(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カテーテルベースのイメージング装置であって、
近位端部および遠位端部を有するカテーテルと、
前記カテーテルの遠位部分から光励起信号を送るように構成された光エミッタと、
第１のトランスデューサおよび第２のトランスデューサを含む、少なくとも２つの超音波トランスデューサと、を備え、
前記少なくとも２つの超音波トランスデューサは、
（ａ）前記カテーテルの前記遠位部分からの音響励起信号の送信、（ｂ）前記カテーテルの前記遠位部分またはその付近における対象物体からの、前記第１のトランスデューサ用の少なくとも１０ＭＨｚの低受信周波数範囲および前記第２のトランスデューサ用の少なくとも３５ＭＨｚの高受信周波数範囲、を含む周波数における超音波応答信号の検出のために構成され、前記第１のトランスデューサは前記低受信周波数範囲で動作可能であり、前記低受信周波数範囲における前記対象物体からの光音響応答信号を含む応答信号を検出するように構成され、前記第２のトランスデューサは前記高受信周波数範囲で動作可能であり、前記高受信周波数範囲における前記対象物体の高分解能超音波イメージング用に構成されている、
カテーテルベースのイメージング装置。
【請求項２】
前記少なくとも２つの超音波トランスデューサは、それぞれ、少なくとも４ＭＨｚの低受信周波数および／または少なくとも４０ＭＨｚの高受信周波数を含む周波数範囲において動作可能であるように構成される、
請求項１に記載のカテーテルベースのイメージング装置。
【請求項３】
前記第１のトランスデューサは、２〜２０ＭＨｚ範囲で動作可能であり、前記第２のトランスデューサは、２０〜６０ＭＨｚ範囲で動作可能である、
請求項１に記載のカテーテルベースのイメージング装置。
【請求項４】
前記第１のトランスデューサは２〜１０ＭＨｚ範囲または２〜４ＭＨｚ範囲のピーク検出感度を有し、前記第２のトランスデューサは３５〜６０ＭＨｚ範囲のピーク検出感度を有する、
請求項１に記載のカテーテルベースのイメージング装置。
【請求項５】
前記第１のトランスデューサは、圧電高分子トランスデューサまたは圧電複合材料トランスデューサを備え、前記第２のトランスデューサは、圧電セラミックトランスデューサまたは圧電複合材料トランスデューサを備える、
請求項１に記載のカテーテルベースのイメージング装置。
【請求項６】
前記高分子トランスデューサは、ＰＶＤＦトランスデューサまたはＰＶＴｒＦトランスデューサである、
請求項５に記載のカテーテルベースのイメージング装置。
【請求項７】
前記第１および第２のトランスデューサは前記カテーテルの前記遠位部分において共通の基板に設置され、前記第２のトランスデューサは前記第１のトランスデューサが設置された基板を形成し、または逆もまた同様である、
請求項１に記載のカテーテルベースのイメージング装置。
【請求項８】
前記共通の基板に設置された電荷読み出し回路をさらに備える、
請求項７に記載のカテーテルベースのイメージング装置。
【請求項９】
前記第１のトランスデューサは、圧電高分子トランスデューサを備え、前記第２のトランスデューサは、圧電セラミックトランスデューサまたは圧電複合材料トランスデューサを備え、前記第２のトランスデューサは、前記第１のトランスデューサが設置された基板を形成し、前記第１および第２のトランスデューサは前記カテーテルの前記遠位部分において共通の基板に設置される、
請求項１に記載のカテーテルベースのイメージング装置。
【請求項１０】
前記第１のトランスデューサは、ＰＶＤＦトランスデューサを備え、前記第２のトランスデューサは圧電複合材料トランスデューサを備え、前記カテーテルベースのイメージング装置はさらに電荷読み出し回路を備え、前記ＰＶＤＦトランスデューサおよび前記電荷読み出し回路は共通の基板に配置される、
請求項９に記載のカテーテルベースのイメージング装置。
【請求項１１】
前記電荷読み出し回路は、前記カテーテルの前記遠位部分の前記共通の基板に電流電圧コンバータを備え、前記電荷読み出し回路は、前記カテーテルの前記遠位端部と前記近位端部の間に延びる同軸ケーブルに接続された出力部を有する、
請求項１０に記載のカテーテルベースのイメージング装置。
【請求項１２】
前記電荷読み出し回路の前記出力部は、前記カテーテルの前記近位端部において前記同軸ケーブルに接続された電流源によりバイアスがかけられるように構成されたソースフォロアをさらに備える、
請求項１１に記載のカテーテルベースのイメージング装置。
【請求項１３】
前記電荷読み出し回路は、さらに、前記電流源により供給され、前記電流電圧コンバータ内のトランスインピーダンス増幅器にバイアス電源を提供するＤＣ電流ミラーを備える、
請求項１２に記載のカテーテルベースのイメージング装置。
【請求項１４】
前記電荷読み出し回路および前記ＰＶＤＦトランスデューサは、両方とも前記カテーテルの前記遠位端部において前記同軸ケーブルを経由して電流源により電力を供給される、
請求項１１に記載のカテーテルベースのイメージング装置。
【請求項１５】
前記光励起信号を送るために前記光エミッタを駆動するように構成された制御モジュールと、
前記音響励起信号を送信するために前記少なくとも２つの超音波トランスデューサを駆動するように構成された制御モジュールと、
前記少なくとも２つのトランスデューサの出力部に接続され、前記少なくとも２つのトランスデューサからの前記応答信号を受信し、第１の周波数帯域の前記光音響応答信号に基づく第１の画像データおよび前記第１の周波数帯域とは異なる第２の周波数帯域の前記音響応答信号に基づく第２の画像データを決定するように構成された分析モジュールと
をさらに備える、
請求項１に記載のカテーテルベースのイメージング装置。
【請求項１６】
前記分析モジュールは、前記対象物体の脂質を識別するようにさらに構成される、
請求項１５に記載のカテーテルベースのイメージング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、血管内光音響イメージングのための方法および装置、特に、これに限定されないが分光分析光音響イメージング、超音波イメージング、高調波イメージングまたはコントラストイメージングに適用されるような方法に関する。
【０００２】
主な死因は心臓血管疾患である［１］。心臓死のかなりの割合が、急性冠動脈症候群によるものである。これらの致命的な急性冠動脈症候群の大部分は、脆弱なアテロームプラークの破裂および血栓症によって引き起こされる［２〜５］。
【０００３】
冠状動脈における脆弱なアテロームプラークの識別は、経皮冠動脈インターベンションを誘導する重要なツールとして新しく台頭しつつある。プラークの構造および組成は、その脆弱性の重要な決定要素である。
【０００４】
現在の超音波イメージング様式は、有用な分析を手助けするにはその能力に限界がある。例えば、血管内超音波イメージングは、異なる化学成分を識別できず［６］、血管内近赤外分光法は深度分解空間分解能を提供できず、血管内蛍光イメージングは、浅いイメージング深度しか提供できず、また血管内光干渉断層計は、十分なイメージング深度も化学選択性も提供しないことが報告されている。確実かつ正確に生きている患者の脆弱なプラークを検出するために使用できるイメージングツールを提供することが望ましいであろう［７］。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の目的は、改善された光音響イメージングツールを提供することである。
【０００６】
一態様によると、本発明は、カテーテルベースのイメージング装置であって、
近位端部および遠位端部を有するカテーテルと、
カテーテルの遠位部分から光励起信号を送るように構成された光エミッタと、
（ａ）カテーテルの遠位部分からの音響励起信号の送信、（ｂ）カテーテルの遠位部分またはその付近の対象物体からの、少なくとも１０ＭＨｚの低受信周波数および少なくとも３５ＭＨｚの高受信周波数を含む周波数における超音波応答信号の検出のために構成され、したがって、低受信周波数における対象物体からの光音響応答信号および高受信周波数における対象物体からの高分解能イメージング信号を含む応答信号を検出するように構成されている、１つまたは複数の超音波トランスデューサと
を備えたカテーテルベースのイメージング装置を提供する。
【０００７】
１つまたは複数の超音波トランスデューサは、少なくとも４ＭＨｚの低受信周波数および／または少なくとも４０ＭＨｚの高受信周波数を含む周波数範囲において動作可能であるように構成できる。１つまたは複数の超音波トランスデューサは、２〜２０ＭＨｚ範囲で動作可能な第１のトランスデューサおよび２０〜６０ＭＨｚ範囲で動作可能な第２のトランスデューサを備え得る。第１の超音波トランスデューサは、２〜１０ＭＨｚ範囲または２〜４ＭＨｚ範囲のピーク検出感度を有することができ、第２の超音波トランスデューサは、３５〜６０ＭＨｚ範囲のピーク検出感度を有することができる。１つまたは複数の超音波トランスデューサは、低周波数範囲で動作可能な第１のトランスデューサおよび高周波数範囲で動作可能な第２のトランスデューサを備え得る。第１のトランスデューサは、圧電高分子トランスデューサまたは圧電複合材料トランスデューサを備えることができ、第２のトランスデューサは、圧電セラミックトランスデューサまたは圧電複合材料トランスデューサを備えることができる。高分子トランスデューサは、ＰＶＤＦトランスデューサまたはＰＶＴｒＦトランスデューサであり得る。１つまたは複数の超音波トランスデューサは、低周波数範囲で動作可能な第１のトランスデューサおよび高周波数範囲で動作可能な第２のトランスデューサを備えることができ、第１および第２のトランスデューサはカテーテルの遠位部分において共通の基板に設置され得る。
【０００８】
カテーテルベースのイメージング装置は、共通の基板に設置された電荷読み出し回路を備え得る。第２のトランスデューサは、第１のトランスデューサが設置された基板を形成してもよく、または逆もまた同様である。トランスデューサのうち少なくとも１つは、ＰＶＤＦトランスデューサを備え、さらに電荷読み出し回路を備えることができ、ＰＶＤＦトランスデューサおよび電荷読み出し回路は共通の基板に配置される。電荷読み出し回路は、カテーテルの遠位部分の共通の基板に電流電圧コンバータを備え得る。電荷読み出し回路は、カテーテルの遠位端部と近位端部の間に延びる同軸ケーブルに接続された出力部を有し得る。電荷読み出し回路の出力部は、カテーテルの近位端部において同軸ケーブルに接続された電流源によりバイアスがかけられるように構成されたソースフォロアを備え得る。電荷読み出し回路は、さらに、電流源により供給され、電流電圧コンバータ内のトランスインピーダンス増幅器にバイアス電源を提供するＤＣ電流ミラーを備えることができる。電荷読み出し回路およびＰＶＤＦトランスデューサは、両方ともカテーテルの遠位端部の電流源により、同軸ケーブルを経由して電力を供給され得る。
【０００９】
カテーテルベースのイメージング装置は、当該光励起信号を送るために光エミッタを駆動するように構成された制御モジュールと、
当該音響励起信号を送信するために当該１つまたは複数の超音波トランスデューサを駆動するように構成された制御モジュールと、
１つまたは複数のトランスデューサの出力部に接続され、当該１つまたは複数のトランスデューサからの当該応答信号を受信し、第１の周波数帯域の当該光音響応答信号に基づく第１の画像データおよび第１の周波数帯域とは異なる第２の周波数帯域の音響応答信号に基づく第２の画像データを決定するように構成された分析モジュールと
を備え得る。
【００１０】
分析モジュールは、当該対象物体の脂質を識別するように構成され得る。
【００１１】
別の態様によると、本発明は、血管内光音響画像データを得る方法であって、
カテーテルに設置された光エミッタの遠位部分から対象物体の標的領域に向けて光励起信号を送ることと、
１つまたは複数のカテーテルに設置された超音波トランスデューサによって、カテーテルの遠位部分から、対象物体の標的領域に向けて音響励起信号を送信することと、
１つまたは複数のカテーテルに設置された超音波トランスデューサによって、１０ＭＨｚ以下の低受信周波数の光音響超音波応答信号および３５ＭＨｚ以上の高受信周波数の超音波イメージング応答信号を検出することと、
応答信号を使用して、対象物体の標的領域の化学組成および対象物体の標的領域の画像を決定することと
を含む方法を提供する。
【００１２】
ここで、添付の図面を参照しながら本発明の実施形態を例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、アテローム性動脈硬化冠状動脈におけるプラーク領域の光音響応答のエクスビボ分析のための実験装置の概略図を示す。
【図２】図２は、カテーテルからの距離に応じた光出力補正後の音響信号強度および光励起波長（図２ａおよび図２ｃ）ならびに光励起波長に応じた正規化音響信号振幅（図２ｂおよび図２ｄ）を示す図１の実験装置による分光分析光音響イメージングの結果を示す。
【図３】図３は、音響周波数に応じた光音響応答信号振幅の最大振幅および音響周波数に応じた光音響応答信号の出力を示す、シミュレーション結果と比較した図１の実験装置から得た信号の音響周波数分析を示す。
【図４】図４は、シミュレーションされた光音響源の円板径に応じた光音響応答主要周波数成分および対応する振幅を示す。
【図５】図５は、脂質を染色した組織切片の画像（図５ａ）および脂質分割を適用した後の画像（図５ｂ）を示す。
【図６】図６は、カテーテルベースの光音響イメージング装置内での使用に好適な読み出し回路の概略図を示す。
【図７】図７は、図６の読み出し回路を組み込んだカテーテルベースの光音響イメージング装置サブアセンブリの例示的レイアウトを示す。
【図８】図８は、カテーテルベースの光音響イメージング装置の概略図を示す。
【図９】図９は、図８のカテーテルベースの光音響イメージング装置の動作原理を示す概略図を示す。
【図１０】図１０は、図９の原理に従うスキャンシーケンスのグラフ図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
光音響イメージング、特にスペクトラル光音響イメージングは、適度に大きなイメージング深度で血管壁内の脂質成分を検出および位置決めできる新たな様式であり得る［８〜１１］。分光分析光音響（ｓＰＡ：Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ  Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ）イメージングは、光吸収コントラストを基準にしてアテロームプラーク組成を視覚化できる。光音響イメージングは、短光（例えば、レーザ）パルスを用いた対象物体、例えば、組織の励起と、結果として生じる、標的である対象物体の熱膨張の結果発生する音響信号の変調の検出とに基づく。パルス光により照射され、音波を発する光吸収体はここで、光音響源と呼ぶ。したがって、このイメージング技術は、コントラストとしての組織組成の光吸収特性の利益を享受する。光音響信号の周波数範囲は、構造的組織特性と相関関係を持つ。
【００１５】
光音響信号が弱くなり得るため、インビボイメージングのためにトランスデューサ感度を信号周波数成分に合致させることが重要である。光音響信号の最適な検出のためには、中心周波数を１５ＭＨｚ未満とするトランスデューサが望ましい。しかしながら、光音響信号の正確な位置決めのための高分解能血管内超音波画像を生成するには、これよりもかなり大きな中心周波数を持つトランスデューサを用いることが最適である。
【００１６】
近年、ＩＶＵＳカテーテル用の二周波トランスデューサのための予備技術設計がＭａら［１２］により提案されている。この論文では、ＩＶＵＳプローブ用の０．６×３ｍｍのアパチャサイズを有する二周波トランスデューサの構成が提案された。トランスデューサ素子はニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛からなっていた。低周波数送信素子は、６．５ＭＨｚの中心周波数および０．６×３ｍｍのサイズを有していた。高周波数素子は、−６ｄＢ比帯域を５８．６％とする３０ＭＨｚの中心周波数および０．６×０．５ｍｍのサイズの低周波トランスデューサの上に設置された。この二周波数ＩＶＵＳカテーテルは、特に、造影ＩＶＵＳイメージングのために設計された。造影ＩＶＵＳイメージングにおいては、低周波数素子は、その共鳴周波数付近で超音波造影剤を励起するために使用され、高周波数素子は、造影剤の高次高調波（ｓｕｐｅｒ−ｈａｒｍｏｎｉｃ）応答を受信するために使用された。
【００１７】
本発明者らは特に、二周波数アプローチは、大きな利益を得るために血管内光音響イメージング環境において使用するために開発されたものであり得ると認識している。
【００１８】
しかしながら、二周波数技術を用いたＩＶＵＳイメージングの帯域幅を大きくすることおよびＭａらで提示される期待がもてるインビトロの結果にもかかわらず、カテーテルの大きな固定サイズよおび大きな雑音レベルは、当該技術を臨床へと移行するために克服すべき課題である。また、血管内光音響イメージング用途においては、受信モードにおける超音波トランスデューサ素子の感度が非常に重要である。
【００１９】
図１を参照して記述されるように、エクスビボの構成では、ヒト冠状動脈からの光音響信号の周波数成分は、分光分析実験で取得され、調査された。この構成で１ｍｍニードル型ハイドロフォン（２〜２０ＭＨｚに校正された）を備えた広帯域ＰＶＤＦトランスデューサ（１０〜３５ＭＨｚの−３ｄＢ一方向帯域幅）を利用して、本発明者らは、光音響信号を受信するために大きな周波数範囲（２〜３５ＭＨｚ）を網羅した。分光分析光音響（ｓＰＡ）イメージングは、２ｎｍ刻みで１１２５〜１２７５ｎｍ範囲の波長で実行され、プラーク脂質と外膜組織を区別可能にする。ｓＰＡイメージングにより誘導されることで、プラーク脂質からの光音響信号の周波数成分が定量化された。本発明者らは、k-Waveツールボックスを使用して一連のシミュレーションをさらに実行し、光音響源のサイズ、主要周波数成分、その周波数での光音響信号の振幅の関係を明らかにした。さらに、脂肪を染色した（オイルレッドＯ）ヒト冠状動脈プラークの組織切片から得た最初の圧力源を使用して、本発明者らは、プラーク内脂質の光音響応答をモデル化した。実験およびシミュレーションの研究で分かった結果に基づいて、２〜６０ＭＨｚの周波数範囲を網羅する新規な血管内光音響（ＩＶＰＡ：Ｉｎｔｒａｖａｓｃｕｌａｒ  Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ）カテーテル構成が設計された。この範囲は、理想的には、周波数範囲の上限からの高分解能ＩＶＵＳ画像を維持しつつ、特に１５ＭＨｚ未満の周波数で光音響信号を受信するように構成される。
【００２０】
図１を参照して、装置１を用いたエクスビボ実験では、４つのヒト冠状動脈を切開し、５×５ｍｍサイズのウィンドウ３を有するホルダ２に置いた。ホルダ２は、サンプル（対象物体）１０の異なる位置をスキャンするために位置決めシステム４（MP 63-25-DC、Steinmeyer GmbH & Co. KG、Albstadt、ドイツ）に設置した。サンプル全体を、室温で食塩水６で満たされている水槽５に入れた。波長可変レーザ７（Vibrant B/355-II、OPOTEK、米国カルフォルニア州サンタクララ）は、光音響イメージングのために光励起照射（パルス幅５ｎｓ、繰返し率１０Ｈｚ、パルスエネルギー２ｍＪ）を提供する光エミッタとしての役割を果たした。先細多モード光ファイバ８（Oxford Electronics、Four Marks、英国；入力直径１ｍｍ；出力直径３６０μｍ）により、サンプル１０への光送達のためにレーザ光線を特注の４００μｍ直径光学プローブ９につなげた。実験によっては、光学プローブ９をニードル型ハイドロフォン１１の隣かつサンプル１０のＰＶＤＦ高周波トランスデューサ１２とは反対側に設置した。実験によっては、ニードル型ハイドロフォン１１をサンプルの光学プローブ９とは反対側に設置した。本発明者らはまずニードル型ハイドロフォン１１、次にＰＶＤＦトランスデューサ１２を使用して同じ組織位置から光音響スペクトルデータを受信した。サンプル１０をトランスデューサ１２の焦点（１３ｍｍ）かつハイドロフォン１１から１３ｍｍ離れたところに置く。光学プローブ９をサンプル１０から５ｍｍ離して維持した。サンプル組織をスキャンするためにサンプルホルダ２を電動並進ステージ４で移動させた。
【００２１】
受信した光音響信号を４３ｄＢ増幅器（AU1263、Miteq、米国ニューヨーク州ホーポージ）で増幅し、１２ｂｉｔデータ収集カード（Acqiris DP310、Agilent、米国カルフォルニア州サンタクララ）により３５０ＭＨｚのサンプル周波数でデジタル化した。
【００２２】
ｓＰＡイメージングは、２ｎｍ刻みで１１２５〜１２７５ｎｍ範囲の光励起波長で実行され、プラーク領域の位置確認およびプラーク脂質と外膜周囲の脂肪組織の区別を可能にする［１３］。光音響信号対雑音比を改善するために、３２の光音響信号を収集し、各波長ごとに平均した。各動脈片において、プラークからの光音響スペクトルをプラーク領域内の５以上の異なる位置で収集した。イメージング後、オイルレッドＯ（ＯＲＯ）染色をイメージング平面で行い、プラーク内脂質と外膜周囲脂質とを識別した（脂質はＯＲＯ染色で赤色に染色される）。
【００２３】
シミュレーション
MATLABのk-Waveツールボックスを使用して、時間領域光音響信号をシミュレーションし、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を適用して周波数領域スペクトルを得た。k-Waveは、MATLAB用の自由に利用可能なサードパーティツールボックスであり、これは光音響波伝搬の時間領域シミュレーションに対してｋ空間擬スペクトル解法を用いて均質媒質および不均質媒質についての一次音響方程式を組み合わせる［１４］。媒質中の等方性の線状の音の伝搬を仮定すると、音圧ｐ、粒子速度ｕ、および音響密度ρをニュートンの第二法則（運動量保存則、運動方程式、またはオイラーの方程式とも呼ばれる）、質量保存則（連続方程式とも呼ばれる）、および以下の状態方程式に従って定量化できる。
∂ｕ／∂ｔ＝−（１／ρ０）▽ｐ      （１）
∂ρ／∂ｔ＝−ρ０▽．ｕ            （２）
ｐ＝ｃ２ρ                          （３）
式中、ｃは熱力学的音速である。方程式１、２、および３を組み合わせることで不均質媒質についての公知の音波方程式が得られる。
［ρ０▽．（１／ρ０）−（１／ｃ２）（∂２／∂ｔ２）ｐ＝０      （４）
式中、圧力ｐは、位置ｘおよび時間ｔの両方（これらは変化し得るため）に依存する。
【００２４】
これらの方程式の個別のバージョンを高速フーリエ変換（ＦＦＴ）およびｋ空間（波数領域）擬スペクトル解法を用いて解き、k-waveツールボックスにおいて各時間ステップで音圧場を計算する［１４］。
【００２５】
本発明者らのk-Waveシミュレーションでは、最初に、ガウス形パルスビームを均一に１〜１２０μｍ半径の標的とする円板（単純に光音響源として）に当て、単一素子センサを使用して、２次元の均質媒質中の音波を検出した。光音響信号の主要周波数成分に対する光音響源の大きさの効果をシミュレーションするために、光音響信号のＦＦＴを計算して、光音響信号の最大振幅および応答がその最大振幅を有する周波数を検出した。
【００２６】
次に、最初の圧力源は、脂肪を染色したヒト冠状動脈プラークの組織画像から得た。まず、組織画像の脂肪染色を画像のＲＧＢ色に基づく特注のフィルタ法を使用して分割する。脂肪性構造のサイズを検出し、データをグリッドサイズおよび入力画像サイズに従って再サンプリングする。実験においてトランスデューサの限られた帯域を構成するために、トランスデューサのインパルス応答を校正済みニードル型ハイドロフォンを用いて測定し、次に、周波数領域でシミュレーションされた光音響信号に適用した。
【００２７】
データ分析
格納されたスペクトルデータはすべて、まずデジタルで帯域フィルタリングされた。ニードル型ハイドロフォン１１からのデータを１〜１５ＭＨｚ（−４ｄＢ帯域幅）からフィルタリングし、ＰＶＤＦトランスデューサからのデータを、１００次ゼロ位相順および逆有限インパルス応答（ＦＩＲ：Ｆｉｎｉｔｅ  Ｉｍｐｕｌｓｅ  Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタを使用して１０〜３５ＭＨｚ（−３ｄＢ一方向帯域幅）からフィルタリングした。プラーク脂質および外膜周囲脂肪の基準光音響スペクトルと収集した光音響スペクトルを比較することによって、本発明者らはプラーク内脂質に属する光音響信号を識別できるであろう。その後、本発明者らはこの脂質が効果的に光を吸収する波長（例えば、１２０５ｎｍ）で光音響信号の部分を分離した。分離された光音響信号部分はまずフィルタリングされ、ＤＣ成分が取り除かれた。その後、テューキー窓をフィルタリングされた信号に適用してから、フーリエ変換した。
【００２８】
全周波数範囲（２〜３５ＭＨｚ）で記録された光音響信号を分析するために、校正済みハイドロフォン（２〜１５ＭＨｚ）および校正済みＰＶＤＦトランスデューサ（１０〜３５ＭＨｚ）により記録されたデータを一緒にスティッチした。ハイドロフォンおよびＰＶＤＦトランスデューサの感度範囲には周波数範囲の重複（１０〜１５ＭＨｚ）があったため、スティッチは両検出器の−３ｄＢ一方向帯域幅内である１３ＭＨｚの周波数で実行した。次いで、本発明者らは光音響信号の振幅が最大である周波数および２〜３５ＭＨｚの周波数範囲に対する出力スペクトルの割合を計算した。
【００２９】
アテローム性動脈硬化冠状動脈サンプルのｓＰＡイメージングの結果を図２に示す。受信した光音響スペクトルデータを基準スペクトルと比較することによって［１５］、本発明者らはアテロームプラークから生じた信号を容易に識別できる。
【００３０】
図２ａおよび図２ｂは、ハイドロフォン１１でエクスビボで収集したアテローム性動脈硬化冠状動脈サンプルの分光分析光音響イメージングの結果を示す。図２ａは、光励起放射波長（ｘ軸）およびハイドロフォンからの距離（ｙ軸）に応じた、色による光音響応答信号振幅を示す。光音響信号は、ハイドロフォンの感知可能周波数帯域（２〜２０ＭＨｚ）が積分された。図２ｂは、光励起放射波長に応じた音響応答信号の振幅を示す。
【００３１】
図２ｃおよび図２ｄは、光励起信号に対する光音響応答を受信するＰＶＤＦトランスデューサを用いて得られた対応する結果を示し、ｙ軸はＰＶＤＦトランスデューサ１２の表面からの距離を表す。光音響応答は、トランスデューサの感知可能周波数帯域、例えば、１０〜３５ＭＨｚが積分された。アテロームプラーク、外膜周囲脂肪、およびその他組織からの光音響応答は、光励起波長に対する特性依存性を有する。本発明者らによって、この応答も音響周波数帯域とともに変化することが観察された。光音響スペクトルを、基準光音響スペクトルと比較して特定の化学成分を識別できる。
【００３２】
一例としてのこのようなサンプルの音響分光分析を示し、図３のシミュレーション結果と比較する。図３は、シミュレーション結果と比較したアテローム性動脈硬化冠状動脈サンプルの音響分光分析画像を示す。トレース３１は、トレース３２のシミュレーション結果と比較した、アテロームプラーク脂質による吸収のために最適化された波長（例えば、約１１９５ｍｍ）での光励起に対する、超音波周波数に応じた音響応答の実験振幅を示す。トレース３３は、アテロームプラークによる吸収のために最適化された波長での光励起に対する、超音波周波数に応じた実験音響出力を示す。図３は、実験およびシミュレーションの研究の両方における光音響信号の最大振幅が５ＭＨｚ未満の周波数にあることを示す。ヒトアテロームプラークからの３６の光音響信号の分析は、光音響信号出力の６０％が５ＭＨｚ（中央値）未満の周波数であり、光音響信号出力の８０％が１０ＭＨｚ（中央値）未満であることを示す。
【００３３】
シミュレーション
まず、１〜５０μｍ半径の単一の球状光音響源からの光音響信号をシミュレーションした。光音響信号の高速フーリエ変換を計算して、光音響信号の最大振幅および応答がその最大振幅を有する周波数を検出した。この結果は図４にプロットされている。トレース４１は、主要周波数成分を示し、トレース４２は、１〜５０μｍで異なる光音響源円板直径に応じた光音響信号の対応する振幅を示す。予想通り、円板からの光音響信号の主要周波数成分は、円板サイズに対して２次的に減少する。主要周波数成分は、５０μｍ超半径の円板に対しては１５ＭＨｚ未満であることが分かる。
【００３４】
次に、最初の圧力源は、脂肪を染色したヒト冠状動脈プラークの組織画像から得た。図５は、特注の分割ツールを使用したＲＧＢ色に基づく、脂質を染色（ＯＲＯ）した組織切片の例（図５ａ）および脂質分割を適用した後の画像（図５ｂ）を示す。図５ａへの挿入写真はプラーク内脂質を示す。このようなサンプルの光音響信号を提示し、図３の実験データと比較する。
【００３５】
シミュレーション結果により、冠状動脈のプラーク脂質の光音響エネルギーの８０％超が１５ＭＨｚ未満の周波数帯域にあるという実験的発見が確認された。周波数情報は、ＩＶＰＡカテーテル製造に使用されるトランスデューサ素子の選択を促し、プラーク内脂質のサイズおよび分布を決定するために使用されてもよい。この結果により、光音響信号のスペクトルパラメータは光音響源のサイズおよび密度の変化に影響されやすいことが示される。ヒトアテロームプラークのさらなるサンプルを使用して、脂質構造のサイズ範囲を確立できる。エクスビボおよびシミュレーション結果は、プラーク脂質からの光音響信号の主なエネルギーが、ＩＶＰＡで現在使用される周波数を大きく下回ることを示す。しかしながら、このような低い中心周波数を有する超音波トランスデューサ素子の不十分な分解能により、ＩＶＰＡおよびＩＶＵＳイメージングのためのこれら超音波トランスデューサの使用が制限される。高周波トランスデューサは、血管内光音響信号に対する感度を制限していた。したがって、少なくとも１０ＭＨｚおよび少なくとも３５ＭＨｚを包含する周波数範囲内で動作可能な１つまたは複数のトランスデューサを提供するように構成されたカテーテルベースの光音響イメージングシステムを提供することが提案されている。
【００３６】
単純な幾何形状に対する波動方程式の理論上の解によれば、周波数領域における光音響圧力が四角い吸収体の半径に比例することが予測される［１６］。これは、より大きな球状粒子は、より小さい粒子と比較して大きな振幅を有する光音響圧力波を発することを示唆する。以前より、光音響源のサイズと、光音響信号の振幅および周波数との関係により、マイクロメートル範囲で粒径が区別されることが示唆されてきた［１７〜１９］。さらに、低周波数における大きな構造体の大きな光音響信号振幅が、高周波における小さな構造体の弱い信号をそれらの間の空間が十分でなくともマスクできることは注目に値する。例えば、約１５ＭＨｚである５０μｍ半径の円板に対する光音響信号の最大振幅は、約６０ＭＨｚにおいて最大振幅を有する５μｍ半径の円板に対するそれよりも２０ｄＢ以上大きい。
【００３７】
超音波発生の機構は、後方散乱超音波と光音響放射超音波を比べた場合異なることにもかかわらず、後方散乱光音響信号および放射光音響信号の検出は同一であり、これは、分光分析が光音響源のサイズおよび密度についての重要な情報を明らかにできるということを示唆している。トランスデューサの帯域幅は、光吸収体の熱弾性膨張により発生した周波数の多くの検出に大いに影響を及ぼすであろう点に注目すべきである。有限帯域幅を持つトランスデューサを考慮に入れることにより、スペクトル中に存在する周波数の多くは、超音波トランスデューサ固有のフィルタリング性質により除外される。さらに、スペクトルを正規化することにより、測定中のトランスデューサに依存する設定をなくすことができる。これにより、組織特性に定量的に関連付けられ得る一組のパラメータが提供される。光音響信号の周波数分析は、腫瘍の化学療法中だけでなく様々な種類の癌が存在する間の吸収体のサイズをモニタするための組織の特性決定に重要な役割を果たすことが既に分かっており［１８］、このような調査はアテロームプラークに対しては行われてこなかった。
【００３８】
本発明者らによるプラーク内脂質の光音響信号の周波数分析に基づくと、プラーク内脂質についてのＩＶＰＡイメージングの感度は、低周波数（２〜１５ＭＨｚ）を含むより大きな帯域幅を持つ超音波トランスデューサを使用した場合、著しく改善されることが予測される。
【００３９】
本開示において、本発明者らは、帯域幅を増大させ、超音波応答の低周波数範囲を網羅し、同時にＩＶＵＳ画像に対して高い分解能を維持する新規なＩＶＰＡカテーテル構成を提案する。好ましい構成では、２〜２０ＭＨｚの範囲で動作可能な広帯域低周波数ＰＶＤＦトランスデューサと、２０〜６０ＭＨｚ範囲で動作可能な従来のＩＶＵＳトランスデューサ素子を組み合わせることで、広範囲の受信周波数（２〜６０ＭＨｚ）を網羅する。後述するように、小さな周波数範囲でも大きな利益を達成できる。好ましい構成では、低周波数ＰＶＤＦ素子は、受信モードで使用されさえすれば十分である。従来のＩＶＵＳトランスデューサを使用して、高分解能画像を生成することができる。
【００４０】
図８を参照すると、遠位端部８１ａおよび近位端部８１ｂを有するカテーテル８１を備えるカテーテルベースのイメージング装置８０が示されている。カテーテル８１は、ヒトまたは動物の脈管系内の対象物体に到達するための脈管系への導入に適合するサイズおよび柔軟性であるように構成される。
【００４１】
遠位端部８１ａと近位端部８１ｂの間に位置するカテーテル８１の遠位部分８１ｃには、カテーテルの遠位部分からの光学放射線を発するように構成された光エミッタ８２が設けられる。光エミッタ８２は、カテーテル８１に沿ってカテーテルの近位端部８１ｂにまたはそこを超えて配置された発光デバイス８４まで延びる光ファイバ８３等のライトパイプの端部を備えることができる。例えば、発光デバイス８４は、近位端部８１ｂにまたはケーブル／ファイバ９５によって近位端部８１ｂに接続された制御モジュール９２内に配置されたコネクタ８５内に配置され得る。光エミッタ８２はあるいは、カテーテルそれ自体の遠位部分８１ｃに配置された光源、例えば、発光ダイオード／レーザダイオードを備え得る。光エミッタ８２は、単一の光エミッタまたは光エミッタアレイであってよい。
【００４２】
カテーテル８１の遠位部分８１ｃにはさらに、少なくとも２〜２０ＭＨｚ範囲内の受信周波数を含む周波数範囲内で動作可能であることに特に適する第１のトランスデューサ素子８６またはトランスデューサアレイ（両方を本明細書において「トランスデューサ」と呼ぶ）が配置される。より好ましくは、第１のトランスデューサは、２〜１０ＭＨｚまたはさらには２〜４ＭＨｚ範囲内の受信周波数で動作可能である。第１のトランスデューサ８６は好ましくは、選択された波長の光励起信号によって励起された場合、標的となる対象物体により発される光音響応答信号の最適な検出のための最大またはピーク感度を有するように構成される。好ましくは、ピーク検出感度は、２〜１０ＭＨｚ、またはより好ましくは２〜４ＭＨｚ範囲にある。さらなる好ましい構成は、２〜１５ＭＨｚまたは２〜１０ＭＨｚにわたる広帯域の受信周波数感度を有する第１のトランスデューサ素子８６のためである。例えば、プラーク脂質光音響信号を検出する場合、光音響信号が２〜１０ＭＨｚで記録される場合、２０〜３５ＭＨｚと比較して、最大２０ｄＢの信号対雑音比の増加が達成され得る。
【００４３】
カテーテル８１の遠位部分８１ｃにはさらに、少なくとも２０〜６０ＭＨｚ範囲内の受信周波数を含む周波数範囲内で動作可能であることに特に適する第２のトランスデューサ素子８７またはトランスデューサアレイ（両方を本明細書において「トランスデューサ」と呼ぶ）が配置される。第２のトランスデューサ素子８７は好ましくは、対象物体からの高分解能音響イメージング応答のための最大またはピーク感度を有するように構成される。好ましくは、ピーク検出感度は、３５〜６０ＭＨｚ範囲にある。一実施例では、単一のサイクルで２０〜６０ＭＨｚの周波数範囲のパルスを送信すると仮定すれば、媒質中の音速が１５００ｍ／ｓおよび２５〜７５マイクロメートル範囲の波長であれば、２５マイクロメートルの最大距離分解能が達成可能であり得る。
【００４４】
第１のトランスデューサ８６および第２のトランスデューサ８７の出力部は、それぞれ、カテーテル８１を通って延びる導線８８、８９を経由し、さらにコネクタ８５から外部導線９１を経由して分析モジュール９０に接続される。第１および第２のトランスデューサが、例えば両方が高いインピーダンスでインピーダンス整合した場合、これらは低雑音増幅器に接続でき、出力導線を共有できる。
【００４５】
第１のトランスデューサ８６は、標的となる対象物体からの光音響放射を検出するために例えば、２〜１０ＭＨｚの低周波数範囲内で優れた性能を提供できるポリ二フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）トランスデューサまたはポリ三フッ化ビニリデン（ＰＶＴｒＦ）または複合材料トランスデューサであってよい。第２のトランスデューサ８７は、圧電セラミックトランスデューサ、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）またはＰＭＮ−ＰＴ（ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛）または複合材料トランスデューサであってよい。
【００４６】
あるいは、静電容量型超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）デバイスを使用してもよい。
【００４７】
血管内カテーテル８１において使用するために必要とされ得るＰＶＤＦまたはＰＶＴｒＦトランスデューサ等の小型高分子トランスデューサを使用した場合に克服すべき起こり得る問題は、高分子トランスデューサ８６と接続ケーブル８８とのインピーダンス不整合である。これは、このような小型サイズで提供された場合に、例えば、ＰＶＤＦまたはＰＶＴｒＦの非常に小さな誘電率から生じ得る。この問題に対する解決策は、トランスデューサ８６の非常に近くで、後述のようにＩＶＰＡに低出力単線式読み出しシステムを提供できる特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）を使用することであり得る。
【００４８】
図６は、図８のカテーテルベースの光音響イメージング装置において有用な単線式ＩＶＵＳ読み出し回路６０のブロック図を示す。回路６０は、カテーテルに設置されたＰＶＤＦまたはＰＶＴｒＦトランスデューサ６１と、図８に示すようにカテーテル外部にあり得る分析モジュール９０とのインタフェースを提供する。ＰＶＤＦまたはＰＶＴｒＦトランスデューサ６１は、単一の集積回路として製造され得る読み出し回路６０の上部に直接設置されてよい。トランスデューサ６１および読み出し回路６０は、カテーテル８１の遠位部分８１ｃに配置され、カテーテルに沿ってその近位端部８１ｂおよびコネクタ８５まで延びる同軸ケーブル６４により分析モジュール９０に電気的に接続されている。この点において、同軸ケーブル６４は、図８の接続ケーブル８８の一例である。読み出し回路６０は、トランスデューサ６１の下部電極６３からの音響応答信号を局所的に処理し、信号を分析モジュール９０に送信するように構成できる。この構成では、１つのみのケーブル６４が読み出し回路６０と分析モジュール９０との相互接続に必要とされ、これによりカテーテル直径の減少を手助けし、システムの相互接続を容易にする。
【００４９】
読み出し回路６０では、ＭＯＳトランジスタＭ１、コンデンサＣｆ、および抵抗器Ｒｆが、ＰＶＤＦまたはＰＶＴｒＦトランスデューサの出力電流を電圧に変換するトランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ：Ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を形成する。この増幅器のゲインは、フィードバックコンポーネント、すなわち、ＣｆおよびＲｆの合成インピーダンスにより決定される。トランスインピーダンスを増大させることによって、連続する回路およびケーブルからの雑音分布は、トランスデューサ６１出力部と比べて減衰される。そのため、ＴＩＡもまた低雑音増幅器（ＬＮＡ：Ｌｏｗ−Ｎｏｉｓｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）として機能する。
【００５０】
ＴＩＡの出力電圧（図６のノードＡ）は、５０Ω同軸ケーブル６４と連動するように低出力インピーダンスを提供するトランジスタＭ３により形成されるソースフォロアによりバッファリングされる。ソースフォロアＭ３は、（例えば、カテーテルコネクタ８５における、または外部制御モジュール９２内の）同軸ケーブル６４の他端で外部ＤＣ電流源（Ｉｂｉａｓ）によりバイアスがかけられる。ソースフォロアＭ３の出力インピーダンスがそのバイアス電流であるため、読み出し回路６０の出力インピーダンスは、Ｉｂｉａｓがケーブル６４のインピーダンスと整合するように調整し、したがって、ケーブル内の信号反射を減少させることによって微調整できる（３〜４ｍ長のミクロ同軸ケーブルは、ＰＶＤＦまたはＰＶＴｒＦトランスデューサの帯域幅、例えば、２ＭＨｚ〜２０ＭＨｚにおいて伝送線として振る舞う可能性が高い）。この利点以外にも、外部電流源Ｉｂｉａｓの使用により、必要とされるケーブルの数も減少する。ソースフォロアＭ３からの出力信号は、本質的に、ＤＣ供給電流と同じワイヤを共有する。信号および供給電流は、高域ネットワークＣａｃおよびＲｌｏａｄと互いから容易に分離され得る。
【００５１】
真の単線式動作を可能にするために、本発明者らはさらに、ＴＩＡ用のバイアス電圧または電流を提供する必要がある。これは、ＤＣ電流ミラートランジスタＭ２およびＭ４を利用することによって達成でき、これは、ＩｂｉａｓからＴＩＡまである割合のＤＣ電流を流しながら、低域ＲＣネットワークＲｐおよびＣｐを導入することによりＡＣ電流を排除する。このようにして、読み出し回路６０用の電源のみが外部電流源Ｉｂｉａｓであり、これは、カテーテル８１の近位端部またはカテーテルの外に配置され得る。読み出し回路６０の接地基準ＧＮＤは、ミクロ同軸ケーブル６４のシールドによって提供することができ、ミクロ同軸ケーブル６４は、ＰＶＤＦまたはＰＶＴｒＦトランスデューサ６１の上部電極６５にも接続される。
【００５２】
提案された読み出し回路は、 以下のように示されるシミュレーション済み電気的性能を有するX-Fabの０．１８μｍ  ＣＭＯＳ技術で設計および製造された。
電力消費:６ｍＡ
動作帯域幅：２ＭＨｚ〜２０ＭＨｚ
トランスインピーダンスゲイン（ＴＩＡ：Ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅ  Ｇａｉｎ）：１００ｄＢΩ＠２ＭＨｚ；８０ｄＢΩ＠２０ＭＨｚ
入力換算雑音：５ｎＡｒｍｓ＠２ＭＨｚ〜２０ＭＨｚ
出力インピーダンス：約５０Ω
総合高調波ひずみ（ＴＨＤ：Ｔｏｔａｌ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）：０．５％＠１６０ｍＶｐｐ  Ｖｏｕｔ
【００５３】
図７は、読み出し回路６０およびトランスデューサ６１または両トランスデューサ８６、８７を持つ基板７０または７１用の例示的レイアウトを示す。基板７０は、１ｍｍ×０．６ｍｍ寸法の矩形形状であり、トランスデューサを設置できるパッド７２を備える。電気トレース７３は、トランスデューサ６１の下部電極６３を読み出し回路６０に接続するように機能できる。
【００５４】
基板７１は、直径０．６ｍｍの円形形状であり、対応する特徴を有する。
【００５５】
好ましくは、読み出し回路６０は、トランスデューサ６１から２ｍｍ以下の距離である。好ましい実施形態では、低周波数（例えば、ＰＶＤＦ）トランスデューサのみが、共有される基板７０、７１に設置される局部読み出し回路を必要とする。しかしながら、使用するトランスデューサに応じて、両方のトランスデューサ８６、８７が基板７０、７１上の読み出し回路を使用しても、または読み出し回路を共有してもよい。
【００５６】
トランスデューサ８６、８７は、カテーテル８１の遠位部分８１ｃを中心にして対象物体の円周または部分的な円周をスキャンできるように、カテーテル８１の遠位部分８１ｃ内に機械的に回転可能なおよび／または可動なトランスデューサを備えてもよい。例えば、回転トランスデューサは、血管または内腔壁の円周方向断面のイメージングを可能にできる。
【００５７】
トランスデューサ８６、８７は、カテーテルの遠位部分においてまたはその付近の対象物体の異なる部分をスキャンするためのビームステアリングを可能にするように、例えば、多素子トランスデューサアレイを提供することによって、カテーテル８１の遠位部分８１ｃ内に電子的に可動なトランスデューサを備えてもよい。このようなビームステアリング技術は当該技術分野にて公知である。
【００５８】
光エミッタ８２は、トランスデューサ８６、８７と同様にして回転可能かつ／もしくは可動であってもよく、または光エミッタは、広い領域／全円周領域で光励起信号を発するように構成されてよい。
【００５９】
分析モジュール９０および制御モジュール９２は一緒に、光エミッタ８２による光励起信号のタイミング、第１のおよび／または第２のトランスデューサ８６、８７からの音響励起信号（例えば、パルス）のタイミング、第１および第２のトランスデューサ８６、８７からのデータ収集の制御、必要であれば、トランスデューサおよび／または光エミッタ８２の方向および／またはステアリングを含む、カテーテルベースのイメージング装置の制御を実施する。
【００６０】
図９は、回転するカテーテルの実施態様のために採用できる一般動作原理を示す。カテーテル８１の遠位部分８１ｃ内の設置アセンブリ９４は、好適なモータ構造体９６により回転される。トランスデューサ８６、８７および光エミッタ８２は、設置アセンブリ９４に支持される。設置アセンブリ９４が回転するにつれ、制御モジュール９２により、光パルス１００（光励起信号）および音響パルス１０１（音響励起信号）が対象物体１０、例えば、血管壁１５に向けて交互に送信される。
【００６１】
異なるパルスは、光音響応答については一方向で、パルスエコー（イメージング信号）については双方向で、少なくとも音響伝搬遅延時間により分けられ得る。光励起信号に対する光音響応答１０２および超音波照射（音響励起信号）１０１に対するパルスエコー応答１０３は、低周波数および高周波トランスデューサ８６、８７により時間関数としての音響信号として記録される。この記録を使用して、回転角度の関数としてプロットされた、色分けされた振幅信号を生成できる。光音響応答は、少なくとも低周波トランスデューサ８６に含まれる範囲の周波数が積分できる。
【００６２】
光音響応答１０２について言えば、信号を、トランスデューサ８６および８７から、すなわち、図９に示す信号１０２ａおよび１０２ｂとして受信できる。両方のトランスデューサからの信号１０２ａ、１０２ｂは、高周波信号からの空間分解能を導きながら、低周波信号に基づいて感度を最大にするように一緒に処理できる。一例として、低周波数範囲での応答１０２ａは、高周波信号１０２ｂの応答に対する乗法フィルタとして適用され、脂質シグナルが検出されない領域の雑音を抑制しながら、正信号を持つ領域の画像詳細を得ることができる。その他の処理戦略が可能である。
【００６３】
図１０は、リアルタイムスキャンシーケンスの１つの可能な構成を示す。光励起パルス１００は、パルス１００−１、１００−２として示されるように０マイクロ秒および５マイクロ秒で放出される。低周波トランスデューサ８６により検出される光音響応答信号１０２ａは、それぞれ１０２ａ−１および１０２ａ−２で受信される。高周波トランスデューサ８７により検出される光音響応答信号１０２ｂは、それぞれ１０２ｂ−１および１０２ｂ−２で受信される。応答信号１０２ａは低分解能であるが高い信号対雑音比を提供する。応答信号１０２ｂは高分解能であるが低い信号対雑音比を提供する。光励起信号１００および光音響応答１０２の後、１０マイクロ秒時点で、音響励起信号１０１が送信され、高分解能イメージング応答信号１０３が検出される。音響励起信号１０１および応答１０３をイメージングするには、高調波イメージング、例えば、低周波数における送信１０１および高周波数で検出される応答１０３、または高周波数における送信１０１および低周波数で検出される応答１０３が可能である。好ましくは、音響イメージング信号１０１、１０３（ＩＶＵＳ）は、図１０に例示されるように、時間的に光音響信号１００、１０２（ＩＶＰＡ）から、トランスデューサの回転速度と比較して非常に短い時間だけだが離れているため、この時間内におけるトランスデューサの回転変位は非常に小さいかまたは無視できる。音響イメージング信号および光音響信号をほぼ同時に実施することが可能かもしれず、この場合、応答信号は、例えば、周波数領域で分離できる。より一般的には、イメージング応答信号１０１との光音響応答信号１０２ａの注意深いタイミング／同期を使用して、トランスデューサの回転を考慮に入れてイメージング信号から光音響応答信号への高分解能位置情報を提供できる。
【００６４】
かなりの数の改変および変形が上記カテーテルベースのイメージング装置になされてもよい。
【００６５】
第１および第２のトランスデューサ８６、８７は、少なくとも１０ＭＨｚの低さの低周波数（例えば、光音響応答信号）および少なくとも３５ＭＨｚの高さ（例えば、イメージングのための超音波応答信号）における超音波応答信号を検出可能であり、かつ、対象物体によって高分解能イメージングに好適な３５ＭＨｚ以上の超音波応答信号を発生させられる任意の適切な周波数で音響励起信号を送信することができる単一の拡張トランスデューサにより置き換えられてもよい。これらの超音波応答信号は、後方散乱／反射超音波信号であってもよく、または対象物体によって反射または照射される高調波応答信号であり得る。
【００６６】
しかし、それどころか、適切な性能は、上述したように、各々が低周波数範囲および高周波数範囲のうち１つにおける個別の周波数または周波数範囲に対して最適化された複数のトランスデューサにより達成されることが望ましい。
【００６７】
１つまたは複数のトランスデューサは、２つの領域（１０ＭＨｚ以下および３５ＭＨｚ以上）内の１つもしくは複数の周波数において、または２つの領域の両方を少なくとも包含する１つもしくは複数の広域スペクトルにわたって超音波応答信号を検出するように構成できる。１つまたは複数のトランスデューサは、１０ＭＨｚ〜３５ＭＨｚの間の１つまたは複数の周波数での応答を使用してイメージングを効果的に向上させることができる場合、この領域における超音波応答信号をさらに検出するように構成できる。
【００６８】
この関連で、１つまたは複数のトランスデューサは、光音響応答領域（１０ＭＨｚ以下）におけるピーク／最大感度および超音波イメージング応答領域（３５ＭＨｚ以上）におけるピーク／最大感度を有することが好ましい。より好ましくは、光音響応答領域のピーク感度は、２〜４ＭＨｚ範囲にあってよい。超音波イメージング応答領域のピーク感度は、３５〜４５ＭＨｚ範囲にあってよい。
【００６９】
トランスデューサは、好ましくは、光音響および超音波イメージングに適切であるかまたは最適化された組み合わせた感度を有するように一般に構成される。
【００７０】
カテーテルベースの装置は、任意の管腔器官、内腔壁、組織、および／またはこれらの器官／内腔壁／組織の表面内もしくは表面下のその他構造のイメージングのために構成および／または最適化されていてもよい。
【００７１】
光エミッタ８２は、１つまたは複数の波長で動作するように構成されてもよい。単一波長は、例えば、非常に特殊な公知の構造について対象物体を検査するときに使用され得る。複数の波長は、対象物体における構造の分光分析を行うときに使用できる。
【００７２】
複数の波長が使用される場合、分析モジュールは、異なる光波長で対象物体に向けられた光励起信号により生じた受信光音響応答信号の分析を行い、対象物体の化学組成を決定する、例えば、内腔壁における組織の種類を決定するように構成できる。制御ユニットは、対象物体に向けられた光励起信号により生じた受信光音響応答信号の周波数成分の分析を行い、対象物体の化学組成を決定する、例えば、内腔壁における組織の種類を決定するように構成できる。
【００７３】
組織の種類の情報は、特に動脈の内部および周囲における異なる脂質の種類の存在を判定できる。
【００７４】
化学組成、例えば、組織の種類の情報は、空間分解できる。
【００７５】
カテーテルは、例えば、カテーテル内に最小限の必要な要素のみを設けることによって、使い捨て器具として製造できる。
【００７６】
カテーテルベースのイメージング装置はさらに、例えば、連続波または長パルス光により組織を照射して組織に対して光学治療、例えば、切除を行うために、高出力光照射を提供するように構成することもできる。カテーテルベースのイメージング装置はさらに、組織に対して音響治療、例えば、切除を行うために、高出力音響照射、例えば、長い超音波パルスを提供するように構成することもできる。カテーテルベースのイメージング装置は、１つまたは複数の超音波ユニットと一緒に構成されて、超音波パルスを用いて治療用物質および／または造影剤を照射し、これらを血管壁内部へと押し込むことができる。
【００７７】
カテーテルベースのイメージング装置は、標的となる対象物体に投与される造影剤に依存する光学または音響コントラストと併せて使用できる。超音波応答信号を使用して対象物体の血管壁を描写することができる。
【００７８】
カテーテルベースのイメージング装置は、低周波数で音響的に音響励起信号を送信し、より高い周波数で超音波イメージング応答信号を受信することによって、造影剤ありまたはなしで超高調波（ｕｌｔｒａｈａｒｍｏｎｉｃ）および／または高次高調波応答信号を使用して超音波画像を生成するように構成できる。カテーテルベースのイメージング装置は、高い周波数で音響的に音響励起信号を送信し、より低い周波数で超音波イメージング応答信号を受信することによって、造影剤ありまたはなしで低調波（ｓｕｂｈａｒｍｏｎｉｃ）応答信号を使用して超音波画像を生成するように構成できる。対象物体の組織から受信した高調波信号を使用して対象物体の血管壁を描写することができる。
【００７９】
低周波トランスデューサ８６および高周波トランスデューサ８７は、共通の基板、例えば、基板７０または７１の上部に両方とも設置できる。低周波トランスデューサ８６および高周波トランスデューサ８７は、共通の基板に横並びにまたは左右に隣接する構成で設置されてもよく、または基板に一方が他方の上に積み重ねられる構成で設置されてもよい。したがって、トランスデューサ８６、８７のうち１つは、他方のトランスデューサ８６、８７に設置されてもよく、これは、共通の基板、例えば、基板７０または７１に設置されてもよい。第２のトランスデューサは、第１のトランスデューサが設置された基板を形成してもよく、または逆もまた同様である。この構成では、下にあるトランスデューサを、読み出し回路６０を備えた基板に設置することもできる。このようにして、第１および第２のトランスデューサは、所望により読み出し回路を有する共通の基板を共有するものとして同様に記述できる。読み出し回路は、低周波トランスデューサおよび／または高周波トランスデューサに隣接している基板に配置されてよい。
【００８０】
使用時には、光音響応答を増強した血管内超音波画像が、光エミッタによって光励起信号を、超音波トランスデューサによって音響励起信号を放出することによって生成できる。光励起信号および音響励起信号は、特に、トランスデューサがカテーテル内またはカテーテル上で回転するように構成されている場合、ほぼ同時にまたは公知の関連する時間間隔で放出されてよい。光励起信号および音響励起信号は、対象物体の所定領域（標的領域）に向けられる。光音響応答信号およびイメージング応答信号は、異なる音響スペクトル部分で受信される。光音響応答の追加の成分もまた、イメージング応答と同じ音響スペクトル部分で受信され得る。光音響応答信号を使用して対象物体の標的領域の化学組成を決定し、イメージング応答信号を使用して、対象物体の標的領域の画像を生成する。繰り返される励起信号は、例えば、トランスデューサ素子および光エミッタのカテーテル軸を中心とした回転および／またはカテーテル軸に沿った軸方向移動によって、様々な標的領域に向けて放出される。画像は、１次元（例えば、周囲の線に沿ってまたはカテーテル軸に沿って変化する信号強度）、または２次元（周囲および軸方向に変化する信号強度）、または３次元（例えば、カテーテル軸からの距離を示す深さ情報を追加）であってよい。
【００８１】
他の実施形態は意図的に以下の特許請求の範囲に包含されるものである。
【００８２】
参考文献
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【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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