JP7476365B2 - 管腔構造のインサイチュ3次元再構成のための装置、方法、及びコンピュータのアクセス可能な媒体 - Google Patents
管腔構造のインサイチュ3次元再構成のための装置、方法、及びコンピュータのアクセス可能な媒体 Download PDFInfo
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Description
この出願は、2017年3月23日に出願された「管腔構造のインサイチュ3次元再構成のための装置、方法、及びコンピュータのアクセス可能な媒体」と題する米国仮特許出願第62/475,304号の権益を主張し、全体が本明細書に援用される。
さらに、構造情報は、OCT以外の他の撮影モダリティ(例えば、偏光感受性OCT、1ミクロンの高解像度OCT、超音波、血管内超音波(IVUS)、光音響超音波などのOCTのさまざまな実施形態)によって取得されてもよく、これらにステレオ撮影、動き又はぶれからの形成、コンピュータ断層撮影、X線撮影、投影トモグラフィ、磁気共鳴撮影などがある。この作業のシステムと概念が本明細書に開示される。
実施形態が含まれる。
蛍光スペクトルを示す。それぞれ約1050nmと1140nmで2つのNIR発光ピークを示す。次に、カテーテルを曲げて、その光学系をシースの内側湾曲からの曲げで面内蛍光を収集するように向けた。この位置で、ナノチューブは圧縮歪みを受け蛍光ピークが広がりスペクトル的に互いに離れるようになった(図12A、点線)。引張歪みに対して反対のシフトが発生した(表示なし)。(7,5)及び(7,6)ピーク分離は、個々のピークをガウス線形関数でフィッティングすることにより、シースの曲率を変化させる関数として測定された。図12Bに示されるように、この関係は、カテーテルの3D形状を検出するために必要な曲率の範囲に亘って線形かつ敏感であった。このデータは、カーボンナノチューブ蛍光を使用してRT-ESSカテーテルの曲率を検出できることを示している。
冠動脈の3D再構成へのSWCNTカテーテルベースの形状センシングの原理をテストするのに、DCFロータリジャンクションを介して前述のカテーテルをOCT-NIRFシステムに接続しカスタム波長分離光学系とNIR蛍光スペクトル検出を追加して修正した。次に、カテーテルを冠動脈内腔のファントムに挿入し、ヒトのデータセットからの内腔中心線を使用して3D印刷した(図13A)。カテーテルの内部光学系は、ファントムのルーメンに沿ってヘリカルにスキャンされ(1mm/sプルバック及び1Hz回転)、全ての角度(θ)及び側面位置(z)でカテーテルのシースからOCT Aラインと蛍光スペクトルを同時に取得した。OCTデータセットは、ルーメンをセグメント化することにより処理された。蛍光スペクトルを適合させピーク分離を使用して、各θ-zスキャン位置で曲率マップを作成した。修正されたFrenet-Serret方程式を解くことにより、カテーテルの曲率マップを3Dカテーテル中心線に変換した。続いて、各フレームのOCTルーメンをカテーテルの中心線に重ね合わせ、3Dメッシュに変換してレンダリングした(図13B)。SWCNTカテーテル(図13B)を使用して測定されたファントム動脈の内腔の3D中心線は、0.84のピアソン相関係数(PCC)でファントム
の既知の3D中心線とほぼ一致した。図13Cは、X、Y、及びZ軸に対する3D再構成の中心線を示している。このデータは、OCT-NIRFとSWCNTカテーテルを使用して、冠動脈の3D形状を自動的かつ正確に測定できることを示している。
カテーテルの形状を回復するために、臨床RT-ESSシステムの実施形態では、カテーテルの光学系の円周スキャンごとに少なくとも8つのスペクトルを取得する必要がある場合がある。800Hzのフレームレートを想定すると、スペクトルは約6.5kHz(150μs積分時間)でデジタル化される。これは、高速撮影スペクトログラフを使用することで容易になる。比較的粗く低濃度のSWCNT製剤を使用すると、シースの10mWの光パワーで100msの積分時間で約2000カウントの適切な蛍光信号強度が達成された。SNR分析を適用し50mWの安全な励起電力を想定すると、様々な実施形態で、より速い取得速度、以降に説明するようにナノチューブ密度及び整列を増加することによって得られる場合のあるファクタを促進するのに、約100倍高いSWCNT蛍光強度が必要になる場合がある。これらの結果は、RT-ESS取得率でカテーテルの形状を測定するために必要なSWCNT蛍光強度を達成する可能性を示している。
)SWCNT蛍光スペクトルの検出とデジタル化、3)これらの信号を迅速に処理してのESSの計算、のうちの1つ以上が可能である。OCTデータを取得してからESSに到達するまでの目標時間は1分(最適)から3分(最小)であり、いずれもカテーテル検査室での処置中に完了することができる十分に短い時間である。図14は、RT-ESSコンソールの実施形態の概略図を示す。
実施形態では、歪み検知分子は、シース壁、例えば外側面に次いで取り付けられる1つ又は複数のワイヤに関連付けられてもよい。特定の実施形態では、歪み検知シースは、別の外側シース内に配置されてもよい(例えば、歪み検知分子が歪み検知シースの外壁に配置されて次いで歪み検知シースを別の外側シース内に配置する場合、これで歪み検知分子を管腔サンプルから遠ざけ、つまり、被験者の体から遠ざける)。
Claims (58)
- 電磁放射を放出する少なくとも1つの光導波路と、
回転及び並進の少なくとも一方を行って電磁放射を誘導するスキャン構成と、
前記少なくとも1つの光導波路及び前記スキャン構成を少なくとも部分的に囲むと共に、前記少なくとも1つの光導波路に光学的に結合された歪み検知システムを備える歪み検知シースと、
前記歪み検知システムに結合されたコントローラと、を備え、
前記歪み検知シースが、シース壁、及び該シース壁に関連付けられた歪み検知分子を備え、
前記コントローラが、前記歪み検知システムを使用して、
第1の場所での前記歪み検知シースの第1の歪みを、前記第1の場所の前記歪み検知分子の第1のサブセットに基づいて決定し、
前記第1の場所と異なる第2の場所での前記歪み検知シースの第2の歪みを、前記第2の場所の前記歪み検知分子の第2のサブセットに基づいて決定し、
前記歪み検知シースの前記第1の歪み及び前記第2の歪みの決定に基づいて、前記第1の場所と前記第2の場所との間の前記シースの曲率を決定する、
装置。 - 前記シースに光学的に結合された構造撮像システムをさらに備え、
前記歪み検知シースは解剖学的構造内に配置され、
前記コントローラが、前記構造撮像システムを使用して、
前記歪み検知シース内の前記第1の場所における前記解剖学的構造に対する前記シースの第1の位置を決定し、
前記歪み検知シース内の前記第2の場所における前記解剖学的構造に対する前記シースの第2の位置を決定し、
前記シースの前記第1の位置及び前記第2の位置の決定に基づいて前記第1の場所と前記第2の場所の間の前記シースに対する前記解剖学的構造の相対的なサンプル曲率を決定し、
前記シースの曲率及び前記相対的なサンプル曲率の決定に基づいて前記第1の場所と前記第2の場所の間の前記解剖学的構造の実際の曲率を決定する、
請求項1に記載の装置。 - 前記光導波路が光ファイバを含む、請求項2に記載の装置。
- 前記光ファイバがマルチクラッド光ファイバを含む、請求項3に記載の装置。
- 前記シースがカテーテルシースを含む、請求項2に記載の装置。
- 前記解剖学的構造が管腔解剖学的構造を含む、請求項2に記載の装置。
- 前記管腔解剖学的構造が血管を含む、請求項6に記載の装置。
- 前記構造撮像システムが光干渉断層撮影(OCT)システムを含む、請求項2に記載の装置。
- 少なくとも1つの前記歪み検知分子の電子構造は、前記シース壁の形状の変化に基づいて変化する、請求項1に記載の装置。
- 前記電子構造における前記変化は、少なくとも1つの前記歪み検知分子のスペクトルシフトを引き起こす、請求項9に記載の装置。
- 前記歪み検知分子が前記シース壁の内側面に関連付けられている、請求項1に記載の装置。
- 前記歪み検知分子が前記シース壁内に埋め込まれている、請求項1に記載の装置。
- 前記歪み検知分子が前記シース壁の外側面に関連付けられている、請求項1に記載の装置。
- 前記歪み検知分子が前記シース壁に関連付けられた複数のワイヤに関連付けられている、請求項13に記載の装置。
- 前記歪み検知シースが別のシース内に配置される、請求項2に記載の装置。
- 前記歪み検知分子が単層カーボンナノチューブ(SWCNT)を含む、請求項11~15の何れか一項に記載の装置。
- 前記コントローラが、
前記第1の歪みを決定するときにさらに、
前記歪み検知シースに向けて第1の光を送信し、
前記歪み検知シースから第2の光を取得し、
前記第2の光の取得に基づいて前記第1の歪みを決定し、
前記第2の歪みを決定するとき、さらに、
前記歪み検知シースに向けて第3の光を送信し、
前記歪み検知シースから第4の光を取得し、
前記第4の光の取得に基づき前記第2の歪みを決定する、
請求項1~15の何れか一項に記載の装置。 - 前記コントローラが、記第1の歪みを決定するときにさらに、前記第2の光のスペクトルシフトの検出に基づいて前記第1の歪みを決定し、
前記コントローラが、前記第2の歪みを決定するときに、前記第4の光のスペクトルシフトの検出に基づいて前記第2の歪みを決定する、請求項17の何れか一項に記載の装置。 - 前記コントローラが、前記第1の歪みを決定するときにさらに、蛍光分光法、ラマン分光法、又は吸収分光法のうちの少なくとも1つに基づいて前記第1の歪みを決定することをさらに含み、
前記コントローラが、前記第2の歪みを決定するときにさらに、蛍光分光法、ラマン分光法、又は吸収分光法の少なくとも1つに基づいて前記第2の歪みを決定する、請求項1~15の何れか一項に記載の装置。 - 前記歪み検知システム及び前記構造撮像システムが回転接合部によって前記カテーテルに光学的に結合される、請求項2~15の何れか一項に記載の装置。
- 前記コントローラが、前記実際の曲率の決定に基づいて、前記解剖学的構造の3次元(3D)形状を決定することをさらに含む、請求項2~15の何れか一項に記載の装置。
- 前記光導波路はその端部にレンズを含む、請求項1~15の何れか一項に記載の装置。
- 前記スキャン構成が前記レンズを前記歪み検知シースを通してヘリカルに移動させる、請求項22に記載の装置。
- レンズを有すると共に、歪み検知シースの内部に配置されて前記レンズが前記歪み検知シースの内部で回転及び並進するようになっている、カテーテルと、
前記カテーテルに光学的に結合された歪み検知システムと、
前記歪み検知システムに結合されたコントローラと、を備え、
前記歪み検知シースが、シース壁、及び該シース壁に関連付けられた歪み検知分子を備え、
前記コントローラが、前記歪み検知システムを使用して、
第1の場所での前記歪み検知シースの第1の歪みを、前記第1の場所の前記歪み検知分子の第1のサブセットに基づいて決定し、
前記第1の場所と異なる第2の場所での前記歪み検知シースの第2の歪みを、前記第2の場所の前記歪み検知分子の第2のサブセットに基づいて決定し、
前記コントローラがさらに、前記歪み検知シースの前記第1の歪み及び前記第2の歪みの決定に基づいて、前記第1の場所と前記第2の場所との間の前記カテーテルの曲率を決定する、
装置。 - 前記カテーテルに光学的に結合された構造撮像システムをさらに備え、
前記歪み検知シースが管腔サンプル内に配置され、
前記コントローラが、前記構造撮像システムを使用して、
前記歪み検知シース内の前記第1の場所における前記管腔サンプルに対する前記カテーテルの第1の位置を決定し、
前記カテーテルの前記第1の位置と前記第2の位置の決定に基づいて前記第1の場所と前記第2の場所の間の前記カテーテルに関する管腔サンプルの相対的なサンプル曲率を決定し、
前記カテーテルの曲率及び前記相対的なサンプル曲率の決定に基づいて、前記第1の場所と前記第2の場所の間の前記管腔サンプルの実際の曲率を決定する、請求項24に記載の装置。 - 前記構造撮像システムが光干渉断層撮影(OCT)システムを含む、請求項25に記載の装置。
- 少なくとも1つの前記歪み検知分子の電子構造は、前記シース壁の形状の変化に基づいて変化する、請求項24に記載の装置。
- 前記電子構造における前記変化は、少なくとも1つの前記歪み検知分子のスペクトルシフトを引き起こす、請求項27に記載の装置。
- 前記歪み検知分子が前記シース壁の内側面に関連付けられている、請求項24に記載の装置。
- 前記歪み検知分子が前記シース壁内に埋め込まれている、請求項24に記載の装置。
- 前記歪み検知分子が前記シース壁の外側面に関連付けられている、請求項24に記載の装置。
- 前記歪み検知分子が前記シース壁の外側面に取り付けられた複数のワイヤに関連付けられている、請求項31に記載の装置。
- 前記歪み検知シースが別のシース内に配置される、請求項25に記載の装置。
- 前記歪み検知分子が単層カーボンナノチューブ(SWCNT)を含む、請求項29~33の何れか一項に記載の装置。
- 前記コントローラが、前記第1の歪みを決定するときにさらに、
前記歪み検知シースに向けて第1の光を送信し、
前記歪み検知シースから第2の光を取得し、
前記第2の光の取得に基づく前記第1の歪みを決定し、
前記コントローラが、前記第2の歪みを決定するときにさらに、
前記歪み検知シースに向けて第3の光を送信し、
前記歪み検知シースから第4の光を取得し、
前記第4の光の取得に基づいて前記第2の歪みを決定する、
請求項24~33の何れか一項に記載の装置。 - 前記コントローラが、前記第1の歪みを決定するときにさらに、前記第2の光のスペクトルシフトの検出に基づいて前記第1の歪みを決定し、
前記コントローラが、前記第2の歪みを決定するときに、前記第4の光のスペクトルシフトの検出に基づいて前記第2の歪みを決定する、請求項35に記載の装置。 - 前記コントローラが、前記第1の歪みを決定するときにさらに、
蛍光分光法、ラマン分光法、又は吸収分光法のうちの少なくとも1つに基づいて前記第1の歪みを決定し、
前記コントローラが、前記第2の歪みを決定するときにさらに、
蛍光分光法、ラマン分光法、又は吸収分光法の少なくとも1つに基づいて前記第2の歪みを決定する、請求項24~33の何れか一項に記載の装置。 - 前記歪み検知システム及び前記構造撮像システムが回転接合部によって前記カテーテルに光学的に結合される、請求項25~33の何れか一項に記載の装置。
- 前記コントローラがさらに、前記実際の曲率の決定に基づいて前記管腔サンプルの3次元(3D)形状を決定する、請求項25~33の何れか一項に記載の装置。
- 前記管腔サンプルが冠動脈を含む、請求項25~33の何れか一項に記載の装置。
- 前記レンズが前記歪み検知シースを通ってヘリカルに移動する、請求項24~33の何れか一項に記載の装置。
- 管腔サンプルの形状を決定するための装置であって、
レンズを有すると共に、歪み検知シースの内部に配置されて前記レンズが前記歪み検知シースの内部で回転及び並進するようになっている、カテーテルと、
前記カテーテルに光学的に結合された構造撮像システムと、
前記カテーテルに光学的に結合された歪み検知システムと、
前記歪み検知システム及び構造撮像システムに結合されたコントローラと、を備え、
前記歪み検知シースが、シース壁、及び該シース壁に関連付けられた歪み検知分子を備え、
前記コントローラが、前記構造撮像システムを使用して、
前記歪み検知システム内の第1の場所における前記管腔サンプルに対する前記カテーテルの第1の位置を決定し、
前記歪み検知システム内の前記第1の場所と異なる第2の場所における前記管腔サンプルに対する前記カテーテルの第2の位置を決定し、
前記コントローラが、前記構造撮像システムを使用して、
前記第1の場所での前記歪み検知シースの第1の歪みを、前記第1の場所の前記歪み検知分子の第1のサブセットに基づいて決定し、
前記第2の場所での前記歪み検知シースの第2の歪みを、前記第2の場所の前記歪み検知分子の第2のサブセットに基づいて決定し、
前記コントローラがさらに、
前記第1の場所と前記第2の場所の間の前記カテーテルに対する前記管腔サンプルの第1の局所曲率を、前記管腔サンプルに対する前記カテーテルの前記第1の位置及び前記第2の位置の決定に基づいて決定し、
前記第1の場所と前記第2の場所の間の前記カテーテルの第2の局所曲率を、前記歪み検知シースの前記第1の歪みと前記第2の歪みの決定に基づいて決定し、
前記第1の場所と前記第2の場所の間の前記管腔サンプルの第3の局所曲率を、前記第1の局所曲率及び前記第2の局所曲率の決定に基づいて決定する、
装置。 - 前記構造撮像システムが光干渉断層撮影(OCT)システムを含む、請求項42に記載の装置。
- 前記歪み検知シースがシース壁を含む、請求項42に記載の装置。
- 前記歪み検知シースが前記シース壁に関連付けられた歪み検知分子を含む、請求項44に記載の装置。
- 少なくとも1つの前記歪み検知分子の電子構造は、前記シース壁の形状の変化に基づいて変化する、請求項42に記載の装置。
- 前記電子構造における前記変化は、少なくとも1つの前記歪み検知分子のスペクトルシフトを引き起こす、請求項46に記載の装置。
- 前記歪み検知分子が前記シース壁の外側面に関連付けられている、請求項42に記載の装置。
- 前記歪み検知分子が前記シース壁の外側面に取り付けられた複数のワイヤに関連付けられている、請求項48に記載の装置。
- 前記歪み検知シースが別のシース内に配置される、請求項42に記載の装置。
- 前記歪み検知分子が単層カーボンナノチューブ(SWCNT)を含む、請求項42~49の何れか一項に記載の装置。
- 前記コントローラが、前記第1の歪みを決定するときに、前記歪み検知シースに向かって第1の光を送信し、前記歪み検知シースから第2の光を取得し、前記第2の光の取得に基づいて前記第1の歪みを決定し
前記コントローラが、第2の歪みを決定するときにさらに、前記歪み検知シースに向けて第3の光を送信し、前記歪み検知シースから第4の光を取得し、前記第4の光の取得に基づき前記第2の歪みを決定する、
請求項42~50の何れか一項に記載の装置。 - 前記コントローラが、前記第1の歪みを決定するときに、さらに、前記第2の光のスペクトルシフトの検出に基づいて前記第1の歪みを決定し、
前記コントローラが、前記第2の歪みを決定するとき、前記第4の光のスペクトルシフトの検出に基づいて前記第2の歪みを決定する、
請求項52に記載の装置。 - 前記コントローラがさらに、前記第1の歪みを決定するときに、蛍光分光法、ラマン分光法、又は吸収分光法のうちの少なくとも1つに基づいて前記第1の歪みを決定し、
前記コントローラがさらに、前記第2の歪みを決定するときに、蛍光分光法、ラマン分光法、又は吸収分光法のうちの少なくとも1つに基づいて前記第2の歪みを決定する、請求項42~50の何れか一項に記載の装置。 - 前記歪み検知システム及び前記構造撮像システムが回転接合部によって前記カテーテルと光学的に結合されている、請求項42~50の何れか一項に記載の装置。
- 前記コントローラが、前記第3の局所曲率の決定に基づいて、前記管腔サンプルの3次元(3D)形状を決定することをさらに含む、請求項42~50の何れか一項に記載の装置。
- 前記管腔サンプルが冠動脈を含む、請求項42~50の何れか一項に記載の装置。
- 前記レンズが前記歪み検知シースを通ってヘリカルに移動する、請求項42~50の何れか一項に記載の装置。
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