Чувствительный к форме ультразвуковой зонд - RU2699331C2

Чертежи

Описание

Уровень техники

Область техники

Настоящее раскрытие относится к медицинским инструментам и, более конкретно, к системе определения формы, используемой с ультразвуковым зондом для вычисления фракционного резерва кровотока в медицинских применениях.

Описание предшествующего уровня техники

Фракционный резерв кровотока (ФРК) представляет собой метод, используемый в коронарной катетеризации для измерения разниц давления по сторонам стеноза коронарной артерии (сужение, обычно вызванное атеросклерозом) для определения вероятности того, что стеноз препятствует доставке кислорода к сердечной мышце (ишемия миокарда). Во время коронарной катетеризации катетер вводят с использованием интродьюсера и направителя. ФРК использует маленький датчик на кончике проводника (обычно преобразователь) для измерения давления, температуры и потока для определения точной тяжести повреждения. Современная клиническая практика предполагает измерение давления с использованием проводника давления до и после потенциального стеноза. Альтернативно, может быть выполнено вытягивание проводника давления, и давления фиксируют вдоль сосуда. При том, что проводник давления позволяет измерять давление, его введение может также приводить искажениям в структуре потока, что ведет к некорректным измерениям.

В качестве неинвазивной альтернативы все более важным становится моделирование фракционного резерва кровотока (ФРК) на основании изображений объемной компьютерной томографической (КТ) ангиографии (КТА). Однако, одним из важнейших компонентов для моделирования ФРК является точное знание основной геометрии сосуда, исходя из которой затем рассчитывается моделирование.

Сущность изобретения

В соответствии с принципами настоящего изобретения медицинская система включает в себя медицинский инструмент, выполненный с возможностью интервенционного разворачивания, и систему определения формы, смонтированную на или в медицинском инструменте и выполненную с возможностью измерения формы медицинского инструмента во время интервенционного разворачивания. Устройство визуализации смонтировано на или в медицинском инструменте и выполнено с возможностью визуализации просвета, в котором разворачивают устройство визуализации. Модуль совмещения выполнен с возможностью совмещения формы медицинского инструмента с изображением просвета в конкретный момент времени для реконструирования трехмерной геометрии просвета с учетом движения.

Медицинская система для слежения за движением просвета для моделирования фракционного резерва кровотока (ФРК) включает в себя медицинский инструмент, выполненный с возможностью интервенционного разворачивания, и систему определения формы, смонтированную на или в медицинском инструменте и выполненную с возможностью измерения формы медицинского инструмента во время интервенционного разворачивания. Устройство визуализации смонтировано на или в медицинском инструменте и выполнено с возможностью визуализации просвета, в котором разворачивают устройство визуализации. В состав входит процессор, и память связана с процессором. Память включает в себя модуль совмещения, выполненный с возможностью совмещения формы медицинского инструмента с изображением просвета в конкретный момент времени для предоставления объединенных данных, которые реконструируют геометрию с учетом движения просвета. Модуль моделирования ФРК выполнен с возможностью вычисления характеристик потока в просвете на основании объединенных данных.

Способ слежения за движением просвета включает в себя предоставление медицинского инструмента с системой определения формы, смонтированной на или в медицинском инструменте, и медицинским устройством визуализации, смонтированном на или в медицинском инструменте; одновременное измерение изображения просвета с помощью медицинского устройства визуализации и формы медицинского инструмента во время интервенционного разворачивания; и соединение формы медицинского инструмента с изображением просвета в соответствующие моменты времени для реконструирования трехмерной геометрии просвета с учетом движения.

Эти и другие цели, признаки и преимущества настоящего раскрытия будут понятны из следующего подробного описания его иллюстративных вариантов осуществления, которое следует читать в связи с прилагаемыми чертежами.

Краткое описание чертежей

Настоящее раскрытие подробно представляет следующее описание предпочтительных вариантов осуществления со ссылкой на следующие фигуры, причем:

фиг. 1 представляет собой технологическую блок-схему, изображающую медицинскую систему, включающую в себя систему определения формы и зонд или устройство визуализации в соответствии с одним вариантом осуществления;

фиг. 2 представляет собой схему, изображающую контуры, полученные при определении формы, для трех имеющих временные метки ультразвуковых изображений и опорное положение для вычисления характеристик потока в соответствии с одним вариантом осуществления;

фиг. 3 представляет собой иллюстрацию поперечного сечения изображения кровеносного сосуда, полученного с помощью внутривенного ультразвукового зонда в соответствии с одним вариантом осуществления;

фиг. 4 представляет собой вид сбоку иллюстративного медицинского инструмента для осуществления измерений фракционного резерва кровотока (ФРК) в соответствии с принципами настоящего изобретения; и

фиг. 5 представляет собой технологическую схему, изображающую способ определения трехмерной геометрии просвета в движении в соответствии с иллюстративными вариантами осуществления.

Подробное описание вариантов осуществления

Фракционный резерв кровотока (ФРК) представляет собой метод, используемый в коронарной катетеризации для измерения разниц давления по сторонам, например, стеноза коронарной артерии. Обычно в инвазивной процедуре для измерения разницы давления до и после стеноза, потенциального стеноза или области интереса используют проводники давления. В соответствии с принципами настоящего изобретения используют альтернативный вариант посредством применения чувствительного к форме визуализационного зонда (например, внутрисосудистого ультразвукового (ВСУЗ) зонда или устройства визуализации оптической когерентной томографии (ОКТ)) для моделирования фракционного резерва кровотока. Тогда как ВСУЗ (или ОКТ) производит непрерывные измерения диаметра просвета и сосудистой стенки, определение формы делает возможным трехмерную реконструкцию сосуда даже в присутствии сердцебиения и респираторного движения. Данную информацию можно использовать для генерации точной трех- или даже четырехмерной модели (пространственно-временной) сосуда в качестве входных данных для вычисления ФРК с использованием, например, вычислительной гидродинамики.

Чувствительный к форме внутрисосудистый ультразвуковой (ВСУЗ) зонд использует специально разработанный катетер с миниатюрным ультразвуковым зондом, прикрепленным к дистальному концу катетера, для измерения как просвета, так и стенки кровеносных сосудов. При том, что ВСУЗ позволяет осуществление непрерывных измерений, реконструкция геометрии всего сосуда является сложной, особенно при сердцебиении и респираторных движениях, которые могут вызывать неопределенность в местоположении, из которого получены измерения.

Эти проблемы могут быть преодолены посредством изменения формы катетера ВСУЗ. Это может быть сделано с помощью системы определения формы (например, оптического определения формы или электромагнитного слежения за множеством датчиков), прикрепленной к катетеру ВСУЗ. Зная как форму зонда ВСУЗ, так и измерения сосудистого просвета и стенки, полученные от ВСУЗ, можно реконструировать геометрию сосуда. Если эта информация доступна, она может стать исходной точкой последующего моделирования ФРК.

Следует понимать, что настоящее изобретение будет описано в терминах медицинских инструментов; однако, идеи настоящего изобретения гораздо шире и применимы к любым инструментам. В некоторых вариантах осуществления принципы настоящего изобретения используются при отслеживании или анализе сложных биологических или механических систем. В частности, принципы настоящего изобретения применимы к процедурам внутреннего слежения в биологических системах, процедурам во всех областях тела, таких как легкие, желудочно-кишечный тракт, выделительные органы, кровеносные сосуды и так далее. Элементы, изображенные на фигурах, могут быть воплощены в различных комбинациях аппаратного обеспечения и программного обеспечения и предоставляют функции, которые могут быть объединены в одном элементе или многих элементах.

Функции различных элементов, показанных на фигурах, могут предоставляться посредством применения специализированного аппаратного обеспечения, а также аппаратного обеспечения, способного к выполнению программного обеспечения в связи с подходящим программным обеспечением. При обеспечении посредством процессора функции могут обеспечиваться посредством одного специализированного процессора, одного совместно используемого процессора или посредством множества отдельных процессоров, некоторые из которых могут быть совместно используемыми. Кроме того, явное использование термина "процессор" или "контроллер" не следует интерпретировать как относящееся исключительно к аппаратному обеспечению, способному к выполнению программного обеспечения, и оно может неявно включать, без ограничения, аппаратное обеспечение цифрового сигнального процессора ("DSP"), доступную только для чтения память ("ROM") для хранения программного обеспечения, память с произвольным доступом ("RAM"), энергонезависимое устройство хранения и так далее.

Кроме того, предполагается, что все утверждения настоящего описания, перечисляющие принципы, аспекты и варианты осуществления настоящего изобретения, а также их конкретные примеры, охватывают как их структурные, так и функциональные эквиваленты. Кроме того, предполагается, что такие эквиваленты включают как известные в настоящее время эквиваленты, так и эквиваленты, которые будут разработаны в будущем (то есть любые разрабатываемые элементы, которые осуществляют ту же функцию, независимо от структуры). Таким образом, например, специалистам в данной области техники будет ясно, что блок-схемы, представленные в настоящем документе, представляют концептуальные виды иллюстративных компонентов системы и/или схему, воплощающую принципы настоящего изобретения. Аналогично, следует понимать, что любые карты технологического процесса, технологические схемы и тому подобное представляют различные процессы, которые могут быть по существу представлены в машиночитаемых средах для хранения и вследствие этого выполнены компьютером или процессором, показан ли явно такой компьютер или процессор или нет.

Кроме того, варианты осуществления настоящего изобретения могут принимать форму компьютерного программного продукта, доступного на используемой компьютером или машиночитаемой среде для хранения, предоставляющей программный код для использования посредством компьютера или любой системы выполнения команд или в соединении с ними. Для целей настоящего описания используемая компьютером или машиночитаемая среда для хранения может представлять собой любое приспособление, которое может содержать, хранить, сообщать, распространять или передавать программу для использования посредством системы, приспособления или устройства выполнения команд или в соединении с ними. Данная среда может представлять собой электронную, магнитную, оптическую, электромагнитную, инфракрасную или полупроводниковую систему (или приспособление или устройство) или среду распространения. Примеры машиночитаемой среды включают полупроводниковую или твердотельную память, магнитную ленту, сменную компьютерную дискету, память с произвольным доступом (RAM), доступную только для чтения память (ROM), жесткий магнитный диск и оптический диск. Современные примеры оптических дисков включают компакт-диск с доступной только для чтения памятью (CD-ROM), компакт-диск с возможностью перезаписи (CD-R/W), Blu-Ray™ и DVD.

Если теперь обратиться к чертежам, на которых одинаковые номера представляют одни и те же или аналогичные элементы, и в первую очередь к фиг. 1, то на ней иллюстративно показана система 100 для измерения внутрипросветных характеристик с использованием позволяющих определение формы устройств с ультразвуковыми или другими системами визуализации, и в частности с внутривенным ультразвуком (ВСУЗ), в соответствии с типичными вариантами осуществления. Система 100 может включать в себя рабочую станцию или консоль 112, с которой наблюдают за процедурой и/или управляют ей. Рабочая станция 112, предпочтительно, включает в себя один или несколько процессоров 114 и память 116 для хранения программ и приложений. Память 116 может хранить модуль 115 определения и интерпретации, выполненный с возможностью интерпретации сигналов обратной связи (например, электромагнитных или оптических) от устройства или системы 104 определения формы. Модуль 115 определения и интерпретации выполнен с возможностью использования обратной связи с помощью оптических сигналов (и любой другой обратной связи, например электромагнитного (EM) слежения, если вместо оптического определения формы используют EM слежение) для реконструирования деформаций, отклонений и других изменений, связанных с медицинским устройством или инструментом 102 и/или окружающей его областью. Медицинское устройство 102 может включать в себя катетер, направитель, зонд, эндоскоп, робот, электрод, фильтрующее устройство, баллонное устройство или другой медицинский компонент и так далее. Медицинское устройство 102 включает в себя ультразвуковой зонд 106, выполненный с возможностью генерации и приема ультразвуковых волн для визуализации объема или субъекта 160 и, в частности, сосудистой стенки или геометрии. В дополнение к мгновенный информации о форме, получаемой от УЗ зонда 106, благодаря движению может быть получена общая форма сосуда 160 с использованием системы 104 определения формы. УЗ зонд 106 работает в соединении с системой 110 визуализации, которая может быть включена в состав рабочей станции 112 или быть реализована как отдельный блок. Система 110 визуализации может включать в себя, например, оптическую когерентную томографию (ОКТ) для получения изображения ткани вместо УЗ. В таком случае зонд 106 может быть заменен источником света и приемником света для осуществления ОКТ. ОКТ можно рассматривать эффективно как "оптический ультразвук", визуализирующий отражения внутри ткани для получения изображений поперечного сечения. ОКТ основана на световых, а не на ультразвуковых волнах. Оптический луч направляют в ткань, и собирают небольшую часть этого света, которая отражается от подповерхностных элементов. Для фиксации длины оптического пути полученных фотонов используют интерферометрию, что позволяет исключать большинство фотонов, которые многократно подвергались рассеянию до детектирования. ОКТ может строить ясные 3D изображения образцов посредством исключения фонового сигнала, при этом собирая свет, непосредственно отраженный от поверхностей интереса.

Если система 104 определения формы на устройстве 102 включает в себя оптическое определение формы, система 104 определения формы включает в себя одно или несколько оптических волокон, которые связаны с устройством 102 по установленной схеме или схемам. Оптические волокна соединяются с рабочей станцией 112 посредством кабельной системы 127, равно как и УЗ зонд 106 (или устройство для ОКТ). Кабельная система 127 может включать в себя волоконную оптику, электрические соединения, другое оборудование и так далее по необходимости.

Система 104 определения формы с волоконной оптикой может быть основана на датчиках на волоконно-оптической брэгговской решетке. Волоконно-оптическая брэгговская решетка (ВБР) представляет собой короткий сегмент оптического волокна, который отражает определенные длины волн света и пропускает все остальные. Это достигается посредством внесения периодических изменений показателя преломления сердцевины волокна, что создает специфическое к длине волны диэлектрическое зеркало. Поэтому волоконную брэгговскую решетку можно использовать в качестве встроенного оптического фильтра для блокировки определенных длин волн или в качестве специфического к длине волны отражателя.

Фундаментальным принципом, лежащим в основе работы волоконной брэгговской решетки, является отражение Френеля на каждой из границ раздела, на которых изменяется показатель преломления. Для некоторых длин волн отраженный свет различных периодов находится в фазе, так что имеет место усиливающая интерференция для отражения и, в связи с этим, ослабляющая интерференция для пропускания. Брэгговская длина волны чувствительна к напряжению, а также к температуре. Это означает, что брэгговские решетки можно применять в качестве чувствительных элементов в волоконно-оптических датчиках. В ВБР-датчике измеряемая величина (например, деформация) вызывает сдвиг брэгговской длины волны.

Одним преимуществом данного метода является то, что различные элементы датчика могут быть распределены по длине волокна. Включение трех или более сердцевин с различными датчиками (размерами) вдоль длины волокна, которое встроено в структуру, позволяет точно определять трехмерную форму такой структуры, как правило с точностью, превышающей 1 мм. Вдоль длины волокна в различных положениях можно располагать множество ВБР-датчиков (например, 3 или более чувствительных сердцевин волокон). Из измерения деформации каждой ВБР можно сделать вывод о кривизне структуры в данном положении. Из множества измеренных положений определяют общую трехмерную форму.

В качестве альтернативы волокно-оптическим брэгговским решеткам можно использовать свойственное обычному оптическому волокну обратное рассеяние. Один из таких подходов заключается в использовании рэлеевского рассеяния в стандартном одномодовом коммуникационном волокне. Рэлеевское рассеяние происходит в результате случайных флуктуаций показателя преломления в сердцевине волокна. Данные случайные флуктуации можно моделировать брэгговской решеткой со случайным изменением амплитуды и фазы вдоль длины решетки. Посредством использования данного эффекта в трех или более сердцевинах, проложенных по одной длине многожильного волокна, можно следить за 3D-формой и динамикой поверхности интереса.

В другом варианте осуществления вместо использования оптического определения формы система 104 определения формы может включать в себя матрицу EM датчиков (не показаны), которая может обеспечивать возможность определения формы с использованием генератора 125 поля и программного обеспечения для слежения (например, модуля 115). При том, что необходима только одна модальность определения формы, фиг. 1 показывает структуру как для оптического определения формы, так и для определения формы с помощью EM слежения с иллюстративными целями.

В одном варианте осуществления рабочая станция 112 включает в себя модуль 148 генерации изображений, выполненный с возможностью приема обратной связи от системы 104 определения формы и отображения снимков или накопленных данных о положении в отношении того, где система 104 определения находится в объеме 160. Например, для каждого УЗ измерения m_x временную метку t_x связывают с изображением и положением p_x, определенным с помощью УЗ зонда 106. m_x(p_x, t_x) синхронизируют и совмещают с данными системы 104 определения формы для получения трехмерной формы устройства 102. Трехмерная форма сосуда может мгновенно изменяться из-за сердцебиения, дыхания, движения пациента и так далее. В соответствии с принципами настоящего изобретения данные о форме могут быть использованы для коррекции или учета изменений формы/размеров в сосуде 160, так что может быть определена более точная 3D-модель. В одном варианте осуществления данные о форме используют для сравнения изменений между двумя или более имеющими временные метки изображениями, полученными с помощью УЗ, как показано на фиг. 2. Благодаря измерению формы устройства 102 ВСУЗ (например, катетера) форма зонда 106 ВСУЗ, а также измерения сосудистого просвета и стенки, полученные от зонда 106 ВСУЗ, могут быть использованы для реконструирования более полной геометрии сосуда. Если эта информация доступна, она может являться исходной точкой для последующего моделирования фракционного резерва кровотока (ФРК) или другого вычисления или исследования в модуле 150 моделирования ФРК.

Тогда как введение обычного проводника давления ведет к локальным искажениям кровотока, настоящие варианты осуществления могут быть использованы для моделирования потока на основании полученной информации о точной геометрия 3D-модели сосуда. ВСУЗ делает возможным получение непрерывных измерений, однако реконструкция геометрии всего сосуда только на основании ВСУЗ сложна, особенно когда сердцебиение и респираторное движение вызывают неопределенность в местоположении, из которого получены измерения. Однако, в соответствии с принципами настоящего изобретения эти проблемы также могут быть преодолены посредством изменения формы катетера ВСУЗ. Если известны как форма зонда ВСУЗ, так и измерения сосудистого просвета и стенки, полученные от ВСУЗ, геометрию сосуда можно реконструировать и сохранить в модели 144. Это также применимо к ОКТ.

Настоящие варианты осуществления могут моделировать кровоток на основании полученной информации о геометрии для предотвращения необходимости в искажении кровотока. С настоящими вариантами осуществления можно во время интервенции эффективным образом получать необходимую информацию о форме для создания модели формы, получаемой из ВСУЗ и измерений формы. Данный способ имеет более высокую точность по сравнению с КТ-сканированием. Кроме того, из данных ВСУЗ могут быть определены свойства сосудистой стенки, и, таким образом, параметры модели сосуда, такие как, например, локальная эластичность, могут быть модифицированы и интегрированы в моделирование вычислительной гидродинамики. Комбинированный катетер ВСУЗ-ООФ (оптическое определение формы) выдает полностью четырехмерную модель 144 сегмента сосуда в отличие от наборов 3D-данных, обычно получаемых из наборов данных КТ.

Временную зависимость формы кровеносного сосуда извлекают из сигнала формы в соответствии с периодическими изменениями формы вследствие дыхательного и сердечного движения. Как дыхательное, так и сердечное движение имеют различные продолжительности циклов и легко должны детектироваться, а измерения скорости также могут давать указание на то, когда начинается сердечный или респираторный интервал. Таким образом, зависящая от сердечного цикла модель формы может быть получена и использована для зависящего от сердечной (или респираторной) фазы моделирования ФРК.

В одном варианте осуществления с использованием оптического определения формы для генерации очень точной модели (144) по меньшей мере два волокна ООФ с известным взаимным расположением в пространстве в своих конечных точках могут быть включены в состав катетера ВСУЗ-ООФ для решения проблемы вращательного совмещения измененных данных ВСУЗ. Оценка размера (площади) ветвей сосуда, отходящих от главного сосуда, через который тянут катетер, может быть получена с использованием определения формы и УЗ с помощью устройства 102. Эти данные о ветвях можно использовать для вычисления данных фракционного резерва кровотока. Ответвляющиеся сосуды при осуществлении вытягивания ВСУЗ будут выглядеть как "отверстия" в сосудистой стенке. Для моделирования ФРК к этим отверстиям должны быть прикреплены трубчатые структуры для обеспечения точных границ модели.

УЗ изображения 134 (или другие изображения, например ОКТ) и данные (изображения) 136 определения формы могут быть совмещены и отображены на устройстве 118 отображения. Рабочая станция 112 включает в себя дисплей 118 для просмотра внутренних изображений субъекта (пациента) или объема 160 и может включать в себя изображения 134 и 136 в качестве накладного элемента или другую визуализацию истории изменений положения с течением времени.

Модуль 140 компенсации движения и моделирования (или модуль совмещения) включает в себя алгоритмы для совмещения и компенсации трехмерной геометрии сосуда с использованием информации о сосудистой стенке (УЗ) и данных о форме (определение формы). Модуль 140 может быть использован для соединения или совмещения измерений как от ВСУЗ, так и от определения формы и осуществляет 3D-моделирование для мгновенных измерений геометрии для повышения точности измерений для таких применений, как моделирование ФРК и тому подобное. Модуль 140 может выдавать модель 144 для лучшей аппроксимации потока в кровеносном сосуде, например для моделирования ФРК в модуле 150.

ФРК может также использовать другие параметры, например давление, температуру и данные потока, измеренные с помощью одного или нескольких датчиков или преобразователей 142 для определения точной тяжести повреждения или для сбора геометрических или других данных для построения модели 144. Эти параметры не являются необходимыми, но могут предоставлять дополнительную информацию в некоторых вариантах осуществления. Моделирование ФРК может быть осуществлено с помощью рабочей станции 112, или собранные данные могут быть использованы другими системами.

Дисплей 118 может также позволять пользователю взаимодействовать с рабочей станцией 112 и ее компонентами и функциями или любым другим элементом в системе 100. Этому также способствует интерфейс 120, который может включать в себя клавиатуру, мышь, джойстик, гаптическое устройство или любое другое периферийное или управляющее устройство для обеспечения пользователя обратной связью и взаимодействием с рабочей станцией 112.

На фиг. 2 показаны УЗ данные в трех положениях (p₀, p₁, p₂), имеющих место, соответственно, в моменты времени (t₀, t₁, t₂), в виде линий 200, 201 и 202 поперечного сечения. Чувствительный к форме ВСУЗ предоставляет формы 210, 211 и 212, входящие в линии 200, 201 и 202 поперечного сечения. Определение формы делает возможным измерение соответствующей трехмерной формы катетера ВСУЗ. Из-за сердцебиения и дыхательного движения могут иметь место значительные сдвиги. Однако, поскольку измеряют всю форму, возможно совмещение с опорной формой 226, из которой можно реконструировать геометрию сосуда. Опорная форма 226 может быть рассчитана на основании движения (например, экстраполяция, интерполяция, усреднение, определение статичного положения, определение положения, в котором во время цикла оказывается положение наибольшей продолжительности, и так далее), как показано стрелками 220, 221 и 222.

Опорная форма 226 может быть получена посредством, во-первых, полного введения чувствительного к форме ВСУЗ и получения формы в момент одной конкретной метки времени УЗ системы, например измерения с временной меткой, которая является наиболее близкой к опорной форме. Весь кровеносный сосуд можно реконструировать с использованием опорной формы 226 и УЗ данных, которые могут включать в себя множество изображений 230 поперечного сечения, одно из которых иллюстративно изображено на фиг. 3. Таким образом, движение кровеносного сосуда 232 лучше понятно во время движения, и может быть обеспечено более точное вычисление ФРК или других параметров. Характеристики, влияющие на кровоток и ФРК, могут включать бляшку 234 и аномалии 236, такие как стеноз и так далее, и будут присутствовать на УЗ изображениях.

ФРК определяют как давление позади (дистально) стеноза по отношению к давлению до стеноза. Результат является абсолютной величиной; ФРК, равный 0,50, означает, что данный стеноз вызывает падение кровяного давления 50%. Другими словами, ФРК выражает максимальный поток по сосуду в присутствии стеноза по сравнению с максимальным потоком при гипотетическом отсутствии стеноза. Во время коронарной катетеризации катетер вводят в бедренную (пах) или радиальную артерии (запястье). Обычный ФРК использует небольшой датчик на конце устройства (обычно преобразователя) для измерения давления, температуры и потока для определения точной тяжести повреждения. Это осуществляется во время максимального кровотока (гиперемия), который может быть вызван посредством инъекции, например, аденозина или папаверина. Значения давления регистрируют по всему сосуду.

В математических терминах ФРК представляет собой отношение максимального кровотока дистальнее стенотического повреждения к обычному максимальному потоку в том же сосуде. ФРК=P_d/P_a (P_d = давление дистальнее повреждения, P_a = давление проксимальнее повреждения). Не существует абсолютной точки отсечки, в которой ФРК становится аномальным. При этом в клинических исследованиях использовали точку отсечки 0,75-0,80. Более высокие значения указывают на незначительный стеноз, тогда как более низкие значения указывают на значительное повреждение.

Определение того, какое из сужений или повреждений в кровеносном сосуде воздействует на падение давления, обычно затруднено. ФРК обеспечивает функциональную оценку посредством измерения снижения давления в результате сужения сосудов. Посредством предоставления трехмерных данных о форме в сочетании с УЗ визуализацией можно учитывать и лучше понимать форму и динамику кровеносного сосуда для обеспечения лучших оценок моделирования ФРК. Моделирование ФРК в соответствии с принципами настоящего изобретения может моделировать поток вдоль всего сосуда без введенного зонда для измерения давления. В этом заключается отличие от обычного ФРК, который выполняет измерения только в двух точках (до и после стеноза) с введением зонда для измерения давления.

Зная как форму зонда ВСУЗ, так и измерения сосудистого просвета и стенки, полученные от ВСУЗ, можно реконструировать геометрию сосуда. Например, настоящая система (100, фиг. 1) может измерять форму постоянно вместе с зондом ВСУЗ, который обеспечивает измерение просвета поперечного сечения сосуда. В таком случае целью является объединение всех измерений поперечного сечения для получения 3D-реконструкции геометрии сосуда. Измерения собирают во время введения зонда (106). Если бы система была статичной, нужно было бы только ввести зонд и собрать измерения. Однако, поскольку накладываются дыхательное движение и сердцебиение, измерения должны быть совмещены в одну общую систему координат. Для этого совмещения может быть полезной информация о форме, поскольку она делает возможным совмещение одной центральной линии с другой, например опорной формой 226, посредством поиска из одной центральной линии ближайшей точки на другой центральной линии. Если эта информация доступна, ее можно использовать для последующего моделирования ФРК.

В одном примере форма катетера известна в каждой точке во времени, что предоставляет 3D-положение и вектор направления. Ориентация зонда ВСУЗ также известна благодаря системе определения формы (например, множеству оптических волокон). Измерения ВСУЗ регистрируют в той же системе координат на форме катетеров, и поперечные сечения ВСУЗ выравнивают вдоль этой формы. Получаемый сосудистый просвет высокого разрешения представляют в виде модели поверхности всех поперечных сечений и используют в качестве ввода при вычислении ФРК.

На фиг. 4 иллюстративно показано чувствительное к форме устройство 300 ВСУЗ в соответствии с одним вариантом осуществления. Устройство 300 включает в себя катетер; однако, могут быть предоставлены другие медицинские инструменты для обеспечения необходимой функциональности для чувствительной к форме визуализации внутрипросветного содержимого кровеносных сосудов. Устройство 300 включает в себя УЗ зонд 302 для в/в регистрации геометрии просвета и сосудистой стенки. Устройство включает в себя устройство 304 определения формы, включающее в себя, например, оптические волокна 305 (или с волоконными брэгговскими решетками, или с рэлеевским считыванием) или множество электромагнитных датчиков.

Необязательный преобразователь 306 может быть смонтирован на дистальной концевой части устройства 300 или рядом с ней или может быть обеспечен посредством канала 308 в устройстве 300 для осуществления считываний давления и/или температуры.

В одном варианте осуществления устройство 304 определения формы может включать в себя единственный электромагнитный датчик 310 на наконечнике устройства 300 (например, катетера). Этот упрощенный вариант осуществления предназначен для измерения не всей формы катетера ВСУЗ (300), но только положения наконечника. В этом случае снижение способности к определению формы должно быть компенсировано с помощью более совершенного алгоритма компенсации движения (в модуле 140), который восстанавливает трехмерную форму не посредством совмещения с опорной формой, но только по измерениям ВСУЗ вместе с информацией о положении конца, когда он перемещается вдоль кровеносного сосуда. Следует понимать, что устройство 300 может включать в себя другие функции и возможности вместо или в дополнение к описанным. Например, эндоскоп, баллон и так далее могут быть смонтированы на устройстве 300 или развернуты через канал 308.

На фиг. 5 показан способ реконструирования геометрии просвета в соответствии с принципами настоящего изобретения. В блоке 402 предоставляют медицинский инструмент (например, катетер) с системой определения формы, смонтированной на или в медицинском инструменте, и ультразвуковым зондом, смонтированным на или в медицинском инструменте. В блоке 404 медицинский инструмент внутривенно разворачивают для определения характеристики кровеносного сосуда или другого просвета. В блоке 406 изображение просвета собирают с использованием ультразвукового зонда (или устройства ОКТ) при одновременном измерении формы медицинского инструмента во время интервенционного разворачивания. Система определения формы может включать в себя волоконно-оптическую систему определения формы, которая может включать в себя два или более волокна, множество последовательно расположенных электромагнитных датчиков или единственный электромагнитный датчик на конце медицинского инструмента.

В блоке 408 форму медицинского инструмента соединяют с изображением просвета в соответствующие моменты времени для моделирования геометрии просвета и учета движения просвета во время измерения. В блоке 410 рассчитывают фракционный резерв кровотока на основании объединенных данных от формы медицинского инструмента и изображения просвета. В блоке 412 может быть вычислено опорное положение между точками данных во времени для учета движения движущегося просвета. Опорное положение может быть вычислено на основании окружающих или последовательных данных, из которых могут быть определены характеристики в заданный момент времени. Опорное положение может быть определено на основании усреднения положений до и после заданного момента времени или интерполяции или экстраполяции опорного положения.

В блоке 414 объединенные данные могут включать в себя меньше целого набора данных о форме для инструмента. Это способствует уменьшению количества обрабатываемых данных, что приводит к уменьшению времени и стоимости обработки. В блоке 416 может быть сконструирована модель просвета на основании формы и изображения просвета. Модель может быть использована для вычисления фракционного резерва кровотока по длине кровеносного сосуда. Это может быть использовано для того, чтобы избежать искажения кровотока, вызванного присутствием медицинского инструмента в кровеносном сосуде или просвете. В блоке 418 могут быть выполнены другие вычисления на основании более точного отслеживания движения просвета.

В блоке 420 процедура продолжается по мере необходимости с последующим удалением медицинского инструмента и закрыванием надреза, через который инструмент входит в тело субъекта.

При интерпретации прилагаемой формулы изобретения следует понимать, что:

a) слово "содержащий" не исключает присутствия элементов или действий, отличных от перечисленных в данном пункте формулы изобретения;

b) единственное число элемента не исключает присутствия множества таких элементов;

c) любые ссылочные позиции в пунктах формулы изобретения не ограничивают их объем;

d) несколько "средств" могут быть предоставлены одним и тем же элементом или структурой или функцией, реализованными с помощью аппаратного обеспечения или программного обеспечения; и

e) не предполагается, что требуется определенная последовательность действий, если иное не указано специально.

При том, что описаны предпочтительные варианты осуществления чувствительного к форме ультразвукового зонда для моделирования фракционного резерва кровотока (которые, как предполагается, являются иллюстративными и неограничивающими), следует отметить, что специалистами в данной области техники могут осуществляться модификации и изменения в свете вышеизложенных идей. Следовательно, следует понимать, что могут осуществляться изменения в конкретных вариантах осуществления раскрытого раскрытия, которые лежат в пределах объема вариантов осуществления, раскрытых в настоящем документе, как обозначено прилагаемой формулой изобретения. Таким образом, при том, что описаны детали и подробности, требуемые патентным законодательством, то, что заявляется и предполагается защитить патентом, изложено в прилагаемой формуле изобретения.

Реферат

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к средствам определения формы для вычисления фракционного резерва кровотока в медицинских применениях. Медицинская система для реконструирования геометрии просвета при моделировании фракционного резерва кровотока содержит медицинский инструмент, выполненный с возможностью интервенционного разворачивания, систему определения формы, смонтированную на или в медицинском инструменте и выполненную с возможностью измерения формы медицинского инструмента во время интервенционного разворачивания и сбора данных о форме во множестве моментов времени и положений, устройство визуализации, смонтированное на или в медицинском инструменте и выполненное с возможностью визуализации просвета, в котором разворачивают устройство визуализации, одновременно с измерением формы медицинского инструмента, и модуль совмещения, выполненный с возможностью вычисления опорной формы на основании движения просвета из данных о форме для совмещения опорной формы медицинского инструмента с изображением просвета в заданный момент времени для обеспечения объединенных данных, с помощью которых реконструируют трехмерную геометрию просвета с учетом движения просвета во время измерения. Использование изобретения позволяет повысить корректность измерений при моделировании фракционного резерва кровотока. 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула