JP3868724B2 - 超音波血管内視鏡システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザを集光させ誘電破壊（レーザブレークダウン）を生じさせることによって発生した超音波を用いて、狭窄が生じた血管を可視化する超音波血管内視鏡システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の技術としては、例えば、
（１）「医用超音波器ハンドブック」、日本電子機械工業界編 コロナ社刊 １９９７．１．２０発行、
（２）特開平１１−１２８２２９号公報に開示されるものがあった。
【０００３】
従来の超音波血管内視鏡においては、ビーム超音波を円周方向に走査して血管断面を獲得するようにしている。
【０００４】
以下、その点を詳細に説明する。
【０００５】
血管の狭窄部位の治療は、血管内にガイドワイヤを貫通させ、そこに挿入したバルーンを用いて病変を穿つ方法が採用されており、この時ワイヤを狭窄部位に過不足なく貫通させることが重要である。そのため、小型で、超音波により前方から３次元的にかつ実時間で可視化できるシステムが切望されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
現行の超音波血管内視鏡は、プローブ軸に対して９０度の方向に超音波を発信し、回転させて血管断面の２次元像を得ているが、３次元像取得には時間を要し、また、狭窄部の更に先の情報が得られない。これは現在、無指向性の超音波作成の手法がないことによる。
【０００７】
さらに、従来の超音波血管内視鏡においては、圧電素子を用いてビーム超音波を発生させて円周方向に走査することにより画像を獲得していたが、血管断面の２次元情報しか得られないという問題点があった。
【０００８】
本発明は、上記問題点を除去し、超音波を血管の狭窄部の前方に送波して、内視鏡の前方向を可視化するイメージング手法を用いたレーザブレークダウンによる超音波血管内視鏡システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するに、
〔１〕超音波血管内視鏡システムにおいて、体外に設置されるレーザ発生装置と、このレーザ発生装置から照射されるレーザを光ファイバを介して血管内に導入するとともに、該光ファイバの先端部に設けられるレンズと誘電体とを有するプローブと、前記誘電体で生じるレーザブレークダウンを用いた超音波の発生手段と、前記レーザブレークダウンにより放射される超音波による血管の狭窄部位からの反射波を受信する前記プローブ先端に配置する複数のハイドロホンと、この複数のハイドロホンからの受信信号から合成開口法により前記狭窄部位の狭窄形状の画像を作成する手段とを具備することを特徴とする。
【００１０】
〔２〕上記〔１〕記載の超音波内視鏡システムにおいて、前記誘電体は水、重水、エタノールであることを特徴とする。
【００１１】
〔３〕上記〔２〕記載の超音波内視鏡システムにおいて、前記水は蒸留水に直径２００ｎｍのポリスチレン粒子を分散することを特徴とする。
【００１２】
〔４〕上記〔１〕記載の超音波内視鏡システムにおいて、前記レーザは１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザであることを特徴とする。
【００１３】
〔５〕上記〔１〕記載の超音波内視鏡システムにおいて、前記複数のハイドロホンは１６から６４個のハイドロホンを前記プローブの同心円上に配置することを特徴とする。
【００１４】
本発明の超音波内視鏡システムにおいては、指向性の低い超音波を送波し、計測対象からの反射波を複数の超音波振動子で受信し、開口合成法を用いて３次元可視化を行うものである。
【００１５】
前方の広い範囲を可視化するためには、送波超音波としては無指向性の波が好ましく、そのためには、圧電素子によって生成される超音波ではなく、集光したレーザが誘電破壊を起こす際に生じる超音波を用いる。
【００１６】
また、受信専用の超音波振動子を用いるため、受波感度の高い高分子材料系のハイドロホンを受波子として用いる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
図１は本発明の実施例を示すレーザブレークダウンを用いた超音波血管内視鏡システムの模式図である。
【００１９】
この図において、１は血管、２はその血管１の狭窄部位、１１は体外に設置されたレーザ発生装置、１２は光ファイバ、１３はそのレーザ発生装置１１から照射されるレーザであり、体外に設置されたレーザ発生装置１１より発生したレーザ１３は、光ファイバ１２を用いて血管１内を通って、所望の部位まで導入される。１４はそのレーザ１３を集光するレンズ、１５は集光されたレーザが作用する誘電体としての水槽であり、内視鏡の内部に導入されたレーザ１３は、内視鏡内に設置されたレンズ１４で、同じく内視鏡内の小さな水槽１５にて集光される。集光されたレーザは高いエネルギ密度状態と化し、誘電破壊、つまり、レーザブレークダウン１６が引き起こされる。この誘電破壊（レーザブレークダウン）１６により、光と熱と超音波が発生するが、このうちの超音波（前方球面波）を距離計測に用いる。つまり、指向性の低い超音波１７を送波し、計測対象としての血管１の狭窄部位２からの反射波を複数の超音波振動子としての高分子製ハイドロホン１８で受信し、増幅器１９で増幅した後、３次元可視化装置２１〔受波信号のみをチェックする場合には、デジタルオシロスコープ（ＤＳＯ）〕を用いて開口合成法で狭窄部位２の３次元可視化を行う。なお、２０はレンズ１４、水槽１５を有する光ファイバ１２からなるプローブである。
【００２０】
さらに、詳細に説明すると、誘電体としての水槽１５には、ポリスチレン粒子（直径２００ｎｍ）を分散させた蒸留水を満たし、レーザ１３としては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを集光させると、集光点付近の媒質を誘電破壊し、光や超音波を発生させるレーザブレークダウン１６が起こる。この時の収束点を絞ることによって、無指向性の球面波の超音波を発現した。この波形はリンギングが極めて少ない。内視鏡において、体外に設置したレーザ発生装置１１からのレーザ１３を光ファイバ１２でプローブ２０に導入し、レンズ１４で同じくプローブ２０内の小さな水槽１５にて集光させる。集光させたレーザは高いエネルギー密度と化し誘電破壊を生じ、無指向性の超音波１７を生じる。プローブ２０先端には受信用のハイドロホン１８を複数個設置し、エコーを受信する。各ポイントでのエコーから合成開口法により前方３次元画像を作成する。血管の診断に威力があり、更にＣＣＤ等の光学的手法が使えない場所での画像取得にも有用である。
【００２１】
上記したように、レンズ１４と水槽（誘電体）１５は光ファイバ１２からなるプローブ２０内に設置する。誘電体１５は水、重水、エタノールである。レーザ集光スポットは１０μｍ以内、好ましくは１μｍ以内であり、スポットが小さいほど無指向性の超音波になる。レーザ１３は、例えば、１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザであり、プローブ２０先端に超音波受信用の複数のハイドロホン１８を設置する。好ましくは１６から６４個のハイドロホンをプローブ２０の周囲に同心円上に配置する。そこで、複数のハイドロホン１８からの受信信号から合成開口法により画像を作成する。従ってハイドロホン１８の数は多いほど好ましい。
【００２２】
以下、具体例について説明する。
【００２３】
レーザ１３はＮｄ：ＹＡＧレーザは１０６４ｎｍ、パルス幅６ｎｓであり、繰り返し１０Ｈｚ、パルスエネルギー最大１８０ｍＪである。
【００２４】
レンズ１４はｆ＝３０ｍｍが望ましく、λ／２と偏光子はレーザ強度の調整に用いる。水槽１５は蒸留水に直径２００ｎｍのポリスチレン粒子を分散する。特に、水は１０６４ｎｍに吸光がないため、熱の発生を抑えられる。
【００２５】
ハイドロホン１８はＰＺＴニードルハイドロホンを用いる。
【００２６】
球面超音波の発生は、この時に発生する超音波をＰＺＴニードルハイドロホンを用いて受波し、増幅した後に、デジタルオシロスコープにて格納する。受波信号の一例を図２に示す。
【００２７】
入力のレーザは非常に幅の短いパルスであるので、図２に示した波形は、ＰＺＴニードルハイドロホンおよび増幅器を含めた計測系のインパルス応答と見なすことができる。図２から分かるように、レーザブレークダウンによる超音波は、０．２μｓｅｃの間に拡張、収縮が一回ずつ生じる単一正弦波である。ところで球面波が発生すると、それに伴う反射波も指向性がない。大きなピークの後に続く波は、セラミクス系の振動子で生成した超音波に見られるようなリンギングではなく、水面や水槽の底面等からの反射波である。従って、この計測系には大きなリンギングは存在しない。
【００２８】
さらに、レーザブレークダウンで生じる超音波を複数の点で計測し、そこから伝播する波面を描画した。その一例を図３に示す。この図３は、レーザブレークダウン発生から、約３５μｓｅｃ後の音場分布である。
【００２９】
中央の点がレーザブレークダウンが発生した地点で、各格子の頂点が計測点である。また、格子の歪みは、各計測点での受波信号の大きさを表している。これより、波が等方的に伝播している。すなわち、球面波が発生しているのが確認できた。
【００３０】
本発明のレーザブレークダウンで生じた超音波を用いて画像再構成する場合、図２に示したようにリンギングが極めて少なく、量子化された計測点からのデータはパルス列と見なせる。また、図３に示したように無指向性であるため、データの足し合わせの際に、重みを考慮する必要がないという特徴を有する。従って、再構成アルゴリズムによる画像再構成を施した。図４はその画像再構成の手法の説明図である。
【００３１】
ここでは、計測対象としては、長さが数ｃｍである６角レンチを選び、水槽の中に配置して、反射波をＰＺＴニードルハイドロホンを用いて複数点で計測した。増幅後の波形の一例を、図５に示す。
【００３２】
直接受波した信号と比べると強度的には小さくなっているものの、この反射信号は３次元計測の用途に十分な振幅を持つ。ここで、上述したような単純な同相加算による画像再構成を施した。計測対象を再構成した結果を図６に示す。
【００３３】
図６（ａ）は計測対象を上から見た３次元画像であり、細長い部分が再構成できている。また、図６（ｂ）は横から見た画像であり、矢印で示した部分が折れ曲がっている部分である。このように球面波を用いると、単純な画像再構成アルゴリズムでも、高画質の結果を得ることができた。
【００３４】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００３６】
（Ａ）レーザブレークダウンによる超音波を送波するが、これは指向性がないため、前方の広い範囲を可視化することができ、血管内部の診断に非常に有用となる。
【００３７】
（Ｂ）レーザブレークダウンによる超音波は、リンギングのないパルス状のものであるため、非常に高い解像度の画像を再構成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例を示すレーザブレークダウンを用いた超音波血管内視鏡システムの模式図である。
【図２】 本発明に係る受波信号の一例を示す図である。
【図３】 本発明に係るレーザブレークダウンによる超音波伝搬の様子を示す図である。
【図４】 本発明に係る画像再構成方法を示す図である。
【図５】 本発明に係る計測対象からの波形を示す図である。
【図６】 本発明に係るレーザブレークダウンによる画像再構成結果を示す図である。
【符号の説明】
１ 血管
２ 血管の狭窄部位
１１ 体外に設置されたレーザ発生装置
１２ 光ファイバ
１３ レーザ
１４ レンズ
１５ 水槽（誘電体）
１６ レーザブレークダウン
１７ 指向性の低い超音波
１８ 高分子製ハイドロホン
１９ 増幅器
２０ プローブ
２１ ３次元可視化装置

Claims (5)

1. （ａ）体外に設置されるレーザ発生装置と、
   （ｂ）該レーザ発生装置から照射されるレーザを光ファイバを介して血管内に導入するとともに、該光ファイバの先端部に設けられるレンズと誘電体とを有するプローブと、
   （ｃ）前記誘電体で生じるレーザブレークダウンを用いた超音波の発生手段と、
   （ｄ）前記レーザブレークダウンにより放射される超音波による血管の狭窄部位からの反射波を受信する前記プローブ先端に配置する複数のハイドロホンと、
   （ｅ）該複数のハイドロホンからの受信信号から合成開口法により前記狭窄部位の狭窄形状の画像を作成する手段とを具備することを特徴とする超音波血管内視鏡システム。
2. 請求項１記載の超音波内視鏡システムにおいて、前記誘電体は水、重水、エタノールであることを特徴とする超音波血管内視鏡システム。
3. 請求項２記載の超音波内視鏡システムにおいて、前記水は蒸留水に直径２００ｎｍのポリスチレン粒子を分散することを特徴とする超音波血管内視鏡システム。
4. 請求項１記載の超音波内視鏡システムにおいて、前記レーザは１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザであることを特徴とする超音波血管内視鏡システム。
5. 請求項１記載の超音波内視鏡システムにおいて、前記複数のハイドロホンは１６から６４個のハイドロホンを前記プローブの同心円上に配置することを特徴とする超音波血管内視鏡システム。

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