JP2020511253A - 渦放出に基づく血管内血流の感知 - Google Patents

Abstract

本発明は、血管内挿入のためのガイドワイヤ又はカテーテル２０２と、血管内血流の主方向Ｌに沿って伝搬する血流の振動周波数を示す振動センサ信号を供給するように配置及び構成された振動センサ２０６とを有する血管内血流センサ２００に関するものである。上記振動センサは、カテーテル又はガイドワイヤ２０４から血管内血流の主方向に延びると共に血流振動により血管内血流の主方向に対して垂直な方向に弾性的に変形可能な鞭毛２０６．１を有する。

Description

本発明は、血行力学センシングの分野、特には血流関連パラメータの感知法におけるものである。特に、本発明は、血管内部の血流を測定するための血管内血流センサ、血管内血流センサシステム及び血管内血流センサシステムを動作させる方法に関するものである。

米国特許出願公開第2014/0276137号は、安静時及び充血時に得られる血流予備能指標を用いて冠動脈血流予備能（ＣＦＲ）を決定するシステム及び方法を記載している。該文献に記載された方法は、患者から血流予備能指標に関する安静値を取得するステップ、該患者から血流予備能に関する充血値を取得するステップ、これら安静値及び充血値に基づいて冠動脈血流予備能を計算するステップ、及び該冠動脈血流予備能をユーザに提供するステップを含む。

血流量を決定するための代替的方法を提供することが望ましいであろう。

本発明の第１態様によれば、血管内血流センサが提供される。該血管内血流センサは、
− 血管内挿入のためのガイドワイヤ又はカテーテルと、
− 血流振動の振動周波数を示す振動センサ信号を供給するように配置及び構成される振動センサと、を有し、
− 前記振動センサは、前記カテーテル又はガイドワイヤから血管内血流の主方向に延びると共に、前記血流振動により前記血管内血流の主方向に対して垂直な方向に弾性的に変形可能な鞭毛を有する。

前記鞭毛が弾性的に変形可能であると共に前記血管内血流の主方向に対して垂直である方向は、以下、変形可能性の方向と称する。

本発明の第１態様の血管内血流センサは、有利にも、血管内血流の血流振動により生じる振動センサ信号成分を有する振動センサ信号を供給するように構成される。

前記振動センサは鞭毛（flagellum）を有する。該振動センサの鞭毛は、当該血管内血流センサの前記カテーテル又はガイドワイヤから血管内血流の主方向に延びると共に、前記血流振動により前記血管内血流の主方向に対して垂直な方向に弾性的に変形可能である。該鞭毛は、弾性的に変形可能であり、又は、言い換えると、血管組織に対する如何なる損傷の危険性も課さないように柔らかい。

以下、本発明の第１態様の実施態様を説明する。これらの異なる実施態様は、前記振動センサ信号を供給するための異なる技術に基づくものである。特定の実施態様において、当該血管内血流センサは、血管内血流の主方向に沿って伝搬する渦により発生される血流振動に応答して振動センサ信号を発生及び供給するのに適したものである。

冠動脈における血流は、５０〜１０００の間の既知のレイノルズ数を有する。本実施態様は、典型的に５０より大きなレイノルズ数を有する流体は該流体が適切に成形された鈍頭障壁（bluff barrier）を経て移動する際に渦放出（vortex shedding）を示す傾向があるという、それ自体既知の事実を利用する。このような障壁は、当該血管内血流センサの一部を形成し得る。幾つかの実施態様において、このような適切に成形される部分はセンサ本体上又は内の鈍頭部又は障壁である。他の実施態様において、このような鈍頭障壁は当該血管内血流センサの全体により形成される。しかしながら、このことは必要な要件ではない。他の実施態様において、当該血管内血流センサは流線型の本体を有する。幾つかの斯様な実施態様において、血流振動を発生する原因は、該血流センサの形状に関係するものではない。特に、血管の狭まり又は曲がりを含む該血管の自然発生的な非流線型部分は、血流振動及び渦も発生し得る。自然発生的血管は完全に真っ直ぐに成形されるものではないので、血管内測定のために使用される殆ど全ての血管において、幾らかの渦放出が発生することが期待される。

前述した渦放出は、鈍頭部の背後における周期的な渦の形成（カルマン渦としても知られている）を記述するもので、ここで、“背後”とは血流の主方向で見て示すものである。渦は、血流方向により与えられる主方向に沿って伝搬する。如何なる所与の時点においても、渦は、対応する空間的分布を示すように分布される。一般的に、血管内血流の渦により発生される血流振動（渦発生血流振動）は、当該血管に沿う血流の主方向に対して実質的に垂直な方向において検出することができる。

前述したように、当該血管内血流センサの幾つかの実施態様において、前記ガイドワイヤ又はカテーテルは血管内血流の主方向に沿って伝搬する渦を発生するように成形された鈍頭部分を有する。このように、該鈍頭部分の存在は、血管内血流における渦の発生を更に向上させる。該鈍頭部分は、他の実施態様では、血管内マイクロカテーテルの一部とすることができる。

当該血管内血流センサは、ガイドワイヤ又はカテーテルシャフトに機械的及び電気的に取り付けることができる付加装置として実施化することができる。しかしながら、上記鈍頭部分を有する血管内ガイドワイヤ又はカテーテルの好ましい実施態様において、該鈍頭部分はガイドワイヤ又はカテーテル本体の一体部分を形成する。

幾つかの実施態様において、前記鞭毛は、前記変形可能性の方向におけるよりも前記血管内血流の主方向に対して垂直な第２方向において変形可能性が小さい。従って、これらの実施態様の鞭毛は、血管内血流に対して垂直な方向の間でも変形可能性の優先方向を有する。これらの実施態様の幾つかにおいて、当該鞭毛は、非変形状態において、前記血管内血流の主方向における長さより小さく、且つ、前記変形可能性の方向及び前記血管内血流の主方向に対して垂直な方向における幅より小さい前記変形可能性の方向における厚さを持つ平らな形状を有する。鞭毛の厚さが該鞭毛の幅及び長さより小さい平らな形状を有することにより、該鞭毛は、発生される渦に対する応答として変形可能性の優先方向を示す。このように、カテーテル又はガイドワイヤの長手方向により決まる回転軸の回りでの平らな鞭毛の回転は、前記振動センサ信号に対し影響を有する。好ましくは、これら実施態様の幾つかにおいて、当該鞭毛の血管内血流の主方向における長さは該鞭毛の幅より少なくとも５倍長く、該幅は該鞭毛の厚さより少なくとも５倍長いものとする。

当該血管内血流センサの一群の実施態様において、前記鞭毛は電気活性ポリマ（electro-active polymer）材料から形成される。この種の鞭毛は、前記振動センサ信号を前記血管内血流の主方向に対して垂直な方向の現在の変形量に依存した振幅を有する時間的に変化する電気信号の形で発生及び供給するように構成される。この電気信号の時間の関数として振動する振幅から、当該振動の周波数を決定することができる。

代わりに、振動周波数を測定するために光電子的解決策を採用することもできる。この種の実施態様の一例は、前記鞭毛を形成する光ファイバ片を有し、該光ファイバ片は反射性ファイバ片先端へ光を導くと共に該反射性ファイバ片先端から光を受光するように構成される。このように、上記ファイバ片先端から反射される光強度の変調が、前記血流振動の振動周波数の評価のために使用することができる電気的振動センサ信号を提供する。

幾つかの実施態様において、渦発生血流振動を生じさせるために、前記鈍頭部分は、好ましくは、前記カテーテル又はガイドワイヤから前記血管内血流の主方向に対して垂直な方向に突出する障壁部分を有する。特定の実施態様において、該障壁部分は球状体部分等の鈍頭体部分を形成する。一般的に、当該渦の形成を促進するために如何なる非流線型形状を用いることもできる。

本発明の第２態様によれば、血管内血流センサシステムが提供される。該血管内血流センサシステムは、本発明の第１態様又は該第１態様の実施態様の何れかによる血管内血流センサと、血管内の血流を特徴付ける血流量の値を決定するための信号処理ユニットと、を有する。前記信号処理ユニットは、血管内血流の血流振動により生じた振動センサ信号成分を有する振動センサ信号を血管内血流センサから受信するように構成された振動センサ信号入力部と、前記振動センサ信号を用いて前記振動センサ信号成分を決定し、該振動センサ信号成分を用いて前記血流振動の振動周波数を決定し、且つ、該決定された血流振動の振動周波数を用いて前記血流量の値を決定及び供給するよう構成された血流決定ユニットと、を有する。

血管内の血流を特徴付ける血流量の値を決定するための上記信号処理ユニットは、血流量の特に高速、容易且つ信頼性のある決定を可能にする。このことは、これらに限られるものではないが、特に前記血流振動が渦により発生される血流振動である実施態様に当てはまる。

本発明の第２態様の血流センサシステムにおける上記信号処理ユニットは、血流量を振動センサ信号、特に血管内血流の渦発生血流振動により生じる振動センサ信号成分を用いて決定することができるという認識に基づいている。血流の流れパターン及び速度に影響を与える適切な血管内装置によれば、血流内に上記振動センサ信号成分により示される乱流が発生される。流量センサ動作の既知の原理は、斯かる効果を、流線型形状を用いると共に血管内装置の寸法を最小にすることにより最小化するよう試みるが、発明者は、血流における当該血管内装置又は（及び）当該血管構造により生じる斯様な擾乱を示す振動センサ信号を用いて、本発明の第２態様の血流センサシステムにおける前記信号処理ユニットの助けで血流速度等の血流量を決定することが実際に可能であることを見出した。

特定の実施態様の流量決定は、特に渦放出の場合における血流振動の周波数が、当該流速にストローハル数として知られたパラメータ及び当該血流を導く血管の特徴的（特性）寸法により関係付けられる測定可能な量であるという事実を利用する。

特に、前記信号処理ユニットは、振動センサ信号入力部において、前記血管内血流センサの振動センサからの振動センサ信号を受信する。振動センサは信号処理ユニットの一部ではない。該振動センサは、振動センサ信号を信号処理ユニットに供給する外部血流センサの一部を形成することができる。当該信号処理ユニットにおいて、前記血流決定ユニットは、振動センサ信号入力部に接続され、該振動センサ信号を用いて血管内血流の血流振動により生じた振動センサ信号成分を決定する。渦により発生されたものに限らず、当該血管内で適切に発生される血流振動は、当該振動センサ信号の振動センサ信号成分を生じさせる。他の信号成分は、例えば心拍による血流変化に起因するもの、又は当該血管内血流センサの、該センサが血管内に配置される生体に対する相対運動に起因するものを含む。

前記血流決定ユニットは、該振動センサ信号成分を用いて前記血流振動の振動周波数も決定し、更に、該決定された振動周波数を用いて前記血流量の値を決定及び供給する。

このように、血流量に関する新たな情報源が、本発明の信号処理ユニットにより利用可能となる。以下では、該信号処理ユニットの実施態様が説明される。

以下においては、本発明の第２態様の血管内血流センサシステムの実施態様が説明される。これらの実施態様は、本発明の第１態様の対応する実施態様の各利点を共有する。

本発明の第２態様の血流センサシステムにおける前記信号処理ユニットを用いて決定することが可能な幾つかの血流量が分かる。例えば、例えばｍｌ／ｓの単位で与えられる体積流量、ｍ／ｓの単位で表される流速量、又は冠動脈血流予備能（ＣＦＲ）を決定することができる。

当該血管内血流センサシステムの幾つかの実施態様において、前記信号処理ユニットの血流決定ユニットは、所定の測定期間の間に受信される前記振動センサ信号の周波数ドメイン表現を決定すると共に該周波数ドメイン表現を用いて前記（渦により発生された又は他の）血流振動の振動周波数を決定するよう構成された信号変換ユニットを有する。上記周波数ドメイン表現は、例えば、受信された振動センサ信号のフーリエ変換、好適には高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を適用する信号変換ユニットにより決定及び供給することができる。

渦発生振動並びに典型的な冠動脈血流及び幾何学構造の場合、数１００Ｈｚの渦に関連する振動周波数が予測されべきである。しかしながら、これには心拍（１Ｈｚ付近）又は他の妨害に起因する他の周波数が重畳されるであろう。従って、好ましい実施態様において、当該信号処理ユニットの血流決定ユニットは、当該振動センサ信号における心拍周波数に関連する周波数成分をフィルタ除去するように構成されたフィルタユニットを有する。一例においては、当該振動センサ信号にＦＦＴを施した後、該振動センサ信号における１００Ｈｚより低い全ての周波数成分はフィルタユニットにより減衰され又は該振動センサ信号から完全に除去される。残存する所望の周波数範囲内の振動センサ信号成分は、次いで、前記振動に関連する周波数成分を識別するために使用することができる。好適には、１００Ｈｚより高い周波数成分を有する残存するフィルタ処理された信号に対して最強の振幅を持つ振動センサ信号成分を、渦発生血流振動等の関心血流振動に関連するものとして識別することができる。このように、周波数フィルタ処理を施すことにより、当該血流量の決定にとり重要な周波数が更なる信号処理のために識別及び選択されることが確かなものとされる。

当該血流量の値として血流速度の絶対値を供給するために、幾つかの実施態様においては、当該血管の振動センサの測定位置における特徴的寸法（特性寸法）等の幾何学的データが供給される。このような実施態様において、前記血流決定ユニットは、好ましくは更に、前記振動センサの血管内位置における当該血管の特徴的寸法を示す幾何学的データを保持又は受信するように構成される。一般的に、血管内応用の場合、とり得る特徴的寸法は、非円形断面の導管内の流れを特徴付ける際に使用される通常の量である水力直径と等価である。略円形直径の血管の場合、水力直径はチューブ又は導管の直径により近似することができる。

幾つかの実施態様において、前記血流決定ユニットは、更に、測定の間の前記振動センサの現在の血管内位置における血管の特徴的寸法を示す幾何学的データを保持又は受信するように構成される。該幾何学的データは幾つかの実施態様では記憶ユニットに保持又は記憶される一方、他の実施態様において該幾何学的データは入力ユニットにより受信される。該入力ユニットは、例えば、該幾何学的データの手動入力を可能にするユーザインターフェースとすることができる。更に他の実施態様において、該幾何学的データは、その場において（即ち、前記振動センサを有する血管内血流センサの現在の血管内位置において）当該血管から撮られた画像データから特徴的寸法を決定するように構成された外部画像処理装置により供給される。

これら実施態様の幾つかにおいて、前記血流決定ユニットは、前記決定された渦発生血流振動の振動周波数及び前記幾何学的データを用いて、流速としての血流量の値を、

により決定及び供給するように構成され、ここで、
ｖは流速であり、
ｆは前記渦発生血流振動の振動周波数であり、
ｄは当該血管の特徴的寸法であり、
Ｓは所与の血管における血流に適用可能なストローハル数を表す定数である。

ストローハル数は、振動する流れのメカニズムを記述する無次元数である。血液に適用可能な間隔をカバーするレイノルズ数の範囲に対して、ストローハル数は一定の値（好適には、０.２なる値）により適切に近似される。ストローハル数の該値において、流体の流れにおける振動は、本発明の第１態様による適切に成形された血流センサ等の、血管内の鈍頭部の存在による渦の形成及び後続の急速な放出により特徴付けられる。

発明者により得られた実験データは、血流振動がカテーテル又はガイドワイヤ上の鈍頭部によってではなく、例えば、血管の狭まり又は曲がり等の血管の非流線型部分により形成された鈍頭（壁）により生じるような状況においても前記式が有効な近似となることを示している。このような場合においても、振動周波数は流速に対しておおよそ線形な依存性を示す。

当該第２態様の血管内血流センサシステムの他の実施態様は、時間にわたる血流の相対的変化が、当該血流が測定されるべき血管の未知の幾何学構造及び寸法に拘わらず流速比の値を決定することを可能にするという本発明の認識を利用する。特に、発明者は、血流量の値を決定するために要するパラメータ、当該血管の特徴的寸法は、絶対値が分からなくても、測定の間において当該血管内装置が移動されない限り、時間にわたり十分に安定しているという事実を利用することができるということを認識した。このような認識は、前記振動センサが、２つの異なる測定時間において測定される血管内血流の渦発生的又は他の血流振動に起因する振動センサ信号成分を有する各振動センサ信号を供給するような血流測定の実施態様をもたらす。このような実施態様において、上記振動センサ信号を受信する前記信号処理ユニットは、少なくとも２つの異なる測定時間における血流振動の各振動周波数を決定し、且つ、斯かる２つの測定時間における該決定された振動周波数の周波数比を前記血流量の値として決定すると共に出力として供給するように構成される。２つの測定時間において決定された振動周波数の周波数比（ｒ）の決定は、流速比等の血流量又は、特定の実施態様では、冠動脈血流予備能（ＣＦＲ）に対する直接的結論を特に容易且つ高信頼度で可能にする。特に、上述した仮定の適応可能性に基づけば、当該流速比は、以下の式に示されるように、２つの異なる時間において測定される振動周波数の比に等しい。即ち、

ここで、ｖ_Ａ及びｖ_Ｂは、２つの異なる時間Ａ及びＢにおける血管内の血液の血流速度の値であり、
ｆ_Ａ及びｆ_Ｂは、これら２つの異なる時間において決定された振動周波数である。

このような血流量は、血管の現在の生理学的状態に関する重要な情報を提供すると共に、特に狭窄の又は冠微少循環の識別及び量的特徴付けを有利に支援する。

前述したように、一実施態様の前記信号処理ユニットは、前記周波数比から冠動脈血流予備能（ＣＦＲ）の値を、通常の血流状態に対応する第１測定時点（特に、当該患者の安息時）及び充血状態に対応する第２測定時点において受信される各振動センサ信号を用いて決定するように構成される。前記血流決定ユニットは、前記周波数比から冠動脈血流予備能の値（ＣＦＲ値）を、前記２つの異なる状態に対して決定された振動周波数の間の比を決定することにより決定及び出力（特に、表示）するように構成される。しかしながら、これは特別な例に過ぎない。如何なる他の流速比も、一般的に状態Ａ及び状態Ｂとして参照される如何なる２つの異なる状態おける対応する測定値を用いて決定することもできる。

これらの実施態様の幾つかにおいて、前記血流決定ユニットは、２つの測定時点において決定された振動周波数の周波数比を、複数の測定反復サイクルにおける各２つの測定時点において決定された振動周波数の周波数比からの平均値として決定するよう構成される。このことは、当該振動センサ信号を１心周期若しくは複数心周期にわたり又は時間分解的に測定することにより実行することができる。一般的に、及び特にＣＦＲが決定されるべきであり、且つ、状態Ａが通常の血流状態である一方、状態Ｂが充血状態である場合において、２つの状態Ａ及びＢの各々において適切な数の周波数サンプルを取得するために、患者にとり各状態を１回だけ生じさせると共に複数の各測定を実行することが一層良好である。状況が許せば、当該測定値は、２以上の反復サイクルを実行することにより、即ち、状態Ａ及びＢの間を反復的に変更することにより決定することができる。

ユーザに個々の測定時間を制御するための可能性を提供するために、幾つかの実施態様の前記信号処理ユニットはユーザインターフェースを付加的に有する。該ユーザインターフェースは、好ましくは、ユーザが測定を起動すると共に第１測定時間に関連する第１振動センサ信号を供給することを可能にするように構成される。前記血流決定ユニットは、斯かるユーザ入力を受信することに応答して、異なる測定時間における振動センサ信号の系列を受信すると共に、前記第１振動センサ信号から決定される振動周波数に対する、所与の測定時間に関して決定される振動周波数の周波数比を決定及び供給するように構成される。典型的に、前記信号処理ユニットの操作において、医療要員等のユーザは、前記第１測定時間を選択し、それ以降、該信号処理ユニットは当該血流量の現在の値を相対値として供給する。他の実施態様において、ユーザは、状態Ａ及びＢに対応する両測定時間を適切なユーザ入力によりマークする。

これらの実施態様の幾つかにおいて、前記信号処理ユニットは、更に、ユーザにより定められた基準時点と比較した、時間にわたる血流の相対的変化を供給するように構成される。このような実施態様において、該信号処理ユニットは、ユーザ入力を受信することに応答して、ユーザにより定められた第１測定時間で始まると共に該第１測定時間後の後続する各測定時間（これら時間は、準連続的とすることができるか又は事前設定サンプリング周波数により自動的に決定され得る）における一連の振動センサ信号を受信するように適切に構成される。該信号処理ユニットは、最初の振動センサ信号から決定される振動周波数に対する、異なる測定時間に関して決定される振動周波数の各周波数比を決定及び供給する。言い換えると、ユーザは当該血流が１００％と見なされるべき最初の測定時間又は最初の測定期間を選択することができ、当該信号処理ユニットは、その後、現在の血流を該選択された最初の測定時間における血流に対する相対値として決定及び供給する。

他の実施態様において、当該血管内血流センサシステムは、前記振動センサ信号を受信すると共に、無線キャリア信号を介して該振動センサ信号を前記信号処理ユニットに送信するよう構成された信号通信ユニットを更に有する。これらの実施態様において、前記信号処理ユニットは、更に、前記キャリア信号から前記振動センサ信号を抽出するように構成される。

前記信号処理ユニットは、好ましくは、前記血管内血流センサに含まれるガイドワイヤ又はカテーテルの外側に配置される。血管内挿入のためでない外部制御及び／又は評価装置の斯様なユニットとして実施化される場合、該信号処理ユニットは、好適にはプログラムされたプロセッサユニットの形態で設けられると共に、有線又は無線通信チャンネルを介して前記振動センサ信号を受信するために血管内操作の間に前記振動センサと通信接続状態となるように構成される（これらの構成は、それ自体、従来技術において既知である）。このように、当該血管内血流センサの血管内部分も、振動センサ信号の有線又は無線通信のための適切な通信ユニットを有する。

このように、これらの実施態様の幾つかにおいて、前記血管内血流センサは、前記振動センサ信号を受信すると共に、該振動センサ信号を前記信号処理ユニットに、特に有効な場合は適切なキャリア信号を用いて、有線又は無線（即ち、電気的又は電磁的）信号として送信するように構成された信号通信ユニットを付加的に有する。これらの実施態様において、該信号処理ユニットは、更に、前記振動センサ信号を前記キャリア信号から抽出するように構成される。異なる実施態様は、IEEE 802.11規格（Wi-Fi、ＷＬＡＮ）、ジグビ、ブルートゥース（登録商標）、赤外周波数帯域における無線通信及びその他の何れかに基づくもの等の異なる無線通信技術を利用する。斯かる無線通信技術の選択は、なかでも、当該信号通信ユニットが血管内使用のためであるか又は生体外での使用のためであるかに依存する。前者の場合、無線ラジオ波通信技術が好ましい。後者の場合、赤外データ伝送に基づくもの等の他の無線通信技術も使用することができる。

他の実施態様において、前記血管内血流センサは、血管内超音波撮像のための血管内超音波装置上に配置され、又は斯かる装置内に埋め込まれる。

前記血管内血流センサが反射性ファイバ片先端へ光を導くと共に該反射性ファイバ片先端から光を受光するように構成された光ファイバ片を有するような前記第２態様の血管内血流センサシステムの幾つかの実施態様において、該血管内血流センサシステムは、
− 前記ファイバ片に導入するための光を供給するように構成された光源と、
− 前記ファイバ片先端から反射されると共に前記ファイバ片の振動的変形により強度が変調された光を受光するように構成され、前記振動センサ信号を時間的に変化する反射光強度を示す光センサ信号の形で供給するように構成された光センサと、
を更に含む。

このように、前記ファイバ片先端から反射される光強度の変調は、前記血流振動の振動周波数の評価のために使用することが可能な電気的振動センサ信号を提供する。

本発明の第４態様によれば、血管内の血流を特徴付ける血流量の値を決定するための血管内血流センサシステムの動作を制御する方法が提供される。該方法は、
− 血管内血流センサから、血管内血流の血流振動により生じた振動センサ信号成分を有する振動センサ信号を受信するステップと、
− 前記振動センサ信号を用いて、前記振動センサ信号成分を決定するステップと、
− 前記振動センサ信号成分を用いて、前記血流振動の振動周波数を決定するステップと、
− 前記血流振動の振動周波数を用いて、前記血流量の値を決定及び供給するステップと、
を有する。

該第４態様の方法は、本発明の第１態様の信号処理ユニット及び第２態様の血管内血流センサの利点を共有する。

該第４態様の方法は、特定の実施態様では、前記血流量の値を血管内血流の渦発生血流振動により生じる振動センサ信号成分に基づいて決定する血管内血流センサシステムの制御に適用される。

本発明の第５態様は、コンピュータのプログラマブルプロセッサにより実行された場合に本発明の第４態様の方法を実施するための実行可能なコードを有するコンピュータプログラムにより形成される。

請求項１の血管内血流センサ、請求項８の血管内血流センサシステム及び請求項１５の血管内の血流を特徴付ける血流量の値を決定するための信号処理ユニットを動作させる方法は、特に従属請求項に記載されるような同様の及び／又は同一の好ましい実施態様を有すると理解されるべきである。

本発明の好ましい実施態様は、従属請求項又は上記実施態様と各独立請求項との如何なる組み合わせとすることもできると理解されるべきである。

本発明の上記及び他の態様は、後述する実施態様から明らかとなり、斯かる実施態様を参照して解説されるであろう。

図１Ａは、流線型物体の周囲における媒体の流れの概要図を示す。 図１Ｂは、流れに渦を発生する急崖（鈍頭）又は障壁の周囲における上記媒体の同じ流れの概要図を示す。 図２は、信号処理ユニット及び血管内血流センサを有する血管内血流センサシステムの一実施態様を示す。 図３は、血管内血流センサシステムの他の実施態様を示す。 図４は、血管内血流センサシステムの他の実施態様を示す。 図５は、血管内血流センサシステムの動作を制御する方法のフローチャートを示す。

図１Ａ及び図１Ｂは、一定時間における血管１０１内の流線型物体100.aの周囲及び鈍頭体（bluff body）100.bの周囲における血流の概要図を示す。矢印１０３により示された血流の主方向の入力血流１０２は、両図において同一であり、上記鈍頭体の上流側において真っ直ぐな流線により概ね示されている。図１Ａにおいて、物体100.aの流線形状は、該物体の背後の血流104.aに渦を発生させることはない。図１Ｂの場合、鈍頭体100.bは、該物体の背後の血流に渦放出（vortex shedding）を発生させる。

一般的に、渦放出は、それ自体、流体が鈍頭体を超えて流れる場合に、適した環境下で生じる振動的流れとして知られている。渦放出が発生することに関連するパラメータは、当該流体の粘性、流速並びに当該物体の寸法及び形状を含む。前者は、例えば、レイノルズ数により特徴付けることができる。血流１０２内の鈍頭体100.bの存在により誘起される渦放出は、該鈍頭体100.bの下流に所謂カルマン渦列104.bを発生させる。既存の渦は当該鈍頭体から矢印１０２により示される血流の主方向に沿って一層遠くの位置へと伝搬する一方、新たな渦は該物体100.bの近くで発生される。渦は、当該物体の交互の側で発生され、当該血流における上記主流れ方向に対して垂直な方向の振動に関連される。所与の時点において、発生された渦は図１Ｂに例示的に示されたように分布される。

渦により発生される血流の振動の使用は、１つの有利な実施態様を形成することに注意されたい。しかしながら、他の原因により発生される血流振動も、他の実施態様において同様の趣旨で用いることができる。このような血流の振動の発生は、挿入されたガイドワイヤ若しくはカテーテルによるものであり得、又は当該血管の幾何学構造等の内因的原因によるものであり得る。図面を参照する実施態様の本説明は、幾つかの部分では、本発明の範囲を斯様なケースに限定することを意図せずに、渦により発生される振動の例に焦点を合わせる。

図２は、血管２０１内の血流を測定するための血管内血流センサシステム２００の一実施態様の概要図である。該血管内血流センサシステム２００は血管内血流センサ２０３を有し、該センサは非外傷性先端部204.1を備えたガイドワイヤ本体２０４を有する血管内ガイドワイヤ２０２を含む。この特定の血管内血流センサは、血管内血流の主方向Ｌに沿って伝搬する渦の発生のために適切に成形された鈍頭部分２０５を有している。該血管内血流センサの鈍頭部分２０５は渦の形成を可能にするためにガイドワイヤ本体２０４の他の部分と形状が必ずしも異なる必要はないことに注意されたい。しかしながら、低い血流速度においても渦の信頼性のある発生を促すために、典型的なガイドワイヤ又はカテーテルの本体を、例えば鈍頭部分を有するガイドワイヤ又はカテーテルを提供する如くに、余り流線型的でない態様に成形する特徴構造を追加することが有利である。

ガイドワイヤ本体２０４は、図２では方向Ｌに対応する自身の長軸に沿って回転対称性を有することができる。しかしながら、他の実施態様（図示略）において、渦の発生は、代わりに又は加えて、マイクロカテーテル又はガイドワイヤの少なくとも先端の一部において回転対称性の毀損を呈する形状を設けることにより可能にされ又は促進されるようにする。

先端部204.1は、振動センサ２０６を含む。該振動センサ２０６は、先端部204.1の前面から当該血管内血流の主方向Ｌに延びる鞭毛206.1を有している。鞭毛206.1は、Ｌに対して垂直な方向Ｐ（本例では、２つの互いに反対の方向Ｐ）に弾性的に変形可能である。図１Ｂを参照して説明したように、Ｐ方向における鞭毛206.1の振動的曲げ運動は当該渦により発生される血液の振動運動により駆動される。所与の時点において、伝搬する渦は、かくして、渦を先端部204.1の長手方向Ｌにおける異なる下流位置に交互に位置させるような各分布を示す（図１Ｂに例示的に示されるように）。渦により発生される振動は、長手方向Ｌに対して垂直となる如何なる方向にも発生し得る。変形可能性の方向よりも血管内血流の主方向に対して垂直な第２の方向において余り変形可能でない鞭毛を設けることにより、当該鞭毛の好ましい変形方向を実現することができる。特に好ましいものは、非変形状態において変形可能性方向の厚さが血管内血流の主方向における長さより小さく、且つ、該変形可能性方向及び血管内血流の主方向に対して垂直な方向における幅より小さい平らな形状を持つ鞭毛（複数の鞭毛）を備えるものである。好ましくは、血管内血流の主方向における当該鞭毛の長さは自身の幅より少なくとも５倍長く、該幅は自身の厚さより少なくとも５倍長いものとする。

実際の３Ｄ血管においては、図１Ａ及び図１Ｂ等の２Ｄ図では忠実に表すことができない、もっと複雑な渦構造が起こり得る。このように、当該振動センサは必ずしも渦の伝搬方向のものとは限らない血流振動を示す振動センサ信号を供給するように構成される。

図２には、鞭毛206.1が、該鞭毛206.1の２つの異なる曲げ位置に対応する振動曲げ運動の２つの異なるフェーズで示されている。該振動運動の第１フェーズは実線で表される一方、第２フェーズは点線で表されている。

振動センサ２０６に含まれる鞭毛206.1は、電気活性ポリマ（electro-active polymer）材料から形成することができ、前記振動センサ信号を血管内血流の主方向に対して垂直な方向の変形量に依存する振幅を持つ時間的に変化する電気信号の形態で発生及び供給するように構成することができる。

他の血流センサにおいて、当該鞭毛は反射性ファイバ片先端へ光を導き及び該先端から光を受光するように構成された光ファイバ片である。

当該血管内血流センサシステム２００は、血管内の血流を特徴付ける血流量の値を決定するための信号処理ユニット２０８も有している。該信号処理ユニットは、振動センサ信号入力部２１１を有し、前記血管内血流センサの振動センサから振動センサ信号を受信する。該振動センサ信号は、血管内血流の渦により発生された血流振動により生じる振動センサ信号成分を有する。一般的に、渦発生血流振動により生じる該振動センサ信号成分は、血流の主方向に対して垂直な方向の成分である。信号処理ユニット２０８は血流決定ユニット２１３を更に有し、該血流決定ユニットは前記振動センサ信号を用いて振動センサ信号成分を決定し、該振動センサ信号成分を用いて渦発生血流振動の振動周波数を決定し、該決定された振動周波数を用いて血流量の値を決定及び供給するように構成される。この例示的信号処理ユニット２０８において、これらの個別の作業は、３つの対応するユニット213.1、213.2及び213.3により実行される。他の信号処理ユニットにおいては、上述した３つの作業はプロセッサにより実行される。

幾つかの信号処理ユニットは信号変換ユニット２１２を付加的に有する血流決定ユニットを含み、該信号変換ユニットは、所定の測定期間の間に受信される振動センサ信号の周波数ドメイン表現を決定し、該周波数ドメイン表現を用いて渦発生血流振動の振動周波数を決定するように構成される。この目的のために、信号変換ユニット２１２は、所与の測定時間に関連付けられた所定の測定期間にわたり前記振動センサ信号入力部から振動センサ信号を受信する。該信号変換ユニット２１２は上記所与の測定時間に対する振動周波数を、対応する測定期間の間における振動センサ信号の周波数ドメイン表現を用いて決定する。好適には、信号変換ユニット２１２は当該振動センサ信号のフーリエ変換を決定する高速フーリエ変換ユニットとする。変換された振動センサ信号から、振動周波数を、簡単な方法で、予測される１００Ｈｚより高い振動周波数範囲内に（典型的には、数百Ｈｚの範囲内に）最大振幅を持つフーリエ成分の周波数として決定することができる。

振動周波数の検出を一層容易にするために、本実施態様の幾つかの信号処理ユニットは、当該振動センサ信号から心拍周波数に関連する周波数成分をフィルタ除去するように構成されたフィルタユニット２１４を更に有する。心拍周波数範囲は、典型的に、１００Ｈｚより低い。

幾つかの信号処理ユニットは、更に、２つの測定時間において決定された振動周波数の周波数比を決定する。このようにして、血流量を決定することができる。このような血流量は、血管の現在の生理学的状態に関する重要な情報を提供すると共に、狭窄の識別及び量的特徴付けを支援する。ＣＦＲ値の計算及び出力のために、当該測定は、充血（hyperemia）の状態において及び通常の血流の状態において（例えば、安静時に）行われる。この場合、冠動脈血流予備能（ＣＦＲ）は、特別な容易さ及び信頼性で、当該信号処理ユニットにより充血の状態に対応する測定時における及び通常の血流の状態に対応する測定時における各振動センサ信号の周波数比として決定及び供給される。

幾つかの信号処理ユニットにおいては、前記振動センサ信号入力部の動作を制御することにより当該振動測定を起動する等のための制御信号のユーザ入力のために、及び決定された血流量の値の出力のためにユーザインターフェース２１０が設けられる。該ユーザインターフェースは、幾つかの実施態様では、当該血管内血流センサの現在の血管内位置における血管の特徴的寸法を示す幾何学的データを提供するために使用され、このデータは、

により流速の値を供給するために必要とされ、ここで、ｖは流速であり；ｆは渦発生血流振動の決定された振動周波数であり；ｄは当該血管の特徴的寸法であり、Ｓは当該所与の血管における血流に適用可能なストローハル数を表す定数である。

他の信号処理ユニットにおいては、上記幾何学的データが記憶ユニット２１５内にローカルに記憶され、該データは流速ｖの値を決定するために血流決定ユニット２１３によりアクセスされる。

他の実施態様において、当該信号処理ユニットは該幾何学的データを、前記血管内血流センサの現在の血管内位置において血管を撮像すると共に該位置における幾何学的データを決定及び供給する外部撮像装置又は外部画像処理装置から受信する。

ＣＦＲの決定の代わりとしてユーザにとり利用可能な他の動作モードとして、信号処理ユニット２０８は、或る系列の測定値から時間にわたる血流の相対的変化を、ユーザ入力によりトリガすることができる該系列の第１測定値と比較して決定及び供給する。

図３は、血管内血流センサシステムの他の実施態様３００を示す。以下の説明は、図２の血管内血流センサシステム２００と、図３の血管内血流センサシステム３００との間の差に焦点を合わせる。従って、同一のフィーチャは、図２の血管内血流センサシステム２００のフィーチャに対しては“２”である一方、図３の血管内血流センサシステム３００のフィーチャに対しては“３”である第１桁を除き、同一の数字を用いて参照されている。

振動センサ３０３に含まれる鞭毛３０６は、反射性ファイバ片先端へ光を導くと共に該先端から光を受光するように構成された光ファイバ片３２０である。この特定の血管内血流センサシステム３００の信号処理ユニット３０８は、当該ファイバ片に導入するための光を供給するように構成された光源３２２、及び上記ファイバ片先端から反射されると共に該ファイバ片の振動的変形により強度が変調された光を受光するように構成された光センサ３２４も有している。該光センサは、前記振動センサ信号を、時間的に変化する反射光強度を示す電気的な光センサ信号の形で供給するように構成される。

図２及び図３の血管内血流センサの図示されていない他の変形例は、ガイドワイヤ２０２、３０２の代わりに、自身の先端部に鞭毛型の振動センサ２０６、３０６が設けられたマイクロカテーテルを有する。それ以外では、該変形例に上記説明が等しく適用可能である。

図４は、血管４０１内に挿入された状態の血管内血流センサ４０３を有する血管内血流センサシステム４００の他の実施態様を示す。血流センサ４０３は、ガイドワイヤ本体４０４を備えたガイドワイヤ４０２を有している。血流センサ４０３は、図２〜図３の実施態様を参照して説明した振動センサとして実施化された鞭毛を備える振動センサ４０６も有する。図４に見られるように、この実施態様においては、鈍頭部分は用いられていない。

当該血流センサ４０３は信号通信ユニット４０８を更に有し、該信号通信ユニットは振動センサ４０６から振動センサ信号を受信すると共に該振動センサ信号の信号処理ユニット４１０へのキャリア信号を用いた無線送信を実行するように構成される。信号処理ユニット４１０は対応する信号通信ユニット（アンテナ４１１のみが図示されている）を有し、該対応する通信ユニットは前記キャリア信号を受信すると共に該キャリア信号から前記振動センサ信号を抽出するように構成される。この場合、信号処理ユニット４１０は、渦発生血流振動の振動周波数を決定すると共に、該渦発生血流振動の決定された振動周波数を用いて血流量の値を決定及び供給する。ユーザは、血流センサ４０３とユーザインターフェース４１２を介して対話することができる。ユーザ入力は、無線通信を用いて供給することもできる。

図４に示されるように、信号通信ユニット４０８は検査下の生体の外部に配置されねばならない。しかしながら、変形例（図示略）においては、信号通信ユニット４０８はガイドワイヤ本体４０４に組み込まれ、かくして、作業の間において血管内に挿入される。これらのケースにおいて、前記振動センサ信号の送信は、好適には、例えば、無線通信のためのIEEE 801.11規格、ブルートゥース（登録商標）に基づく無線通信プロトコル及び他の電波に基づく無線通信プロトコルの何れか等の電波通信プロトコルを用いて実行される。

図５は、血管内の血流を特徴付ける血流量の値を決定するための血管内血流センサシステムの動作を制御する方法５００のフローチャートを示す。該方法は、血管内血流センサから振動センサ信号が受信されるステップ５０２を有し、該振動センサ信号は血管内血液の渦発生血流振動により生じた振動センサ信号成分を有する。ステップ５０４において、該振動センサ信号成分が前記振動センサ信号を用いて決定される。ステップ５０６において、前記渦発生血流振動の振動周波数が上記振動センサ信号成分を用いて決定される。最後のステップ５０８において、血流量の値が、上記渦発生血流振動の振動周波数を用いて決定及び供給される。

要約すると、代替的血管内血流センサが開示され、該血管内血流センサは血管内血流の主方向に沿って伝搬する渦を発生するように成形された鈍頭部分を有する血管内挿入のためのガイドワイヤ又はカテーテルと、渦により発生される血流振動の振動周波数を示す振動センサ信号を供給するように配置及び構成される振動センサとを有する。該振動センサは、前記カテーテル又はガイドワイヤから血管内血流の主方向に延びると共に前記渦発生血流振動により血管内血流の主方向に対して垂直な方向に弾性的に変形可能な鞭毛を有する。

尚、開示された実施態様の他の変形例は、当業者によれば、請求項に記載された本発明を実施するに際して図面、当該開示及び添付請求項の精査から理解し、実施することができるものである。

また、請求項において、“有する”なる文言は他の要素又はステップを排除するものではなく、単数形は複数を排除するものではない。

また、コンピュータプログラムは、光記憶媒体又は他のハードウェアと一緒に若しくは他のハードウェアの一部として供給される固体媒体等の適切な媒体により記憶／分配することができるのみならず、インターネット又は他の有線若しくは無線通信システムを介してのように、他の形態で分配することもできる。

また、請求項における如何なる符号も、当該範囲を限定するものと見なしてはならない。

Claims (15)

1. 血管内血流センサであって、
   血管内挿入のためのガイドワイヤ又はカテーテルと、
   血流振動の振動周波数を示す振動センサ信号を供給する振動センサと、
   を有し、
   前記振動センサが、前記カテーテル又はガイドワイヤから血管内血流の主方向に延びると共に、前記血流振動により、変形可能性の方向と称する、前記血管内血流の主方向に対して垂直な方向、に弾性的に変形可能な鞭毛を有する、
   血管内血流センサ。
2. 前記ガイドワイヤ又はカテーテルが、前記血管内血流の主方向に沿って伝搬する渦を発生するように成形された鈍頭部分を有する、請求項１に記載の血管内血流センサ。
3. 前記鞭毛が、前記血管内血流の主方向に対して垂直な第２方向において、前記変形可能性の方向におけるよりも少なく変形可能である、請求項１に記載の血管内血流センサ。
4. 前記鞭毛が、非変形状態において、前記血管内血流の主方向における長さより小さく、且つ、前記変形可能性の方向及び前記血管内血流の主方向に対して垂直な方向、における幅より小さい、前記変形可能性の方向における厚さを持つ平らな形状を有する、請求項１に記載の血管内血流センサ。
5. 前記鞭毛が、電気活性ポリマ材料から形成されると共に、前記血管内血流の主方向に対して垂直な方向の変形量に依存した振幅を有する時間的に変化する電気信号の形で、前記振動センサ信号を発生及び供給する、請求項１に記載の血管内血流センサ。
6. 前記鞭毛が、反射性ファイバ片先端へ光を導くと共に該反射性ファイバ片先端から光を受光する光ファイバ片である、請求項１に記載の血管内血流センサ。
7. 前記鈍頭部分が、前記血管内血流の主方向に沿って伝搬する渦を発生するために前記カテーテル又はガイドワイヤから前記血管内血流の主方向に対して垂直な方向に突出した障壁部分を有する、請求項２に記載の血管内血流センサ。
8. 請求項１に記載の血管内血流センサと、
   血管内の血流を特徴付ける血流量の値を決定するための信号処理ユニットと、
   を有する血管内血流センサシステムであって、前記信号処理ユニットが、
   血管内血流の血流振動により生じた振動センサ信号成分を有する振動センサ信号を前記振動センサから受信する振動センサ信号入力部と、
   前記振動センサ信号を用いて前記振動センサ信号成分を決定し、該振動センサ信号成分を用いて前記血流振動の振動周波数を決定し、且つ、該決定された血流振動の振動周波数を用いて前記血流量の値を決定及び供給する血流決定ユニットと、
   を有する、血管内血流センサシステム。
9. 前記血流決定ユニットが、所定の測定期間の間に受信される前記振動センサ信号の周波数ドメイン表現を決定すると共に、該周波数ドメイン表現を用いて前記血流振動の振動周波数を決定する信号変換ユニットを有する、請求項８に記載の血管内血流センサシステム。
10. 前記血流決定ユニットが、前記振動センサ信号における心拍周波数に関連する周波数成分をフィルタ除去するフィルタユニットを有する、請求項８に記載の血管内血流センサシステム。
11. 前記血流決定ユニットが、更に、前記血管内血流センサの現在の血管内位置における血管の特徴的寸法を示す幾何学的データを保持又は受信する、請求項８に記載の血管内血流センサシステム。
12. 前記血流決定ユニットが、少なくとも２つの異なる測定時間における前記血流振動の各振動周波数を決定し、且つ、これら２つの異なる測定時間における該決定された振動周波数の周波数比を前記血流量の値として決定すると共に出力として供給する、請求項８に記載の血管内血流センサシステム。
13. 前記振動センサ信号を受信すると共に、無線キャリア信号を介して該振動センサ信号を前記信号処理ユニットに送信する信号通信ユニットを更に有し、
    前記信号処理ユニットが、更に、前記無線キャリア信号から前記振動センサ信号を抽出する、請求項８に記載の血管内血流センサシステム。
14. 前記ファイバ片に導入するための光を供給する光源と、
    前記ファイバ片先端から反射されると共に前記ファイバ片の振動的変形により強度が変調された光を受光し、時間的に変化する反射光強度を示す光センサ信号の形で前記振動センサ信号を供給する光センサと、
    を更に有する、請求項６に記載の血管内血流センサを有する、請求項８に記載の血管内血流センサシステム。
15. 血管内の血流を特徴付ける血流量の値を決定するための血管内血流センサシステムの動作を制御する方法であって、
    血管内血流センサから、血管内血流の血流振動により生じた振動センサ信号成分を有する振動センサ信号を受信するステップと、
    前記振動センサ信号を用いて、前記振動センサ信号成分を決定するステップと、
    前記振動センサ信号成分を用いて、前記血流振動の振動周波数を決定するステップと、
    前記血流振動の振動周波数を用いて、前記血流量の値を決定及び供給するステップと、
    を有する、方法。

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