５ｍｍの範囲としてもよい。膜の物理的特性を変更させることで、メーカーは共振周波数を選択できる。当業者であれば、適切な生体適合性材料の使用が、本発明の範囲内に含まれ得ることを容易に認識するであろう。マーカーの材料の例としては、金属、金属合金、チタン、プラチナ、ステンレス鋼、形状記憶合金（ＮＩＴＩＮＯＬ（登録商標）等）、シリコン、ガラス、石英、セラミック材料、複合材料、金属又は非金属窒化物、窒化ホウ素、炭化物、金属酸化物、非金属酸化物、ポリマーベースの材料及びそれらの組み合わせを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
【００４２】
システムがカラードップラー画像化法で使用される場合、膜の共振周波数は、従来のカラードップラー用超音波トランスデューサによって作られた周波数の範囲内にあることが好ましい。超音波検査を実行している間、標準的な超音波画像トランスデューサ（第１トランスデューサ）に加えて、医師は、膜１０４の共振周波数に較正された第２トランスデューサを使用してもよい。この第２トランスデューサは、膜の共振周波数の音波を生成する。第２トランスデューサは、医療デバイスの場所から２０〜２５センチメートル離れて配置してもよく、これにより、膜１０４が共振周波数で振動し、次に、マーカーは、超音波画像において、その共振周波数に対応する色で現れることとなる。
【００４３】
カラードップラー式超音波画像装置では、膜１０４の共振周波数は、血流によって引き起こされるドップラーシフトよりも大きくなるように較正してもよい。周波数のこの違いにより、膜１０４はより高い周波数で振動し、その結果、膜１０４は画像の他の部分とは異なる色で表示される。膜の特有の残響期間（reverberation period）は、特定長さのコメットテールを生じさせる。これは、パルスがトランスデューサによって送信された後、反射によって検出される飛行時間が長くなり、トランスデューサの軸の方向に沿ってマーカー画像が広がるためである。一実施形態において、血流の色応答を除去し、それによって画像の鮮明度を高めるフィルタを超音波画像に追加してもよい。さらに、超音波送信機の出力を調整して、マーカー１０２が超音波画像上でどれだけ目立って見えるかを変化させてもよい。さらに他の実施形態において、異なる共振周波数及び異なる色情報を有する複数のマーカー１０２を、画像化時の対象物体における異なる点に追加してもよい。そして、トランスデューサによって生成される周波数を変化させることにより、超音波画像上で強調されている対象物体の部分を制御してもよい。
【００４４】
高調波画像化法で使用する場合、膜の共振周波数の値は、超音波画像装置の周波数の値と同様になるように設計される。高調波画像装置は、周波数ｆで送信し、周波数２ｆで受信する。そのようなトランスデューサは、膜の共振周波数の音波を生成し、膜１０４をその周波数で振動させる。マーカー１０２は、同じ周波数で周囲の領域よりも強く振動し、超音波画像においてより顕著に現れる。励起周波数でマーカーによって生成される信号の振幅は、膜の非線形性の結果（product）になる。
【００４５】
ＡＲＦＩ画像化法で使用する場合、膜の共振周波数の値は、ＡＲＦＩ画像装置の周波数の値と同様になるように設計される。ＡＲＦＩ画像装置は、周波数ｆで送信する。高調波画像装置での膜の使用と同様の方法で、そのようなトランスデューサは、膜の共振周波数の超音波を生成し、膜１０４をその周波数で振動させる。マーカー１０２は、同じ周波数で周囲の領域よりも強く振動し、超音波画像においてより顕著に現れることとなる。
【００４６】
図３は、マーカーが取り付けられた針２０２の例示的な実施形態を示す。マーカー２０６は、例えば、溶接又は埋込みを含むいくつかの可能な方法のうちの１つによって針２０４に取り付けられる。マーカーの埋込みは、特定の実施形態では、当該埋込みが針２０４の滑らかなエッジを維持するのを助けるという点で好ましい場合がある。
【００４７】
さらに、本発明は、超音波トランスデューサを用いて、患者内において、マーカーを有する針を検出する方法を含む。一例において、生検を行う間又は他の外科的処置において、超音波を用いた針の案内中、マーカーが取り付けられた針２０２を使用することができる。カテーテルに組み込まれたマーカーを有する同様の装置は、超音波による案内を用いる血管形成術又は他の処置中に使用してもよい。同様の装置を使用して、例えば、カテーテルを留置した大動脈弁及び僧帽弁の移植中、左心房に交差するための経中隔の針の案内中、及び/又は電気生理学のためのアブレーションカテーテルの案内中の案内を支援してもよい。
【００４８】
具体的には、そのような方法の１つは、（ａ）マーカーを有する針２０２を標的に挿入するステップと、（b）標準的な超音波による案内に従って、関心領域上に第１超音波トランスデューサを配置するステップと、（c）カラードップラー実施用に第２トランスデューサをアクティブにすること、又はマーカーが振動し、検出可能になる高調波生成用に第１トランスデューサを使用することで、マーカーをアクティブにするステップと、（d）超音波画像上のマーカーを観察するステップとを有する。この方法は、マーカーを備える他のデバイスで使用してもよい。マーカーを有する針２０２又は他のデバイスを超音波画像上で見るとき、マーカーは容易に見ることができ、案内を容易にする。
【００４９】
同様に、この方法は、マーカーがその中に又はその外側に組み込まれた埋込みデバイスの検出にも関係し得る。具体的には、図４は、マーカーが取り付けられたペースメーカー３０２の例示的な実施形態を示している。マーカー３０６は、例えば、溶接、接着、一体型製造、又は製造中の埋込みを含むいくつかの可能な方法のうちの１つによってペースメーカー３０４に組み込まれる。製造中の埋込みは、デバイス３０４の形状及び形態の維持を助けるために、特定のデバイスにとって好ましい場合がある。ペースメーカー上のマーカーの特定位置は異なる場合がある。
【００５０】
マーカーを有するペースメーカー３０２は、超音波を使用して検出されてもよい。マーカー３０６を使用するための手順は、針２０２に埋め込まれたマーカーで使用するための上記手順と同じである。マーカーを有するペースメーカー３０２を用いた手順を使用することにより、ユーザは、超音波を用いるときに埋込みデバイスを容易に見つけることができ、検査を非侵襲的且つ効率的にし、特に長期間に亘って埋込み物を追跡するときに患者に利益をもたらす。
【００５１】
図５Ａは、ハウジング４０２にエア封入膜４０４を有するマーカー４００の斜視図を示す。図５Ｂは、図５Ａに示すマーカー４００の実施形態の側面図である。図５Ｃは、図５Ａに示すマーカー４００の実施形態の平面図である。ハウジング４０２は、矩形状の中実材を形成する。ハウジング４０２の寸法は、約100平方マイクロメートルから250000平方マイクロメートルの範囲としてもよい。エア封入膜４０４は、ハウジング４０２上に載置された筒状体である。エア封入膜４０４は、ハウジング４０２の中央に位置してもよい。
【００５２】
本発明に係るマーカーは、あらゆる種類の侵襲的医療処置中の超音波画像化法に使用してもよい。一実施形態において、マーカーは、超音波条件下での針の可視化を改善するために、振動する医療デバイス（振動針等）と共に使用してもよい。別の実施形態において、本発明に係るマーカーは、３Ｄ医療ホログラフィ中に使用して、外科医又は医師が、超音波による案内時の医療又は外科的処置（例えば、生検又は移植）の最中に、体内の医療デバイスの真の位置を可視化することを支援してもよい。本発明に係るマーカーの他の使用法は、当業者には明らかであろう。
【００５３】
当業者であれば、実施形態として本明細書で具体的に示され、説明されたものに対して、本発明の精神又は範囲から逸脱することなく、多くの変形、追加、修正、及び他の応用を行うことができるであろう。従って、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって規定されるように、全ての予見可能な変形、追加、修正又は応用を含むことが意図されている。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【国際調査報告】
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2021528166.tif 000013
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