Способ оценки стабильности атеросклеротической бляшки посредством интраваскулярной оптической когерентной томографии

Изобретение относится к медицине, а именно к диагностике. Применяют пороговый ограничитель к обрабатываемым трехмерным исходным данным для определения вокселей с уровнем сигнала выше или ниже порогового, определения сигнала от кровеносного сосуда, вычисления расстояния от крайнего воксела атеросклеротической бляшки до центра кровеносного сосуда, идентификацию кальциевых отложений, идентификацию структуры в форме полумесяца, вычисление площадей всех структур в составе атеросклеротической бляшки, включающих в себя по меньшей мере кальциевые отложения и структуру в форме полумесяца, вычисление общей площади атеросклеротической бляшки как суммы входящих в ее состав структур, расчет процентной доли каждой из структур в общей площади атеросклеротической бляшки. При этом обрабатываемыми данными являются синхронизированные по времени интерференционные сигналы интраваскулярной оптической когерентной томографии от стенки исследуемого участка кровеносного сосуда с атеросклеротической бляшкой, а также сведения об актуальном кровяном давлении и скорости кровотока в окрестности интраваскулярного датчика. Осуществляют идентификацию слоев стенки кровеносного сосуда, фиброзной покрышки, липидного ядра и области кальциевых отложений. При этом структуру в виде полумесяца считают совокупностью липидного ядра и фиброзной покрышки. Интерференционные сигналы предварительно обрабатывают посредством сочетания функций пороговой фильтрации, морфологической эрозии и морфологической дилатации. Предварительную идентификацию структур стенки исследуемого кровеносного сосуда с атеросклеротической бляшкой производят посредством интенсивности сигнала, используя табличные сведения об оптических свойствах структур в составе атеросклеротической бляшки. Производят уточнение геометрии границ идентифицированных структур посредством сравнения сведений о величине модуля Юнга для каждой из идентифицируемых структур с табличными сведениями о биомеханических свойствах всех структур в составе атеросклеротической бляшки. Величину модуля Юнга вычисляют как частное от деления произведения продольных размеров деформируемой области, нормальной составляющей вектора скорости потока и разности систолического и диастолического давления в исследуемом участке кровеносного сосуда на модуль абсолютного смещения структур в том же участке. При этом в качестве деформирующего воздействия учитывают пульсовую волну, абсолютные смещения структур. Размеры деформируемой области рассчитывают посредством сравнения по контрольным точкам структурных изображений интраваскулярной оптической когерентной томографии для моментов систолы и диастолы. Нормальную составляющую вектора скорости вычисляют посредством разложения этого вектора по координатным осям с последующим поворотом. Толщину фиброзной покрышки, после уточнения ее границ с учетом величины модуля Юнга, вычисляют в пределах отдельных сечений по линиям с шагом, равным пространственному разрешению интраваскулярного оптического когерентного томографа, в направлении, параллельном прямой, соединяющей крайний воксел атеросклеротической бляшки и центр кровеносного сосуда в этом сечении. Аналогичным образом определяют массивы толщин липидного ядра и кальциевых отложений. Вычисляют разность между суммой толщин фиброзной покрышки и кальциевых отложений с одной стороны и толщиной липидного ядра с другой. При этом атеросклеротическую бляшку считают стабильной, если суммарная толщина фиброзной покрышки и областей кальциевых отложений для всех проанализированных линий превышает толщину липидного ядра, в противном случае исследуемую атеросклеротическую бляшку признают нестабильной. Способ позволяет повысить точность оценки стабильности атеросклеротических отложений посредством учета не только процентной доли кальциевых отложений, но и минимальной толщины фиброзной покрышки, причем идентификация вышеуказанных структур осуществляется посредством сбора и анализа сведений об оптических и биомеханических свойствах исследуемой атеросклеротической бляшки. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области измерений для диагностических целей, в частности к способам оценки состояния сердечно-сосудистой системы посредством анализа структурных изображений стенок кровеносных сосудов, получаемых с помощью интраваскулярной оптической когерентной томографии, и может быть использовано в медицине и ветеринарии для определения стабильности атеросклеротических бляшек по их геометрическим характеристикам и структурному составу, а также для измерения частоты сердечных сокращений, т.е. для получения, компьютерной обработки и представления диагностических данных медицинскому персоналу в удобной для интерпретации форме.

Атеросклероз представляет собой поражение кровеносных сосудов в виде выступающих в их внутренний просвет бугристых образований (атеросклеротических бляшек). Состав атеросклеротических бляшек может быть довольно сложным, но чаще всего это холестерин и его эфиры, а также кальций, скопления макрофагов и тромбы. От наличия или отсутствия вышеуказанных компонентов, а также их процентной доли в составе атеросклеротической бляшки зависит ее стабильность. Этот параметр является чрезвычайно важным, т.к. атеросклероз является косвенной причиной значительной части смертей от инфаркта (закупорка коронарных артерий, отрыв части бляшки, формирование тромба рядом с бляшкой) и инсульта (закупорка церебральных артерий, формирование рядом с бляшкой и последующий разрыв аневризмы).

По патенту US 8150496 B2, A61B5/05 опубл. 03.04.2012г. известны способ и устройcтво для определения типа атеросклеротической бляшки посредством измерения оптических свойств биологических тканей. Способ определения типа атеросклеротической бляшки посредством измерения оптических свойств биологических тканей включает в себя: получение по меньшей мере одного (первого) интерферометрического сигнала ассоциированного с по меньшей мере одним электромагнитным излучением, возвращаемым от исследуемой бляшки, получение по меньшей мере одного (второго) интерферометрического сигнала ассоциированного с поменьшей мере одним электромагнитным излучением, возвращенным от эталона, генерирование по меньшей мере одного дополнительного сигнала, который связан с по меньшей мере одним интерферометрическим сигналом, при этом дополнительный сигнал ассоциирован с двулучепреломлением в поменьшей мере одной из составных структур исследуемой бляшки, причем ассоциированное с первым интерферометрическим сигналом электромагнитное излучение по меньшей мере частично возвращается с первой глубины по меньшей мере одной анатомической структуры, при этом ассоциированное со вторым интерферометрическим сигналом электромагнитное излучение по меньшей мере частично возвращается со второй глубины по меньшей мере одной анатомической структуры, причем первая глубина отличается от второй, определение (восстановление в результате вычислений) данных, связанных с пространственным расположением анатомической структуры в исследуемом образце на основе первого и второго из по меньшей мере одного интерференционного сигнала ассоциированного с каждым из использованных электромагнитный излучений. Техническим результатом способа определения типа атеросклеротической бляшки посредством измерения оптических свойств биологических тканей является высокоточное определение состава атеросклеротических бляшек посредством измерения коэффициента отражения для множества длин волн, низкокогерентной интерферометрии и измерения поляризации для анализируемых структур.

Недостатком способа определения типа атеросклеротической бляшки посредством измерения оптических свойств биологических тканей является отсутствие мультимодальности, в частности игнорирование биомеханических свойств структур атеросклеротической бляшки (стабильность бляшки прежде всего зависит от упругих свойств входящих в ее состав структур, и в меньшей мере от их пространственного расположения).

Ближайшим аналогом (прототипом) разработанного способа является способ автоматического анализа структуры кровеносных сосудов для выявления патологий в виде кальцийсодержащих и мягких бляшек (патент на способ и систему для автоматического анализа структуры кровеносных сосудов для выявления патологий в виде кальцийсодержащих и мягких бляшек US 7940977 B2, G06K 9/00, опубл. 10.05.2011г.), включающий в себя: применение порогового ограничения к обрабатываемым трехмерным исходным данным для определения вокселей с уровнем сигнала выше порогового, определение сигнала от кровеносного сосуда, как сигнала с максимальной интенсивностью из совокупности вокселей с уровнем сигнала выше порогового, вычисление расстояния от воксела с максимальной интенсивностью до центра кровеносного сосуда, сравнение найденного расстояния с пороговым значением для подобных расстояний, если рассчитанное расстояние больше порогового значения для расстояний, то производится идентификация кальциевых отложений, выполнение второго порогового ограничения для определения вокселов ниже второго порога, если обнаружены кальциевые отложения, то производится идентификация мягкой части атеросклеротической бляшки, как вокслей с уровнем сигнала ниже второго порогового значения, если отложения кальция не идентифицированы, то уточняется, имеют ли определенные вокселы (ниже второго порогового уровня) форму полумесяца, если определенные вокселы имеют форму полумесяца, то они идентифицируется как мягкая часть атеросклеротической бляшки, площадь идентифицированных кальциевых отложений вычисляется, площадь мягкой части атеросклеротической бляшки также вычисляется, вычисляются параметры препятствия (области атеросклеротического поражения) на основании известных площадей мягкой атеросклеротической бляшки и кальциевых отложений. Известны варианты способа автоматического анализа структуры кровеносных сосудов для выявления патологий в виде кальцийсодержащих и мягких бляшек в которых: дополнительно вычисляется параметр, характеризующий область атеросклеротических отложений в виде суммы площадей мягкой атеросклеротической бляшки и отложений кальция, дополнительный параметр нормируется посредством деления на площадь кровеносного сосуда, дополнительно содержится этап визуализации картограммы исследуемой атеросклеротической бляшки, исследуемым объектом является коронарный сосуд. Техническим результатом предложенного способа является высокоточное определение патологий кровеносных сосудов (кальциевых отложений и мягких частей атеросклеротических бляшек) и оценки их стабильности (процентная доля площади кальциевого отложения в составе всей атеросклеротической бляшки) за счет анализа данных медицинских диагностических исследований (в первую очередь компьютерной томографии).

Недостатком способа автоматического анализа структуры кровеносных сосудов для выявления патологий в виде кальцийсодержащих и мягких бляшек является отсутствие мультимодальности, в частности игнорирование биомеханических свойств структур атеросклеротической бляшки (стабильность бляшки прежде всего зависит от упругих свойств входящих в ее состав структур, и в меньшей мере от их пространственного расположения).

Технической задачей способа является повышение точности оценки стабильности атеросклеротических отложений посредством учета не только процентной доли кальциевых отложений, но и минимальной толщины фиброзной покрышки, причем идентификация вышеуказанных структур осуществляется посредством сбора и анализа сведений об оптических и биомеханических свойствах исследуемой атеросклеротической бляшки.

Поставленная техническая задача достигается тем, что способ оценки стабильности атеросклеротической бляшки посредством интраваскулярной оптической когерентной томографии, включает в себя применение порогового ограничения к обрабатываемым трехмерным исходным данным для определения вокселей с уровнем сигнала выше или ниже порогового, определение сигнала от кровеносного сосуда, вычисление расстояния от крайнего воксела атеросклеротической бляшки до центра кровеносного сосуда, идентификацию кальциевых отложений, идентификацию структуры в форме полумесяца, вычисление площадей всех структур в составе атеросклеротической бляшки, включающих в себя по меньшей мере кальциевые отложения и структуру в форме полумесяца, вычисление общей площади атеросклеротической бляшки как суммы входящих в ее состав структур, расчет процентной доли каждой из структур в общей площади атеросклеротической бляшки.

Новым в разработанном способе оценки стабильности атеросклеротической бляшки посредством интраваскулярной оптической когерентной томографии является то, что обрабатываемыми данными являются синхронизированные по времени интерференционные сигналы интраваскулярной оптической когерентной томографии от стенки исследуемого участка кровеносного сосуда с атеросклеротической бляшкой, а также сведения об актуальном кровяном давлении и скорости кровотока в окрестности интраваскулярного датчика, осуществляют идентификацию слоев стенки кровеносного сосуда, фиброзной покрышки, липидного ядра и области кальциевых отложений, причем структуру в виде полумесяца считают совокупностью липидного ядра и фиброзной покрышки, интерференционные сигналы предварительно обрабатывают посредством сочетания функций пороговой фильтрации, морфологической эрозии и морфологической дилатации, предварительную идентификацию структур стенки исследуемого кровеносного сосуда с атеросклеротической бляшкой производят посредством интенсивности сигнала, используя табличные сведения об оптических свойствах структур в составе атеросклеротической бляшки, производят уточнение геометрии границ идентифицированных структур посредством сравнения сведений о величине модуля Юнга для каждой из идентифицируемых структур с табличными сведениями о биомеханических свойствах всех структур в составе атеросклеротической бляшки, величину модуля Юнга вычисляют как частное от деления произведения продольных размеров деформируемой области, нормальной составляющей вектора скорости потока и разности систолического и диастолического давления в исследуемом участке кровеносного сосуда на модуль абсолютного смещения структур в том же участке, в качестве деформирующего воздействия учитывают пульсовую волну, абсолютные смещения структур, размеры деформируемой области рассчитывают посредством сравнения по контрольным точкам структурных изображений интраваскулярной оптической когерентной томографии для моментов систолы и диастолы, нормальную составляющую вектора скорости вычисляют посредством разложения этого вектора по координатным осям с последующим поворотом, толщину фиброзной покрышки, после уточнения ее границ с учетом величины модуля Юнга вычисляют в пределах отдельных сечений по линиям с шагом равным пространственному разрешению интраваскулярного оптического когерентного томографа в направлении параллельном прямой, соединяющей крайний воксел атеросклеротической бляшки и центр кровеносного сосуда в этом сечении, аналогичным образом определяют массивы толщин липидного ядра и кальциевых отложений, вычисляют разность между суммой толщин фиброзной покрышки и кальциевых отложений с одной стороны и толщиной липидного ядра с другой, при этом атеросклеротическую бляшку считают стабильной, если суммарная толщина фиброзной покрышки и областей кальциевых отложений для всех проанализированных линий превышает толщину липидного ядра, в противном случае исследуемую атеросклеротическую бляшку признают нестабильной.

На фиг. 1 и фиг. 2 в виде блок-схемы проиллюстрирована последовательность действий по оценке стабильности атеросклеротической бляшки в соответствии с формулой изобретения. Все ключевые действия дополнены примечаниями (справа от элементов блок-схемы с фиг. 1. и фиг. 2.)

Серия разрушающих лабораторных экспериментов с тканеимитирующими фантомами кровеносных сосудов по определению стабильности атеросклеротической бляшки в потоках кровеимитирующей жидкости (1% раствор интралипида в воде) в соответствии с предложенным способом, показала, что точность расчетов повышена более чем на 19% по сравнению с прототипом, что свидетельствует о выполнении поставленной технической задачи.

Способ оценки стабильности атеросклеротической бляшки посредством интраваскулярной оптической когерентной томографии, включающий в себя применение порогового ограничения к обрабатываемым трехмерным исходным данным для определения вокселей с уровнем сигнала выше или ниже порогового, определение сигнала от кровеносного сосуда, вычисление расстояния от крайнего воксела атеросклеротической бляшки до центра кровеносного сосуда, идентификацию кальциевых отложений, идентификацию структуры в форме полумесяца, вычисление площадей всех структур в составе атеросклеротической бляшки, включающих в себя по меньшей мере кальциевые отложения и структуру в форме полумесяца, вычисление общей площади атеросклеротической бляшки как суммы входящих в ее состав структур, расчет процентной доли каждой из структур в общей площади атеросклеротической бляшки, отличающийся тем, что обрабатываемыми данными являются синхронизированные по времени интерференционные сигналы интраваскулярной оптической когерентной томографии от стенки исследуемого участка кровеносного сосуда с атеросклеротической бляшкой, а также сведения об актуальном кровяном давлении и скорости кровотока в окрестности интраваскулярного датчика, осуществляют идентификацию слоев стенки кровеносного сосуда, фиброзной покрышки, липидного ядра и области кальциевых отложений, причем структуру в виде полумесяца считают совокупностью липидного ядра и фиброзной покрышки, интерференционные сигналы предварительно обрабатывают посредством сочетания функций пороговой фильтрации, морфологической эрозии и морфологической дилатации, предварительную идентификацию структур стенки исследуемого кровеносного сосуда с атеросклеротической бляшкой производят посредством интенсивности сигнала, используя табличные сведения об оптических свойствах структур в составе атеросклеротической бляшки, производят уточнение геометрии границ идентифицированных структур посредством сравнения сведений о величине модуля Юнга для каждой из идентифицируемых структур с табличными сведениями о биомеханических свойствах всех структур в составе атеросклеротической бляшки, величину модуля Юнга вычисляют как частное от деления произведения продольных размеров деформируемой области, нормальной составляющей вектора скорости потока и разности систолического и диастолического давления в исследуемом участке кровеносного сосуда на модуль абсолютного смещения структур в том же участке, в качестве деформирующего воздействия учитывают пульсовую волну, абсолютные смещения структур, размеры деформируемой области рассчитывают посредством сравнения по контрольным точкам структурных изображений интраваскулярной оптической когерентной томографии для моментов систолы и диастолы, нормальную составляющую вектора скорости вычисляют посредством разложения этого вектора по координатным осям с последующим поворотом, толщину фиброзной покрышки, после уточнения ее границ с учетом величины модуля Юнга, вычисляют в пределах отдельных сечений по линиям с шагом, равным пространственному разрешению интраваскулярного оптического когерентного томографа, в направлении, параллельном прямой, соединяющей крайний воксел атеросклеротической бляшки и центр кровеносного сосуда в этом сечении, аналогичным образом определяют массивы толщин липидного ядра и кальциевых отложений, вычисляют разность между суммой толщин фиброзной покрышки и кальциевых отложений с одной стороны и толщиной липидного ядра с другой, при этом атеросклеротическую бляшку считают стабильной, если суммарная толщина фиброзной покрышки и областей кальциевых отложений для всех проанализированных линий превышает толщину липидного ядра, в противном случае исследуемую атеросклеротическую бляшку признают нестабильной.