(57)【要約】【課題】生体内の血管壁の力学的性質に基づき、破裂危険性を評価することができる方法を提供する。【解決手段】１心拍における血圧変化を血圧計測装置により計測し、その血圧の微小変化時の血管壁の形状変化を血管壁形状計測装置で撮影する。この際の微小血圧変化における血管壁の形状変化から血管壁の接線剛性率を連続的に算出し、血圧増加に伴う接線剛性率の変化から、血管壁を破壊することなく、生体内の血管壁の破裂血圧を推測する方法及び推測システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被験者の血管壁内の血圧変動を計測しつつ、同時に血管壁の形状を撮影し、血管壁の曲率半径及びひずみを血圧変化中に計測し、曲率半径と血圧より、血管壁の厚み方向と垂直な面内方向の張力を算出し、これにより血管壁内の張力・ひずみ曲線を取得し、張力・ひずみ曲線の傾きから血管壁の接線剛性率を算出する方法。
【請求項２】
被験者の血圧の上昇に伴い、請求項１に記載の方法により算出された血管壁の接線剛性率が降伏して徐々に一定値に達すること及びこの一定値に達するときの圧力値が破裂圧力と有意に相関することを利用し、接線剛性率が降伏するときの圧力値として表わされる硬さ降伏パラメータから血管壁の破裂圧力を推測する方法。
【請求項３】
被験者の血管壁形状を計測するための血管壁形状計測装置、被験者の血圧を計測するための血圧計測装置、臨床データを記録する破裂圧力・硬さ降伏パラメータデータベース、演算処理装置及び外部出力装置から構成され、請求項２に記載の血管破裂圧力推測方法を利用することを特徴とする血管壁破裂圧力推測システム。
【請求項４】
被験者の破裂推測対象の血管壁内における血圧が所定期間計測された計測結果を取得するステップと、前記所定期間における前記血管壁の撮影画像から、前記血管壁の曲率半径を求めるステップと、前記所定期間における前記血管壁の撮影画像から、前記血管壁のひずみを求めるステップと、求められた前記曲率半径及び計測された前記血圧に基づいて、前記血管壁の厚み方向と垂直な面内方向の張力を算出するステップと、前記張力の変化量を前記ひずみの変化量で除した量に相当する前記血管壁の接線剛性率を算出するステップと、算出された前記接線剛性率と前記計測された血圧との関係に基づいて、前記血管壁の破裂血圧を決定するステップと、を備えた血管壁破裂圧力推測方法。
【請求項５】
被験者の破裂推測対象の血管壁内における血圧が所定期間計測された計測結果を取得する手段と、前記所定期間における前記血管壁の撮影画像から、前記血管壁の曲率半径を求める手段と、前記所定期間における前記血管壁の撮影画像から、前記血管壁のひずみを求める手段と、求められた前記曲率半径及び計測された前記血圧に基づいて、前記血管壁の厚み方向と垂直な面内方向の張力を算出する手段と、前記張力の変化量を前記ひずみの変化量で除した量に相当する前記血管壁の接線剛性率を算出する手段と、算出された前記接線剛性率と前記計測された血圧との関係に基づいて、前記血管壁の破裂血圧を決定する手段と、を備えた血管壁破裂圧力推測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体大血管壁の破裂圧力を、血管壁を破壊することなく、推測する血管壁破裂圧力推測システム、血管壁破裂圧力推測装置、及びそのシステム又は装置における破裂圧力推測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高齢化社会の到来に伴い、大動脈瘤による死亡数が増加している。非特許文献１及び２によると、大動脈瘤の破裂確率は大動脈瘤保有患者の1/4程度であるが、破裂した後の致死率は90％以上との報告もあり、極めて高い。そのため、大動脈瘤破裂の危険性が高まると人工血管への置換等、破裂を予防する医療処置がとられている。
【０００３】
血管壁の破裂危険性を推測する従来の指標の一つに瘤径がある。現状では、この瘤径を基準として、外科手術を含む、医療処置が広く行われている。
【０００４】
しかし、非特許文献３によると、大動脈瘤は瘤径が小さくても破裂することがある。大動脈瘤の場合、非特許文献４によると、瘤壁の強度を示す引張強さは正常血管壁より小さいことが報告されており、瘤壁が脆弱化することにより、小さな負荷でも瘤壁が破裂することがあると考えられる。従って、血管壁の脆弱性を表すような信頼性の高い指標により大動脈瘤の破裂を推測することが重要である。
【０００５】
血管壁の破裂を推測する既存の技術としては、特許文献１のような生体頸動脈強度解析方法がある。この方法では、血管壁の弾性率を計測することにより動脈硬化等による血管の破裂を推測できるとしている。
【０００６】
非特許文献５に示すように、発明者らは、圧力負荷の増加に伴い血管壁の接線弾性係数（材料の力学特性を表す応力−ひずみ線図の接線）が一定値に達し、そのときの応力を示す硬さパラメータが血管壁の引張強さと有意に相関することを発見した。この硬さパラメータは、血管壁の変形量、血圧、血管壁厚及び血管壁の曲率半径の１心拍中の変化から算出できるため、血管壁の破裂推測の指標として有用である可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−７３０８７号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Svensjo S, Bengtsson H, Bergqvist D, Thoracic and thoracoabdominal aortic aneurysm and dissection: an investigation based on autopsy, Br J Surg, 1996;83 (1):68-71
【非特許文献２】Johansson G, Markstrom U, Swedenborg J, Ruptured thoracic aortic aneurysms: a study of incidence and mortality rates, J Vasc Surg, 1995;21(6):985-8
【非特許文献３】Cambria RA, Gloviczki P, Stanson AW, Cherry KJ, Jr., Bower TC, Hallett JW, Jr. et al. Outcome and expansion rate of 57 thoracoabdominal aortic aneurysms managed nonoperatively. Am J Surg 1995;170 (2):213-7
【非特許文献４】Raghavan, ML., Webster MW, Vorp DA, Ex vivo biomechanical behavior of abdominal aortic aneurysm: assessment using a new mathematical model, Ann Biomed Eng, 1996;24 (5):573-582
【非特許文献５】Sugita S, Matsumoto T, Ohashi T, et al, Evaluation of rupture properties of thoracic aortic aneurysms in a pressure-imposed test for rupture risk estimation, Cardiovasc Eng Tech, 2012;3 (1):41-51
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
通常、材料の強度を計測するには、材料が破壊するまで応力を加え、破断や亀裂の発生・成長を計測・観察することが必要である。しかし、生きた人間の血管壁ではそのような計測はできない。
【００１０】
特許文献１のような生体頸動脈強度解析方法では、最高血圧と最低血圧の血圧差、最大拡張時における頸動脈の外半径及び最大収縮時における頸動脈の外半径より弾性率を１つの値として計測し、破裂を推測するとしている。しかし、この方法では動脈の外半径変化の計測のために超音波を用いるため、皮膚直下にあるような頸動脈にのみ適用できる方法である。
【００１１】
非特許文献５による破裂推測方法の場合、血管壁の性状変化が弾性率の変化に表れるため信頼性がより高く、CT（Computer Tomography）やMRI（Magnetic Resonance Imaging）等を用いた大動脈瘤保有患者の医用画像から実用される可能性もある。しかし、この方法により破裂推測するには血管壁の壁厚計測が必要である。現状のCTでは血管壁の撮影は難しく、MRIの空間分解能は0.5 mm程度であるため、血管壁厚が十分な精度で計測できるとは言えない。従って、血管壁厚を用いない力学特性による破裂推測が望ましい。
【００１２】
本発明は上記の問題点に鑑み、現状の医用画像からでは測定が困難である血管壁厚に関する情報無しに、大動脈瘤保有患者の医用画像から、最低血圧から最高血圧への血圧変化中における血管壁の曲率半径及びひずみの変化を計測し、血圧値変化中の血管壁の接線剛性率の変化から破裂圧力を推測する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明では、血管壁内の血圧変動を計測しつつ、同時に血管壁の形状を生体内部形状計測装置等で撮影し、血管壁の曲率半径及びひずみを血圧変化中に計測し、曲率半径及び血圧より、血管壁の厚み方向と垂直な面内方向の張力を算出し、これらの結果より血管壁内の張力・ひずみ曲線を取得し、張力・ひずみ曲線の傾きから血管壁の接線剛性率を算出することを第１の特徴とする。
【００１４】
また、血圧の上昇に伴い血管壁の接線剛性率が降伏して徐々に一定値に達すること及びこの一定値に達するときの圧力値が破裂圧力と有意に相関するという発明者らが得た知見に基づき、当該相関を利用し、接線剛性率が降伏するときの圧力から血管壁の破裂圧力を推測することを第２の特徴とする。以下では、接線剛性率が降伏するときの圧力を硬さ降伏パラメータと呼ぶことにする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、血管壁厚及び血管壁の曲率半径による効果を含む硬さである剛性を利用しているため、血管壁の厚さに関する情報を必要とせず、血管壁の変形量、血圧及び血管壁の曲率半径のみから有効な破裂圧力を推測できる硬さ降伏パラメータを算出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態におけるシステムを示す図である。
【図２】本発明の破裂圧力推測プロセスを示すフローチャートである。
【図３】接線剛性率の算出に必要な血管壁形状と血圧の計測値を示す図である。
【図４】血圧・接線剛性率曲線及び血圧・接線剛性率曲線から算出される硬さ降伏パラメータτPを示す図である。
【図５】硬さ降伏パラメータを用いた推測破裂血圧の算定を示した図である。
【図６】生体外に摘出した血管壁試料を圧力負荷破裂試験して得られた血圧・接線剛性率曲線の例を示す図である。
【図７】生体外に摘出した血管壁試料を圧力負荷破裂試験して得られた硬さ降伏パラメータτPと破裂血圧Prupの相関を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（第１実施形態）
以下、被験者の傍に設置することを想定した血管壁破裂圧力推測システムを例として、図１〜図５に従って、本発明について詳細に説明する。
【００１８】
血管壁破裂圧力推測システムは、図１に示されるように、被験者8の血管壁形状を計測するための血管壁形状計測装置1、被験者8の血圧を計測するための血圧計測装置3、臨床データを記録し且つ参照する破裂圧力・硬さ降伏パラメータデータベース5、演算処理装置6（血管壁破裂圧力推測装置）及び表示装置7から構成される。
【００１９】
血管壁形状計測装置1は画像センサー2を有し、画像センサー2により被験者8の患部、即ち破裂推測対象である血管の画像を撮影する。
【００２０】
血圧計測装置3は圧力センサー4を有し、圧力センサー4も被験者8の患部、即ち破裂推測対象である血管の近傍にセットされる。
【００２１】
血管壁形状計測装置1及び血圧計測装置3は計測されたデータを演算処理装置6に送るとともに、演算処理装置6により制御される。演算処理装置6は血管壁形状計測装置1及び血圧計測装置3から送られてきたデータと破裂圧力・硬さ降伏パラメータデータベース5のデータに基づき、血管壁の破裂圧力を推測する。推測された血管壁の破裂圧力は、演算処理装置6により制御されている表示装置7に表示される。演算処理装置6は、図２に記載された各ステップの処理を実行することで、当該処理に対応する機能の実現手段として機能する。
【００２２】
以下では、大動脈瘤を模式的に表した図３を用いて、血管壁形状計測装置1としてMRIを用いた血管壁破裂圧力推測システムにおいて、図２に示す血管壁の破裂圧力の推測プロセスを詳細に説明する。
【００２３】
先ずMRIを用いて破裂推測対象の血管形状を示す画像を取得する。当該画像の輝度から破裂推測対象血管の血管壁の厚み方向と平行な断面画像において、血管壁の2点間の曲線の曲率半径Rを１心拍中にわたり計測する。当該曲率半径Rは、先ず輝度値の変化を元に血管壁の形状を決定し、次に血管壁形状に最も近い円弧をフィッティングさせ、最後にフィッティングさせた円をもとに決定される。尚、血管壁形状は、プローブを用いて体外から撮影しても、血管外を含む体内から撮影してもよい。
【００２４】
次に、MRIにより取得された前記画像から破裂推測対象の血管壁のひずみを求める。画像の輝度値から血管壁上の計測したい部分の複数点を1心拍中にわたり追跡して、当該複数点のうちの2点間の長さを血管壁の局所長さLとして計測する。これらの複数点は、例えば、MRI画像上の血管壁にマーカーを付与するタギング法により取得してもよい。
【００２５】
また、破裂推測対象の血管内の血圧を１心拍中にわたり血圧計測装置3で計測する。血圧は、圧力センサーを有するカテーテル等で破裂推測対象の血管内の血圧を直接計測してもよいし、上腕動脈を含む、手足等末梢の動脈の圧力波から破裂推測対象の血管内の血圧を推測してもよい。
【００２６】
上記の血管壁の曲率半径R、血管壁の局所長さL及び血圧Pの計測は、各計測値データの時間を同期して行なわれる。
【００２７】
続いて、ある時刻tにおける血管壁の局所長さLtを用いて、時刻tにおけるひずみεtを式（１）より求める。式（１）中Ldiaは、図３に示す血管壁の局所長さLtの１心拍中の最小値である。
【００２８】
【数１】
2013233251.tif 000003
【００２９】
ある時刻tにおける血圧Ptと曲率半径Rtより、時刻tにおける単位長さ当たりの血管壁に負荷される血管壁の厚み方向と垂直な面内方向の張力Ttを式（２）より算出する。
【００３０】
【数２】
2013233251.tif 000004
【００３１】
式（１）のひずみεt及び式（２）の張力Ttを１心拍中にわたり算出し、ひずみε・張力T曲線を取得する。
【００３２】
ひずみε・張力T曲線より、張力Tの増分をひずみεの増分で除して、ある時刻tにおける接線剛性率Stを式（３）より求める。尚、t-1は時刻tよりも１回前の曲率半径Ｒ，局所長さＬ、血圧Ｐの計測タイミングを表す。
【００３３】
【数３】
2013233251.tif 000005
【００３４】
得られた接線剛性率Stを１心拍中にわたって圧力Ptに対して算出し、図４に示す血圧P・接線剛性率S曲線を取得する。
【００３５】
この血圧P・接線剛性率S曲線に対して式（４）をフィッティングする。式（４）中、CP及びτPはフィッティングパラメータであり、τPが硬さ降伏パラメータである。
【００３６】
【数４】
2013233251.tif 000006
【００３７】
推測破裂血圧Prup・硬さ降伏パラメータτPデータベース5又は推測破裂血圧Prup・硬さ降伏パラメータτP曲線と硬さ降伏パラメータτPとを照合し、得られた硬さ降伏パラメータτPを、図５に示すように、推測破裂血圧Prupに変換する。
【００３８】
次に、実際に生体外に摘出した、特定の病変を有していないブタ胸大動脈試料及びヒト胸部大動脈瘤試料を用いて圧力負荷破裂試験を行い、圧力負荷中の接線剛性率Sを計測し、破裂試験時の破裂圧力値から生体内換算の破裂圧力Prupを算出した例を示す。
【００３９】
図６は、生体内に換算した血圧と接戦剛性率の変化を複数のサンプルを用いて計測した結果である。図６に示すように、加圧に伴い接線剛性率Sが一定値に達する傾向が得られている。また、この結果を元に硬さ降伏パラメータτPを算定すると、図７に示すように、硬さ降伏パラメータτPと生体内に換算した破裂圧力Prupに有意な相関が得られている。従って、血管壁の硬さ降伏パラメータからその部位の破裂血圧が推測できることを示している。
（第２実施形態）
第１実施形態では、MRIによる血管壁形状を計測する例を示したが、CTや、超音波撮像装置や、X線撮影装置などで血管形状を計測しても構わない。
（その他の実施形態）
第１及び第２実施形態は、被験者の傍に血管壁破裂圧力推測システムを設置する例であるが、画像センサー2及び圧力センサー4のみを被験者の傍に設置し、システムの他の構成要素を他に設置するテレメトリーなシステムとして構わない。
【産業上の利用の可能性】
【００４０】
本発明の方法は、被験者に外科手術等の負担をかけることなく又は負担を少なくして、血管壁を破壊することなく、血管壁の破裂圧力を推測する医療診断システムに利用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
1    血管壁形状計測装置
2    画像センサー
3    血圧計測装置
4    圧力センサー
5    破壊圧力・硬さ降伏パラメータデータベース
6    演算処理装置
7    表示装置
8    被験者
9    大動脈瘤の断面
【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図１】
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【図３】
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