WO2023199917A1 - 大動脈遮断バルーンによる血液遮断率をモニタリングするための装置 - Google Patents

大動脈遮断バルーンによる血液遮断率をモニタリングするための装置 Download PDF

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WO2023199917A1
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blood
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catheter
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PCT/JP2023/014708
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恵美悠 小川
孝昭 丸橋
聡太 川上
柚弥 鮫島
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学校法人北里研究所
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B17/12—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets for ligaturing or otherwise compressing tubular parts of the body, e.g. blood vessels, umbilical cord
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
    • A61B5/026—Measuring blood flow
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M25/00—Catheters; Hollow probes
    • A61M25/10—Balloon catheters

Definitions

  • the present invention is a device for monitoring the blood occlusion rate by an aortic occlusion balloon, and a monitoring method using the device.
  • RTACC Thoracic aortic cross-lamp
  • open aortic compression have been used as methods for aortic occlusion in cases of trauma, but excessive invasion has become a problem.
  • a method of blocking blood flow in the aorta using an aortic blocking balloon (REBOA: Resuscitative Endovascular Balloon Occlusion of the Aorta) was developed.
  • REBOA Resuscitative Endovascular Balloon Occlusion of the Aorta
  • a balloon catheter is inserted percutaneously through the femoral artery and the balloon is expanded in the aorta to block blood flow in the aorta.
  • This method was a minimally invasive method for hemostasis, and it was also possible to prevent hypothermia.
  • the diameter of the balloon is adjusted by the amount of fluid injected into the balloon to partially block the aorta (partial-REBOA) and maintain peripheral blood flow to prevent complications caused by limb ischemia. It was possible.
  • the diameter of the artery changes easily depending on the intravascular volume, and even if the balloon volume does not change, the blood flow may be completely blocked (over-inflation) and complications may develop (non-patent (See Reference 1).
  • aortic blocking balloons have been used to stop bleeding from trauma, but because the diameter of the aortic blood vessels tends to change easily, blood flow is completely blocked (over-inflation), which can lead to complications. was there.
  • the present invention aims to provide a device that prevents complete blockage of blood flow and prevents complications by monitoring blood flow when blood flow is stopped using an aortic blocking balloon. do.
  • the inventor of the present invention utilizes backscattered light by emitting light from a balloon into a blood vessel at a wavelength that is absorbed by substances present within the blood vessel and detecting the backscattered light from within the blood vessel. They discovered that it is now possible to monitor the presence or absence of blood flow between the blood vessel and the balloon, detect unexpected over-inflation, and prevent complications.
  • a balloon catheter having a catheter tube and a balloon provided at the distal end of the catheter tube; an optical fiber housed within the catheter tube; a light irradiation part arranged in the balloon and connected to the optical fiber; a light detection part that detects the irradiated light; and a light source that generates the irradiation light.
  • a balloon catheter comprising: The balloon emits light of a wavelength that can be absorbed by substances present in the blood, the scattered light from within the blood vessel is detected, and the state of blood flow between the balloon and the blood vessel wall is determined from the intensity of the detected light.
  • a balloon catheter that enables monitoring over time.
  • the balloon catheter of [1] which includes a calculation part that determines the presence or absence of blood flow based on the intensity of scattered light.
  • the balloon catheter of [2] which includes a display section for displaying the state of blood flow analyzed by the calculation section.
  • the balloon emits light of multiple wavelengths that can be absorbed by substances present in the blood and has different light penetration lengths, and the scattered light from within the blood vessel of each wavelength is The balloon catheter according to any one of [1] to [4], which detects and monitors the blood flow between the balloon and the blood vessel wall from the intensity of scattered light of each wavelength.
  • [6] Define the function expressed by equation (1) or (2) below, and perform fitting using data on the elapsed time from the start of balloon expansion and the backscattered light intensity when backscattered light is detected. , determine the coefficient of determination ⁇ ,
  • Lights with different optical penetration lengths are near-infrared light, infrared light, 380-430nm light (purple), 430nm-490nm light (blue), 490nm-550nm light (green), 550nm- Light with two, three, four, five or six wavelengths: 590nm light (yellow), 590nm to 640nm light (orange), 640 to 770nm light (red), Balloon catheter of [5] or [6]. [8] The balloon catheter according to [5] or [6], wherein the light having different optical penetration lengths is at least two types of light of wavelengths of 475 nm, 542 nm, and 438 nm.
  • the balloon catheter of the present invention it is possible to monitor the presence or absence of blood flow between the balloon and the blood vessel wall while the balloon is blocking the aorta, or to monitor the blood flow rate, and the balloon diameter can be adjusted using the blood flow rate as an index. This can prevent the development of complications due to complete blockage of the aorta.
  • FIG. 2 is a diagram showing the structure of a balloon catheter of a device for monitoring the blood occlusion rate by an aorta occlusion balloon.
  • FIG. 2 is a diagram showing the structure of a device for monitoring blood occlusion rate by an aorta occlusion balloon.
  • FIG. 3 is a diagram showing backscattered light intensity in a device for monitoring blood occlusion rate by an aorta occlusion balloon.
  • Figure 3B shows the light penetration length.
  • FIG. 3 is a diagram showing changes in backscattered light intensity as the REBOA balloon expands and contracts in vivo. Intensity of backscattered light of each wavelength (AU: Arbitrary Unit) and time from the start of inflation (horizontal axis) when using 560 nm light (green) and 650 nm light (red) It is a figure showing balloon diameter. Intensity of backscattered light of each wavelength of light (unit: AU: FIG.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an overview of a method for measuring blood flow velocity using light.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a blood vessel into which a balloon has been inserted, and a diagram showing the balloon diameter and blood layer thickness.
  • FIG. 2 is a diagram showing changes in backscattered light intensity of red light and green light in an in vivo pig aorta.
  • the present invention provides a method for blocking blood vessels using a balloon catheter, in which the balloon irradiates the blood vessel wall with light of a wavelength that is absorbed by substances present in the blood vessel.
  • Monitoring the blood flow between the blood vessel and the balloon can also be referred to as “monitoring the blood blockage rate by the balloon.”
  • the device used in the present invention is A balloon catheter having a catheter tube and a blood vessel blocking balloon provided at the distal end of the catheter tube; one or more optical fibers housed within the catheter tube; one or more light irradiation parts disposed within the balloon and connected to the optical fiber; one or more light detection parts for detecting backscattered light of the irradiated light; and one for generating light to be irradiated. or a plurality of light sources (light generation sites).
  • the device of the present invention is also simply referred to as a balloon catheter.
  • a balloon irradiates light with a wavelength that is absorbed by substances inside the blood vessel, if there is blood between the balloon and the blood vessel wall, the irradiated light is partially absorbed and The intensity of scattered light decreases. The intensity of backscattered light is measured to monitor the presence or absence of blood flow in blood vessels and the amount of blood flow.
  • the device uses the device to measure the presence or absence of blood flow between the vessel occlusion balloon and the vessel wall.
  • Blood vessel includes any blood vessel into which a balloon catheter can be inserted, preferably the aorta.
  • the term "catheter” refers to a thin tube that can be inserted into a blood vessel, and the balloon catheter of the present invention can be a balloon-equipped catheter commonly used in angioscopes, etc., and its diameter is not limited. It is used to apply appropriate pressure to the walls of blood vessels such as the aorta to block blood flow during bleeding.
  • a balloon catheter has a catheter tube balloon, also called a shaft.
  • the means for expanding the balloon is not particularly limited, but can be achieved by supplying an appropriate liquid or gas into the balloon.
  • the device of the present invention has a liquid feeding means or an air feeding means for expanding and deflating the balloon of the balloon catheter.
  • the liquid supply/suction means or air supply/suction means is provided as a lumen within the catheter tube.
  • the balloon is attached near the distal end of the catheter.
  • the catheter tube may have a double structure having an outer tube and an inner tube, in which case a lumen is formed between the two tubes.
  • the pressure with which the balloon presses against the blood vessel wall during expansion is preferably between 0.2 and 1 kg/cm 2 .
  • Balloons that can be used to block blood flow are also called occlusion balloons, block balloons, or occlusion balloons.
  • olefin polymers such as nylon (registered trademark), polyvinyl chloride, polyethylene, polyurethane, polyether block amide copolymers, polyethylene terephthalate, polypropylene, etc., or copolymers made of combinations thereof, etc. can be used. . Moreover, silicone rubber, latex rubber, etc. can also be used.
  • the balloon preferably has an expanded diameter of about 10 to 50 mm and a longitudinal length of about 5 to 100 mm.
  • the tip of the catheter of the present invention may have a freely bendable structure.
  • a tension wire may be disposed in the catheter, and the distal end portion may be bent by pulling the tension wire. Additionally, the tip may be bent in advance to match the shape of the treatment area.
  • the device of the present invention may include a guide sheath or guidewire for advancing the catheter to the target site.
  • the size of the catheter is preferably 6-10Fr.
  • the catheter may be inserted into the body through the femoral artery or brachial artery using a standard method.
  • Catheter tube materials include polyolefins such as polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene copolymer, ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, polyamide, polyimide, polyethylene terephthalate, polyamide elastomer, polyester, polyester elastomer, polyurethane, etc.
  • polyolefins such as polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene copolymer, ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, polyamide, polyimide, polyethylene terephthalate, polyamide elastomer, polyester, polyester elastomer, polyurethane, etc.
  • Examples include thermoplastic resins.
  • the means for transmitting light to the light irradiation site within the balloon includes a light irradiation site located near the distal end of the catheter and an optical fiber that transmits the light from the light source to the light irradiation site.
  • “near the distal end” means a portion near the end opposite to the end (proximal end) connected to the high-intensity pulsed light generation site; Refers to the area several tens of centimeters from the distal end.
  • the device of the present invention includes a light source (light generation site).
  • the light source can generate light of any wavelength, and the generated light passes through an optical fiber connected to the light source and irradiates the inside of the blood vessel from the light irradiation site in the balloon toward the blood vessel wall.
  • the device of the present invention may have one or more light irradiation sites so that light of a plurality of wavelengths can be irradiated simultaneously.
  • the light irradiation site is not limited, but includes an LED generation site and the like.
  • the optical fiber is housed within the catheter tube and is connected to a light source at one end.
  • a suitable laser beam irradiation device such as a lens may be provided at the tip of the optical fiber.
  • the optical fibers used in the present invention can have a wide variety of diameters, from extremely thin fibers with a diameter of about 0.05 to 0.6 mm to visible diameter fibers.
  • the device of the present invention further includes a light detection part for detecting backscattered light that is irradiated into the blood vessel from the light irradiation part and reflected and scattered within the blood vessel.
  • the device of the present invention may have one or more light detection sites so that light of multiple wavelengths can be detected simultaneously.
  • the device for monitoring the blood blockage rate of the present invention further displays a calculation part that determines the presence or absence of blood flow based on the intensity of the device that detects backscattered light, and the presence or absence of blood flow analyzed by the calculation part. It is equipped with a display area for
  • Hemoglobin is an example of a substance that exists within blood vessels. Hemoglobin absorbs light with a wavelength of 400 to 500 nm. Therefore, the wavelength of the light emitted from the light source is 400 to 500 nm.
  • the device of the present invention is equipped with a plurality of optical fibers, a plurality of light irradiation parts, and a plurality of light detection parts (light reception parts). Good too. 2.
  • a method for detecting backscattered light using a device for monitoring the blood blockage rate by a blood vessel blocking balloon A monitoring light having a wavelength that is absorbed by substances present in the blood vessel is irradiated from a light irradiation site placed in the balloon. However, what is necessary is to detect the backscattered light of the irradiated light.
  • backscattered light refers to light that is emitted from a light irradiation site near the distal end of an optical fiber, is absorbed and scattered within a blood vessel, and returns to the fiber again. If there is blood flow in the blood vessel, the returning backscattered light is weak, and if there is no blood flow in the blood vessel, the returning backscattered light is strong.
  • hemoglobin is a pigmented protein that absorbs specific wavelengths of light. Therefore, since the light absorption and scattering characteristics differ depending on the amount of hemoglobin present in the blood vessel, it is possible to determine whether or not blood flow exists in the area irradiated with light by detecting the backscattered light.
  • monitoring light light with a wavelength of 400 nm to 500 nm may be used.
  • the maximum wavelength of light absorbed by hemoglobin is around 400 and 550 nm, but even light outside this range can be absorbed by hemoglobin, which is a pigmented protein, and therefore can be used as monitoring light for use in the apparatus of the present invention.
  • the light intensity may be small, and weak light with an output of 0.01 mW to 1 mW may be used.
  • Monitoring light is generated by an external light source, transmitted through a monitoring optical transmission fiber, and irradiated from the tip of the fiber. The backscattered light enters the transmission fiber that was irradiated with the monitoring light again, travels backward through the fiber, and returns.
  • a detector (light detection part) to monitor the backscattered light to the fiber into which the backscattered light enters and returns, and a beam splitter in the middle of the fiber.
  • the path of the light returning through the optical fiber can be changed, and only the light of a desired wavelength can be selected through an appropriate bandpass filter and guided to the scattered light detector.
  • the scattered light detector is not limited as long as it can detect light; for example, a silicon photodiode can be used.
  • the blood flow between the vessel occluding balloon and the vessel wall can be monitored.
  • Examples of light with multiple wavelengths include 380 to 430 nm light (purple), 430 nm to 490 nm light (blue), 490 nm to 550 nm light (green), 550 nm to 590 nm light (yellow), and 590 nm to 640 nm light.
  • wavelengths used include cyan light, green light, and blue light, or violet light, green light, and red light, or green light and red light.
  • examples of the combination of wavelengths of light used include near-infrared light, infrared light, and light of wavelengths near these.
  • Hemoglobin contained in blood has an absorption coefficient peak at blue to green wavelengths, and a small absorption coefficient at red wavelengths.
  • Light having a wavelength with a small absorption coefficient is difficult to be absorbed by hemoglobin in the blood, and therefore has a long light penetration length into the blood.
  • the balloon is expanded in blood and monitoring light is irradiated from the light irradiation site in the balloon, light with a wavelength with a small absorption coefficient is difficult to be absorbed by substances in the blood, and the light penetration length becomes long.
  • Light with a wavelength that has a large backscattered light intensity and a large absorption coefficient is easily absorbed by substances in the blood, resulting in a short light penetration length and a small backscattered light intensity.
  • Blood layer thickness is, for example, greater than x1 mm (> x1 mm), x2 to x1 mm (greater than x2 mm and less than or equal to 0.1mm).
  • x1, x2, x3, x4 are arbitrary numerical values of 0.05 to 10 mm, preferably 0.05 to 5 mm, and more preferably 0.1 to 1 mm.
  • the blood layer thickness can be estimated as shown in Example 2 and FIG. 7 described later.
  • Figure 7 shows whether the backscattered light measured using 395 nm light (purple), 560 nm light (green), and 650 nm light (red) exceeded the threshold when the blood layer thickness changed from large to small. (indicated by " ⁇ ") or whether the threshold was not exceeded (indicated by "x"). From the pattern of threshold determination, the blood layer thickness can be inferred to be >1 mm, 0.3-1 mm, 0.1-0.3 mm, or ⁇ 0.1 mm.
  • the blood layer thickness can be estimated, for example, by the method shown in Example 3 below. That is, a function expressed by the following equation (1) or (2) is defined, and fitting is performed using data on the elapsed time from the start of balloon expansion when backscattered light is detected and the backscattered light intensity. Determine the coefficient of determination ⁇ .
  • the Elapsed time can be calculated.
  • the above formulas (1) and (2) are just examples, and other formulas can also be used.
  • (2) Measurement of blood flow velocity Blood flow velocity can be measured using various methods, for example, using light. Figure 8 shows a measurement method using light.
  • the balloon When measuring blood flow velocity using light, the balloon has a lumen structure that allows physiological saline or the like to be flushed from the tip (FIG. 8A). Even if the physiological saline solution is flushed without changing the inflation state of the balloon, blood around the balloon is temporarily removed and the backscattered light intensity changes (FIG. 8B). The time required for the physiological saline around the balloon to flow away and for the backscattered light to return to its original value varies depending on the blood flow speed. Blood flow velocity (m/s) can be estimated from the return velocity of backscattered light (FIG. 8C). (3) Measurement of blood volume The volume of blood flowing through a blood vessel per unit time can be calculated from the values estimated and measured in (1) and (2).
  • FIG. 2 shows an example of the configuration of the device of the present invention
  • FIG. 1 shows an example of the configuration of the balloon catheter of the present invention.
  • the fiber portion of the device of the invention may be inserted through a sheath inserted into a blood vessel for insertion of a balloon catheter to reach the blood vessel whose blood flow is to be monitored.
  • a weak monitoring light is generated from the light source in FIG. 2, transmitted through a fiber, and irradiated from the tip of the fiber.
  • the monitoring light is absorbed and scattered by the blood in the irradiated area, and the scattered light enters the fiber again as backscattered light and returns.
  • the path of the returned light is changed by a beam splitter, guided through an appropriate filter to a light detection site (silicon photodiode), and the intensity of the light is measured.
  • FIG. 2 shows an outline of the transballoon backscattered light intensity measurement system constructed.
  • An aortic isolation balloon (Rescue Balloon, maximum diameter: 40 mm ⁇ , balloon length: 60 mm, Tokai Medical Products) was inserted into the lumen of the porcine aorta, and the balloon was dilated with a syringe.
  • the LED was focused on one fiber of a bifurcated bundle fiber (core diameter: 100 ⁇ m ⁇ , NA: 0.22, SI multimode, Ocean Optics), and a plastic diffused optical fiber (diffusion length: 70 mm) was connected to the fiber tip. , core diameter: 250 ⁇ m ⁇ ) were inserted into the central lumen of the balloon. Light was irradiated from one side, and backscattered light was received from the other side and detected with a silicon photodiode (S2281, light receiving area: 100 mm 2 , Hamamatsu Photonics).
  • FIG. 3A shows the backscattered light intensity at each wavelength in a 5 and 10 (v/v)% intralipid solution in an expanded balloon. " ⁇ " (white circle) indicates red light, “ ⁇ " (black triangle) indicates green light, “ ⁇ " (black square) indicates cyan light, and “ ⁇ ” (black circle) indicates blue light.
  • Figure 3B shows the dependence of the time from the start of expansion to the maximum value of the backscattered light intensity differential during balloon expansion ex vivo on the light penetration length.
  • Figure 4 shows an example of changes in backscattered light intensity as the REBOA balloon expands and contracts in vivo. It was confirmed that backscattered light increased after balloon expansion even under pulsation. It was also confirmed that when the balloon was deflated, the backscattered light decreased to the intensity before expansion. Discussion When the light penetration length becomes less than the blood layer thickness between the blood vessel and the balloon, it is expected that a change in the backscattered light intensity will occur. In FIG.
  • Example 2 Blood volume monitoring using light penetration length difference (1) Estimation of blood layer thickness Using the aorta blocking balloon used in Example 1, 395 nm light (purple), 560 nm light (green), and 650 nm light Blood flow is monitored using light penetration length difference using red light.
  • the absorption coefficients of 395 nm light (purple), 560 nm light (green) and 650 nm light (red) are 44.5 mm -1 , 12.5 mm -1 and 0.9 mm -1 , respectively.
  • Figures 5 and 6 show the case where 560 nm light (green) and 650 nm light (red) are used ( Figure 5), and the case where 395 nm light (purple) and 560 nm light (green) are used ( Figure 6). ) shows the backscattered light intensity (in AU: Arbitrary Unit) and balloon diameter of each wavelength of light over time (horizontal axis) from the start of inflation. Measure until after deflation.
  • the difference in diameter of the balloon when each of the two colors of light in each measurement reaches 70% light intensity with respect to the maximum backscattered light intensity is the difference in diameter of the balloon when the 560 nm light (green) is the reference, and the 560 nm light (green) is When using (green) and 650nm light (red), it is 0.79mm (red is larger), and when using 395nm light (purple) and 560nm light (green), it is -1.2mm (purple). is smaller).
  • the portion surrounded by an ellipse includes a state where the light intensity reaches 70%.
  • Figure 7 shows whether the backscattered light measured using 395 nm light (purple), 560 nm light (green), and 650 nm light (red) exceeded the threshold when the blood layer thickness changed from large to small. (indicated by " ⁇ ") or whether the threshold was not exceeded (indicated by "x").
  • the schematic diagram in the upper part of FIG. 7 shows a state in which a balloon is inserted into a blood vessel, and the left side shows a state where the blood layer thickness is large, and the right side shows a state where the blood layer thickness is small.
  • a small blood layer thickness indicates that the balloon has a high degree of expansion and a low blood flow rate
  • a large blood layer thickness indicates that the balloon has a low degree of expansion and a high blood flow rate.
  • the blood layer thickness is shown in four levels (1 to 4) from large to small.
  • the blood layer thickness is 1, all of 395 nm light (purple), 560 nm light (green), and 650 nm light (red) are easily absorbed by substances in the blood, so the backscattered light intensity is small and the threshold value is It cannot be exceeded.
  • the blood layer thickness is 2
  • the backscattered light intensity exceeds the threshold because 650 nm light (red) with a long light penetration length is difficult to be absorbed by substances in the blood, but the backscattered light intensity exceeds the threshold.
  • the backscattered light intensity exceeds the threshold because 650 nm light (red) and 560 nm light (green), which have long light penetration lengths, are difficult to be absorbed by substances in the blood, but the light penetration length is Light with a reach length of 395 nm (purple is easily absorbed by substances in the blood, so the backscattered light intensity is small and exceeds the threshold.
  • the blood vessel layer thickness is 4, 395 nm light (purple), 560 nm light (green) ) and 650 nm light (red) are difficult to absorb by substances in the blood, so the backscattered light intensity is large and exceeds the threshold.Threshold judgment is made to determine whether the light of each wavelength exceeds the threshold in each measurement.
  • the blood layer thickness can be estimated from the pattern. When the blood layer thickness is 1, 2, 3, and 4, the blood layer thickness is >1 mm, 0.3 ⁇ 1 mm, 0.1 ⁇ 0.3 mm, and ⁇ 0.1 mm, respectively. You can guess.
  • Figure 8 shows an outline of a method for measuring blood flow velocity using light.
  • the balloon When measuring blood flow velocity using light, the balloon has a lumen structure that allows physiological saline or the like to be flushed from the tip (FIG. 8A). Even if the physiological saline solution is flushed without changing the expansion state of the balloon, the blood around the balloon is temporarily removed, and the backscattered light intensity changes (FIG. 8B). The time required for the physiological saline around the balloon to flow away (FIGS. 8C-1 and 8C-2) and for the backscattered light to return to its original value varies depending on the blood flow speed. Blood flow velocity (m/s) can be estimated from the return velocity of backscattered light. FIG. 8C-1 shows how physiological saline flows when blood flow is slow, and FIG.
  • FIG. 9 shows a cross-sectional view of a blood vessel into which a balloon was inserted, as well as the balloon and blood layer thickness.
  • Example 3 Examination of an algorithm for estimating blood layer thickness from backscattered light intensity (1) Changes in backscattered light intensity in in vivo pig aorta As in Example 1, a transballoon backscattered light intensity measurement system was used. , backscattered light was measured when irradiated with light with a wavelength of 560 nm (green) and light with a wavelength of 650 nm (red). The balloon was expanded at a constant rate.
  • fitting was performed in the range of backscattered light intensity from 0 to 1.0.
  • the coefficient of determination was 0.79 for light with a wavelength of 650 nm (red) and 0.91 for light with a wavelength of 560 nm (green).
  • the coefficient of determination is a value that indicates the precision of fitting, and the closer it is to 1, the higher the precision is.
  • the results in (a) and (b) above indicate that it is preferable to estimate the blood layer thickness based on data obtained mainly using light with a wavelength of 560 nm (green), and that the backscattered light intensity is 0 to 5. In the range of 0.5, it is shown that the blood layer thickness can be estimated with higher accuracy by using data obtained using light with a wavelength of 650 nm (red).
  • the elapsed time after the start of expansion is calculated by substituting the backscattered light intensity of irradiating light with a wavelength of 560 nm (green) or light with a wavelength of 650 nm into the above equation (1). It can be calculated.

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Abstract

大動脈遮断バルーンを用いて血流を止めたときの、血流をモニタすることにより、血流の完全な遮断を防止し、合併症の発症を防ぐための装置の提供。　カテーテルチューブ及び該カテーテルチューブの先端部に設けられた大動脈遮断バルーンを有するバルーンカテーテル、　前記カテーテルチューブ内に収容された１つ若しくは複数の光ファイバ、　前記バルーン内に配置され前記光ファイバと連結された１つ若しくは複数の光照射装置及び照射された光の後方散乱光を検出する１つ若しくは複数の光検出部位、並びに　照射する光を発生する１つ若しくは複数の光源、 を備えるバルーンカテーテル装置であって、　大動脈遮断バルーンから大動脈内に向けて、血液中に存在する物質に吸収され得る波長の光を照射し、血管内からの後方散乱光を検出し、検出された光の強度から、大動脈遮断バルーンと血管壁の間の血流の状態を経時的にモニタする、バルーンカテーテル装置。

Description

大動脈遮断バルーンによる血液遮断率をモニタリングするための装置
　本発明は、大動脈遮断バルーンによる血液遮断率をモニタリングする装置、及び該装置を用いたモニタリング方法である。
　外傷を受けたときの大動脈遮断術の方法として、開胸大動脈クロスランプ（RTACC)や開腹大動脈圧迫が行われていたが、過大侵襲が問題となっていた。
　過大侵襲という問題を解決する方法として、大動脈遮断バルーンを用いて大動脈の血流を遮断する方法（REBOA：Resuscitative Endovascular Balloon Occlusion of the Aorta)が開発された。該方法においては、バルーンカテーテルを大腿動脈から経皮的に挿入し、大動脈中でバルーンを拡張することにより大動脈の血流を遮断する。該方法は低侵襲な止血方法であり、低体温の防止も可能であった。
　REBOAにおいては、バルーンへの液体注入量でバルーン径を調整し、大動脈の遮断面積を部分的にし（partial-REBOA）、末梢側の血流を維持することで四肢の虚血による合併症を防ぐことが可能であった。
　しかし、動脈の血管径は血管内容量により容易に変化し、バルーン容量に変化がなくても、血流が完全に遮断(over-inflation)し、合併症を発症することがあった（非特許文献１を参照）。
Jonker FH et al., Eur J Vasc Endovasc Surg 2010; 40: 564-71
　外傷の出血を止めるため、従来より、大動脈遮断バルーンが用いられていたが、大動脈の血管径が変化しやすいために、血流が完全に遮断され（Over-inflation）、合併症を発症することがあった。
　本発明は、大動脈遮断バルーンを用いて血流を止めたときの、血流をモニタすることにより、血流の完全な遮断を防止し、合併症の発症を防ぐための装置の提供を目的とする。
　本発明者は、バルーンから血管内に向けて、血管内に存在する物質に吸収される波長の光を照射し、血管内からの後方散乱光を検出することにより、後方散乱光を利用して血管とバルーンの間の血流の有無をモニタリングすることが可能になり、予期せぬOver-inflationを検知し、合併症を未然に防ぐことができることを見出した。
　さらに、照射する光として、光侵達長の異なる複数の波長の光を用いることにより、血流量を予測することも可能になることを見出した。
　本発明においては、REBOAにおいて、後方散乱光を利用して血管とバルーンの間の血流をモニタリングすることにより、血流遮断（over-inflation)を検知する。その結果、合併症を防ぐことが可能になる。すなわち、本発明においては、REBOAにおける課題を解決することができる。
　本発明は以下のとおりである。
[１]　カテーテルチューブ及び該カテーテルチューブの先端部に設けられたバルーンを有するバルーンカテーテル、
　前記カテーテルチューブ内に収容された光ファイバ、
　前記バルーン内に配置され前記光ファイバと連結された光照射部位及び照射された光を検出する光検出部位、並びに
　照射する光を発生する光源、
を備えるバルーンカテーテルであって、
　バルーンから、血液中に存在する物質に吸収され得る波長の光を照射し、血管内からの散乱光を検出し、検出された光の強度から、バルーンと血管壁の間の血流の状態を経時的にモニタすることを可能とする、バルーンカテーテル。
[２]　散乱光の強度に基づいて血流の有無を判定する演算部位を備える、[１]のバルーンカテーテル。
[３]　演算部位が解析した血流の状態を表示するための表示部位を備える[２]のバルーンカテーテル。
[４]　照射する光の波長が400～500nmである、[１]～[３]のいずれかのバルーンカテーテル。
[５]　バルーンから血液中に存在する物質に吸収され得る波長の光であって、光侵達長の異なる複数の波長の光を照射し、それぞれの波長の光の血管内からの散乱光を検出し、それぞれの波長の光の散乱光の強度から、バルーンと血管壁の間の血流量をモニタする、[１]～[４]のいずれかのバルーンカテーテル。
[６]　下の式（１）又は（２）で表される関数を定義し、後方散乱光を検出したときのバルーン拡張開始からの経過時間及び後方散乱光強度のデータを用いてフィッティングを行い、決定係数αを決定し、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
又は
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
　算出した決定係数を用い、上の式（１）又は（２）に、波長560nmの光（緑色）又は波長650nmの光を照射し検出した後方散乱光強度を代入することにより、拡張開始後の経過時間を算出し、
　得られた拡張開始後の時間からバルーン径を推定し、
　以下の式[血液層厚み=血管直径（内径）-バルーン径]により、血液層厚みを算出する、[５]のバルーンカテーテル。
[７]　光侵達長の異なる光が、近赤外光、赤外光、380～430nmの光（紫）、430nm～490nmの光（青）、490nm～550nmの光（緑）、550nm～590nmの光（黄）、590nm～640nmの光（橙）、640～770nmの光（赤）の波長の光の２種類、３種類、４種類、５種類又は６種類の波長の光である、[５]又は[６]のバルーンカテーテル。
[８]　光侵達長の異なる光が、波長が475nmの光、542nmの光、及び438nmの光のうちの少なくとも２種類である、[５]又は[６]のバルーンカテーテル。
[９]　光侵達長の異なる光が、緑色光及び赤色光の２種類である、[５]又は[６]のバルーンカテーテル。
[１０]　光侵達長の異なる光が、波長560nmの緑色光及び波長650nmの赤色光の２種類である、[５]又は[６]のバルーンカテーテル。
[１１]　散乱光を、後方で検出する[１]～[１０]のいずれかのバルーンカテーテル。
[１２]　カテーテルが血管遮断又は大動脈遮断カテーテルである、[１]～[１１]のいずれかのバルーンカテーテル。
　本明細書は本願の優先権の基礎となる日本国特許出願番号2022-64939号の開示内容を包含する。
　本発明のバルーンカテーテルを用いることにより、バルーンによる大動脈遮断中のバルーンと血管壁の間の血流の有無、あるいは血流量をモニタすることができ、血流量を指標にしてバルーン径を調整することにより大動脈の完全遮断による合併症の発症を防止することができる。
大動脈遮断バルーンによる血液遮断率をモニタリングする装置のバルーンカテーテルの構造を示す図である。 大動脈遮断バルーンによる血液遮断率をモニタリングする装置の構造を示す図である。 大動脈遮断バルーンによる血液遮断率をモニタリングする装置における後方散乱光強度を示す図である。図３Ａは、拡張したバルーンの５、10(v/v)％イントラリピッド溶液中の各波長での後方散乱光強度を示す図であり(n=3)、図３Ｂは、光侵達長の違いによる拡張開始から後方散乱光強度微分最大値までの時間を示す図である(ex vivo、mean±SD、n=4）。 in vivoでのREBOAバルーンの拡張及び収縮に伴う後方散乱光強度変化を示す図である。 560nmの光（緑色）及び650nmの光（赤色）を用いた場合の拡張（inflation)開始からの時間（横軸）における、各波長の光の後方散乱光の強度（単位AU：Arbitrary Unit）及びバルーン径を示す図である。 395nmの光(紫色）及び560nmの光（緑色）を用いた場合（図６）の拡張（inflation)開始からの時間（横軸）における、各波長の光の後方散乱光の強度（単位AU：Arbitrary Unit）及びバルーン径を示す図である。 血液層厚みが大～小となったときの395nmの光(紫色）、560nmの光（緑色）及び650nmの光（赤色）を用いて測定した後方散乱光が閾値を超えたか（「〇」で示す）、又は閾値を超えなかったか（「×」で示す）を示す図である。 血流速度の光により計測する方法の概要を示す図である。 バルーンを挿入した血管の断面図、並びに及びバルーン直径及び血液層厚みを示す図である。 in vivoブタ大動脈内における赤色光及び緑色光の後方散乱光強度変化を示す図である。
　以下、本発明を詳細に説明する。
１．血管遮断バルーンによる血液遮断率をモニタリングするための装置
　本発明は、バルーンカテーテルを用いた血管遮断において、バルーンから血管壁に血管内に存在する物質に吸収される波長の光を照射し、血管内からの後方散乱光を検出することにより、後方散乱光を利用して血管とバルーンの間の血流をモニタリングするための装置、及び該装置を用いたモニタリング方法である。「血管とバルーンの間の血流をモニタリングする」ことを、「バルーンによる血液遮断率をモニタリングする」ということもできる。
　本発明に用いる装置は、
　カテーテルチューブ及び該カテーテルチューブの先端部に設けられた血管遮断バルーンを有するバルーンカテーテル、
　前記カテーテルチューブ内に収容された１つ若しくは複数の光ファイバ、
　前記バルーン内に配置され前記光ファイバと連結された１つ若しくは複数の光照射部位及び照射された光の後方散乱光を検出する１つ若しくは複数の光検出部位、並びに
　照射する光を発生する１つ若しくは複数の光源（光発生部位）、を備える。
　本発明の装置を、単にバルーンカテーテルとも呼ぶ。
　バルーンから血管内に向けて、血管内に存在する物質に吸収される波長の光を照射したとき、バルーンと血管壁の間に血液が存在する場合、照射した光が部分的に吸収され、後方散乱光の強度が低下する。後方散乱光の強度を測定し、血管中の血流の有無及び血流量をモニタする。
　前記装置を用いて、血管遮断バルーンから血管内に向けて、血液中に存在する物質に吸収され得る波長の光を照射し、血管内からの後方散乱光を検出し、検出された光の強度から、血管遮断バルーンと血管壁の間の血流の有無を経時的にモニタすることができる。
　「血管」はバルーンカテーテルを挿入できる血管ならば、いずれの血管も含み、好ましくは大動脈である。
　「カテーテル」とは血管内に挿入し得る細管をいい、本発明のバルーンカテーテルは、通常血管内視鏡等において用いられているバルーン付きカテーテルを使用することができ、その径等は限定されない。出血時に大動脈等の血管壁を適当な圧力で押さえつけ血流を遮断するために用いられる。バルーンカテーテルは、シャフトとも呼ばれるカテーエルチューブバルーンを有する。バルーンを拡張させる手段は特に限定されないが、適当な液体や気体をバルーン内に供給することにより達成できる。本発明の装置は、バルーンカテーテルのバルーンを拡張・収縮するための送吸液手段又は送吸気手段を有する。該送吸液手段又は送吸気手段はカテーテルチューブ内にルーメンとして設けられる。バルーンはカテーテルの遠位末端部付近に取り付けられる。カテーテルチューブは外管と内管を有する２重構造を有していてもよく、この場合、２つの管の間にルーメンが形成される。拡張時のバルーンが血管壁を押さえる際の圧力は、0.2～1kg/cm2の間が望ましい。
　血流遮断のために用い得るバルーンをオクルージョンバルーンやブロックバルーンや閉塞バルーンともいう。
　バルーンの材質として、ナイロン（登録商標）、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリウレタン、ポリエーテルブロックアミド共重合体、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン等のオレフィン系ポリマー等若しくはこれらの組み合わせからなるコポリマー等を用いることができる。また、シリコーンゴム、ラテックスゴム等を用いることもできる。バルーンのサイズは、拡張径が10～50mm程度、縦方向の長さが５～100mm程度が好ましい。
　本発明のカテーテル先端は自由に屈曲する構造をとっていてもよい。このためには、例えばカテーテル中にテンションワイヤーを配設し、テンションワイヤーの牽引操作により先端部を屈曲させることができる。さらに、先端部をあらかじめ治療部位の形状に適合させるように曲げておいてもよい。本発明の装置はカテーテルを標的部位に挿入進行させるためのガイドシースやガイドワイヤーを含んでいてもよい。カテーテルのサイズは、好ましくは6～10Frである。カテーテルは、定法により、大腿動脈や上腕動脈から体内に挿入すればよい。カテーテルチューブの材質として、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン－プロピレン共重合体、エチレン－酢酸ビニル共重合体などのポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリアミド、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミドエラストマー、ポリエステル、ポリエステルエラストマー、ポリウレタン等の熱可塑性樹脂が挙げられる。
　光をバルーン内の光照射部位へ伝送する手段には、カテーテルの遠位端部付近に位置する、光を照射する部位及び光を光源から光照射部位に伝送する光ファイバが含まれる。本明細書において「遠位端部付近」とは、高強度パルス光発生部位と連結された端部（近位端部）の反対側の端部に近い部分を意味し、遠位端部及び遠位端部から数十cm程度の部分を指す。
　さらに、本発明の装置は、光源（光発生部位）を有する。該光源は、任意の波長の光を発生させることができ、該光源と連結した光ファイバを通して発生した光をバルーン内の光照射部位から血管壁に向けて血管内に光を照射する。本発明の装置では、複数の波長の光を同時に照射することができるように、１つ又は複数の光照射部位を有していてもよい。光照射部位は限定されないが、LED発生部位等が挙げられる。
　光ファイバは、カテーテルチューブの中に収容され、その一端で光源と連結している。光ファイバ先端にはレンズ等の適当なレーザ光照射用デバイスを設けてもよい。本発明で用いられる光ファイバは、直径0.05～0.6mm程度のきわめて細いものから、可視的な太さものまで、広く種々の径のものを用いることができる。
　本発明の装置は、さらに光照射部位から血管内に照射され、血管内で反射散乱した後方散乱光を検出するための光検出部位を有する。本発明の装置では、複数の波長の光を同時に検出することができるように、１つ又は複数の光検出部位を有していてもよい。
　本発明の血液遮断率をモニタリングするための装置は、さらに、後方散乱光を検出する装置の強度に基づいて血流の有無を判定する演算部位や演算部位が解析した血流の有無を表示するための表示部位を備える。
　血管内に存在する物質として、ヘモグロビンが挙げられる。ヘモグロビンは、400～500nmの波長の光を吸収する。従って、光源より照射する光の波長は、400～500nmである。
　さらに、光侵達長の異なる複数の波長の光を照射し、それぞれの波長の光の血管内からの後方散乱光を検出することにより、それぞれの波長の光の後方散乱光の強度から、血管遮断バルーンと血管壁の間の血流量をモニタすることができる。複数の波長の光として、例えば、475nmの光（シアン）、542nmの光（Green)及び438nmの光（Blue)が挙げられる。この場合、複数の波長の光を伝送し、照射し、受光するために、本発明の装置は、複数の光ファイバ、複数の光照射部位、複数の光検出部位（受光部位）を備えていてもよい。
２．血管遮断バルーンによる血液遮断率をモニタリングするための装置を用いた後方散乱光検出方法
　バルーン中に配置された光照射部位から、血管内に存在する物質が吸収する波長を有するモニタ用の光を照射し、照射した光の後方散乱光を検出すればよい。ここで後方散乱光とは光ファイバの遠位端付近の光照射部位から照射した光が血管内で吸収・散乱され、再びファイバに戻る光をいう。血管中に血流が存在する場合は、戻ってくる後方散乱光は弱く、血管中に血流が存在しない場合は、戻ってくる後方散乱光は強い。上記のように、血管内に存在する物質として、血液中の物質が挙げられ、特にヘモグロビンが好ましい。ヘモグロビンは、色素タンパク質であり、特定の波長の光を吸収する。従って、血管中に存在するヘモグロビンの量により、光吸収・散乱特性が異なるので、後方散乱光を検出することにより光を照射した部位に血流が存在するか否かを判別することができる。
　モニタ用光としては、波長400nmから500nmの光を用いればよい。ヘモグロビンが吸収する光の波長の極大は400、550nm付近にあるが、これを外れたとしても、色素タンパク質であるヘモグロビンにより吸収され得るので、本発明の装置で用いるモニタ用光として採用し得る。光強度は小さくてよく出力0.01mWから1mWの微弱光を用いればよい。モニタ用の光は、外部の光源で発生させ、モニタ用光伝送用ファイバを伝送させ、該ファイバ先端から照射する。後方散乱光は、モニタ用光を照射した伝送用ファイバに再び入射し、該ファイバ中を逆進し戻ってくる。後方散乱光の検出のためには、後方散乱光が入射し戻ってくるファイバに後方散乱光をモニタするための検出器（光検出部位）を連結しておけばよく、ファイバの途中にビームスプリッタを設けておくことにより、光ファイバ中を戻ってくる光の進路を変化させ、さらに適当なバンドパスフィルターを通し所望の波長の光のみ選択し散乱光検出器に導けばよい。散乱光検出器は光を検出できるものならば限定されないが、例えばシリコンフォトダイオードを用いることができる。
　さらに、モニタ用光として光侵達長の異なる複数の波長の光を照射し、それぞれの波長の光の血管内からの後方散乱光を検出することにより、それぞれの波長の光の後方散乱光の強度から、血管遮断バルーンと血管壁の間の血流量をモニタすることができる。複数の波長の光として、例えば、380～430nmの光（紫）、430nm～490nmの光（青）、490nm～550nmの光（緑）、550nm～590nmの光（黄）、590nm～640nmの光（橙）、640～770nmの光（赤）のうちの複数の波長の光、例えば、２種類、３種類、４種類、５種類又は６種類の波長の光を用いればよい。用いる光の組合せとして、シアン色光、緑色光、及び青色光、あるいは紫色光、緑色光及び赤色光、あるいは緑色光及び赤色光が挙げられる。具体的な波長で示す場合、用いる光の波長の組合せとして、近赤外光、赤外光、又はこれらの近傍の各波長の光が挙げられる。例えば、475nmの光（シアン）、542nmの光（緑)及び438nmの光（青)、あるいは395nmの光(紫）、560nmの光（緑）及び650nmの光（赤）、あるいは560nmの光（緑）及び650nmの光（赤）が挙げられる。これらの複数の波長の光を伝送し、照射し、受光すればよい。以下に記載するように、血液層厚みを推定し、血流速度を計測し、次いで血流量を計測することができる。
（１）血液層厚みの推定
　用いる光の波長により、血液の吸収係数が異なり、光侵達長に差が生じる。血液に含まれるヘモグロビンは青色～緑色の波長に吸収係数のピークを持ち、赤色波長では吸収係数が小さい。吸収係数が小さい波長の光は、血液中で血液中のヘモグロビンに吸収されにくいので、血液中の光侵達長が長い。血液中でバルーンを拡張させてバルーン中の光照射部位からモニタ用光を照射したときに、吸収係数が小さい波長の光は、血液中の物質に吸収されにくく、光侵達長が長くなり、後方散乱光強度が大きくなり、吸収係数が大きい波長の光は、血液中の物質に吸収されやすく、光侵達長が短くなり、後方散乱光強度が小さくなる。
　血管中の血管遮断バルーンを拡張させ、拡張の過程で各波長の光を用いたときの後方散乱光強度を測定し、各波長の光の最大の後方散乱光強度に対して60～80％、好ましくは65～75％、さらに好ましくは70％の後方散乱光強度を閾値として用い、各波長の光を用いた場合の測定値が閾値を超えるかどうかを判定し、閾値判定のパターンから血液層厚みを推定することができる。血液層厚みは、例えば、x1 mmより大きい（> x1 mm）、x2～x1 mm（x2 mmより大きくx1 mm以下）、x3～x2 mm（x3 mmより大きくx2 mm以下）、x3 mm以下（< 0.1mm)のように推定することができる。ここで、x1、x2、x3、x4は、0.05～10mm、好ましくは、0.05～5mm、さらに好ましくは0.1～1mmの任意の数値である。
　例えば、後記の実施例２及び図７に示すようにして、血液層厚みを推定することができる。図７に、血液層厚みが大～小となったときの395nmの光(紫色）、560nmの光（緑色）及び650nmの光（赤色）を用いて測定した後方散乱光が閾値を超えたか（「〇」で示す）、又は閾値を超えなかったか（「×」で示す）を示す。閾値判定のパターンから、血液層厚みを>1mm、0.3～1mm、0.1～0.3mm又は<0.1mmと推測することができる。
　さらに、例えば、後記の実施例３に示す方法により、血液層厚みを推定することができる。すなわち、下の式（１）又は（２）で表される関数を定義し、後方散乱光を検出したときのバルーン拡張開始からの経過時間及び後方散乱光強度のデータを用いてフィッティングを行い、決定係数αを決定する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
又は
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
　算出した決定係数を用い、上の式（１）又は（２）に、波長560nmの光（緑色）又は波長650nmの光を照射し検出した後方散乱光強度を代入することにより、拡張開始後の経過時間を算出することができる。得られた拡張開始後の経過時間からバルーン径がわかり、以下の式[血液層厚み=血管直径（内径）-バルーン径]により、血液層厚みを算出することができる。なお、実測値に基づいて拡張開始後の時間からバルーン径を知ることができる。上記式（１）及び（２）は、一例であり、他の式を用いることもできる。
（２）血流速度の計測
　血流速度は種々の方法で計測できるが、例えば、光を用いて計測することができる。図８に光を用いた計測方法を示す。血流速度を光により計測する場合は、バルーンは、先端から生理食塩水等をフラッシュし得るルーメン構造を有する（図８Ａ）。バルーンの拡張状態を変化させずに生理食塩水をフラッシュしても、一時的にバルーンの周囲の血液が排除され、後方散乱光強度が変化する（図８Ｂ）。血流速度によって、バルーン周囲の生理食塩水が流されて、再び後方散乱光が元の値に戻るまでに要する時間が異なる。後方散乱光の戻り速度から血流速度（m/s）を推定すればよい（図８Ｃ）。
（３）血液量の計測
　血管中を流れる単位時間当たりの血液量は、（１）及び（２）で推定、計測した値から算出することができる。例えば、以下の式で算出することができる。
血流量[m3/s]=血液層断面積[m2]×血流速度[m/s]
血液層断面積=｛（dB/2+d)2-(dB/2)2}π [m2]
dB[m]：バルーン直径（バルーンへの液体の注入量から算出する）
d[m]：推定された血液層厚み
３．本発明の装置の使用方法
　図２に本発明の装置の構成の一例を、図１に本発明のバルーンカテーテルの構成の一例を示す。
　図２に基づいて本発明の装置の使用方法を説明する。本発明の装置のファイバ部分を、バルーンカテーテルを挿入するために血管に挿入されたシースを通して挿入し、血流量をモニタしようとする血管に到達させればよい。図２中の光源からモニタ用微弱光を発生させ、該光をファイバ中を伝送させ、ファイバ先端より照射する。該モニタ用光は、照射部分の血液で吸収・散乱され、該散乱光は後方散乱光として再びファイバ中に入り戻ってくる。戻ってきた光の進路をビームスプリッタにより変え、適当なフィルターを通して光検出部位（シリコンフォトダイオード）に導き、光の強度を測定する。
　上記のように、この際、複数の波長を用いることにより、単に血流の有無をモニタするだけではなく、血流を定量することができる。
　本発明を以下の実施例によって具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。実施例においては、一例として大動脈遮断バルーンを用いた。
実施例１　経バルーン的後方散乱光強度計測系の確立
方法
　図２に構築した経バルーン的後方散乱光強度計測系の概要を示す。大動脈遮断バルーン(Rescue Balloon, 最大径: 40 mmΦ, バルーン長: 60 mm, 東海メディカルプロダクツ)をブタ大動脈内腔に挿入し、シリンジでバルーン拡張を行った。2分岐バンドルファイバー(コア径: 100 μmΦ, NA: 0.22, SIマルチモード, Ocean Optics)のうち1本のファイバーにLEDを集光し、ファイバー先端に接続したプラスチック製拡散光ファイバー(拡散長: 70 mm, コア径: 250 μmΦ）2本をバルーンのセントラルルーメンに挿入した。一方から光照射を行い、もう一方から後方散乱光を受光しシリコンフォトダイオード (S2281, 受光面積: 100 mm2, 浜松ホトニクス)で検出した。(i)散乱体 (イントラリピッド溶液) とブタ血液を用いた実験系の計測精度検討、(ii)血液サンプルおよびブタ大動脈を用いた計測および精度検討、(iii)in vivoブタモデルにおける血流検知性能の評価を行った。
結果
　図３Ａに拡張状態のバルーンにおける5, 10(v/v)％イントラリピッド溶液中の各波長での後方散乱光強度を示す。「〇」（白丸）が赤色光、「▲」（黒三角）が緑色光、「■」（黒四角）がシアン光、「●」（黒丸）が青色光を示す。図３Ｂにex vivoでのバルーン拡張時における拡張開始から後方散乱光強度微分最大値までの時間の光侵達長依存性を示す。光侵達長が長いほど拡張開始から微分最大値までの時間が短いことが確認できた。図４にin vivoでのREBOAバルーンの拡張および収縮に伴う後方散乱光強度変化の一例を示す。拍動下であってもバルーン拡張後、後方散乱光が増加することが確認できた。またバルーンを収縮させると後方散乱光が拡張前の強度に減少することが確認できた。
考察
　光侵達長が血管-バルーン間の血液層厚み以下になったとき、後方散乱光強度の変化が生じると予想される。図３Ｂにおいてバルーン拡張中に血管-バルーン間の血液層厚みが拡張に伴い小さくなるため、光侵達長が短いほどバルーンの拡張開始から後方散乱光強度変化までの時間が長くなったと考えられる。図４において、in vivoにおいてもバルーン-血管間の血流が遮断されることで血管からの後方散乱光増加が確認できたことから、拍動下での運用の可能性が示された。以上のことからバルーン内から光を照射し血管からの後方散乱光を検出することでover inflationを防ぐことが可能であることが示された。
実施例２　光侵達長差を用いた血液量のモニタリング
（１）血液層厚みの推定
　実施例１で用いた大動脈遮断バルーンを用い、395nmの光(紫色）、560nmの光（緑色）及び650nmの光（赤色）を用いて光侵達長差を用いた血流量モニタリングを行う。
　395nmの光(紫色）、560nmの光（緑色）及び650nmの光（赤色）の吸収係数は、それぞれ、44.5mm-1、12.5mm-1及び0.9mm-1である。吸収係数が小さいほど、血液に吸収されにくいので、光侵達長が長くなる。
　図５及び図６に、560nmの光（緑色）及び650nmの光（赤色）を用いた場合（図５）、並びに395nmの光(紫色）及び560nmの光（緑色）を用いた場合（図６）の拡張（inflation)開始からの時間（横軸）における、各波長の光の後方散乱光の強度（単位AU：Arbitrary Unit）及びバルーン径を示す。収縮（deflation）後まで測定する。
　それぞれの測定における２色の光のそれぞれが最大の後方散乱光強度に対して70％の光強度に達したときのバルーンの直径の差は、560nmの光（緑色）を基準として、560nmの光（緑色）及び650nmの光（赤色）を用いた場合は0.79mm（赤色の方が大きい）であり、395nmの光(紫色）及び560nmの光（緑色）を用いた場合は-1.2mm（紫色の方が小さい）である。図５及び図６中、楕円で囲んだ部分に70％の光強度に達した状態が含まれる。
　血管中の大動脈遮断バルーンを拡張させ、拡張の過程で各波長の光を用いたときの後方散乱光強度を測定し、各波長の光の最大の後方散乱光強度に対して70％の後方散乱光強度を閾値として、各波長の光を用いた場合の測定値が閾値を超えるかどうかを判定する。
　図７に、血液層厚みが大～小となったときの395nmの光(紫色）、560nmの光（緑色）及び650nmの光（赤色）を用いて測定した後方散乱光が閾値を超えたか（「〇」で示す）、又は閾値を超えなかったか（「×」で示す）を示す。図７上の模式図は、血管内にバルーンが挿入された状態を示し、左が血液層厚みが大きい状態を示し、右が血液層厚みが小さい状態を示す。血液層厚みが小さいとは、バルーンの拡張度が大きく血液流量が少ないことを示し、血液層厚みが大きいとは、バルーンの拡張度が小さく血液流量が多いことを示す。図７においては、血液層厚みを大～小の４段階（１～４）で示した。血液層厚みが１の場合は、395nmの光(紫色）、560nmの光（緑色）及び650nmの光（赤色）のいずれも血液中の物質に吸収されやすいので後方散乱光強度が小さく、閾値を超えない。血液層厚みが２の場合は、光侵達長の長い650nmの光（赤色）は血液中の物質に吸収されにくいので後方散乱光強度が閾値を超えるが、光侵達長が650nmの光（赤色）ほどは長くない395nmの光(紫色）及び560nmの光（緑色）は血液中の物質に吸収されやすいので後方散乱光強度が小さく、閾値を超えない。血液層厚みが３の場合は、光侵達長の長い650nmの光（赤色）及び560nmの光（緑色）は血液中の物質に吸収されにくいので後方散乱光強度が閾値を超えるが、光侵達長が395nmの光(紫色は血液中の物質に吸収されやすいので後方散乱光強度が小さく、閾値を超える。血管層厚みが４の場合は、395nmの光(紫色）、560nmの光（緑色）及び650nmの光（赤色）のいずれも血液中の物質に吸収されにくいので後方散乱光強度が大きく、閾値を超える。それぞれの測定において、各波長の光が閾値を超えたか否かの閾値判定パターンより血液層厚みを推定することができる。血液層厚みが１、２、３及び４の場合に、血液層厚みは、それぞれ、>1mm、0.3～1mm、0.1～0.3mm及び<0.1mmと推測することができる。
（２）血流速度の光による計測
　図８に血流速度の光により計測する方法の概要を示す。血流速度を光により計測する場合は、バルーンには、先端から生理食塩水等をフラッシュし得るルーメン構造を有する（図８Ａ）。バルーンの拡張状態を変化させずに生理食塩水をフラッシュしても、一時的にバルーンの周囲の血液が排除され、後方散乱光強度が変化する（図８Ｂ）。血流速度によって、バルーン周囲の生理食塩水が流されて（図８Ｃ－１及び図８Ｃ－２）、再び後方散乱光が元の値に戻るまでに要する時間が異なる。後方散乱光の戻り速度から血流速度（m/s）を推定すればよい。図８Ｃ－１は血流が遅い場合の生理食塩水の流され方を示し、図８Ｃ－２は血流が速い場合の生理食塩水の流され方を示す。
（３）血流量の計測
　血流量は以下の式で算出することができる。
血流量[m3/s]=血液層断面積[m2]×血流速度[m/s]
血液層断面積=｛（dB/2+d)2-(dB/2)2}π [m2]
dB[m]：バルーン直径（バルーンへの液体の注入量から算出する）
d[m]：推定された血液層厚み
　図９にバルーンを挿入した血管の断面図、並びにバルーン及び血液層厚みを示す。
実施例３　後方散乱光強度から血液層厚みを推定するアルゴリズムの検討
（１）in vivoブタ大動脈内における後方散乱光強度変化
　実施例１と同様に、経バルーン的後方散乱光強度計測系を用いて、波長560nmの光（緑色）及び波長650nmの光（赤色）を照射したときの後方散乱光を測定した。バルーンは、一定の速度で拡張させた。
　結果を、図１０に示す。図１０に示すように、バルーン拡張に伴い後方散乱光強度に変化が生じ、大きく変化するタイミングに波長による違いが見られた。
（２）後方散乱光強度から血液層厚みを推定するアルゴリズムの検討
　（１）の測定で得られた後方散乱光強度データより、血液層厚みを推定するアルゴリズムの構築を検討した。一定の速度でバルーンを拡張させたたま、拡張開始後の時間からバルーン径（血液層厚み）が算出可能になる。
　下の式で表される関数を定義し、後方散乱光を検出したときのバルーン拡張開始からの経過時間及び後方散乱光強度のデータを用いてフィッティングを行い、係数αを最適化した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
(a)　後方散乱光強度０～０．５の範囲におけるフィッティング
　図１０に示すデータを用い、後方散乱光強度０～０．５の範囲で、フィッティングを行った。決定係数は、波長650nmの光（赤色）の場合が0.98であり、波長560nmの光（緑色）の場合が0.92であった。
　図１０に示すデータを用い、後方散乱光強度０～１．０の範囲で、フィッティングを行った。決定係数は、波長650nmの光（赤色）の場合が0.79であり、波長560nmの光（緑色）の場合が0.91であった。
　決定係数はフィッティングの精度を示す値であり、１に近いほど精度が高いことを示す。上の(a)及び(b)の結果は、主に波長560nmの光（緑色）を用いて得られたデータに基づいて、血液層厚みを推定するのが好ましいこと、後方散乱光強度０～０．５の範囲では、波長650nmの光（赤色）を用いて得られたデータを併用することでより高精度で血液層厚みを推定できることを示す。
　最適化により求めた各係数を用い、上の式（１）に、波長560nmの光（緑色）又は波長650nmの光を照射し後方散乱光強度を代入することにより、拡張開始後の経過時間を算出することができる。得られた拡張開始後の経過時間からバルーン径がわかり、以下の式[血液層厚み=血管直径（内径）-バルーン径]により、血液層厚みを算出することができる。なお、実測値に基づいて拡張開始後の時間からバルーン径を知ることができる。
　本発明のバルーンカテーテルを含む装置を用いることにより、大動脈遮断時の血流をモニタすることができる。
　本明細書で引用した全ての刊行物、特許及び特許出願はそのまま引用により本明細書に組み入れられるものとする。
１　バルーン
２　カテーテル
３　ブタ大動脈
４　散乱光
５　シリンジ
６　ファイバ挿入口
７　拡散光ファイバ（拡散体長さ：70mm、コア径：250μmΦ）
８　照射
９　受光
１０　LED
１１　平凸レンズ
１２　ファイバフォルダ
１３　２分岐バンドルファイバー（コア径：各100μmΦ）
１４　シリコンフォトダイオード
１５　AD変換器
１６　入射光測定用
１７　血液排除部分
１８　血液
１９　ルーメン構造
２０　生理食塩水
２１　血液流
２２　血液層厚み
２３　血管壁

Claims (13)

  1. 　カテーテルチューブ及び該カテーテルチューブの先端部に設けられたバルーンを有するバルーンカテーテル、
    　前記カテーテルチューブ内に収容された光ファイバ、
    　前記バルーン内に配置され前記光ファイバと連結された光照射部位及び照射された光を検出する光検出部位、並びに
    　照射する光を発生する光源、
    を備えるバルーンカテーテルであって、
    　バルーンから、血液中に存在する物質に吸収され得る波長の光を照射し、血管内からの散乱光を検出し、検出された光の強度から、バルーンと血管壁の間の血流の状態を経時的にモニタすることを可能とする、バルーンカテーテル。
  2. 　散乱光の強度に基づいて血流の有無を判定する演算部位を備える、請求項１記載のバルーンカテーテル。
  3. 　演算部位が解析した血流の状態を表示するための表示部位を備える請求項２記載のバルーンカテーテル。
  4. 　照射する光の波長が400～500nmである、請求項１記載のバルーンカテーテル。
  5. 　バルーンから血液中に存在する物質に吸収され得る波長の光であって、光侵達長の異なる複数の波長の光を照射し、それぞれの波長の光の血管内からの散乱光を検出し、それぞれの波長の光の散乱光の強度から、バルーンと血管壁の間の血流量をモニタする、請求項１記載のバルーンカテーテル。
  6. 　下の式（１）又は（２）で表される関数を定義し、後方散乱光を検出したときのバルーン拡張開始からの経過時間及び後方散乱光強度のデータを用いてフィッティングを行い、係数を決定し、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
    又は
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
    　算出した係数を用い、上の式（１）又は（２）に、波長560nmの光（緑色）又は波長650nmの光を照射し検出した後方散乱光強度を代入することにより、拡張開始後の経過時間を算出し、
    　得られた拡張開始後の時間からバルーン径を推定し、
    　以下の式[血液層厚み=血管直径（内径）-バルーン径]により、血液層厚みを算出する、請求項５記載のバルーンカテーテル。
  7. 　光侵達長の異なる光が、近赤外光、赤外光、380～430nmの光（紫）、430nm～490nmの光（青）、490nm～550nmの光（緑）、550nm～590nmの光（黄）、590nm～640nmの光（橙）、640～770nmの光（赤）の波長の光の２種類、３種類、４種類、５種類又は６種類の波長の光である、請求項５又は６に記載のバルーンカテーテル。
  8. 　光侵達長の異なる光が、波長が475nmの光、542nmの光、及び438nmの光のうちの少なくとも２種類である、請求項５又は６に記載のバルーンカテーテル。
  9. 　光侵達長の異なる光が、緑色光及び赤色光の２種類である、請求項５又は６に記載のバルーンカテーテル。
  10. 　光侵達長の異なる光が、波長560nmの緑色光及び波長650nmの赤色光の２種類である、請求項５又は６に記載のバルーンカテーテル。
  11. 　散乱光を、後方で検出する請求項１～１０のいずれか１項に記載のバルーンカテーテル。
  12. 　カテーテルが血管遮断又は大動脈遮断カテーテルである、請求項１～１０のいずれか１項に記載のバルーンカテーテル。
  13. 　カテーテルが血管遮断又は大動脈遮断カテーテルである、請求項１１に記載のバルーンカテーテル。
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