(57)【要約】  回転式血管内超音波（ＩＶＵＳ）イメージング装置、システム、及び方法が提供される。本開示の幾つかの実施形態は、特に、回転ＩＶＵＳシステムで用いられるポリマー圧電物質微小超音波変換器（ＰＭＵＴ）のためのコンパクトで効率的な回路アーキテクチャー及び電気インターフェイスに関する。一実施形態においては、回転式血管内超音波（ＩＶＵＳ）装置が、フレキシブル伸長部材；フレキシブル伸長部材の遠位部に結合したピエゾ電気微小超音波変換器（ＰＭＵＴ）；及びフレキシブル伸長部材の遠位部に結合した特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を含む。ＡＳＩＣがＰＭＵＴに電気的に結合され、また、パルサーと、アンプと、保護回路と、パルサー、アンプ、及び保護回路の動作を調整するためのタイミング制御回路を含む。
2015515917.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレキシブル伸長部材；
前記フレキシブル伸長部材の遠位部に結合したピエゾ電気微小超音波変換器（ＰＭＵＴ）；及び
前記フレキシブル伸長部材の前記遠位部に結合した特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を備え、前記ＡＳＩＣが前記ＰＭＵＴに対して電気的に結合され、
前記ＡＳＩＣが：
前記ＰＭＵＴを駆動するためのパルサーと、
前記ＰＭＵＴにより受け取られる超音波エコーを表す信号を受け取り及び増幅するためのアンプと、
前記パルサーからの高電圧送信パルスから前記アンプを保護し、また前記アンプが前記ＰＭＵＴから低振幅エコー信号を受け取ることを許容するべく構成された保護回路と、
前記パルサー、前記アンプ、及び前記保護回路の動作の調整のためのタイミング制御回路を含む、回転式血管内超音波（ＩＶＵＳ）装置。
【請求項２】
４本リード線の電気ケーブルを更に備え、前記４本リード線の電気ケーブルの遠位部が前記ＡＳＩＣに電気的に結合される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記４本リード線の電気ケーブルの近位部が、前記４本リード線の電気ケーブルを患者インターフェイスモジュール（ＰＩＭ）に接続するように構成されたコネクターに結合される、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記４本リード線の電気ケーブルがシールドされる、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記４本リード線の電気ケーブルが、２対の平衡信号リード線を含むように構成される、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記平衡信号リード線の対の各々が、差動モードで動作する、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記平衡信号リード線の各対が、前記４本リード線の電気ケーブルがスタークワッド（star quad）構成に配列されるように斜めで対向した配線対から成る、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
３本リード線のシールドされた電気ケーブルを更に備え、前記３本リード線のシールドされた電気ケーブルの遠位部が前記ＡＳＩＣに電気的に結合され、３本リード線の１対が平衡伝送線を形成し、残りのリード線及びシールドが非平衡伝送線を形成する、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記ＰＭＵＴが、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）コンポーネントに形成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記ＡＳＩＣが前記ＭＥＭＳコンポーネントにフリップチップボンディングされる、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記ＡＳＩＣが前記ＭＥＭＳコンポーネントにワイヤーボンディングされる、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記ＡＳＩＣが前記ＭＥＭＳコンポーネントに一体的に形成され、前記ＡＳＩＣ及び前記ＭＥＭＳコンポーネントがモノリシック構造を形成する、請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記ＭＥＭＳコンポーネント及び前記ＡＳＩＣがフレキシブル回路基板に電気的に結合される、請求項９に記載の装置。
【請求項１４】
回転式血管内超音波（ＩＶＵＳ）システムであって、
イメージング装置であって、
近位部及び遠位部を有するフレキシブル伸長部材；
前記フレキシブル伸長部材の前記近位部に結合した近位コネクター；
前記フレキシブル伸長部材の前記遠位部に結合したピエゾ電気微小超音波変換器（ＰＭＵＴ）；及び
前記フレキシブル伸長部材の前記遠位部に結合した特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を備え、前記ＡＳＩＣが前記ＰＭＵＴに対して電気的に結合され、前記ＡＳＩＣが：
前記ＰＭＵＴを駆動するためのパルサーと、
前記ＰＭＵＴにより受け取られる超音波エコーを表す信号を受け取り及び増幅するためのアンプと、
前記パルサーからの高電圧送信パルスから前記アンプを保護し、また前記アンプが前記ＰＭＵＴから低振幅エコー信号を受け取ることを許容するべく構成された保護回路と、
前記パルサー、前記アンプ、及び前記保護回路の動作の調整のためのタイミング制御回路を含む、イメージング装置と、
前記イメージング装置の前記近位コネクターに接続されるように構成されたインターフェイスモジュールと、
前記インターフェイスモジュールと通信接続される血管内超音波（ＩＶＵＳ）処理コンポーネントを含む、回転式血管内超音波（ＩＶＵＳ）システム。
【請求項１５】
前記イメージング装置が、その長い本体の近位コネクターと遠位部の間を延びる４本リード線の電気ケーブルを更に備え、前記４本リード線の電気ケーブルの遠位部がＡＳＩＣに電気的に結合される、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記４本リード線の電気ケーブルの近位部が前記近位コネクターに結合される、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記４本リード線の電気ケーブルがシールドされる、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記４本リード線の電気ケーブルが、１対の平衡信号リード線を含むように構成される、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１９】
前記平衡信号リード線が差動モードで動作する、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記４本リード線の電気ケーブルが、２対の平衡信号リード線を含むように構成される、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２１】
前記イメージング装置が、３本リード線のシールドされた電気ケーブルを更に備え、前記３本リード線のシールドされた電気ケーブルの遠位部が前記ＡＳＩＣに電気的に結合され、３本リード線の１対が平衡伝送線を形成し、残りのリード線及びシールドが非平衡伝送線を形成する、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２２】
前記ＰＭＵＴが、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）コンポーネントに形成される、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２３】
前記ＡＳＩＣが前記ＭＥＭＳコンポーネントにフリップチップボンディングされる、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記ＡＳＩＣが前記ＭＥＭＳコンポーネントにワイヤーボンディングされる、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２５】
前記ＡＳＩＣが前記ＭＥＭＳコンポーネントに一体的に形成され、前記ＡＳＩＣ及び前記ＭＥＭＳコンポーネントがモノリシック構造を形成する、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２６】
前記ＭＥＭＳコンポーネント及び前記ＡＳＩＣがフレキシブル回路基板に電気的に結合される、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２７】
回転血管内イメージング装置の製造方法であって、
フレキシブル伸長部材の遠位部に結合されたピエゾ電気微小超音波変換器（ＰＭＵＴ）を提供し；
前記ＰＭＵＴを駆動するためのパルサーと、
前記ＰＭＵＴにより受け取られる超音波エコーを表す信号を受け取り及び増幅するためのアンプと、
前記パルサーからの高電圧送信パルスによりダメージを受けることから前記アンプを保護し、また前記アンプが前記ＰＭＵＴから低振幅エコー信号を受け取ることを許容するべく構成された保護回路と、
前記パルサー、前記アンプ、及び前記保護回路の動作の調整のためのタイミング制御回路を含む特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を提供し；
前記ＰＭＵＴと前記ＡＳＩＣを電気的に結合し；及び
人体の脈管構造内への挿入のために大きさ及び形状が定められたフレキシブル伸長部材の遠位部に前記ＰＭＵＴ及び前記ＡＳＩＣを固定する、製造方法。
【請求項２８】
提供された前記ＰＭＵＴが、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）コンポーネントに形成される、請求項２７に記載の製造方法。
【請求項２９】
前記ＰＭＵＴ及び前記ＡＳＩＣを電気的に結合することが、前記ＭＥＭＳコンポーネントに対して前記ＡＳＩＣをフリップチップボンディングすることを含む、請求項２８に記載の製造方法。
【請求項３０】
前記ＰＭＵＴ及び前記ＡＳＩＣを電気的に結合することが、前記ＭＥＭＳコンポーネントに対して前記ＡＳＩＣをワイヤーボンディングすることを含む、請求項２８に記載の製造方法。
【請求項３１】
提供された前記ＡＳＩＣが前記ＭＥＭＳコンポーネントに一体的に形成され、前記ＡＳＩＣ及び前記ＭＥＭＳコンポーネントがモノリシック構造を形成する、請求項２８に記載の製造方法。
【請求項３２】
前記ＰＭＵＴ及び前記ＡＳＩＣを電気的に結合することが、フレキシブル回路基板に対して前記ＭＥＭＳコンポーネント及び前記ＡＳＩＣのそれぞれを電気的に結合することを含む、請求項２８に記載の製造方法。
【請求項３３】
更に、
４本リード線の電気ケーブルを提供し；
前記ＡＳＩＣに対して前記４本リード線の電気ケーブルの遠位部を電気的に結合し；及び
前記フレキシブル伸長部材の近位部に位置づけられる近位コネクターに対して前記４本リード線の電気ケーブルの近位部を電気的に結合する、請求項２７に記載の製造方法。
【請求項３４】
前記４本リード線の電気ケーブルが、１対の平衡信号リード線を含む態様で前記ＡＳＩＣに対して電気的に結合される、請求項３３に記載の製造方法。
【請求項３５】
前記平衡信号リード線が差動モードで動作するように構成される、請求項３４に記載の製造方法。
【請求項３６】
前記４本リード線の電気ケーブルが２対の平衡信号リード線を含むように構成される、請求項３３に記載の製造方法。
【請求項３７】
平衡信号リード線の各対が、前記４本リード線の電気ケーブルがスタークワッド（start quad）構成で配列されるように斜めで対向した配線対から成る、請求項３６に記載の製造方法。
【請求項３８】
更に、
３本リード線のシールドされた電気ケーブルを提供し；
前記３本リード線のシールドされた電気ケーブルの遠位部を前記ＡＳＩＣに電気的に結合し、３本リード線の一対が平衡伝送線を形成し、残りのリード線とシールドが非平衡伝送線を形成する；及び
前記フレキシブル伸長部材の近位部に位置づけられた近位コネクターに対して前記３本リード線のシールドされた電気ケーブルの近位部を電気的に結合する、請求項２７に記載の製造方法。
【請求項３９】
前記ＰＭＵＴ及び前記ＡＳＩＣが固定された前記フレキシブル伸長部材をカテーテルのルーメン内に位置づける、請求項２７に記載の製造方法。
【請求項４０】
前記フレキシブル伸長部材が前記カテーテルのルーメン内に位置づけられ、前記ＰＭＵＴが、前記カテーテルの遠位部の超音波窓に隣接して位置づけられる、請求項３９に記載の製造方法。
【請求項４１】
前記フレキシブル伸長部材が前記カテーテルの前記ルーメン内において回転することができるように、前記フレキシブル伸長部材が前記カテーテルに移動可能に設けられる、請求項４０に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、生体内での血管内の超音波（ＩＶＵＳ(intravascular ultrasound)）イメージングに関し、また、端的には、機械的にスキャンされる超音波変換器に依拠する血管内の超音波イメージングカテーテルに関し、変換器が、ポリマー圧電物質に基づくピエゾ電気微小超音波変換器（ＰＭＵＴ(piezoelectric micromachined ultrasound transducer)）である実施形態を含む。ＩＶＵＳイメージングに適するポリマー圧電物質を用いるＰＭＵＴは、カテーテルの遠位端からカテーテルの近位端の患者のインターフェイスモジュールに戻るまで長い電気ケーブルを効率的に駆動することができない。従って、ＰＭＵＴは、変換器に近接して結合した能動エレクトロニクス（アンプ回路）を要求する。本開示は、ポリマー基準のＰＭＵＴを回転(rotational)ＩＶＵＳイメージングシステムに接続するのに特に良く適する回路アーキテクチャー及び電気インターフェイスを提供する。
【背景技術】
【０００２】
血管内超音波（ＩＶＵＳ）イメージングが、動脈といった、罹患血管を評価するための診断具として、心臓介入（interventional cardiology）において広範囲に用いられ、人間の体内において治療の必要性を決定し、介入（intervention）を案内し、及び／又はその結果を評価する。ＩＶＵＳイメージングが、超音波エコーを用いて対象の導管の断面イメージを形成する。典型的には、ＩＶＵＳカテーテル上の超音波変換器が、超音波パルスを放射し、また反射した超音波パルスを受け取る。超音波が、大半の組織及び血液を簡単に通過するが、対象の（導管壁の様々な層といった）組織構造、赤血球、及び他の構造により生じる不連続によって部分的に反射される。患者インターフェイスモジュールによりＩＶＵＳカテーテルに接続されたＩＶＵＳイメージングシステムが、受け取った超音波エコーを処理し、カテーテルが配された導管の断面イメージを生成する。
【０００３】
今日、汎用されている２種類のＩＶＵＳカテーテルがある：固体状態（ソリッド・ステート）（solid-state）式及び回転（ロテーショナル）（rotational）式であり、各々が利点と不利点を有する。固体状態式ＩＶＵＳカテーテルが、カテーテルの周囲に分配され、電子マルチプレクサー回路に接続された超音波変換器（典型的には６４）のアレイを用いる。マルチプレクサー回路が、超音波パルスを送信し、エコー信号を受け取るためのアレイ素子を選択する。送信と受信のペアのシーケンスを通じ、固体状態式ＩＶＵＳシステムが、機械的にスキャンされた変換素子の出力を合成できるが、部品を動かすことがない。回転する機械素子がないため、導管外傷の微小のリスクで、血液及び導管組織に直接接触するように変換器アレイを配することができ、単純な電気ケーブル及び標準の取り外し可能な電気コネクターでイメージングシステムに対して固体状態スキャナーを直接的に配線することができる。
【０００４】
典型的な回転式ＩＶＵＳカテーテルにおいては、ピエゾ電気セラミック物質から製作された単一の超音波変換素子が、フレキシブルの駆動シャフトの先端に設けられ、対象の導管に挿入されたプラスチックシース内でスピンする。変換素子は、超音波ビームが概してカテーテルの軸に対して垂直に伝播するように配向される。超音波信号が自由に変換器から組織内へ及び反射して伝播することを許容する間、流体が充填されたシースは、スピンする変換器及び駆動シャフトから導管組織を保護する。駆動シャフトが回転するため（典型的には一秒当たり３０回の回転）、周期的に高電圧パルスで変換器が励振され、短発の超音波が出射される。同一の変換器が、次に、様々な組織構造から反射されて帰還するエコーを受信し、そして、ＩＶＵＳイメージングシステムが、変換器の単一の回転の過程で生じる一連の数百のこれらの超音波パルス／エコー取得シーケンスから導管断面の２次元表示を構築する。
【０００５】
可動部品の欠如のおかげで固体状態式ＩＶＵＳカテーテルの使用が簡単であるが、回転式ＩＶＵＳカテーテルで入手できるイメージ品質に釣り合うことができない。回転ＩＶＵＳ装置と同一の高周波数で固体状態式ＩＶＵＳカテーテルを作動させることが困難であり、固体状態式ＩＶＵＳカテーテルの低い動作周波数が、より高い周波数の回転式ＩＶＵＳカテーテルのものと比較し、乏しい解像度になる。回転ＩＶＵＳ装置では大幅に減じられ、若しくは完全に欠如している、アレイ基準のイメージングに由来するサイドローブ、グレーティングローブ、及び（イメージング面に対して垂直な）乏しい仰角フォーカスといったアーチファクトもある。回転式ＩＶＵＳカテーテルのイメージ品質の利点に関わらず、これらの装置の各々が、心血管インターベンション市場においてニッチであり、使用の簡単さが最優先し、特定の診断ニーズにとってイメージ品質が減じられることが許容可能である場合に固体状態ＩＶＵＳが好まれ、他方、イメージ品質が最優先し、より時間を消費するカテーテルの準備が正当化される場合に回転式ＩＶＵＳが好まれる。
【０００６】
回転式ＩＶＵＳカテーテルにおいては、典型的には、超音波変換器は、イメージングシステムハードウェアに変換器を接続する電気ケーブルを直接的に駆動することができる低電気インピーダンスのピエゾ電気セラミックス素子である。この場合、単一の対の電気リード線（又は同軸ケーブル）が用いられ、システムから変換器への送信パルスを伝送し、患者インターフェイスモジュールを経由してイメージングシステムに帰還する変換器からの受信したエコー信号を伝送し、そこで、これらがイメージへ構築される。この電気インターフェイスにおける重大な複雑化が、回転する機械接点に亘る電気信号の伝送である。（動脈の断面をスキャンするために）カテーテルの駆動シャフト及び変換器がスピンし、イメージングシステムハードウェアが静止するため、電気信号が回転する接点を通過する電気機械インターフェイスが必要である。回転ＩＶＵＳイメージングシステムにおいては、この問題が、回転トランス（rotary transformer）、スリップ・リング（slip rings）、回転コンデンサー（rotary capacitors）等を含む様々な異なる手法により解決される。
【０００７】
既存のＩＶＵＳカテーテルが有用な診断情報を提供するが、より価値の高い導管状態への洞察を提供する高められたイメージ品質の要求がある。回転ＩＶＵＳイメージングにおけるイメージ品質の更なる改良について、より広いバンド幅の変換器を用い、フォーカシング系を変換器に組み込むことが望ましい。米国特許６，６４１，５４０に開示されるような、ポリマー圧電物質を用いて製作されたピエゾ電気微小超音波変換器（ＰＭＵＴ）が、放射方向において最適な解像度のために１００％を超えるバンド幅、また最適な方位角及び仰角解像度のために球状にフォーカスされた開口部（spherically-focused aperture）を提供する。このポリマーＰＭＵＴ技術が多くの利益を提供するが、変換器の電気インピーダンスが高すぎてＰＩＭを介してＩＶＵＳイメージングシステムに変換器を接続する電気ケーブルを効率的に駆動できない。更には、ポリマー圧電物質の伝送効率（transmit efficiency）が、伝統的なチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックピエゾ電気のものと比較して相当に低く、従って、伝送エレクトロニクスの改善又は他の信号処理の進歩によって音響出力における不足が補償されない限り、信号対ノイズ比が妥協される。
【０００８】
従って、血管内超音波システムで用いられるポリマー圧電物質微小超音波変換器にコンパクトで効率的な回路アーキテクチャー及び電気インターフェイスを提供する改良された装置、システム、及び方法の要求が依然として存在する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示の実施形態が、血管内の超音波システムで用いられるポリマー圧電物質微小超音波変換器にコンパクトで効率的な回路アーキテクチャー及び電気インターフェイスを提供する。
【００１０】
一実施形態においては、回転式血管内超音波（ＩＶＵＳ）装置が提供される。回転ＩＶＵＳ装置が、フレキシブル伸長部材；前記フレキシブル伸長部材の遠位部に結合したピエゾ電気微小超音波変換器（ＰＭＵＴ）；及び前記フレキシブル伸長部材の前記遠位部に結合した特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ（application-specific integrated circuit））を備え、前記ＡＳＩＣが前記ＰＭＵＴに対して電気的に結合される。幾つかの場合、前記ＡＳＩＣが：前記ＰＭＵＴを駆動するためのパルサーと、前記ＰＭＵＴにより受け取られる超音波エコーを表す信号を受け取り及び増幅するためのアンプと、前記パルサーからの高電圧送信パルスによりダメージを受けることから前記アンプを阻止し、また前記アンプが前記ＰＭＵＴから低振幅エコー信号を受け取ることを許容するべく構成された保護回路と、前記パルサー、前記アンプ、及び前記保護回路の動作の調整のためのタイミング制御回路を含む。
【００１１】
幾つかの場合、回転ＩＶＵＳ装置が、４本リード線の電気ケーブルを更に備え、前記４本リード線の電気ケーブルの遠位部が前記ＡＳＩＣに電気的に結合される。幾つかの実施形態においては、前記４本リード線の電気ケーブルの近位部が、前記４本リード線の電気ケーブルを患者インターフェイスモジュール（ＰＩＭ）に接続するように構成されたコネクターに結合される。幾つかの構成においては、前記４本リード線の電気ケーブルがシールドされる。更に、幾つかの場合、前記４本リード線の電気ケーブルが、２対の平衡信号リード線を含むように構成される。この点について、幾つかの実施に際しては、前記平衡信号リード線の対の各々が差動モードで動作する。幾つかの実施形態においては、前記平衡信号リード線の各対が、４本リード線の電気ケーブルがスタークワッド（star quad）構成に配列されるように斜めで対向した配線対から成る。幾つかの場合、回転ＩＶＵＳ装置が、３本リード線のシールドされた電気ケーブルを更に備え、前記３本リード線のシールドされた電気ケーブルの遠位部が前記ＡＳＩＣに電気的に結合され、３本リード線の１対が平衡伝送線を形成し、残りのリード線及びシールドが非平衡伝送線を形成する。
【００１２】
幾つかの場合、前記ＰＭＵＴが、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）コンポーネントに形成される。この点について、幾つかの実施形態においては、前記ＡＳＩＣが前記ＭＥＭＳコンポーネントにフリップチップボンディングされ、ＭＥＭＳコンポーネントに対してワイヤーボンディングされ、及び／又はＭＥＭＳコンポーネントに対して一体的に形成される。幾つかの実施においては、前記ＭＥＭＳコンポーネント及び前記ＡＳＩＣがフレキシブル回路基板に電気的に結合される。
【００１３】
別の実施形態においては、回転血管内超音波（ＩＶＵＳ）システムが提供される。システムが、イメージング装置、前記イメージング装置の近位コネクターに接続されるように構成されたインターフェイスモジュールと、前記インターフェイスモジュールと通信接続される血管内超音波（ＩＶＵＳ）処理コンポーネントを含む。幾つかの場合、システムの前記イメージング装置が、近位部及び遠位部を有するフレキシブル伸長部材；前記フレキシブル伸長部材の前記近位部に結合した近位コネクター；前記フレキシブル伸長部材の前記遠位部に結合したピエゾ電気微小超音波変換器（ＰＭＵＴ）；及び前記フレキシブル伸長部材の前記遠位部に結合した特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を備え、前記ＡＳＩＣが前記ＰＭＵＴに対して電気的に結合される。この点について、前記ＡＳＩＣが、前記ＰＭＵＴを駆動するためのパルサーと、前記ＰＭＵＴにより受け取られる超音波エコーを表す信号を受け取り及び増幅するためのアンプと、前記パルサーからの高電圧送信パルスによりダメージを受けることから前記アンプを阻止し、また前記アンプが前記ＰＭＵＴから低振幅エコー信号を受け取ることを許容するべく構成された保護回路と、前記パルサー、前記アンプ、及び前記保護回路の動作の調整のためのタイミング制御回路を含む。
【００１４】
別の実施形態においては、回転血管内イメージング装置の製造方法が提供される。方法が、フレキシブル伸長部材の遠位部に結合されたピエゾ電気微小超音波変換器（ＰＭＵＴ）を提供し；特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を提供し；前記ＰＭＵＴと前記ＡＳＩＣを電気的に結合し；及び人体の脈管構造内への挿入のために大きさ及び形状が定められたフレキシブル伸長部材の遠位部に前記ＰＭＵＴ及び前記ＡＳＩＣを固定する。幾つかの場合、ＡＳＩＣが、前記ＰＭＵＴを駆動するためのパルサーと、前記ＰＭＵＴにより受け取られる超音波エコーを表す信号を受け取り及び増幅するためのアンプと、前記パルサーからの高電圧送信パルスによりダメージを受けることから前記アンプを阻止し、また前記アンプが前記ＰＭＵＴから低振幅エコー信号を受け取ることを許容するべく構成された保護回路と、前記パルサー、前記アンプ、及び前記保護回路の動作の調整のためのタイミング制御回路を含む。幾つかの場合、提供されるＰＭＵＴが、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）コンポーネントに形成される。
【００１５】
本開示の幾つかの実施形態が、少数の電気リード線を要求する電気インターフェイスで、必要な信号増幅及び効率的なパルサー回路を提供する回路アーキテクチャーを確立する。この点について、少数のリード線が、フレキシブル伸長部材の限られた空間において、より大きい直径の配線の使用を許容し、フレキシブル伸長部材の長さに沿って延びる相互接続ケーブルにおける減じられたケーブル減衰及び低い電気損失に帰結する。更に、本開示の実施形態が優れたケーブルインピーダンス整合を提供する。この点について、４本リード線のインターフェイスが、一対の平衡伝送線から成るケーブル設計を促進し、各伝送線が適切に終端し、イメージのアーチファクト又は劣化を生じさせる反射及び周波数応答の歪を最小化する。代替として、４本リード線のインターフェイスが、一つの平衡伝送線から成る代替のケーブル設計（シールドされた撚られたトリプレット）を促進し、適切に終端され、イメージのアーチファクト又は劣化を生じさせる反射及び周波数応答の歪を最小化し、他方、高電圧ＤＣ及びグランド信号が非平衡配線対により伝送され、この場合、インピーダンス整合及び平衡が重要ではない。
【００１６】
更に、本開示の実施形態が、低い信号カップリングも提供する。例えば、４本リード線ケーブルが、「スタークワッド」構成において動作し、斜め配線対が独立の伝送線を形成する。本構成においては、各々が差動モードの斜め信号対の間のカップリングが、カップリングの対称性により最小化され、ケーブルにより伝送される多数の信号間で低いクロストークを提供する。またシールドされた撚られたトリプレットケーブルは、３本の撚られた配線の２つが平衡伝送線を形成し、第３の撚られた配線とシールドが高電圧ＤＶ及びグランド信号を伝送する構成にて動作可能である。この構成においては、差動モードで動作する平衡信号対と他の配線の間のカップリングが対称性により最小化される。
【００１７】
更には、本開示の実施形態が、低電磁干渉（ＥＭＩ）を提供する。この点について、４本リード線インターフェイスが、一対の平衡伝送線から成るケーブル設計を促進する。平衡設計が、ＥＭＩの放射を抑制し、同様に、他の装置からの外部干渉に対するシステムの感受性を低減する。４本リード線インターフェイスケーブルは、幾つかの場合、電気シールド配線により被覆され、更にＥＭＩ及び外部干渉に対する感受性を抑制する。また、４本リード線インターフェイスが、一つの平衡信号対と一つの非平衡対から成るシールドされた撚られたトリプレットから成るケーブル設計を促進する。この平衡設計がＥＭＩの放射を抑制し、同様に、他の装置からの外部干渉に対する感受性を低減し、他方、非平衡対が低周波数信号のみを伝送し、ＥＭＩを生成する傾向がない。シールドされた撚られたトリプレットケーブル設計が、電気シールド配線を含み、更にＥＭＩ及び外部への感受性を低減する。
【００１８】
本開示の実施形態が、設計の柔軟性、血管内カテーテル及び／又はガイドワイヤーでの使用に適する小さな集積回路ダイ寸法、低電力損失、高伝送電圧、及び効率的な保護回路も提供する。例えば、シリアル通信スキームの使用は、ＰＩＭ及び変換器間の４本リード線の物理的インターフェイスを複雑にすることなく、回路設計に柔軟性及び進歩した特徴を加えることに適する。本明細書に記述の回路が、コンパクトな特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）において実施され、４本リード線の電気インターフェイスが、装置面積の小さい部分のみ消費し、幾つかの実施形態においては、システムが、０．０２０’’（０．５ｍｍ）程の小さい外径を有するカテーテル及びガイドワイヤーにおいて実施される。本明細書に記述の回路の実施形態が、カテーテルの遠位端での過度の温度上昇を避けるために電力損失を最小化するように設計される。また、本明細書に記述の回路の実施形態が、ＰＩＭ基準のパルサー回路に関連する顕著なケーブル損失を避けるカテーテルの遠位端の高電圧パルサーを含む。この手法が、さもなくば、ＰＩＭを変換器に接続する、装置の長さに沿って延びる電気ケーブルを通じて高電圧送信パルスを送信することにより生成されるＥＭＩも低減する。更に、本明細書に記述の回路の実施形態が、能動的に制御されるアナログスイッチを用い、変換器に対して印加される高電圧送信パルスからセンスアンプ入力を隔離する効率的な保護回路を実施する。このアナログスイッチ基準の保護回路の設計が、トランスミッター、アンプ、保護回路及びタイミング回路の近接により促進され、これらの全てが単一のＡＳＩＣに集積される。
【００１９】
本開示の追加の側面、特徴及び利益が、次の詳細な記述から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
本開示の図示の実施形態が、添付図面を参照して記述される：
【図１】図１は、本開示の実施形態に係るイメージングシステムの概略図である。
【図２】図２は、本開示の実施形態に係るイメージング装置を斜視した部分的な断面模式図である。
【図３】図３は、図２のイメージング装置の遠位部の断面側面図である。
【図４】図４は、本開示の実施形態に係るＭＥＭＳコンポーネント及びＡＳＩＣコンポーネントを含む、図３に示されたイメージング装置の遠位部のコンポーネントの側面図である。
【図５】図５は、図４に図示されたコンポーネント群のうちのＡＳＩＣコンポーネントの下面図である。
【図６】図６は、図４に図示されたコンポーネント群のうちのＭＥＭＳコンポーネントの上面図である。
【図７】図７は、図５及び６に図示されたＭＥＭＳ及びＡＳＩＣコンポーネントと類似の特徴を組み合わせる、本開示の代替の実施形態を図示する、モノリシックＡＳＩＣ／ＭＥＭＳコンポーネントの上面図である。
【図８】図８は、図７に図示されたＡＳＩＣ／ＭＥＭＳコンポーネントの部分断面の側面図である。
【図９】図９は、本開示の別の実施形態に係るイメージング装置の遠位部の断面の側面図である。
【図１０】図１０は、本開示の別の実施形態を図示するものの、図９のものと同様のイメージング装置の遠位部の断面の側面図である。
【図１１】図１１は、本開示の実施形態に係る詳細な回路のアーキテクチャーの概略図である。
【図１２】図１２は、本開示の実施形態に係る回路アーキテクチャーのタイミング図の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本開示の原理の理解を促進する目的のため、ここで図面に図示された実施形態を参照し、特定の文言が実質形態の記述のために用いられる。しかしながら、開示の範囲に何らの限定も意図されないものと理解される。記述の装置、システム、及び方法、及び更なる本開示の原理の適用に対するあらゆる変更及び更なる修正が、本開示が関連する技術分野の当業者に普通に生じるように本開示の範囲内に完全に検討及び包含される。端的には、一実施形態に関して記述された特徴、構成要素、及び／又はステップが、本開示の他の実施形態に関して記述された特徴、コンポーネント、及び／又はステップに組み合わされることが十分に想起される。しかしながら、簡潔さのため、これらの組み合わせの多数の繰り返しが個別に記述されない。
【００２２】
現在の技術水準と比較して回転ＩＶＵＳイメージングカテーテルのパフォーマンスを進歩させるため、本開示の実施形態が、伝統的なＩＶＵＳ変換器のものと比較してより広いバンド幅で変換器を実施し、フォーカシング系も同様に変換器に組み込む。その全体が参照により本明細書に組み込まれる、例えば、米国特許６，６４１，５４０に開示のように、ポリマー圧電物質を用いた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）で製作されたピエゾ電気微小超音波変換器（ＰＭＵＴ）が、広いバンド幅（＞１００％）及び球状フォーカスされた開口部を提供する。広いバンド幅が、短い超音波パルスを生成し、放射方向において最適な解像度を達成することに重要であり、他方、球状にフォーカスされた開口部が、側方及び仰角方向での最適な解像度を提供する。この進歩した超音波変換器設計により提供される改良された解像度が、より良い診断精度を促進し、異なる組織種を識別する能力を高め、また導管ルーメンの境界を正確に確認する能力を高める。
【００２３】
本開示の幾つかの実施形態が、ポリマー基準のＰＭＵＴを回転ＩＶＵＳイメージングシステムに接続するのに特に良く適合する回路アーキテクチャー及び電気インターフェイスに関する。ポリマーＰＭＵＴ技術が多数の利益を提供するが、変換器の電気インピーダンスが高すぎるため、患者インターフェイスモジュール（ＰＩＭ）を経由してＩＶＵＳカテーテルの先端で変換器をＩＶＵＳイメージングシステムに接続する電気ケーブルを効率的に駆動することができない。この点について、幾つかの場合、電気ケーブルの長さが、約１２０ｃｍ〜約２００ｃｍの範囲である。更には、ポリマー圧電物質の伝送効率が、伝統的なチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）ピエゾ電気セラミック変換器のものよりも相当に低い。従って、音響出力における不足が、本開示の改善された伝送エレクトロニクス及び／又は他の信号処理の進歩により補償できない限り、信号対ノイズ比が妥協される。
【００２４】
本開示の実施形態が、ポリマーＰＭＵＴに近接して集積されるべき能動エレクトロニクスの必要性によって動機付けられるが、この新規なコンセプトは、低インピーダンス電気ケーブル上の伝送のために高インピーダンス変換素子からのエコー信号をバッファーするアンプ回路を単に追加することを超える。この点において、本開示の実施形態が、次の特徴を提供する：カテーテルの近位端に接続されたＰＩＭに対してカテーテルの遠位端近くの変換器を接続する伝送線（電気ケーブル）を効率的に駆動するのに十分な増幅及び他の特徴；変換器により生成された低い増幅のエコー信号を減衰させることなく、高電圧伝送パルスからセンスアンプ入力を信頼性高く隔離する低い直列インピーダンス及び低い寄生シャント容量の能動保護回路；相対的に不十分なポリマー圧電物質変換器から高い音響出力を生成するのに十分な送信波形を生成する高電圧パルサー回路；少数の電気リード線を用い、ＥＭＩ発生／感受性、受信したエコー信号についての劣化した周波数応答、及び／又は伝送トリガーパルスを歪ませる及び／又はシリアルデータ通信に干渉するケーブル反射といった望ましくないアーチファクトを最小限にするＰＩＭへのコンパクトな電気インターフェイス；特定のイメージング条件及び／又は用途のために回路パフォーマンスを最適化するフレキシブル制御オプション；カテーテルの遠位端での過度な熱生成を避ける低い電力損失；及び、小さいフレキシブル回転ＩＶＵＳ設計に適合するための小サイズ。
【００２５】
上述のように、ポリマーＰＭＵＴで用いられるピエゾ電気物質は、伝統的なピエゾセラミックの代替品と比較して非効率な超音波発振器である。しかしながら、ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）と表され、典型的にはポリマーＰＭＵＴ装置のために用いられる三フッ化エチレンと二フッ化ビニリデンの共重合体は、生体組織の音響インピーダンスに対するその相対的な近接整合に部分的に帰責し、生体での超音波エコー信号に有効なレシーバーである。しかしながら、ＩＶＵＳイメージングに適する典型的なポリマーＰＭＵＴが、その低容量（＜１ｐＦ）及びＩＶＵＳイメージングのために広く用いられる〜４０ＭＨｚの中心周波数に対応し、約４ｋΩの相対的に高い電気インピーダンスを有する。そのような高インピーダンス変換器は、カテーテルの先端からのエコー信号を伝送し、ＩＶＵＳイメージングシステムにカテーテルが接続される患者インターフェイスモジュール（ＰＩＭ）へ戻すために用いられる（５０Ω〜１００Ωの範囲の特性インピーダンス）低インピーダンス伝送線を駆動することに適しない。更には、変換素子の低容量のため、エコー信号は、約１ｐＦ以上の任意の寄生シャント容量により相当に減衰される。
【００２６】
低インピーダンス伝送線を駆動すること及び寄生容量に対する免疫を提供することに関連するこれらの問題を解決するため、増幅ステージが変換器に近接して提供される。幾つかの実施形態においては、増幅ステージが、ＩＶＵＳ動作周波数（典型的には、約４０ＭＨｚであるが、１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲であり得る）での変換器インピーダンス以上程の高入力インピーダンスを有する。アンプの出力インピーダンスが、ＰＩＭに増幅されたエコー信号を伝送する伝送線の特性インピーダンスに理想的に整合される。増幅の第一段の電圧ゲインは、特に高い必要はなく、なぜなら、ポリマーＰＭＵＴは、（アンプ入力といった）高インピーダンスを駆動する時に十分な電圧を生成することができるためである。しかしながら、１ほどに低い電圧ゲインでも、アンプは、４ｋΩの変換器インピーダンスを伝送線の〜１００Ωの特性インピーダンスに下げるまで変換するため、有意なパワーゲイン（〜１６ｄＢ）を提供する。幾つかの実施形態においては、ＩＶＵＳイメージングシステムにより要求される、時間変動ゲインを含む任意の追加のゲインがＰＩＭにより供給される。
【００２７】
変換器を励振する高電圧送信パルスからセンスアンプ入力を隔離するため、幾つかの場合、変換器に近接して取り付けられるアンプ回路のために保護回路が提供される。保護回路が、高電圧送信パルス（〜１００Ｖ）がアンプ入力に到達することを阻止するが、低振幅のエコー信号（典型的には１Ｖ以下）が、保護回路の直列抵抗器及びシャント容量の組み合わせに帰責する微小の損失でアンプ入力に到達することを許容する。幾つかの超音波イメージングシステムが、保護回路のために、非線形素子（たいていはダイオード）に組み合わされて要求の保護特性を実施する抵抗器、コンデンサー、及びインダクターを含む受動ネットワークを用いる。この種の受動保護回路は、典型的には顕著な妥協を要求し、これが低容量ポリマーＰＭＵＴの場合に特に問題である。加えて、保護回路のために要求される受動素子がたびたび大きく、またイメージング装置の遠位端で変換器に近接して取り付けられるべき非常に小さなＡＳＩＣ上に集積させることが困難である。
【００２８】
本開示の実施形態が、より精巧な保護スキームを実施し、これが能動素子（例えば、トランジスター）を用い、保護機能を実施する。そのような能動保護回路は、より効率的であり、またより即時にＡＳＩＣ上で実施できる。能動保護回路の一実施形態が、高電圧アナログスイッチ回路を実施し、タイミング回路により制御され、パルス送信の過程で開かれ、また超音波エコー信号の受信の過程で閉じられる。この手法に関連の重大な複雑化の一つは、パルス送信過程でスイッチを開けるタイミング信号が１００％信頼可能でなければならないことである。なぜなら、単一の誤った高電圧パルスがアンプを破壊できるためである。タイミング回路、トランスミッター、及び保護回路がお互いに物理的に離される場合、この信頼性のレベルを確証することが難しい。従って、本開示の幾つかの実施形態においては、タイミング回路、トランスミッター及び保護回路が単一のＡＳＩＣ内で一緒に近接して結合される。
【００２９】
変換素子にトランスミッターを集積することは、ほとんど考えられていない。なぜなら、カテーテル先端実装回路内に含めることが不可能でなければ、従来のトランスミッター回路に要求される大きい高電圧トランジスターが扱いにくいためである。フライシュマン他（Fleishman et al.）は、ＰＭＵＴでの使用のために設計された受動保護回路を備える集積アンプ回路を開発している。しかしながら、その回路は、集積化されたトランスミッター、能動保護回路、又は本開示の進歩した他の特徴を含まない。Fleischman、A.；Chandrana、C.；Jin Fan；Talman、 J.；Garverick、 S.；Lockwood、 G.；Roy、 S.「高解像度の医療イメージングのためのフォーカスされた集積ＰＭＵＴのためのコンポーネント」、２００５年９月  ウルトラソニックシンポジウム、２００５ ＩＥＥＥ、２巻、ナンバー、ページ７８７〜７９１、１８〜２１を参照。本開示の実施形態に係るＰＭＵＴ  ＭＥＭＳに近接して結合されるＡＳＩＣにトランスミッター回路を組み込むことにより、多数の顕著な利益が実現される：ＰＩＭを変換器に接続するケーブル内の損失の回避に基づく高い伝送効率−典型的な回転式ＩＶＵＳカテーテルにてケーブル損失が１０ｄＢ以上であり、変換器での所望のパルス振幅を達成するためにＰＩＭでの非常に高い伝送電圧を必要にする；電気ケーブル及び他の回路素子により表される大きい寄生負荷ではなく、ポリマーＰＭＵＴの小さな容量を駆動することだけが要求されるならば、相対的に小さなトランジスターがパルサー回路の実施のために用いることができる。より典型的な高電流、高電圧パルス送信に代えてケーブルを介して低振幅のトリガー信号のみを送信することから帰結する減じられたＥＭＩ；及び、トランスミッター及び保護回路がお互いに近接して結合されない限り、安全に実施することが難しい高電圧アナログスイッチに基づく信頼性の高い、効率的な能動保護回路の促進。
【００３０】
かつての研究者は、回転式ＩＶＵＳカテーテルにおいて能動エレクトロニクスを保持させることの問題を検討しており、わずか２本の電気リード線を用い、電力及び送信パルスをカテーテル実装のアンプ回路に配送し、同一の２本の配線ケーブル上でエコー信号を受け取る様々なスキームが提案されている。例えば、その全体において参照により本明細書に組み込まれる米国特許Ｎｏ．６，５１１，４３２を参照。しかしながら、これらのスキームは、回路設計に顕著な妥協を包含し、進歩した変換器が達成するパフォーマンスを低下させる。本開示の実施形態が、より最適な４本のワイヤーの電気インターフェイスを特定し、これが、回転式ＩＶＵＳカテーテルにより簡単に収容可能である小さいケーブル寸法を維持しながら、回路及び変換器のパフォーマンスに微小の妥協で数々の利益を提供する。電気ケーブルについてのそのようなアレンジメントの一つの実施が、対称クワッド（symmetrical quad）に一緒に撚られ、２つの斜め配線対として取り扱われる４本の配線を用いる。実際には、撚られたクワッドが、同一サイズの配線の撚られた対と比較し、僅かに大きい円柱状空間（２０％直径で大きい）を占めるだけである。
【００３１】
そのような撚られたクワッドのケーブルの実施形態においては、斜め配線対の一つが、後述の多数の目的のために機能する平衡伝送線を提供する：（１）ＡＳＩＣアンプ出力からＰＩＭアンプ入力へ平衡信号を伝導する、（２）ＰＩＭ送信トリガー回路からＡＳＩＣに含まれるトランスミッター及びタイミング回路へ平衡差動信号として送信トリガーパルスを伝送する、（３）（第２ペアのグランド配線に参照される）配線対上のコモンモード電圧として低電圧ＤＣ電力を提供する、（４）ＡＳＩＣでの電力損失を最小化することに必要とされる、アンプ回路をオン及びオフに切り替えるレシーバータイミング信号を提供する、及び（５）プログラム可能性といった進歩した機能をサポートするためにシリアル通信チャネルを形成する。第２の斜め配線対が、高電圧サプライ及びグランドを伝導する。高電圧／グランドのペアが、単にこれらのＤＣ電圧を提供するに加え、高パワー送信パルスを変換器に配送する時、パルサー回路により用いられるべき電力を保持する顕著な分散容量に貢献する。実用に際しては、トランスミッターがトリガーされ、高パワーパルスを変換器へ生成する時、高電圧／グランド配線対に平衡信号として進行波も出射する。進行波がＰＩＭに到達する時、ＰＩＭが、送信パルスによるその配線対から引かれた電荷を補充するのに必要な電荷を供給する。このケーブル構成が要求された機能の全てを提供し、４本のワイヤーのインターフェイスを用い、全ての信号が平衡線上で伝送され、各々が、適切な特性インピーダンスで終端する。平衡の終端の伝送線が、減じられたＥＭＩの発生及び感受性、伝送波形の小さな歪、早い通信速度、アンプ周波数応答の最小の歪、及び他の電気的な利益を提供する。幾つかの実施形態においては、ケーブルが、撚られたクワッドの周りにオプションのシールドを含み、ＥＭＩから信号線を更に保護し、信号線から放射される電磁干渉を低減し、追加の機械的な一体性を提供する。
【００３２】
撚られたクワッド構成に併せて前述と同一の利益の多くを提供する、本開示に従う代替のケーブル設計が、シールドされた撚られたトリプレット（３本）（triplet）である。この場合において、撚られたトリプレットの２つの配線が、撚られたクワッドの第１配線対について前述の多数の機能を果たす。つまり：（１）平衡ＡＳＩＣアンプ出力をＰＩＭアンプ入力へ伝導する、（２）ＰＩＭ送信トリガー回路からＡＳＩＣに含まれるトランスミッター及びタイミング回路へ平衡差動信号として送信トリガーパルスを伝送する、（３）配線対上のコモンモード電圧として低電圧ＤＣ電力を提供する（この場合、グランド配線として機能するシールドに参照される）、（４）ＡＳＩＣでの電力損失を最小化することに必要とされる、アンプ回路をオン及びオフに切り替えるレシーバータイミング信号を提供する、及び（５）プログラム可能性といった進歩した特徴をサポートするためにシリアル通信チャネルを形成する。グランド配線がシールドとして機能し、他方、撚られたトリプレットの第３配線により高電圧が伝送される。撚られたトリプレットの配線に関してシールドが対称であるため、アンプ出力を伝送する平衡信号線にシールドから結合される微小の差動干渉信号がある。同様に、対称性によって、平衡信号線への高電圧配線の干渉の微小なカップリングがある。更には、パルス送信の間及び直後の短時間の一過性ノイズを除いて、高電圧信号線上には典型的には非常に小さい高周波数ノイズがある。その高周波数の一過性ノイズの大半が、関心の早期のエコー信号が導管組織から帰還する時間までに損失される。シールドされた撚られたトリプレットは、極めて製造可能な構成であり、トリプレットが、一貫した安定及び対称の束を形成し、またシールドがケーブルのために機械的な一体性及び外部の干渉からの保護を提供する。
【００３３】
本開示の別の重要な側面が、回路における電力損失を管理し、ＡＳＩＣが搭載されたカテーテルの遠位端での過剰な温度上昇を妨げることである。ＡＳＩＣにおける最大の電力損失の原因はアンプ回路であり、これが、所望のパフォーマンスを果たすために相対的に高いバイアス電流を要求する。電力消費を低減する一方法は、必要ではないときにアンプをシャットダウンすることである。典型的には、超音波エコーを受け取るために各パルス送信の後に約１０μ秒の期間があり、典型的なパルス送信のためのパルス繰り返し期間が約６０μ秒であり、１６％程に低いアンプデューティーサイクルに帰結する。必要ではないときにアンプを低電力スタンバイモードにすることにより、連続動作に必要な電力の約１／６にまで電力を減じることができる。アンプシャットダウンを制御するための一つのオプションは、ＡＳＩＣ上にタイミング回路を含め、各パルス送信後に１０μ秒の期間だけアンプを作動させる。この手法が実施するのに簡単であり、幾つかの用途にとって適するものの、異なる変換器の構成又は異なる受像期間を要求し得るイメージングモードに適合する柔軟性に欠く。代替の手法が、コマンドプロトコルを定めることであり、これにより、ＰＩＭからＡＳＩＣへ送信された一つのパルスシーケンスがパルス送信をトリガーし、他方、後のパルスシーケンスが受像期間の終了をトリガーする。この形態においては、ＰＩＭがＡＳＩＣタイミング回路を制御することができ、ＰＩＭが、各モード又は変換器構成のためにタイミング回路を調整するべく簡単にプログラム及び又は再プログラム可能である。単純なプロトコルの一例が次のように規定される：長い静かな期間（例えば、２０μ秒）後にＰＩＭから送信されるべき第１パルスシーケンスが送信パルスシーケンスとして解釈され、２０μ秒期間内の任意の後続のパルスが受像期間の終了及び次のパルスシーケンスを出射するためのトランスミッターの再配備として解釈される。当業者が理解するように、特定の変換器構成及び／又はイメージングモードに依存し、多数の様々なタイミングプロトコルが用いられ得る。
【００３４】
上述のように記述の簡単なパルスのシーケンスでアンプデューティーサイクルを制御することにより回路の電力損失を管理する能力が、システムに柔軟性を加え、多数の用途にあてられる。増加した柔軟性のため、ＡＳＩＣに対して高度のプログラム可能性を追加し、回路動作における広範囲のプログラム可能性を可能にすることが望ましい。トリガーパルスの送信、またオプションの受像期間終了パルスに用いられるように、ＰＩＭが、同一の２本のワイヤーの通信リンク上で構成情報をＡＳＩＣに送信することを許容する簡単なシリアル通信プロトコルを規定することにより、装置の複雑性を大きく増加することなく、これが達成可能である。シリアル通信リンクを介して回路内にプログラムされ得る構成情報の種類の例が、アンプゲイン、アンプバイアス電流、送信ダンピングパルス期間、及び／又は他のパラメーターを含む。
【００３５】
図１を参照すると、そこに図示のものは、本開示の実施形態に係るＩＶＵＳイメージングシステム１００である。本開示の幾つかの実施形態においては、ＩＶＵＳイメージングシステム１００は、ＰＭＵＴ回転ＩＶＵＳイメージングシステムである。この点に関し、ＰＭＵＴ回転ＩＶＵＳイメージングシステムの主たるコンポーネントは、ＰＭＵＴ回転式ＩＶＵＳカテーテル１０２、ＰＭＵＴカテーテル適合患者インターフェイスモジュール（ＰＩＭ）１０４、ＩＶＵＳコンソール又は処理システム１０６、及びＩＶＵＳコンソール１０６により生成されたＩＶＵＳイメージを表示するモニター１０８である。伝統的な回転ＩＶＵＳイメージングシステムからこのＰＭＵＴ・ＩＶＵＳイメージングシステム１００を区別する本開示の幾つかの側面が、ＰＭＵＴカテーテル１０２、及び適切なインターフェイス仕様を実施し、ＰＭＵＴカテーテル１０２をサポートするＰＭＵＴ適合ＰＩＭ１０４を含む。以下により詳細に記述のように、ＰＭＵＴ回転式ＩＶＵＳカテーテル１０２が、カテーテルの遠位の先端近傍に実装されるその関連の回路と共に、ＰＭＵＴ超音波変換器、４本の配線の電気ケーブル、及び回転インターフェイスをサポートする適切な電気コネクターを含む。ＰＭＵＴ適合ＰＩＭ１０４が、回路の動作を調整するべく送信トリガー信号及び制御波形の要求のシーケンスを生成し、同一の配線対を介して受け取った増幅したエコー信号を処理する。ＰＭＵＴ適合ＰＩＭ１０４は、また、高及び低電圧ＤＣ電源も供給し、ＰＭＵＴ回転式ＩＶＵＳカテーテル１０２の動作をサポートする。ＰＭＵＴ適合ＰＩＭ１０４の重要な特徴は、回転インターフェイスを亘ってカテーテル１０２のＰＭＵＴ回路にＤＣ供給電圧を配送しなければならないことである。これが、伝統的な回転ＩＶＵＳシステムにおいて汎用される、回転トランスのオプションを大きく排除する。なぜなら、トランスが、プライマリーからセカンダリー側へＡＣ信号を伝送できるだけだからである。回転インターフェイスを介してＤＣ電力を配送する実用のオプションが、スリップリング（slip-ring）の使用、及び／又はその全体において参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願公開Ｎｏ．２０１０／０２３４７３６に記述のアクティブ・スピナー（acitve spinner）技術の実施を含む。
【００３６】
ここで図２を参照すると、図式の本開示の実施形態に係るＰＭＵＴカテーテル１０２の部分断面斜視図が示される。この点において、図２は、ＰＭＵＴ回転式ＩＶＵＳカテーテル１０２の構成に関する追加の詳細を図示する。多くの側面において、このカテーテルは、各々がその全体において参照により本明細書に組み込まれる、ヴォルカノ・コーポレーションから入手可能及び米国特許Ｎｏ．８，１０４，４７９の記述のリボリューション（登録商標）カテーテル、又は米国特許Ｎｏ．５，２４３，９８８及び５，５４６，９４８に記述のカテーテルといった伝統的な回転式ＩＶＵＳカテーテルと同様である。この点において、ＰＭＵＴ回転式ＩＶＵＳカテーテル１０２が、イメージングコア１１０及び外側カテーテル／シースアセンブリー１１２を含む。イメージングコア１１０が、図１のＰＩＭ１０４に電気及び機械カップリングを提供する回転インターフェイス１１４により近位端で終端されるフレキシブル駆動シャフトを含む。イメージングコア１１０のフレキシブル駆動シャフトの遠位端が、ＰＭＵＴ及び関連の回路を含む変換器ハウジング１１６に結合され、これが以下により詳細に記述される。カテーテル／シースアセンブリー１１２が、回転インターフェイスをサポートし、カテーテルアセンブリーの回転及び非回転素子の間のベアリング面及び液密を提供するハブ１１８を含む。ハブ１１８が、ルアーロック（luer lock）フラッシュポート１２０を含み、カテーテルの使用の時点で、これを通じて生理食塩水が注入され空気を排気し、シースの内側ルーメンを超音波適合流体で満たす。空気が超音波を簡単に伝達しないため、典型的には、生理食塩水又は他の同様のフラッシュが要求される。生理食塩水が、回転駆動シャフトのために生体適合潤滑剤も提供する。カテーテル１０２の遠位部の音響的に透明な窓１２４内での変換器ハウジングの軸方向の動きを促進するべくカテーテル／シースアセンブリー１１２が伸長若しくは短縮されることを許容する、入れ子になった筒状部材とスライディング流体シールを含むテレスコープ１２２にハブ１１８が結合される。幾つかの実施形態においては、窓１２４が、微小の減衰、反射、又は屈折で変換器と導管組織の間で超音波を簡単に伝える材料（群）から製作された薄壁のプラスチックチューブから成る。カテーテル／シースアセンブリー１１２の近位シャフト１２６が、テレスコープ１２２と窓１２４の間の区分を橋渡し、超音波を伝える必要はなく、円滑な内部ルーメン及び最適な剛性を提供する材料又は複合材から成る。
【００３７】
ここで図３を参照すると、そこに図示されるのは、本開示の実施形態に係るカテーテル１０２の遠位部の側面断面図である。端的には、図３は、イメージングコア１１０の遠位部の態様の拡大図を図示する。この例示の実施形態においては、ステンレス鋼により製作され、丸み付けられたノーズ１２６及び超音波ビーム１３０がハウジング１１６から放射されるための切り欠き１２８が設けられたハウジング１１６により、イメージングコア１１０が、その遠端の先端部で終端される。幾つかの実施形態においては、イメージングコア１１０のフレキシブル駆動シャフト１３２が、ステンレス鋼ワイヤーが反対に巻かれた２以上の層から成り、溶接、若しくは他の方法でハウジング１１６に固定され、フレキシブル駆動シャフトの回転もハウジング１１６の回転に加えられる。図示の実施形態においては、ＰＭＵＴ・ＭＥＭＳ１３８が、球状フォーカスされた変換器１４２を含み、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）１４４を支持する。ＡＳＩＣ１４４が、２以上の接点を介してＰＭＵＴ・ＭＥＭＳ１３８に電気的に結合される。この点について、本開示の幾つかの実施形態においては、ＡＳＩＣ１４４が、上述のように、アンプ、トランスミッター、及びＰＭＵＴ・ＭＥＭＳに関連した保護回路を含む。幾つかの実施形態においては、ＡＳＩＣ１４４が、異方性導電性接着剤を用いてＰＭＵＴ・ＭＥＭＳ１３８の基板にフリップチップ実装され、若しくは適切な代替のチップ・トゥ・チップ・ボンディング方法が用いられる。一緒にアセンブルされる時、ＰＭＵＴ・ＭＥＭＳ１３８とＡＳＩＣ１４４が、ＡＳＩＣ／ＭＥＭＳハイブリッドアセンブリー１４６を形成し、これがハウジング１１６内に実装される。オプションのシールド１３６を有する電気ケーブル１３４が、半田１４０でＡＳＩＣ／ＭＥＭＳハイブリッドアセンブリー１４６に取り付けられる。電気ケーブル１３４が、フレキシブル駆動シャフト１３２の内側ルーメンを通じてイメージングコア１１０の近位端まで延び、そこで、図２に図示の回転インターフェイス１１４の電気コネクター部分に終結される。図示の実施形態においては、ＡＳＩＣ／ＭＥＭＳハイブリッドアセンブリー１４６が、エポキシ１４８又は他の結合剤によりハウジング１１６に対して定位置に固定される。エポキシ１４８は、ハウジング１１６内を伝播する音響反響を吸収する音響支援材料としても機能し、ＡＳＩＣ／ＭＥＭＳハイブリッドアセンブリー１４６に半田付けされるところの電気ケーブル１３４の張力緩和材としても機能する。
【００３８】
ここで図４〜６を参照すると、ＡＳＩＣ／ＭＥＭＳハイブリッドアセンブリー１４６を形成するＰＭＵＴ・ＭＥＭＳコンポーネント１３８及びＡＳＩＣ１４４の追加の態様が図示される。図４〜６の実施形態におけるＭＥＭＳコンポーネント１３８は、パドル形状のシリコンコンポーネントであり、ピエゾ電気ポリマー変換器１４２が、ＭＥＭＳコンポーネント１３８の遠位端に設けられた基板の幅広部１４９に設けられる。幅広部１４９の近位に位置する基板の幅狭部では、ＡＳＩＣ１４４がＭＥＭＳコンポーネント１３８に実装される。この点において、ＭＥＭＳコンポーネント１３８が１０個の結合パッドを含み、ＡＳＩＣがＭＥＭＳ１３８上にフリップチップ実装される時、ＭＥＭＳ１３８の結合パッド１５０、１５１、１５２、１５４、１５６、及び１５８が、各々、（図６に示される）ＡＳＩＣ１４４の６個の結合パッド１７２、１７０、１８０、１７８、１７６、及び１７４に対向するように構成される。フリップチップ実装が、異方性導電性接着剤、ゴールド・トゥ・ゴールド熱超音波（gold-to gold thermosonic）ボンディング、及び／又は他の適切な方法を用いて達成される。半田リフローは、幾つかの場合、この用途にとっては便利ではない。なぜなら、共重合変換素子は、従来の半田付け温度よりも十分に低い、１００℃ほどの低温で減極（depoling）を受けるためである。異方性導電性接着剤は、低温度硬化を構築するまで硬化時間が増される限りにおいて１００℃未満の温度で硬化可能である。この実施形態においては、結合パッド１５２、１５４、１５６及び１５８は、ＭＥＭＳ基板上に含まれる導電性配線により、結合パッド１６２、１６４、１６６、及び１６８に結合され、結合パッド１６２、１６４、１６６、及び１６８が、図３に示すように、電気ケーブル１３４の４本の配線の終端として機能する。この点について、電気ケーブル１３４の４本の配線は、結合パッド１５２、１５４、１５６及び１５８に電気的に結合された結合パッド１６２、１６４、１６６、及び１６８に半田付けされ、若しくは他の方法で強固に固定される。他の実施形態においては、電気ケーブル１３４の４本の配線が、ＡＳＩＣ結合パッド１７４、１７６、１７８、及び１８０に直接的に半田付けされ、さもなければ強固に取り付けられる。
【００３９】
ここで図７及び８を参照すると、本開示の別の実施形態に係るＡＳＩＣ／ＭＥＭＳアセンブリー１９０が図示される。この点について、ＡＳＩＣ／ＭＥＭＳアセンブリー１９０は、上述のイメージングコア１１０といったイメージングコアの遠位部内に位置するように構成される。ＡＳＩＣ／ＭＥＭＳアセンブリー１９０は、ＡＳＩＣ１９４が埋め込まれたＭＥＭＳ基板１９２を含むモノリシック構造である。この点について、ＡＳＩＣ／ＭＥＭＳアセンブリー１９０が、ＡＳＩＣ／ＭＥＭＳハイブリッドアセンブリー１４６に関して上述したものと同様の特徴及び機能を含む。従って、同一の参照番号が、類似の特徴を参照するために用いられる。しかしながら、図７及び８の例示の構成においては、ＡＳＩＣ１９４及びＭＥＭＳ１９２が同一のシリコンウェハー上に製作されてモノリシック装置を製造する。この点について、ＰＭＵＴ構造を形成するために用いられるＭＥＭＳプロセスが、ＡＳＩＣを形成するために用いられるＣＭＯＳプロセスに適合する。従って、幾つかの場合、ＡＳＩＣ回路がまずウェハー上に作製され、次に、同一のウェハーがＭＥＭＳファンドリーを通じて処理されて変換器構造が加えられる。結果物のモノリシック構造が、パドル形状のＭＥＭＳ１９２から成り、基板の幅広部１４９に変換器１４２が配置され、幅広部の近位に延びる基板の幅狭部にＡＳＩＣ１９４が埋め込まれる。アセンブリー１９０のためのこのモノリシック手法は、より簡素な機械構造を製造し、ＡＳＩＣとＭＥＭＳコンポーネントのフリップチップ結合の必要性を除外する。しかしながら、モノリシック手法は、製造プロセスの複雑性を増加させる。なぜなら、ＡＳＩＣとＭＥＭＳ特徴及び関連の処理技術の両方が、お互いに干渉することなく、単一ウェハー上に共存しなければならないためである。更には、続けて説明のように、アセンブリープロセスを単純化し、若しくは変換器を適切な角度で実装し、ドップラーカラーフローイメージング（Doppler color flow imaging）を有効にするために変換器（ＭＥＭＳ）から電子回路（ＡＳＩＣ）を分離することが有利であり得る。
【００４０】
ここで図９を参照すると、本開示の別の実施形態に係るイメージングコア２００の遠位部の側面断面図が図示される。イメージングコア２００が、上述のカテーテル１０２のイメージングコア１１０と同様である。この点については、イメージングコア２００が、イメージングコア１１０に関して上述したものと同様の特徴及び機能を包含する。従って、同一の参照番号が類似の特徴に言及するために用いられている。例えば、イメージングコア２００が、そこに形成された変換器１４２を有するＭＥＭＳ１３８と、ＭＥＭＳ１３８に電気的に結合されたＡＳＩＣ１４４を含む。しかしながら、図９の例示構成においては、ＡＳＩＣ１４４及びＭＥＭＳ１３８コンポーネントが一緒にワイヤーボンドされ、変換器ハウジング１１６に実装され、エポキシ１４８又は他の結合材で定位置に固定され、ＡＳＩＣ／ＭＥＭＳハイブリッドアセンブリー１４６を形成する。この実施形態においては、ケーブル１３４のリード線が、直接的にＡＳＩＣ１４４に半田付けされ、若しくは他の方法で電気的に結合される。この構成の幾つかの実施形態においては、ＭＥＭＳコンポーネント１３８は、図４及び５に図示されたパドル形状の装置の切頭バージョンであり、パドルが除去された狭い「ハンドル」部分を有する。ワイヤーボンドの手法の一つの利益は、変換器１３３を支持するＭＥＭＳコンポーネントが、ハウジング１１６及びイメージングコア２００の長軸に関して斜めの角度で実装され、超音波ビーム１３０がイメージングコアの中心長軸に対する垂線に関して斜めの角度で伝播する。この傾斜角が、変換器とカテーテルシース１１２の間の空間で反射し得るシースエコーを減少することに役立ち、また、各々がその全体において参照により本明細書に組み込まれ、各々が、本出願と同日に出願された、「イメージング及び血流速度測定のための装置及びシステム」と題された米国特許出願Ｎｏ．６１／６４６，０８０、及び「イメージング及び導管の血流測定のための超音波カテーテル」と題された米国特許出願Ｎｏ．６１／６４６，０７４に開示のように、ドップラーカラーフローイメージングも促進する。
【００４１】
ここで図１０を参照すると、本開示の別の実施形態に係るイメージングコア２１０の遠位部の側面断面図が図示される。イメージングコア２１０は、上述のカテーテル１０２のイメージングコア１１０及び／又はイメージングコア２００と同様である。この点について、イメージングコア２１０が、イメージングコア１１０及びイメージングコア２００についてした上述のものと同様の特徴及び機能を包含する。従って、同一の参照番号が、再度、類似の特徴に言及するために用いられている。図１０の例示構成においては、ＡＳＩＣ１４４及びＭＥＭＳ１３８が、フレキシブル回路基板２１２上に一緒に実装され、ＡＳＩＣ／ＭＥＭＳハイブリッドアセンブリー１４６を形成し、これが、次に、ハウジング１１６内に実装され、エポキシ１４８又は他の結合材で定位置に固定される。電気ケーブル１３４、ＡＳＩＣ１４４、及びＭＥＭＳ１３８の各々が、フレキシブル回路基板２１２に対して半田付けされ、ボンディング、及び／又は他の方法で電気的に結合され、フレキシブル回路２１２内の配線が、電気ケーブル１３４、ＡＳＩＣ１４４、及びＭＥＭＳ１３８の配線内の信号を伝送し、イメージングコア２１０の動作を促進する。この構成のため、ＭＥＭＳコンポーネント１３８は、好ましくは図４及び５に図示のパドル形状の装置の切頭バージョンであり、パドルが除去された狭い「ハンドル」部分を有する。このフレキシブル回路の手法は、ＭＥＭＳコンポーネント１３８が斜めの角度で実装される変換器１４２を支持することを許容し、超音波ビーム１３０が、イメージングコアの中央長軸に対する垂線に対して斜めの角度で伝播することについて、図９のワイヤーボンドの手法と同一の利益を共有する。この傾斜角が、変換器とカテーテルシース１１２の間の空間で反射し得るシースエコーを減少することに役立ち、また上述のようにドップラーカラーフローイメージングを促進する。
【００４２】
ここで図１１を参照すると、本開示の実施形態に係るＡＳＩＣ構成のブロック図３００が図示される。この点について、図１１のＡＳＩＣ構成が、上述の実施形態で記述のＡＳＩＣ１４４の使用に適する。図示のように、回路アーキテクチャーが、ＰＩＭ１０４へ４本のワイヤーインターフェイスを用い、ＰＩＭ＋、ＰＩＭ−、ＨＶ（高電圧）、及びＧＮＤ（グランド）と付与された４つの信号を含む。ＰＭＵＴ１４２に回路を接続する２つのリード線がある。ＡＳＩＣの主要な構成要素は、差動線レシーバー３０２、送信／受信タイミング及びロジック回路部３０４、オプションのシリアル通信ロジック回路部３０６、パルサー回路３０８、保護回路３１０、及びアンプ３１２である。
【００４３】
ＰＩＭ＋／−配線対が多数の機能を果たす：（１）ＰＩＭから平衡差動信号として送信トリガーパルスを伝送し、ＡＳＩＣ上に含まれるトランスミッター及びタイミング回路を活性化する、（２）ＡＳＩＣのアンプ出力からＰＩＭへ帰還する平衡出力信号を伝達する、（３）グランド配線に参照される、配線対上のコモンモード電圧として低電圧ＤＣ電力を供給する、（４）ＡＳＩＣにおける電力損失を最小化するために必要なアンプ回路のオン及びオフを切り替えるためのレシーバータイミング信号を提供する、及び（５）プログラム可能性といった進歩した機能をサポートするためのシリアル通信チャネルを形成する。ＰＩＭ＋／−配線対は、平衡差動終端を形成し、ケーブル反射及び伝送線を通じて伝播する信号の歪を最小化する一対の抵抗器３１４によりＡＳＩＣ上で終端される平衡伝送線により実施される。典型的には、合計差分抵抗値（total differential resistance）が、７５Ωといった伝送線の特性インピーダンスに整合する。しかしながら、伝送線が、幾つかの実施形態おいては、より大きい若しくはより小さい抵抗値を有する。ＰＩＭ＋／−配線対が、平衡差動信号対の形態において、ＰＩＭからＡＳＩＣへ様々なデジタル信号を伝送する。幾つかの実施形態においては、信号の差動振幅がＡＳＩＣで〜９ＶP-Pである。この差動信号対が、３つの取り得る状態を表す：正（ＰＩＭ＋＝ハイ、ＰＩＭ−＝ロー）、負（ＰＩＭ＋＝ロー、ＰＩＭ−＝ハイ）、又はアイドル（ＰＩＭ＋及びＰＩＭ−の両方が、名目上、コモンモード電圧に等しい。）。これらのデジタル信号が、パルサー回路３０８を活性化する送信トリガーパルスシーケンス、アンプ３１２を低電力状態に切り替える受像期間終了パルス、及び／又は回路を構成又は上述のように回路内に組み込まれる得る様々な進歩した特徴を有効化するシリアル通信コードを表す。アイドル状態の過程では、アンプ出力でバッファーされたエコー信号が低レベル信号として差動対上を伝送され、典型的には、差動振幅が１ＶP-Pよりも大きくない。幾つかの場合、ＰＩＭ＋／−配線対のコモンモード電圧が、差動終端抵抗の中間点から取られ、チップのための低電圧電源を提供する。低電圧電源が、約１００ｐＦのコンデンサー３１６によりフィルターされる。ＰＩＭ＋／−配線対により伝送される全ての信号が平衡差動信号であるため、供給電圧には殆どリップルがない。更には、低電圧供給電流が低いため（幾つかの場合、＜１ｍＡ、終端抵抗器を通過することなく、ＰＩＭ＋／−線からアンプ出力トランジスターへ直接的に流れるアンプ出力電流を遮断する）、終端抵抗器（又はケーブル配線の抵抗）の間で微小の電圧降下がある。
【００４４】
ＨＶ信号線が、ＡＳＩＣへ高電圧ＤＣサプライを伝送し、典型的には、４０Ｖ〜２００Ｖの範囲であり、送信回路３０８に電力を供給し、これが図示の実施形態においてはＨブリッジとして形成される。ＡＳＩＣ上に含まれる小さい高電圧フィルターコンデンサー１８（例えば、約５ｐＦと約２５ｐＦの間であり、幾つかの特定の実施形態においては約１０ｐＦ）がある。より大きい高電圧コンデンサー、例えば、２５ｐＦよりも大きいものをＡＳＩＣ上に含めることは難しい。なぜなら、そのようなコンデンサーが、血管内イメージング装置内の使用のために大きさ調整されなければならないＡＳＩＣのうち非常に大きい範囲を占めるためである。しかしながら、１６０ｃｍのケーブル長のための約２００ｐＦの分散ケーブル容量が、オンチップコンデンサーに顕著な補足を提供し、高電圧サプライの安定化に役立つ。
【００４５】
差動線レシーバー３０２が、３つの状態（正、負、アイドル）の一つを表す差動ＰＩＭ＋／−信号をラインレシーバーの出力で一対のＣＭＯＳロジックレベルに変換する。一実施形態においては、正の状態がハイ及びローにより表され、負の状態が、ロー及びハイにより表され、アイドル状態が、２つのローにより表され、２つのハイレベルの組み合わせが、差動線レシーバーの出力の無効な状態である。正、負、及び／又はアイドルのための信号レベルの代替の組み合わせが、他の実施形態において用いられる。これらのＰＩＭ１０４から変換された制御信号が送信／受信タイミング及びロジック回路部３０４、オプションのシリアル通信ロジック回路部３０６に伝送される。
【００４６】
送信／受信タイミング及びロジック回路部３０４が、パルサー、レシーバー、及び保護回路を活性化するためのロジック信号を生成する。Ｈブリッジパルサー３０８が、パルサーを構成する４つのスイッチを活性化するために４つのロジック信号を要求し、これらの制御信号が、典型的には、高インピーダンス、ポジティブ、ネガティブ、ダンピング、及びエコー信号を受信するための高インピーダンスへと最終的に戻る適切な状態シーケンスを通じてパルサーを遷移させなければならない。パワーオンのシーケンスや他のフォールト状態といった異例の動作の期間でさえ、高電圧送信パルスからアンプ３１２が常に保護されることを確証するため、保護回路３１０は、パルサー動作に注意深く調和されなければならない。幾つかの実施形態においては、アンプ３１２が、単一の制御信号を要求し、必要なようにアンプを使用可能及び使用不能にする。幾つかの実施形態においては、アンプ３１２が、回路の最大の電力消費素子であり、従って、最低の電力損失のため、アンプ３１２が、上述のように必要ではない時、低電力状態に切り替えられる。
【００４７】
オプションのシリアル通信ロジック回路部３０６が、ＰＩＭ＋／−配線上のシリアル通信シーケンスをデコードし、これらのシーケンスをＡＳＩＣのための構成又は制御データに変換する。これらのシリアルコマンドを介してオンチップレジスターに記憶される構成ビットが、回路の様々なオプションの機能を活性化することができ、特定の製品種及び／又はイメージング用途のためにそのパフォーマンスを最適化する。例えば、幾つかの場合、構成ビットが、回路のゲイン及び／又は周波数応答を調整する及び／又は送信／受信タイミングを変更するために用いられる。
【００４８】
Ｈブリッジパルサー回路３０８が、高電圧送信パルスを生成し、ピーク間振幅が約高電圧サプライの２倍である。パルサー３０８を構成する４つのスイッチを活性化するための１６個の可能な組み合わせがあるが、幾つかの実施形態においては、ただ４つの組み合わせが用いられる。そのような実施形態においては、４つのパルサー状態は、（１）４つの全スイッチが開かれ、変換器上の低レベルのエコー信号の受信を促進する高インピーダンス、（２）スイッチＢ及びＣが閉じられ、Ａ及びＤが開かれ、ＨＶを変換器の正側、グランドを負側に付与する正出力、（３）スイッチＡ及びＤが閉じられ、Ｂ及びＣが開かれ、変換器の正側にグランド、負側に高電圧を付与する負出力、及び（４）スイッチＡ及びＢを閉じ、Ｃ及びＤを開き、変換器の両側をグランドに接続するダンピングモードである。残りの１２個の状態が、フォールト状態を表し、及び／又は特定の利益を提供しない。
【００４９】
保護回路３１０が、高電圧送信パルスからセンスアンプ入力を隔離する。保護回路３１０は、パルス送信の間にパルサーと変換器をアンプ入力から非接続にする直列スイッチＥ及びＦの一つの対と、アンプ入力をグランドにシャントするスイッチＧ及びＨの第２の対から成り、直列のスイッチを通じて漏れる任意の信号からアンプ入力を保護する。保護回路３１０は、好ましくは、パルス送信の前に活性化され、パルス送信の終了後の短い期間だけその保護モードに留められ、保護を通過するパルス送信の開始又は終了での過渡期がないことを確証する。パルス送信の終了後の短い時間、パルサーが高インピーダンス状態に推移し、ここで、それが変換器から効果的に隔離され、また保護回路が非活性化され、変換器からのエコー信号がアンプ入力に到達することができる。保護回路が非活性化される時、直列スイッチＥ及びＦが閉じられ、変換器がアンプ入力に接続され、また、アンプ入力信号を減衰しないようにシャントスイッチＧ及びＨが開かれる。
【００５０】
アンプ３１２は、高インピーダンス（低容量）変換器１４２からエコー信号を受け取り、ＰＩＭ＋／−伝送線の特性インピーダンスに整合するようにインピーダンスを変換する。典型的には、アンプは、顕著な電流ゲインを提供するが、高い出力インピーダンスの電流出力段を有する。ＡＳＩＣの有効な出力インピーダンスは、次に、終端抵抗器３１４により確立される。アンプ３１２は、インピーダンス変換に加えて、電圧ゲインを提供するが、典型的なＰＭＵＴの４ｋΩインピーダンスからアンプ出力の７５Ωインピーダンスへのインピーダンス変換に関連の電力ゲインが、既に〜１７ｄＢの顕著な電力ゲインを表す。保護回路３１０は、高電圧送信パルスからアンプ入力を隔離し、送信／受信ロジック及びタイミング回路部３０４からの信号を使用可能にして所望の受像期間だけアンプ３１２を作動させ、これにより、典型的には回路全体の最大の電力の排路である、アンプ３１２の平均電力損失が最小化される。
【００５１】
ここで図１２を参照すると、本開示の実施形態に係る回路アーキテクチャーのためのタイミング図５００が図示される。この点について、タイミング図５００は、上述の図１１のＡＳＩＣ構成を含む、本開示の実施形態での使用に適する。従って、明確性のため、タイミング図５００が、図１１のＡＳＩＣ構成の内容において説明する。図示のように、送信／受信シーケンスが、ＰＩＭ＋／−差動信号対を通じて伝送される、ＰＩＭからの送信トリガーパルスシーケンスにより開始される。差動信号が、差動線レシーバー３０２により調整され、３つの可能なＰＩＭ＋／−差動信号対の状態（正、負、及びアイドル）を表すＡＳＩＣ内の内部使用のためのＰＬＵＳ（プラス）及びＭＩＮＵＳ（マイナス）の一対のＣＭＯＳ信号を生成する。ＰＬＵＳ又はＭＩＮＵＳパルスの先導エッジがタイミング信号、ＤＡＭＰ（ダンプ）及びＲＥＣＥＩＶＥ（レシーブ）をトリガーし、Ｈブリッジパルサー３０８を活性化して送信パルスを生成する。幾つかの場合、送信波形のバースト長、極性、及び幅が、ＰＩＭ＋／−差動信号対を介して伝送される送信トリガーパルスシーケンスにより制御される。効果においては、Ｈブリッジパルサー３０８が、ＰＩＭ＋／−配線上のトリガー波形を複製するが、高電圧電源の約２倍のピーク間振幅である。この図示例においては、送信パルスが単一サイクル波形であるが、他の実施形態においては、単一ハーフサイクル及び／又は多数のサイクルバーストであり、パルス幅及びバースト長が、所望の変換器中心周波数及びバンド幅のための送信スペクトルを最適化するように調整される。単一サイクル送信波形を生成するため、送信／受信タイミング及びロジック回路３０４が、パルサー３０８を状態シーケンスで遷移させ、高インピーダンス（Ｚ）状態から開始し、正、負、及びダンピング状態が続き、その後、ＤＡＭＰタイミングパルスの終了時に高インピーダンス状態に戻る。ＤＡＭＰパルスの終了時、パルサー３０８が高インピーダンス状態に戻り、ＲＥＣＥＩＶＥ信号が保護回路３１０を非活性化し、アンプ３１３を活性化し、変換器１４２から超音波エコー信号を受け取り、ＰＩＭ＋／−配線を通じたＰＩＭに戻す伝送と、ＰＩＭ自体又はＩＶＵＳコンソール又はプロセッサーによる更なる増幅及び信号処理のため、それを増幅する。ＲＥＣＥＩＶＥタイミング信号は、ＡＳＩＣ内のワンショットタイミング回路により終端され、若しくはオプションとしてＰＩＭ＋／−配線を介してパルスが送信される。受像期間の終了後、アンプ３１２が低電力アイドル状態に戻り、保護回路３１０が開かれてパルサー３０８及び変換器１４２からアンプ３１２を隔離し、パルサー３０８が高インピーダンス状態に留まり、次の送信トリガーパルスまで待機する。
【００５２】
本明細書に記述の回路アーキテクチャー及び電気インターフェイスが、ポリマー圧電物質微小超音波変換器との使用に特に好適であり、この進歩した変換器技術の使用を可能にすることにより、血管内超音波イメージングにおける幾つかの重要な進歩を促進する。ポリマーＰＭＵＴが、そのフォーカスされた開口部及び広いバンド幅のおかげで全ての３次元において高解像度を約束し、本出願に記述の実施形態が、そのような装置の主要な制約、つまり：長い伝送線で信号を直接的に駆動できない能力及びポリマー圧電物質の低い送信効率を克服する。更に、本開示の主題である回路アーキテクチャーが、変換器の直に隣接してバッファーアンプを提供し、変換器から受け取った超音波エコー信号をＰＩＭ及びＩＶＵＳ処理コンポーネントに戻す効率的な配送が確証され、他方、パルサーが変換器に直接的に高電圧パルスを配送し、従来の回転ＩＶＵＳシステムで経験した顕著なケーブル損失がない。
【００５３】
当業者は、上述の機器、システム、及び方法が様々な方法において修正されることを理解するだろう。従って、当業者は、本開示により指南される実施形態が、上述の特定の例示の実施形態に限定されないものと理解する。この点について、図示の実施形態が図示及び記述されたが、広範囲の修正、変更、及び代用がこれまでの開示において想定される。本開示の範囲から逸脱することなくそのような変更が上述のところに為されることが理解される。従って、添付請求項が、広く、また本開示に一貫する態様で広く解釈されることが適切である。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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