JP2019516476A - 血管直径の変化に基づいて脈波伝播速度を決定するデバイス及び方法 - Google Patents

血管直径の変化に基づいて脈波伝播速度を決定するデバイス及び方法 Download PDF

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Abstract

腎動脈の脈波伝播速度を決定するデバイス、システム、及び方法が開示される。血管内システムは、可撓性の細長い部材上で特定の距離離れて配設された2つ以上のセンサを備える。センサは、腎動脈を通って移動する脈波を用いて、腎動脈の直径及び/又はセンサと血管壁との間の距離など、腎動脈の測定値の変化を測定するように構成される。センサがこれらの変化を測定する時間の差と、センサ間の距離とを使用して、脈波伝播速度を計算する。

Description

本開示の実施形態は、全体として、医療用デバイスの分野に関し、より詳細には、脈波伝播速度を決定するデバイス、システム、及び方法に関する。
高血圧及びその関連の疾患、慢性心不全(CHF)並びに慢性腎不全(CRF)は、全世界的に重要で且つ大きな健康問題となっている。これらの疾患の現在の治療は、非薬理学的アプローチ、薬理学的アプローチ、外科的アプローチ及び埋め込みデバイスベースのアプローチを含むあらゆる範囲に及ぶ。数多くの治療オプションがあるにも関わらず、血圧コントロール、並びに、心不全及び慢性腎疾患の進行を阻止する努力は依然として十分ではない。
血圧は、体内の電気的力、機械的力、及びホルモン性の力の複雑な相互作用によって制御される。血圧制御の主な電気的成分は、意識的な制御なしに働く、身体の自律神経系の一部である交感神経系(SNS)である。交感神経系は、身体の血圧の調節において重要な役割をそれぞれ果たす、脳、心臓、腎臓、及び末梢血管を接続する。脳は主に電気的な役割を果たし、入力を処理し、SNSの他の部分へ信号を送信する。心臓は、主に機械的な役割を果たし、より高速で強く拍動することによって血圧を上昇させ、より低速で弱く拍動することによって血圧を低下させる。血管も、機械的な役割を果たし、拡張(血圧を低下させる)又は狭窄(血圧を上昇させる)のどちらかによって血圧に影響を与える。
腎臓は、電気、機械、及びホルモン面で中心的役割を果たすので、腎臓における血圧の重要性は拡大される。例えば、腎臓は、SNSを通して血圧の上昇又は低下の必要性を信号伝達することによって(電気的)、血液を濾過し、体内の流体量を制御することによって(機械的)、並びに心臓及び血管の活動に影響を与える重要なホルモンを放出して、心血管系のホメオスタシスを維持することによって(ホルモン性)、血圧に影響を与える。腎臓は、SNSとの間で電気信号を送受信することによって、血圧制御に関連する他の臓器に影響を与える。それらは、腎臓の機械的機能及びホルモン機能を部分的に制御するSNS信号を、主に脳から受信する。同時に、腎臓はまた、SNSの他の部分へ信号を送信し、それによって系の他の臓器全ての交感神経活性化のレベルを押し上げることがあり、系の電気信号及び対応する血圧の効果を効率的に増幅する。機械的観点から、腎臓は、循環器系内の流体の量に直接影響する、血中の水及びナトリウムの量を制御する役割を担っている。腎臓によって、身体が保持する流体が多くなりすぎた場合、付加された流体量によって血圧が上昇する。最後に、腎臓は、レニン−アンジオテンシン−アルドステロン系(RAAS)を通してイベントのカスケードを活性化させる酵素であるレニンを含む、血圧調節ホルモンを生成する。このカスケードは、血管狭窄、心拍上昇、及び流体保持を含み、交感神経刺激によってトリガし得る。RAASは、通常、高血圧ではない患者の体内で働くが、高血圧患者の間で過活動になる場合がある。腎臓はまた、他の組織にとって、特に血管、心臓、及び腎臓にとって毒性であり得る、交感神経活性の上昇に応答して、サイトカイン及び他の神経ホルモンを生成する。そのため、腎臓の過活動的な交感神経刺激が、慢性高血圧によって引き起こされる臓器の障害の多くの原因となる。
したがって、腎臓の過活動的な交感神経刺激は、高血圧、CHF、CRF、及び他の心臓腎臓疾患の進行において重要な役割を果たす。心不全及び高血圧症状は、多くの場合、腎臓の異常に高い交感神経活性化をもたらして、心血管損傷の悪循環を作り出す。腎交感神経活性の上昇によって、身体から除去される水及びナトリウムの量が減少すると共に、レニンの分泌が増加して、腎臓に供給する血管の血管狭窄が生じる。腎血管系の血管狭窄によって腎臓の血流が減少することにより、腎臓が求心性SNS信号を脳に送信して、末梢血管狭窄がトリガされ、患者の高血圧が増大する。例えば、腎神経調節又は腎神経叢の除神経を介して、腎交感神経活性を低減させることによって、これらの過程を逆転させる。
腎交感神経活性の結果を制御する試みは、中枢作用性の交感神経遮断薬、アンジオテンシン変換酵素阻害剤及び受容体拮抗薬(RAASを遮断するためのもの)、利尿薬(ナトリウム及び水の腎交感神経介在保持に対抗するためのもの)、並びにβ拮抗薬(レニン放出を低減するためのもの)などの薬物の投与を含んでいた。現在の薬理学的戦略は、有効性の限定、法令順守の問題、及び副作用などの重大な限定事項を有する。
上記のように、腎除神経術は抵抗性高血圧に対する治療の選択肢である。しかしながら、腎除神経術の有効性は患者によって大幅に異なる場合がある。最近、主腎動脈内における圧力/流量パルスの速度(脈波伝播速度、即ちPWV)は、腎除神経術の成果を示す場合があることが、研究によって示されている。抵抗性高血圧の患者のPWVは非常に高い場合があり(例えば、20m/秒超過)、そのため、比較的短い腎動脈(例えば、長さ5〜8cm)のPWVを決定することが困難になり得る。
既存の治療は、それらの意図する目的に対してほぼ適正であったが、全ての面において完全に満足のいくものではなかった。本開示のデバイス、システム、及び関連する方法は、従来技術の欠点の1つ又は複数を克服する。
米国特許出願公開第2010/0113949(A1)号は、細長い血管内医療用デバイスを使用して、体腔内を伝播する脈波の速度を測定するシステム及び方法を開示している。細長い医療用デバイスは、内腔内のある位置で脈波データを収集するように構成された、データ収集デバイスを含むことができる。データ収集デバイスは、速度測定システムと連通して結合され、収集したデータを速度測定システムに出力するように構成される。速度測定システムは、収集データに基づいて、脈波の速度を計算するように構成される。
WO99/34724A2は、臨床診断及び治療を改善するための、管状壁の性質を決定するデバイス及び方法に関する。有利には、管状壁の伸展性及び順応性に対応する、管状壁の特性が記録される。より具体的には、該文献は、血管の圧力波速度(PWV)の定量的決定を提供し、それによって(特に)、動脈瘤、血管の病変部及び非病変部のヤング率、伸展性、順応性、及び反射係数を特性決定する。
P.Lurzらの「Aortic pulse wave velocity as a marker for arterial stiffness predicts outcome of renal sympathetic denervation and remains unaffected by the intervention」、European Heart Journal、Vol.36、No.Suppl.1、2015年8月1日は、抵抗性動脈高血圧に対する腎交感神経除神経術(RSD)後の血圧(BP)変化に対する、大動脈の脈波伝播速度(PWV)によって評価される基準の動脈壁硬化の影響、並びに少なくとも部分的に逆転する大動脈硬化の増大に対するRSDの可能性を評価している。
本開示は、脈波伝播速度(PWV)として知られている生理量の計算について記載する。PWVは、心臓ポンピングの結果として患者の血管を通って伝播する、圧力波及び流量波の速度を表す。最近の研究で、血液を腎臓に供給する動脈である腎動脈内のPWVは、腎除神経術として知られている治療法が患者において成功するか否かを示すことが示されている。腎除神経術は高血圧の治療に使用される。本明細書で更に詳細に記載するように、PWVは血管の直径に基づいて決定することができる。また、PWVは、センサから血管壁までの距離、及び/又はセンサから血管壁までの距離の変化に基づいて決定することができる。或いは、PWVは、血管壁の速度など、血管軸に垂直な直径の変化の測定値に基づいて決定することができる。2つ以上のセンサを、既知の離間距離で、血管内に位置決めされた可撓性の細長い部材に取り付けることができる。センサは、血管を通って移動する血液パルスと関連付けられた、センサから血管壁までの距離の変化を測定する。センサがこれらの変化を測定する時間の差と、センサ間の距離とを使用して、脈波伝播速度を計算する。次に、計算された患者のPWVを使用して、患者が治療の良好な候補であるか否かを決定することができる。例えば、PWV測定結果を使用して、PWVに基づいて腎除神経術の有効性を予測することによって、治療前に、腎除神経術のために患者の階層化を行うことができる。
一実施形態では、血管内の脈波伝播速度(PWV)を決定する装置が提供される。装置は、血管内に位置決めされるように構成された血管内デバイスを含み、血管内デバイスは、近位側部分及び遠位側部分を有する可撓性の細長い部材と、可撓性の細長い部材の遠位側部分に結合された第1の撮像素子と、可撓性の細長い部材の長さに沿って第1の距離だけ第1の撮像素子から離間した位置で、可撓性の細長い部材の遠位側部分に結合された第2の撮像素子とを含む。第1の撮像素子は、第1の位置で血管内の測定値を、例えば、第1の撮像素子から血管壁までの距離(例えば、血管の直径)又は第1の撮像素子から血管壁までの距離の変化(例えば、血管の直径の変化)をモニタリングするように構成される。第2の撮像素子は、第1の距離から離間した第2の位置で血管内の測定値を、例えば、第2の撮像素子から血管壁までの距離(例えば、血管の直径)又は第2の撮像素子から血管壁までの距離の変化(例えば、血管の直径の変化)をモニタリングするように構成される。装置は、血管内デバイスと連通している処理システムであって、第1の撮像素子による血管内の第1の位置における血管の測定値のモニタリングと関連付けられた第1のデータを受信し、第2の撮像素子による血管内の第2の位置における血管の測定値のモニタリングと関連付けられた第2のデータを受信し、受信した第1及び第2のデータに基づいて、血管内の流体の脈波伝播速度を決定するように構成された、処理システムを含む。血管は腎動脈であり、第1及び第2の撮像素子のサンプリング周波数は、10kHz以上、より好ましくは20kHz以上、最も好ましくは40kHz以上である。
2つ以上の撮像素子を、既知の離間距離で、血管内に位置決めされた可撓性の細長い部材に取り付けることができる。撮像素子は、異なる時間に血管壁までの距離を測定して、例えば、いつの時間に血管壁までの距離が最大であるかを決定する。2つの撮像素子に関して血管壁までの距離が最大である時間のこの差と、撮像素子間の距離とを使用して、脈波伝播速度を計算することができる。
一実施形態では、血管内の脈波伝播速度(PWV)を決定する方法が提供される。方法は、第1の撮像素子によって血管の第1の位置における測定値(例えば、血管直径、血管直径の変化、血管の壁までの距離、又は血管の壁までの距離の変化)をモニタリングすることと、第2の撮像素子によって、血管の長さに沿って第1の距離だけ第1の位置から離間した血管の第2の位置における、測定値(例えば、血管直径、血管直径の変化、血管の壁までの距離、又は血管の壁までの距離の変化)をモニタリングすることと、第1の撮像素子による第1の位置における血管の測定値のモニタリングと関連付けられた第1のデータを受信することと、第2の撮像素子による第2の位置における血管の測定値のモニタリングと関連付けられた第2のデータを受信することと、受信した第1及び第2のデータに基づいて、血管内の流体の脈波伝播速度を決定することとを含む。血管は腎動脈であり、第1及び第2の撮像素子のサンプリング周波数は、10kHz以上、より好ましくは20kHz以上、最も好ましくは40kHz以上である。
血管内の脈波伝播速度(PWV)を決定する装置も提供される。装置は、血管の第1の位置で血管壁をモニタリングし、血管の長さに沿って第1の距離だけ第1の距離から離間した血管の第2の位置で血管壁をモニタリングするように構成された少なくとも1つの感知素子と、少なくとも1つの撮像素子と連通し、第1の位置における血管壁のモニタリングと関連付けられた第1のデータを受信し、第2の位置における血管壁のモニタリングと関連付けられた第2のデータを受信し、受信した第1及び第2のデータに基づいて、血管内の流体の脈波伝播速度を決定するように構成された処理システムとを含む。
上述の全体的な説明及び以下の詳細な説明は両方とも、事実上例示的及び説明的なものであり、本開示の範囲を限定することなく、本開示の理解を提供するためのものであることが理解されるべきである。その点に関して、本開示の更なる態様、特徴、及び利点は、以下の詳細な説明によって当業者には明白となるであろう。
添付の図面は、本明細書に記載するデバイス及び方法の実施形態を例証するものであり、説明と併せて、本開示の原理を説明する役割を果たす。
例示の血管内センサシステムを示す概略図である。 別の例示の血管内センサシステムを示す概略図である。 腎臓の解剖学的構造内に位置決めされた血管内デバイスを示す概略図である。 血管を通って移動する脈波と関連付けられた圧力測定値を示すグラフである。 血管経路内の圧力曲線を示すグラフと組み合わされた、血管内の例示の血管内デバイスを示す概略図である。 第2の時間における血管内の圧力曲線を示すグラフと組み合わされた、図5Aの例示の血管内デバイスを示す概略図である。 第3の時間における血管内の圧力曲線を示すグラフと組み合わされた、図5Aの例示の血管内デバイスを示す概略図である。 血管内の2つの異なる位置における、血管を通って移動する脈波と関連付けられた2つの距離測定値の比較を示す図である。 患者の体外に配設された例示の測定デバイスを示す概略図である。 患者の体外に配設された例示の測定デバイスを示す概略図である。 血管内の圧力曲線を示すグラフと組み合わされた、分岐した血管内の例示の血管内デバイスを示す概略図である。 脈波伝播速度を計算する方法を示すフローチャートである。
本開示の原理の理解を深めることを目的として、図示される実施形態を参照し、特定の用語を使用して当該実施形態を説明する。しかし、本開示の範囲の限定を意図していないことは理解されよう。説明されるデバイス、器具、方法に対する任意の変更及び更なる改良、並びに、本開示の原理の任意の更なる応用は、本開示が関連する分野の当業者が普通に想到可能であるように十分に考えられている。具体的には、1つの実施形態に関して説明される特徴、コンポーネント及び/又はステップは、本開示の別の実施形態に関して説明される特徴、コンポーネント及び/又はステップと組み合わされてもよいことが十分に考えられている。更に、本明細書に提供される寸法は、具体例のためであり、様々なサイズ、寸法及び/又は比率を使用して、本開示の概念を実現することが考えられている。しかし、簡潔にするために、これらの組み合わせの非常に多くの繰り返しは個別に説明しない。単純化するために、場合によっては、図面全体を通して同じ参照符号を使用して、同じ又は同様の部品を指す。
本開示は、全体として、腎除神経治療の前に、主腎動脈における脈波伝播速度を決定及び測定するデバイス、システム、及び方法に関する。主腎動脈内における圧力/流量パルスの速度(脈波伝播速度、即ちPWV)は、腎除神経術の成果から予測し得る。PWVは、抵抗性高血圧患者において非常に高い場合があり、そのため、比較的短い腎動脈でPWVの正確な測定を行うのが非常に難しい。血管内に位置付けられたセンサを使用して、血管内のPWVを決定することができる。しかしながら、センサのサンプリング周波数は、腎動脈などの短い血管内のPWVを決定するのにこの方法を使用する場合の限定要因であり得る。PWVを決定する1つの方法は、「水撃作用」方程式を利用して、無反射期間(例えば、初期収縮期)中の血管内部における圧力及び流量速度の同時の測定値から、PWVを計算することによるものである。
Figure 2019516476
又は、別の方法として、この無反射期間を使用することができない場合、心周期全体の合計によってPWVを決定する、次の関係を使用することができる。
Figure 2019516476
ρは血液密度、P及びUはそれぞれ圧力及び速度である。
上記のように、腎除神経術は抵抗性高血圧に対する治療の選択肢である。最近の研究で、主腎動脈内における圧力/流量パルスの速度(脈波伝播速度、即ちPWV)は、腎除神経治療の成果を予測する場合があることが示されている。いくつかの例では、本開示の実施形態は、腎動脈除神経術のために患者を階層化する、腎動脈の脈波伝播速度測定を行うように構成される。腎交感神経活性は、高血圧、心不全、及び/又は慢性腎不全の症状を悪化させる。特に、高血圧は、(1)血管抵抗の増加、(2)心拍数、一回拍出量、及び出力の増加、(3)血管筋の異常、並びに/又は(4)腎臓によるナトリウム保持及びレニン放出という4つのメカニズムのいずれかによって刺激される交感神経系活性の増加と結び付けられている。特にこの第4のメカニズムに関して、腎交感神経系の刺激は、腎機能及びホメオスタシスの維持に影響を与える場合がある。例えば、遠心性腎交感神経活性の増加は、腎血管抵抗の増加、レニンの放出、及びナトリウムの保持をもたらし、それらは全て高血圧を悪化させる。
一例として、血管内加熱又は冷却のどちらかによる熱的神経調節は、腎動脈を取り囲む遠心性及び/又は求心***感神経線維を無能にすることによって腎交感神経活性を減少させ、腎除神経術を通して腎臓を神経支配し、それには、交感神経系(SNS)内の腎神経を選択的に無能にして、SNS内に少なくとも不完全伝導ブロックを作り出すことを伴う。
腎損傷又は腎臓ストレスのいくつかの形態は、(例えば、腎臓から脳又は他方の腎臓への)腎臓求心性信号の活性化を誘発する。例えば、一回拍出量又は腎血流の低減である腎虚血は、求心性腎神経活性の活性化をトリガする。求心性腎神経活性の増加によって、全身の交感神経活性化と血管の末梢血管狭窄(狭小化)とが増加する。血管狭窄の増加によって、血管の抵抗が増加し、それによって高血圧がもたらされる。(例えば、脳から腎臓への)遠心性腎神経活性によって更に、求心神経活性及びRAASカスケードの活性化が増加して、レニンの分泌増加、ナトリウムの保持、流体の保持、及び血管狭窄を通る腎血流の低減が誘発される。RAASカスケードはまた、血管の全身性血管狭窄に寄与し、それによって高血圧が悪化する。それに加えて、高血圧は、多くの場合、腎臓に供給する血管の血管狭窄及びアテローム硬化型狭窄をもたらし、それによって腎臓の低灌流が起こり、求心性腎神経活性がトリガされる。組み合わせによって、この要因のサイクルは、流体保持と心臓に対する仕事負荷の増加をもたらすので、患者の更なる心血管及び心腎の悪化の一因となる。
腎除神経術は、腎臓に入る電気信号(遠心***感神経活性)及び腎臓から発する電気信号(求心***感神経活性)両方に影響を与え、腎臓自体の機械的活性及びホルモン活性、並びにSNSの残りの電気的活性化に影響を及ぼす場合がある。腎臓に対する遠心***感神経活性の遮断は、流体及び塩の保持を逆転させる(ナトリウム***増加及び利尿を増強する)ことによって、流体量と心臓に対する機械的負荷とを低下させ、不適切なレニン放出を低減させることによって、有害なホルモン性RAASカスケードを停止させることによって、それを開始する前に高血圧及び関連する心血管疾患を緩和する。
腎臓から脳への求心***感神経活性を遮断することによって、腎除神経術がSNS全体の活性レベルを低下させる。したがって、腎除神経術はまた、心臓及び血管など、交感神経系の他の部分の電気刺激を減少させることによって、更なる高血圧治療効果をもたらす。それに加えて、腎神経の遮断は、血管、腎臓、及び心臓に有害なことがあるサイトカイン及びホルモンのレベルを低下させるので、慢***感神経過活性によって損傷した臓器に対して有益な効果を有する。
更に、腎除神経術は過活動のSNS活性を低減するので、高血圧に関連する他のいくつかの病的症状の治療に役立つ。SNS活性の増加によって特徴付けられるこれらの症状としては、左心室肥大、慢性腎疾患、慢性心不全、インスリン耐性(糖尿病及びメタボリック症候群)、心腎症候群、骨多孔症、並びに心臓突然死が挙げられる。例えば、腎除神経術の他の利益としては、理論的に、インスリン耐性の低減、中枢性睡眠時無呼吸症の低減、心不全における運動筋への灌流の改善、左心室肥大の低減、心房細動患者の心拍数の低減、致死性不整脈の抑止、及び慢性腎疾患における腎機能低下の緩徐化が挙げられる。更に、高血圧を伴って又は伴わずに存在する様々な疾患状態における腎交感神経緊張の慢性的な上昇は、顕在的な腎不全及び末期腎疾患の発展において役割を果たす。求心性腎交感神経信号の低減は全身の交感神経刺激の低減に寄与するので、腎除神経術は、交感神経によって神経支配される他の臓器にも利益をもたらす。したがって、腎除神経術は、様々な病的症状をも、それらが高血圧と直接関連付けられないものであっても緩和する。
本明細書に記載するデバイス、システム、及び方法によって、腎動脈内のPWVの決定が可能になる。特に、腎動脈内の局所化されたPWV値の正確な決定は、患者における腎除神経術の効果とこの処置が有益であろう患者選択を予測するのに使用される。
PWVは、抵抗性高血圧の治療における腎除神経術の成果を予測するものである。本明細書に記載するように、コンピューティングデバイスは、計算されたPWVをディスプレイに出力することができる。臨床医は、患者に腎除神経処置を勧めるか否かなど、PWVを考慮に入れて、治療的及び/又は診断的決定を行う。いくつかの例では、コンピュータシステムは、PWV及び/又は他の患者データに基づいて、治療の推奨又は成功見込みの予測を決定し、ディスプレイに出力することができる。つまり、コンピュータシステムは、PWVを利用して、どの患者が腎除神経術によって利益を得やすいか、及び/又は利益を得にくいかを特定する。
図1は、本開示のいくつかの実施形態による例示の血管内システム100の概略図である。血管内システム100は、階層化システムと呼ばれることがあるが、治療目的で患者を階層化するため、血管80(例えば、動脈、静脈など)における脈波伝播速度(PWV)決定を行うように構成される。例えば、腎動脈のPWV決定を利用して、患者が腎動脈除神経術に適しているか否かを決定する。血管内システム100は、血管80内に位置決めされてもよい血管内デバイス110と、インターフェースモジュール120と、少なくとも1つのプロセッサ140及び少なくとも1つのメモリ150を有する処理システム130と、ディスプレイ160とを含む。
いくつかの実施形態では、システム100は、身体部分内の血管80の脈波伝播速度(PWV)決定を行うように構成される。血管内システム100は、PWVが治療目的で患者の階層化に使用されるという点で、階層化システムと呼ばれることがある。例えば、腎動脈のPWV決定を利用して、患者が腎動脈除神経術に適しているか否かを決定する。PWVの決定に基づいて、血管内システム100を使用して、1人又は複数人の患者を、予測される腎除神経術の治療効果の様々な程度とそれぞれ関連付けられたグループに分類する。任意の適切な数のグループ又はカテゴリが想到される。例えば、グループは、PWVに基づいて、腎除神経術による治療効果の見込みが低い患者、中程度の患者、及び/又は高い患者それぞれのグループを含む。階層化又は分類に基づいて、システム100は、1人又は複数人の患者がどの程度腎除神経術の適切な候補であるかを推奨することができる。
血管80は、天然及び人造両方の、流体が満たされた、又は流体で取り囲まれた構造を表す。血管80は患者の体内にある。血管80は、心臓血管系、末梢血管系、神経血管系、腎臓血管系、及び/又は体内の他の任意の適切な内腔を含む、患者の血管系の動脈又は静脈としての血管である。例えば、血管内デバイス110は、非限定的に、器官(肝臓、心臓、腎臓、胆嚢、膵臓、肺など)、導管、腸、神経系構造(脳、硬膜嚢、脊髄、及び末梢神経など)、泌尿器系、心臓内の弁膜、心室、又は心臓の他の部分、並びに/或いは身体の他の系を含む、あらゆる解剖学的位置及び組織タイプを検査するのに使用される。人体構造に加えて、血管内デバイス110は、非限定的に、心臓弁、ステント、シャント、フィルタ、及び他のデバイスなど、人造構造を検査するのに使用される。血管80の壁は、血管80内で流体がそこを通って流れる内腔82を規定する。
血管80は身体部分内に位置する。血管80が腎動脈の場合、患者の身体部分は、腹部、腰領域、及び/又は胸領域を含む。一般に、血管80は、頭部、頸部、胸部、腹部、腕、鼠径部、脚など、患者の身体の任意の部分内に位置する。
いくつかの実施形態では、血管内デバイス110は、カテーテル、ガイドワイヤ、若しくはガイドカテーテルなどの可撓性の細長い部材170、又は患者の血管80に挿入される他の長く薄い可撓性構造を含む。いくつかの実施形態では、血管80は、図3に示されるような腎動脈81である。本開示の血管内デバイス110の図示される実施形態は、血管内デバイス110の外径を規定する円形の断面プロファイルを有する円筒状プロファイルを有するが、他の例では、血管内デバイスの全体又は一部分は、他の幾何学的断面プロファイル(例えば、卵形、長方形、正方形、楕円形など)又は非幾何学的断面プロファイルを有する。いくつかの実施形態では、血管内デバイス110は、他の機器の受入れ及び/又はガイドのため、その長さの全体又は一部分に沿って延在する内腔を含むか、又は含まない。血管内デバイス110が内腔を含む場合、内腔は、血管内デバイス110の断面プロファイルに対して心出しされるか又は偏心される。
血管内デバイス110又はその様々な構成要素は、非限定例として、プラスチック、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエーテルブロックアミド(PEBAX)、熱可塑性樹脂、ポリイミド、シリコーン、エラストマー、ステンレス鋼やチタンなどの金属、ニチノールなどの形状記憶合金、及び/又は他の生体適合性材料を含む、様々な材料から製造される。それに加えて、血管内デバイスは、カテーテル、ガイドワイヤなどを含む、様々な長さ、直径、寸法、及び形状で製造される。例えば、いくつかの実施形態では、可撓性の細長い部材170は、約115cm〜155cmの範囲の長さを有するように製造される。特定の一実施形態では、可撓性の細長い部材170は、約135cmの長さを有して製造される。いくつかの実施形態では、可撓性の細長い部材170は、約0.35mm〜2.67mm(1フレンチ〜8フレンチ)の範囲の横断外径又は直径を有するように製造される。一実施形態では、可撓性の細長い部材170は、2mm(6フレンチ)の横断寸法を有するように製造され、それによって血管内デバイス110を、患者の腎臓血管系に挿入されるように構成することができる。これらの例は、単に例証目的で提供されるものであり、限定を意図するものではない。一般に、血管内デバイス110は、患者の血管系(又は他の内腔)内部で移動させることができ、それによって血管80内から血管80の直径及び断面積をモニタリングできるように、サイズ及び形状が決められる。
いくつかの実施形態では、血管内デバイス110は、可撓性の細長い部材170の長さに沿って配設されたセンサ202及びセンサ204を含む。センサ202、204は、血管80内の状態に関するデータを収集し、特に血管80の直径の変化を特定するように構成される。いくつかの実施形態では、センサ202、204は、CMUT、PMUT、PZT、単結晶超音波変換器、又は他の適切な超音波変換器などの超音波変換器である。この点に関して、センサ202、204は、回転式血管内超音波画像診断装置の一部、又は整相列血管内超音波装置の一部である。
上述したように、撮像素子は回転式血管内超音波(IVUS)装置であり得る。より具体的には、センサ202、204は、血管内デバイス110の長手方向軸線を中心にして、可撓性の細長い部材170に対して回転する超音波変換器である。この点に関して、回転ドライブケーブル又はシャフトは、可撓性の細長い部材170を通って、センサ202、204が装着された遠位側部分まで延在する。
いくつかの実施形態では、センサ202、204は、可撓性の細長い部材170上に配設された超音波変換器のアレイ(例えば、32個、64個、128個、又は他の数の変換器)の一部である。これによって、2つ以上の撮像モード(Aモード及びBモードなど)を生成することが可能になって、伝播する壁の膨張の測定が可能になる。いくつかの例では、変換器アレイは、場合によっては超高速イメージングを用いて、最大サンプリング速度でPWVを決定する。アレイのセンサは、可撓性の細長い部材170の遠位側部分を中心にして円周方向で配設される。いくつかの実施形態では、センサは、可撓性の細長い部材170の円周方向ではなく軸線に沿って配設されるため、血管直径の変化を測定することによって、通過する圧力/流量波を検出するのではなく、センサから血管壁までの距離の変化を測定することによって検出する。
いくつかの実施形態では、センサアレイ内のセンサを使用することによって、血管内における壁の膨張の伝播を視覚化することなく、PWVの決定が可能になる。この場合、PWVは、以下の関係にしたがって決定される(dQは、動脈の断面全体で流量プロファイル(例えば、スペックル追跡、ベクトルフロー、横方向振動、脱相関によって推定される)を統合することによって決定される、時間間隔中の血管内における流量の変化であり、dAは、時間間隔中の血管の断面積の変化である)。
Figure 2019516476
この場合、精度を向上させ、流量速度プロファイルを推定できるようにするため、センサ202、204の間の距離D1は小さいものであるべきである。この流量速度プロファイルは、流量の変化dQを決定するため、血管断面全体で統合することができる。いくつかの実施形態では、単一のアレイが使用される。いくつかの例では、血管内又は血管外からのどちらかのフローを検出するのに、少なくとも1つのフロー感知素子が利用される。いくつかの実施形態では、dAは血管の断面積を測定することによって決定される。
いくつかの例では、第1及び第2のセンサ202、204は、Eagle Eye(登録商標)Gold Catheter、Visions(登録商標)PV8.2F Catheter、Vision(登録商標)PV 018 Catheter、及び/若しくはRevolution(登録商標)45 MHz Catheterなど、Volcano Corporation製のIVUS製品、並びに/又は他のメーカーから入手可能なIVUS製品に見られるものと、同様又は同一の構成要素を含む。更に、いくつかの例では、血管内システム100及び/又は血管内デバイス110は、それぞれの全体を参照により本明細書に援用する、米国特許第4,917,097号、第5,368,037号、第5,453,575号、第5,603,327号、第5,779,644号、第5,857,974号、第5,876,344号、第5,921,931号、第5,938,615号、第6,049,958号、第6,080,109号、第6,123,673号、第6,165,128号、第6,283,920号、第6,309,339号、第6,033,357号、第6,457,365号、第6,712,767号、第6,725,081号、第6,767,327号、第6,776,763号、第6,779,257号、第6,780,157号、第6,899,682号、第6,962,567号、第6,976,965号、第7,097,620号、第7,226,417号、第7,641,480号、第7,676,910号、第7,711,413号、及び第7,736,317号に開示されているものと同様又は同一の構成要素又は特徴を含む。血管内システム100は、グレースケールIVUS、前方監視IVUS、回転式IVUS、整相列IVUS、固体IVUS、及び/又は仮想組織学を含むIVUSイメージングを行うため、変換器、マルチプレクサ、電気接続など、回転式及び/又は整相列IVUS装置と関連付けられた構成要素を組み込むことができる。
更に別の例では、第1及び第2のセンサ202、204は、光コヒーレンス断層撮影(OCT)イメージングを使用して血管の断面積を決定できるように、コヒーレント光源(例えば、レーザー源)及び光検出器と連通している、光学撮像素子(例えば、ミラー、レンズ、プリズムなど、及び/又はそれらの組み合わせ)を含む。いくつかの実現例では、センサ202、204の一方又は両方は光音響変換器である。
OCTシステムは、時間領域又は周波数(高精細度)領域のどちらかで動作する。時間領域OCTでは、基準ミラーなどの走査光学系を長手方向で移動させて基準経路を変化させ、サンプル内の光の反射によって複数の光路を合致させることによって、干渉スペクトルが得られる。反射をもたらす信号は時間に伴ってサンプリングされ、特定の距離で移動する光が検出器内の干渉を作り出す。走査メカニズムを、サンプルを横断する横方向(又は回転方向)で移動させると、サンプルの反射率分布(即ち、イメージングデータセット)が生成され、そこから二次元及び三次元画像を生成することができる。周波数領域OCTでは、光周波数範囲を放射することができる光源が干渉計を通過し、干渉計は、サンプルから戻ってきた光を同じ光源からの基準光線と組み合わせ、組み合わされた光の強度が光周波数の関数として記録されて干渉スペクトルが形成される。干渉スペクトルのフーリエ変換は、サンプル内の深度に沿って反射率分布を提供する。或いは、波長掃引光源OCTでは、光周波数の範囲にわたって掃引される、光周波数が調節可能な光源を使用し、干渉光強度を掃引中の時間の関数として記録することによって、干渉スペクトルが記録される。時間領域及び周波数領域システムは更に、共通ビーム経路システム及び差分ビーム経路システムの光学レイアウトに基づいて変動し得る。共通ビーム経路システムは、単一の光ファイバーを通して全ての生成された光を送信して、基準信号及びサンプル信号を発生させ、差分ビーム経路システムは生成された光を分割して、光の一部分がサンプルに向けられ、他の部分が基準面に向けられるようにする。OCTシステム及び方法は、概して、Castellaらの米国特許第8,108,030号、Milnerらの米国特許出願公開第2011/0152771号、Conditらの米国特許出願公開第2010/0220334号、Castellaらの米国特許出願公開第2009/0043191号、Milnerらの米国特許出願公開第2008/0291463号、並びにKemp.Nの米国特許出願公開第2008/0180683号、米国特許第5,321,501号、米国特許第7,999,938号、米国特許第7,995,210号、米国特許第7,787,127号、米国特許第7,783,337号、米国特許第6,134,003号、及び米国特許第6,421,164号に記載されており、それらそれぞれの内容全体を参照により援用する。
一般に、センサ202(及び/又は他の類似のセンサ)を使用して血管からのイメージングデータを取得し、それから処理システム130が血管内画像を生成する。処理システム130は、血管内画像から、断面積、半径、直径、壁厚、及び/又はセンサから血管壁の距離など、血管と関連付けられた1つ又は複数の測定値を決定することができる。
図1を再び参照すると、センサ202、204は距離D1離れて配設される。いくつかの実施形態では、距離D1は0.5〜10cmの固定距離である。いくつかの実施形態では、距離D1は0.5〜2cm以内である。距離D1は脈波伝播速度(PWV)の計算に使用される。
センサ202、204は、血管内デバイス110の本体内に収容される。センサ202、204は、血管内デバイス110の遠位側部分の周りで円周方向に配設される。他の実施形態では、センサ202、204は血管内デバイス110に沿って線形的に配設される。センサ202、204は1つ又は複数の変換器素子を含む。センサ202及び/又はセンサ204は、血管内デバイス110の長さに沿って移動可能であり、及び/又は血管内デバイス110の長さに沿って静止位置で固定される。センサ202、204は、血管内デバイス110のセンサの平面アレイ又は別の形で適切に形作られたアレイの一部である。いくつかの実施形態では、可撓性の細長い部材170の外径は、センサ202、204の外径以上である。いくつかの実施形態では、可撓性の細長い部材170及びセンサ202、204の外径は約1mm以下であり、それは、血管80内のPWV決定に対する血管内デバイス110の影響を最小限に抑える助けとなる。特に、腎動脈は一般に約5mmの直径を有するので、血管内デバイス110の1mmの外径は血管80の4%未満を閉塞する。
いくつかの実施形態では、センサ202、204の一方又は両方は血管内デバイス110の一部でなくてもよい。例えば、センサ204は、別個の血管内デバイスに結合されるか、又は外部デバイスの一部である。外部に配設されるセンサの一例は、図7A及び図7Bに関連して示される。一般に、センサ204はガイドワイヤ又はカテーテルの一方に結合され、センサ202はガイドワイヤ又はカテーテルの他方に結合される。いくつかの例では、センサ202、204の一方を有する第1の血管内デバイスはガイドワイヤであり、センサ202、204の他方を有する第2の血管内デバイスはカテーテルである。第1及び第2の血管内デバイスは、いくつかの実施形態では、血管80内で横に並べて位置決めすることができる。いくつかの実施形態では、ガイドワイヤは、カテーテル及びガイドワイヤが同軸であるようにして、少なくとも部分的にカテーテルの内腔を通って延在し、内腔内に位置決めすることができる。
処理システム130は血管内デバイス110と連通している。例えば、処理システム130は、インターフェースモジュール120を通して、センサ202及び/又はセンサ204を含む血管内デバイス110と連通する。プロセッサ140は、コマンドを送信し、血管内デバイス110から応答を受信する。いくつかの実現例では、プロセッサ140は、センサ202、204による血管80内の1つ又は複数の測定値のモニタリングを制御する。血管80内の測定値は、血管直径、血管直径の変化、センサ202、204と血管壁との間の距離、及び/又はセンサと血管壁との間の距離の変化を含むことができる。本明細書の一部の説明は血管直径に言及しているが、血管直径、センサ202、204と血管壁との間の距離、及び/又はセンサと血管壁との間の距離の変化を含む、血管80内の任意の適切な測定値が想到されることが理解される。特に、プロセッサ140は、センサ202、204の活性化をトリガして、特定の時間に、例えば、血管直径又は他の適切な測定値を測定するように構成される。センサ202、204からのデータは、処理システム130のプロセッサによって受信される。他の実施形態では、プロセッサ140は、血管内デバイス110から物理的に分離されるが、(例えば、無線通信を介して)血管内デバイス110と連通している。いくつかの実施形態では、プロセッサはセンサ202、204を制御するように構成される。
プロセッサ140は、センサに命令する、データを受信し処理するなどの論理機能を行うことができる、電力ピン、入力ピン、及び出力ピンを備えた集積回路を含む。プロセッサ140は、マイクロプロセッサ、コントローラ、デジタル信プロセッサ(DSP)、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、又は等価の離散的若しくは集積論理回路構成のうち任意の1つ又は複数を含む。いくつかの例では、プロセッサ140は、1つ若しくは複数のマイクロプロセッサ、1つ若しくは複数のコントローラ、1つ若しくは複数のDSP、1つ若しくは複数のASIC、又は1つ若しくは複数のFPGA、並びに他の離散的又は集積論理回路構成の任意の組み合わせなど、複数の構成要素を含む。本明細書のプロセッサ140に与えられた機能は、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、又はそれらの任意の組み合わせとして実現される。
処理システム130は、他の機能の中でも特に、本明細書に記載の脈波伝播速度の決定方法を実現するプログラマブルコード命令を実行する、1つ又は複数のプロセッサ140又はプログラマブルプロセッサ装置を含む。処理システム130は、コンピュータ及び/又は他のタイプのプロセッサベースのデバイス内に統合される。例えば、処理システム130は、血管内デバイス110の動作を制御又は指令する制御信号を生成するのに使用される、コンソール、タブレット、ラップトップ、携帯デバイス、又は他のコントローラの一部である。いくつかの実施形態では、ユーザは、血管内デバイス110の動作のプログラミング若しくは指令、及び/又はディスプレイ160の様相の制御を行う。いくつかの実施形態では、処理システム130は、有線及び/又は無線通信技術を介することを含めて、血管内デバイス110と直接(例えば、インターフェースモジュール120を用いずに)通信している。
更に、いくつかの実施形態では、インターフェースモジュール120及び処理システム130は、集められ、及び/又は同じシステム、ユニット、シャーシ、若しくはモジュールの一部である。インターフェースモジュール120及び処理システム130は共に、センサデータをアセンブルし、処理し、画像としてディスプレイ160に表示するようにする。例えば、様々な実施形態では、インターフェースモジュール120及び/又は処理システム130は、センサ202、204を構成する制御信号を生成し、センサ202、204を活性化させる信号を生成し、センサデータの計算を行い、センサデータの増幅、フィルタ処理、及び/又は統合を行い、センサデータを表示用の画像としてフォーマット化する。これらのタスク及び他のものの割当ては、インターフェースモジュール120と処理システム130との間で様々な形で分散される。特に、処理システム130は、センサ202、204からのイメージングデータを使用して、血管80内部の流体(例えば、血液)の脈波伝播速度を計算する。
処理システム130は、患者に位置付けられた電極からECGデータを得るように構成された、心電計(ECG)コンソールと連通している。ECG信号は心臓の電気活性を表し、患者の心周期及び/又はその部分を特定するのに使用することができる。いくつかの例では、処理システム130は、血管内デバイス110から得た血管直径のデータが心周期全体及び/又はその一部分のどちらにわたって得られているかに基づいて、PWVを計算するのに異なる式を利用することができる。ECGデータは、心周期の他の部分の中でも特に、過去、現在、及び次の心周期の開始と終了、収縮期の開始と終了、拡張期の開始と終了を特定するのに使用することができる。一般に、ECG信号の1つ又は複数の特定可能な特徴(非限定的に、P波の開始、P波のピーク、P波の終了、PR間隔、PRセグメント、QRS群の始まり、R波の開始、R波のピーク、R波の終了、QRS群の終了(J点)、STセグメント、T波の開始、T波のピーク、及びT波の終了を含む)を利用して、心周期の関連部分を選択することができる。ECGコンソールは、Koninklijke Philips N.V.から入手可能なPageWriter心電計システムなど、市販のECG素子に見られるものと類似又は同一の特徴を含む。
様々な周辺デバイスは、処理システム130の入出力の機能性を可能にするか、又は改善する。かかる周辺デバイスとしては、必ずしもそれらに限定されないが、標準的な入力デバイス(マウス、ジョイスティック、キーボードなど)、標準的な出力デバイス(プリンタ、スピーカー、プロジェクタ、グラフィカルディスプレイスクリーンなど)、CD−ROMドライブ、フラッシュドライブ、ネットワーク接続、及び処理システム130と血管内システム100の他の構成要素との電気接続を挙げることができる。非限定例として、処理システム130は、血管内デバイス110からの信号を操作して、獲得した血管直径のデータ、イメージングデータ、PWVの計算、及び/又はそれらの組み合わせを表す画像を、ディスプレイ160上に生成する。かかる周辺デバイスはまた、血管内デバイス110及び/又は処理システム130の一般動作を可能にするプロセッサ命令を含むソフトウェアをダウンロードするのに、また例えば、血管内デバイス110に結合された補助デバイスの動作を制御する動作を実施するソフトウェア実装プログラムをダウンロードするのに使用される。いくつかの実施形態では、処理システム130は、広範囲の中央又は遠隔分散データ処理スキームで用いられる複数の処理装置を含む。
メモリ150は、例えば、読出し専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、FRAM(登録商標)、又はNANDフラッシュメモリなどの半導体メモリである。メモリ150は、プロセッサ140がメモリ150への書込み及びそこからの読出しを行うように、プロセッサ140とインターフェース接続する。例えば、プロセッサ140は、血管内デバイス110及び/又はインターフェースモジュール120からデータを受信し、そのデータをメモリ150に書き込むように構成される。このように、一連のデータ読出しがメモリ150に格納される。プロセッサ140は、メモリ150の消去又は上書き、メモリ150が一杯なときの検出、及び半導体メモリの管理と関連付けられた他の共通機能など、他の基本的なメモリ機能を行うことができる。
図2は、本開示のいくつかの実施形態による例示の血管内システム180の概略図である。血管内システム180は、図1の血管内システム100と同様であり、第3のセンサ206が追加されている。本明細書に記載するような血管内システムは、4つ、5つ、6つ、又は他の数のセンサを有する。センサは、様々な順序で、また血管内デバイス110に沿って異なる距離で配置される。いくつかの実施形態では、センサ206はセンサ202から距離D2に配設される。センサ202、204、206はまた、図2に示されているものと異なる配置及び順序で配置される。センサ206は、センサ202、204と類似した機能性を有し、血管80の様相を測定するように構成された超音波変換器であってもよい。いくつかの実施形態では、センサ206は圧力センサである。いくつかの実施形態では、センサ206は、血管80を通って移動する様々な脈波の移動方向を決定するのに使用される。移動方向の決定は、後方に移動する脈波及び関連データの排除を可能にすることによって、PWV決定の精度を向上させる。移動方向の決定と関連付けられた方法については、図8に関連して更に詳細に考察する。
図3は、ヒトの腎臓の解剖学的構造内に配設された図1の血管内デバイス110を示している。ヒトの腎臓の解剖学的構造は、腎臓の口92で腹大動脈90から分岐して腎臓10の門95に入る左右腎動脈81によって、酸素化血液が供給されている腎臓10を含む。腹大動脈90は腎動脈81を心臓(図示せず)に接続する。脱酸素化血液は、腎静脈101及び下行大静脈111を介して、腎臓10から心臓に流れる。具体的には、腹大動脈を通って左腎動脈81内へと延在する、血管内デバイス110の可撓性の細長い部材170が示されている。代替実施形態では、血管内デバイス110は、下方の腎血管115も通って移動するようにサイズ決めされ構成される。具体的には、腹大動脈を通って左腎動脈81内へと延在する、血管内デバイス110が示されている。代替実施形態では、血管内デバイス110は、下方の腎血管115も通って移動するようにサイズ決めされ構成される。
左右の腎神経叢又は神経121は、左右腎動脈81をそれぞれ取り囲む。解剖学的に、腎神経121は、腎動脈81を取り囲む外膜細胞内の1つ又は複数の神経叢を形成する。本開示の目的のため、腎神経は、任意の個別の神経又は神経叢及び神経節として定義され、それらは、神経信号を腎臓10との間でやり取りし、解剖学的には、腎動脈81の表面上、腎動脈81が大動脈90から分岐する腹大動脈90の部分、及び/又は腎動脈81の下方の分岐上に位置する。神経叢に寄与する神経線維は、腹腔神経節、最下内蔵神経、腎皮質神経節、及び大動脈神経叢から生じる。腎神経121は、それぞれの腎動脈と密接に関連して、それぞれの腎臓10の基質内まで延在する。神経は、腎動脈の分枝によって、腎臓10の血管、糸球体、及び細管に分配される。各腎神経221は、一般に、腎臓の門95の範囲でそれぞれの腎臓10に入るが、腎動脈81、又は腎動脈81の分枝が腎臓10に入る位置を含む任意の位置で、腎臓10に入ることができる。
適切な腎機能は、高血圧症状を回避するために、心疾患ホメオスタシスを維持するために必須である。ナトリウムの排出は、適切な細胞外流体量及び血液量を維持し、最終的に流体量及び血液量の影響を最制御する鍵である。定常状態下で、動脈圧力は、尿量と水及びナトリウムの摂取とのバランスをもたらす圧力レベルまで上昇する。異常な腎臓機能によって、腎神経121による腎臓の交感神経過剰刺激によって起こるように、腎臓がナトリウム及び水を過度に保持している場合、動脈圧力は、ナトリウム排出を摂取に等しい量に維持するレベルまで増加する。高血圧患者では、ナトリウムの摂取と排出のバランスは、部分的には腎神経121による腎臓の交感神経刺激の結果として、動脈圧力の上昇を犠牲にして達成される。腎除神経術は、腎臓10の遠心性及び求心***感神経活性を遮断又は抑制することによって、高血圧の症状及び後遺症を緩和する助けとなる。
いくつかの実施形態では、図1及び図2の血管80は、図3の血管81と一致する腎血管であり、脈波伝播速度は腎動脈内で決定される。処理システム130は、腎動脈内の脈波伝播速度(PWV)を決定する。処理システム130は、腎動脈の脈波伝播速度に基づいて、腎除神経療法の推奨を決定する。例えば、腎除神経術から治療的利益を得やすい、又は得にくい患者が、PWVに基づいて選択される。その点に関して、腎血管内の血液のPWVに少なくとも部分的に基づいて、処理システム130は、腎除神経術のための患者階層化を行うことができる。
図4は、血管を通って移動する脈波と関連付けられる血管壁までの距離の測定値のグラフ400である。グラフ400は、血管を通って移動する流体、例えば血液の曲線402を示している。横軸404は時間を表し、縦軸406はセンサ(例えば、撮像素子)から血管壁までの距離を任意単位で表す。例えば、グラフ400は、それぞれ約1秒かかる(毎分約60拍の心拍に対応する)2つの完全なパルスを示している。一例として、図4の曲線402は、特定の地点における、例えば血管80内部のセンサ202、204、又は206の位置における、時間の関数としての脈波を表す。いくつかの実施形態では、脈波は、ピーク410、トラフ412、切痕(例えば、重複切痕)、最小値、最大値、値の変化、及び/又は認識可能なパターンを含む、距離曲線402の特定の様相又は特性によって特定される。それに加えて、脈波は、フット間(foot−to−foot)解析によって、又はその全体を参照により本明細書に援用する、SolaらのPhysiological Measurement、vol.30、pp.603−615、2009に記載されているような、パルス波形からのパルス到着時間の専用解析によって特定される。或いは、相互相関解析、位相変換方法、最大尤度推定量、適応最小二乗平均フィルタ、平均平方差関数、又は複数信号分類(MUSIC)アルゴリズムなど、時間遅延推定に関する更に一般的な方法が、圧力波間の時間遅延を評価するのに適用される。いくつかの実施形態では、センサ202、204、206は、血管80の直径の変化によって、又はセンサ202、204、及び206と血管80の壁との距離の変化によって、脈波を特定するように構成される。このセンサデータは、血管80内の局所PWVを決定するのに使用される。任意に、PWV値はその後、腎除神経術に適格か又は適格でないかに関して高血圧患者の階層化に使用される。
曲線402は、ある観点において血管内の圧力波に対応する。即ち、血管内の圧力波は、センサ202、204と血管壁との間の距離のばらつきの変化を引き起こす。センサ202、204が圧力を直接測定する必要はなく、それよりもむしろ、センサ202、204によって得られたイメージングデータを使用して、圧力波によって生じる血管壁までの変動する距離を決定する。
図5A、図5B、及び図5Cは、血管80内の血管壁曲線までの撮像素子の距離を示すグラフと組み合わされた、血管80内における例示の血管内デバイス110の斜視図を示している。距離曲線は、図4に関連して考察したような、血管80を通って移動する脈波と関連付けられる。図5Aの例では、グラフ500の曲線502は、脈波が撮像素子の位置を時間T=0の時に移動している際の、血管壁までの撮像素子の距離を示している。脈波による圧力が、血管壁の移動する膨張510をもたらす。特に、脈波が血管80を通って移動するにつれて、増加した圧力が血管80のわずかな拡幅をもたらす。この膨張510は、第1及び第2のセンサ202、204によって、血管直径の増加として測定される。
図5Bは、その後の時間T=T1における血管を示している。この例では、脈波は右に移動しており、グラフ514上の距離曲線512のピークは地点212でセンサ202と位置合わせされている。この時間T=T1において、センサ202は、血管80の直径の最大増加、又は膨張510として見えるセンサと血管の壁との最大距離を読み取り、地点212において脈波の最大圧力が存在することが示される。
図5Cは、その後の時間T=T2(T2=T1+ΔT)における距離曲線のグラフを示している。グラフ520上の距離曲線522のピークは、地点214でセンサ204と位置合わせされる。したがって、時限ΔTにおいて、脈波はセンサ202とセンサ204との間の距離D1を移動している。この距離D1を時限ΔTで割ることによって、PWVが計算される。即ち、
Figure 2019516476
式中、D1はセンサ(例えば、撮像素子)202及び204の間の距離、Δtは脈波がセンサ202の第1の位置とセンサ204の第2の位置との間を移動する時間量である。同様に、Δtは、脈波がセンサ202に達するのと脈波がセンサ204に達するのとの時間量の差として説明することができる。例えば、血管内デバイス110は、2cm離れた距離D1で配設されたセンサ202、204を含む。センサ202は、時間T=0における血管80の膨張510を検出する。センサ204は、時間T=1msにおける血管80の膨張510を検出し、時限ΔTは1msとなる。PWVは、20m/sのPWVに関して、D1をΔTで割ることによって計算される(.02m/.001s=20m/s)。
腎動脈81などの一部の血管は長さが限定されているため、センサ202、204は、精度をより良好にするため、高頻度でイメージングデータを収集するように構成される。例えば、PWVを計算する際に上記の例によるデータを使用して、精度90%のPWVを達成するには、血管内システム100は20m/sと18m/sとを区別できなければならない。速度が18m/秒の場合、脈波がセンサ202、204に到達する間の時限ΔTは、(0.02m)/(18m/s)=1.11msである。したがって、これらのPWV値を区別するために、血管内システム100は、1msと1.11msとの時限ΔTを区別できなければならず、したがって約0.1msの単位で区別できなければならない。超音波変換器のサンプリング周波数は、超音波ビームが変換器から血管壁に伝播して戻るのに要する時間によって限定される。一般的に、腎動脈の直径は5〜6mmである。変換器が壁に接して配置された場合、超音波は血管直径を横切って二度移動しなければならない。最悪のケースの伝播距離15mmを仮定し、約1.570m/sの血中の音速を所与とすると、超音波が反対側の血管壁まで移動して戻るのに0.0096msかかる。これは、PWVの決定に要する0.1msの約10分の1であり、最大105kHzのサンプル速度に達することができる。血管内システム100は、100kHz単位のサンプリング周波数(0.01ms毎に1回の測定)を達成することができ、0.1msの遅延を検出することが可能になっている。好ましくは、第1及び第2の撮像素子202、204のサンプリング周波数は、10kHz以上、より好ましくは20kHz以上、最も好ましくは40kHz以上である。いくつかの実施形態では、血管内システム100のサンプリング周波数は、10〜80kHz、20〜70kHz、又は40〜60kHzである。他の範囲のサンプリング周波数も可能である。
いくつかの実施形態では、PWVは、血管壁における移動を直接測定することによって決定される。血管壁の移動を使用して、血管における脈波の位置が特定される。いくつかの実施形態では、血管壁速度は、ドップラーイメージングを使用してセンサで測定される。特に、血管壁の移動は、センサ202、204によって2つ以上の位置で測定される。様々なセンサによって測定されるような壁速度と関連付けられた時間遅延を比較することによって、PWVが決定される。
図6は、血管壁までの距離を測定する2つのセンサ202及び204の距離測定と関連付けられた2つのグラフを示している。グラフ600は、流体、例えば血液の圧力波が、血管内のセンサ202の位置P1で血管を通って移動するときの、撮像素子202と血管壁との間の距離の距離曲線602を示している。グラフ610は、脈波がセンサ204の位置P2で血管を通って移動するときの、撮像素子204と血管壁との間の距離の距離曲線604を示している。いくつかの実施形態では、距離曲線602、604は、第1及び第2のセンサ202、204などのセンサからデータを収集して解析することにより、血管内システム100によって決定される。いくつかの例では、第2の位置P2は、第1の位置よりも流体流の遠位側又は下流側である。グラフ600及び610の横軸612は時間を表し、縦軸614は血管壁までの距離を表す。図示されるように、グラフ600の距離曲線602は時間T1で始まり、グラフ610の距離曲線604は時間T2で始まり、ΔT=T2−T1は、流体の脈波が、グラフ600と関連付けられた第1の位置からグラフ610と関連付けられた第2の位置まで移動するのにかかる時限を表す。このように、図6のグラフ600及び610は、血管80に沿って移動する脈波を示しており、脈波は、第1のモニタリング位置P1と第2のモニタリング位置P2との間を移動するのにΔT秒かかる。この時限ΔTを使用して、図5A及び図5Bを参照して説明したように、血管80における脈波のPWVが計算される。いくつかの例では、曲線602、604を比較してΔTが決定されるが、その比較は、ピーク、トラフ、切痕(例えば、重複切痕)、最小値、最大値、値の変化、及び/又は認識可能なパターンを含む、多数の様相によって遂行される。
いくつかの実施形態では、距離曲線602、604の位相は、所与の時間におけるセンサ202、204の測定値を比較することによって特定される。例えば、センサ202は、ある時間間隔にわたる、血管直径の変動、又はセンサ202とセンサ202に面している血管の壁との距離の変動を示す、イメージングデータを収集する。いくつかの実施形態では、センサ202、204の1つ又は複数の活性化は、センサ202、204によって測定される距離曲線602、604が同じ位相を有するように遅延される。次に、距離曲線602、604の位相を一致させるのに必要な遅延は、PWVの計算に使用される。いくつかの実施形態では、距離曲線602、604の位相は、第1及び第2のセンサ202、204を同時に作動させ、センサ202、204からの血管直径を比較することによって決定される。この方法は、センサ202、204によって測定される血管直径の差がゼロのときを特定することによって、遅延を決定することを含む。いくつかの実施形態では、センサ202、204の活性化は、(図1及び図2に示されるような)インターフェースモジュール120又は処理システム130の1つ又は複数によって制御され、それにはセンサの活性化を特定の時限遅延させることが含まれる。
図7A及び図7Bは、PWVを測定するように構成された例示の測定システム700の概略図である。測定システム700は、血管80外に位置決めされる外部デバイス710と、インターフェースモジュール120と、少なくとも1つのプロセッサ140及び少なくとも1つのメモリ150を有する処理システム130と、ディスプレイ160とを含み、それらは図1の構成要素と同様であってもよい。いくつかの実施形態では、外部デバイス710は、血管80の様相を外部位置から測定するように構成された、2つ以上のセンサ712、714を含む。センサ712、714は、第1、第2、及び第3のセンサ202、204、206と類似の超音波変換器である。いくつかの実施形態では、センサ712、714は、患者の組織620を通して測定し、血管80の直径又は血管壁の位置の変化を決定する。図7Aの例では、脈波は、第1のセンサ712下で心出しされ、これは血管壁の膨張510によって見ることができる。図7Bでは、脈波及び関連する膨張510は距離D1移動しており、第2のセンサ714下で心出しされている。センサ712、714の間の距離D1、及び膨張510の測定の時間差は、脈波のPWVを決定するのに使用される。
図8は、血管80内に配設された血管内デバイス110が、血管80内の距離曲線を示すグラフ400と組み合わされている、例示の血管内システム800の概略図である。いくつかの実施形態では、脈波は、血管系に接合部又は分岐820が存在することを含む様々な理由で、血管80内で反射されている。この反射によって、脈波が血管80を通って様々な方向に移動し、それが局所PWV値の測定値と干渉する。しかしながら、いくつかの実施形態では、血管内デバイス110は3つ以上のセンサ202、204、206を含み、それにより、位置212、214、及び216をそれぞれモニタリングすることによって、後方移動する脈波を特定し排除することが可能になっている。特に、第3のセンサ206は、前方移動する脈波(曲線802及び膨張510aによって示される)を後方移動する脈波(曲線812及び膨張510bによって示される)と区別するのに使用される。いくつかの実施形態では、脈波の方向性の決定は、3つ以上のセンサ202、204、206からの超音波測定値を相関させて、各脈波の始まりと終わりを特定することによって遂行される。脈波の増幅、及びそれに対応する膨張510a、510bの幅も、方向性の決定に使用される。例えば、距離曲線812及び膨張510bによって示されるような後方移動する脈波は、距離曲線802及び膨張510aによって示されるような前方移動する脈波よりも小さい振幅を有する。いくつかの実施形態では、前方移動する脈波と及び後方移動する脈波の分離によって、PWV計算の精度が改善する。
図9は、脈波伝播速度(PWV)を計算する方法900を示すフローチャートである。ステップ902で、方法900は、血管内デバイスを血管内に配置することを含む。いくつかの実施形態では、血管内デバイスは、図1、図2、図5A、図5B、図5C、及び図8に示される血管内デバイス110である。血管は、図3に示されるような腎動脈81である。
ステップ904で、方法900は、血管内デバイス上で第1の距離離間して配設された第1及び第2のセンサを活性化させることを含む。第1及び第2のセンサは可撓性の細長い部材上に配設される。他の実施形態では、第1及び第2のセンサは、図7A及び図7Bの例など、患者の体外に配設される。いくつかの実施形態では、血管内イメージング(例えば、血管内超音波、回転式血管内超音波、整相列血管内超音波、又は光コヒーレント断層撮影)が、血管直径、又はセンサとセンサに面する血管壁との間の距離など、血管内の測定値のモニタリングに使用される。いくつかの実施形態では、第1及び第2のセンサの少なくとも1つは超音波変換器である。他の実施形態では、第1及び第2のセンサの少なくとも1つは、ミラー、レンズ、プリズムなどの光学撮像素子である。第1及び第2のセンサの間の距離は、PWVの計算に使用される。第1及び第2のセンサは、カテーテル又はガイドワイヤなど、可撓性の細長いデバイスの遠位側部分上に配設される。いくつかの実施形態では、外部プローブ(例えば、超音波イメージング及び/又はドップラーフロー)が、血管直径のモニタリングに使用される。
ステップ906で、方法900は、血管の直径などの測定値の変化を、第1のセンサで第1の時間に測定することを含む。同様に、第1のセンサと血管壁との間の距離の変化を測定することができる。いくつかの実施形態では、血管の直径の変化、又は第1のセンサと血管壁との間の距離の変化は、脈波の存在を知らせる膨張又は膨らみである。変化は、特定の特徴、例えば直径のピーク又は距離のピークであることができる。
ステップ908で、方法900は、血管の直径などの測定値の変化を、第2のセンサで第2の時間に測定することを含む。同様に、第2のセンサと血管壁との間の距離の変化を測定することができる。血管の直径のこの変化、又は第2のセンサと血管壁との間の距離の変化も、脈波の存在を知らせる膨張又は膨らみである。変化は、第1のセンサに関してステップ906で使用したのと同じ特定の特徴、例えば直径のピーク又は距離のピークであることができる。いくつかの実施形態では、脈波の移動方向は、例えば、膨張の大きさを測定することによって、又は追加のセンサによって血管の直径の変化を測定することによって決定される。(図8に関連して示したような)後方方向に移動する脈波は、PWV決定の精度を改善するため、計算から除外される。
ステップ910で、方法900は、第1及び第2の時間の差を計算することを含む。この差は、図5C及び図6に関連して示した時限ΔTの計算と同様である。この計算は、第1及び第2のセンサと連通しているコントローラによって実施される。
ステップ912で、方法900は、第1の距離を第1及び第2の時間の差で割って、PWVを決定することを含む。
ステップ914で、方法900は、任意に、PWVをディスプレイに出力することを含む。このディスプレイは、図1及び図2に示されるディスプレイ160である。いくつかの実施形態では、PWVを使用して、患者に対する腎除神経術の潜在的効果が評価され、それが、腎除神経術が有益であろう患者を選択する助けとなる。
いくつかの実施形態では、方法900は任意に、PWVに基づいて療法の推奨を決定することを含む。いくつかの例では、臨床医は、計算されたPWV及び/又は他の患者データに基づいて療法の推奨を決定する。いくつかの実施形態では、処理システムは、PWV及び/又は他の患者データを評価して、療法の推奨を決定する。かかる例では、方法900は、療法の推奨の視覚的表現を出力することを含む。例えば、処理システムは、図式的表現と関連付けられた表示データを表示デバイスに出力することができる。「不良」、「可」、「良」などの文字による指示であることができ、及び/又は他の適切な単語が、特定の患者に対する療法と関連付けられた予測される効果を伝達する。他の例では、点数、色分け、及び/又は療法の推奨を表す他の図形を、ディスプレイに出力することができる。いくつかの例では、療法は腎除神経術であることができる。方法900は更に、PWVに基づいて、1人又は複数人の患者を、腎除神経術の結果として予測される治療効果のそれぞれの程度に対応するグループに分類することを含むことができる。方法900はまた、処理システムが分類ステップの図形的表現を表示デバイスに出力することを含むことができる。
当業者であれば、本開示に包含される実施形態は上述した特定の例示的実施形態に限定されないことを理解するであろう。その点に関して、例証となる実施形態を図示し記載してきたが、広範囲の修正、変更、及び置換が上述の開示において想到される。かかる変形は、本開示の範囲から逸脱することなく、上記に対して行われることが理解される。したがって、添付の特許請求の範囲は概括的に、また本開示と一貫した形で解釈されることが適切である。

Claims (17)

  1. 血管内に位置決めされる血管内デバイスと前記血管内デバイスと連通している処理システムとを備える血管内の脈波伝播速度(PWV)を決定する装置であって、
    前記血管内デバイスは、
    近位側部分及び遠位側部分を有する可撓性の細長い部材と、
    前記可撓性の細長い部材の前記遠位側部分に結合され、第1の位置で前記血管内の測定値をモニタリングする第1の撮像素子と、
    前記可撓性の細長い部材の長さに沿って第1の距離だけ前記第1の撮像素子から離間した位置で、前記可撓性の細長い部材の前記遠位側部分に結合され、前記第1の位置から離間した第2の位置で前記血管内の前記測定値をモニタリングする第2の撮像素子とを含み、
    前記処理システムは、
    前記第1の撮像素子による前記血管内の前記第1の位置における前記血管の前記測定値の前記モニタリングと関連付けられた第1のデータを受信し、
    前記第2の撮像素子による前記血管内の前記第2の位置における前記血管の前記測定値の前記モニタリングと関連付けられた第2のデータを受信し、
    受信した前記第1及び第2のデータに基づいて、前記血管内の流体の脈波伝播速度を決定し、
    前記血管が腎動脈であり、前記第1及び第2の撮像素子のサンプリング周波数が、10kHz以上、より好ましくは20kHz以上、最も好ましくは40kHz以上である、装置。
  2. 前記測定値が、前記血管の直径、前記血管の前記直径の変化、前記血管の壁までの距離、又は前記血管の壁までの距離の変化のうち少なくとも1つを含む、請求項1に記載の装置。
  3. 前記処理システムが更に、決定された前記脈波伝播速度に基づいて腎除神経療法の推奨を決定する、請求項1に記載の装置。
  4. 前記処理システムが更に、前記脈波伝播速度を使用して、腎除神経術の予測される治療効果に基づいて患者を分類する、請求項1に記載の装置。
  5. 前記脈波伝播速度が、
    Figure 2019516476
    として決定され、ここで、Dは第1の距離であり、Δは脈波が前記第1の位置に達するのと前記脈波が前記第2の位置に達するのとの間の時間的な差である、請求項1に記載の装置。
  6. 前記脈波が前記第1及び第2の位置に達する間の前記時間的な差を決定するのに、前記第1及び第2のデータの特定可能な特徴が利用される、請求項5に記載の装置。
  7. 前記特定可能な特徴が、最大直径、最小直径、又は傾きのうち少なくとも1つである、請求項6に記載の装置。
  8. 前記脈波伝播速度が、
    Figure 2019516476
    として決定され、ここで、dQは時間間隔の間のフローの変化であり、dAは前記時間間隔の間の前記血管の断面積の変化である、請求項1に記載の装置。
  9. 第1の撮像素子によって血管の第1の位置における前記血管の測定値をモニタリングするステップと、
    第2の撮像素子によって、前記血管の長さに沿って第1の距離だけ前記第1の位置から離間した前記血管の第2の位置における、前記血管の測定値をモニタリングするステップと、
    前記第1の撮像素子による前記第1の位置における前記血管の前記測定値の前記モニタリングと関連付けられた第1のデータを受信するステップと、
    前記第2の撮像素子による前記第2の位置における前記血管の前記測定値の前記モニタリングと関連付けられた第2のデータを受信するステップと、
    前記受信した第1及び第2のデータに基づいて、前記血管内の流体の脈波伝播速度を決定するステップとを含み、
    前記血管が腎動脈であり、前記第1及び第2の撮像素子のサンプリング周波数が、10kHz以上、より好ましくは20kHz以上、最も好ましくは40kHz以上である、血管内の脈波伝播速度(PWV)を決定する、方法。
  10. 前記測定値が、前記血管の直径、前記血管の前記直径の変化、前記血管の壁までの距離、又は前記血管の壁までの距離の変化のうち少なくとも1つを含む、請求項9に記載の方法。
  11. 前記決定された脈波伝播速度に基づいて腎除神経療法の推奨を決定するステップを更に含む、請求項9に記載の方法。
  12. 前記脈波伝播速度を使用して、腎除神経術の予測される治療効果に基づいて患者を分類するステップを更に含む、請求項9に記載の方法。
  13. 前記脈波伝播速度が、
    Figure 2019516476
    として決定され、ここで、Dは第1の距離であり、Δが、脈波が前記第1の位置に達するのと前記脈波が前記第2の位置に達するのとの間の時間的な差である、請求項9に記載の方法。
  14. 前記脈波が前記第1及び第2の位置に達する間の前記時間的な差を決定するのに、前記第1及び第2のデータの特定可能な特徴が利用される、請求項13に記載の方法。
  15. 前記特定可能な特徴が、最大直径、最小直径、又は傾きのうち少なくとも1つである、請求項14に記載の方法。
  16. 前記脈波伝播速度が、
    Figure 2019516476
    として決定され、ここで、dQは時間間隔の間のフローの変化であり、dAは前記時間間隔の間の前記血管の断面積の変化である、請求項9に記載の方法。
  17. 前記第1の位置における前記血管の前記測定値の前記モニタリング、及び前記第2の位置における前記血管の前記測定値の前記モニタリングが、血管内イメージングを使用して行われる、請求項9に記載の方法。
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