JP2023510851A - 血管内のロバストな流れ測定のためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、血管に沿った複数の距離から受信された複数の超音波反射に基づいて、流れパラメータを計算するシステム及び方法を提供する。第１の位置における第１の流れパラメータ４１及び第２の位置における第２の流れパラメータ４２は、それぞれ、第１の位置ｚ1における超音波反射に関連付けられた第１の超音波信号から、及び第２の位置ｚ2における超音波反射に関連付けられた第２の超音波信号から計算される。合成流れパラメータ５０は、第１の流れパラメータ及び第２の流れパラメータに基づいて計算され、次いで、ユーザインタフェース６に出力される。

Description

本発明は、解剖学的構造内の流れを測定するためのシステム及び方法に関する。

血管内流れ測定による心血管及び末梢血管疾患の血行動態的重大さの評価は、循環器疾患の治療をガイドするのに有益であった。特に、冠動脈について、大規模臨床試験は、圧力及び流れ測定に基づく意思決定が、血管造影単独の使用と比較して、臨床成績を改善することを証明している。流れ測定は、非閉塞性冠動脈疾患、すなわち、大きな動脈における可視閉塞のない狭心症愁訴の場合に特に価値がある。更に、末梢血管疾患のような他の領域における流れ測定は、足への血液供給に対するアテローム性動脈硬化症の効果を定量化し、血管内治療（例えば、ステント、アーテレクトミー）のエンドポイントを規定するのを助けるのに有益であるができる。加えて、腫瘍学的介入の分野において、塞栓形成中の血流モニタリングは、塞栓形成の程度を評価し、（例えば、経動脈化学塞栓療法塞栓形成において）健康な組織の塞栓形成を防止するのに潜在的に役立つ。

血流速度測定用のガイドワイヤが、開発されており、その遠位端に単一要素超音波トランスデューサを備えている。これらの機器により、超音波パルスは、送信及び受信されることができる。血流速度は、受信信号を分析することによって、例えば、パルス波ドップラ処理によって導出されることができる。

困難の一つは、一般に限定された信号対雑音比（ＳＮＲ）と測定値のロバスト性であり、これは、特にガイドワイヤが血管内に最適に配置されていない場合に、不正確な結果につながるかもしれない。

したがって、血管などの解剖学的構造における流れ測定のロバスト性の改善が必要とされている。

本発明の一態様による例によれば、血管内の流れ測定のための装置が提供され、この装置は、
介入機器の超音波トランスデューサから第１の超音波信号及び第２の超音波信号を取得し、第１の超音波信号は、超音波トランスデューサの位置から離れた血管内の第１の位置（ｚ1）における超音波反射に関連付けられ、第２の超音波信号は、超音波トランスデューサの位置から離れた血管内の第２の位置（ｚ2）における超音波反射に関連付けられ、
第１及び第２の超音波信号にそれぞれ基づいて、第１の位置における第１の流れパラメータ及び第２の位置における第２の流れパラメータを確認し、
第１の流れパラメータ及び第２の流れパラメータに基づいて合成流れパラメータを確認し、
合成流れパラメータをユーザインタフェースに出力する、
のように構成されるプロセッサを有する。

任意の血管内機器（例えば、ガイドワイヤ、カテーテル）又は介入針（例えば、血管の経皮アクセスのための介入針）であってもよい、介入機器は、患者の解剖学的構造への導入のために構成された超音波トランスデューサを遠位部分において有する。装置は、超音波トランスデューサに送信するための複数の電気パルスを生成するように構成されてもよく、超音波トランスデューサは、電気パルスを、解剖学的構造（例えば、血管、心腔）又は解剖学的構造内の媒体（例えば、血液）に伝播する超音波パルスに変換し、超音波トランスデューサは、反射超音波パルス又は超音波である複数のエコー信号を受信する。衝突する超音波パルスに対して、超音波エコー信号は、トランスデューサから離れた、したがって、超音波トランスデューサの位置から離れる又は異なる第１の測定位置から生じ、超音波エコー信号は、超音波トランスデューサの位置から離れる又は異なる第２の測定位置から生じる。第１及び第２の位置は、別個であり、したがって、互いにある距離だけ離れている。いくつかの実施形態では、分離が、トランスデューサによって放射／受信される超音波パルスの送信／受信方向である。プロセッサは、受信されたエコー信号から第１の位置における第１の流れパラメータ及び第２の位置における第２の流れパラメータを計算し、続いて、第１の流れパラメータ及び第２の流れパラメータに基づいて合成流れパラメータを計算するように構成される。合成流れパラメータの利点は、解剖学的構造に対する超音波トランスデューサの位置及び／又は向きにあまり依存しないことである。更に、合成パラメータの計算は、流れパラメータの分散を減らすことにより信号品質を改善することができ、これは、一般に流速測定のロバスト性を改善する。

いくつかの実施形態では、流れパラメータが、流速パラメータ、例えばドップラスペクトル（大きさ及び／又はパワー）、瞬時ピーク速度、平均ピーク速度であり、合成流れパラメータは、合成流速パラメータである。他の実施形態では、流れパラメータは、体積流量であり、合成流れパラメータは、合成体積流量である。

装置の実施形態において、第１の位置は、第１の距離間隔を有し、第２の位置は、第２の距離間隔を有する。第１及び第２の遠位間隔は、ユーザによって、例えば、ユーザインタフェース入力によって選択可能であり、又は例えば、流れが介入機器の存在によってあまり乱されず、心臓壁のような解剖学的構造が超音波トランスデューサから更に離れている心腔における、流れ測定から利益を得る臨床用途に基づいて事前に規定されることができ、距離間隔は、小さい血管において介入機器の存在がそのすぐ近くで流れを乱し、血管壁が超音波トランスデューサにより近い冠動脈用途におけるものよりも大きくなるように選択されることができる。それぞれの位置に対して距離間隔を有することの利点は、流れパラメータの計算が、それぞれの距離間隔によって規定されるサンプリング距離又はサンプリング体積に対して実行され、流れ測定の増大された信頼性につながることである。更に、それぞれの位置のための距離間隔を有することは、遠位間隔、又は環境の変化（例えば、鼓動する心臓による）によって必要とされ得る又は引き起こされ得る、剛性流れパラメータに対するそれらの寄与を動的に調整することによって、剛性流れパラメータの計算における追加のアジリティを提供する。

いくつかの実施形態では、第１及び第２の距離間隔は、超音波トランスデューサの超音波送信及び／又は受信軸に沿って空間的にアラインされる。一実施形態では、第１の距離間隔及び第２の距離間隔は、後続の距離間隔であり、代替の実施形態では、第１の距離間隔及び第２の距離間隔は、部分的に重複する。第１及び第２の遠位間隔が部分的に重複するか否かは、ユーザによって、例えば、ユーザインタフェース入力によって選択可能であるか、又は流れ測定から利益を得る臨床用途に基づいて事前に規定されることができる。一般に、隣接する又は部分的に重複するサンプリング体積を有することは、２つの更なる離れたサンプリング距離又は体積の場合に現れるであろう測定値間の大きな不一致を有することなく、合成流れパラメータの計算に使用される測定値の連続性を保証する。有利には、これは、それぞれの距離間隔を選択する際に、より大きな柔軟性を提供する。

装置の開示された実施形態のいずれにおいても、プロセッサは、第１の流れパラメータに適用された第１の重み付け係数と、第２の流れパラメータに適用された第２の重み付け係数とに基づいて、合成流れパラメータを計算するように構成されることができる。重み又は重み付け係数値は、例えば、距離範囲、時間、ドップラ周波数、ドップラ振幅スペクトルデータ、及びコンテキスト情報（例えば、ユーザ入力又は追加の撮像源からの入力）のいずれかの関数として変化することができる。利点は、臨床用途特異性及びロバスト性が合成流れパラメータ計算のために最適化されることができることである。

いくつかの実施形態では、第１及び第２の重み付け係数が、プロセッサによって自動的に確認される。重み付け係数は、好ましくは距離間隔にわたる組み合わせドップラ振幅スペクトルの最小分散を使用することによる最適化に基づいて、それぞれの距離間隔に対するドップラ振幅スペクトル間の相関に基づいて確認されることができる。これは、合成ドップラ振幅スペクトルの分散を最適に減少させ、一般に流速測定ロバスト性を改善する。

代替の実施形態では、重み付け係数が、それぞれの距離間隔に対するドップラ振幅スペクトルの勾配に基づいて確認される。これは、特に、目的が、ドップラ振幅スペクトルから、瞬時ピーク速度（ＩＰＶ）のような、血管内に存在する瞬時最大血流速度を導出することである場合に有利である。これは、例えば、ドップラ超音波冠状動脈血流予備能（ＣＦＲ）測定の場合である。ＩＰＶが推定される信頼度は、所望の血流信号とノイズフロアとの間の強度の差に依存する。一実施形態によると、この信頼度は、検出されたＩＰＶにおける周波数にわたるドップラ振幅スペクトルの差又は勾配によって定量化されうる。個々のドップラ振幅スペクトルが合成ドップラ振幅スペクトルの差又は勾配にどの程度寄与するかを評価し、この差又は勾配が最大化されるように重みを最適化しうる。この最適化は、重みが初期化される（例えば、ユニタリ重み）反復プロセスとして実装されてもよい。反復プロセスは、合成ドップラ振幅スペクトルを計算することによって始まる。次に、ＩＰＶが評価され、ＩＰＶにおける個々の振幅スペクトルの差又は勾配が評価される。重みは、差又は勾配値に基づいて最適化され、反復プロセスは、その開始点に戻る。反復プロセスは、合成ドップラ振幅スペクトルの満足のいく差又は勾配値が見つかるとき、この差又は勾配値の増加が閾値未満であるとき、ＩＰＶの絶対又は相対的変化が閾値未満であるとき、重みが許容値の上限／下限に達したとき、特定のステップサイズを前提として局所最適が見つかるとき、又は反復の最大数が到達されるときはいつでも停止しうる。

更なる代替実施形態では、プロセッサは、流れ測定が実行される血管の解剖学的構造に対する超音波トランスデューサの超音波送信及び／又は受信軸の位置及び／又は向き情報を受信するように構成され、プロセッサは、位置及び／又は向き情報に基づいて重み付け係数を計算するように更に構成される。これは、血管の位置に対する血流速度測定の距離を動的に位置合わせすることを可能にし、それによって、特に運動の場合における血流速度測定のロバスト性を改善する。

装置のいずれの実施形態においても、プロセッサは、それぞれの距離間隔にわたるノイズフロア値が実質的に等しい値にもたらされるように、それぞれの距離間隔あたりの異なるドップラ振幅スペクトルをスケーリングした後に、平均化されたドップラ振幅スペクトルに基づいて合成流れパラメータを計算するように構成されてもよい。これは、平均化ドップラ振幅スペクトルにおけるノイズ分散を最小化し、最高速度信号エネルギを特徴とする距離間隔を強調する。

装置の実施形態のいずれにおいても、プロセッサは、超音波トランスデューサからそれぞれの距離にあるそれぞれの複数の位置における超音波反射に関連付けられた更なる複数の超音波信号を得るように構成されてもよく、複数の位置は、超音波トランスデューサの超音波送信及び／又は受信軸に沿って空間的にアラインされる。更なる複数の位置をカバーすることは、信号品質を最大化するために（例えば、推定されたＩＰＶにおける信頼度／信頼性を最大化するために）、選択及び重み付けを可能にする。

本発明の更なる態様によれば、本発明による実施形態のいずれかによる装置と、その遠位部分上に超音波トランスデューサを含む介入機器と、合成流れパラメータを出力するためのユーザインタフェースとを有するシステムが、提供される。

本発明の更なる態様では、
介入機器の超音波トランスデューサから第１の超音波信号及び第２の超音波信号を取得するステップであって、第１の超音波信号は、超音波トランスデューサの位置から離れた血管内の第１の位置における超音波反射に関連付けられ、第２の超音波信号は、超音波トランスデューサの位置から離れた血管内の第２の位置における超音波反射に関連付けられる、ステップと、
第１及び第２の超音波信号にそれぞれ基づいて、第１の位置における第１のパラメータ及び第２の位置における第２の流れパラメータを確認するステップと、
第１の流れパラメータ及び第２の流れパラメータに基づいて合成流れパラメータを確認するステップと、
合成流れパラメータをユーザインタフェースに出力するステップと、
を有する、流れ測定の方法が、提供される。

本方法は、オプションの実施形態において、プロセッサが本発明による装置の実施形態のいずれかについて言及された動作を実行するステップを有してもよい。

本発明の更に別の態様では、コンピュータプログラムが、提供され、コンピュータプログラムのコンピュータプログラムコード手段は、前記コンピュータプログラムがコンピュータ上で実行されるときに、本発明による方法のいずれかを本発明によるシステムのいずれか上で実施するように構成される。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載される実施形態から明らかになり、それらを参照して説明される。

本発明の例は、添付図面を参照して詳細に説明される。

血管内の介入機器を例示的に示す。 血管内の流れ測定のためのサンプリング体積の一例を示す。 ユーザインタフェース上に表示される流れ測定の例を示す。 血管内の流れ測定のための介入機器の不適切な向きの状況を例示的に示す。 血管内の流れ測定のための介入機器の適切な向きのための例示的な状況を示す。 血管内の流れ測定の概略的表現を示す。 流れ測定のためのシステムの例示的な実施形態を示す。 様々な測定深度におけるドップラ振幅スペクトルを示す。 ｉｎ－ｖｉｖｏで得られた、時間の関数として様々な深度間隔でのグレースケール符号化ドップラスペクトルを示す。 図９に示されるスペクトルを平均化することによって得られる合成ドップラスペクトルを示す。 血管、流れ感知介入機器、及び流れ測定場を示す血管造影図である。 流れ測定の方法を例示的に示す。

詳細な説明及び特定の例は、装置、システム及び方法の例示的な実施形態を示しているが、例示のみを目的を意図したものであり、本発明の範囲を限定することを意図したものではないことを理解されたい。本発明の装置、システム及び方法のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、及び添付の図面からより良く理解されるであろう。本発明は、図面を参照して説明される。

血流を評価するために、介入機器１は、図１に示されるように、その遠位部分において単一素子超音波トランスデューサ２を備え、超音波パルスが、超音波トランスデューサ２によって送信及び受信される。受信信号の分析から、特定のサンプリング領域における血流速度が、推定されることができる。カテーテル及びガイドワイヤのような血管内機器は、患者の循環系における様々な血管２０内の血流速度の測定値に対して特に使用される介入機器であるが、しかしながら、介入針のような他の介入機器は、超音波ドップラ測定値に基づいて患者の解剖学的構造における血管を検出するための超音波トランスデューサを備えることができる。Philips Volcanoは、冠状動脈における血流速度測定に対して一般的に使用される、ＦｌｏＷｉｒｅ及びＣｏｍｂｏＷｉｒｅなどのドップラ超音波ガイドワイヤを商業化している。

超音波ドップラ及び撮像では、超音波トランスデューサ２が、制御されたレート、パルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）でバーストを送信する。各パルスの送信後、トランスデューサは、受信モードに切り替わり、いわゆる無線周波数（ＲＦ）ラインは、各パルス送信後に、測定されることができ、これは、図１に例示的かつ概略的に示されるように方向２１に実質的に移動する血球２２による送信パルスの反射によって引き起こされるエコー信号を有するが、血球は、血管内への介入機器の導入部位に応じて、矢印の実質的に反対方向に移動しうる。これらは、一緒に１つの取得を形成し、ＲＦラインは、数マイクロ秒の時間スケールにわたって測定される。典型的には、主に送信パルス周波数における周波数成分を有する帯域制限信号である。各取得のための送信と受信との間の時間（「高速時間（fast time）」と称される）は、トランスデューサと散乱体との間の距離を反映し、その距離を超音波伝播速度で割った値の２倍である。信号の複素振幅（及び／又は位相）は、時間の関数として変化し、超音波撮像（振幅）及びドップラ（位相）用途で使用される。一例では、ＰＲＦが、介入機器に接続された超音波コンソールなどのハードウェアによって提供される。いくつかの例では、ＰＲＦは５０ｋＨｚである。

ドップラ用途では、所望の情報が、連続した取得にわたって抽出され、これは、距離（「高速時間」）及び取得時間（「低速時間（slow time）」）の関数として、複素振幅信号、いわゆる同相及び直交（ＩＱ信号）を提供する。いわゆる「ドップラ信号」は、低速時間のみの関数として、図２に示される１つの距離範囲３においてこの複雑な信号をサンプリングすることによって得られる。スペクトルドップラでは、このドップラ信号の周波数コンテンツが、表示される。実際には、これは、一定数の低速時間サンプル（又はパルス送信）にわたる複素振幅信号のフーリエ変換によって実現される。

ドップラ信号の振幅又はパワースペクトルによって得られるドップラ信号における周波数の分布は、ドップラ式
ｆ_D＝－（（２v cos(θ））／ｃ）ｆ_c
によって、サンプリング体積内の流速の分布に解析的に（すなわち、較正なしに）関係する。

ドップラ周波数ｆ_Dは、軸方向速度ｖ、超音波伝播速度ｃ（血液中では一定であると推定され、１５６６ｍ／ｓ）、超音波周波数ｆ_C（システムによって決定され、例えば１２ＭＨｚ）、及び超音波ビームと流れとの間の角度θ（「ドップラ角度」）に依存する。血管内流れ測定に対して、θは、無視できると推定され、したがって、cos（θ)＝１である。

以下では、スペクトルドップラで使用される処理ルーチンが、要約される。
－復調（例えば、位相－直交復調）は、ＲＥ信号をＩＱ信号に変換する。
－クラッタフィルタリング（例えば、ハイパスフィルタによる）は、ドップラ信号の低周波成分を低減するために使用され、ドップラ信号は、用途に応じて、主に、ゆっくりと動く組織からの信号からなる（例えば、ＦｌｏＷｉｒｅの場合、これは、典型的には血管壁運動を伴う）。
－ゲーティング（又はパケッティング）は、１つの特定の距離範囲にわたってドップラ信号をサンプリングし、統合するために使用され、ゲートされたＩＱ信号を提供する。ゲート長（又は持続時間）を増加させることによって、ドップラ信号は、より長い深度範囲にわたって積分され、空間分解能を犠牲にしてドップラ信号の信号対雑音比（ＳＮＲ）を増加させる。最適ゲート持続時間は、送信パルス持続時間と等しく、これは、ＳＮＲを最大化し、より長いゲートは、ＳＮＲを更に改善しない。ドップラスペクトルは、ゲートＩＱ信号にわたる高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により推定されることができる。ドップラスペクトルの振幅又はパワーが、計算される（位相スペクトルは、典型的には使用されない）。

図３は、スペクトルドップラのようなパルス超音波ドップラ法を用いて、ＦｌｏＷｉｒｅのような介入機器を使用することによって決定される速度の例を示す。この方法は、時間の関数としてサンプル領域３内の流速３０の分布を動的に推定する。したがって、それは、流れ又は流速を直接的には提供せず、むしろ、サンプリング体積内に存在するすべての流速の分布を提供し、したがって、測定は、臨床的意思決定を容易にするために要約されることを必要とする多くの情報を提供する。そうするために、全体的な速度分布は、動的流速特徴（ＤＦＶＦ）によって特徴付けられる。

血管内流速測定のために、瞬時ピーク速度（ＩＰＶ）が、破線３２として示されるＤＦＶＦとして採用される。

これは、任意の血管において、流速がゼロとＩＰＶとの間の分布で存在するというアイデアに基づく。典型的には、最高流速は、血管の中心に存在するが、流速は、血管壁に近づくとゼロになる傾向がある。したがって、大きな値からゼロへのＩＰＶの周りの速度分布の明らかな変化が、存在する。信号対雑音比に依存して、ドップラスペクトルにおいて、信号スペクトルの大きさからノイズフロアへの変化が、存在する。破線３２の下の領域３１の輝度は、速度分布の密度を示す。介入機器、例えばＦｌｏＷｉｒｅは、そのサンプリング体積３が図２及び図５のように、流速が最も高い位置を含むように配置されている限り、その変化は、検出された速度分布から明らかに識別可能である。いくつかの実施形態では、ＩＰＶ値は、平均ピーク速度（ＡＰＶ）を導出するために、時間にわたって（例えば、所定数の心周期にわたって）平均化されてもよい。

様々な他の用途において、他のＤＦＶＦ、例えば、超音波カラー流れ撮像（カラードップラ）で一般的に使用される瞬時平均速度（即ち、瞬時速度分布の平均）が、推定される。パワードップラでは、合計パワーは、より定量的ではないが、より感度の高いＤＦＶＦとして使用される。別の代替ＤＦＶＦは、これが完全な速度分布を最初に推定する必要なく、より効率的に推定されることができるので、パワー速度積分である。しかしながら、平均流速は、制御し、安定に保つことが困難である血管内のトランスデューサの位置に非常に大きく依存し、従って、測定された平均流速は、高度に再現不可能である。超音波パワードップラでは、流れの存在が、速度分布における全パワーを計算するだけで（すなわち、いかなる速度も計算することなく）示される。

血管内スペクトルドップラ法に伴う困難の１つは、一般的に制限されたＳＮＲ及び測定値のロバスト性である。これは、特に、ＦｌｏＷｉｒｅのような介入機器が血管内に最適に配置されていない場合に、不正確で一貫性のない結果をもたらしうる。このような例が、図４に示される。血管内の介入機器の遠位先端の不整合（misalignment）は、血管内の最高速度の準最適サンプリングにつながりうる。これは、準最適な信号対雑音比をもたらすことができ、これは、ピーク速度計算をより困難にするか、又はサンプリング領域若しくは体積が最高速度を含まない場合には不可能にする。介入機器の先端の位置及び／又は向きが、測定中に、特に拍動する心臓内に配置される冠動脈において動的に変化することができることを考慮すると、この不整合は、信頼性のあるピーク速度信号を得ることを困難にする可能性がある。より信頼性の高い流れ測定につながる状況が、図５に示されており、ここで、サンプリング体積は、血管管腔の中央領域を有する。

ドップラスペクトルの信号品質は、更に改善されることができる。前述したように、ゲーティングは、送信パルス長によって与えられる最適なゲート長／持続時間で、ＳＮＲをブーストするために実行される。ゲート長を延長することによって、ＳＮＲの任意の更なる改善は、したがって、より長い送信パルス長を（例えば、増加されたサイクル数によって）必要とするであろう。しかしながら、より長いパルスを送信する場合、実際には、超音波安全規制（特に、時間平均した音響エネルギ）を超えないために、送信パルス振幅を減少させる必要があるであろう。加えて、より長い送信パルスは、トランスデューサが送信しており、従って、超音波信号を受信するために使用されることができない間の期間を増加させるであろう。

スペクトルドップラ画像では、図３において３０で示すように、各画素は、複素数（あるドップラ周波数に対応するドップラ信号強度）の振幅スペクトルとして計算され、その実部及び虚部は、平均０（ノイズの場合）及び標準偏差σを有する加法性白色（ガウシアン）ノイズによって歪められる。得られた振幅は、平均σ√（π／２）及び標準偏差σ√（（４－π）／２）を持つレイリー分布（パラメータσ）によって特徴づけられる。この特定の形態のノイズは、限定的なものではなく、ここでは一例としての役割を果たす。

以下のように、２つの相関効果が、数学的に利用されることができる。
－比較的短い距離のスケールでは、ドップラ信号は、時間領域で平均化され、これは、標準偏差σを持続時間（信号が平均化されるＫ）の平方根に比例する係数（σ／√Ｋ）だけ減少する、
－比較的長い距離のスケールでは、ドップラ振幅スペクトルは、異なる距離範囲にわたって平均化されることができる。ドップラ振幅スペクトルは、明確な位置から、すなわち独立に得られるので、異なる距離範囲にわたるノイズは、無相関である。このように、平均化は、平均に影響を与えないが、標準偏差を減少させる。均等に分散された信号（距離範囲にわたって均等な分散を持つ） に対して、結合されたスペクトルの分散は、ドップラ振幅スペクトルが平均化される距離範囲の数（Ｎ） の平方根によって減少される。異なる距離範囲にわたる分散に差がある場合、距離範囲にわたる平均化によって達成される分散減少の量は、より低くなる。これは、結果として、ノイズレベルが、平均σ√（π／（２Ｋ））と、標準偏差σ√（（４－π）／（２ＫＮ））とを有することになる。異なる深度範囲にわたるドップラ振幅スペクトルを組み合わせることの付加的な利点は、従って、ドップラ画像における√Ｎによる標準偏差の減少である。正味の結果は、スペクトルドップラ画像の均質性の増加であり、これは、信号とノイズとの間のより明瞭なコントラストを提供する。

図６は、血管内の流れの測定に使用される介入機器１を概略的に示す。介入機器は、概略図では血管２０の中心軸２３とアラインされているが、これは、トランスデューサからの第１の位置（ｚ₁）での超音波反射に関連する第１の超音波信号１２と、超音波トランスデューサからの第２の位置（ｚ₂）での超音波反射に関連する第２の超音波信号１３とを有することで充分であるため、必要ではない。超音波トランスデューサは、複数の超音波パルス１１を生成し、機器から第１の距離ｚ₁にある第１の測定位置から複数のエコー信号１２を受信し、機器から第２の距離ｚ₂にある第２の測定位置から複数のエコー信号１３を受信する。第１の測定位置からの複数のエコー信号１２は、第１のドップラ信号を形成するために使用され、第２の測定位置からの複数のエコー信号１３は、第２のドップラ信号を形成するために使用される。
一実施形態では、第１及び第２の位置は、超音波トランスデューサの超音波送信及び／又は受信軸に沿って空間的にアラインされる。第１及び第２の位置は、距離ｘだけ離れている。

介入機器１は、図７に例示されるように、装置５、例えばコンソールに有線又は無線接続によって接続される。コンソールは、超音波トランスデューサに電気励起パルスを提供しうる。代替的に、電気励起パルスは、介入機器の近位部分に一体化された自律電気部品によって提供されることができ、介入機器の近位部分は、患者の解剖学的構造に挿入された介入機器の遠位部分を用いた流れ測定中、患者７の身体の外側に留まる。更なる代替例では、電源が、介入機器の近位部分に一体化され、介入機器の遠位部分にある超音波トランスデューサの近くに配置された特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）と通信するように構成され、そのＡＳＩＣは、次いで、超音波トランスデューサのための電気励起パルスを提供する。任意選択で、測定データは、ディスプレイ６などのユーザインタフェースに直接的に無線で送信されることができる。実施形態のいずれにおいても、プロセッサは、流れ測定の結果を出力するために測定データを処理することに関与する。プロセッサは、コンソール、ディスプレイ、及び介入機器の近位部分（例えば、ハンドセット）のうちの少なくとも１つに一体化され得る。測定結果は、視覚的表現（例えば、グラフィック及び／又は数値）の形態でユーザインタフェース上に提示されてもよく、又は音響信号として提示されることができ、信号の音響特性は、出力された流れ結果に従って変化する。

図７に概略的に示されるシステム１０は、様々な代替構成において、以下の構成要素、すなわち、
－介入機器であって、プロセッサが、介入機器の近位部分内に一体化され、流れ結果を出力するためのユーザインタフェースを更に有し、プロセッサが、ユーザインタフェースと無線通信を介して通信する、介入機器、
－プロセッサを構成するコンソールと有線又は無線通信する介入機器であって、流れ結果を出力するユーザインタフェースを更に有し、このユーザインタフェースは、コンソールから分離される又はコンソールに一体化されることができる、介入機器、
を有してもよい。

実施形態のいずれにおいても、システムは、Ｘ線血管造影法、コンピュータ断層撮影法、超音波撮像、及び磁気共鳴撮像のうちの少なくとも１つを提供するのに適した少なくとも１つの体外装置８を更に有してもよい。

異なる深度範囲で同時にサンプリングされたｉｎ－ｖｉｖｏ測定ドップラスペクトルの例が、図８のグラフィック表現４０に示されている。異なる深度範囲で得られた振幅スペクトルを平均化することによって、ドップラ信号及びノイズフロアの両方の分散が、減少されることができることに留意されたい。これは、均一性が増大し、したがって、信号とノイズとの間のコントラストが増大する結果となる。効果の視覚化は、図９からの様々な距離範囲（例えば、４１，４２）についてのドップラスペクトルのグラフィック表現と図１０のグラフィック表現とを比較することによって更に観察されることができる。この特定の例では、ノイズフロアが等しくなるように、距離範囲ごとに異なるドップラスペクトルをスケーリングした後、（ｄＢに変換する前の）ドップラ振幅スペクトルの単純な平均、すなわち、算術平均が、図１０に示されるように合成ドップラスペクトル５０を計算するのに使用される。関連する深度間隔（又は範囲）あたりの個々のドップラスペクトルからの情報、例えば、幾何平均、中央値などを組み合わせるための代替の実施形態において考慮されることができるいくつかの先進的なオプションが存在する。いくつかの実施形態では、後続の距離範囲から得られる個々のドップラスペクトルを使用する代わりに、互いに隣接しているか否かにかかわらず、合成ドップラスペクトルの計算のために、重複する距離範囲（例えば、２乃至３ｍｍ、２．５乃至３．５ｍｍ、３乃至４ｍｍ、...）が、考慮されることができる。

いくつかの実施形態では、ドップラ振幅スペクトルが結合される距離範囲を選択及び／又は重み付けするための手段が、提供される。これは、異なる距離範囲に対する全ての振幅スペクトルがまったく同じ速度分布を有するわけではないので、有益である。バイナリ重みの場合に、距離範囲の選択と等価である重み付けは、いくつかの入力に基づくことができる。重み付け／選択は、プロセッサによって動的に行われることができ、又は特定の距離範囲に属するドップラスペクトルに関連付けることを望む重みを示すことによって、若しくは合成ドップラスペクトルの計算のために考慮されるユーザインタフェース上の所望の距離範囲を選択することによって、システムのユーザによって決定されることができる。重みは、距離範囲、時間、及びドップラ周波数の関数として変化することができる。

いくつかの実施形態では、例えば、臨床応用のタイプなど、以前の仮定が、使用されることができる。流れ感知介入機器（例えば、ガイドワイヤ）が血管内に挿入される測定システムの設定は、血管内の流速プロファイルに幾つかの影響を及ぼし得る。特に、ガイドワイヤの存在は、遠位先端に近接した距離範囲で測定された軸方向速度が更なる距離範囲で測定された速度よりも幾分低いように、その遠位先端に近接した流速プロファイルを乱す。この効果が有意である距離は、血管の直径及び流れに依存する。これに基づいて、介入機器の遠位先端に近接した距離範囲（例えば、２ｍｍより近い）は、無視されることができ、又は、重み付け係数の低い値が、合成ドップラ振幅スペクトルを計算するために関連付けられることができる。例えば、低減された重みは、介入機器の遠位先端から更に離れて配置された距離間隔に関連するドップラスペクトルと比較して、遠位先端に近接した距離範囲に起因することができる。追加の又は代替の実施形態では、超音波トランスデューサから遠すぎる、かつ使用可能なドップラ信号が低すぎる品質である遠位範囲は、同様に無視されることができ、又はそれらの距離範囲に属するドップラスペクトルが、低値の重み付け係数に関連付けられることができる。これは、超音波周波数に依存する測定された媒体（例えば、血液又は組織）における超音波の有限の侵入深さのために有利であり、したがって、それぞれの距離範囲の寄与は、最小化又は無視されることができる。更に、超音波ビームは、それが集束超音波ビームでない限り、侵入深さとともに発散し、ある侵入深さでは、超音波ビームは、血管直径よりも広くなり、その特定の侵入深さの周囲及びそれを超える距離間隔の寄与は、測定値にクラッタのみを追加し、使用可能な速度信号をほとんど追加しない。超音波トランスデューサのための超音波ビームをガイドワイヤ又は介入針のような介入機器に集束させることは、特に超音波トランスデューサが介入機器の遠位端に一体化されている場合に、その断面寸法のために問題がある。

更なる代替の実施形態では、撮像モダリティ（例えば、血管造影）は、異なる距離範囲について（血管内の）流速プロファイルがどの程度良好にカバーされるかについての洞察を提供することができる。血管造影は、図１１に示されるように、血管ナビゲータと組み合わせて使用されることができる。流れの測定に最適な距離に関する情報は、図７に関連して開示されるシステム実施形態のいずれかのプロセッサに提供されることができ、そこで、プロセッサは、合成ドップラスペクトルの計算のための様々な距離範囲についてドップラスペクトルの重み付けの自動最適化を提供する。介入機器は、図１１のような血管内の位置で撮像システムによって撮像されるように提示されることができる。それに加えて又はその代わりに、介入機器は、所望の測定位置にナビゲートされてもよい。コレジストレーション（co-registration）は、（例えば、介入機器上の放射線不透過性マーカの使用によって、又は機器の遠位部分におけるコイルの電磁追跡によって）撮像システムから得られる血管の形態に関して介入機器の遠位領域を追跡するために使用されることができる。いくつかの実施形態では、プロセッサは、流れ測定が開始されない間、介入機器の遠位部分の位置で自動的にズームインするように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、介入機器の遠位部分が、提示された画像において強調される。他の実施形態では、介入機器の遠位部分及び血管の解剖学的構造が、提示された画像において両方とも強調される。いくつかの実施形態では、超音波トランスデューサの測定フィールド４が、血管の解剖学的構造（例えば、壁）に対して視覚化される。超音波測定フィールド又は超音波トランスデューサビームプロファイルは、介入機器に一体化された超音波トランスデューサの製造及び較正測定から既知であってもよい。超音波測定フィールド又は超音波トランスデューサビームプロファイルは、周波数及び励起パルスに依存してもよく、メモリ機器上に記憶されたライブラリに記録されるように実装されてもよい。測定のために特定の介入機器を結合することによって、プロセッサは、ライブラリから対応する超音波測定フィールド又は超音波トランスデューサビームプロファイルを自動的に選択し、血管解剖学的構造及び介入機器を有する画像上にそれを重ねる。更に、いくつかの実施形態では、プロセッサは、超音波測定フィールド又は超音波トランスデューサビームプロファイルが血管壁と交差しない場合にのみ、流れ測定を可能にするように構成されてもよい。更なる実施形態では、プロセッサは、血管壁から所定の横方向距離を有して、血管の管腔内にある超音波測定フィールド又は超音波トランスデューサビームプロファイル内の距離間隔に基づいて、サンプリング範囲に対する距離間隔を自動的に選択するように構成される。更に別の実施形態では、プロセッサは、血管壁に対する超音波測定フィールドの位置及び／又は向きが、環境が信頼できる流れ測定を可能にしない状況より、流れ測定に適している場合に、超音波測定フィールド又は超音波トランスデューサビームプロファイルをディスプレイ上に異なって出力するように構成されてもよい。一例では、流れ測定に適した及びあまり適していない状況は、異なる色、例えば、適切な条件には緑色、あまり適していない状況には橙色から赤色で提示されてもよい。任意選択的に、超音波測定フィールド又は超音波ビームプロファイルは、流れ測定に適した又はあまり適していない距離間隔について異なって表されてもよい（例えば、ハッチング又は着色）。

代替において、介入機器は、Piayda et al. Eur J Med Res (2018) 23:36（https://doi.org/10.1186/s40001-018-0333-x）の図１及び２に特に関連して記載されるような、動的冠動脈ロードマップの文脈で提示されることができる。

代替的には、Ｘ線血管造影法に加えて又は代わりに、解剖学的情報を介入機器の位置及び／又は向き情報と一緒に提供することができる他の撮像モダリティが、システム内で使用されることができる。本明細書では、超音波撮像、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）又はコンピュータ断層撮影（ＣＴ）を提供する撮像システム８が、企図される。これらの撮像モダリティは、解剖学的構造、例えば血管２４に関連する超音波トランスデューサの流速測定フィールド４の向きをより良く評価するために、３次元（３Ｄ）情報を提供しうる。代替的に又は追加的に、介入機器１の遠位先端の位置及び／又は向きは、当業者には特許文献から知られているように、超音波位置特定技術で、又は介入機器内に一体化された光ファイバによって、追跡されてもよい。

いくつかの実施形態では、ドップラ振幅スペクトルの選択及び／又は重み付けは、スペクトル自体の内容に基づく（すなわち、データ駆動型である）ことができる。これは、様々な方法で実施されることができる。
－一般的なデータ適応方法が、異なる距離範囲で得られたドップラ振幅スペクトル間の相関を最適に利用するように採用されることができる。重みは、異なる距離範囲で測定された振幅スペクトル間の実際の相関に基づくことができる。
－適応アルゴリズムが、特定のコスト関数、例えば、結合ドップラ振幅スペクトルの最小分散を最適化する重みを決定するのに使用されることができる。
－選択及び／又は重みは、ＤＦＶＦ推定の精度を最適化する目的で決定されることができる。異なる距離範囲に対する重みは、特定の距離範囲のドップラ振幅スペクトルがＤＦＶＦ推定の精度にどれだけ寄与するかに基づいて決定されることができ、例えば、特定の距離範囲におけるドップラ振幅スペクトルがノイズのみを含む場合、この寄与は、負であろうし、ＤＦＶＦ推定においてこの距離範囲を考慮に入れないことが好ましい。このアプローチがどのように実装されることができるかを示すために、一例のＤＦＶＦとしてのＩＰＶが、使用され、特徴としてのＩＰＶにおけるドップラ振幅スペクトルの勾配は、ＤＦＶＦ推定に対する距離範囲の寄与を測定するのに使用された。図８の例示のドップラ振幅スペクトルに示されるように、８乃至１０ｋＨｚの間、すなわちＩＰＶトレーシング４３に対応する周波数範囲において、振幅スペクトルに有意な負の勾配が存在する。この勾配の強さは、ＩＰＶがどれだけ正確に推定されることができるかの尺度である。代わりに、ＳＮＲのような他の特徴が、この目的のために使用されてもよい。そのようにして、重みの反復的最適化のためのアルゴリズムが、使用されることができ（例えば、単位重みから開始する）、このアルゴリズムは、重み付けされた結合された振幅スペクトルの計算、ＩＰＶの推定、ＩＰＶが十分に正確であるかどうかを試験し、肯定の場合には停止し、否定の場合には全ての振幅スペクトルについてＩＰＶにおける勾配の計算を続けること、勾配に基づいて全ての振幅スペクトルについての重みを更新し、重み付けされた結合された振幅スペクトルの計算の第１のステップに戻ることを有する。ＩＰＶが推定される信頼度は、所望の血流信号とノイズフロアとの間の強度の差に依存する。一実施形態によると、この信頼度は、検出されたＩＰＶ内の周波数にわたるドップラ振幅スペクトルの差又は勾配によって定量化されうる。個々のドップラ振幅スペクトルが合成ドップラ振幅スペクトルの差又は勾配にどの程度寄与するかを評価し、この差又は勾配が最大化されるように重みを最適化してもよい。この最適化は、重みが初期化される（例えば、単位重み）反復プロセスとして実装されてもよい。反復プロセスは、合成ドップラ振幅スペクトルを計算することによって開始する。次に、ＩＰＶが評価され、ＩＰＶにおける個々の振幅スペクトルの差又は勾配が評価される。重みは、差又は勾配値に基づいて最適化され、反復プロセスは、その開始点に戻る。反復プロセスは、合成ドップラ振幅スペクトルの満足のいく差又は勾配値が見つかったとき、この差又は勾配値の増加が閾値未満であるとき、ＩＰＶの絶対又は相対的変化が閾値未満であるとき、重みが許容値の上限／下限に達したとき、特定のステップサイズを前提として局所最適値が見つかったとき、又は最大数の反復が到達されたとき、いつでも停止しうる。

介入機器の実施形態のいずれにおいても、超音波トランスデューサは、多数の超音波トランスデューサ素子を含んでもよく、その場合、超音波パルスは、電子ビームステアリング及び／又は電子ビーム集束を使用することによって、最大流速で血管管腔の中央領域からのサンプリング体積を有するように向けられてもよい。このようにして、測定は、介入機器の向きに対する感度を低くされうる。システムのいくつかの実施形態では、超音波ビームを流れ方向に最適にアラインするように、電子ビームステアリング及び集束が、適用されてもよい。超音波ビーム角度は、ドップラ信号の強度を最大化するように最適化されることができる。ビーム角度の最適化は、反復的及び／又は適応的な様式で実行されてもよい。介入機器のトランスデューサのいずれも、ＰＺＴ又はＰＶＤＦを有する従来の超音波トランスデューサであってもよく、又は微細加工された超音波トランスデューサ（容量性又は圧電性）であってもよい。

本発明の更なる態様では、流れ測定の方法１００が、提供され、本方法は、
介入機器の超音波トランスデューサから第１の超音波信号及び第２の超音波信号を取得するステップ１０１であって、第１の超音波信号は、超音波トランスデューサから第１の距離にある第１の位置での超音波反射に関連付けられ、第２の超音波信号は、超音波トランスデューサから第２の距離にある第２の位置での超音波反射に関連付けられる、ステップと、
第１の位置における第１の流れパラメータ及び第２の位置における第２の流れパラメータを確認するステップ１０２と、
第１の流れパラメータ及び第２の流れパラメータに基づいて合成流れパラメータを確認するステップ１０３と、
合成流れパラメータをユーザインタフェースに出力するステップ１０４と、
を有する。

本方法は、オプションの実施形態において、本発明による装置の実施形態のいずれかについて言及された動作、例えばオプションとして、合成ドップラスペクトルの計算のために、様々な距離範囲のドップラスペクトルの寄与に様々な重み付け係数を適用すること１０５を実行するプロセッサを有してもよい。

更に、コード手段を有するコンピュータプログラムが、提供され、これは、コンピュータ上で実行される場合に、合成流れパラメータ、例えば、合成ドップラスペクトル、瞬時ピーク速度、平均ピーク速度を出力するために、システムのいずれかにおいて本方法のいずれかを実施する。コンピュータプログラムは、他のハードウェアと一緒に又はその一部として供給される、光記憶媒体又はソリッドステート媒体などの適切な媒体上に記憶／配布されてもよいが、インターネット又は他の有線もしくは無線電気通信システムなどを介して、他の形態で配布されてもよい。

開示された実施形態に対する他の変形は、図面、開示、及び添付の請求項の検討から、請求項に記載された発明を実施する際に当業者によって理解され、及び実施されることができる。請求項において、単語「有する」は、他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、複数性を排除するものではない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示すものではない。請求項におけるいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (15)

1. 血管内の流れ測定のための装置において、
   介入機器の超音波トランスデューサから第１の超音波信号及び第２の超音波信号を取得し、前記第１の超音波信号が、前記超音波トランスデューサの位置から離れた第１の位置での超音波反射に関連付けられ、前記第２の超音波信号が、前記超音波トランスデューサの位置から離れた第２の位置での超音波反射に関連付けられ、
   それぞれ前記第１及び第２の超音波信号に基づいて、前記第１の位置における第１の流れパラメータ及び前記第２の位置における第２の流れパラメータを確認し、
   前記第１の流れパラメータ及び前記第２の流れパラメータに基づいて合成流れパラメータを確認し、
   前記合成流れパラメータをユーザインタフェースに出力する、
   ように構成されたプロセッサを有する、装置。
2. 前記第１の位置は、第１の距離間隔を有し、前記第２の位置は、第２の距離間隔を有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１及び第２の距離間隔は、前記超音波トランスデューサの超音波送信及び／又は受信軸に沿って空間的にアラインされる、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記第１及び第２の距離間隔は、後続の距離間隔である、請求項３に記載の装置。
5. 前記第１及び第２の距離間隔が、部分的に重なり合う、請求項３に記載の装置。
6. 前記流れパラメータは、ドップラスペクトル、瞬時ピーク速度、及び平均ピーク速度のうちの少なくとも１つを有する、請求項１乃至５のいずれかに記載の装置。
7. 前記流れパラメータが、ドップラ振幅スペクトルを有する、請求項６に記載の装置。
8. 前記プロセッサは、前記第１の流れパラメータに適用される第１の重み付け係数と、前記第２の流れパラメータに適用される第２の重み付け係数とに基づいて、前記合成流れパラメータを確認するように構成される、請求項１乃至７のいずれかに記載の装置。
9. 前記第１及び第２の重み付け係数は、前記プロセッサによって自動的に確認される、請求項８に記載の装置。
10. 前記重み付け係数は、好ましくは前記距離間隔にわたる前記組み合わせられたドップラ振幅スペクトルの最小分散を使用することによる最適化に基づいて、それぞれの前記距離間隔に対する前記ドップラ振幅スペクトル間の相関に基づいて確認される、請求項９に記載の装置。
11. 前記重み付け係数は、それぞれの前記距離間隔に対する前記ドップラ振幅スペクトルの勾配に基づいて確認される、請求項９に記載の装置。
12. 前記プロセッサは、流れ測定が実行される前記血管の解剖学的構造に対する前記超音波トランスデューサの前記超音波送信及び／又は受信軸の位置及び／又は向き情報を受信するように構成され、前記プロセッサは、前記位置及び／又は向き情報に基づいて前記重み付け係数を確認するように更に構成される、請求項９に記載の装置。
13. 前記プロセッサは、それぞれの距離間隔にわたるノイズフロア値が実質的に等しい値にされるように、前記それぞれの距離間隔ごとに異なるドップラ振幅スペクトルをスケーリングした後に、平均ドップラ振幅スペクトルに基づいて前記合成流れパラメータを確認するように構成される、請求項１乃至１２のいずれかに記載の装置。
14. 血管内の流れ測定のためのシステムにおいて、
    請求項１乃至１３のいずれかに記載の装置と、
    遠位部分に超音波トランスデューサ含む前記介入機器と、
    前記合成流れパラメータを出力するための前記ユーザインタフェースと、
    を有するシステム。
15. 血管内の流れ測定の方法において、
    介入機器の超音波トランスデューサから第１の超音波信号及び第２の超音波信号を取得するステップであって、前記第１の超音波信号は、前記超音波トランスデューサの位置から離れた第１の位置での超音波反射に関連付けられ、前記第２の超音波信号は、前記超音波トランスデューサの位置から離れた第２の位置での超音波反射に関連付けられる、ステップと、
    それぞれ前記第１及び第２の超音波信号に基づいて、前記第１の位置での第１の流れパラメータ及び前記第２の位置での第２の流れパラメータを確認するステップと、
    前記第１の流れパラメータ及び前記第２の流れパラメータに基づいて合成流れパラメータを確認するステップと、
    前記合成流れパラメータをユーザインタフェースに出力するステップと、
    を有する方法。

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