JP2005532097A - 心組織およびパラメータの非侵襲的評価システムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
Description
スギモトら、"Tissue Hardness Measure Using the Radiation Force of Focused Ultrasound"、IEEE Ultrasonics Symposium、1377−80頁、1990年
Sato、T.ら、"Imaging of Acoustical Nonlinear Parameters and Its Medical and Industrial Applications:A Viewpoint as Generalized Percussion"、Acoustical Imaging、20巻、9−18頁、Plenum Press、1993年
心拍出量は、2つの意味で生体にとって重要である。栄養素の体組織への運搬の主な制約は、酸素の運搬である。代謝基質(食物)の送達と老廃物の排出は、組織内での代謝に必要な酸素の適切な運搬ほど多くの血流を必要としない。心拍出量が不適切であることは、一部の組織が受け取る酸素量が過少となり、影響を受ける臓器の機能不全、あるいは組織の損傷または不足した組織の細胞死にすら至る。
SV = EDV x EF
である。
動脈圧(ABP)は、個人の健康状態の基本的な客観的目安である。実際、これは「生命徴候(vital sign)」であり、医療および保健の全領域で極めて重要である。ABPの正確な尺度は、心臓血管系および血液動態学上の健康状態について、患者の健康状態を最上にするための適切な介入を示しながら、安定、切迫、緊急、手術中の状態を決定する上で助けとなる。
本発明は、心臓の特性およびパラメータの非侵襲的な評価、位置確認および監視と、さまざまな状態、応答および病状の診断、位置確認、監視に超音波を応用する方法およびシステムを提供する。心臓組織を含む組織の音響特性と、組織変位とは、ここに説明する方法およびシステムと、引用によりその全体がここに取り込まれる国際公開第WO02/43564号公報に記載の方法とを用いて評価される場合がある。
古典的には、心筋収縮能は、dP/dt、すなわち、心室内圧の変化率か、あるいは、収縮期中の心室内圧−心室容積比の最大値によって決まるピーク・エラスタンスかとして定義されてきた。dP/dtは等容性収縮中にピークに達するので、完全にではなく、比較的、負荷条件の影響を受けにくい。主な欠点は、心室内圧の測定は、心室内にカテーテルを侵襲的に設置することを要することである。ピーク・エラスタンスは心室圧の測定だけでなく、心室容積の測定も要する。精度は低いが臨床上有用なピーク・エラスタンスの見積りは、非侵襲的な上腕血圧測定と、エコー心電図による心室容積または表面積の見積りで達成されてきた。
組織ドップラー超音波手法は、主に重症の虚血およびこれに起因する収縮期の機能減退を伴う実験的状況において、心筋の虚血の検出に用いられてきた。歪み率パターンは虚血の発症により劇的に変化し、(収縮)歪み率の発生の遅れ、ピーク収縮期の歪み率および歪みの減少、収縮期後の短縮および心室充填初期のピーク歪み率の減少によって特徴付けられる。例えば、Pislaru C.、Anagnostopoulos P.D.、Seward J.B.ら、Higher myocardial strain rates during isovolumic relaxation phase than during ejection characterize acutely ischemic myocardium、J.Am.Coll.Cardiol.、2002;40:1487−1494を参照せよ。梗塞の度合いは、心筋がドブタミンに暴露されるときにも決定できる。経壁的梗塞(全梗塞)は、歪み率または積分歪みが心周期を通じてほとんど観察されないことによって同定され、一方、不完全梗塞梗塞は、残余期における歪みおよび歪み率の減少と、収縮期後におけるドブタミン応答性の歪み(収縮期後の短縮)の漸増を示す。例えば、Weidemann F.、Dommke C.、Bijnens B.ら、Defining the transmurality of a chronic myocardial infarction by ultrasonic srain−rate imaging、Circulation 2003;107:883−888を参照せよ。歪み率解析と組合せたドブタミン・ストレスの利用は、心筋梗塞後にどのくらいの量の心筋が生き残っているかを評価する最良の方法のようにみえる。例えば、Hoffmann R.、Altiok E.、Nowak B.、et al: Strain rate measurement by doppler echocardiography allows improved assessment of myocardial viability in patients with depressed left ventricular function.、J.Am.Coll.Cardiol.、2002;39:443−449を参照せよ。梗塞を生じた心筋の部位における生存組織の割合を決定するためにPETスキャニングを用いると、生存組織はドブタミンに対して歪み率の上昇を示したが、非生存組織はこれを示さなかった。歪み率にもとづく生存可能性の予測は、壁の動きの標準的な2次元エコー解析よりも優れており、また、組織速度単独の検討よりも優れていた。
心室の充填の度合いは、集中治療室および手術室を含む重症治療の状況のほぼ全てにおいて、心臓および心機能の管理の重要な要素である。心室内の血液量(拡張終期容積)と左心房圧という2つの取扱われなければならない臨床上の問題がある。究極的には心房圧が心室に血液を押し出す役割を担うため、これら2つは互いに関連する。しかし、この関係は曲線的であり、組織の損傷および拡張期の機能を含むさまざまな要因によって影響を受ける心筋の剛性に依存して、(同じ心室の血液容積について)高充填圧側または低充填圧側へシフトする場合がある。
拡張期の機能不全は、拡張期における緩慢な心室の弛緩、さらには不完全な弛緩を伴う。その機能的な意味は、特に心房からの急速な血液流入が起こると考えられる拡張期の初期に心室が剛性を保ったままである場合に、心室に流入する血液量が過少となるか、あるいは血液を心室に向かって押し出すために心房の圧力が増加せざるを得なくなることである。心房圧が許容範囲を超えて高まる場合には、流体の過剰負荷(overload)の徴候および症状が現れる。拡張期の機能不全を有するが収縮期の機能が正常である患者では、拡張期の組織速度に変化が現れる。僧帽弁を通過する血流のE/A比が拡張期の機能不全の検出に用いられてきたのとほぼ同じやり方で、拡張期初期における弁輪での心筋の速度(Em)の拡張期後期の心筋の速度(Am)に対する比が用いられてきた(Isaaz、2002)。Emそのものは拡張期の弛緩を反映しており、心房圧には影響されないことの証拠があるので、E/A比よりも一層有用である。拡張期においてピーク歪み率が測定されるとき、そのピーク歪みは拡張期初期には減少する(Stoylen、2001)。
第1の「能動」モードでは、本発明の方法およびシステムは、集束超音波の照射により、標的の心組織を刺激または探触し、あるいは標的心組織部位に応答を誘発させる。集束超音波の照射に対する標的組織の応答は、変形または変位(相対位置の変化)、温度変化、血流変化、または別の検出可能な応答である場合がある。例えば、標的の心組織部位を「打診」するための音響放射力の適用は、1つまたは2つ以上の音響信号を照射することにより達成される場合がある。超音波のような非侵襲的な技術と、近赤外分光法および光学コヒーレンス・トモグラフィーのような光学的技術と、磁気共鳴的技術、電気生理的な外部刺激、患者の応答等を含むその他の技術とが、集束超音波の照射に対する少なくとも1つの応答を評価するために用いられる。超音波イメージングまたは磁気共鳴イメージングのような可視化または画像化法が、集束超音波パルスの照準合わせおよび応答組織の差次的な位置確認を行うために用いられる場合がある。
第2の「能動」モードでは、集束超音波の適用が標的組織の振動を発生させ、前記標的組織から放射される音響信号に関するデータが収集される。これらの信号は、ここでは音響放射という。一般に、集束超音波の適用に関する本発明の方法およびシステムは、標的組織に振動を起こすために用いられる場合があり、放射された音響信号は組織特性および生理状態に関連付けられる。
「受動」音響モードでは、本発明の方法およびシステムが超音波等の音響手法を用い、固有(内因性)組織変位に関連したデータを取得する。例えば、超音波後方散乱および/または放射データが固有組織変位に関連付けられ、これがさまざまな組織の特性に関連付けられる。これらの決定に、更に平均および/または連続動脈圧、血流等のような追加データが用いられる場合がある。
本発明の方法およびシステムは種々の異なる態様で実施される場合があるが、本明細書において図面に示しここに説明する具体的な実施態様は、この開示は本発明の原理の代表例とみなされるべきであり、本発明をここに示す図面および説明に限定することを意図するものではないという理解をもって提供される。特に、本発明の方法およびシステムの好ましい実施態様が、心心組織の特性と、拍出量のような心パラメータとの評価に関して説明される。本発明の方法およびシステムが心組織の他の標的部位にも適用可能であり、より広義には、他のタイプの心組織パラメータにも適用可能であることは、当業者に認識されるであろう。
本発明の方法およびシステムの他の側面においては、血管の直径その他の幾何学的特性の固有および/または誘発された変化、または、血管を取り囲む組織における固有または誘発された変位の変化が、超音波を用いて監視および評価され、この情報が同じ血管内での同期ドップラー血流測定の結果と関連付けられる。能動モードでは、上述のように、音響放射力の適用によって血管内または組織内または血管を取り囲む組織内に組織変位が誘発される場合がある。受動モードでも同様に、さまざまな手法により、好ましくは超音波手法により、血管およびその近傍における固有組織変位が検出される場合がある。実施態様によっては、ドップラー血流測定または超音波検出手法を用いて、目的の血管の位置確認を行い、血管またはその近傍の固有および/または誘発された変異を同定するための焦点を定める最初の評価が行われる。
この方法は、血管壁の自発変位(血圧および平滑筋の血液動態的状態に対する音的応答に起因)と、着目する血管内の同期血流速度と、侵襲的に測定されたABPとの間に導かれた関係を利用して、非侵襲的に測定した血管壁の変位とドップラー流速とからABPを算出する。超音波プローブを用い、特定の周波数および振幅を有する波形で標的血管が超音波振動を与えられ、特定の反射または後方散乱またはエコー信号の時間または位相シフトが、自発的組織変位の算出に用いられる。
この方法は、血管壁の反射信号の振幅と、ドップラー流速と、侵襲的に監視されたABPとの間に導かれた関係を利用して、非侵襲的に測定された血管壁信号とドップラー流速とからABPを算出する。超音波プローブを用い、特定の周波数および振幅を有する波形にて標的血管に超音波振動を与え、後方散乱の振幅を利用して血管壁反射/吸収の波形を生成する。この新たな波形αは、後方散乱の振幅を有限な期間内(例えば、ECG追跡で測定された心周期)で積分し、これをその期間内の時点で規格化することにより生成される。次に、後方散乱信号、ドップラー流速、およびABPを同時に測定し、式 ICP=F(α、i)を解くことにより、この新たに導出された波形αと侵襲的に測定されたABPとの間の関係を決定する。上式で、Fは何らかの数学的関数、または単純に経験的な関係式の場合がある。(さまざまな状況下でさまざまな患者から得られた複数の経験値によって)Fが決まると、非侵襲的に決定されたαがABPの算出に利用できる。非侵襲的なABPの連続測定を行う前に、例えばABF測定用のカフ式プレチスモグラフを用いた較正ステップを実行する場合がある。
上述したのと類似するやり方で、ある期間(例えば、心周期)にわたる後方散乱信号のピーク振幅が、同じ期間内の後方散乱信号のベースライン値で規格化され、これが、ドップラー流速とともに、侵襲的に同時測定されるABPに関連付けられる。非侵襲的なABPの連続測定を行う前に、例えばABF測定用のカフ式プレチスモグラフを用いた較正ステップが実行される場合がある。
12、22 音波発生源
13 第2の音波発生源
14、17、26 増幅器
15、24 分波器
16、19、28 機能生成器
20、30、 コントローラ
32 標的組織
40、50 音波発生源/探触子一体装置
42、44 共焦点環状音波発生源
46 診断用超音波探触子
48 焦点の場所
51、52、53、54 超音波探触子
56 検出素子
Claims (20)
- 標的心筋組織の生理的性質を検出する方法であって、
超音波パルスを印加することにより標的心筋組織部位に組織変位を非侵襲的に誘発するステップと、
前記組織変位の誘発前、および/または誘発中、および/または誘発後に、前記標的心筋組織部位の音響特性に関するデータを非侵襲的に取得するステップと、
前記取得データを前記標的心筋組織の生理的性質または心臓パラメータと関連付けるステップとを含む、標的心筋組織の生理的性質を検出する方法。 - 前記標的心筋組織部位の音響特性に関する前記取得データは、複数の呼びかけ音響パルスを前記標的組織部位に投与し、前記標的組織部位から音響データを収集することにより取得される、請求項1に記載の方法。
- 前記データは、音響散乱の大きさ、振幅、および位相のうち少なくとも1つに関する、請求項1に記載の方法。
- 透過モード、反射モード、散乱モード、後方散乱モード、放射モード、エコー・モード、ドップラー・モード、カラー・ドップラー・モード、ハーモニックまたはサブハーモニック・イメージング・モード、aモード、bモードまたはmモードの少なくとも1つで動作する超音波プローブを用いて、前記標的心筋組織部位から音響データを収集するステップと、
前記誘発された組織変位に関する音響データを前記標的組織の生理的性質と関連付けるステップとを含む、請求項1に記載の方法。 - 前記標的心筋組織部位は血管を含むか、またはその血管に近接しており、検出される生理的性質は動脈圧である、請求項1に記載の方法。
- 経験的に求められた基準と比較するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 各々音響放射力の適用について異なる時点に関するデータ・セットを複数取得するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 第2の超音波パルスを印加することにより、第1の標的組織部位と異なる第2の標的組織部位において組織変位を誘発するステップと、
前記第2の標的組織部位の音響特性に関するデータを取得するステップとを含む、請求項1に記載の方法。 - 前記標的心筋組織部位で変位した組織に関する取得データを、第2の標的組織部位の音響特性に関する取得データと比較するステップを含む、請求項8に記載の方法。
- 複数の異なる超音波パルスを前記標的心筋組織部位に印加するステップと、
前記異なる超音波パルスによって誘発された音響特性に関するデータを取得するステップとを含む、請求項1に記載の方法。 - 複数の標的組織部位に複数の超音波パルスを印加するステップと、
前記複数の標的組織部位において誘発された組織変位に関するデータを取得するステップとを含む、請求項1に記載の方法。 - 集束超音波を印加して前記標的心筋組織に振動を誘発するステップと、
前記標的心筋組織から放射される音響信号の周波数を測定するステップと、
前記放射された音響信号の前記周波数と組織の生理学性質とを関連付けるステップとを含む、請求項1に記載の方法。 - 標的心筋組織の生理的性質を評価する方法であって、
少なくとも1回の心周期の複数の時点にて標的心筋組織部位における固有組織変位に関連する音響データを取得するステップと、
前記音響データを前記標的心筋組織の生理的性質と関連付けるステップとを含み、
前記音響データは超音波プローブを用いて収集される、標的心筋組織の生理的性質を評価する方法。 - 前記超音波プローブは、少なくとも透過モード、反射モード、散乱モード、後方散乱モード、放射モード、エコー・モード、ドップラー・モード、カラー・ドップラー・モード、ハーモニックまたはサブハーモニック・イメージング・モード、aモード、bモードまたはmモードのうち少なくとも1つで動作して、固有組織変位に関連する前記取得音響データを前記標的組織の生理的性質と関連付ける、請求項13に記載の方法。
- 少なくとも1回の心周期の複数の時点で複数の標的心筋組織部位における固有組織変位に関する音響データを取得するステップを含む、請求項13に記載の方法。
- 前記標的心筋組織部位における固有組織変位に関して取得された音響データは前記標的心筋組織の音響特性に関する、請求項13に記載の方法。
- 前記標的心筋組織の前記音響特性は、音響信号の振幅変化と、音響信号の位相変化と、音響信号の周波数変化と、音響放射信号の変化と、呼びかけ信号に対する散乱信号の長さの変化と、1回の心周期における音響信号の最大および/または最小振幅の変化と、1回の心周期における後続振動の平均または分散に対する最大および/または最小振幅の比と、同じ場所で異なる時点、および/または、異なる場所で同じ時点における散乱信号の時間的または空間的分散の変化と、組織変位または緩和の変化率とからなる群から選ばれる、請求項13に記載の方法。
- 前記標的心筋組織部位における固有組織変位に関する前記音響データは、呼びかけ音響パルスを前記標的心筋組織部位に投与し、音響散乱データを収集することにより取得される、請求項13に記載の方法。
- 前記固有組織変位データおよび圧力、心周期および/または呼吸周期に関する追加データを前記標的心筋組織の生理的性質に関連付けるステップを含む、請求項13に記載の方法。
- 前記音響データは超音波トランスジューサアレイを用いて収集される、請求項13に記載の方法。
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