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特許7058264血管内光干渉断層撮影法を用いた冠動脈プラークの自動特徴分析およびリスク評価のためのシステムおよび方法
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  • 特許-血管内光干渉断層撮影法を用いた冠動脈プラークの自動特徴分析およびリスク評価のためのシステムおよび方法 図1
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-04-13
(45)【発行日】2022-04-21
(54)【発明の名称】血管内光干渉断層撮影法を用いた冠動脈プラークの自動特徴分析およびリスク評価のためのシステムおよび方法
(51)【国際特許分類】
   A61B 1/00 20060101AFI20220414BHJP
   A61B 1/313 20060101ALI20220414BHJP
   A61B 1/045 20060101ALI20220414BHJP
   G06T 7/00 20170101ALI20220414BHJP
【FI】
A61B1/00 526
A61B1/313 510
A61B1/045 618
A61B1/045 614
G06T7/00 612
G06T7/00 350C
【請求項の数】 16
(21)【出願番号】P 2019516914
(86)(22)【出願日】2017-06-08
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2019-07-04
(86)【国際出願番号】 US2017036587
(87)【国際公開番号】W WO2017214421
(87)【国際公開日】2017-12-14
【審査請求日】2020-06-04
(31)【優先権主張番号】62/347,379
(32)【優先日】2016-06-08
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】518435404
【氏名又は名称】リサーチ ディヴェロプメント ファウンデーション
(74)【代理人】
【識別番号】110000109
【氏名又は名称】特許業務法人特許事務所サイクス
(72)【発明者】
【氏名】ミルナー トーマス イー
(72)【発明者】
【氏名】バルアー ヴィクラム ラル
(72)【発明者】
【氏名】ザヘディヴァス アイディン
(72)【発明者】
【氏名】マッケルロイ オースティン
(72)【発明者】
【氏名】フェルドマン マーク ディー
(72)【発明者】
【氏名】ホイト テイラー ブレント
【審査官】高松 大
(56)【参考文献】
【文献】米国特許第05995651(US,A)
【文献】特開平09-185714(JP,A)
【文献】特表2016-515032(JP,A)
【文献】特表2011-521747(JP,A)
【文献】特表2013-532295(JP,A)
【文献】Lambros S. Athanasiou et al,Methodology for fully automated segmentation and plaque characterization in intracoronary optical coherence tomography images,Journal of Biomedical Optics,2014年02月,Vol.19(2),026009-1~13
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
A61B 1/00
A61B 1/313
A61B 1/045
G06T 7/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
光干渉断層撮影法の光源を備える撮影装置とコンピューターで読み取り可能な一時的でない媒体を含むシステムであって、前記撮影装置は、プラークを含んでいる血管内組織の画像を取得するために構成されており、かつ、該一時的でない媒体が、該プラークを複数の組織型のうちの第1の組織型として分類するように構成された第1のニューラルネットワークを用いて、該画像の画素を分析するために;該プラークを複数の組織型のうちの第2の組織型として分類するように構成された第2のニューラルネットワークを用いて、該画像の該画素を分析するために;および、該プラークを複数の組織型のうちの第3の組織型として分類するように構成された第3のニューラルネットワークを用いて、該画像の該画素を分析するために構成されており、
前記複数の組織型からの組織学的データを分析して、前記第1、第2および第3のニューラルネットワークを訓練するために選択された組織型の画素を特徴付ける、
システム。
【請求項2】
前記第一の組織型が脂質プラークであり、前記第二の組織型が石灰化プラークであり、そして前記第三の組織型が線維性プラークである、請求項1に記載のシステム。
【請求項3】
コンピューターで読み取り可能な一時的でない媒体は、受信者動作特性(ROC)曲線を使用して複数の特徴の感度と特異度を算出し、第1、第2および第3のニューラルネットワークを最適化するように構成されている、請求項1又は2に記載のシステム。
【請求項4】
前記複数の特徴が、コントラスト、エネルギー、相関、均質性、エントロピー、および最大確率のうちの1つ以上のグレーレベル同時生起行列(GLCM)特徴を含んでいる、請求項3に記載のシステム。
【請求項5】
前記複数の特徴が、平均値、分散、歪度、尖度、およびエネルギーのうちの1つ以上の二次元画像統計値を含む、請求項3に記載のシステム。
【請求項6】
前記撮影装置がさらに、短パルス励起光源を含んでいる、請求項1に記載のシステム。
【請求項7】
前記撮影装置がさらにフォトニック結晶ファイバーを含み、前記フォトニック結晶ファイバーは、同時に、前記光干渉断層撮影光源から試料部位への第1の波長の単一モード伝播を可能にし;前記短パルス光源から前記試料部位への第2の波長の単一モード伝播を可能にし;前記第1の波長から生成される光干渉断層撮影信号を、前記試料部位から送信し;および、前記短パルス光源からの前記第2の波長によって誘導されるエミッション信号を、試料部位から送信する;ように構成されている、請求項6に記載のシステム。
【請求項8】
冠動脈プラークを特徴付ける方法であって、プラークを複数の組織型のうちの第1の組織型として分類するように構成された第1のニューラルネットワークを用いて画像の画素の定量的データを分析すること(ここで、前記第1のニューラルネットワークは第1の複数のノードを含み、第1の複数の特徴を読み取り、前記画像は、光ファイバーから光を放射している光干渉断層撮影光源を用いて取得した、プラークを含有する血管内組織を含む試料部位の画像である);前記プラークを前記複数の組織型のうちの第2の組織型として分類するように構成された第2のニューラルネットワークを用いて前記画像の前記画素の定量的データを分析すること(ここで、前記第2のニューラルネットワークは第2の複数のノードを含み、第2の複数の特徴を読み取る);および、前記プラークを前記複数の組織型のうちの第3の組織型として分類するように構成された第3のニューラルネットワークを用いて前記画像の前記画素の定量的データを分析すること(ここで、前記第3のニューラルネットワークは第3の複数のノードを含み、第3の複数の特徴を読み取る)を含み、
前記複数の組織型からの組織学的データを分析して、前記第1、第2および第3のニューラルネットワークを訓練するために選択された組織型の画素を特徴付ける、
方法。
【請求項9】
前記第一の組織型が脂質プラークであり、前記第二の組織型が石灰化プラークであり、そして前記第三の組織型が線維性プラークである、請求項8に記載の方法。
【請求項10】
画像の複数の分類特徴に関する真陽性に対する偽陽性の比をプロットする受信者動作特性(ROC)曲線を計算することによって、前記第1、第2および第3のニューラルネットワークを最適化することを含む、請求項8に記載の方法。
【請求項11】
前記複数の分類特徴のそれぞれについて各受信者動作特性(ROC)曲線下面積を計算することを含む、請求項10に記載の方法。
【請求項12】
前記複数の分類特徴それぞれの前記各受信者動作特性(ROC)曲線下面積によって、前記複数の分類特徴をランク付けすることをさらに含む、請求項11に記載の方法。
【請求項13】
前記第1、第2および第3のニューラルネットワークに関する前記分類特徴の感度と特異度を計算することをさらに含む、請求項12に記載の方法。
【請求項14】
感度が、前記第1、第2、および第3のニューラルネットワークのそれぞれによって正しく分類されたプラーク型の既知のデータ点の割合である、請求項13に記載の方法。
【請求項15】
特異度が、前記第1、第2、および第3のニューラルネットワークそれぞれの特定のカテゴリのプラーク組織型に関する、正しい分類の全分類に対する比率である、請求項13に記載の方法。
【請求項16】
前記第1、第2、および第3のニューラルネットワークのそれぞれについて、前記特異性と前記感度の和が最高値になるノードと分類特徴の組み合わせを選択することによって、前記第1、第2、および第3のニューラルネットワークのそれぞれが最適化される、請求項13に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願との相互参照
本出願は、2016年6月8日に出願された米国仮特許出願第62/347,379号に対する優先権を主張するものであり、その全内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【0002】
本発明は、国立衛生研究所より助成金(番号EB007507)の交付を受け、政府の支援に基づいて実施されたものであり、米国政府は本発明に一定の権利を有する。
【0003】
心筋梗塞を引き起こすアテローム性動脈硬化症とプラーク破裂は、今もなお、世界的に死亡の主因である(1)。炎症およびその基礎となる細胞機構と分子機構は(2-4)、アテローム発生の開始から進行、プラーク破裂そして最終的な血栓症までに寄与している。ビルマーニ(Virmani)によって「薄いキャップをもつ線維性プラーク」として最近定義された不安定プラーク(5)は炎症の結果として生じ、典型的には65μm未満の薄い線維性キャップをもち、平滑筋細胞の減少を伴うマクロファージの浸潤の増加、および安定なプラークと比較して脂質コアサイズが大きいことを特徴としている(6-8)。
【0004】
現在では、薄いキャップをもつ線維性プラークの破裂を引き起こす細胞事象と分子事象のうちのいくつかが分かっており、これらは新規の画像撮影法の開発に用いられている。薄いキャップをもつ線維性プラークにおけるマクロファージの蓄積がマトリックスメタプロテアーゼ(MMP)の過剰発現を引き起こし(9-12)、このことが薄いキャップをもつ線維性プラークの破裂と血栓形成性の増加に寄与すると考えられている(13-15)。マクロファージは、冠状動脈、大脳および末梢循環におけるプラーク破裂の危険性を示す、重要な初期細胞マーカーである。プラークの不安定性は細胞組成と解剖学的構造に関係するため、組成と構造の両方を同時に明らかにできる診断法を開発することは不安定なプラークを同定ために望まれており、またそれは、心血管インターベンションに関連した縦断研究における心血管疾患のインビボでのモニタリングを可能にするだろう。
【0005】
血管内光断層撮影(IVOCT)は、最近開発された、カテーテルを使用した高解像度の血管内撮影法である。心血管撮影様式のうちでもIVOCTは、薄いキャップをもつ線維性プラークを撮影するのに十分な空間分解能を提供する唯一のアプローチである。
【0006】
しかしながら、プラーク破裂のリスクはIVOCT画像のみでは容易に評価することはできない。2光子ルミネッセンス(TPL)顕微鏡法は組織の非線形光学特性を利用するものであり、内皮細胞、平滑筋細胞(16)、エラスチン線維(17,18)、酸化LDL(19)および脂質液滴(20)などのプラーク構成要素をそれぞれの内因性自己蛍光に基づいて撮影するのに用いられている。近年では、ナノ粒子を負荷したマクロファージがTPL顕微鏡法によって検出できることも報告されている(21,22)。ファイバー型OCT(23,24)およびTPL顕微鏡(25-28)はそれぞれ、広帯域光を伝送してより広い空間分解能を実現するために、または超短パルスを伝送してシステムサイズを最小化するために、フォトニック結晶ファイバーを用いたものが報告されている。しかしながら、この両者を結合したファイバー型OCT-TPLシステムはこれまで実現していなかった。
【0007】
しかしながら、動脈プラーク組成を判断することができれば、アテローム性動脈硬化症の早期診断を有意に改善できる。不安定プラークの早期発見は、リスク要因の早期管理、将来の臨床結果の改善につながり、より標的化された治療法をもたらす可能性がある。冠動脈アテローム性動脈硬化性プラークは基本的に、脂質に富むか、線維性であるか、または石灰化した組織からなる。石灰化したプラークは安定的な病変に関係しているが、線維質および/または脂質組織の量が多い病変は不安定で薄いキャップのある線維筋症(TCFA)病変に関係している。TCFAは、プラーク破裂などの急性冠動脈事象の大半に関連しているため、非常に危険である(フジイ(Fujii)ら、2015)。また、プラーク組織の特徴分析は、ステントの配置を決めるのにも役立つ。例えば、金属性のステントを脂質プラークに隣接して配置すると非最適な治癒反応を示すが、金属性ステントを石灰化プラークに隣接して配置すれば、ステント血栓症またはステント内再狭窄を引き起こす可能性が上がる(ウギ(Ughi)ら)。したがってプラーク組成は、疾患および介入の結果の予測にとって極めて重要だと考えられる。さらに、プラーク形態の定量的特徴付けは、アテローム性動脈硬化症のメカニズムの理解を促し、新しい診断基準を明らかにし、新しい治療法の開発および試験を推進することに有用だろう。
【0008】
現在、プラークを臨床上分類するための基準は、血管内超音波法(IVUS)またはコンピューター断層撮影法(CT)によるスキャンに基づいている。プラークの特徴分析である定量的冠動脈造影の現在の業界標準であるIVUSは、線維性または脂質不安定プラークを一貫して同定することができなかった(ジャン(Jang)ら)。この限界はIVUSの距離分解能が約100μmであることに関連しており、病変の厚みが100μm未満であることが多い不安定プラークの検出には(例えばTCFAは65μm未満で測定される)、問題となる。
【0009】
しかしながら、血管内光干渉断層撮影法(IVOCT)の距離分解能は、典型的には10μmであり、より広範に渡る大きさのプラークの検出が可能となる。IVOCTは、カテーテルに取り付けられた光源からの広帯域干渉計を使用して、試料材料の屈折率および反射に基づいて画像を生成する。冠動脈の場合、動脈壁からの後方散乱光を制御された光路長の光で干渉することで、最大2mmまでの様々な組織深度で画像を生成することができる。そのため、動脈内を放射状に撮影するのに理想的である。加えて、IVOCTは、このミクロンレベルの分解能をリアルタイムで提供することができるため、非侵襲的カテーテルを使ったインビボでの血管内撮影のための優れたツールとなる。
【0010】
現在、IVOCTを使ったプラークの分類は主に、OCT画像の解読に熟練した専門家によってその領域の画素が線維性であるか、脂質であるか、または石灰化した組織であるかを都度、視覚的に分類されて構築された実地データに基づいて行われている。しかしながら、OCT画像の熟練者による分析は、誤った特徴付けをしがちである。マンフリーニ(Manfrini)らは、「誤解(専門家による誤った解釈)」が28例のOCT画像(全体で41%)(キャップのある線維性プラークで21例(31%)、石灰化プラークで6例(9%)、線維性プラークで1例(1%))に起きていたことを報告している(マンフリーニら)。このような誤った解釈や専門家への依存は、医療界において、診断のためにIVUSまたはCTスキャンよりもIVOCTを推進しようとする上で最も大きな障壁の一つとなっており、また、IVOCT分野での忠実度の欠如を示している。
【0011】
したがって、既存のプラーク分類技術には多くの欠点があり、システムおよび方法の改善が望まれている。
【発明の概要】
【0012】
本開示の例示的な態様は、冠動脈内に存在するプラーク組織を確認のために分類するための方法であって、組織学とIVOCT画像との共記録に基づく自動化されたアルゴリズム的方法を含む。組織分類システムのための本明細書に記載の強力なアルゴリズム的方法は、臨床上の代表的な手法である組織学に基づくものであり、その実際のデータから、IVOCTの可能性と臨床上の受け入れとの間のギャップを埋めることができる。
【0013】
本開示の例示的な態様は、血管内光干渉断層撮影法およびスマートアルゴリズムを使用し、自動化された、冠状動脈プラークの特徴付けおよびリスク評価のためのシステムおよび方法を含む。具体的な態様は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願公開第2014/0268168号および同第2016/0078309号に開示されているような光干渉断層撮影法システムおよび方法を組み込んでもよい。
【0014】
例示的な態様は、光干渉断層撮影法の光源を備える撮影装置とコンピューターで読み取り可能な一時的でない(持続性の:non-transitory)媒体を含むシステムを含み、ここで撮影装置は、プラークを含んでいる血管内組織の画像を取得するために構成されており、かつ、一時的でない媒体は、プラークを複数の組織型のうちの第1の組織型として分類するように構成された第1のニューラルネットワークを用いて、取得した画像の画素を分析するために;プラークを複数の組織型のうちの第2の組織型として分類するように構成された第2のニューラルネットワークを用いて、画像の画素を分析するために;および、プラークを複数の組織型のうちの第3の組織型として分類するように構成された第3のニューラルネットワークを用いて、画像の画素を分析するために、構成されている。
【0015】
特定の態様では、複数の組織型からの組織学的データを分析して、第1、第2および第3のニューラルネットワークを訓練するために選択した組織型の画素を特徴付ける。具体的な態様においては、第一の組織型は脂質プラークであり、第二の組織型は石灰化プラークであり、そして第三の組織型は線維性プラークである。いくつかの態様では、コンピューターで読み取り可能な一時的でない媒体は、第1、第2および第3のニューラルネットワークのノードを用いて画像の複数の特徴を評価することで第1、第2および第3のニューラルネットワークを最適化し、受信者動作特性(ROC)曲線を使用して、複数の特徴の感度と特異度を算出するように構成される。詳細な態様において、複数の特徴は、コントラスト、エネルギー、相関、均質性、エントロピー、および最大確率のうちの1つ以上グレーレベル同時生起行列(GLCM)特徴を含む。
【0016】
特定の態様において、複数の特徴は、平均値、分散、歪度、尖度、およびエネルギーのうちの1つ以上の二次元画像統計値を含む。具体的な態様において、光干渉断層撮影法の光源は、掃引性の光干渉断層撮影光源として構成される。いくつかの態様において、光干渉断層撮影法の光源は、広帯域性の光干渉断層撮影光源として構成される。詳細な態様では、撮影装置はさらに、短パルス励起光源を含む。特定の態様において、短パルス励起光源は、二光子発光光源である。
【0017】
具体的な態様では、撮影装置はさらにフォトニック結晶ファイバーを含み、このフォトニック結晶ファイバーは、同時に、光干渉断層撮影光源から試料部位への第1の波長の単一モード伝播を可能にし;短パルス光源から試料部位への第2の波長の単一モード伝播を可能にし;第1の波長から生成される光干渉断層撮影信号を、試料部位から送信し;短パルス光源からの第2の波長によって誘導されるエミッション信号を、試料部位から送信する;ように構成されている。
【0018】
詳細な態様はさらに、第1の二色性要素を含み、いくつかの態様では、第1の二色性要素は、第1および第2の波長を試料経路に向けるように構成される。特定の態様は、第2の二色性要素を含み、具体的な態様において第2の二色性要素は、2光子発光を光子計数検出器に向けるように構成される。詳細な態様は平衡型検出器を含み、特定の態様では、平衡型検出器は非干渉OCT成分を最小限に抑えるように構成される。具体的な態様には、光子計数検出器が含まれ、いくつかの態様では、光子計数検出器は光電子増倍管またはアバランシェフォトダイオードである。特定の態様において光子計数検出器は、二光子発光を検出するように構成される。
【0019】
具体的な態様は、冠動脈プラークを特徴付ける方法を含み、この方法は、光ファイバーから光を放射する光干渉断層撮影光源を用いて、プラークを含有する血管内組織を含む試料部位の画像を取得すること;プラークを複数の組織型のうちの第1の組織型として分類するように構成された第1のニューラルネットワークを用いて画像の画素の定量的データを分析すること(ここで、第1のニューラルネットワークは第1の複数のノードを含み、第1の複数の特徴を読み取る);プラークを複数の組織型のうちの第2の組織型として分類するように構成された第2のニューラルネットワークを用いて画像の画素の定量的データを分析すること(ここで、第2のニューラルネットワークは第2の複数のノードを含み、第2の複数の特徴を読み取る);および、プラークを複数の組織型のうちの第3の組織型として分類するように構成された第3のニューラルネットワークを用いて画像の画素の定量的データを分析すること(ここで、第3のニューラルネットワークは第3の複数のノードを含み、第3の複数の特徴を読み取る)、を含む。
【0020】
特定の態様では、複数の組織型からの組織学的データを分析して、第1、第2および第3のニューラルネットワークを訓練するために選択された組織型の画素を特徴付ける。具体的な態様において、第一の組織型は脂質プラークであり、第二の組織型は石灰化プラークであり、そして第三の組織型は線維性プラークである。いくつかの態様において定量的データは、コントラスト、エネルギー、相関、均質性、エントロピー、および最大確率のうちの1つまたは複数を含む特徴を分類することを含む。いくつかの態様において定量的データは、平均値、分散、歪度、尖度、およびエネルギーのうちの1つまたは複数を含む特徴を分類することを含む。詳細な態様は、画像の複数の分類特徴に関する真陽性に対する偽陽性の比をプロットする受信者動作特性(ROC)曲線を計算することによって、第1、第2および第3のニューラルネットワークを最適化することを含む。いくつかの態様はさらに、複数の分類特徴のそれぞれについて各受信者動作特性(ROC)曲線下面積を計算することを含む。いくつかの態様は、入力画像の異なる部分を最適に重み付けすることによって特徴を作成する能力を有する。そのような態様は、予め形成された定量的な値または特徴に依存しない。
【0021】
特定の態様はさらに、複数の分類特徴のそれぞれに関する各受信者動作特性(ROC)曲線下面積によって、複数の分類特徴をランク付けすることを含む。具体的な態様はさらに、第1、第2および第3のニューラルネットワークに関する分類特徴の感度および特異度を計算することを含む。いくつかの態様において感度は、第1、第2、および第3のニューラルネットワークのそれぞれによって正しく分類されたプラーク型の既知のデータ点の割合である。詳細な態様において特異度は、第1、第2、および第3のニューラルネットワークそれぞれの特定のカテゴリのプラーク組織型に関する、正しい分類の全分類に対する比率である。特定の態様では、第1、第2、および第3のニューラルネットワークのそれぞれについて、特異性と感度の和が最高値になるノードと分類特徴の組み合わせを選択することによって、第1、第2、および第3のニューラルネットワークのそれぞれは最適化される。
【0022】
具体的な態様は、血管内組織の画像を取得するために構成されている光干渉断層撮影法の光源を備える撮影装置と、画像内の血管内組織を複数の組織型のうちの第1の組織型として分類するように構成された第1のニューラルネットワークを用いて画像の画素を分析するように構成されたコンピューターで読み取り可能な一時的でない媒体を含むシステムを含む。特定の態様では、特定の工程を実行するように構成されたコンピューターで読み取り可能な一時的でない媒体は、コンピューターで読み取り可能な一時的でない媒体を読み取るように構成されたコンピュータープロセッサまたは他のハードウェアを介してそれらを実行することができる。いくつかの態様では、複数の組織型から得た組織学的データを分析して、第1のニューラルネットワークを訓練するために選択された画素の組織型を特徴付ける。具体的な態様においてコンピューターで読み取り可能な一時的でない媒体は、画像内の血管内組織を複数の組織型のうちの第2の組織型として分類するように構成された第2のニューラルネットワークを用いて画像の画素を分析するように構成される。いくつかの態様においてコンピューターで読み取り可能な一時的でない媒体は、画像内の血管内組織を複数の組織型のうちの第3の組織型として分類するように構成された第3のニューラルネットワークを用いて画像の画素を分析するように構成される。
【0023】
特定の態様では、複数の組織型から得た組織学的データを分析して、第1、第2および第3のニューラルネットワークを訓練するために選択された組織型のピクセルを特徴付ける。具体的な態様では、第一の組織型は脂質プラークであり、第二の組織型は石灰化プラークであり、そして第三の組織型は線維性プラークである。いくつかの態様においてコンピューターで読み取り可能な一時的でない媒体は、第1、第2および第3のニューラルネットワークのノードを用いて画像の複数の特徴を評価し、受信者動作特性(ROC)曲線を使用して感度と特異度の複数の特徴を計算することによって、第1、第2および第3のニューラルネットワークを最適化するように構成される。詳細な態様において複数の特徴は、コントラスト、エネルギー、相関、均質性、エントロピー、および最大確率)のうちの1つ以上のグレーレベル同時生起行列(GLCM)特徴を含む。特定の態様において、複数の特徴は、平均値、分散、歪度、尖度、およびエネルギーのうちの1つ以上の二次元画像統計値を含む。
【0024】
具体的な態様において、光干渉断層撮影法の光源は、掃引性の光干渉断層撮影光源として構成される。いくつかの態様において、光干渉断層撮影法の光源は、広帯域性の光干渉断層撮影光源として構成される。詳細な態様では、撮影装置はさらに、短パルス励起光源を含む。特定の態様において短パルス励起光源は、二光子発光光源である。
【0025】
具体的な態様では、撮影装置はさらに、同時に、光干渉断層撮影光源から試料部位への第1の波長の単一モード伝播を可能にし;短パルス光源から試料部位への第2の波長の単一モード伝播を可能にし;試料部位から、第1の波長から生成される光干渉断層撮影信号を送信し;試料部位から、短パルス光源からの第2の波長によって誘導されるエミッション信号を送信する;ように構成されたフォトニック結晶ファイバーをさらに含む。いくつかの態様はさらに第1の二色性要素を含み、詳細な態様では、第1の二色性要素は、第1および第2の波長を試料経路に向けるように構成される。
【0026】
特定の態様はさらに第2の二色性要素を含み、具体的な態様において第2の二色性要素は、2光子発光を光子計数検出器に向けるように構成される。いくつかの態様はさらに平衡型検出器を含み、詳細な態様では、平衡型検出器は非干渉OCT成分を最小限に抑えるように構成される。詳細な態様にはさらに、光子計数検出器が含まれ、特定の態様において光子計数検出器は、光電子増倍管またはアバランシェフォトダイオードである。具体的な態様において光子計数検出器は、二光子発光を検出するように構成される。
【0027】
特定の態様は、冠動脈プラークを特徴付ける方法を含み、この方法は、光ファイバーから光を放射する光干渉断層撮影光源を用いて、プラークを含有する血管内組織を含む試料部位の画像を取得すること;プラークを複数の組織型のうちの第1の組織型として分類するように構成された第1のニューラルネットワークを用いて画像の画素の定量的データを分析すること(ここで、第1のニューラルネットワークは第1の複数のノードを含み、第1の複数の特徴を読み取る);プラークを複数の組織型のうちの第2の組織型として分類するように構成された第2のニューラルネットワークを用いて画像の画素の定量的データを分析すること(ここで、第2のニューラルネットワークは第2の複数のノードを含み、第2の複数の特徴を読み取る);および、プラークを複数の組織型のうちの第3の組織型として分類するように構成された第3のニューラルネットワークを用いて画像の画素の定量的データを分析すること(ここで、第3のニューラルネットワークは第3の複数のノードを含み、第3の複数の特徴を読み取る)、を含む。
【0028】
具体的な態様では、複数の組織型からの組織学的データを分析して、第1、第2および第3のニューラルネットワークを訓練するために選択された組織型の画素を特徴付ける。いくつかの態様では、第一の組織型は脂質プラークであり、第二の組織型は石灰化プラークであり、そして第三の組織型は線維性プラークである。詳細な態様において定量的データは、コントラスト、エネルギー、相関、均質性、エントロピー、および最大確率のうちの1つまたは複数を含む特徴を分類することを含む。特定の態様において定量的データは、以下の二次元画像統計値(平均値、分散、歪度、尖度、およびエネルギー)のうちの1つまたは複数を含む特徴を分類することを含む。具体的な態様はさらに、画像の複数の分類特徴に関する真陽性に対する偽陽性の比をプロットする受信者動作特性(ROC)曲線を計算することによって、第1、第2および第3のニューラルネットワークを最適化することを含む。
【0029】
いくつかの態様はさらに、複数の分類特徴のそれぞれについて、各受信者動作特性(ROC)曲線下面積を計算することを含む。詳細な態様はさらに、複数の分類特徴のそれぞれに関する各受信者動作特性(ROC)曲線下面積によって、複数の分類特徴をランク付けすることを含む。特定の態様はさらに、第1、第2および第3のニューラルネットワークに関する分類特徴の感度および特異度を計算することを含む。具体的な態様において感度は、第1、第2、および第3のニューラルネットワークのそれぞれによって正しく分類されたプラーク型の既知のデータ点の割合である。いくつかの態様において特異度は、第1、第2、および第3のニューラルネットワークそれぞれの特定のカテゴリのプラーク組織型に関する、正しい分類の全分類に対する比率である。詳細な態様では、第1、第2、および第3のニューラルネットワークのそれぞれは、第1、第2、および第3のニューラルネットワークのそれぞれについて、特異性と感度の和が最高値になるノードと分類特徴の組み合わせを選択することによって、最適化される。
【0030】
特定の態様は、血管内組織の画像を取得するために構成されている光干渉断層撮影法の光源を備える撮影装置と、画像内の血管内組織を複数の組織型のうちの第1の組織型として分類するように構成された第1のニューラルネットワークを用いて画像の画素を分析するように構成されたコンピューターで読み取り可能な一時的でない媒体を含むシステムを含む。具体的な態様では、複数の組織タイプから得た組織学的データを分析して、第1のニューラルネットワークを訓練するために選択された画素の組織型を特徴付ける。いくつかの態様においてコンピューターで読み取り可能な一時的でない媒体は、画像内の血管内組織を複数の組織型のうちの第2の組織型として分類するように構成された第2のニューラルネットワークを用いて画像の画素を分析するように構成される。詳細な態様においてコンピューターで読み取り可能な一時的でない媒体は、画像内の血管内組織を複数の組織型のうちの第3の組織型として分類するように構成された第3のニューラルネットワークを用いて画像の画素を分析するように構成される。
【0031】
いくつかの態様では、線維性、石灰化および脂質プラークとして分類された3つの組織型の識別をさらに向上させるために、IVOCT画像における個々のA-スキャンに前処理および分類を施す。最初の個々のA-スキャンは、管腔境界の始まりから信号が減衰するところまでの信号に限定される。加えて、信号が最も急に減衰している領域も各A-スキャンから分離する。例示的な態様においてこのことは、信号強度の変化率に近似するアルゴリズムを適用するパニングウィンドウ(panning window)を使用することによって達成することができる。迅速で例示的な態様には、ウィンドウの端点における強度値間で勾配を計算するアルゴリズムを備えてもよい。他の態様では、一次または二次微分アルゴリズムを適用してもよい。ウィンドウサイズは、計算量が多すぎることなく、傾きの変化を正確に測定するように最適化する必要がある。A-スキャンの分析は、統計的な信号特徴とガウス分布への当てはめから導き出された特徴を抽出することによって行われる。例示的な態様において統計的特徴は、A-スキャン信号全体の下面積および対応する関心領域、ならびに信号が最も急に減衰している領域の開始点および終了点を含む場合がある。ガウス解析では、A-スキャン全体と分離した最も信号が急に減衰している領域が非常によく似ており、左右対称の信号分布を生成する。この非常によく似た分布を次の方程式で表されるガウス関数に当てはめる。
【式1】
【0032】

上記式から得られる変数a、b、およびcは、非常によく似た各分布の特徴として収集される。加えて、ガウス分布に対する適合度(GOF)は、非常によく似たそれぞれの信号の特徴として計算される。統計的特徴およびガウス分布から見た特徴は、例示的な態様における線形判別分析のように、各A-スキャンを脂質組織、線維性組織、または石灰化組織に対応するものとして分類するために、分類器に供給され得る。次いでこの分類を、ニューラルネットワークの出力の閾値を決めるために使用する。
【0033】
ニューラルネットワークの出力は、特定の組織型への分類を行うための、出力に適用される閾値を有する。Bスキャンの画素をニューラルネットワークに供給して出力が生成された後、これらのピクセルが存在するAスキャンが決定されて記録される。次いで、ニューラルネットワークの出力は、A-スキャンの処理において決定された分類に向けて分類を偏らせるためにそれらに適用される閾値を有するようになる。例えば、前処理段階でA-スキャンが脂質として分類された場合、石灰化ニューラルネットワーク出力および線維性ニューラルネットワーク出力には非常に満たすのが難しい、または高い閾値が適用されるが、脂質ネットワーク出力は閾値をたった0.5超えるだけでよい。このことにより、このA-スキャン内のすべての画素について、脂質以外のカテゴリに分類されるのは非常に明確な場合に限られるようになる。
【0034】
特定の態様は、表面上は脂質および石灰化である組織に対する、線維性組織および脂質、石灰化組織および結合組織の識別を改善する方法を含み、この方法は、(1)組織学および利用者の入力に基づいて、線維性組織、石灰化組織、脂質組織、および結合組織のそれぞれに特徴的なa-スキャンのデータベースを作成すること;(2)bースキャンから一回に1つずつ個々のaスキャンを解析すること;(3)組織領域を限定すること;(4)信号減衰領域の開始指標を特定すること;(5)信号減衰領域の終了指標を特定すること;(6)ガウス関数に対する適合度(GOF)を計算すること;(7)ガウス関数内の分母係数を抽出すること;(8)信号減衰領域の下面積を計算すること;(9)全境界組織領域の下面積を計算すること;および(10)工程(4)および(5)からの統計値をデータベース上で訓練された線形識別分析(LDA)に入力してa-スキャンを線維性、石灰化または脂質として分類すること、を含む。
【0035】
具体的な態様はさらに、上記工程(10)で得られたaスキャン分類に基づいて、ニューラルネットワークの閾値を偏らせることを含む。いくつかの態様では、組織領域の範囲を限定することには、管腔の始まりから、信号強度が最大強度の5パーセントである点までをサンプリングすることが含まれる。詳細な態様において信号減衰領域の開始指標を特定することには、ウィンドウの端点における強度値間で勾配が計算されるパニングウィンドウのアルゴリズムを使用すること;および、5つの連続するウィンドウが負の勾配を示すときに信号減衰領域iを決定すること、が含まれる。特定の態様において信号減衰領域の終了指標を特定することは、信号減衰領域内に、1つの正の勾配を有する5つの連続する窓を識別することを含む。
【0036】
これ以降において、「結合」という用語は、必ずしも直接ではなく、また必ずしも機械的にではないが、接続されていると定義される。
【0037】
特許請求の範囲および/または本明細書中において、用語「含む(comprising)」とともに使用されるときの用語「1」または「1つ」は「1」を意味し得るが、それはまた「1つ以上」または「少なくとも1つ」の意味とも一致する。「約」という用語は、一般に、記載されている値±5%を意味する。本開示は、どちらか一方の選択肢および「および/または」を指す定義を支持するが、請求項における用語「または」の使用は、どちらか一方のみを指すことが明示的に示されていない限り、または選択肢が相互に排他的である場合を除き、「および/または」を意味するように使用される。
【0038】
「備える(含む)(comprise)」(ならびに「備える(含む)(comprises)」および「備えている(含んでいる)(comprising)」などのあらゆる形態の備える)(含む))、「有する(have)」(ならびに「有する(has)」および「有している(having)」などのあらゆる形態の有する)、包含する(include)(ならびに「包含する(includes)」および「包含している(including)」などのあらゆる形態の含む、および「含む(contain)」(ならびに「含む(contains)」および「含んでいる(containing)」などのあらゆる形態の含む)などの用語は、制限のない連結動詞である。そのため、1つ以上の工程または要素を「備える(含む)」、「有する」、「包含する」または「含む」方法または装置は、それら1つ以上の工程または要素を伴うが、それら1つ以上の要素だけを伴うことに限定されない。同様に、ある方法の工程またはある装置の要素であって、1つ以上の特徴を「備える(含む)」、「有する」、「包含する」または「含む」工程または要素は、それらの1つ以上の特徴を伴う、それら1つ以上の特徴だけを伴うことに限定されない。さらに、特定の方法で構成された装置または構造は、少なくともそのように構成されているが、列挙されていない方法でも構成され得る。
【0039】
本発明の他の目的、特徴および利点は以下の詳細な説明から明らかになるであろう。しかしながら、詳細な説明および特定の実施例は、本発明の特定の態様を説明するものであるが、例示のためだけに掲載されるものであり、本発明の精神および範囲内での様々な変更形態および修正形態が、この詳細な説明から、当業者には明らかであることに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【0040】
特許または出願ファイルは、カラーで作成された少なくとも1つの図面を含む。カラー図面を含むこの特許または特許出願公開のコピーは、請求され、必要な料金が支払われれば、官庁により提供されるであろう。
【0041】
以下の図面は本明細書の一部を構成し、本開示の特定の局面をさらに論証するために含まれるものである。本発明は、本明細書に提示される特定の態様の詳細な説明と組み合わせてこれらの図面のうちの1つを参照することによって、より深く理解することができる。
【0042】
図1図1は例示的な態様による方法の概略図を示す。
図2図2はIV-OCTシステムから取得された画像を示す。
図3図3は特徴選択およびネットワークアーキテクチャ最適化のためのグラフを示す。
図4図4は特徴およびノード最適化ニューラルネットワーク(FANNON)を最適化するプロセスの概略図を示す。
図5図5は例示的な態様による光干渉断層撮影法システムの概略図を示す。
図6図6は、図5の態様の患者インターフェースモジュールの透視図を示す。
図7図7は、図6のカテーテルの概略図を示す。
図8図8は、図7のカテーテルの遠位端の部分断面図を示す。
図9図9は、例示的な態様による光干渉断層撮影法および短パルスレーザーシステムを示す。
【発明を実施するための形態】
【0043】
図1を参照すると、例示的な方法101の概要には、血管内光干渉断層撮影画像において観察される異なる種類の組織を分類するために実行される様々な工程が含まれることが分かる。例示的な方法およびシステムの概要を最初に提示し、続いて特定の特徴および要素をより詳細に説明する。図1に示す例示的な態様から分かるように、方法101は、血管内光干渉断層撮影画像を得るために動脈をスキャンする第1の工程111を含む。そのような画像の一例である201を図2に示す。画像201では、光源221を有するカテーテル211を用いて動脈組織231を撮影する。図2では、分かりやすくするために、カテーテル211の全ての構成要素を表示しているわけではないことを理解されたい。前述のように、具体的な態様では、そのような画像は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願公開第2014/0268168号および同第2016/0078309号に開示されるような光干渉断層撮影システムおよび方法を使用して取得され得る。
【0044】
図1に開示した態様では、以下により詳細に説明するように、方法101は次いで、工程121において画像データを組織学的データと共記録する。工程131は画像データ点の選択が実行され、続いて工程141で特徴抽出が行われる。これについても以下でさらに説明する。次いで、工程151では、画像内の組織を、異なるタイプの組織(例えば、脂質プラーク、線維性プラーク、および石灰化プラーク)に関する特徴およびノード最適化ニューラルネットワーク(FANONN)を使用して分類することができる。例示的な態様において画像データ点選択は、ユーザーによって手動で選択されてもよく(例えば、「ポイント・アンド・クリック」選択)、または組織のBースキャンにおける関心領域からのサンプリングを介してもよい。本明細書に開示された分類技術は他の組織型(非罹患組織を含む)にも同様に適用され得ると理解される。
【0045】
図3では、線維性最適化および脂質最適化の特徴およびアーキテクチャに関する特徴選択およびネットワークアーキテクチャ最適化についてのグラフを示している。図3の左側のグラフに示すように、感度および特異度は、特定の組織の分類に対して最適化するように選択された特徴を有するニューラルネットワークで最も高い。線維性プラーク用に最適化された特徴でネットワークが稼働していると、脂質の感度と特異性は悪化する。同様に、線維性の感度および特異性は、脂質プラーク用に最適化された特徴を実行しているネットワークで悪化する。
【0046】
図3の右側のグラフは、感度および特異度が、特定の組織型に分類するために最適化されたノードが(例えばニューロン)数多く含まれるニューラルネットワークに対して最も高いことを示している。脂質の感度および特異性は、線維性プラークに最適化されたノードを多数有するネットワークでは悪化する。同様に、線維性組織の感度および特異性は、脂質組織に最適化されたノードを多数有するネットワークでは悪化する。したがって、組織分類は、使用される特定の特徴およびネットワークを構成するノードの数の両方に依存する。
【0047】
前述の通り、例示的な態様では、血管内OCTの画像データと組織学的データとが共記録される。一例では、IVOCT撮影は、死亡後24時間以内に採取された10人の心臓(3人の女性および7人の男性から)に対して行われた。死亡時の年齢は65±11歳であった。撮影は冠状動脈の14箇所(n=10、左前下行(LAD)、n=4右冠状動脈(RCA))について実施した。これらの動脈スキャンから画像データ点を抽出した。
【0048】
IVOCT撮影は、波長走査幅80nm、反復率34kHz、および測定される自由空間垂直方向分解能20μm、計測可能深さ2.8mmを有する1310nmの掃引性光源レーザー(HSL-1000、サンテック、ハッケンサック、NJ)を用いて実施した。リアルタイムでのOCT画像の取得と表示を可能にするために、IVOCT信号は線形k空間クロックでサンプリングした。動脈ごとに、100個の断面画像(Bースキャン)を収集した。蛍光透視法システム(GEメディカル・システムズ)および組織を37℃に維持するように設計されたチャンバーを使用した。左右両冠状動脈用6Fガイドカテーテルを冠状動脈口に縫合し、冠状動脈への0.014インチのガイドワイヤアクセスを蛍光透視ガイド下で進め、そしてステントを基準マーカーとしてガイドカテーテル先端から80mmの位置に配置した。ステントからガイドカテーテルへのIVOCT引き戻しを行った(総引き戻し長80mm)。左前下行(LAD)動脈と右冠状動脈(RCA)を撮影した。撮影後、RCAおよびLADを100mmHgのホルマリンで灌流固定した。各動脈に関する100の横断切片Bスキャンと同じ深さで、同じ14箇所の冠状動脈および10のヒト心臓から100の組織学的切片を得た。
【0049】
IVOCT撮影後に組織学検査を行うために、LADおよびRCAを10%中性緩衝ホルマリンで灌流固定し、各心臓から切り出し、それぞれをFaxitron(フィクシトロン)MX-20(フィクシトロン・バイオプティクスLLC、トゥーソン、AZ)でX線撮影し、必要に応じて、Cal-Rite(カル・ライト)(リチャード・アレン・サイエンティフィック)で一晩脱灰した。動脈セグメントを2~3mmの厚さの輪状にスライスし、そして標準的なパラフィン包埋切片用に、ティッシューテック・バキューム・インフィルトレーション・プロセッサ(Tissue - Tek Vacuum Infiltration Processor)(サクラ・ファインテック、米国、トランス、CA)で処理した。各動脈から平均25個の輪状のスライスが得られた。連続した組織切片(厚さ5μm)を150μm間隔で切断し、ヘマトキシリンーエオシン(H&E)、改良モバット・ペンタクローム、およびフォン・コッサで染色した。免疫組織化学的研究では抗CD68(ダコ・ノースアメリカ社、カーピンテリア(Carpinteria)、CA)および抗α平滑筋細胞アクチン(シグマ・アルドリッチ、セントルイス、MO)抗体を用い、マクロファージと平滑筋細胞のそれぞれを同定した。
【0050】
この態様では、次に組織学的な輪を対応するIVOCTフレームに合わせた。以下の(1)および(2)に基づいて、IVOCT画像と組織学的切片との間で共記録を行った;(1)IVOCT画像、蛍光透視法、および病理組織学的検査前のX線撮影において目に見える2つの基準となる目印(引き戻し範囲の遠位端に配置されたステントと近位端に縫合されたガイドカテーテル)、および、(2)組織切片の基準となる目印からの推定距離(マイクロメートル)に対する距離として測定された、引き戻し範囲内におけるIVOCT画像の物理的位置。
【0051】
冠状動脈のIVOCTスキャンを使用して取得した定量化可能な一連の画像特徴に基づいて、分類を自動化した。プラークを分類するための画像データの抽出には、定量的特徴として知られる特定の定量的な測定値を画像から読み取ることが必要とされた。定量的特徴のセットを、グレーレベル同時生起行列(GLCM)のテクスチャ特徴を用い、二次元ウィンドウをもつ画像統計量に沿って作成した。これについては本明細書で説明する。
【0052】
この態様において二次元ウィンドウをもつ画像統計量は、関心のある画素の周囲に正方形のウィンドウを生成し、以下の統計量を計算することによって決定される。
(1)平均値
(2)分散
(3)歪度
(4)尖度
(5)エネルギー
【0053】
これらの測定値は、画像強度と減衰データの両方を使って、正方形ウィンドウ内の水平方向と垂直方向の両方の平均に対して計算される。強度は、組織からの後方散乱光を測定したもの(単位:デシベル)として定義される。減衰データは、後方散乱光強度が光源からの半径方向距離の関数としてどのように減衰するかを表したものである。
【0054】
GLCMは、画素間の空間的な関係に基づいて、テクスチャを分析および特徴づけるための方法である。この方法では、画像テクスチャは、特定の値と予め決めておいた空間的関係を有する画素の対が発生する頻度を決定することによって特徴付けられる。例示的な態様において特定のGLCMテクスチャ特徴には
(1)コントラスト
(2)エネルギー
(3)相関
(4)均質性
(5)エントロピー
(6)最大確率
が含まれる。
【0055】
これらのテクスチャ特徴はそれぞれ、強度と減衰を使って再計算される。各組織型に分類するためのアルゴリズムの最適化プロセスを、これらのウィンドウ特徴とGLCM特徴から選択する。GLCMに関するさらなる議論は、参照により本明細書に組み入れられる、ヤン・シャオフェン(Yang・Xiaofeng)らの「頭頸部癌放射線療法における放射線誘発性耳下腺損傷の超音波GLCMテクスチャ解析(Ultrasound GLCM texture analysis of radiation-induced parotid-gland injury in head-and-neck cancer radiotherapy):遅発毒性のインビボ研究(an in vivo study of late toxicity)」(Medical physics39.9(2012):5732-5739)に見ることができる。
【0056】
例示的な態様では、分類技術は、最適化されたニューラルネットワークを使用して画像のセットからプラーク組織を分類する。ニューラルネットワークは、データセットを種々のクラスに選別する機能を有する。本明細書に開示される態様では、3つの異なるクラスの組織型、すなわち、脂質プラーク、石灰化プラーク、および線維性プラークが識別される。異なる態様には異なるクラスの組織型が含まれ得ることが想定される。
【0057】
定量的画像特徴のセットが判断の基準としてネットワークに提供されると、ニューラルネットワークはこれらの特徴を使用して、画素をどのクラスに分類するかに関する決定を下す。
【0058】
しかしながら、これらの定量的機能の使用に関しては設計上の考慮事項がいくつか存在する。第一に、ニューラルネットワークの感度と特異度は、ニューラルネットワークに提供される特徴によって変わる可能性がある。ニューラルネットワークに入力可能なすべての特徴は候補特徴と呼ばれるが、例えば、候補特徴が全部で300ある場合、ニューラルネットワークは、300全てではなく、それらの特徴のうちの特定の150を入力した場合に最もよく機能することが見出される場合がある。データを最も良く分類するためには、候補特徴のプールから最も良い特徴を選択すべきである。最適な数よりも少なすぎるかまたは多すぎる特徴を有する場合、この方法から得られる感度および特異性が損なわれる危険性がある。
【0059】
IVOCT撮影に熟練した技術者は、通常、異なる特徴を使用して異なる種類のプラークを分類する。例えば、線維性プラークを探すときには、撮影技術者は大抵の場合、強い後方散乱と均質性を探すが、石灰化プラークを探すときには、技術者は信号の質と組織境界の様子に着眼するだろう。したがって、単一の特徴セットを有する単一のネットワークを使用して全種類の組織を分類するのは最適ではない。
【0060】
既に図3の説明においても指摘したように、線維性プラークを選別するのに最適な特徴のセットは、石灰化プラークを選別するために最適な特徴にはならない。さらに、ニューラルネットワークを構成するノードの数は、所与の特徴セットとともに、その性能に影響を与える。入力された特徴はネットワーク内のノード間の接続に関連する重みの最適分布に影響を及ぼし、かつ、このことが感度および特異度に影響を及ぼし得るので、最適な特徴のセットとネットワーク構造は相互依存的であると言える。そのため、最適化されたネットワークを構築するためには、特定の組織を分類するために選択された特徴だけでなく、使用された特徴に基づいてネットワークの構造も最適化しなければならない。
【0061】
したがって、本開示の例示的な態様では、各組織型に関して、多重パス同時最適化分類システムを利用する。この方法は、各組織型に対する感度および特異性を最大にするものである。分類システムはまず、組織の共記録された組織学スライドからの実際のデータと併せて、IVOCT画像データに関連した定量的な画像特徴を集める。それぞれの組織型は別々に扱われる。本明細書に開示される態様では、第1のネットワークは線維性プラークを検出するように最適化され、次に別のネットワークは石灰化プラークを検出するように最適化され、そして第3のネットワークは脂質プラークを検出するように最適化される。その他の組織クラスについては、さらに別のネットワークを構築することができることが理解される。
【0062】
次に図4を参照すると、各組織に対する特徴およびノード最適化ニューラルネットワーク(FANNON)の最適化プロセス401が開始される。ここでは、各特徴を個別に使用してニューラルネットワークでデータを評価し、各組織型を選別する。このプロセスは、工程411におけるノードの1つを用いてニューラルネットワークを初期化することから始まる。得られた各特徴法の感度と特異度は、分類器の真陽性率と偽陽性率をプロットした受信者動作特性(ROC)曲線を使って計算される。ROC曲線の下の面積が大きいほど、その特徴に基づくニューラルネットワークの感度および特異度が大きい。工程421において全ての特徴は、感度および特異度の最大から最小までの入力として機能するニューラルネットワークのROC曲線の下の面積に従ってランク付けされる。
【0063】
工程421で特徴をランク付けた後、分類システムは工程431において、ランク付けした特徴のリストに由来する1から候補特徴の数までの数の特徴を使用して、各群の特徴の感度および特異度を記録する。このプロセスは、そこに含むノードの数を変えながら、さまざまなニューラルネットワークアーキテクチャに対して繰り返される。工程441では、含まれる組織型の種類を検出するために使用される特徴とノードの数の最良の組み合わせが、ネットワークの感度と特異度の和に基づいて選択される。各組織型にとって最適なネットワークは固有の特徴のセットと固有の数のノードの組み合わせを有し、これは、各プラーク型を最適に分類するために使用される特徴およびノード最適化ニューラルネットワーク(FANONN)を形成している。
【0064】
結果
例示的な態様のFANONN分類アルゴリズムは、組織学的分析によって確認されたように、以下の表に挙げる感度および特異性をもって、プラーク組織を線維性プラーク、石灰化プラーク、または脂質プラークとして選別することが実証された。
【表1】
【0065】
上の表で示されたデータは、本明細書に開示されたFANNON技術を用いた結果と、IVOCTを用いてプラーク分類プロセスを自動化することを試みる文献の研究と比較するものである。各技術の精度は感度と特異度の平均であり、ここで感度とは、アルゴリズムによって正しく分類されたプラーク型の既知のデータ点の割合であり、特異度とは、プラークの特定のカテゴリにおいて、分類の合計に対する正しく分類された組織の比率である。
【0066】
報告された測定基準としての精度を使用した現行の文献研究との直接的な比較により、本明細書に開示した技術の能力と新規性が示される。プラークの自動分類に関する典型的な現行のアプローチ(113、123)は、それらが組織学との共記録を行わないために、その分類の根拠が弱いという点で制限されていることにも留意すべきである。
【0067】
この一次的な分類能力に加えて、例示的な態様はさらに、特に高リスクのTCFA型の病変である脂質病変を、100%の感度と100%の特異度で分類することができる。限定要員としての脂質プラークの分類を考慮しても、このアルゴリズムは94%の精度でTCFA病変を検出することができる。
【0068】
考察およびまとめ
記載の分類技術およびシステムは、利用者による入力なしに、他の報告された方法よりも優れた精度で、冠状動脈内の動脈プラーク組織を線維性プラーク、石灰化プラーク、または脂質プラークに特徴付けることができる。他のグループでも同様の動機から冠状動脈プラークの特徴付けを自動化するための同様の研究が行われているが、同程度の成果は収めていない。本研究分野におけるそのようなグループとしては、線維性、石灰化および脂質プラークの自動特徴づけにおいて、それぞれ、89.5%、72%、および79.5%の精度を達成したUghiらや、81%、87%、および71%の精度を達成したアサナシオウ(Athanasiou)らがいる。ウギ(Ughi)とアサナシオウによる現行の最新の研究では、分類技術の根拠として人間の監視員を含めているが、それによって彼らの分類技術の精度は本質的に損なわれている。対照的に本明細書で開示の例示的な態様では、精度と安定性を向上させる訓練の根拠として組織学を使用している。
【0069】
本開示の例示的な態様は、参照する事実として組織学を使用しているだけでなく、本明細書に開示の分類技術によっても高い精度を達成している。例示的な態様は、プラーク型をそれぞれ別個に扱うこと、そして各プラーク型を最適に分類するように調整されたニューラルネットワーク構造の作成を可能にすることによって、より良い結果を達成している。そのような技術は、各プラーク型についてより優れた結果を提供するものであり、また、必要に応じた数の組織型にまで拡大することができる。
【0070】
本明細書に開示のFANONN分類方法は、プラーク組織の組成を高精度で分類するだけでなく、分類後の組織のリスク分析も提供し得る。この分類法では、分類された動脈内の脂質プラークポイントの中から、不安定プラークであることを示し、プラーク破裂などの急性冠動脈イベントの大多数の原因であることが知られているTCFAとしてプラーク病変を同定することができる(フジイら、2015)。そのようなプラーク破裂は血管を閉塞させ、心臓発作または脳卒中を引き起こす可能性がある。IVUS撮影を介してTCFA病変を分類するこれまでの試みとは異なり(スワダ)、IVOCTのミクロンレベルの解像度と対をなしているFANONNスマートアルゴリズムは、このようなリスクの高いプラークを正確に分類するために必要な物理的解像度と人工知能の両方を有している。この能力を有することで本分類方法は非常に性能が高いと言えるが、それだけでなく、世界の他のどのグループもより高い精度の自動分析を提供できるという点で特別でもある。
【0071】
ここで図5から8、特に図5を参照すると、光干渉断層撮影システム500の例示的な態様が示されている。システム500を使用して、本明細書に記載される分析および分類のための組織画像を取得することができる。この態様では、システム500は、光干渉断層撮影光源510、分割器515、光サーキュレータ520、結合器525、および平衡検出器530を備える。分割器515は、OCT光源510からの光を参照経路511および試料経路521に向けるように構成される。図に示した態様では、試料経路521は患者インターフェースモジュール502とカテーテル501を通るように向けられており、基準経路511はフォトニック結晶ファイバー513を介してファイバー反射器512に向けられている。
【0072】
患者インターフェースモジュール502の透視図を図6に、カテーテル501の概略図を図7に、そしてカテーテル501の遠位端の部分断面図を図8に示す。図7に示すように、カテーテル501は、近位端532の近くにビーズ535および光連結器534を備える。この態様では、患者インターフェースモジュール502は、患者インターフェースモジュール502からカテーテル501の遠位端531にトルクを伝達するトルクケーブル509(図8に示す)を介してカテーテル501を制御するように構成される。
【0073】
特定の実施形態では、患者インターフェースモジュール502は、2方向に毎秒50mmまでの様々な速度でカテーテル501に100mmの直線ストロークを提供するように構成することができる(例えば、前方に押すか後方に引っ張る)。さらに、患者インターフェースモジュール502は、毎分3,600回転までの速度で撮影ポート533を回転させ、1回転あたり1,000のAスキャンを取得するように構成することができる。
【0074】
特定の態様においてカテーテル501は、6Fガイドカテーテルおよび0.014インチガイドワイヤと適合する3.2F交差プロフィールおよびモノレール設計を有する無菌の使い捨て使い捨てカテーテルであってよい。特定の態様においてカテーテル501は、撮影ポート557を有する固定のアウターシース551、回転・伝達トルクケーブル509、および光学アセンブリ552を含み得る。特定の態様においてカテーテル501は、その全長にわたって、カテーテル501の撮影ポート557および遠位端531の近くに光学アセンブリ(例えば、フェルール、屈折率分布(GRIN)レンズ、およびプリズム)を有する光ファイバーを含む。加えてカテーテル501は、遠位端531の近くの外側アセンブリ上に放射線不透過性マーカー553を、ならびに撮影ポート557の近くの内側アセンブリ上に放射線不透過性マーカー554を含み得る。カテーテル501はさらに、遠位端531の近くにガイドワイヤ出口ポート558を含み得る。図7及び図8に示す寸法は単なる例示であり、他の態様では、この態様に示されたものとは異なる寸法の構成を含み得ることを理解されたい。
【0075】
前述のように特定の態様では、分析用の画像を取得するために、米国特許公開第2014/0268168号および同第2016/0078309号(本明細書中に参考として援用される)に開示されるような光干渉断層撮影システムおよび方法が組み込まれ得る。次に図9を参照すると、そのような機器50の例示的な一態様には、光干渉断層撮影光源100、分割器200、短パルス(例えば、二光子発光)励起光源300、第1の二色性素子400、第2の二色性素子450とが備えられている。他の態様は、図9に示されたものとは異なる構成要素が組み合わさった機器、またはより少ない構成要素を有する機器を含み得ることが想定される。
【0076】
この態様では、光干渉断層撮影光源100は第1の波長110を放射するように構成され、分割器200は第1の波長110を基準経路210および試料経路220に向けるように構成される。特定の態様では、光干渉断層撮影光源100は、掃引性光干渉断層撮影光源または広帯域性光干渉断層撮影光源として構成することができる。具体的な態様において試料経路220は、フォトニック結晶ファイバーを通るように向けることができる。図に示した態様では、二光子発光励起光源300は、第2の波長320を放射するように構成されている。
【0077】
稼働中、機器50は、試料経路220と第2の波長320が(例えば、図9の他の構成要素と同様に第1の二色性要素400を介して)試料部位280に向けられるように配置され得る。
【0078】
特定の例示的な態様では、試料部位280にナノ粒子260を含めてもよく、特定の態様では、ナノ粒子260をナノロッドとして構成してもよい。具体的な態様においてナノ粒子260は、約756nmの表面プラズモン共鳴を有する金を含むナノロッドとして構成することができる。特定の態様では、以下に記載する実施例第4項において確立された手順に従って、ナノロッドの構成を選択してもよい。
【0079】
機器50はさらに、二光子発光(TPL)を検出するように構成された光子計数検出器350と、非干渉OCT成分を最小化するように構成された平衡検出器250とを含む。詳細な態様では、光子計数検出器350を1つ以上の光電子増倍管(PMT)として構成することができる。他の態様では、光子計数検出器350をアバランシェフォトダイオードとして構成することができる。
【0080】
具体的な態様では、図9に示されるシステムの構成要素は、試料経路220内の光とTPL励起光源300から試料部位280への第二の波長320の伝搬を可能にするフォトニック結晶ファイバー(PCF)を利用した、カテーテルに基づくシステムに組み込むことができる。PCFは、OCT励起光とTPL励起光の両方の単一モード伝送を可能にする。OCT撮影では、モード干渉が発生しないようにするために単一モード伝送が必要とされる。TPL撮影では、TPL励起光のパルス持続時間が、モード分散によって長引かないように、単一モード伝送が必要とされる。詳細な態様では、カテーテルを血管内に挿入し、システム50を利用して血管内の画像を取得することができる。
【0081】
稼働中、システム50は単一のシステムにおいて、OCTとTPL両方の撮影技術の利点を提供する。例示的な態様においてシステム50の構成要素は、OCTおよびTPLの分野で確立された原理に従って機能する。したがって、OCTおよびTPLの個々の概要を提示するが、例示的な態様は環境条件または他の要因に従ってパラメータの様々な組み合わせを利用し得ると理解される。例えば、OCT光源100は近赤外光を生成することができ、比較的長い波長の光を使用することで、動脈壁のような散乱媒体により深く透過することができる。具体的な態様においてOCT光源100は、およそ1310nmの波長の光を供給するように構成することができる。
【0082】
試料経路220内の光が試料部位280に向けられると、試料部位280の表面下の特徴から反射するこの光のごく一部が集められる。稼働中、試料経路220内の光の大部分は反射せず、むしろ試料から後方散乱する。後方散乱光は、従来の撮影法においては画像を不明瞭にする背景の原因となるが、OCTシステムにおいてこの光は、干渉法を介して有益に使用することができる。例えば、平衡検出器250を使用して受信した光子の光路長を記録することで、組織内で多重散乱する光子のほとんどを検出前に排除することが可能になる。これにより、試料部位280内の関心領域から直接反射された光を収集すると同時に、背景信号を除去することによって、記録中の厚い試料の三次元画像を構築することが可能になる。例示的な態様では、OCT撮影は通常、試料部位280内の生物学的組織の表面から1~2ミリメートル下までに限定される。より深いところでは、通常、散乱することなく逸れる光の割合が検出には小さすぎる。
【0083】
システム50の稼働中、TPL光源300および光子計数検出器350もまた、二光子発光顕微鏡法において確立された原理と矛盾せずに利用される。特定の態様においてTPL光源300は、第二の波長320の励起エネルギーを生成する波長可変フェムト秒レーザー(760~1040nm、最大パルスエネルギー660J~5μJ、パルス幅100fs~1ps、および反復率500kHz~80MHz)として構成することができる。具体的な態様では、TPL光源300はまた、大きさが10~30μmのスポット(スポット面積約78~706.8μmおよび画素滞留時間20μs)を生成するように構成されてもよい。加えて、TPL光源300を、試料上の平均電力500~2500mW、瞬時電力0.0625~5MWおよび瞬時電力密度2Eー4ー16E-3MW/μmを使って1画素あたり10~1600パルスを生成するように構成することもできる。
【0084】
図5に示す態様では、第1の二色性要素400は、フォトニック結晶ファイバー(PCF)を介して第2の波長320を試料部位280に向けるように配置することができる。具体的な態様では、PCFは、NKTフォトニクスから入手可能な大型のモードフィールド径(20μm)(LMA-20)を有することができる。特定の態様では、PCFをダブルクラッドファイバーとして構成してもよく、詳細な態様では、クリスタルファイバーから入手可能なモデル番号DC-165-16-パッシブファイバーなどのダブルクラッド高NAファイバーであってもよい。例示的なダブルクラッドフォトニック結晶ファイバーは、高NAマルチモードファイバー構造内に埋め込まれた大モード面積の単一モードコアを含み得る。そのようなファイバーは、単一モードビームがファイバー内を前方に伝播することを可能にし、同時に散乱光または二光子発光を集め、検出のために後方に伝播することができる。シングルクラッドフォトニック結晶ファイバーの代わりにダブルクラッドファイバーを使用すると、(低NAコアと比較して)高NAの内部クラッドにより2光子発光の検出効率を高めることができる。構成要素の特定の仕様は、例示のためだけに提示されるものであり、他の態様は本明細書に記載されたものとは異なる仕様を有する構成要素を含み得ることが想定される。
【0085】
システム50の稼働中、第2の波長320は、ナノ粒子260に励起エネルギーを供給することができ、ナノ粒子260は、第2の二色性素子450を介して光子計数検出器350に向けられる発光270を放出することができる。例示的な態様では、光子計数検出器350および平衡検出器250からの出力を単一のディスプレイ上で組み合わせて、利用者がOCT画像とTPL画像の両方の結果を重ね合わせて視覚化できるように構成することができる。
【0086】
本開示に照らせば、本明細書で開示および特許請求されているすべての装置、システム、および/または方法は、過度の実験なしに作成および実行することができる。本発明の装置、システムおよび方法を特定の態様に関して説明してきたが、当業者には、本明細書に記載の工程中の装置、システムおよび/または方法にまたは本明細書に記載の方法の工程の順番に、本発明の概念、精神、および範囲から逸脱することなく修正を施すことが可能なことが明らかだろう。当業者に明らかなそのような類似の置換および改変はすべて、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神、範囲および概念内にあると見なされる。
【0087】
参考文献
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