JP6411459B2 - 冠血流予備量比シミュレーションに対する形状感知超音波プローブ - Google Patents

Description

本開示は、医療器具に関し、より具体的には、医療応用において冠血流予備量比（fractional flow reserve）を計算するのに超音波プローブとともに使用される形状感知システムに関する。

冠血流予備量比（ＦＦＲ）は、狭窄が心筋に対する酸素供給を妨げる（心筋虚血）可能性を決定するように冠状動脈狭窄症（通常はアテローム性動脈硬化による狭窄）にわたって圧力差を測定するのに冠状動脈カテーテル法において使用される技術である。冠状動脈カテーテル法の間に、カテーテルは、シース及びガイドワイヤを使用して挿入される。ＦＦＲは、病変の正確な重症度を決定するように圧力、温度及び血流を測定するのにワイヤの先端上の小さなセンサ（一般にはトランスデューサ）を使用する。現在の臨床診療は、潜在的な狭窄の前後に圧力ワイヤを使用して圧力を測定することである。代わりに、前記圧力ワイヤの引き戻しが、実行されることができ、圧力は、血管に沿って記録される。前記圧力ワイヤが、圧力を測定することを可能にするのに対し、その挿入は、血流パターンに歪を生じることもありえ、したがって不正確な測定を引き起こすこともありうる。

非侵襲的な代案として、体積コンピュータ断層撮影（ＣＴ）血管造影（ＣＴＡ）画像に基づく冠血流予備量比（ＦＦＲ）シミュレーションは、ますます重要になっている。しかしながら、ＦＦＲシミュレーションに対する１つの重要な要素は、前記シミュレーションが計算される基本的な血管幾何形状の正確な知識である。

本原理によると、医療システムは、介入配置に対して構成される医療器具と、前記医療器具上に又は内に取り付けられ、前記介入配置中に前記医療器具の形状を測定するように構成される形状感知システムとを含む。撮像装置は、前記医療器具上又は内に取り付けられ、前記撮像装置が配置される管腔を撮像するように構成される。位置合わせモジュールは、前記管腔の三次元幾何形状を再構成するように特定の時間における前記管腔の画像に前記医療器具の形状を位置合わせするように構成される。

冠血流予備量比（ＦＦＲ）シミュレーションに対する管腔の動きを追跡する医療システムは、介入配置に対して構成される医療器具と、前記医療器具上に又は内に取り付けられ、前記介入配置中に前記医療器具の形状を測定するように構成される形状感知システムとを含む。撮像装置は、前記医療器具上に又は内に取り付けられ、前記撮像装置が配置される管腔を撮像するように構成される。プロセッサが含まれ、メモリが、前記プロセッサに結合される。前記メモリは、前記管腔の動きを考慮しながら幾何形状を再構成する融合データを提供するように特定の時間における前記管腔の画像に前記医療器具の形状を位置合わせするように構成される位置合わせモジュールを含む。ＦＦＲシミュレーションモジュールは、前記融合データに基づいて前記管腔内の血流特性を計算するように構成される。

管腔の動きを追跡する方法は、医療器具であって、前記医療器具上に又は内に取り付けられた形状感知システム及び前記医療器具上に又は内に取り付けられた医療撮像装置を持つ前記医療器具を準備するステップと、前記医療撮像装置を使用して管腔の画像及び介入配置中の前記医療器具の形状を同時に測定するステップと、動きを考慮して、前記管腔の三次元幾何形状を再構成するように、対応する時間における前記管腔の画像に前記医療器具の形状を融合させるステップとを含む。

本開示のこれら及び他の目的、フィーチャ及び利点は、添付の図面と併せて読まれるべき例示的実施例の以下の詳細な記載から明らかになる。

本開示は、以下の図を参照して好適な実施例の以下の記載を詳細に示す。

一実施例による形状感知システム及び撮像プローブ又は装置を含む医療システムを示すブロック／フロー図である。 一実施例によって血流特性を計算する３つのタイムスタンプの超音波画像及び基準位置に対する形状感知トレースを示す図である。 一実施例による静脈内超音波プローブにより集められる血管画像の断面の図である。 本原理による冠血流予備量比（ＦＦＲ）測定を実行する例示的な医療器具の側面図である。 例示的な実施例による動いている管腔の三次元幾何形状を決定する方法を示すフロー図である。

冠血流予備量比（ＦＦＲ）は、例えば冠状動脈狭窄にわたる、圧力差を測定するのに冠状動脈カテーテル法において使用される技術である。圧力ワイヤは、通常、狭窄、潜在的な狭窄又は関心領域の前後に前記圧力差を測定するのに侵襲的処置において使用される。本原理によると、代案は、冠血流予備量比シミュレーションに対して形状感知撮像プローブ（例えば、静脈内超音波（ＩＶＵＳ）プローブ又は光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）撮像装置）を使用することにより採用される。ＩＶＵＳ（又はＯＣＴ）が、管腔直径及び血管壁の連続的な測定結果を収集するのに対し、形状感知は、心臓の鼓動及び呼吸運動の存在下でさえ血管の三次元再構成を可能にする。この情報は、例えば、コンピュータによる流体力学を使用して前記ＦＦＲ計算に対する入力として前記血管の正確な三又は四次元モデル（空間及び時間）を生成するのに採用されることができる。

形状感知静脈内超音波（ＩＶＵＳ）プローブは、前記血管の管腔及び壁の両方を測定するようにカテーテルの遠位端に取り付けられた小型超音波プローブを持つ特別に設計されたカテーテルを使用する。ＩＶＵＳは、連続的な測定結果の収集を可能にするのに対し、全体的な血管幾何形状の再構成は、特に前記測定結果が得られる場所に不確実性を引き起こすことができる心臓の鼓動及び呼吸運動がある状態では、難しい。

これらの問題は、前記ＩＶＵＳカテーテルの形状を測定することにより克服されることができる。これは、前記ＩＶＵＳカテーテルに取り付けられた形状感知システム（例えば、光学形状感知又は複数のセンサの電磁追跡）により行われることができる。前記ＩＶＵＳプローブの形状及び前記ＩＶＵＳから得られた前記血管腔及び壁の測定結果の両方を知ると、血管幾何形状が、再構成されることができる。一度この情報が利用可能であると、これは、後のＦＦＲシミュレーションの開始点であることができる。

本発明が、医療器具に関して記載されるが、しかしながら、本発明の教示が、大幅に広く、いかなる器具にも適用可能であると理解されるべきである。一部の実施例において、本原理は、複雑な生物又は機械システムを追跡又は分析する際に採用される。特に、本原理は、生物システムの内部追跡処置、肺、消化管、排出器官、血管等のような体の全ての領域における処置に適用可能である。図に描かれた要素は、ハードウェア及びソフトウェアの様々な組み合わせで実施されてもよく、単一の要素又は複数の要素に組み合わせられうる機能を提供してもよい。

図に示された様々な要素の機能は、専用ハードウェア及び適切なソフトウェアと協働してソフトウェアを実行することができるハードウェアの使用によって提供されることができる。プロセッサにより提供される場合、前記機能は、単一の専用プロセッサにより、単一の共有プロセッサにより、又は一部が共有されることができる複数の個別のプロセッサにより提供されることができる。更に、用語「プロセッサ」又は「コントローラ」の明示的使用は、ソフトウェアを実行することができるハードウェアを排他的に示すと解釈されるべきではなく、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）ハードウェア、ソフトウェアを記憶する読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、不揮発性記憶装置等を暗示的に含むことができるが、これらに限定されない。

更に、本発明の原理、態様及び実施例、並びにこれらの特定の例をここに列挙する全ての記述は、これらの構造的及び機能的同等物の両方を含むと意図される。加えて、このような同等物が、現在既知である同等物及び将来開発される同等物（すなわち、構造にかかわらず同じ機能を実行する開発された要素）の両方を含むことが、意図される。したがって、例えば、ここに示されたブロック図が、本発明の原理を実施する例示的なシステムコンポーネント及び／又は回路の概念図を表すことが、当業者により理解される。同様に、いかなるフローチャート及びフロー図等も、コンピュータ可読記憶媒体に実質的に表され、したがって、明示的に示されているか否かにかかわらず、コンピュータ又はプロセッサにより実行されうる様々な処理を表すと理解される。

更に、本発明の実施例は、コンピュータ又は命令実行システムにより又は関連して使用するプログラムコードを提供するコンピュータ使用可能又はコンピュータ可読記憶媒体からアクセス可能であるコンピュータプログラムの形をとることができる。この説明の目的で、コンピュータ使用可能又はコンピュータ可読記憶媒体は、前記命令実行システム、装置又はデバイスにより又は関連して使用するプログラムを含む、記憶する、通信する、伝搬する、又は輸送することができるいかなる装置であることもできる。前記媒体は、電子、磁気、光学、電磁、赤外、又は半導体システム（又は装置又はデバイス）又は伝搬媒体であることができる。コンピュータ可読媒体の例は、半導体又は固体メモリ、磁気テープ、リムーバブルコンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、剛体磁気ディスク及び光ディスクを含む。光ディスクの現在の例は、コンパクトディスク‐読取専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、コンパクトディスク‐読取／書込（ＣＤ−Ｒ／Ｗ）、ブルーレイ（登録商標）及びＤＶＤを含む。

ここで同様の番号が同じ又は同様の要素を表す図面、最初に図１を参照すると、超音波又は他の撮像システム、特に静脈内超音波（ＩＶＵＳ）を持つ形状感知可能装置を使用する管腔内特性を測定するシステム１００は、典型的な実施例によって例示的に示される。システム１００は、処置が監視及び／又は管理されるワークステーション又はコンソール１１２を含んでもよい。ワークステーション１１２は、好ましくは、１以上のプロセッサ１１４並びにプログラム及びアプリケーションを記憶するメモリ１１６を含む。メモリ１１６は、形状感知装置又はシステム１０４からのフィードバック信号（例えば、電磁又は光）を解釈するように構成される感知及び解釈モジュール１１５を記憶してもよい。感知及び解釈モジュール１１５は、医療装置又は器具１０２及び／又はその周囲の領域に関連した変形、偏差及び他の変化を再構成するのに光信号フィードバック（及びいかなる他のフィードバック、例えば、光学形状感知の代わりにＥＭ追跡が採用される場合に電磁（ＥＭ）追跡）を使用するように構成される。医療装置１０２は、カテーテル、ガイドワイヤ、プローブ、内視鏡、ロボット、電極、フィルタ装置、バルーン装置、又は他の医療コンポーネント等を含んでもよい。医療装置１０２は、体積又は対象１６０及び特に血管壁又は幾何形状を撮像するように超音波を発生及び受信するように構成された超音波プローブ１０６を含む。ＵＳプローブ１０６から収集された瞬間形状情報に加えて、運動による血管１６０の全体的な形状は、形状感知システム１０４を使用して収集されることができる。ＵＳプローブ１０６は、ワークステーション１１２に含まれてもよい又は別のユニットとして採用されてもよい撮像システム１１０と併せて動作する。撮像システム１１０は、例えば、ＵＳの代わりに組織画像を得る光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）を含んでもよい。このような場合に、プローブ１０６は、ＯＣＴを実行する光源及び光受信器により置き換えられることができる。ＯＣＴは、断面画像を提供するように組織内からの反射を撮像する「光超音波」であると実用的には見なされることができる。ＯＣＴは、超音波ではなく光に基づく。光ビームは、前記組織に向けられ、表面下フィーチャから反射するこの光の小部分が、収集される。干渉分光法は、受信した光子の光学経路長を記録するのに使用され、これは、検出前に複数回散乱するほとんどの光子の排除を可能にする。ＯＣＴは、関心表面から直接反射される光を収集しながら背景信号を排除することによりサンプルの明確な３Ｄ画像を構築することができる。

装置１０２上の形状感知システム１０４が、光学形状感知を含む場合、形状感知システム１０４は、設定されたパターン又は複数のパターンで装置１０２に結合された１以上の光ファイバを含む。前記光ファイバは、ＵＳプローブ１０６（又はＯＣＴ装置）が行うようにケーブル１２７を通ってワークステーション１１２に接続する。ケーブル１２７は、必要に応じて、光ファイバ、電気接続、他の器具の使用等を含んでもよい。

光ファイバを用いる形状感知システム１０４は、光ファイバブラッグ格子センサに基づいてもよい。光ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）は、特定の波長の光を反射し、他の全てを透過する光ファイバの短いセグメントである。これは、ファイバコアにおいて屈折率の周期的変化を加えることにより達成され、波長固有（wavelength-specific）の誘電体ミラーを生成する。ファイバブラッグ格子は、したがって、特定の波長をブロックするインライン光フィルタとして、又は波長固有反射器として使用されることができる。

ファイバブラッグ格子の動作の裏にある基本原理は、屈折率が変化する界面の各々におけるフレネル反射である。一部の波長に対して、様々な周期の反射光が、同相であり、建設的干渉が、反射に対して存在し、結果的に、透過に対する相殺的干渉が存在する。ブラッグ波長は、歪及び温度に敏感である。これは、ブラッグ格子が、光ファイバセンサにおいて感知素子として使用されることができることを意味する。ＦＢＧセンサにおいて、測定量（例えば歪）は、前記ブラッグ波長においてシフトを引き起こす。

この技術の１つの利点は、様々なセンサ素子が、ファイバの長さにわたり分布することができることである。構造に埋め込まれるファイバの長さに沿って様々なセンサ（ゲージ）を３以上のコアに組み込むことは、典型的には１ｍｍ精度より良好に、正確に決定されるべきこのような構造の三次元フォームを可能にする。前記ファイバの長さに沿って、様々な位置において、複数のＦＢＧセンサが、配置されることができる（例えば、３以上のファイバ感知コア）。各ＦＢＧの歪測定から、前記構造の湾曲が、当該位置において推測されることができる。複数の測定位置から、合計三次元フォームが、決定される。

光ファイバブラッグ格子に対する代案として、従来の光ファイバにおける固有の後方散乱が、利用されることができる。１つのこのようなアプローチは、標準的なシングルモード通信ファイバにおけるレイリー散乱を使用することである。レイリー散乱は、ファイバコアにおける屈折率のランダム変動の結果として生じる。これらのランダム変動は、格子長に沿った振幅及び位相のランダム変化を持つブラッグ格子としてモデル化されることができる。マルチコアファイバの単一の長さを通る３以上のコアにおいてこの効果を使用することにより、関心表面の３Ｄ形状及びダイナミクスは、たどられることができる。

他の実施例において、光学形状感知を採用する代わりに、形状感知システム１０４は、ＥＭセンサのアレイ（図示されない）を含んでもよく、これは、磁場発生器１２５及び追跡ソフトウェア（例えば、モジュール１１５）を使用して形状感知能力を提供することができる。単一の形状感知モダリティのみが必要とされるが、図１は、例示目的で光学及びＥＭ追跡の両方の形状感知に対する構造を示す。

一実施例において、ワークステーション１１２は、形状感知システム１０４からフィードバックを受信し、スナップショット又は感知システム１０４が体積１６０内のどこであったかに関する蓄積された位置データを表示するように構成された画像生成モジュール１４８を含む。例えば、各ＵＳ測定ｍ_xに対して、タイムスタンプｔ_xは、ＵＳプローブ１０６により決定される画像及び位置ｐ_xに関連付けられる。ｍ_x(ｐ_x,ｔ_x)は、装置１０２の三次元形状を提供するように形状感知システム１０４と同期され、位置合わせされる。血管の三次元形状は、心臓の鼓動、呼吸、患者運動等により瞬間的に変化しうる。本原理によると、前記形状データは、より正確な３Ｄモデルが決定されることができるように血管１６０の形状／サイズ変化を補正又は考慮するのに採用されることができる。一実施例において、前記形状データは、図２に示されるようにＵＳにより収集された２以上のタイムスタンプの画像の間で変化を比較するのに採用される。ＩＶＵＳ装置１０２（例えば、カテーテル）の形状を測定することにより、ＩＶＵＳプローブ１０６の形状及びＩＶＵＳプローブ１０６から得られる血管腔及び壁の測定は、より完全な血管幾何形状を再構成するのに採用されることができる。一度この情報が利用可能であると、これは、ＦＦＲシミュレーションモジュール１５０における後の冠血流予備量比（ＦＦＲ）シミュレーション又は他の計算又は調査に対する開始点であることができる。

従来の圧力ワイヤの挿入は、血流に局所的な歪を引き起こすのに対し、本実施例は、取得された正確な３Ｄ血管モデル幾何形状情報に基づいて血流をシミュレートするのに採用されることができる。ＩＶＵＳは、連続的な測定結果の収集を可能にするが、しかしながら、ＩＶＵＳ単独に基づく全体的な血管幾何形状の再構成は、特に心臓の鼓動及び呼吸運動が、測定結果が得られる場所において不確実性を引き起こすので、むずかしい。しかしながら、本原理によると、この問題は、ＩＶＵＳカテーテルの形状をも測定することにより克服されることができる。前記ＩＶＵＳプローブの形状及び前記ＩＶＵＳにより得られる前記血管腔及び壁の測定結果の両方を知ると、前記血管幾何形状は、モデル１４４において再構成及び記憶されることができる。これは、ＯＣＴに対して同様に適用される。

本実施例は、血流を歪めなければならないことを防ぐように取得された幾何形状情報に基づいて血流をシミュレートすることができる。本実施例を用いて、ＩＶＵＳ及び形状測定から生じる形状モデルを作成するように介入中に効果的な形で必要な形状情報を取得することが、可能である。この方法は、ＣＴスキャンと比較して、より高い精度を持つ。更に、血管壁特性は、前記ＩＶＵＳデータから決定されてもよく、したがって、例えば局所的な弾性のような、血管モデルのパラメータは、修正され、コンピュータによる流体力学シミュレーションに統合されてもよい。組み合わされたＩＶＵＳ−ＯＳＳ（光学形状感知）カテーテルは、典型的にはＣＴデータセットから得られる３Ｄデータセットと対照的に前記血管セグメントの完全な四次元モデル１４４を供給する。

血管の形状の時間依存性は、呼吸及び心臓運動による周期的形状変化による形状信号から抽出される。呼吸及び心臓運動の両方が、異なるサイクル長を持ち、容易に検出可能であるべきであり、速度測定は、いつ心臓又は呼吸間隔が開始するかに関する標示を与えることもできる。したがって、前記形状の心臓サイクル依存モデルが、算出され、ＦＦＲの心臓（又は呼吸）相依存シミュレーションに対して採用されることができる。

光学形状感知を使用する一実施例において、非常に正確なモデル（１４４）を生成するために、端点において既知の空間的関係を持つ少なくとも２つのＯＳＳファイバが、測定されたＩＶＵＳデータに対する回転位置合わせ問題を解決するように前記ＩＶＵＳ−ＯＳＳカテーテルに含められてもよい。前記カテーテルが引かれる主血管から分岐する血管枝のサイズ（面積）の推定は、形状感知及び装置１０２を持つＵＳを使用して得られてもよい。これらの分岐データは、冠血流予備量比データの計算に対して採用されてもよい。分岐する血管は、ＩＶＵＳ引き戻しを実行する場合に血管壁における「開口」のように見える。ＦＦＲシミュレーションに対して、管状構造は、正確なモデル境界を提供するようにこれらの開口に取り付けられるべきである。

ＵＳ画像１３４（又は他の画像、例えば、ＯＣＴ）及び形状感知データ（画像）１３６は、表示装置１１８上で位置合わせ及び表示されることができる。ワークステーション１１２は、対象（患者）又は体積１６０の内部画像を見るためにディスプレイ１１８を含み、オーバレイ又は経時的な位置の変化の履歴の他のレンダリングとしての画像１３４及び１３６を含んでもよい。

運動補償及びシミュレーションモジュール１４０（又は位置合わせモジュール）は、血管壁情報（ＵＳ）及び形状データ（形状感知）を使用する三次元血管幾何形状位置合わせ及び補償に対するアルゴリズムを含む。モジュール１４０は、ＩＶＵＳ及び形状感知の両方からの測定結果を融合又は位置合わせし、ＦＦＲシミュレーション等のような応用に対して測定精度を増大するように瞬間的幾何形状測定に対する３Ｄモデリングを実行するのに採用されてもよい。モジュール１４０は、例えば、モジュール１５０におけるＦＦＲシミュレーションに対して、血管内の血流をより良好に近似するようにモデル１４４を出力してもよい。

ＦＦＲは、病変の正確な重症度を決定するように又はモデル１４４を構築するように幾何形状又は他のデータを集めるように、他のパラメータ、例えば、１以上のセンサ又はトランスデューサ１４２により測定された圧力、温度及び血流データを採用してもよい。これらのパラメータは、必要とはされないが、一部の実施例において追加の情報を提供しうる。ＦＦＲシミュレーションは、ワークステーション１１２により実行されてもよく、又は収集されたデータは、他のシステムにより採用されてもよい。

ディスプレイ１１８は、ユーザがワークステーション１１２及びそのコンポーネント及び機能又はシステム１００内の他の要素とインタラクトすることを可能にしてもよい。これは、キーボード、マウス、ジョイスティック、触覚装置又は他の周辺装置又はワークステーション１１２からのユーザフィードバック及びインタラクションを可能にする制御装置を含んでもよいインタフェース１２０により更に容易化される。

図２を参照すると、時間インスタンス（ｔ₀,ｔ₁,ｔ₂）にそれぞれ生じる３つの位置（ｐ₀,ｐ₁,ｐ₂）におけるＵＳデータが、断面の線２００、２０１及び２０２として示される。形状感知ＩＶＵＳは、断面の線２００、２０１及び２０２に入る形状２１０、２１１及び２１２を提供する。形状感知は、前記ＩＶＵＳカテーテルの対応する三次元形状の測定を可能にする。心臓の鼓動及び呼吸運動により、かなりのシフトが、生じることができる。しかしながら、全体的な形状が測定されるので、血管幾何形状が再構成されることができる基準形状２２６に対する位置合わせが、可能である。基準形状２２６は、矢印２２０、２２１及び２２２により示される運動に基づいて計算されうる（例えば、外挿、内挿、平均化、静止位置の決定、サイクル中に最長の持続時間の位置がある位置の決定等）。

基準形状２２６は、まず前記形状感知ＩＶＵＳを完全に挿入し、前記ＵＳシステムの１つの特定のタイムスタンプにおける前記形状、例えば、前記基準形状に最も近いタイムスタンプでの測定結果、を取得することにより得られることができる。全体的な血管は、基準形状２２６及び前記ＵＳデータを使用して再構成されることができ、これは、複数の断面画像２３０を含んでもよく、その１つは、図３に例示的に描かれている。このようにして、血管２３２の運動は、運動中により良く理解され、ＦＦＲ又は他のパラメータのより正確な計算が、提供されうる。血流及びＦＦＲに影響を与える特性は、プラーク２３４を含んでもよく、狭窄等のような異常２３６が、前記ＵＳ画像内に存在する。

ＦＦＲは、狭窄前の圧力に対する狭窄の後（遠位）の圧力として規定される。結果は、絶対数であり、０．５０のＦＦＲは、所定の狭窄が、血圧の５０％の降下を引き起こすことを意味する。換言すると、ＦＦＲは、仮定の狭窄不在時の最大血流と比較した狭窄の存在下の血管の最大の血流降下を表す。冠状動脈カテーテル法の間に、カテーテルは、大腿動脈（脚の付け根）又は橈骨動脈（手首）に挿入される。従来のＦＦＲは、病変の正確な重症度を決定するように圧力、温度及び血流を測定するのに前記装置（一般にトランスデューサ）の先端上の小さなセンサを使用する。これは、例えばアデノシン又はパパベリンを注入することにより誘発されることができる最大血流（充血）の間に行われる。圧力は、血管にわたり記録される。

数学用語において、ＦＦＲは、同じ血管の正常な最大血流に対する狭窄病変の遠位での最大血流の比である。ＦＦＲ＝Ｐ_d／Ｐ_a（Ｐ_d＝病変の遠位での圧力、Ｐ_a＝病変の近位での圧力）である。ＦＦＲが異常になる絶対的なカットオフポイントは存在しない。臨床試験において、しかしながら、０．７５乃至０．８０のカットオフポイントが、採用された。より高い値は、重大ではない狭窄を示すのに対し、より低い値は、重大な病変を示す。

血管のいずれの狭窄又は病変が圧力降下に作用しているかを決定することは、通常は難しい。ＦＦＲは、血管狭窄により引き起こされる圧力低下を測定することにより、機能的評価を提供する。ＵＳ撮像と併せて三次元形状データを提供することにより、血管の形状及びダイナミクスが、考慮されることができ、より良いＦＦＲシミュレーション推定を提供するようにより良く理解されることができる。本原理によるＦＦＲシミュレーションは、圧力測定に対して挿入されたプローブなしで全体的な血管に沿った血流をシミュレートすることができる。これは、圧力測定に対するプローブを挿入して二点（狭窄の前後）において測定を行うだけの従来のＦＦＲとは対照的である。

前記ＩＶＵＳプローブの形状及び前記ＩＶＵＳから得られる前記血管腔及び壁の測定結果の両方を知ると、前記血管幾何形状は、再構成されることができる。例えば、本システム（１００、図１）は、血管断面の管腔測定を提供する前記ＩＶＵＳプローブと一緒に連続的に前記形状を測定することができる。その目的は、ここでは、前記血管幾何形状の３Ｄ再構成を得るように全ての断面測定結果を組み合わせることである。前記測定結果は、プローブ（１０６）を挿入している間に収集される。前記システムが静止している場合、前記プローブを挿入し、前記測定結果を収集することのみを必要とする。しかしながら、呼吸運動及び心臓の鼓動が重ねられるので、前記測定結果は、１つの共通座標系に位置合わせされなければならない。この位置合わせに対して、前記形状情報は、これが、１つの中心線から他の中心線上の最も近い点を検索することにより、１つの中心線の他の中心線、例えば、基準形状２２６に対する位置合わせを可能にするので、有利である。一度この情報が利用可能であると、これは、後のＦＦＲシミュレーションに対して採用されることができる。

一例において、前記カテーテルの形状は、各時点において既知であり、３Ｄ位置及び方向ベクトルを提供する。前記ＩＶＵＳプローブの向きは、前記形状感知システム（例えば、複数の光ファイバ）により同様に既知である。前記ＩＶＵＳ測定結果は、前記カテーテルの形状において同じ座標系に位置合わせされ、前記ＩＶＵＳの断面は、前記形状に沿って整列される。結果として生じる高解像度の血管腔は、全ての断面の表面モデルとして表され、ＦＦＲ計算における入力として使用される。

図４を参照すると、形状感知ＩＶＵＳ装置３００は、一実施例によって例示的に示される。装置３００は、カテーテルを含むが、しかしながら、他の医療器具は、管腔内血管に対する形状感知撮像に対して必要とされる機能を提供するように構成されてもよい。装置３００は、管腔及び血管壁幾何形状のＩＶ記録に対するＵＳプローブ３０２を含む。前記装置は、例えば、（ファイバブラッグ格子又はレイリー感知のいずれかで）光ファイバ３０５又は複数の電磁センサを含む形状感知装置３０４を含む。

オプションのトランスデューサ３０６は、装置３００の遠位端部に又は近くに取り付けられてもよく、又は圧力及び／又は温度測定値を作成するために装置３００内のチャネル３０８を通して設けられてもよい。

一実施例において、形状感知装置３０４は、装置３００（例えば、カテーテル）の先端において単一の電磁センサ３１０を含んでもよい。この単純化された実施例は、前記ＩＶＵＳカテーテル（３００）の全体的な形状を測定しないが、前記先端の位置のみを測定する。この場合、形状感知能力の低下は、基準形状に対する位置合わせによってではなく、前記先端が血管にそって移動されるので前記先端の位置情報と一緒の前記ＩＶＵＳ測定結果からのみ、前記三次元形状を回復する、（モジュール１４０内の）より高度な運動補償アルゴリズムにより補償される必要がある。装置３００が、記載されたものに代えて又は加えて他のフィーチャ及び機能を含んでもよいと理解されるべきである。例えば、内視鏡、バルーン等が、装置３００上に取り付けられてもよく、又はチャネル３０８を通して配置されてもよい。

図５を参照すると、管腔幾何形状を再構成する方法が、本原理によって示される。ブロック４０２において、医療器具（例えば、カテーテル）は、前記医療器具上に又は内に取り付けられた形状感知システム及び前記医療器具上に又は内に取り付けられた超音波プローブを備えられる。ブロック４０４において、前記医療器具は、血管又は他の管腔の特性を決定するように静脈内に配置される。ブロック４０６において、前記管腔の画像は、介入配置中に前記医療器具の形状を同時に測定しながら、超音波プローブ（又はＯＣＴ装置）を使用して収集される。前記形状感知システムは、２以上のファイバを含んでもよい光ファイバ形状感知システム、複数の順次に配置された電磁センサ、又は前記医療器具の先端における単一の電磁センサを含んでもよい。

ブロック４０８において、前記医療器具の形状は、前記管腔の幾何形状をモデル化し、測定中の前記管腔の動きを考慮するように、対応する時間における前記管腔の画像と融合される。ブロック４１０において、冠血流予備量比は、前記医療器具の形状及び前記管腔の画像からの融合データに基づいて計算される。ブロック４１２において、時間におけるデータ点の間の基準位置は、移動する管腔の動きを考慮して計算されうる。前記基準位置は、所定の時間において特性が決定されることができる周囲又は順次的データに基づいて計算されうる。前記基準位置は、所定の時間の前後の位置の平均化又は前記基準位置の内挿若しくは外挿に基づいて決定されてもよい。

ブロック４１４において、前記融合データは、前記器具に対する形状データの全体より少ないセットを含んでもよい。これは、処理されるデータの量を減少するのを助け、結果として減少した処理時間及びコストを生じる。ブロック４１６において、前記管腔のモデルは、前記管腔の形状及び画像に基づいて構築されうる。前記モデルは、血管の長さにわたる冠血流予備量比を計算するのに採用されてもよい。これは、血管又は管腔内の前記医療器具の存在により引き起こされる血流の歪を避けるのに採用されてもよい。ブロック４１８において、他の計算は、前記管腔の動きのより正確な追跡に基づいて実行されてもよい。

ブロック４２０において、この処置は、必要に応じて、前記医療器具の除去及び前記器具が対象の体に入る切開部の閉鎖が後に続くように進展する。

添付の請求項を解釈する際に、
ａ）単語「有する」が、所定の請求項に記載された要素又は動作以外の要素又は動作の存在を除外しない、
ｂ）要素に先行する単語「１つの」が、複数のこのような要素の存在を除外しない、
ｃ）請求項内のいかなる参照符号も、その範囲を限定しない、
ｄ）複数の「手段」が、同じアイテム又はハードウェア又はソフトウェア実施構造又は機能により表されてもよい、
ｅ）動作の特定の順序が、特に示されない限り、要求されることを意図されない、
と理解されるべきである。

（例示的であって、限定的ではないことを意図される）冠血流予備量比シミュレーションに対する形状感知超音波プローブに対する好適な実施例を記載しているが、修正及び変更が、上記の教示を踏まえると当業者によりなされることができることが注意される。したがって、変更が、添付の請求項により概説されるようにここに開示された実施例の範囲内である開示された開示の特定の実施例においてなされてもよいと理解される。したがって、詳細を記載し、特許法により特に要求されるが、請求され、特許証により保護されることを望むものは、添付の請求項に記載される。

Claims (15)

1. 介入配置に対して構成される医療器具と、
   前記医療器具上に又は内に取り付けられ、前記介入配置中に複数の時間において前記医療器具の形状を測定する形状感知システムと、
   前記医療器具上に又は内に取り付けられた撮像装置であって、前記複数の時間において、前記撮像装置が配置される管腔を撮像する、前記撮像装置と、
   動きを考慮して、前記管腔の三次元幾何形状を再構成するように、前記複数の時間において測定された前記医療器具の前記形状に基づいて、前記複数の時間において撮像された前記管腔の画像を位置合わせする位置合わせモジュールと、
   を有する医療システム。
2. 前記形状感知システムが、光ファイバ形状感知システムを含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記管腔が、血管であり、前記装置が、冠血流予備量比シミュレーションに対するモデルを作成するのに採用される、請求項１に記載のシステム。
4. 前記撮像装置が、超音波プローブ又は光コヒーレンストモグラフィに対する装置を含む、請求項１に記載のシステム。
5. 形状データが、動いている管腔の三次元幾何形状を計算するように基準位置を計算するように複数の時間及び位置において収集される、請求項１に記載のシステム。
6. 前記管腔の形状及び画像に基づいて構築される前記管腔のモデルを有する、請求項１に記載のシステム。
7. 前記モデルが、血管の長さにわたって冠血流予備量比を計算するのに採用される、請求項６に記載のシステム。
8. 前記形状感知システムが、少なくとも１つの電磁追跡装置を含む、請求項１に記載のシステム。
9. 冠血流予備量比（ＦＦＲ）シミュレーションのために管腔の動きを追跡する医療システムにおいて、
   介入配置に対して構成される医療器具と、
   前記医療器具上に又は内に取り付けられ、前記介入配置中に複数の時間において前記医療器具の形状を測定する形状感知システムと、
   前記医療器具上に又は内に取り付けられた撮像装置であって、前記複数の時間において、前記撮像装置が配置される管腔を撮像する、前記撮像装置と、
   プロセッサと、
   前記プロセッサに結合されたメモリであって、
   前記管腔の動きを考慮しながら幾何形状を再構成する融合データを提供するように、前記複数の時間において測定された前記医療器具の形状に基づいて、前記複数の時間において撮像された前記管腔の画像を位置合わせする位置合わせモジュール、及び
   前記融合データに基づいて前記管腔の血流特性を計算するＦＦＲシミュレーションモジュール、
   を含む、前記メモリと、
   を有する医療システム。
10. 前記形状感知システムが、光ファイバ形状感知システムを含む、請求項９に記載のシステム。
11. 前記撮像装置が、超音波プローブ又は光コヒーレンストモグラフィに対する装置を含む、請求項９に記載のシステム。
12. 形状データが、動いている管腔の三次元幾何形状を計算するように基準位置を決定するように複数の時間及び位置において収集される、請求項９に記載のシステム。
13. 前記管腔の形状及び画像に基づいて構築された前記管腔のモデルを有する、請求項９に記載のシステム。
14. 前記モデルが、血管の長さにわたって冠血流予備量比を計算するのに採用される、請求項９に記載のシステム。
15. 管腔の動きを追跡する医療器具の作動方法において、前記医療器具が、前記医療器具上に又は内に取り付けられた形状感知システム、前記医療器具上に又は内に取り付けられた医療撮像装置、及び位置合わせモジュールを持ち、前記方法は、
    前記形状感知システムが、介入配置中に複数の時間において前記医療器具の形状を測定するステップと、
    前記医療撮像装置が、前記複数の時間において管腔の画像を撮像するステップと、
    前記位置合わせモジュールが、動きを考慮して、前記管腔の三次元幾何形状を再構成するように、前記複数の時間において測定された前記医療器具の前記形状に基づいて、前記複数の時間において撮像された前記管腔の画像を位置合わせするステップと、
    を有する方法。

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