JP3692035B2 - 温度センサと圧力センサを含む、細いチャネルの流量測定法 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の分野
この発明は、一般に、細いチャネルの流量測定に関し、より詳細には、血管中の生体内流量測定に関する。また、そのような測定を実行するシステムにも関する。
【０００２】
発明の背景
血管のような非常に細いチャネル中の流量を測定するために、いくつかの異なる方法、例えば、いわゆる一定時間静脈採集法、電磁流量測定法、心外膜超音波流速測定法、熱希釈法、及びその他の方法を使用することが、長い間知られていた。これらの方法の詳細に関しては、Ｎ．Ｈ．Ｊ．ピイルス著「Ｍａｘｉｍａｌ Ｍｙｏｃａｒｄｉａｌ Ｐｅｒｆｕｓｉｏｎ ａｓ ａ Ｍｅａｓｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｏｆ Ｃｏｒｏｎａｒｙ Ａｒｔｅｒｙ Ｄｉｓｅａｓｅ」、（１９９１）、 Ｃｉｐ−Ｇｅｇｅｖｅｎｓ Ｋｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ Ｂｉｂｌｉｏｔｈｅｅｋ、 ｄｅｎ Ｈａａｇ（ＩＳＢＮ ９０−９００３８１８−３）を参照されたい。
【０００３】
本発明は熱希釈原理の動作の改良に関するものであり、以下にこの原理を簡単に要約する。
冠状静脈洞への熱希釈原理の応用はガンツによって導入された（ガンツその他著「Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏｒｏｎａｒｙ ｓｉｎｕｓ ｂｌｏｏｄ ｆｌｏｗ ｂｙ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｔｈｅｒｍｏｄｉｌｕｔｉｏｎ ｉｎ ｍａｎ」、 Ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ ４４： １８１〜１９５、 １９７１）。小型のカテーテルが冠状静脈洞に深く挿入され、その先端部から冷食塩水が送り出される。理論的には、流量は、冠状静脈洞の出口近くのサーミスタで記録される血液温度の変化から計算される。この方法の利点は、正常心臓カテーテル法が必要とされるだけであることである。
【０００４】
熱希釈の原理は、既知の量の冷却液体を注入すること、例えば生理的食塩水を血管に注入することを含む。注入した後、血管に挿入されている案内用ワイヤの先端部に取り付けられた温度センサで、温度を連続して記録する。測定個所即ちセンサの位置を通過する冷液体による温度変化は、流量の関数となる。
【０００５】
診断の目的のために、温度信号を評価する様々な方法がある。体積流量の計算を試みるか、「休息状態」の流量を薬剤で誘導された「労働状態」と比較する相対的な測定を使用するかのどちらかである。
【０００６】
後者の方が簡単な方法であり、指摘された２つの状況における温度変化プロファイルの半分の高さでの幅を測定し、これらの量の比を作ることで実施することができる。
【０００７】
比を得る別の方法は、休息状態と労働状態とにおいて、注入から冷液体がセンサを通過するまでの通過時間をそれぞれ測定することである。
前者の方法、即ち、体積流量パラメータ自体の利用は、下に与えられる式に従って温度プロファイルを時間で積分することが必要になる。
【０００８】
【数１】

【０００９】
ただし、
Ｖは、注入された液体の体積であり、
Ｔ_ｒ，ｍは、休息状態での測定温度であり、
Ｔ_ｒ，ｌは、休息状態での注入された液体の温度であり、
Ｔ_０は、血液の温度即ち３７℃であり、
Ｔ_ｗ，ｍは、労働状態での測定温度であり、
Ｔ_ｗ，ｌは、労働状態での注入された液体の温度であり、
Ｑは、体積流量である。
【００１０】
次いで、これらの量は、患者の冠状血管及び心筋の状態の検査に直接使用することができ、又は、ＣＦＲ、即ちＱ_ｗｏｒｋ／Ｑ_ｒｅｓｔを得るために、前のようにこれらの量の比が求められる。
【００１１】
後者の方法、即ち、通過時間の決定は、問題になるのが比較的短距離、即ち、注入個所から測定個所まで約１０ｃｍ以下の距離という点から見て、正確な時間の測定が必要となる。
【００１２】
例えば、正確な測定値を得るために、時間は或る程度の精度で測定しなければならない。簡単なストップウォッチを使用することは、時間を計る一般的な方法であるが、信頼できる通過時間を得るには余りにも不正確すぎる。
【００１３】
流量Ｆは、同様な方法即ち指示薬希釈法の派生体であり、次のようにして求めることができる。これは、迅速に注入された或る種の指示薬の量に基づいており、その指示薬の濃度が測定される。
【００１４】
この目的のために、時間ｔに単位時間当たりに測定個所を通過する指示薬の部分である関数ｈ（ｔ）が導入される。言い換えると、ｈ（ｔ）は、指示薬粒子の通過時間の分布関数である。指示薬の流量が、全流体（完全な混合）の流量を表すと想定すると、ｈ（ｔ）はまた、全流体粒子の通過時間の分布関数でもある。流体の全体積は、極めて多数の体積要素ｄＶ_ｉで構成されているものとし、体積要素ｄＶ_ｉは、ｔ＝０において系に存在し且つ通過時間がｔ_ｉとｔ_ｉ＋１との間にある全流体粒子を含むものと定義される。測定個所を通過するのにｔ_ｉとｔ_ｉ＋１の間の時間を必要とする流体粒子の部分は、定義によりｈ（ｔ_ｉ）Δｔである。流体粒子が測定個所を通過する速度はＦに等しいので、ｄＶ_ｉを構成する粒子が測定個所を通過する速度はＦ・ｈ（ｔ_ｉ）・Δｔである。ｄＶ_ｉの全体積は、ｄＶ_ｉの中の全粒子が測定個所を通過するのに必要な時間ｔ_ｉにそれらの粒子の通過する速度を乗算したものに等しい。言い換えれば、
ｄＶ_ｉ＝ｔ_ｉ・Ｆ・ｈ（ｔ_ｉ）・Δｔ
であり、積分により、
【００１５】
【数２】

【００１６】
が求まる。
上記の式の積分は、１つの粒子が注入個所から測定個所まで進むのに必要な平均時間である平均通過時間Ｔ_ｍｎを表す。したがって、
Ｖ＝Ｆ・Ｔ_ｍｎ
又は
Ｆ＝Ｖ／Ｔ_ｍｎ 、 Ｔ_ｍｎ＝Ｖ／Ｆ
であり、この式は、流量は体積を平均通過時間で割ったものに等しいという基本的な事実を表している。
【００１７】
上記の導出は言及した指示薬希釈法に対してなされたが、同じ分布関数を使用することができるので、結果は熱希釈についても同じである。
関連のある従来技術
「Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｆｌｏｗ， ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ」という名称で１９９７年１月３０日に出願された出願者自身の国際特許出願ＷＯ９７／２７８０２は、圧力・温度・流量の組合わせ型センサを開示している。そこには、特許の請求されているセンサの利用が、熱流体速度計法及び熱希釈法の応用の点で述べられている。
【００１８】
しかしながら、時間測定は、測定点の上流側の点における温度センサを通過する冷食塩水で起動される。これは、温度センサを備えた特殊な案内用カテーテルを必要とする。
【００１９】
発明の概要
したがって、本発明は、注入から測定点までの通過時間の正確な測定に基づき、熱希釈原理を利用して、流量パラメータを決定するシステムを提供することを目的とする。これは、注入個所例えば側定点から遠く離れた場所での測定点における圧力センサで記録された圧力信号を使用することで達成される。
【００２０】
本発明は、時間測定を開始するために圧力信号応答の異なる起動点を選択し、通過時間を計算するために温度応答曲線上の異なる点を選択することを含む。本発明に係るシステムは請求項１に定義される。
【００２１】
好ましい実施の形態及び動作の最良の形態の詳細な説明
ここで、図面を参照して、本発明を一層詳細に説明することにする。本願のために、用語「センサ」は、一体のユニット、感知要素の組立て体、又は、物理的には別個の感知要素であるが互いに近接して配置されている別個の感知要素を意味するものを理解されるべきである。特に、そのような「センサ」は案内用ワイヤの遠位の先端に、又はそのような案内用ワイヤの遠位領域に取り付けられるが、それに限定されるものではない。
【００２２】
ここでは、本発明を、冠状血管の血液流量の測定に使用される場合を例として説明する。しかし、理解すべきことであるが、本発明はそのような用途に限定されるものではなく、実際、任意の流量測定、例えば、他の医療分野、さらに医療でない分野にも使用することができる。
【００２３】
従来技術に係る、図１に概略的に図示した構成は、遠位の先端に取り付けられた圧力・温度組合わせ型センサ４を有する案内用ワイヤ２を含む。この案内用ワイヤは案内用カテーテル６に挿入され、組立て体の全体が冠状血管８に中に入れられる。
【００２４】
案内用カテーテル６には、管腔の開口部近くの遠端において温度センサ１０が設けられる。それぞれのセンサの出力は、制御のために及び前述の理論を使用して計算を行うために、電子回路及びソフトウエアを含む制御装置１２に結合される。
【００２５】
熱希釈測定法が行われるべきときに、案内用カテーテル６は、遠位の開口部まで全体に、冷食塩水、例えば血液温度（通常、約３７゜）よりも例えば１０℃低い温度の冷食塩水で満たされる。当該温度は、適切な勾配が記録されるように血液温度と十分に違っていなければならないが、決定的なものではない。冷食塩水の温度は４〜１０℃であるのが好ましい。次いで、小量の、例えば０．１〜５ｍｌ、好ましくは０．１〜２ｍｌ、最も好ましいのは０．１〜０．５ｍｌのボーラスが、血液流量及び注入と測定との間の距離に依存して、通常は近端において案内用カテーテル６に注入される。それによって、対応する量が案内用カテーテルの遠位の開口部から血管中に放出され、流れる血液によって測定点に向かって運ばれる。冷食塩水が案内用カテーテルの遠位の先端にある温度センサ１０を通過するとき、温度センサは温度勾配を記録し、それに応答して前記制御装置１２のタイマ１４が始動する。再び、冷食塩水のボーラスが案内用ワイヤの遠位の先端にあるセンサ４を通過するとき、温度勾配が記録される。制御装置１２のソフトウエアは、記録されたデータを処理して、結果として流量パラメータの値を出力する。
【００２６】
図２において、本発明に係る構成が図示されている。図１の要素に対応する要素には、同じ参照数字が付されている。ここで、本発明によれば、案内用カテーテル６の温度センサ１０は除去され、その代わりに、組合わせ型センサ４が注入を記録するために使用される。これが可能なのは、注入によって引き起こされる圧力パルスが、流れる流体中を音速で伝わるからであり、これは、本発明の目的のためには、記録は注入と同時に行われるものと見なし得ることを意味する。
【００２７】
注入時のセンサ４の出力は制御装置１２で記録され、タイマがスタートする。他の点では、本方法は、図１に関連して上述した方法と同じに行われる。
食塩水のボーラス量が、案内用ワイヤの先端にあるセンサ４に到達すると、温度勾配が記録され、所望の流量パラメータを生成するよう制御装置のソフトウェアによって処理される。
【００２８】
一つの実施の形態においては、本明細書で前に述べたように、分布関数を時間で積分することにより、平均通過時間を計算することができる。代わりに、適切な流量パラメータとして温度勾配のピーク値Ｔ_ｐｅａｋを使用することができる。
【００２９】
本方法を実施する他の実施の形態においては、食塩水の注入は、案内用カテーテル６の内側に挿入され且つ案内用ワイヤ２を覆う補助カテーテル１４から行うことができる（図３参照）。これの利点は次の通りである。即ち、センサが枝路に位置し、案内用カテーテルの遠位の開口部及びセンサから血管において流路から分路する他の枝路がある場合には、これらの枝路は血管中を流れる液体の実際の通過時間に影響を及ぼす。したがって、測定精度は低下する。補助カテーテルを設けることにより、干渉する枝路を無くすように配置される注入点を選択することができるようになる。
【００３０】
また、この場合、補助カテーテルの管腔は遠位の開口部まで満たされ、次いで、注入が近端から行われ、それによって遠位の開口部から液体が放出される。好ましい実施の形態においては、補助カテーテルには、注入が「シャワー」と同様であるように、遠端において側孔１６が設けられる。もちろん、補助カテーテルが使用されない場合には、案内用カテーテルにも側孔を設けることができる。
【００３１】
冷食塩水のボーラスが移動する距離は、計算された平均通過時間Ｔ_ｍｎが少なくとも約１秒であり、最長で１０秒程度になるように、血液流量等を考慮して選択されるのが好ましい。距離が短いほど、時間測定の相対誤差は大きくなる。その理由は、測定された時間Ｔ_ｍｎは、通常は１秒かそれよりも長い１心臓サイクルよりも長くなければならないからである。
【００３２】
図４には、実際の測定のグラフが図示されている。記録された圧力信号及び記録された温度勾配が、同じ記録計用紙に示されている。
一つの実施の形態では、圧力信号の到来でタイマが起動されて、時間スケール上の３．６から経過時間を測定し始める。この場合の計算されたＴ_ｍｎは１．３秒に等しく、グラフでは垂直線で示されている。圧力信号の到来は、もちろん、様々な方法で定義することができる。前記到来を、ベースラインからの或る割合の例えば１０％の変位と解することができる。この割合は、もちろん、特定の状況に適応されるべきであり、比較的広い限界の中で変更可能である。
【００３３】
他の可能性もまた利用することができる。例えば、時間測定を起動するために、信号の最大値又はピーク値を使用することも考えられる。
注入の形態に依存して、圧力信号は様々なプロファイルを有し得る。非常に急速な注入を行うと、極端に狭いピークが生じ、この場合には、最大ピーク値が非常に適している。
【００３４】
注入の他の形態は、比較的はっきりと画定された正負の側面を有する「方形」の信号を生じる。この場合には、信号の中点の値を測定の開始点とすることができる。この種のパルスは、比較的大きな分量が、一定流量で例えば０．５〜２秒の期間にわたって比較的ゆっくりと注入された場合に得られる。
【００３５】
精度を高めるために、秒又は１０分の１秒のオーダーの極めて短い時間スケール内で、２以上の連続した測定を行うことができる。これは、測定されたＴ_ｍｎが１心臓サイクルの持続時間に近い場合に特に重要である。
【００３６】
時間測定の精度を向上させて流量パラメータを決定する方法は、いわゆる冠状動脈分別予備力（ＣＦＲ）を決定するのに適している。これは、上で引用した出願者自身の出願（ＷＯ ９７／２７８０２）で議論されている。そこでは、休息中及び労働中の流量パラメータＱを決定するために、いわゆる熱流体速度計法が使用され、ＣＦＲは、
ＣＦＲ＝Ｑｗｏｒｋ／Ｑｒｅｓｔ
として計算される。
【００３７】
本発明によれば、ＣＦＲを決定するために、平均通過時間Ｔ_ｍｎを使用することも可能である。即ち、ＱはＶ／Ｔ_ｍｎに比例するから、ＣＦＲは、
ＣＦＲ＝Ｔ_{ｍｎ，ｒｅｓｔ}／Ｔ_{ｍｎ，ｗｏｒｋ}
となる。
【００３８】
冠状血管の血液流量の測定法の観点から、本発明を説明してきた。しかし、当業者であれば認識するところであるが、時間測定を起動するために注入圧力パルスを使用するという原理は、他の多くの流量測定にも適用できる。特に、注入されたボーラスが、測定点で適宜の検出器により検出される種を含んでいる限り、測定点においてボーラスの分量を検出するために、他の物理的又は化学的パラメータ、例えば、ｐＨ、ＣＯ_２のような溶質の濃度、酸素、食塩、生物学的に活性な種等を利用することが考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 時間測定を起動するために温度センサを使用することにより通過時間を測定する、従来技術（ＷＯ９７／２７８０２）に係る構成を概略的に示す図である。
【図２】 本発明に係る構成を概略的に示す図である。
【図３】 本発明に係るシステムの他の実施の形態を示す図である。
【図４】 時間の関数として測定個所の温度分布のグラフを示す図である。

Claims (4)

1. 細いチャネルの中を流れる流体の流量パラメータを測定するシステムであって、
   遠位の端部を有する案内用ワイヤであって、前記流れる流体の圧力及び他の物理的又は化学的特性を選択的に検出して前記圧力及び他の物理的又は化学的特性を表す信号を出力するセンサ手段（４）を備えた案内用ワイヤ（２）と、
   前記センサ手段（４）に結合された制御装置（１２）と、
   圧力パルスを作るために、前記流れる流体中に、前記流れる流体の前記選ばれた特性と識別可能な別の物理的又は化学的特性を有する液体のボーラスの量を注入する手段と、
   前記センサ手段（４）で検出された前記圧力パルスに応答して時間の測定を開始するように結合された、前記制御装置（１２）におけるタイマ手段と、
   前記の測定された時間及び前記他の物理的又は化学的特性を表す前記信号を処理するための、前記制御装置（１２）における処理手段と、
   前記の処理された信号に基づいて、流量パラメータを計算するための、前記制御装置（１２）における手段と、
   を含むシステム。
2. 前記センサ手段が圧力及び温度を検出する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記注入する手段が、遠位の開口部を有する案内用カテーテルを含む、請求項２に記載のシステム。
4. 前記注入する手段が、前記案内用カテーテルの内側に設けられ且つ前記案内用カテーテルの前記遠位の開口部から伸長可能な補助注入カテーテルを更に備え、それによって、前記チャネルの内側に選択可能な注入点を設ける、請求項３に記載のシステム。

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