JP5964838B2 - 血管壁のアーティファクトの検出 - Google Patents

Description

本出願は、血管壁に近接するカテーテル及び／または関連する血管壁のアーティファクトの検出に関する。

この２５年間で、救命医療の技術は大きく変化した。患者の治療のための専門ユニット、技術の発達及び医療従事者による生理学への理解の向上により、罹患率及び死亡率は減少している。この改善を推し進める助けとなった技術の最も古い進歩の一つは、カテーテルの開発であった。１９７０年代初頭、カテーテルへサーミスタを取り付けることにより、心拍出量の迅速な評価が可能となった。同時に、より洗練されたモニタリングシステムもまた開発された。結果として、より完全な血行動態の評価が、比較的容易に、患者のベッドの横で実施できるようになった。

技術の進歩とともに、臨床医の進歩の必要性も生じた。血行動態のモニタリングに関して、臨床医によるカテーテルの配置が、総ヘモグロビン量（ｔＨＢ）、酸素飽和度及びその他の生理学的パラメータの正確な測定のために重要である。カテーテルが正しく配置されていない場合、強いアーティファクトが測定に干渉する可能性がある。特に、血管壁は、顕著に血行動態測定に干渉する望まないアーティファクトを発生させる可能性がある強い散乱プロファイルを含む光学特性を有する。

現在、非常に明瞭かつ高品質な信号のための血管内への適切なカテーテル配置で臨床医を支援するデバイスは知られていない。

本出願は、血管壁に近接するカテーテル及び／または血管壁のアーティファクトの検出に関する。そのような検出を通して、臨床医は、信号の品質を最適化し、血管壁によるアーティファクトを最小化するためにカテーテルの位置を調整する臨床医を支援することができるように、音声的または視覚的フィードバックを得ることができる。

一実施形態において、カテーテルに接続された光源を用いて血管内に光を照射し、光を受け取ることができる。少なくとも１つの光の波長に関する照度を測定することができる。測定された照度に基づき、血管壁のアーティファクトが、血管壁に近接するカテーテルにより、閾値を超えるか否かを決定することができる。

他の一実施形態において、複数の波長の照度を測定することができ、照度の比を用いて、血管壁アーティファクトのレベルを決定することができる。複数の波長の使用は、光源間の差（例えば光源の強さ）を無効化することができる。

他の一実施形態において、光の波長に関する１つ以上の照度を測定し、あらかじめ決定されたベンチマークと比較して、血管内のカテーテルの位置に関する血管壁のアーティファクトのレベルを決定することができる。

本発明の前述のそしてその他の対象物、特徴及び利点は、添付する図を参照して進める以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。

カテーテルが血管に挿入される一実施形態に従うブロック図である。 図１において用いることができる例示的な制御部のブロック図である。 血管壁のアーティファクトを検出する実施形態のフロー図である。 複数の波長の照度比を用いる方法のフロー図である。 照度測定結果とあらかじめ決定された閾値とを比較する方法のフロー図である。 カテーテルが血管壁に近づきすぎるときの血管壁指示器の設定のための一実施形態のフロー図である。 図６に用いられるフィルタリングを示すグラフである。 血管内のカテーテルの配置と血管内のカテーテルの配置に基づいて変化する照度に関するグラフを示す。 光源に用いられる代替的な実施形態を示す。 光源に用いられる代替的な実施形態を示す。

図１は、カテーテルが血管壁に近接することによる血管壁アーティファクトを検出するために用いられる装置を示す。光源１１０は、血管１１４内に挿入されたカテーテル１１２に接続される。光源１１０は、ＬＥＤのような様々な種類のどれでもよく、典型的には、約４００ｎｍから約８００ｎｍの範囲の波長の光を発生させる。その他の光源も用いることができる。一般に、光源は、離散的な時間の期間に渡って連続的に電源がオンとされ、複数の波長を発生させ、血液１１５内に送られる。カテーテル１１２はまた、中心静脈カテーテルや肺静脈カテーテルのような様々な種類のどれでもよく、２つの平行な光ファイバー１１６、１１８を含むことができる。第１の光ファイバー１１６は、伝送ファイバーであり、光源からの光を受け取って血流内に光を照射し、血液に光を当てるように設計される。第２の光ファイバー１１８は、受光ファイバーであり、血液から光を受け取り、その光を光検出器１２２に伝達することができる。光検出器１２２は、スペクトロメーターまたは光特性を測定するためのその他の装置に含まれることができる。どのような光検出器を用いることもできるが、光検出器１２２は、好適には、約４００ｎｍから１０００ｎｍの範囲内のまたはより高い照度を測定することができるべきである。受け取った光は、一般に反射光、散乱光及び／または血液を通して伝達された光が組み合わされたものである。どのイベントにおいても、受け取った光は、総ヘモグロビン量や酸素飽和度のような血行動態モニタリングに必要なパラメータを得るために用いられる情報を運んでいる。理想的には、光は、血液とのみ相互作用する。しかし、実際には、光は血液とのみではなく、カテーテルが位置する環境内に位置するその他の対象物とも相互作用する。特に、血管壁のアーティファクトは、受け取った光において支配的であり、算出されたパラメータに顕著に影響を及ぼす可能性がある。不正確に算出された血液パラメータは、警告なく用いられた場合、患者の安全に深刻な影響を有する可能性がある。

制御部１３０は、光検出器１２２に接続され、光の照度測定のための関連する計装部であることができる。制御部はまた、測定中に光源を制御できるように、光源１１０に接続されることもできる。さらに後述するように、制御部は、光検出器１２２で得られた少なくとも１つの波長の光の測定照度を用いて、カテーテルの先端が血管壁に近接していることによる血管壁のアーティファクトのレベルを決定することが可能である。血管壁のアーティファクト及びカテーテルの位置を決定するために光の照度を用いる様々な技術を、さらに後述する。

図２は、記載された技術を実装することができる、好適な制御部１３０の一般化された例を示している。技術は多様な汎用のまたは特殊用途の計算環境内に実装されるものであってよいため、制御部は、使用または機能性の範囲に関してどのような限定も示唆することを意図するものではない。

図２を参照すると、制御部１３０は、メモリ２２０に接続された少なくとも１つの処理ユニット２１０（例えば、信号プロセッサ、マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣまたはその他の制御及び処理論理回路）を含むことができる。処理ユニット２１０は、コンピュータが実行可能な命令を実行し、実際のまたは仮想的なプロセッサであってもよい。メモリ２２０は、揮発性メモリ（例えば、レジスタ、キャッシュ、ＲＡＭ）、不揮発性メモリ（例えば、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリなど）またはそれら２つのある組み合わせであってもよい。メモリ２２０は、本明細書に記載されるどのような技術も実装するソフトウェア２８０を蓄積することができる。

制御部は、追加的な特徴を有するものであってもよい。例えば、制御部は、蓄積部２４０、１つ以上の入力デバイス２５０、１つ以上の出力デバイス２６０及び１つ以上の通信接続部２７０を含むことができる。バスやネットワークのような相互接続機構（図示せず）は、構成要素を相互接続する。典型的には、オペレーティングシステムソフトウェア（図示せず）が、制御部内で実行するその他のソフトウェアのオペレーティング環境を提供し、制御部の構成要素の活動を統合する。

蓄積部２４０は、取り外し可能または取り外し不可能であってもよく、磁気ディスク、磁気テープまたはカセット、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ、または情報を蓄積するために用いることができ、制御部内でアクセスされることが可能なその他どのようなコンピュータ可読媒体も含むことができる。蓄積部２４０は、血管壁内のカテーテル位置に関連する血管壁のアーティファクトを検出するための命令を含むソフトウェア２８０を蓄積することができる。

入力デバイス２５０は、キーボード、マウス、ペンまたはトラックボールのような接触入力デバイス、音声入力デバイス、スキャニングデバイスまたはその他のデバイスであることができる。出力デバイス２６０は、ディスプレイ、プリンタ、スピーカー、ＣＤライターもしくはＤＶＤライター、または制御部からの出力を提供するその他のデバイスであってもよい。タッチスクリーンのような、いくつかの入力／出力デバイスは、入力及び出力機能の両方を含んでもよい。

通信接続部２７０は、通信機構を介して他の計算実体と通信することを可能にする。通信機構は、コンピュータが実行可能な命令、音声／ビデオもしくはその他の情報、またはその他のデータのような情報を伝達する。例として、限定的ではなく、通信機構は、電気的、光学的、ＲＦ、マイクロ波、赤外線、共鳴またはその他のキャリアで実装される有線または無線技術を含む。

図３は、血管壁のアーティファクト及び／または血管壁に近接するカテーテルを検出するための一実施形態のフロー図である。工程ブロック３１０において、光が既に説明されたカテーテルを用いて血管内に照射される。光は、カテーテル１１２内の伝送ファイバー１１６を通して伝送され、１つ以上の、典型的には４００ｎｍから８５０ｎｍの範囲の波長を含むものであってもよい。工程ブロック３２０において、少なくとも１つの波長に関して、光検出器１２２を用いて照度が測定される。測定された「照度」は、特定の応用に応じて、単位面積当たり放出された出力または立体角あたりの出力に関連付けられた一般的な用語を意味する。工程ブロック３３０において、照度は、血管壁のアーティファクトを検出するのに用いられる。さらに、血管壁に対するカテーテルの相対的位置もまた、照度に基づいて見積もることができる。血管壁のアーティファクトを検出するために用いることができる様々な技術が存在し、本開示は、本明細書に記載された技術に限定されると考慮されるべきではない。

図４は、図３に示された工程ブロック３３０を実装するために用いることができるような技術の１つを示す。工程ブロック４１０において、照度は制御部１３０によって光検出器１２０から少なくとも２つの波長に関して受け取られる。工程ブロック４２０において、第１の照度測定値を第２の照度測定値で割ることによって比が計算される。例示的な測定は、５８０ｎｍよりも短い第１の波長及び７２０ｎｍよりも長い第２の波長を有することを含む。単一の周波数の照度が、比において重みが大きくなりすぎることを防ぐために、かわりに第１及び第２の波長の周囲の狭い帯域の中央値または平均照度を用いることができる。工程ブロック４３０において、計算された比は、１つ以上の予め決定された閾値と比較することができる。例えば、比が閾値を超える場合、それは、カテーテルの先端が血管壁から望ましくない距離内にあるという結果として、信号の品質が悪いことを示している。複状態指示器もまた、信号の品質の異なるレベルを示すのに用いることができる。例えば、異なる閾値が、信号の品質の異なるレベルを示すことができる。閾値は、机上実験及び／または動物実験を用いて決定することが可能である。

図５は、図３における工程ブロック３３０を実装するのに用いることができる他の技術を示している。工程ブロック５１０において、１つの波長（または単一の波長の周囲の範囲の平均または中央値）に関する照度が受け取られる。工程ブロック５２０において、照度は１つ以上の予め決定された閾値と比較される。照度が閾値を超える場合、工程ブロック５３０において、指示器は信号に、品質が低いという出力を行う。図４において、閾値は机上実験及び／または動物実験を用いて決定することができる。図５の技術によって、少なくとも２つの波長を必要とする図４とは反対に、単一の波長のみを用いて計算することが可能となる。

どのような技術が用いられても、臨床医は、出力デバイス２６０から、カテーテルの先端の配置が理想的でないという、視覚的または音声的指示のいずれかを用いて、警告を受けることができる。この即時フィードバックによって、臨床医は動的にカテーテルを調整し、信号の品質を最大化させることが可能となる。代替的に、どのような蓄積されたデータも、カテーテルの先端の血管壁までの距離の結果としての信号品質を指示する領域を有することができる。例えば、複状態指示器は、信号の品質の様々なレベル（例えば、１から３のレベル）を示すことができる。

図６は、カテーテルが血管壁に近接することによる血管壁のアーティファクトを検出するための方法の他の一実施形態を示している。工程ブロック６１０において、広帯域スペクトルが取得され、フィルタリングされて、バックグラウンド及びランダムノイズを減衰させる。特定の応用に応じて、様々なノイズ低減フィルターを用いることが可能であり、線形または非線形フィルターを含む。図７は、フィルターを用いる前後のデータを示すグラフの一例を提供している。工程ブロック６２０において、少なくとも２つの波長の照度を用いて比が計算される。前述したように、２つの波長照度の周囲の狭い範囲を用いることも可能である。工程ブロック６３０において、血管壁指示器が、カテーテルの血管壁への近接度に基づいて設定される。前述のように、予め決定された照度の閾値を用いて、信号の品質の様々なレベルを臨床医またはデータファイルに出力することができる。さらに、カテーテルの位置は照度に基づいて見積もることが可能である。

図８は、血管壁８１４に隣接する先端部８１２を有する、点線で表されたカテーテル８１０を示している。カテーテルの先端８１２から照射される光８１６は、血管壁から反射され（矢印８１８で示されるように）、血行動態測定に顕著に干渉する可能性のある不要なアーティファクトを発生させる。グラフ８２０に示されるように、カテーテルを壁８１４に隣接して位置させると、カテーテルを通して受け取られた光のスペクトル照度は、様々な波長、特に４００ｎｍから１０００ｎｍまたはさらに高い領域に渡って増大する。例示的な実施形態において、閾値８３０を設定することができ、スペクトル照度が閾値を超える場合に、臨床医がカテーテル先端の位置及び配置について即座にフィードバックを受けるように、臨床医に指示器を提供することができる。結果的に、臨床医は、カテーテルを実線で表された８４０に示される位置に移動させることができ、そこでは、血液内に伝達された光の、血管壁によるアーティファクトによる影響がより少ない。このような臨床医への即時フィードバックは、精度のよい血行動態測定に関して高い信号品質を確実にする。

図９及び１０は、本明細書で説明される方法を実装するために用いることができるその他の構造を示している。図９において、複数の色のＬＥＤのような複数の光源９１０を用いて、個々に異なる時間に電源投入するシーケンサー制御論理回路９２０によって、時間多重化することができる個別の波長を提供することができる。個別の信号は、カテーテル９３５内に位置する光伝送ファイバー９３０を通して血液内に伝送され、反射されて受光ファイバー９４０内に入る。受光ファイバー９４０は、個別の反射された信号をスペクトロメーター９５０の単一の光検出器へ伝送する。複数の光検出器を採用して、信号の特別な効果を測定するものであってもよい。制御部９６０は、光検出器に接続され、血管壁のアーティファクト及び／またはカテーテル先端の位置を、前述したように決定するために用いられる。

図１０において、単一または複数の光源１０１０が、フィルターホイールのような波長フィルター１０１２を通して伝送され、時間多重化されうる個別の波長の代替的なまたは追加的な実施形態を提供する。光の信号は、フィルター１０１２を通過し、カテーテル１０２５内に位置する光ファイバー１０２０を通して血液１０３０内に伝送され、次いで反射されて受光ファイバー１０４０を通過し、少なくとも１つの光検出器１０５０に戻される。制御部１０６０は、光検出器に接続され、血管壁のアーティファクト及び／またはカテーテルの先端位置を、前述のように決定するのに用いられる。

本明細書における技術は、プログラムモジュールに含まれるような、コンピュータが実行可能な命令の一般的な記述で記載されることが可能であり、それらの命令は、目標となる実際のまたは仮想のプロセッサ上の環境を計算する中で実行される。一般に、プログラムモジュールは、ルーチン、プログラム、ライブラリ、オブジェクト、クラス、コンポーネント、データ構造などを含み、特定のタスクを実行しまたは特定のアブストラクトデータ型を実装する。プログラムモジュールの機能性は、様々な実施形態で望ましいように、プログラムモジュール間で結合されても分離されてもよい。プログラムモジュールについてコンピュータが実行可能な命令は、ローカルまたは配信コンピューティング環境内で実行されるものであってもよい。

開示された方法のいくつかの動作は利便性のある提示に関して特定の、順序立てられた順で記述されているが、特定の順序が以下に記述する特定の言語によって必要とされないのであれば、記述のこの方法は再配置を包含することが理解されるべきである。例えば、順序立てて記述された動作は、いくつかの場合においては、再配置されてまたは同時に実行されるものであってもよい。さらには、単純化のために、添付された図は、開示された方法が他の方法と結合して用いることができる様々な方法を示していないものでありうる。

開示された方法のいずれも、１つ以上のコンピュータ可読蓄積媒体（例えば、１つ以上の光学媒体ディスクのような非一時的コンピュータ可読媒体、揮発性メモリコンポーネント（ＤＲＡＭまたはＳＲＡＭなど）、または不揮発性メモリコンポーネント（ハードドライブなど））に蓄積され、コンピュータ（例えば、スマートフォンまたは計算ハードウェアを含むその他の可搬装置を含む、あらゆる市販のコンピュータ）上で実行されるコンピュータが実行可能な命令として実装されることができる。開示された技術を実装するためのどのようなコンピュータが実行可能な命令も、開示された実施形態の実装において生成され用いられるあらゆるデータも同様に、１つ以上のコンピュータ可読媒体（例えば非一時コンピュータ可読媒体）に蓄積することが可能である。コンピュータが実行可能な命令は、例えば、専用ソフトウェアアプリケーションまたはウェブブラウザを介してアクセスもしくはダウンロードされるソフトウェアアプリケーション、またはその他のソフトウェアアプリケーション（遠隔コンピューティングアプリケーションなど）の一部とすることができる。そのようなソフトウェアは、例えば、単一のローカルコンピュータ（例えば、どのような好適な市販のコンピュータも）またはネットワーク環境（例えばインターネット、広域ネットワーク、ローカルエリアネットワーク、クライアント―サーバーネットワーク（クラウドコンピューティングネットワークなど）またはその他のそのようなネットワーク）内で１つ以上のネットワークコンピュータを用いて実行することが可能である。

明確化のために、ソフトウェアに基づく実装のある選択された態様のみを記載する。当業者に周知のその他の詳細は省略する。例えば、開示された技術は、どのような特定のコンピュータ言語またはプログラムにも限定されないことは理解されるべきである。例えば、開示された技術は、Ｃ＋＋、Ｊａｖａ、Ｐｅｒｌ、ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ、Ａｄｏｂｅ Ｆｌａｓｈ、またはその他どのような好適なプログラミング言語で記述されたソフトウェアによって実装されることも可能である。同様に、開示された技術は、どのような特定のコンピュータにもハードウェアの種類にも限定されない。好適なコンピュータ及びハードウェアの特定の詳細は周知であり、本開示においては詳細に記述する必要はない。

さらには、どのようなソフトウェアに基づく実施形態（例えば、コンピュータに、開示されたどの方法でも実施させるようなコンピュータが実行可能な命令を備える）も、アップロードされ、ダウンロードされ、又は適切な通信手段を介して遠隔アクセスされることが可能である。そのような適切な通信手段は、例えば、インターネット、ワールドワイドウェブ、イントラネット、ソフトウェアアプリケーション、ケーブル（光ファイバーケーブルを含む）、磁気的通信、電磁気的通信（ＲＦ、マイクロ波及び赤外線通信を含む）、電気的通信、またはその他のそのような通信手段を含む。

開示された発明の原理が適用されうる多くの可能な実施形態を考慮して、例示された実施形態は単に発明の好適な例に過ぎないと理解されるべきであり、発明の範囲を限定するとして取られるべきではない。むしろ、発明の範囲は以下の特許請求の範囲によって定義される。従って、これらの請求の範囲内において、全ての発明が請求される。

１１０ 光源
１１２ カテーテル
１１４ 血管
１１５ 血液
１１６ 伝送ファイバー
１１８ 受光ファイバー
１２２ 光検出器
１３０ 制御部
２１０ 処理ユニット
２２０ メモリ
２４０ 蓄積部
２５０ 入力デバイス
２６０ 出力デバイス
２７０ 通信接続部
２８０ ソフトウェア
３１０、３２０、３３０ 工程ブロック
４１０、４２０、４３０ 工程ブロック
５１０、５２０、５３０ 工程ブロック
６１０、６２０、６３０ 工程ブロック
８１０ カテーテル
８１２ 先端部
８１４ 血管壁
８１６ 光
８１８ 反射光
８２０ グラフ
８３０ 閾値
８４０ カテーテルの位置
９１０ 光源
９２０ シーケンサー制御論理回路
９３０ 光伝送ファイバー
９３５ カテーテル
９４０ 受光ファイバー
９５０ スペクトロメーター
９６０ 制御部
１０１０ 光源
１０１２ 波長フィルター
１０２０ 光ファイバー
１０２５ カテーテル
１０３０ 血液
１０４０ 受光ファイバー
１０５０ 光検出器
１０６０ 制御部

Claims (15)

1. 伝送光ファイバー及び受光光ファイバーを含むカテーテル；
   前記伝送光ファイバーに結合されて血液内に光を伝送するための光源；
   前記受光光ファイバーに接続されて前記光が血液と相互作用したのちに前記光を受け取る光検出器；並びに
   前記１つ以上の光検出器に接続されて１つ以上の光波の照度の測定結果を受け取り、前記照度に基づく血管壁のアーティファクトのレベルを検出する制御部を含み、
   前記光が、第１の波長の光及び第２の波長の光を含み、
   前記制御部が、前記血管壁のアーティファクトのレベルの検出において、前記第１及び第２の波長の光波の前記照度の測定結果の比を計算する、血管壁のアーティファクトを検出する装置。
2. 前記光源が、１つ以上のＬＥＤを含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記制御部に接続されて、前記計算された近接量に基づき臨床医に視覚的または音声的信号を提供する出力デバイスをさらに含む、請求項１に記載の装置。
4. 臨床医が前記カテーテルを血管において動かすとともに、前記制御部が、動的かつ相互作用的に、視覚的または音声的出力信号を変更する、請求項１に記載の装置。
5. 前記制御部が、少なくとも１つの波長に関して、測定された前記照度を予め決定された閾値と比較し、前記照度が予め決定された前記しきい値を超える場合、前記カテーテルの配置により信号の品質が低いことを指示器に出力する、請求項１に記載の装置。
6. 前記制御部が、少なくとも１つの波長に関して測定された前記照度から予め決定された閾値まで生成された量を比較する、請求項１に記載の装置。
7. 前記制御部が、複数の波長の測定された照度及び測定された前記照度に関するパターンを評価する、請求項１に記載の装置。
8. 測定された前記照度に関するパターンの前記評価が、パターン認識、エッジ検出、輪郭分析及びスペクトル形態変化の分析を含む、請求項７に記載の装置。
9. 前記エッジ検出が、４００から７００ｎｍの範囲で測定された照度を含む、請求項８に記載の装置。
10. 前記制御部が、少なくとも１つの波長を受け取り、少なくとも１つの前記波長をフィルタリングしてバックグラウンド及びランダムノイズを減衰させる、請求項１に記載の装置。
11. 前記制御部が、カテーテルが血管壁に近接することによる前記アーティファクトが閾値を超過していることを臨床医に示す、請求項１に記載の装置。
12. 前記光検出器が、受光光ファイバーから少なくとも１つの波長の光を受け取り、前記光に関連する電磁的エネルギーを取得する、請求項１に記載の装置。
13. 前記制御部が、カテーテルの先端が血管壁に近接していることを判断する、請求項１に記載の装置。
14. 前記制御部が、前記カテーテルの先端の前記血管壁までの距離を決定する、請求項１に記載の装置。
15. 光と血液との前記相互作用が、光波の伝送、反射及び散乱を含む、請求項１に記載の装置。