(57)【要約】【課題】生体管腔診断用カテーテルにおいて、生体液を含む生体管腔内壁の硬さを非接触的に測定することである。【解決手段】生体管腔診断用カテーテル１０は、先端に探触子２０を有するカテーテル本体部１２と、血管の内壁の硬さの測定等を行う測定部３０とを備える。測定部３０は、探触子２０に増幅器とともに直列に接続され、振動子への入力波形と振動検出センサからの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させてその位相差をゼロに補償する位相シフト回路を含み、位相差をゼロに補償したときの周波数変化量と生体組織の硬さとの関係を予め求めておき、生体液を含む生体管腔内において管腔壁に向かって超音波を入射したときに生じる位相差をゼロに補償する周波数変化量から管腔壁に関する硬さを算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物に超音波を入射する振動子と、測定対象物からの反射波を検出する振動検出センサとを有する探触子と、
探触子が先端に設けられ、生体管腔内に挿入されるカテーテル本体部と、
探触子に増幅器とともに直列に接続され、振動子への入力波形と振動検出センサからの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させてその位相差をゼロに補償する位相シフト回路と、
位相差をゼロに補償したときの周波数変化量と生体組織の硬さとの関係を予め求めておき、生体液を含む生体管腔内において管腔壁に向かって超音波を入射したときに生じる位相差をゼロに補償する周波数変化量から管腔壁に関する硬さを算出する硬さ算出部と、
を備えることを特徴とする生体管腔診断用カテーテル。
【請求項２】
請求項１に記載の生体管腔診断用カテーテルにおいて、
カテーテル本体部は、軸状の外形を有し、
探触子は、カテーテル本体部の軸状の外形に沿った部分円筒形の外形を有することを特徴とする生体管腔診断用カテーテル。
【請求項３】
請求項１に記載の生体管腔診断用カテーテルにおいて、
周波数変化量と生体組織の硬さとの関係は、生体液中において生体組織に非接触の状態で求められた関係であることを特徴とする生体管腔診断用カテーテル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体管腔診断用カテーテルに係り、特に生体液を含む生体管腔内における管腔壁の硬さを測定する生体管腔診断用カテーテルに関する。
【背景技術】
【０００２】
動脈硬化は、一般的に局所的な特性変化であり、進行段階によって分類すると、初期のアテローム状、繊維化、石灰化等となる。動脈変異が生じると、エラスチンの質的変化や脂質、カルシウム等の沈着等により、複合的に血管弾性が変化することが知られている。そこで、血管の弾性を計測することは血管の変異を評価するために注目されている。
【０００３】
例えば、特許文献１においては、超音波診断装置を用いて、皮膚の表面から血管の長手方向に沿って超音波パルスを発信し、血管における任意の第１の点と第２の点から反射してくる超音波パルスに基づいて、第１の点と第２の点における組織の移動量の時間的変化を求め、これらに基づいて血管壁の硬さ値を算出することが開示されている。
【０００４】
なお、本願発明者は、特許文献２において開示されているように、硬さ計測用カテーテルセンサとして、測定対象物に振動を放射する振動部と反射振動を受波する受波部とを有し、液体が満たされたケーシングを介して測定対象物に振動を放射し反射波を受波し、硬さ測定には位相シフト法を用いる方法を開発している。この技術は、振動部から測定対象物に振動を入射し、測定対象物からの反射波を受波部で検出し、入射波と反射波との間に測定対象物の硬さに応じて生じる位相差を位相シフト回路によって周波数を変化させることで位相差をゼロに補償し、その位相差をゼロに補償する周波数変化量から測定物の硬さを求めるものである。この方法によれば、カテーテルの先に、液体が満たされたケーシングを設け、ケーシングの根元に振動部と受波部を配置して、ケーシングに接触する測定対象物の硬さを測定することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−５２４２４号公報
【特許文献２】特開２００４−２６１２３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の方法は、皮膚の上から血管の硬さを評価するもので、例えば、血管の内壁に脂質やカルシウム等の沈着が生じて硬くなっている様子等を直接的に評価できない。特許文献２の方法によれば、血管内部側から血管内壁に対する硬さの評価を行うことができるが、液体が満たされたケーシングを介して硬さを評価しているため、直接的に血管内壁等の生体管腔内壁の硬さを測定することができない。また、特許文献２の方法は、生体管腔内壁に接触することを主に行っており、その場合に、生体管腔内壁に負担を与える恐れがある。
【０００７】
本発明の目的は、生体管腔内壁の硬さを直接的に測定することを可能にする生体管腔診断用カテーテルを提供することである。他の目的は、生体管腔内壁の硬さを非接触的に測定することを可能にする生体管腔診断用カテーテルを提供することである。以下の手段は、これらの目的の少なくとも１つに貢献する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る生体管腔診断用カテーテルは、測定対象物に超音波を入射する振動子と、測定対象物からの反射波を検出する振動検出センサとを有する探触子と、探触子が先端に設けられ、生体管腔内に挿入されるカテーテル本体部と、探触子に増幅器とともに直列に接続され、振動子への入力波形と振動検出センサからの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させてその位相差をゼロに補償する位相シフト回路と、位相差をゼロに補償したときの周波数変化量と生体組織の硬さとの関係を予め求めておき、生体液を含む生体管腔内において管腔壁に向かって超音波を入射したときに生じる位相差をゼロに補償する周波数変化量から管腔壁に関する硬さを算出する硬さ算出部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る生体管腔診断用カテーテルにおいて、カテーテル本体部は、軸状の外形を有し、探触子は、カテーテル本体部の軸状の外形に沿った部分円筒形の外形を有することが好ましい。
【００１０】
また、本発明に係る生体管腔診断用カテーテルにおいて、周波数変化量と生体組織の硬さとの関係は、生体液中において生体組織に非接触の状態で求められた関係であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る生体管腔診断用カテーテルによれば、生体管腔内に挿入されるカテーテル本体部の先端に探触子が設けられるので、生体管腔内壁の硬さを直接的に測定することができる。また、位相シフト法における周波数変化量と生体組織の硬さとの関係は、生体液中において生体組織に非接触の状態で求められた関係であるので、生体管腔内壁の硬さを非接触的に測定することを可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に本発明に係る実施の形態につき、図面を用いて詳細に説明する。以下では、測定対象物として、血管、特に血管内壁について説明するが、血管以外でも、生体液を含む生体管腔内における管腔壁を測定対象物とできる。例えば、リンパ管、尿管等を測定対象物とできる。また、以下に述べる寸法、構造等は、説明のための一例であり、用途に応じ、適宜変更が可能である。
【００１３】
図１は、生体管腔診断用カテーテル１０の構成を示す図である。生体管腔診断用カテーテル１０は、例えば、血管内に挿入できる細さを有するカテーテル本体部１２と、その先端に設けられた探触子２０と、手元側から引き出された信号線１４と、信号線１４が接続され、血管の内壁の硬さの測定等を行う測定部３０とを含んで構成される。
【００１４】
図２は、図１でＡとして示したカテーテル本体部１２の先端部の拡大図で、図２（ａ）はカテーテル本体部１２をその先端側から見た様子を示す図で、（ｂ）は正面図である。カテーテル本体部１２の先端には、探触子２０がマウント部材１６によって取り付けられている。探触子２０は、軸状の外形を有するカテーテル本体部１２の外形に沿って部分円筒形の外形を有する。マウント部材は、振動を妨げない材料が好ましく、例えばシリコンゴム等を用いることができる。また、探触子２０から引き出される信号線は、カテーテル本体部１２の内部に導入されることが望ましいが、信号線の引き出しの際に、適当な絶縁コーティングが施される。
【００１５】
探触子２０の形状寸法の一例を上げると、カテーテル本体部１２の軸状の外径を約３ｍｍとして、その外径より約０．１ｍｍから０．５ｍｍ程度大きな内径を有し、厚みが約１ｍｍの部分円筒形で、軸方向の長さは約５ｍｍ程度である。図２では、円筒を軸方向に半分に切断した形状が示されているが、これよりも円弧の角度を小さくし、例えば、図２では円弧の角度が約１８０度であるものを、９０度から１２０度程度としてもよい。また、可能であれば、さらに小さく４５度から９０度としてもよい。円弧角度を大きくすると、検出方位が広く取れる一方で、円弧角度を小さくすると、指向性が向上する。
【００１６】
図３は、探触子２０と測定部３０の構成について示す図である。なお、図３には生体管腔診断用カテーテル１０の構成要素ではないが、測定対象物８として、探触子２０が挿入される血管の内壁が示されている。
【００１７】
探触子２０は、測定対象物８に直接的に超音波を入射する振動子２２と、測定対象物８からの反射波を検出する振動検出センサ２４とを有する。図３の例では、測定対象物８に向かい合う方を振動子２２としているが、振動検出センサ２４を測定対象物８に向かい合うものとする配置であってもよい。図３の例では、振動子２２と振動検出センサ２４とが直列に積層されて接続され、接続点を接地して用いられている。具体的には、矩形板状の圧電素子の両面にそれぞれ電極を設けたものを２つ用いて積み重ね、中間の電極２つを一体化して接地電極とし、半円筒状に曲げて成形したものを用いることができる。かかる圧電素子としては、ＰＺＴ等を用いることができ、ＰＺＴ等のセラミック圧電素子の場合は、焼成の際に所望の形状に曲げた形状に成形することができる。この場合、積み重ねた外径側電極を振動子２２の入力電極とし、内径側電極を振動検出センサ２４の出力電極とする。
【００１８】
図３に示される測定部３０は、振動検出センサ２４からの出力信号を受け取る端子３２と、振動子２２への入力信号を出す端子３４と、算出された硬さのデータを出力する端子３６とを有する。測定部３０の内部は、次のように構成される。
【００１９】
振動検出センサ２４に接続される端子３２は、適当なＤＣカットコンデンサを介して増幅器４０に接続される。増幅器４０は、振動検出サンサ２４によって検出された信号を適当に増幅する電子回路で、周知の増幅回路を用いることができる。
【００２０】
増幅器４０の出力は、位相シフト回路４２に入力され、位相シフト回路４２の出力は、端子３４を介して振動子２２に接続される。したがって、探触子２０が血管内にあるときは、振動子２２−（血液）−（測定対象物８である血管内壁）−振動検出センサ２４−増幅器４０−位相シフト回路４２−振動子２２の閉ループが構成される。この閉ループの中を、測定対象物８の物性に依存して振動する電気信号が流れる。したがって、位相シフト回路４２の内容を適当に設定することで、この閉ループにおける振動の電気信号について自励発振を生じさせることができる。
【００２１】
位相シフト回路４２の機能は、この閉ループにおいて、位相シフト回路４２に入力される入力信号と、出力される出力信号との間に位相差が生じるときは、閉ループの共振周波数を変更して、位相差をゼロに補償する機能を有する。そして、位相差をゼロに補償したときの周波数を周波数変化量算出部４４に出力する。
【００２２】
周波数変化量算出部４４は、閉ループにおいて測定対象物８が含まれないときに位相シフト回路４２の作用により自励発振が生じるときの閉ループの発振周波数ｆ1と、閉ループにおいて測定対象物８が含まれるときに位相シフト回路４２の作用により自励発振が生じるときの閉ループの発振周波数ｆ2とを受け取って、これらの間の周波数変化量であるΔｆ＝ｆ2−ｆ1を算出する機能を有する。すなわち、周波数変化量算出部４４の機能は、測定対象物８が閉ループに含まれないとき、すなわち、探触子２０が血管内に挿入されていないとき、あるいは、太い血管内で、探触子２０と血管内壁との距離が十分離れているときの発振周波数ｆ1を閉ループから検出してこれを一旦記憶し、次に測定対象物８が閉ループに含まれるとき、すなわち、細い血管内で、探触子２０と血管内壁との間の距離が近いときの発振周波数ｆ2を閉ループから検出してこれも一旦記憶し、記憶された２つの周波数ｆ1とｆ2とを読み出して、その差である周波数変化量を演算するという一連の処理を行うものである。
【００２３】
図１、図２の例では、探触子２０が血管内に挿入されていないとき等、血管内壁がない場合の閉ループにおける自励発振の周波数ｆ1と、血管内壁がある場合の閉ループにおける自励発振の周波数ｆ2の間の周波数変化量であるΔｆ＝ｆ2−ｆ1が周波数変化量算出部４４で求められ、硬さ算出部４６に出力される。なお、かかる位相シフト回路４２の具体的構成と詳細な作用については、上記の特許文献２に開示されている。
【００２４】
位相シフト回路４２は、閉ループの自励発振を維持するために、振動検出センサ２４からの出力信号と振動子２２への入力信号との間に位相差が生じるときは、閉ループの周波数を変更して位相差をゼロに補償するものである。したがって、閉ループの自励発振の周波数は、位相差をゼロに補償する際の周波数変化量が大きい方が測定対象物８の物性の相違の検出が容易になる。そこで、位相シフト回路４２の回路内容である回路定数は、対象となる閉ループについて、位相差をゼロに補償する際の周波数変化量が安定して大きく取れる発振周波数となるように設定される。一般的に述べれば、探触子２０の周波数−位相特性において、多くの共振周波数があるが、その中で、発振が安定していること、位相差を変更すると適当な大きさの周波数変化を生じること、の条件を満たす共振周波数が選択され、その選択された共振周波数に対して、位相シフト回路４２の回路定数が設定される。
【００２５】
硬さ算出部４６は、周波数変化量算出部４４から出力される周波数変化量に基づいて、測定対象物８の硬さを評価する機能を有する。周波数変化量から測定対象物８の硬さを評価するには、周波数変化量と測定対象物８の硬さとの関係を予め求めておき、その関係に周波数変化量算出部４４によって算出された周波数変化量を当てはめて実行される。
【００２６】
図４は、生体管腔診断用カテーテル１０が血管に挿入され、血管内壁に探触子２０が向かい合ったときに生じる位相差をゼロに補償する周波数変化量と、測定対象物８である血管内壁の硬さとの関係を求める実験装置５０の様子を説明する図である。
【００２７】
実験装置５０は、模擬生体液５４が満たされた容器５２に、模擬生体組織５６が配置され、模擬生体組織５６と探触子２０の間の距離ｄを変化させることができる装置である。そして、予め硬さあるいは音響インピーダンスが分かっている模擬生体組織５６を数種類用意し、模擬生体液５４中の模擬生体組織５６に非接触の状態で、図３で説明した測定部３０を用いて、周波数変化量を測定する。
【００２８】
図５は、その結果を示す図である。模擬生体液としては、市水を用いた。硬さの分かっている模擬生体組織としては、４０％，６０％，８０％のシリコンゴムを用いた。このＸＸ％とは、適当な媒体中に、１００％シリコンゴムをＸＸ％混合したものであることを表す。シリコンゴムとしては、信越化学の型式名ＫＥ−１１６を用いた。また、比較のため、銅板、アルミニウム板も硬さ測定のために用いた。距離ｄは、探触子２０が模擬生体組織５６に接触する直前を０ｍｍとし、そこから１０μｍごとに１０ｍｍまで離していった。周波数変化量Δｆの基準値、すなわち、模擬生体組織５６がないときの周波数ｆ1は、模擬生体組織５６がない状態で、模擬生体液５４中における値を用いた。
【００２９】
図５に示されるように、模擬生体組織５６の種類によって、周波数変化量Δｆと距離ｄの関係曲線が異なることが分かる。したがって、予め、この関係曲線を記憶しておけば、生体管腔診断用カテーテル１０を用いて、模擬生体組織５６の種類を識別できることになる。
【００３０】
この関係曲線によれば、距離ｄが約２ｍｍ以下であれば、模擬生体組織５６の種類と、周波数変化量Δｆとの対応付けがさらに容易であることが分かる。図６は、ｄ＝１３００μｍにおける周波数変化量Δｆと、模擬生体組織５６及び比較のための銅板、アルミニウム板の音響インピーダンスとの関係を示す図である。図６からは、模擬生体液中で模擬生体組織に非接触の状態で、周波数変化量Δｆと音響インピーダンスとがほぼ線形の関係にあることが分かる。
【００３１】
したがって、図６のような対応関係を予めメモリ等に記憶しておくことで、図３で説明した硬さ算出部４６において、周波数変化量Δｆから、測定対象物８の音響インピーダンス、すなわち硬さを求めることができる。「Δｆ−硬さ」の対応関係は、Δｆを入力することで硬さが出力される型式で記憶される。具体的には、ルックアップテーブルのような換算テーブルの型式で記憶されてもよく、計算式の形式で記憶されていてもよい。
【００３２】
図７は、模擬血管６０を作成し、探触子２０を先端に有するカテーテル本体部１２を模擬血管６０の内部に挿入し、模擬血管６０の内壁の硬さを測定する様子を示す図である。模擬血管６０は、硬さの異なる部位を作成し、腫瘍を模擬してある。すなわち、模擬血管６０でＡと示される中央部分６４は、Ｂと示される両端の部分６２と硬さが異なるシリコンゴムで形成されている。この模擬血管６０の内部に水を満たし、探触子２０をＡ部分とＢ部分において、管壁との間の距離ｄを変化させ、周波数変化量Δｆを測定した。
【００３３】
図８にその結果を示す。図８は横軸に管壁と探触子２０との間の距離ｄをとり、縦軸に位相シフト法による周波数変化量Δｆをとり、Ａ部分における測定結果とＢ部分における測定結果とを比較したものである。図８から明らかなように、「Δｆ−ｄ」特性は、Ａ部分とＢ部分とで異なる。すなわち、腫瘍の有無の区別が可能である。また、距離ｄが約１ｍｍ程度までの範囲のデータを予め求めておけば、血管内壁の硬さも求めることができる。
【００３４】
このように、図１で説明した生体管腔診断用カテーテル１０によれば、生体液を含む生体管腔内に探触子を挿入し、管腔内壁に非接触で、直接的に超音波を入射し、その反射波から、管腔内壁の硬さを測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る実施の形態における生体管腔診断用カテーテルの構成を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態において、カテーテル本体部の先端部の拡大図である。
【図３】本発明に係る実施の形態において、探触子と測定部の構成を示す図である。
【図４】本発明に係る実施の形態において、周波数変化量と硬さの関係を予め求めるための実験装置を説明する図である。
【図５】本発明に係る実施の形態において、硬さの分かっている各種の模擬生体組織についての周波数変化量の特性を示す図である。
【図６】本発明に係る実施の形態において、周波数変化量と音響インピーダンスとの関係を示す図である。
【図７】本発明に係る実施の形態において、模擬血管を用いる実験の様子を説明する図である。
【図８】図７の実験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
８  測定対象物、１０  生体管腔診断用カテーテル、１２  カテーテル本体部、１４  信号線、１６  マウント部材、１８  検出コイル、２０  探触子、２２  振動子、２４  振動検出センサ、３０  測定部、３２，３４，３６  端子、４０  増幅器、４２  位相シフト回路、４４  周波数変化量算出部、４６  硬さ算出部、５０  実験装置、５２  容器、５４  模擬生体液、５６  模擬生体組織、６０  模擬血管、６２  両端の部分、６４  中央部分。
【図１】
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【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】
2008142253.tif 000008
【図７】
2008142253.tif 000009
【図８】
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