(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
動脈中の血流の介入測定のための医療システムであって、当該医療システムが、
−  介入装置であり、少なくとも１つの光ファイバを持ち、前記光ファイバはその長手方向の延びに沿って空間的に分布された複数の温度感受性光学センサのセグメントを含み、前記介入装置は、前記光ファイバが前記動脈の内側に配置されて前記動脈内の血流と熱接触するように、及び、前記光ファイバの長手方向の延びが前記動脈の長手方向の延びに従うように、動脈内に挿入されるように構成され、前記介入装置が温度変更装置を含み、前記温度変更装置が、前記光ファイバの１つの端部から上流の位置で前記動脈中の血液のボーラスの温度の局所的変動を導入するように構成される、介入装置、
−  前記介入装置に動作接続されるように構成される測定ユニットであり、光を前記介入装置の光ファイバに送達するための光源を含み、さらに、前記光ファイバから反射される光を受けて対応する時間変動出力シグナルを生成するように構成される測定ユニット、及び
−  前記測定ユニットに動作接続されるプロセッサユニットであり、第１の処理アルゴリズムを実行して、前記測定ユニットからの前記時間変動出力シグナルを、前記光ファイバに沿ったそれぞれの位置での温度に対応する一組の温度に変換するように構成され、さらに、第２の処理アルゴリズムを実行して、前記一組の温度の時間的挙動に応じて前記光ファイバに沿ったそれぞれの位置での血流の測定値を計算するように構成されるプロセッサユニット、
を含むシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであり、前記測定ユニットが干渉計を含む、システム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムであり、前記温度変更装置の温度変化効果を時間的に制御するように構成される温度制御ユニットを含む、システム。
【請求項４】
請求項３に記載のシステムであり、前記温度制御ユニットが、前記温度変更装置を制御して、一定の周波数で前記血液の局所ボーラスを冷却又は加熱するように変調するように構成され、さらに、前記測定ユニットが、前記周波数で空間的に分布された温度を測定するように構成される、システム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムであり、前記温度変更装置が、前記動脈中の血液の温度とは異なる温度を持つ液体の時間的に限定されたボーラスを注入するように構成されるカテーテルを含む、システム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムであり、前記温度変更装置が、前記動脈中の血液と熱接触するように構成される温度変更要素を含み、前記温度変更要素が血液の局所ボーラスを冷却又は加熱するように構成される、システム。
【請求項７】
請求項１に記載のシステムであり、前記複数の温度感受性光学センサのセグメントが、ファイバブラッググレーティング、及びレーリー系センサのセグメントの少なくとも１つを含む、システム。
【請求項８】
請求項１に記載のシステムであり、前記介入装置が、少なくとも１つの光ファイバが設けられるガイドワイヤを含む、システム。
【請求項９】
請求項１に記載のシステムであり、前記光源が、異なる波長の光を与えるように構成されるレーザー光源を含む、システム。
【請求項１０】
請求項９に記載のシステムであり、前記光源からの光が、前記介入装置の前記光ファイバへ送達される第１の部分と、前記光源からの光の波長の測定値を決定するように構成される波長測定ユニットに適用される第２の部分とに分けられる、システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のシステムであり、前記波長測定ユニットが、既知の光吸収スペクトルを持つガスセルと、マッハツェンダー干渉計とを含む、システム。
【請求項１２】
請求項１に記載のシステムであり、前記第１の処理アルゴリズムが、前記測定ユニットからの時間の関数として前記出力シグナルを、フーリエ分析の手段により温度分布プロフィールに空間的に分解することを含む、システム。
【請求項１３】
請求項１に記載のシステムであり、前記介入装置及び測定ユニットが、光学インターフェイスの手段で相互接続されるように構成され、前記測定ユニットと前記介入装置が、通常の使用の際に、空間的に分離されることを可能にする、システム。
【請求項１４】
請求項１に記載のシステムであり、前記介入装置が非磁性材料から作製される、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療装置の分野に関する。より具体的には、本発明は、最小侵襲性介入による血流の光学的測定のためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
血管系の血流抵抗の正確な測定は、例えば心臓冠状動脈の狭窄領域診断のためなど、狭窄領域診断及び治療をするために重要である。動脈中の狭窄領域は、通常は、放射線不透過性造影剤と組み合わせたＸ線透視を用いて識別され、その機能的影響は、冠状動脈及び腎動脈を含む多くの異なる臨床状況で冠血流予備量比（ＦＦＲ）方法で定量化される。ＦＦＲ方法では、ワイヤ先端に設けられたセンサが圧力測定のために使用され、ＦＦＲは、狭窄の遠位端と近位端での圧力比から計算され、この比が０．７から０．８より小さい場合狭窄領域は治療を必要とするとされる。しかし、これらの方法はどれも欠点を持つ。ヨウ素化造影剤は腎毒性であり、従って、腎臓機能が低下した患者への使用は特に問題となる。ＦＦＲプローブの製造は現在は高価であり、分布測定のために引き戻すことを必要とし、従ってむしろ複雑でかつ時間のかかる侵襲性手順を必要とする。
【０００３】
冠動脈システムの生理的条件を定量化するための付随的な方法は、冠動脈血流予備能（ＣＦＲ）であり、即ち安静時の血流量と充血状態時の血流量（例えばアセチルコリンの曝露により誘導され、即ちこれらの測定に関して人為的に誘導される増加血流量）の比である。ＣＦＲは、酸素や栄養素の需要増加に応答して心筋血流を増強する冠循環能力を定量化するものである。ＣＦＲは、冠状動脈と同様に心筋微小循環血管の内皮機能障害により影響される。高いＦＦＲ及びＣＦＲは健康被験者において測定される。低いＣＦＲを伴う低いＦＦＲは、著しい狭窄を示唆しており、一方低いＣＦＲを伴う高いＦＦＲは微小血管障害の兆候を示すものである。
【０００４】
最も一般的に、血流速度測定は、センサ付き超音波ドップラーガイドワイヤを用いて実施される。この方法で、局所血液速度が、超音波ビームの伝播方向で測定され、流速を評価するためにさらなる立体形状情報を必要とするか、又は血管形状及び血行動態（例えば完全に発達した層流プロフィールを持つ環状断面）について仮定を行うことを必要とする。血流速度測定の他の方法は、熱希釈及びホットフィルム流速計である。熱希釈では、注入カテーテルが、冠動脈に室温で生理食塩水のボーラスを投与するために使用される。この冷たい溶液は注入カテーテルの遠位の温度を下げ、これが温度感受性圧力ガイドワイヤで感知され得る。ホットフィルム流速計ではフィルムが電流で加熱される。他方で、フィルムは血流で冷却される。フィルム温度はフィルムのオーム抵抗値を測定することで決定される。電気入力電力と血液の熱容量が与えられると、流速はフィルムの定常状態温度から評価され得る。熱希釈もホットフィルム流速計も流速を定量化するものであり、ＦＦＲの圧力ワイヤと組み合わせることが可能である。しかし、これらは一点測定である。
英国特許第２３０８８８８号明細書には、血圧をモニターするための光ファイバケーブルを持つ中空ニードル（針）が開示されている。圧力とその変動は光ファイバケーブルを圧縮させ、その結果としてひずみが起こり、光ファイバケーブル内に設けられた格子（ｇｒａｔｉｎｇ）のブラッグ波長を変調させる。圧力測定は、測定システム内の格子から反射して戻される光の波長をモニターすることで達成される。中空ニードルはカテーテル又は皮下注射針（ニードル）を含んでもよい。ガラス球が、光ファイバケーブルの端部に導入され得る。圧力変動により起こる球の変形は、ケーブルに書かれた格子に圧力を加える。又は、球の表面は圧力変動を測定するための干渉計を形成し、さらに格子がファイバ中に設けられて温度測定が行われることも可能にする。しかし、静水圧に対するブラッググレーティングの感受性は非常に低く、従ってかかるシステムは、動脈の部分的閉塞で生じる小さい圧力低下を検出することができないこともあり得る。さらになお、この方法は一点観測であり、従って動脈の長さに沿って圧力変動をマッピングするためには、ニードルを引き戻すことが必要となる。
米国特許第５２０７２２７号明細書には、流速計技術の使用による血流をモニターするための熱拡散フローモニターを持つマルチプローブが開示されている。カテーテルには、マルチセンサチップが設けられて異なる組織部位での血流を同時にモニターする。温度勾配が、センサチップアレイのセンサチップ機能を周期的に変更することでモニターされる。ひとつの実施態様では、上記アレイの単一点センサチップが熱源として機能する。
米国特許第４３９７３１４号明細書には、温熱システムの作動を制御するための複数の温度センサを持つ温熱システムが開示されている。温度センサプローブは、複数の半導体センサを含み、プラスチックカテーテルの異なる長手方向位置に設けられる。それぞれの半導体センサは、単色放射エネルギーを送達するための、及び反射光線を送達するためそれぞれのケーブルの組を介して接続されており、その強度は半導体センサの温度の関数である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】英国特許第２３０８８８８号明細書
【特許文献２】米国特許第５２０７２２７号明細書
【特許文献３】米国特許第４３９７３１４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
例えば動脈の狭窄領域を検出するため、動脈の血圧の最小侵襲性測定のためのシステム及び方法であって、容易に実行することができ、動脈の長さに沿った圧力変動の迅速なマッピングを可能にするシステム及び方法を提供することは有益である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の側面では、本発明は、動脈の血流の介入測定のための医療システムを提供し、本医療システムは、
・介入装置であって、少なくとも１つの光ファイバを含み、光ファイバはその長手方向の延びに沿って空間的に分布された複数の温度感受性光学センサのセグメント（区画）を持ち、介入装置は、光ファイバが動脈の内側に置かれ且つ動脈の血流と熱接触され得るように、及び、光ファイバの長手方向の延びが動脈の長手方向の延びに従うように、動脈内に挿入されるように構成され、光ファイバの１つの端部から上流の位置で動脈中の血液のボーラスの温度の局所的変動を導入するように構成される温度変動装置を含む、介入装置、
・測定ユニットであって、介入装置に動作接続されるように配置され、介入装置の光ファイバへ光を送達するための光源を含み、さらに、光ファイバから反射される光を受け取り、及び対応する時間変動出力シグナルを生成するように構成される測定ユニット、及び
・測定ユニットへの動作接続のためのプロセッサユニットであって、第１の処理アルゴリズムを実行し、それにより、測定ユニットからの時間変動出力シグナルを、光ファイバに沿ったそれぞれの位置での温度に対応する一組の温度に変換するように構成され、さらに、前記一組の温度の時間的挙動に従い光ファイバに沿ったそれぞれの位置での血流の測定値を計算するように構成される第２の処理アルゴリズムを実行するように構成されるプロセッサユニット、
を含む。
【０００８】
かかるシステムで、空間的に分布されかつ時間分解されたフローについて測定することを可能にし、リアルタイムでの、動脈内部の介入装置に沿った複数の位置での血流（フロー）の同時定量化を可能にする。従ってかかる複数点フロー測定は、例えばＦＦＲを用いてなされるように、強い狭窄にわたる機能的に重要な圧力低下を見つけるために使用され得る。本システムは、光学検知が、光周波数領域反射率測定方法の空間的に分布され、かつ時間的に分解される性質を活用するために使用され得る、という洞察に基づく。ここでの光学検知の利点は、造影剤注射の必要性、又は動脈への介入部分の引き戻しを必要とする不正確で時間を要する方法の必要性を排除できる、ということである。なお、単一／固定超音波ビーム方向への接線流を求めるドップラーフローワイヤとは異なり、本発明は、光ファイバにより追従される全中心線通路に沿ったフローの特徴付けを可能にする。検知は電気的接続なしで実行されることから、本システムは、ＭＲにより案内される介入と適合する形として設計され得る。さらには、光ファイバベースのセンサは極端に小さいサイズであり、それによって、狭軌（ナローゲージ）ガイドワイヤ内に展開でき、フロー測定装置自体により起こる血行動態フローの歪みを最小限とする。これはまた、従来のシステムと比較してより細い動脈での狭窄領域を検出することを可能にする。さらなる利点は、本システムの介入装置は低コストで製造できるということであり、次にこれを簡単な光学インターフェイスにより測定ユニットへ接続できるということである。というのは、光ファイバが、介入ガイドワイヤ内に統合化するために好適な薄形状で容易に製造され得るからである。これにより、介入装置は容易に交換することが可能となり、従って、介入装置は消耗品とされ、かつ一回使用用として製造されて殺菌の必要性などを排除することとなる。さらに、本システムは、血管区画に沿った体積流量、平均流速度を推定すること、及び、特にフロー推定値が手順内定量化冠動脈造影と組み合わされる場合に（複数の）狭窄の圧力低下を推定することを可能にする。
【０００９】
まとめると、かかるシステムは、広い種類の既存の臨床手順の速度及び効率を改善し、かつ腎臓機能が十分ではない患者にも最小侵襲性介入を行うことが可能となる。
【００１０】
理解されるべきことは、本システムは、さらに、得られた血流測定値を処理するように構成される要素を含み得るということであり、例えば位置に対する血流測定値が表示スクリーンに表示され、これにより医療専門家がこれに基づき診断を行うことを可能にする、ということである。
【００１１】
好ましい実施態様では、測定ユニットは干渉計を含み、これは、時間的に変動する導波路を持つ光を与える光源、即ち例えばレーザー光源に基づく掃引光源と組み合わせることで優れた空間分解能で正確なフロー測定値を得ることを可能にする。
【００１２】
ある実施態様は、温度制御装置を含み、温度変更装置の温度変更効果を時間的に制御するように構成され、それにより、ボーラスが動脈に沿って血流によって運ばれ、従って、光ファイバに沿っても運ばれる場合に光ファイバに沿って温度を時間的に追跡することを可能にする。具体的な実施態様では、温度制御装置は、温度変更装置を制御して、一定の周波数で血液の局所ボーラスの冷却又は加熱変調を与えるように構成され、測定ユニットが周波数で空間的に分布された温度を測定するように構成される。
【００１３】
ある実施態様では、温度変更装置は、動脈中の血液と熱接触するために構成される温度変更要素を含み、温度変更要素は血液の局所ボーラスを冷却又は加熱するように構成される。これは、光ファイバの遠位先端から上流に設けられる、電力による冷却又は加熱要素の形であり得る。他の実施態様では、温度変更装置は、動脈の血液温度とは異なる温度を持つ液体の時間的に限定されたボーラスを注入するように構成されるカテーテルを含む。
【００１４】
好ましい実施態様では、複数の温度感受性光学センサのセグメントはファイバブラッググレーティング又はレイリー系センサのセグメントであるが、他のタイプの温度感受性光学センサのセグメントも使用され得る。
【００１５】
ある実施態様では、介入装置はガイドワイヤを含み、その中に少なくとも１つの光ファイバが設けられ、例えばガイドワイヤはその中心に光ファイバを実装し、光ファイバは熱伝導層で取り囲まれており、光ファイバ及び熱伝導層は金属チューブ内に設けられて適切な剛性をガイドワイヤに与える。
【００１６】
光源はレーザー光源を含んでもよく、特に好ましくは光源は異なる波長で光を与えるように構成されており、例えば波長又は周波数掃引光シグナルを与えるように制御されるものである。ひとつの実施態様では、光源からの光は第１部分と第２部分に分けられ、第１部分を介入装置の光ファイバへ送達し、第２部分を、光源からの光の測定値又は波長を決定するように構成される波長測定ユニットへ適用する。特に、波長測定ユニットは、知られた光吸収スペクトルを持つガスセル及びマッハツェンダー（Ｍａｃｈ  Ｚｅｈｎｄｅｒ）干渉計を含んでもよい。かかる実施態様は、空間位置分解能に関しても、それぞれの位置でのフロー分解能に関しても得られる血流測定において高い精度を与え得る。
【００１７】
第１の処理アルゴリズムは、測定ユニットからの時間の関数として出力シグナルを、フーリエ分析手段により温度分布プロフィールに空間的に分解することを含んでもよい。それにより、かかるアルゴリズムは、リアルタイムで標準的な処理装置で実行されるよく知られたアルゴリズムコンポーネントを用いて実行され得る。
【００１８】
介入装置及び測定ユニットは、光学インターフェイス手段で相互接続されるように構成され得るものであり、それにより、測定ユニットと介入装置とを通常の使用の際に空間的に分けられるようになる。標準的な光ケーブルとコネクタが使用でき、従って、低コストで製造され且つ使い捨て要素とされ得る仕様に介入装置を簡単に交換することを可能にする。
【００１９】
ＭＲスキャンと適合性を持たせるために、介入装置は好ましくは純粋に非磁性材料から作製される。
【００２０】
本方法はさらに、動脈中の位置に対する測定された血流を可視化するためのグラフィカルな表示手段を含んでもよく、例えば動脈の長手位置に対する血流を例示するグラフの表示用ディスプレーを含む。例えば、測定血流データが、関連する動脈の概略図又はＸ線写真に重ねて表示され、それにより、医者のために得られたデータを可視化することができる。プロセッサユニットは表示スクリーンを直接駆動するように構成されるか、又はプロセッサユニットは、表示手段を有するコンピュータシステムに有線又は無線接続の手段で測定されたフローデータを伝えるように構成され得る。本システムで得られた血流データに基づき、医者又は他の専門家は診断することが可能になる。
【００２１】
第２の側面で、本発明は、動脈の血流の最小侵襲性測定のための方法を提供し、本方法は、
少なくとも１つの光ファイバを含む介入装置を含み、光ファイバは、その長手方向の延びに沿って空間的に分布された複数の温度感受性光学センサのセグメントを含み、介入装置は温度変更装置を含み、本本法は、
介入装置を動脈に挿入するステップであって、光ファイバが動脈の内側に配置され、動脈の血流と熱接触するように、及び、光ファイバの長手方向の延びが動脈の長手方向の延びに従うように挿入するステップ、
温度変更装置の手段により、光ファイバの１つの端部から上流の位置で動脈の血液のボーラスの温度の局所的変更を導入するステップ、
介入装置の光ファイバへ光を送達するステップ、
光ファイバから反射された光を受けるステップ、
時間変動する反射光を、光ファイバに沿ったそれそれの位置での温度に対応する一組の温度へ変換するステップ、及び、
一組の温度の時間的挙動に従い光ファイバに沿ったそれぞれの位置での血流の測定値を計算するステップ、
を含む。
【００２２】
本方法は、当業者によって実施されるのに適しているが、必ずしも医者により実施される必要があるというわけではない。得られるデータは、それにより患者を診断する医者に提供され得る。例えば、本方法は、測定データをグラフィカルに表示することを含んでもよく、それは、例えば既に検査された動脈のＸ線と重ね合わせることでデータを可視化して可能な狭窄領域を指摘することによって可能となる。
【００２３】
一部の実施態様では、血液の局所ボーラスの温度変更を導入する前にベースライン基準を得るために、介入装置からの温度較正測定が実施される。
【００２４】
一部の実施態様では、動的温度測定が血液の局所ボーラスの温度変更を導入する直前に実施され、次に測定が複数の時点で実施される。
【００２５】
理解されるべきことは、第１の側面と同様の利点及び実施態様が第２の側面においても適用される、ということである。一般的に、第１及び第２の側面は、組み合わせることができ、本発明の範囲内でいかなる可能なようにも結合され得る。本発明のこれらの及び他の側面、構成及び／又は利点は、以下説明される実施態様から明らかとなり、さらに、以下説明される実施形態を参考にして解明される。
【００２６】
本発明はいくつかの方法で実装され得る。ある実装では本システムはスタンドアロンシステムであり、例えばモバイルシステムであって、例えば医療超音波スキャナー装置に対して既知のものなど、測定データを可視化する表示スクリーンを持つ。他の実施態様では、本システムは、純粋に測定ツールであり、従って本システムのプロセッサユニットは例えば病院や診療所のコンピュータシステムに測定データを伝えるための有線又は無線インターフェイスを含む。
【００２７】
本発明の実施態様は以下添付の図面を参照して単なる例として説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、本発明のひとつの実施態様のブロックダイアグラムを示す。
【図２】図２は、他の実施態様の要素を示す。
【図３】図３は、液体ボーラスの注入のために構成されるカテーテルを含む温度変更装置の実装を示す。
【図４】図４は、介入ガイドワイヤの内側に設けられた温度感受性光ファイバの実装を示す。
【図５】図５は本発明による方法のブロックダイアグラムを示す。
【図６】図６は本発明による方法のブロックダイアグラムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１は、１つの医療システム実施態様の要素のブロックダイアグラムを示す。介入装置ＩＶＤは、当該技術分野で知られる空間的に分布されたファイバブラッググレーティングの統合化ファイバＦＢを持つガイドワイヤを含む。例えばファイバは１から２ｍの長さである。さらに、温度変更装置ＴＣは、ガイドワイヤと接続して配置されて、ファイバＦＢから上流の血液の局所ボーラスの冷却又は加熱を時間的に制御することを可能にする。例えば、温度変更装置ＴＣは、動脈の血液とは異なる特定の温度の液体の一部分を送達することが可能な容器及び装置に接続されたカテーテルの形状であり得る。他の形では、温度変更装置は電気的に制御された小型ヒーターであり、これは動脈中の血液のボーラスの時間的に限定された局所加熱を与えるように、例えば一定の変調周波数で加熱を与えるように制御され得る。温度変更装置ＴＣで導入される局所加熱又は冷却は、ファイバＦＢに沿った動脈中の血流の温度変化を追跡することを可能にする。ガイドワイヤは好ましくは、血流を大きく妨げずに動脈に挿入され得る薄さとなるように構成される。
【００３０】
測定ユニットＭＵは、介入装置ＩＶＤに例えばケーブルを介して接続され、測定ユニットＭＵが検査中の患者から遠隔的に配置されるのを可能にしている。かかる相互接続ケーブルは好ましくは、介入装置ＩＶＤに対するコネクタを有して構成されて、それにより、低コスト仕様で製造され一回使用とされ得る介入装置の容易な交換を可能にする。測定ユニットＭＵは場合により介入装置ＩＶＤのファイバＦＢに接続される。レーザー光源ＬＳは、ファイバＦＢの１つの端部、通常は血流の上流に設けられるファイバＦＢの端部に適用されることになる光を生成する。ファイバＦＢの同じ端部からの光、即ちファイバＦＢのブラッググレーティングから反射される光は、測定ユニットの光変換器システムＯＴで受け取られる。制御システムＣＳは、レーザー光源ＬＳ及び光変換器システムＯＴを制御するのに役立ち、さらに、２次元温度データ、すなわち、時間に対するファイバに沿った空間位置に対する温度に対応するデータを抽出するように構成される光学素子を含む。好ましくは制御システムは、当該技術分野で知られるものなどの干渉計の実装を含む。
【００３１】
測定ユニットＭＵで生成される２次元温度データは次にプロセッサユニットＰＵに、有線又は無線で渡され、プロセッサユニットＰＵは、測定ユニットＭＵからの時間変動出力シグナルを、ファイバＦＢに沿ったそれぞれの位置での温度に対応する一組の温度に変換する第１のアルゴリズムＡ１を実行させるプロセッサを含む。この結果を次に第２のアルゴリズムＡ２に渡し、これは一組の温度の時間的挙動によりファイバＦＢに沿ってそれぞれの位置で血流ＢＦの測定値を計算する。ファイバＦＢの位置に対する血流ＢＦのこの測定値はさらに処理され及び／又は表示されて、医療関係者が検査中の患者をそれにより診断することを可能にする。
【００３２】
理解されるべきことは、本システムは、測定ユニットＭＵ及びプロセッサユニットＰＵの両方、及びまた可能な場合表示スクリーンとユーザーインターフェイスを、１つの単一の可搬性ユニットで含むスタンドアロン装置として実装され得る、ということである。他の形では、測定ユニットＭＵのみが可搬性スタンドアロン装置として提供され、プロセッサユニットＰＵの機能は、遠隔に設けられるコンピュータシステムにより実装される。
【００３３】
図２は、測定ユニットのひとつの実施形態をより詳細に示し；ここでも、介入装置はファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を持つ光ファイバＦＢに基づく。ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）の動作の基本的原理は、屈折率が変化する境界のそれぞれでのフレネル反射である。ある波長について、種々の周期の反射光は互いに同調するため、反射のために強め合う干渉と、その結果透過のために弱め合う干渉が存在する。ブラッグ波長は歪みと同様に温度に敏感である。このことは、ブラッググレーティングが光ファイバセンサで感知要素として使用され得ることを意味する。ＦＢＧセンサでは、測定量（例えば温度）はブラッグ波長をシフトさせる。遠距離通信の波長の領域では感度は約１３ｐｍ／Ｋである。約０．５ｐｍ／Ｋの波長シフトが普通に決定されるという事実に照らすと、温度精度は０．１℃よりもよい。
【００３４】
光ファイバＦＢは、ガイドワイヤに組み込まれ、希釈カテーテルと組み合わせて使用され得るか、又は、流体のボーラス注入を可能にするために装置に組み込まれる小型流体チャンネルを持ち得る。カテーテルにより、少ない冷生理食塩水のボーラスが注入される。ガイドワイヤに沿った温度が時間の関数として測定される。空間的及び時間的に分解された温度プロフィールから、血流量（熱希釈も同様）及び血流速度が導き出される。
【００３５】
ファイバＦＢ、ｚ方向に沿った温度分布が、図２で例示される干渉計測定技術を用いることで高空間分解能で得られる。示される光学素子は、バランス検出器ＢＤ、ファイバカプラＦＣ、偏光制御ＰＣ、循環装置ＣＲＣだけでなく、ミラーＭＲも含む。掃引光源レーザーシステムＳＳからの光は光学アイソレータＩを通過させられて後反射を防止し、２つの画分に分けられる。小さい画分は、光源ＳＳの波長を、ガスセルＧＣ及びクロックシステムを持つマッハツェンダー干渉計ＭＺＩＣでモニターするために使用される。ガスセルＧＣは知られておりかつ較正された吸収スペクトルを持つ。マッハツェンダー干渉計は、その２つのアームのアンバランスの量に依存して高周波数出力シグナルを与え、データ取得システムのためのトリガーシグナルとして作用する（図２には示されていない）。掃引光源ＳＳからの光の主要な部分は、主要な干渉計に向けられ、そこで分けられて、一部分は高反射率ミラーを持つ参照アームへ向かい、一部分がブラッググレーティングを持つファイバＦＢに向けられる。両方のアームの反射光は、２ｘ２結合装置／分離装置で組み合わされる。そのＡＣ出力シグナルは１８０°位相がずれており、従ってバランスレシーバーで測定された差はＤＣシグナルを含まない。ファイバＦＢからの光は、ファイバＦＢの、即ちｚ方向に沿った反射要素の位置に依存して光路長を飛行する。その結果、ファイバＦＢのそれぞれの位置ｚは、参照アームミラーＭＲに関して異なる路長差を持つ。波長をスキャンする間、それぞれの位置ｚは、それ自体の周波数で時間的に変動するシグナルを与える。フーリエ分析により、周波数成分を個別化し、それにより波長シフトの空間分解測定、即ちファイバＦＢに沿った温度分布プロフィールを可能にする。
【００３６】
図３は例えば図２に示される測定実施態様と組み合わされる、ひとつの実施態様１によるシステムを示す。分布されたＦＢＧを含む統合化ファイバＦＢを持つガイドワイヤは、動脈ＡＴ内、即ち血流中にカテーテルＣと共に挿入される。カテーテルＣは統合化されたマルチモードファイバを有し、レーザー光を、短時間間隔で先端の周りの血液まで送達する。光は血液によって吸収され、時間ｔ＝ｔ１で温度を上げ、わずかに上昇した温度Ｔ＋ΔＴを持つ血液ボーラスを生成させ、ここでＴは血液の正常温度である（通常は〜３７℃の深部体温である）。ボーラスは血流と共に動脈ＡＴを迅速に流れ下り伝搬し、後に時間ｔ＝ｔ２で示されるように、上昇した温度を持つ血液ボーラスは血液の方向に移動する。伝搬するにつれて、これはガイドワイヤに沿って、従ってファイバＦＢに沿って異なる位置と接触し、そのそれぞれが、異なる時点で温度の過渡的増加を経験する。これらの温度における過渡応答は、分布されたＦＢＧを含む光ファイバに迅速に伝達される。
【００３７】
温度における過渡応答の差は、ガイドワイヤに沿って、従ってファイバＦＢに沿って長さの局所的変化を与え、これは、光ファイバＦＢから反射された光学的光の特徴において非常に小さいが検出可能な差をもたらす。例えば先行技術において知られているような処理アルゴリズムが、コンソールからの光反射率測定値を、温度分布測定値（ファイバＦＢに沿った長さの関数としての温度）に変換するために使用される。好ましくは、反射率測定は、例えば図２で示されるシステムを用いて干渉計的に実施される。
【００３８】
図４は、どのようにして光ファイバＦＢをガイドワイヤに統合化することができるかの例を示し、即ち、中心にファイバＦＢを有して、及び熱伝導性材料の中間層ＴＣＬを金属チューブＭＴの内側に置いて統合化することができるかの例を示している。
【００３９】
又はガイドワイヤは光ファイバのみから成ってもよい。場合により、機械的強度を与える金属コーティングが、ファイバに直接適用され得る。又は分布されたＦＢＧを持つ光ファイバは、ガイドワイヤに直接隣接して配置され得る。好ましくは、それは、その長手方向に沿って複数の点にて又は連続的にガイドワイヤに取り付けられる。
【００４０】
正確な血流測定値を得るために、本システムは好ましくは較正手順により較正される。ファイバセンサからの光学測定値のかかる較正は、介入装置を血管内の興味の対象となる標的部位に、及び、いかなる温度変化の前に配置して、ベースライン状態にて実行される。これは、ベースラインの形状構成の確立と同様に、ファイバセンサが暴露されるベースラインの温度を確立する。理想的には較正測定はまた、例えば心電図（ＥＣＧ）又は呼吸ゲーティングなどの任意の周期的運動にゲーティングされる方法で確立される。全てのさらなる測定値は、次に、任意の他の生理解剖学的変化よりもむしろボーラス注入及び血行動態的フローから起こることを保証されることとなる。
【００４１】
図５は、温度分布測定からフロー分布測定を得るための実施態様１についての処理スキームを示す。このスキームは光学測定ＯＭ、温度分布測定ＤＴＭ、フロー測定ＦＭ及び最後に例えば興味対象領域で得られた蛍光透視とのオーバーレイなどの結果の表示Ｄを含む。
【００４２】
処理は：
（ａ）所与の時点につき、長さの関数として温度プロフィールを追跡すること、及び／又は
（ｂ）所与の位置につき、時間の関数として温度プロフィールを追跡すること、
を含み得る。
【００４３】
比較的長い時間熱ボーラスを投与することによって、定常状態の状況が生じることになる。定常状態の温度プロフィールの下流に従うことにより、流量は標準熱希釈方法と同様に決定され得る。短い熱ボーラスを投与し、温度プロフィールの前面を測定することで、フロー速度を得る。位置の関数としてのフロー速度の変動は、可能な閉塞の位置を明らかにする。好ましくは、ボーラスの生成は、（例えばＥＣＧシグナルを用いて）心周期に合わされ（ゲートされ）、ボーラスが毎回類似の軌道に従うことを保証する。複数のボーラスは、複数のフロー測定を駆動するために実施され、これは平均化されて精度を上げることが可能となる。
【００４４】
実施態様２は、光学経路に熱ボーラスを投与する他の方法を提供し、これは分布されたファイバブラッググレーティングの近くに長周期ブラッググレーティング（ＬＰＧ）を加えること、及び、その位置でファイバに金属コーティングを加えることによる。ＬＰＧにより、光をクラッドモードに結合（カップル）することができ、その結果金属に吸収され、それにより構造を局所的に加熱する。かかる実施の例は、Ｐ．Ｃａｌｄａｓらの、「Ｆｉｂｒｅ  Ｏｐｔｉｃ  Ｈｏｔ−Ｗｉｒｅ  Ｆｌｏｗｍｅｔｅｒ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ａ  Ｍｅｔａｌｌｉｃ  Ｃｏａｔｅｄ  Ｈｙｂｒｉｄ  ＬＰＧ−ＦＢＧ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｏｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  Ｓｅｎｓｏｒｓ（Ｐｏｒｔｏ，２０１０）ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．７６５３，ｐ．１３２）において見ることができる。
【００４５】
実施態様３は、実施態様１と同じシステムを提供するが、違いは、上昇した温度を有する血液ボーラスが、カテーテル又はカテーテルを介して挿入され得る類似の装置に組み込まれる非光学的（例えば電気的）加熱要素で生成される、ということである。温度を上げ過ぎないということに注意しなくてはならず、というのは加熱された血液が凝集し得るからである。加熱の代わりに、冷生理食塩水ボーラス（室温）を投与することによる冷却も使用し得る。熱希釈に対して注入量は、２０ｍｌ／分の程度であり、これは動脈の流量のほんの一部分である。
【００４６】
実施態様４は、実施態様１と同じシステムを提供するが、違いは、上昇した温度を有する血液ボーラスが、レーザー光の送達によって生成され、レーザー光は、分布されたＦＢＧを持つファイバ内に送達される、ということである。好ましくは、光は、（例えばデュアルクラッドファイバを有する）ファイバのクラッド内に送達され、ＦＢＧを調べる光学路を邪魔しないようにする。
【００４７】
実施態様５は、実施態様１と同じシステムを提供するが、違いは、追加の光ファイバがガイドワイヤ又はカテーテル内に組み込まれ、温度追跡に加えて形状追跡も可能にする、ということである。形状追跡情報は、フロー測定情報を表示するため、例えば蛍光画像に重ねて表示するために使用される。非光学的形状及び位置追跡も、（例えばＥＭセンサを用いて）同様に実施され得る。形状追跡情報はまた、複数のボーラスが平均化のために複数のフロー測定を駆動するよう実施され、それぞれの測定で動脈内のガイドワイヤ／カテーテルの空間位置をコレジストレーションする場合におそらく使用され得る。
【００４８】
実施態様６は、実施態様１と同じシステムを提供するが、違いは、温度分布測定からフロー測定を駆動するアルゴリズムが、処置前及び／又は処置中の画像からの解剖学的情報を取り込む、ということである。これらの画像のセグメンテーションは、（例えばルックアップテーブルを用いて）得られることになる局所組織の熱伝導特性の評価を可能にし得る。血管内超音波（ＩＶＵＳ）は処置中画像を生成する技術の一つの例である。実際ＩＶＵＳと本発明のフロー測定技術は、実施態様１から５のいずれか１つの光ファイバをＩＶＵＳカテーテルに加えることで、１つの同じ装置において組み合わせることができる。
【００４９】
実施態様７は、実施態様１と同じシステムを提供するが、違いは、レイリー散乱がＦＢＧの代わりに使用される、ということである。測定原理は同じである。レイリー散乱は小さい屈折率変化のランダムな分布から起こる。これらの変動はランダムなブラッグ周期として見ることができる。差は、シグナル強度が弱くなるが費用対効果の点で製造が容易となるということである。
【００５０】
実施態様８は、実施態様１から７のうち１つの実施態様としてシステムを提供し、カテーテル又はガイドワイヤが上流に向けられている。この場合において、ボーラスは遠位端部にて生成されるべきである。
【００５１】
実施態様９は、実施態様１から５又は７から８のうちの１つの実施態様のシステムを提供し、ＦＢＧが単調な方法でチャープされている。このことは、共鳴波長が位置依存性であるということを意味する。温度変化なしで、反射波長は位置の直接測定となる。簡単で非常に費用対効果のよい光学システム（発光ダイオード、小型単色光分光装置とマルチエレメント検出器）を用いた反射スペクトルの連続的測定により、温度分布は時間的にモニターされ得る。
【００５２】
実施態様１０は、実施態様１から９のいずれかひとつと同じシステムを提供し、圧力検知要素がガイドワイヤ又はカテーテルの先端に加えられている。これにより、体積流量、フロー速度及び圧力の測定を同時に行うことが可能になるが、圧力勾配を得るためには引き戻しを必要とする。
【００５３】
以下の説明は記載された実施態様への追加説明であり、動脈血流の簡単な説明と、本発明の方法及びシステムに関する計算について説明される。
【００５４】
動脈血流の簡単な説明は、流体フローの種々のパラメータ、すなわち、流量、フロー速度及び圧力の勾配などの間の関係を説明することで与えられる。チューブ内の層粘性流について、流量はオーム的記載、Ｄａｒｃｙの法則で説明され得るものである。
【００５５】
【数１】
0005961688.tif 000002
ここでＱは、流量（時間の単位あたりの体積）、Δｐはチューブの長さにわたる圧力変化、及びＲは流れ抵抗を示し、Ｈａｇｅｎ  Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ式で表される。
【００５６】
【数２】
0005961688.tif 000003
ここでｌはチューブの長さ、ａは半径、及びηは粘度を表す。速度はチューブの直径にわたる放物線状プロフィールを表す。境界近くで速度はゼロとなり、中心では最大となる。ここで平均フロー速度を用いる。
【００５７】
【数３】
0005961688.tif 000004
冠状動脈の種々のパラメータの典型的な値は以下の表に示される。閉塞にわたる有意な圧力低下は、２０％から３０％程、即ち約３ｋＰａである。約１ｃｍの閉塞の長さを仮定すると、これは狭窄による圧力勾配が３００ｋＰａ／ｍに増加し、平均値の２００倍となることを意味している。流量は、閉塞の前、中及び後で（狭窄の長さにおいて枝分かれした管がないとして）同じであることから、圧力勾配の変化は、単に、断面の変化により生じる流れ抵抗の変化によるものとなる。Ｈａｇｅｎ  Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ式によると、圧力勾配において２００倍は、チューブの半径において３．８倍、従ってフロー速度でにおいてｓｑｒｔ（２００）＝１４と関連する。従って、動脈に沿って複数の点でのフロー速度を測定すること、及び強い狭窄で予想される大きな変化をモニターすることで、圧力差を測定するＦＦＲの優れた代替方法が開発される。
【００５８】
【表１】
0005961688.tif 000005
上で、閉塞を有する領域内でも血管は環状対称的であると仮定した。これは形状の極端な例である。他の極端な例は、幅ｗが高さｈよりもずっと大きい長方形であるとして血管を考慮することである。この場合流れ抵抗は次式に等しい。
【００５９】
【数４】
0005961688.tif 000006
従って長方形パイプの平均フロー速度は次式で与えられる。
【００６０】
【数５】
0005961688.tif 000007
この場合、２００倍の圧力勾配の増加によって、高さの変化が５．８倍となり、平均フロー速度が同じ程度変化することとなる。実際には、正常値から閉塞への平均フロー速度の変化は、直線（長方形パイプ）と二次曲線（円形パイプ）の間で依存した挙動を示す。
【００６１】
上記の例は冠状動脈流の単純化したモデルであると強調されるべきである。大動脈圧は、収縮期で１６ｋＰａから拡張期で１０ｋＰａへ心鼓動サイクルの間変化する。冠状動脈流は、左心室の収縮に起因して拡張期において最大値となる。さらに、血管の直径は弾性的であり、従って心臓サイクル間で一定ではない。
【００６２】
実際の計算では次のデータが観察され得る。
【００６３】
【表２】
0005961688.tif 000008
距離Ｌにわたる熱の指数関数的減衰時間は次に与えられる。
【００６４】
【数６】
0005961688.tif 000009
３ｍｍ直径の、水のような流体で満たされた容器に対して、具体的な熱の減衰時間は約１．５秒である。これは温度プロフィールを得るためには十分な時間であり；言い換えると、血液に吸収されるいかなる熱も、（血液速度が２５ｃｍ／秒と仮定して）血液ボーラスが１０ｃｍの長さを動くために要する時間内で周りの組織に著しく拡散することはないと考えられる。
【００６５】
３００ミクロンの直径及び１０ｃｍの長さを持つファイバの熱容量は１６ｍＪ／Ｋに等しい。これは、注入における熱量は、これよりずっと大きく、例えば０．１Ｊ／Ｋ（これは水の０．０２４ｃｃに対応する）であるべきことを意味する。
【００６６】
血液速度を２５ｃｍ／秒及び血管直径を３ｍｍと仮定すると、０．０２４ｃｃの血液が１４ミリ秒で運ばれることとなる。０．３ｍｍ直径のファイバでは、熱の具体的な減衰時間は約５ミリ秒となる。このことは、ファイバが熱を吸収するための時間は、より高温度の血液ボーラスがファイバと接触する時間よりも短い、ということを意味する。従って、本発明により実施され得る温度計は、十分速いということになる。
【００６７】
カテーテルの一部分を加熱する場合、エネルギー量は、水０．０２４ｃｃを０．０１４秒で１度上げるエネルギーに等しくあるべきである。これは０．０１４秒で０．１Ｊに相当し、即ち７ワットに等しい。これは、電気的方法同様、光学的に送達する合理的なパワー量である。
【００６８】
図６は、記載されたシステム実施態様のひとつを用いる本発明の実施態様による動脈中の血流の最小侵襲性測定方法のブロックダイアグラムを示す。この方法は、初期較正ルーチンＣＬを含み、これは、血液温度に比較して冷たいか又は熱い生理食塩水ボーラスを用いて、血液とは異なる温度での流体のボーラス注入に先立ちベースラインの参照を得るための温度較正測定を実施することを含む。光ファイバを持つ介入装置は次に、光ファイバの長手方向の延びが動脈の長手方向の延びに従うように動脈ＩＮＳに挿入される。次に、温度変更装置による、光ファイバの１つの端部から上流の位置での動脈内の血液ボーラスの温度の局所変化ＬＴＣが与えられる。光ＤＬが、介入装置内の光ファイバに送達され、光ファイバからの反射が受け取られるＲＬ。受け取られた光に基き、時間変動する反射光は、アルゴリズムＡ１を用いて、光ファイバに沿ったそれぞれの位置での温度に相当する一組の温度に変換される。続いて、Ａ１から得られる上記一組の温度の時間的挙動に従った、光ファイバに沿ったそれぞれの位置での血流ＢＦの測定が、第２のアルゴリズムＡ２を用いて計算される。
【００６９】
理解されるべきことは、本方法は２つに分けられ得るということであり、１つは、医療従事者などの訓練された人が最初のステップＣＬ及びＩＮＳを行い、すなわち一方で、本方法の残る部分は別の方法として考えられ、装置により排他的に実行され得る。従って、本システムが較正され、介入装置が患者の動脈に挿入されると、残る方法のステップは、装置又はシステムにより説明されたように自動的に実行されるのに適している。
【００７０】
まとめると、本発明は、動脈（ＡＴ）内の血流の最小侵襲性測定のための医療システムを提供する。動脈（ＡＴ）に挿入されるように構成される介入装置（ＩＶＤ）は、光ファイバ（ＦＢ）を含み、これは長手方向の延びに沿って空間的に分布された複数の温度感受性光センサ区画（セグメント）、例えばファイバブラッググレーティングを含む。温度変化装置（ＴＣ）は、ＩＶＤ内に配置され、動脈内の血液ボーラスの局所温度変化（ΔＴ）を導入し、光ファイバ（ＦＢ）での熱の時間的追跡を可能にする。レーザー光源（ＬＳ）を持つ測定ユニット（ＭＵ）は、光を光ファイバ（ＦＢ）に送達し、光ファイバ（ＦＢ）からの反射された光を受け取り、かつ対応する時間変動出力シグナルを生成する。第１のアルゴリズム（Ａ１）は、この時間変動出力シグナルを、光ファイバ（ＦＢ）に沿ったそれぞれの位置での温度に対応する一組の温度へ変換する。第２のアルゴリズム（Ａ２）は、一組の温度の時間的挙動に従い、光ファイバ（ＦＢ）に沿ったそれぞれの位置での血流（ＢＦ）の測定値を計算する。かかるシステムは、引き戻しや毒性液体の注入を行う必要なく迅速に動脈をスキャンして狭窄領域を診断するために使用され得る。優れた血流測定の空間分解能がリアルタイムで得られる。
【００７１】
本発明は上記記載及び図面により詳細に図示及び説明されたが、かかる図示及び説明は例示的又は例証的であり、限定的ではなく、本発明を開示された実施態様に限定するものではないと考慮されることになる。開示された実施態様の他の変更実施態様は、本発明を実行する際に、当業者により、開示された内容、図面、特許請求の範囲から理解され実施され得るものである。特許請求の範囲において用語「含む」は他の要素又はステップを排除するものではなく、「ひとつの」は複数の場合を排除するものではない。単一のプロセッサ又は他のユニットは、特許請求の範囲に記載されるいくつかの事項の機能を満たすことができる。ある手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段のいかなる組み合わせが利点を持たないということを意味するものではない。コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に若しくはその一部として供給される、光記憶媒体又は固体記憶媒体等、適したメディア上に記憶／分散させてもよいが、インターネット又は他の有線若しくは無線の通信システムを介して等、他の形状で分散させてもよい。特許請求の範囲でのいかなる参照記号も、本発明の範囲を限定するとして解釈されるべきではない。
【図１】
0005961688.tif 000010
【図２】
0005961688.tif 000011
【図３】
0005961688.tif 000012
【図４】
0005961688.tif 000013
【図５】
0005961688.tif 000014
【図６】
0005961688.tif 000015