专利名称：确定心肺功能评估和输液过程的参数的设备、系统和方法
有关申请的交叉引用
本申请要求2007年7月17日提交的、美国临时专利申请60/950,148的权益，该申请引用在此作为参考。
背景技术：
本发明涉及用于确定过程、心肺功能评估以及输液的参数的设备、系统和方法，尤其涉及根据病人的心肺功能评估(例如，心输出量)而对病人输送药液的设备、系统和方法，特别是，在医疗注射过程期间对病人输入对比剂的设备、系统和方法。
提供下面的信息来帮助读者理解下面揭示的本发明以及一般使用本发明的环境。没有使这里使用的术语限制于任何特定狭义解释的意图，除非在本文件中另行清楚地陈述。这里阐明的参考物可以促进对于本发明或本发明的背景的理解。结合这里引用的所有参考物的揭示作为参考。
用于放射性检查的对比剂的给药过程(例如，具有加电的注射器)一般始于临床医师用一定体积的对比剂药物来注入空的一次性注射器。在其它过程中，使用一种预先注入了对比剂的注射器。临床医师然后确定要给予病人的体积流速和对比剂体积，以使诊断图像成为可能。其体积和流速均由操作者确定的盐溶液的注射过程经常紧跟在将对比剂给予静脉和动脉的给药过程之后。许多当前可得到的注射器允许操作者对体积流速和输液体积的多个分立的阶段(phase)进行编程。例如，可从宾夕法尼亚州的印地安诺拉的Medrad股份有限公司得到的
和
注射器提供多达且包括6对分立的体积流速和体积(对病人输液的体积，例如，对比剂和/或盐水)或6个阶段的入口。例如，在美国专利6,643,537以及美国专利申请公开2004-0064041中揭示了这些注射器和使用这些注射器的注射器控制协议，这里结合这些揭示作为参考。对于每一类过程和每一个经历注射/成像过程的病人，一般由操作者手动地输入适于这些阶段的区域中的值或参数。另一方面，先前手动输入的体积和流速的值可以被存储，并且在晚些时候从计算机存储器调用。然而，为特定病人的特定过程确定这些参数的方式在继续不断地发展。
在这方面，已经认识到在成像和其它过程期间不同病人所要求的对比剂量的差异。例如，这里结合其揭示作为参考的美国专利5,840,026揭示了使用在注射之前或注射期间得到的病人特定数据来定制对病人进行注射的设备和方法。虽然已经认识到医疗成像过程剂量要求的差异是基于病人的差异的，但是对于在医疗成像过程期间注射对比剂，传统医疗成像过程继续使用预先设置剂量或标准输液协议。考虑到近来可用的增加扫描速度的CT扫描仪包括MDCT(或MSCT)扫描仪，与在使用这种快速扫描仪的世界各地的双阶段或其它多阶段注射相比，单阶段注射是起主导作用的。虽然为输液使用标准的、固定的或预定的协议(无论是单阶段的、双阶段的或多阶段的)简化了过程，但是在相同的协议下向不同病人提供相同量的对比剂会在图像对比度和质量方面产生极其不同的结果。此外，在引入最新的MDCT扫描仪时，在临床实践和CT文学方面的公开的问题是与单层、螺旋扫描仪一起使用的标准对比度协议是否会对使用MDCT机器的过程给出很好的解释。
数个研究已经尝试以CT血管对比(CTA)期间注射过程的定量分析来改进和预测动脉增强。例如，Bae和同事开发了对比度性能的药代动力学(PK)模型，并且借助于寻找引起最统一的动脉增强的驱动功能来求解所耦合的微分方程系统。K.T.Bae，J.P.Heiken以及J.A.Brink，“Aortic and hepatic contrastmedium enhancement at CT.Part I.Predicton with a computer model”(“在CT处的主动脉和肝对比剂增强，第一部分，用计算机模型预测”)，Radiology，207卷，647-55页(1998)；K.T.Bea，“Peak contrast enhancement in CT and MRangiographywhen does it occurs and why？Pharmacokinetic study in a procinemodel”(“CT中的峰值对比度增强以及MR血管对比何时发生和为何发生？在猪模型中的药代动力学研究”)，Radiology，227卷，809-16页(2003)；K.T.Bea等人，“Multiphasic Injection for Uniform Prolonged VascularEnhancement at CT AngiographyPharmacokinetic Analysis and ExperimentalPorcine method”(“用于CT血管对比的统一延长血管增强的多阶段注射方法药代动力学分析以及实验性猪方法”)，Radiology，216卷，872-880页(2000)；美国专利5,583,902、5,687,208、6,055,985、6,470,889、以及6,635,030，这里结合这些揭示作为参考。Bea等人阐述的对于简化的房室模型的一组微分方程的反解表示指数下降的对比剂流速会导致CT成像过程中最优的/恒定的增强。然而，通过PK模型的反解计算的注射分布是大多数无主要修改的CT高压注射器不容易实现的分布。
在另一个方法中，Fleischman和同事以“黑盒子”来处理心血管生理学和对比动力学，并且通过用短的对比对比剂团(近似于单位脉冲)强迫系统而确定其脉冲响应。在该方法中，对脉冲响应执行傅里叶变换，并且操纵该传递函数估计值来确定比以前的实践更优化的注射轨迹估计值。D.Fleischmann和K.Hittmair，“Mathematical analysis of arterial enhancement and optimization ofbolus geometry for CT angiography using the discrete Fourier transform”(“动脉增强的数学分析以及使用离散傅里叶变换对CT血管对比的对比剂团几何形状的优化”)，J Comput Assist Tomogr，23卷，474-84页(1999)，这里结合这些揭示作为参考。
对比剂的单阶段给药过程(一般，在一个流速时100到150mL的对比剂)导致不统一的增强曲线。例如，见上述D.Fleischmann和K.Hittmair以及K.T.Bae的“Peak contrast enhancement in CT and MR angiographywhen does itoccurs and why？Pharmacokinetic study in a procine model”(“CT中的峰值对比度增强以及MR血管对比何时发生和为何发生？在猪模型中的药代动力学研究”)，Radiology，227卷，809-16页(2003)，这里结合其揭示作为参考。因此，Fleischmann和Hittmair提供了一个方案，该方案试图使对比剂的给药过程适用于为个别病人定制的双阶段注射，意图使主动脉成像最优化。控制CT对比剂显示的基本难度在于高渗透性药丸从中央血室很快地扩散。另外，不包含对比剂的血混合和稀释了对比剂。
Fleischmann禁止在诊断扫描之前注射对比剂(4ml/s时16ml的对比剂)的小对比剂团注射、测试对比剂团注射。在感兴趣的血管上进行动态增强扫描。把所产生的处理扫描数据(测试扫描)解释为病人/对比剂系统的脉冲响应。Fleischmann通过使测试扫描的傅里叶变换除以测试注射的傅里叶变换而导出病人传递函数的傅里叶变换。假定系统是一个线性时间不变(LTI)系统，并且已知所要求的输出时域信号(在预定义增强级上的平面诊断扫描)。Fleischmann通过所要求的输出的频域表示除以病人传递函数的表示来导出输入时间信号。因为Fleischmann等人的方法计算实际上不可实现的输入信号作为注射系统限制(例如，流速限制)的结果，所以必须对计算出的连续时间信号进行截断和近似。
除了控制当前注射器系统的问题外，许多如此的系统在操作注射器系统的方式中缺乏方便性和灵活性。在这方面，医疗注射过程的复杂性和所有关心健康业方面的消耗性步伐鼓励了操作者的时间和技能。
在许多当前的定量分析技术中，临床医师的实践因此而减少了在正规使用中采用的机会。生理模型会需要许多先验生理参数的估计(例如，心输出量、器官和大血管血液量、渗透性因素)。因为某些数学限制，根据测试-对比剂团增强的这些模式不一定适合于每个病人很好地采用。此外，使用短的对比剂团确定脉冲响应的方法可能是难以实际实施的，因为不存在在扫描仪和注射系统之间容易地传递时间-对比剂团增强数据的满意的手段。
例如，虽然已经在输液系统控制方面取得进步以提供要求的时间增强曲线和提供病人安全性，但是还是要求开发向病人输液的改进的设备、系统和方法。
发明内容
在一个方面，本发明提供确定用于成像过程的至少一个参数的方法，所述成像过程包括包含对比增强剂的对比增强液的注射。该方法包括在注射对比增强液的对比剂团之后，把使用成像系统对感兴趣的第一区域测量的至少一个对比时间增强曲线确定的分立点数据代入一模型。在数个实施例中，可以把足够数量的数据点代入所述模型以确定所述模型中的生理变量值。例如，变量可以与心肺功能有关。
在许多实施例中，把来自使用成像系统测量的感兴趣的第二区域的至少第二对比时间增强曲线的至少一个数据点代入所述模型。
例如，至少一个参数可以是对比增强液的注射的注射过程的至少一个阶段的参数或成像系统的参数。
在数个实施例中，来自感兴趣的第一区域的时间增强曲线的数据对应于对比增强液第一次通过感兴趣的第一区域，而来自感兴趣的第二区域的时间增强曲线的数据对应于对比增强液第一次通过感兴趣的第二区域。
例如，感兴趣的第一区域的时间增强曲线的经分析的部分可以与感兴趣的第二区域的时间增强曲线的经分析的部分在时间上重叠。使用质量平衡守恒(conservation of mass balance)，可以使在某个时刻的对比增强曲线之一上的至少一个对比增强剂浓度与在某个时刻或与某个时刻接近的时刻的另一个对比增强曲线上的对比增强剂浓度相关。在数个实施例中，假定感兴趣的第一区域和感兴趣的第二区域之间的对比增强液的损耗可忽略不计。在数个实施例中，假定感兴趣的第一区域的血容量等于感兴趣的第二区域的血容量。
模型可以是生理模型，其中心输出量和血容量是变量。可以计算病人的注射部位和测量点之间的心输出量和血容量。接着，可以使用生理模型或其它模型(例如，这可以是参数模型或非参数模型)来确定过程协议(例如，成像过程)的参数。例如，可以执行优化过程来确定一个或多个参数。
在数个实施例中，输入到感兴趣的增强的第一区域的峰值增强的时间T1和到感兴趣的增强的第二区域的峰值增强的时间T2。还输入在感兴趣的增强的第一区域的峰值增强处的浓度C1(T1)和在感兴趣的增强的第二区域的峰值增强处的浓度C2(T2)。
例如，可以通过下面生理模型的解析解来描述从外围注射部位注射到感兴趣的每个区域的对比材料的分布 其中原点，t＝0，对应于对比剂到达感兴趣的区域的时间，Qinj[ml/s]是注射流速，Tinj是注射持续期，QCO是心输出量[ml/s]，VB是注射部位和测量点之间的血容量[ml]，Ci是对比源(从该对比源向病人注射对比剂)中对比剂的浓度，以及C0(t)是在时刻t时对比剂的感兴趣的区域中的血液浓度。
例如，可以通过公式使浓度与增强级相关 C0(t)＝S(t)/K 其中s(t)[亨斯菲尔德单位或HU]是在时刻t的增强级，而K[mgI/ml]是转换因子。
例如，Tinj可以是对比增强剂到达的时间和到峰值增强的时间之间的时间量。
可由下式提供Tinj处的血液浓度 其中最大s2(T2)[Hu]是在感兴趣的第二区域中的最大增强级，而C2(T2)是感兴趣的增强的第二区域中的峰值增强处的浓度。
使用下面的公式，可以使时间T2处第一对比增强曲线上的对比增强剂浓度与时间T2处第二对比增强曲线上的对比增强剂浓度相关 C1(T2)≈C1(T1)-C2(T2) 使用下列等式之一可以确定血容量VB 可以使用下列公式确定心输出量QCO 可以在模型中使用QCO，其中QCO是确定至少一个参数的变量。
使用公式可以使在成像注射的感兴趣的第二区域中的峰值增强TPeak时刻处的峰值增强C(TPeak)(这里有时简写为CPeak)处的对比剂的浓度与成像注射的注射流速Qinj和成像注射的注射持续期Tinj相关 可以由下式提供扫描开始时刻感兴趣的第二区域中的对比剂的浓度C(Tstart)(这里有时简写为Cstart) 其中ΔT是扫描持续期，而其中C(Tstart)等于C(Tstart+ΔT)。
例如，可以确定C(TPeak)和C(Tstart)为Tinj和Qinj的可采纳的输入值，其中可以确立最大Qinj和最小Qinj以及最大Tinj和最小Tinj。例如，可确立最大Tinj作为扫描持续期加上常数的函数，和例如，可确立最小Tinj作为扫描持续期。
例如，可以确定诊断协议流速Q*inj和注射持续期T*inj，它们是使成本函数最小的自变量 在另一个实施例中，感兴趣的第一区域是表示右心中(例如，肺动脉)的浓度/增强的一个感兴趣的区域，而感兴趣的第二区域是表示左心中(例如，升主动脉)的浓度/增强的一个感兴趣的区域，可以确定诊断协议流速的值，它们是使成本函数最小的自变量 其中Tstart是扫描开始的时间，R1是在仅注射对比剂的一个阶段中的注射速率，ΔTinj1是仅注射对比剂的那个阶段的持续时间，R2是在注射对比剂和稀释剂的阶段中的注射速率，ΔTinj2是注射对比剂和稀释剂那个阶段的持续时间，CLH-Peak(C左心-峰值)是在左心中峰值增强处计算出的浓度，CLH-Desired(C左心-期望)是在左心中峰值增强处的期望浓度，CLH-Start(C左心-开始)是在扫描开始时左心中计算出的浓度，CLH-Target-Desired(C左心-目标-期望)是在扫描开始时左心中的期望浓度，CLH-End(C左心-结束)是在扫描结束时或TEnd时左心中计算出的浓度，CRH-Start(C右心-开始)是在扫描开始时右心中计算出的浓度，CRH-Target-Desired(C右心-目标-期望)是在扫描开始时右心中的期望浓度，CRH-End(C右心-结束)是在扫描结束时右心中计算出的浓度，α是加权因子，β是加权因子以及γ是补偿(penalty)。例如，如果(Qinj(R1ΔTinj1+R2ΔTinj2)＞VLoad)是真的，则γ可以是一个定义值(例如，1000)，如果(Qinj(R1ΔTinj1+R2ΔTinj2)＞VLoad)不是真的，则γ为0，其中VLoad是可用的对比剂的总量。
例如，CLH-Peak可以比如下计算的值大 或 当T＜(Tarr+ΔTinj1)时(其中Tarr是适用的对比剂到达右心或左心的时间)，可以通过下列等式计算在时刻T(或者是Tstart或Tend)时适用于右心或左心中的浓度CT 当(Tarr+ΔTinj1)＜T＜(Tarr+ΔTinj1+ΔTinj2)时，可以通过下列等式计算在时刻T时适用于右心或左心中的浓度CT 当T＞(Tarr+ΔTinjA+ΔTinjAB)时，可以通过下列等式计算在时刻T时适用于右心或左心中的浓度CT 在另一个方面，本发明提供一种参数产生系统来确定用于包括对比增强液的注射过程的至少一个参数，所述对比增强液包括适用于增强成像系统中的对比度的增强剂。该系统包括输入系统和至少一个处理器，所述输入系统接收来自由测试对比剂团的注射产生的感兴趣的第一区域的至少第一时间增强曲线的点数据，所述至少一个处理器与输入系统进行通信连接，以致至少部分地根据点数据代入模型中而确定至少一个参数。如上所述，可以把足够数量的数据点代入模型以确定模型中的生理变量值。例如，变量可以与心肺功能相关。
还可以把来自至少第二对比时间增强曲线的至少一个数据点输入到输入系统和代入模型，所述至少第二对比时间增强曲线是在感兴趣的至少第二区域中使用成像系统测量的。
例如，至少一个参数可以是用于注射对比增强液的注射过程中的至少一个阶段的参数或成像系统的参数。
来自感兴趣的第一区域的时间增强曲线的数据可以对应于对比增强液第一次通过感兴趣的第一区域，而来自感兴趣的第二区域的时间增强曲线的数据可以对应于对比增强液第一次通过感兴趣的第二区域。
例如，感兴趣的第一区域的时间增强曲线的经分析的部分与感兴趣的第二区域的时间增强曲线的经分析的部分在时间上重叠。使用质量平衡守恒，可以使在某个时刻的对比增强曲线之一上的至少一个对比增强剂浓度与在某个时刻或与某个时刻接近的时刻的另一个对比增强曲线上的对比增强剂浓度相关。
在数个实施例中，假定感兴趣的第一区域和感兴趣的第二区域之间的对比增强液的损耗可以忽略不计。
在另一个方面，本发明提供一种包含参数产生系统的注射器系统来确定用于包括对比增强液的注射过程的至少一个参数，所述对比增强液包括适用于增强成像系统中的对比度的增强剂。参数产生系统包括输入系统和至少一个处理器，所述输入系统输入/接收(手动方式或自动的电子通信方式)来自由测试对比剂团的注射产生的感兴趣的第一区域的至少第一时间增强曲线的点数据，所述至少一个处理器与输入系统进行通信连接，以致至少部分地根据点数据到模型中的替代而确定至少一个参数。
在又一个方面，本发明提供一种系统，所述系统包括注射器系统、成像系统和参数产生系统以确定包括注射对比增强液的过程的至少一个参数，所述对比增强液包括适用于增强成像系统中的对比度的对比增强剂。参数产生系统包括输入系统和至少一个处理器，所述输入系统输入/接收来自由测试对比剂团的注射产生的感兴趣的第一区域的至少第一时间增强曲线的点数据，所述至少一个处理器与输入系统进行通信连接，以致至少部分地根据点数据代入模型中而确定至少一个参数。
在再又一个方面，本发明提供一种用于确定一个过程的至少一个参数的方法，包括对于由药用对比剂团的注射产生的感兴趣的至少第一区域，把从使用传感器测量的至少一个时间浓度曲线确定的分立的点数据代入模型中。可以把足够数量的数据点代入模型中以确定模型中生理变量的值。例如，变量可以与心肺功能相关。可以测量来自感兴趣的第二区域的至少第二对比时间增强曲线的至少一个数据点，并且代入模型中。
如这里相对于注射过程所使用的，术语“协议”一般是指一个过程(例如，包含注射对比增强液或对比剂的成像过程)的一组参数。例如，注射参数可以包括流速、注射的容量、注射持续期、对比剂浓度等，例如，定义在注射过程期间要向病人输送的药液的定时、量和/或性质。这些参数会随注射过程的进行而改变。如这里所使用的，术语“阶段”一般是指一组参数，例如，这些参数定义在可以比注射过程的总持续期短的一个时间周期(或阶段持续期)期间要向病人输送的药液的定时、量或性质。因此，一个阶段的参数提供与该阶段的时间持续期对应的瞬间的注射说明。例如，可以把特定注射过程的注射协议描述为单阶段的(单个阶段)、双阶段的(两个阶段)或多阶段的(两个或多个阶段，但是一般是两个以上的阶段)。多阶段注射还包括参数可以在至少一部分注射过程中连续改变的注射。
可以确定的扫描仪参数包括，但是不局限于，向病人发送的辐射量、功率输入(例如，电压或电流)、定时(例如，扫描开始时间、停止时间、延迟时间和/或持续期)。
鉴于下面结合附图的详细说明，能较好地懂得和理解本发明与本发明的属性和随之而来的优势。
图1示出在输液系统的数个实施例以及本发明的方法中使用的Fick原理模型的示意图。
图2A示出对比注射的简化模型。
图2B示出本发明的注射系统和成像系统，以及与注射系统一起使用的图形用户接口，例如，对于注射液A和B的三阶段，表示注射流速、注射容量和注射持续期的参数的区域。
图3示出一个定时或测试对比剂团的样品浓度曲线，其中标出了到峰值和峰值增强的时间，并且通过峰值中的差异来近似肺动脉(PA)曲线上第二点(CPA(T2))处的浓度。
图4是诊断注射的样品浓度曲线，示出扫描窗口中的峰值和目标浓度，其中扫描开始时间Tstart和注射持续期Tinj是相对于左心中的对比剂的到达时间的。
图5示出等式(8)的解空间的等高线图，其中Ci＝370mgI/ml，CPeak＝350HU，CTarget＝300HU，QCO＝6.1L/min，以及VB＝0.72L。
图6示出等式(8)的解空间的表面图，其中Ci＝370mgI/ml，CPeak＝350HU，CTarget＝300HU，QCO＝6.1L/min，以及VB＝0.72L。
图7A示出当计算出的注射延长而超过扫描结束时的注射截断情况。
图7B示出从图7A的截断情况产生的截断协议。
图8A示出协议截断情况，其中计算出的注射持续期终止而在扫描结束之前没有足够的时间让对比剂的最后容量到达感兴趣的范围。
图8B示出从图8A的协议截断情况产生的“固定的”协议。
图9A示出一种方式的实施例，在所述方式中，计算双流动(稀释)阶段，其中的目标是经稀释的对比剂在扫描开始时到达感兴趣的范围；以及其中未经稀释的对比剂在扫描开始时将充满右心。
图9B示出使用图9A的双流动计算产生的协议。
图10A示出对使用PCT国际专利申请PCT/US2007/026194号以及本发明的方法的第一实施例中阐明的方法确定的流速的15个对象进行的比较。
图10B示出在本发明的一个实施例的情况下在临床方面表示双源CT或DSCT研究而规划的70个病人的研究组中得到的数据。
图10C示出为图10B的研究组研究的每个解剖区域的平均衰减(HU)。
图10D示出在每个研究组和控制组的研究中使用的平均对比剂量。
图10E示出作为心输出量的函数的对比剂储备的曲线图。
图10F示出每个研究的解剖区域中的每个控制组和研究组的平均衰减。
图11A示出连同肺动脉和升主动脉一起应用的、本发明的方法的第一实施例的一部分工作流程图。
图11B示出图11A的剩余部分的工作流程图。
图12示出相对定时以及诊断协议阶段、扫描和增强曲线的例子。
图13示出使用下列方法确定的15个样品对象的碘给予速率的比较使用PCT国际专利申请PCT/US2007/026194号中阐述的方法(A)；使用本发明的方法的第一实施例(B)，其中稀释阶段的稀释比是固定的，并且在最优成本函数中没有包括右心增强因子/参数；以及使用本发明的方法的第二实施例(C)，其中稀释阶段的稀释比是变化的，并且在最优成本函数中包括右心增强因子/参数。
图14示出使用下列方法确定的15个样品对象的对比剂容量(CM容量)率的比较使用PCT国际专利申请PCT/US2007/026194号中阐述的方法(A)；使用本发明的方法的第一实施例(B)，其中稀释阶段的稀释比是固定的，并且在最优成本函数中没有包括右心增强因子/参数；以及使用本发明的方法的第二实施例(C)，其中稀释阶段的稀释比是变化的，并且在最优成本函数中包括右心增强因子/参数。
图15示出在本发明第二实施例的情况下从进行DSCT心脏成像(西门子清晰度)的十个对象收集到的临床数据。
图16A示出连同肺动脉和升主动脉一起应用的、本发明的方法的第二实施例的一部分工作流程图。
图16B示出图16A的剩余部分的工作流程图。
具体实施例方式 在本发明中，使用来自至少一个感兴趣的区域中的至少一个用药浓度分布(即，浓度作为时间的函数)的数据，确定和估计模型中的变量，所述模型用于预测与病人体中感兴趣的一个或多个区域有关的瞬时变化。根据模型中存在的变量的数量，从一个或多个对比浓度分布(例如，由使用成像系统产生的时间增强曲线所提供)取得许多分立的数据点，以提供这些变量值的估计。在许多模型中，这些变量与心肺功能(即，心、肺和血管功能/动力学)有关。例如，在本发明中使用的一个模型的代表性实施例中，两个变量，心输出量(QCO)和血容量(VB)，是未知的。使用两个分立的数据点(即，两个时刻的两个浓度)来确定这些变量的估计值。
在当前使用的成像系统或扫描仪的情况中，难以根据一个或多个时间增强曲线来正确地确定多个数据点(例如，作为信号中噪声的结果或从成像系统读出/确定数据点时的其它困难)。然而，在许多模型中，例如，确定峰值增强和与峰值增强相关联的时间是相当直截了当的。确实，经常使与这些系统相关联的软件优化以确定峰值增强和到峰值增强的时间。
在本发明的数个实施例中，根据作为时间的函数的至少两个用药浓度分布的分析进行模型变量(例如，与心肺功能有关的变量)的估计，并且使用来自这些浓度分布的点数据来确定变量，如上所述。在许多如此的实施例中，使一个以上的感兴趣的区域处的浓度分布相关，并且使用浓度和与峰值浓度相关联的时间来确定模型中的变量，如上所述。例如，在模型包括两个生理变量的情况中，可以使用感兴趣的第一区域和至少感兴趣的第二区域的峰值增强/浓度和到峰值增强的时间来确定变量。
熟悉本领域的技术人员可以理解，一般可以连同适当的传感器系统关联于任何类型的用药来执行分析，以测量人体中两个或多个位置处或感兴趣的区域处的用药浓度分布。对对比增强液注射以及成像系统使用进行组合以测量多个感兴趣区域的增强/浓度提供了有效的和侵犯性最小的技术，例如，以估计本发明中的心血管功能，并且这里讨论组合或对比剂注射/CT图像扫描作为代表性例子。一旦进行了心血管参数(例如，心输出量、血容量等)的估计，就可以使用这些参数来确定用于任何数量的过程的参数，包括，例如，用于治疗药物输送的参数、用于成像过程的参数等。
在注射对比增强液的情况中，全测试对比剂团时间增强曲线(这里有时简称为增强曲线)可以完全估计制定优化的对比剂注射所必须的心肺和血管参数。然而，这种方法是受到限制的，例如，因为在扫描仪和注射系统之间不存在能容易地传输时间-对比剂团增强数据的满意的手段。虽然在可用的扫描仪和注射器中当前没有为了分析而执行扫描仪和注射系统之间完整的时间-增强曲线的共享，但是中间算法选项仍可结合可从时间-对比剂团增强曲线取得的数据。例如，这些数据可以提供病人心血管动力学的最佳的可用指示。在这里结合其揭示作为参考的PCT国际专利申请PCT/US2007/026194的系统和方法中，根据病人的体重和扫描持续期来调整对比剂/材料的碘给予速率。同样见已出版的PCT申请WO/2006/058280和WO/2006/055813，这里结合其揭示作为参考。根据病人的升主动脉/主动脉弓中的峰值增强值以及到测试对比剂团增强曲线的峰值的时间，对已确定的诊断注射协议进行进一步的细化。在协议产生中使用来自时间-增强曲线的数据以确定扫描延迟、确定稀释比以及因此而确定第二、双-流动阶段的碘给予速率(其中同时注射对比剂和稀释剂)、以及确定注射系统应该在什么点停止注射以避免对(该病人)过度注射对比材料。该方法已经示出在减少病人习性上的对比剂增强的依赖性和右心室较佳的一致性以及在执行个性化注射协议期间放松技师的工作流程方面进行了折衷。如果放宽消除对比剂剩余物的限制和允许在已经给予测试对比剂团之后操纵流速，则可以进一步优化该方法。
众所周知，心输出量和血管血容量是影响对比剂团传播的重要参数。如果可得到来自测试对比剂团的整个时间增强曲线，则可以在参数模式或非参数模式中作出这些参数的强劲和可靠的估计。要求技师从时间增强曲线手动地输入所有的点或4个以上的点可能是过度繁重的。然而，仅从单个测试对比剂团曲线的峰值浓度和到峰值的时间来作出心输出量的定量估计，则有用的信息是不够的(不能说峰值增强和心输出量之间存在反向关系)。
使用具有重量、扫描持续期、浓度和测试对比剂团增强数据的回归等式来计算心输出量和血管血容量也不是最优的。例如，从一组数据产生的回归系数对于预测另一个组的处理响应不必定是有效的。也可以产生简单的列线图，列线图的直观推断把测试对比剂团增强数据映射到注射流速。另一个方法是从查找表关系估计总的血液量，并且除以一个因子以只考虑注射点和，例如，心脏解剖之间的容量。这些算法的级别都比最优情况要差，然而，因为它们不是根据物理原理来预测的，所以它们对于参数变化和测量的不确定性是不强劲的，并且难以生效。此外，这些算法没有提供其它注射参数的容易的操纵，这些其它注射参数诸如对比剂/盐水的稀释比、扫描延迟以及对比剂材料的注射持续期。
如上所述，在数个实施例中，本发明的系统和方法提供数据-驱动的、参数估计技术，例如，该技术使用从测试或定时对比剂团(或注射)的至少两个时间浓度/增强曲线(每个针对感兴趣的或ROI的不同区域)产生的到峰值的时间和峰值浓度/增强来估计注射部位和心脏解剖之间的对象的心输出量和血容量。熟悉本领域的技术人员会明白，在本发明的估计技术中可以使用两个以上的ROI。
在诸如药代动力学模型之类的模型中使用生理变量(例如，心输出量和/或血容量)的估计值来确定合适的注射参数以获得感兴趣的区域中所要求的增强。可以使用用于确定生理参数的同一模型来确定协议参数(例如，注射参数和/或成像/扫描参数)。另一方面或另外，可以联系至少一个其它模型(例如，至少一个其它模型可以是参数模型或非参数模型)而使用变量来确定协议参数。例如，在PCT国际专利申请PCT/US2007/026194以及已公开的PCT申请WO/2006/058280和WO/2006/055813中讨论了各种模型。例如，在许多实施例中，优化的协议产生算法计算流速、注射持续期和/或其它参数以在使用确定的生理变量(例如，估计的心输出量和血容量)作为输入的整个扫描持续期间得到预定的增强水平。
在数个实施例中，第一ROI(在定时对比剂团过程期间)首先在注射的对比增强液的循环中发生(即，与注射部位的循环路径最接近)，而第二ROI是在成像过程中主要感兴趣的ROI。然而，可以确定注射参数以使所要求的增强在第一和第二ROI(或一个或多个其它ROI)的一个中或两者中生效。一般，在参数估计技术中使用的ROI可以在血循环路径中彼此相当接近，以致第一通过增强曲线在至少一部分增强曲线上彼此重叠。例如，本发明的技术较佳地适合于在血管中的ROI，诸如在血管造影研究的情况中。然而，本发明的技术还适合于连同组织一起使用(诸如肿瘤摄取)。
在本发明的数个代表性的研究中，例如，用肺动脉干中的ROI产生第一时间增强曲线，而从升主动脉中的ROI产生第二时间增强曲线。例如，在对比剂注射开始后的4-5秒，在肺动脉干开始的水平处，从串行计算机断层扫描或CT扫描产生数据。熟悉本领域的技术人员可以理解，本发明的系统和方法可应用于CT之外的成像技术中，包括但是不局限于，磁共振成像(MRI)扫描、正电子发射断层扫描(PET)扫描以及单发射计算机断层扫描(SPECT)扫描。同样，熟悉本领域的技术人员可以理解，可以使用许多感兴趣的不同的区域作为感兴趣的第一和第二区域。例如，第一ROI和第二ROI可以是用于周围血管造影性能的腿中的股动脉和腘静脉。在神经CT血管造影的情况中，在对比剂材料的第一通过期间，可以使用任何基底动脉和相应的引流静脉作为ROI。例如，ROI不必定局限于单个扫描平面中可以成像的ROI。使用大体积扫描(例如，大体积CT扫描)可以使来自人体中各个平面的ROI的使用成为可能。
在数个实施例中，本发明的系统和方法至少部分地基于一个室(compartment)，基于药代动力学(PK)模型。例如，这种模型能够适用于心血管结构的CT血管造影中的模型化第一通过动力学。到PK模型的输入是对比剂的浓度、注射的流速和持续期。在使用两个时间增强曲线的到峰值和峰值增强的时间以得到注射部位和主动脉根部之间的心输出量和血容量的估计值时，假设了以Hounsfield单位(HU)为单位的测量到的增强和对比血液浓度之间的线性关系，以及心肺电路的两个部分之间的质量对话(conversation of mass)。一旦进行了心输出量的估计，就能够代入PK模型(和/或与一个或多个其它模型一起使用)的解析解以确定用于成像过程的参数。在数个实施例中，确定最小流速和注射持续期以得到要求峰值增强和要求目标增强(定义为在扫描开始和结束处应该实现的HU水平)。
在确定得到要求增强(例如，经定义的峰值和目标增强目标)的最小注射持续期之后，使用PK模型的解来推导应该开始扫描的时间。在许多实施例中，约束是在扫描完成之前的预定时间量强制结束对比剂的注射。例如，从到定时对比剂团过程的肺动脉时间增强曲线的峰值的时间来确定与扫描结束的实际偏离，把这假定为从注射部位到右心的传播时间的指示器。最终，已知到右心的过渡时间的知识而计算每-人-双-流动(稀释)阶段。分解(factored)过渡时间以确定“切换“稀释剂”的时间。为了简单起见，在数个代表性的研究中应用了40/60(对比剂/盐水)的固定比。例如，在PCT国际专利申请PCT/US2007/026194号中描述了可以与本发明一起使用的、根据病人特定数据确定对比剂/盐水比的技术。此外，如下进一步讨论，在本发明的数个实施例中，可以处理稀释比作为优化过程中的变量。
下面的表达式描述从周围注射部位到中央血室注射的对比剂材料的分配。起始t＝0对应于对比剂材料到达感兴趣的区域的时间(假定插入物质的流) 其中Qinj[ml/s]是注射流速，Tinj[S]是注射持续期，QCO是心输出量[ml/s]，VB是注射部位和测量点之间的血容量[ml]，Ci是要输给病人的对比液源中的对比增强剂(例如，碘)的浓度，而C0(t)是时刻t时对比增强剂的血液浓度。图1用图形描绘了这个模型。
例如，如图3所示，从定时对比剂团注射产生的，在第一ROI中测量的时间增强曲线SAO(t)[Hounsfield单位或HU]，升主动脉(AO)。在第二ROI中测量的时间增强曲线SPA(t)[Hounsfield单位或HU]，肺动脉(PA)干，也是从时间对比剂团注射产生的。根据以前实验研究的结果，Tinj(注射持续期)是作为定时对比剂团注射的结果的、到峰值增强的时间。KHU-mgI是在体内测量位置处使HU与碘浓度关联的转换因子。那么，在升主动脉中测量到的定时对比剂团增强曲线转换到浓度单位[mgI/ml]的关系如下 使用默认值为25的转换因子KHU-mgI。这个值在数个研究者公布的21-26的范围内。这个常数在不同扫描仪之间会发生变化。因此，在某些情况中可以承认独立的扫描仪产生校正曲线。
从定时对比剂团点数据估计心输出量 如上所述，在使用给药模型来计算病人-特定的诊断协议(例如，包括流速和注射持续期)时，进行注射部位和测量点之间的心输出量(QCO)和血容量的估计。使用从已知流速和注射持续期的定时对比剂团增强曲线得到的数据来解这两个未知数。
理想地，可用整个浓度曲线来确定QCO和VB的最佳配合。然而，此时，例如，只可从定时对比剂团数据合理地获得在两个结构(例如，肺动脉和升主动脉)中的诸如峰值增强和到峰值的时间之类的离散数据点值。因此，每根浓度曲线上只有一个数据点，并且系统是欠定的。在本发明中通过组合每个结构的独立曲线上的数据点而对在单根曲线上获得的两个点进行近似。
在数个实施例中，作出许多简化的假定。首先，假定在两个室中的血容量是相同的，以致浓度与室中的碘的质量直接有关。在室中的血容量之间没有关系，用两个等式和三个未知数，系统仍是欠定的。第二，使系统简化成两个单个的室模型，测量峰值增强和到峰值的时间(见图2A)。在该简化中，注射对比剂，流动到肺动脉，流动到升主动脉，然后流出。
忽略在中间室(诸如肺)中的碘损耗。另一方面，可以对这种损耗规定简单的关系而无需向模型引入额外的变量。如果在每-病人基础上缺乏中间室可用的增强数据或容量信息以及获取定时对比剂团数据时的瞬时解，则不尝试以更复杂的模型进行该计算。简化的模型产生与图3中表示的曲线相同的C0(t)曲线。
可得到的测量值是CPA(T1)、T1、CAO(T2)以及T2。在t＝T1时，在肺动脉中存在碘的CPA(T1)/VB ml。碘的量比测试对比剂团的量少，因为有一些已经流入升主动脉中。在t＝T2时，在升主动脉中存在碘的CAO(T2)/VB，并且也有一些碘的量剩余在肺动脉中。在T2处，升主动脉中比肺动脉的峰较短的峰是留在以前的室中的碘的结果。因此，可以通过下列等式(3)中表示的峰值差来近似在肺动脉的C0(t)曲线上的第二点CPA(T2)。
CPA(T2)≈CPA(T1)-CAO(T2)(3) 如上，通过下式定义肺动脉曲线的峰值 则在下坡上的C2PA的表达式为 重新排列后两个等式，并且求解VB为 通过使这两个表达式等同而可以析出QCO如下 如果CPA(T1)＜CAO(T2)(第二峰值大于第一峰值)，则该方法失败，这仅在扫描开始得太慢和丢失第一峰时发生。尽管作出了简化的模型化假定，但是发现当在扫描窗中捕获两个峰时的心输出量估计值在合理的范围内。
诊断注射协议产生-方法1 在本发明的数个实施例中，与本发明一起使用的注射系统(诸如图2B中示出的双注射器注射系统100以及例如，在美国专利6,643,537、已公开的美国专利申请公开2004-0064041和PCT国际专利申请PCT/US2007/026194所揭示的那样)包括两个输液源(这里有时称之为源“A”和源“B”；诸如注射器)可操作这些输液源而向病人独立地引入(例如，同时、同时以彼此成比例的不同的体积流速、或顺序或彼此先后地(即，A然后B、或B然后A))第一液体和第二液体(例如，对比增强液体、盐水等)。在图2A的实施例中，源A与诸如驱动件110A之类的加压机制有操作联系，而源B与诸如驱动件110B之类的加压机制有操作联系。注射系统包括与注射系统100有操作联系的控制系统200，可操作而控制驱动件110A和110B的操作，以分别控制来自源A的液体A(例如，对比剂)的注射以及来自源B的液体B(例如，盐水)的注射。例如，控制系统200可以包括包含显示器210的用户接口，并且与该用户接口通信。在图2B所示的实施例中，示出了屏幕显示器的一个实施例的一部分表示参数的区域，例如，这些参数为液体A和/或液体B的注射的三阶段的注射流速、注射容量以及注射持续期。可以使用本发明的参数产生系统和方法增加一个或多个如此的阶段的参数。图2C示出本发明的系统的一个实施例的屏幕显示器的另一个实施例，如下所讨论(方法1)。
可向用户提供选项来调整和/或重写所产生的参数(例如，经由计算机领域中众知的、包括键盘、键盘板、鼠标等的手动输入系统205)。控制系统200可以包括与存储器或存储器系统230一起操作的处理器220(例如，本技术领域中众知的数字微处理器)。
熟悉本领域的技术人员很清楚，在美国专利7,326,186、7,094,216、6,866,654、6,972,001、6,699,219、6,471,674、6,306,117、6,149,627、6,063,052、5,920,054、5,843,037、5,827,219、5,739,508和5,569,181中揭示的包括多-病人输液系统的许多输液系统也适于在本发明中使用。
例如，成像系统300可以是CT系统、磁共振成像(MRI)系统、超声成像系统或正电子发射断层扫描(PET)系统或单光子发射计算机断层扫描(SPECT)系统，如上所述。注射系统可以与成像系统300进行通信联系。例如，成像系统300和注射系统100可以经由输入/输出端口(在图2B中通过箭头的端子来表示)进行通信联系，如本技术领域中所众知。例如，在图2B中，示出成像系统300和注射系统100经由公共通信枢纽400进行通信联系。另一方面，可以建立直接通信链路。可以使用计算机领域中众知的一个或多个手动输入系统(例如，键盘、键盘板、鼠标等)从成像系统300和注射系统100中之一手动地进一步输入数据。还可以使成像系统300和注射系统或注射器100部分地或全部地集成在一起，例如，如公开的PCT国际专利申请WO2008/011401号中所述，这里结合该揭示作为参考。还可以使注射系统和成像系统300中的一个、多个或全部所示出的部件集成在一起，或另一方面结合在与其它系统部件进行通信联系的另一个分立的部件中。
例如，可以在通过系统500表示的一个或多个分立的或独立的系统中实现实施本发明的系统和方法的软件，系统500包括至少一个处理器(例如，数字微处理器)、存储器系统520、显示器510以及手动输入系统505。在图2B所示的实施例中，所示的系统500与枢纽400进行通信联系。如上所述，也可以建立直接通信链路。可以使用计算机领域中众知的一个或多个手动输入系统(例如，键盘、键盘板、鼠标等)把数据从一个或多个系统手动地进一步输入到一个或多个其它系统。例如，可以把实施本发明的系统和方法的软件(例如，包括一个或多个可执行的计算机算法)存储在存储器530中，并且由处理器520执行。熟悉本领域的技术人员很清楚，另一方面，本发明的方法和/或系统的所有的或部分的功能可以驻留在成像系统300(例如，可以包括至少一个处理器320、存储系统330、显示器310以及手动输入系统305)中和/或注射系统100中。
在数个实施例中，为了确定给定的病人的合适的流速和合适的注射持续期，可以按与心输出量和血容量估计的相同方式建立对比增强剂的血液浓度的模型。例如，一般考虑两个属性对于产生诊断注射协议是重要的左心结构的峰值浓度和目标浓度(定义为扫描窗口开始和结束处的浓度)。如图4所示，在对比剂到达左心之后的Tinj秒发生左心/升主动脉的峰值增强CPeak处的浓度(本发明代表性研究中的第二ROI)。在左心浓度曲线的上坡的未知点上，扫描在Tstart处开始。在Tstart+ΔT或Tend处，晚了ΔT秒后才结束扫描，其中ΔT是在曲线的下坡上的规定的扫描持续期。使扫描窗口以如此方式定位以致使增强尽可能地高和一致，可以使这两个值(在上坡上和下坡上)设置得相等，并且称之为CTarget。
给出一个感兴趣的区域(例如，主动脉/左心)中的要求峰值浓度/增强以及要求目标浓度/增强的要求值，并且对感兴趣的区域中的峰值增强中的误差和目标增强中的误差进行相同的加权，就可以使用下列优化(例如，其中通过操作者提供/输入“要求”值) 熟悉本领域的技术人员很清楚，可以以与上述成本函数中相同地加权不同的方式对变量进行加权，并且可以包括另外的变量。熟悉本领域的技术人员还很清楚，可以执行附加的或另外的优化。
为了寻找Q*inj和T*inj，对PK模型使用解析解，根据Qinj、Tinj以及已知常数定义误差函数。通过C(TPeak)或CPeak的定义，这已经是真实的。
在上坡上的C(Tstart)或CTarget的值也是Tstart的函数，未知的时间扫描在该时刻开始)。
在下坡上，CTarget是扫描结束处的浓度，这是CPeak和Tstart的函数(假定扫描持续期ΔT是固定的)。
代入CPeak和简化产生 此时，有两个等式(上坡上和下坡上的CTarget)和两个未知数(CTarget和Tstart)。在以代数方法解CTarget之后，推导出仅根据Qinj、Tinj以及已知常数的下列表达式。
注意，如果Tinj＞＞ΔT，则CTarget接近分子(CPeak)，而如果ΔT＞＞Tinj，则CTarget到零。现在把等式(9)和(13)代入等式(8)，并且确定使成本函数最小的参数。对于Q*inj和T*inj是数字解有几个选择，包括但是不局限于在Qinj和Tinj的合理的范围/分辨率上“蛮力”搜索；相当直截了当地最小化，诸如，Nelder-Mead(单一的)；或梯度下降(也可以解析地计算偏导数)。在数个研究中，执行“蛮力”搜索策略，因为较佳地定义参数范围，溶液流形性能较佳(如图5的等高线图和图6的表面图所示)，并且搜索最小值需要的计算负担不大，特别在参数输入和协议产生之间的间隔中数秒的计算时间不会对过程有影响。
注射截断和稀释阶段计算 一旦产生了初始的、计算的诊断协议(包括扫描延迟)，就应用测试以保证在扫描结束之前的给定时间量(例如，几秒)处终止对比剂注射。明显地，不希望在扫描结束之后注射对比剂，因为对比剂不再对诊断图像有贡献。在优化协议产生中发生更微妙的考虑，因为从注射部位到右心(或其它ROI)的过渡延迟，在扫描结束和到右心的过渡时间之间的时间中注射对比剂，对诊断图像也没有贡献。确定对比剂到达右心房所需要的最小时间作为肺动脉时间增强曲线的峰值时间减去测试对比剂团的注射持续期加上识别在对比剂过渡到肺动脉干之前对比剂到达右心房的偏离因子。在数个研究中，偏离因子使用2秒的默认值。熟悉本领域的技术人员很清楚，上述考虑/逻辑应用于与左心/右心不同的ROI。
例如，可以使用下列公式，通过估计对比剂团到达时间来计算扫描延迟 扫描延迟＝T2-(TinjTB+arrOffset)+Tstart 其中TinjTB是定时对比剂团的注射持续期，而arrOffset是到达时间偏离值；以及可以通过把扫描延迟加到扫描持续期上而确定扫描结束时间。
例如，可以使用下列公式计算右心中对比剂到达时间 TarrRH＝T1-(TinjTB+arrOffset) 其中TIPeak是到感兴趣的第一区域中的峰值增强的时间。
图7A描绘一种情况，在该情况中，计算的诊断注射超过扫描的结束。图7B描绘执行本发明的截断算法或方法之后的结果诊断注射。在截断之后，在扫描结束之前数秒完成注射(由对比剂到达右心的到达时间所确定)，保证不向病人注射不需要的对比剂。因为在该算法中的协议产生是数据驱动的，所以不期望上述截断操作发生得过于频繁。在这方面，通过使用从测试对比剂团产生的定时数据的优化方法使注射持续期固定。然而，在图8A中描绘了更普通的情况。在该情况中，在扫描完成之前结束计算的诊断注射。然而，在注射的最后几秒钟中注射的对比剂没有足够的时间迁移到右心中(由从肺动脉干时间增强曲线测量到的到右心的对比剂的到达时间所确定)，并且对诊断图像没有贡献。因此，在扫描结束和右心中对比剂的到达之间的差处卡住/停止注射。在图8B中示出结果注射协议。
在这方面，如果(Tinj+TarrRH)＞scanEnd，则可以截断注射。例如，可以截断注射以致至少在扫描结束之前的TarrRH秒完成注射如下 Tinj＝scanEnd-TarrRH 如果需要，在检查和修改对比剂注射协议之后，为了防止超过扫描结束和注射不需要的对比剂，可以计算双-流动(或稀释)阶段，在该阶段中，同时注射对比剂和稀释剂两者。本发明的方法与每个协议不必定具有双-流动协议的以前的实施例不同。例如，设计稀释阶段以减少会导致条纹和束硬化的赝像的、上腔静脉(SVC)和右心结构的明显的混浊。
在数个实施例中，进行扫描开始和注射的比较以确定何时插入稀释阶段。如果扫描开始同时正在进行对比剂注射，则在扫描开始前N秒应该“加入”或开始稀释的对比剂是合情合理的，因为当扫描开始时要把稀释的对比剂填充右心结构(其中N是到右心的对比剂的到达)。如果在扫描开始减去对比剂团到右心的到达时间之间的时间框架内没有开始对比剂稀释，则未稀释的对比剂会填充SVC等，增加了条纹和过度混浊的机会。在图9A中提供了稀释阶段计算的图形说明。在图9B中给出了具有双流动阶段的结果注射协议。如上所述，在数个研究中，固定对比剂/盐水的比为40/60(对比剂/盐水)或比值与扫描/对象参数有关，以减少实验中的自由度。熟悉本领域的技术人员很清楚，可以容易地产生可变化的对比剂/盐水比(例如，如在PCT国际专利申请PCT/US2007/026194中所描述或如下进一步描述)。例如，可以根据在测试对比剂团期间确定的到峰值增强的时间来确定外加剂或双-流动阶段中的对比增强液对非对比增强液的比例。例如，到峰值增强的时间较长会导致对比增强液对非对比增强液的比例较高。
例如，通过考虑对象的心脏动力学、药物特性和扫描特性，可以使用上述协议产生算法来使对象接收到的对比剂的剂量最小。图10A说明使用本发明的方法(B)计算的流速，与使用PCT国际专利申请PCT/US2007/026194中说明的方法(A)计算的流速进行比较。使用本发明的方法确定的流速的量值与使用其它方法计算的流速的量值相同，但是示出人们所期望的更大的可变化性，因为本发明的方法试图产生具有可变流速的、对于病人更为特定的注射协议。作为算法临床有效性的检查而进行比较。例如，如果计算出大多数结果流速值大于10ml/s或小于3ml/s，则这可能表示算法逻辑中的缺陷。
图10B示出使用上述方法1对于在临床上表示双源CT或DSCT研究而计划的70个病人的研究组中得到的数据。在研究组的研究中，注射浓度为300mgI/ml的对比剂。使用250HU的目标衰减水平。还使用ECG脉冲使辐射剂量最小化。在数据中，Asc.Aorta是指升主动脉，Left-Main是指冠状动脉，LAD-Proximal是指左冠状动脉前降支的近端区域，LAD-Middle是指左冠状动脉前降支的中间区域，LAD-Distal是指左冠状动脉前降支的远端区域，LCX-Proximal是指左动脉回旋支的近端区域，LCX-Middle是指左动脉回旋支的中间区域，LCX-Distal是指左动脉回旋支的远端区域，RCA-Proximal是指右冠状动脉的近端区域，RCA-Middle是指右冠状动脉的中间区域，以及RCA-Distal是指右冠状动脉的远端区域。
还研究了为在临床上表示双源CT或DSCT研究而计划的50个病人的控制组。在控制组的研究中，注射浓度为300mgI/ml的对比剂。对控制组使用常规三阶段注射协议。在三阶段注射协议中，首先注射60-90ml的对比剂，接着双流动注射50ml的具有30/70的对比剂/盐水比的液体，接着注射盐水。每个阶段的流速是6ml/s. 图10C示出研究组研究的每个解剖区域的平均衰减(HU)。图10D示出在研究组和控制组的每一个的研究中使用的平均对比增强液或对比剂容量。使用本发明的方法，得到每个病人平均节约约19.7±24.1mL的对比剂。图10E示出作为心输出量的函数的对比剂节约(mL)的曲线图。如所示的，本发明的系统和方法提供对比剂的大范围上的对比剂节约。存在具有高心输出量的对象的情况，算法计算出比输送的对比剂要求更多的对比剂。在这些情况中，可能标准协议会提供不足的增强(＜250HU)。图10F示出对于研究的每个区域的控制组和研究组的平均衰减。与具有不一致性增强图案的控制组相比(注意，在Asc.Aorta中较高的增强和远端区域中较低的增强)，研究组的区域上的可变性较小(更一致地接近250HU)。
在图11A和11B中示出连同肺动脉和升主动脉一起应用的本发明的方法的上述实施例的工作流程概要。
在上述研究中，计算注射流速。例如，也有可能在诊断注射期间改变碘给予速率来代替改变流速。结果增强几何形状可能稍有差异。在一个实施例中，固定所有病人的体积流速，但是如果需要的话，通过在诊断注射期间稀释对比剂来调节碘给予速率(gI/s)。只有在储备浓度不能够提供足够的增强时，才增加体积流速。
在上述实施例中，扫描在Tstart时在左心浓度曲线的上坡上的一个未知点处开始。扫描在ΔT后在曲线的下坡上结束(其中ΔT是规定的扫描持续期)。到扫描窗口处于得到相当高和一致增强的状态的时间，这两个值(称之为上坡上的CLH-Target和下坡上的CRH-Peak)应尽可能地接近CLH-Target。右心曲线具有相似的相关联的参数。然而，因为CRH-Peak不应该在扫描窗口期间发生(因为右心中过多的增强会导致条纹和束硬化的赝像)，所以没有把它作为一项包括在等式(8)中说明的成本函数中。
具有可变稀释比的诊断注射协议产生和在感兴趣的附加区域中的浓度/增强的优化-方法2 在本发明的协议产生系统和方法的另一个实施例中，在与稀释阶段有关的优化过程中添加参数。例如，可以把稀释比(R2)和稀释阶段的持续期(ΔTinj2)添加到优化过程中。从而稀释比是个性化的(而不是使用固定的或设置的比，例如，40/60)。此外，在优化之后不需要调节计算的协议。对于该实施例中的感兴趣的第二区域(在这里代表性例子中的右心或RH)，还把增强目标添加到优化过程(例如，成本函数)中。因为在这里说明的本实施例的代表性例子中，扫描窗口的最佳设置不单单取决于左心或LH增强，不存在Tstart的解析表达式。因此也包括Tstart作为优化过程中的参数。图12示出右心/肺动脉和左心/主动脉的相对定时和诊断注射协议阶段、扫描和增强曲线的一个例子。
把另一个项添加到成本函数中作为对所注射的对比剂总量的补偿(penalty)(见等式(14)的成本函数的最后项)。等式(14)中包括诸如α、β和γ之类的加权因子，以允许调节成本函数的各个项的相对重要性。例如，通过使用小值的α，右心增强中误差的补偿就没有左心增强中误差补偿得那么多。因为扫描窗口不处于右心峰值的中心，一般情况中，C(TRH-Start)或CRH-Start过高，而C(TRH-End)或CRH-End过低。因此，为了避免右心增强中这些误差支配优化过程，在数个实施例中，把α设置为等于0.5。在数个实施例中，把β设置为等于1，这表示了失去与测试对比剂团流速的一致性和没有达到目标增强水平之间的合理的折衷。在数个实施例中，把γ设置为等于1000，这在超过装载的对比剂量上加上了极大的补偿。在这方面，如果(Qinj(R1ΔTinj1+R2ΔTinj2)＞VLoad)是真实的，则γ设置成等于1000。否则，γ设置成等于0。
根据稀释比，在上坡(阶段1)或稀释阶段(阶段2)期间发生LH的峰值，一次是两者中较大的一个 或 对于剩余的浓度值，给出绝对时间T(扫描的开始或结束)，RH和LH曲线的每一个可以是3个区域(上坡(阶段1)、稀释(阶段2)或衰变(阶段3))中的一个。当T＜(Tarr+ΔTinj1)时，表达式为 注意，根据正在使用哪根曲线，Tarr是TRH-arr或TLH-arr。对于稀释阶段(阶段2)，当(Tarr+ΔTinj1)＜T＜(Tarr+ΔTinj1+ΔTinj2)时，表达式为 最后，在衰变阶段(阶段3)中，当T＞(Tarr+ΔTinjA+ΔTinjAB)时，表达式为 因此，为了找到给定时刻给定曲线上的给定浓度，要规定与曲线(RH或LH)对应的到达时间，确定在时刻T正在发生哪个阶段，并且使用上述合适的等式。
虽然搜索空间从等式(8)的两维搜索空间发展到等式(14)的6维搜索空间，但是仍执行蛮力搜索策略。较佳地定义参数范围，溶液流形性能较佳，并且在相当粗糙的采样网格的情况(例如，0.1ml/s的流速、10％的稀释比以及1秒的时间)中，搜索最小值需要的计算负担不大。此外，参数输入和协议产生之间的间隔中的数秒的计算时间对于成像过程没有影响。
与以前的实施例相似，通过考虑对象的心脏动力学、药物特性和扫描特性，可以使用上述协议产生过程使对象接收到的对比剂的剂量最小。图13和14分别表示使用公式(14)(C)的优化过程的碘给予速率和总对比剂容量，与PCT国际专利申请PCT/US2007/026194中说明的方法(A)和等式(14)(B)包括优化过程的方法进行比较。比较提供了临床有效性的检查。
图15示出从进行上述方法2的DSCT心脏成像的10个对象收集到的临床数据。图15中说明的平均值是在每一个解剖区域中设置的三个感兴趣的区域的平均值。所有解剖区域(除了肺动脉干和右心室之外)的目标增强是300HU。所示出的误差条为±-1的标准偏差。所研究的解剖区域是Part(肺动脉干)、AscAorta(升主动脉)、RV(右心室)、LftMain(左主冠状动脉)、LAD Prox(左冠状动脉前降支的近端区域)、LAD-Dist(左冠状动脉前降支的远端区域)、RCA-Prox(右冠状动脉的近端区域)、RCA-Dist(右冠状动脉的远端区域)。
在图16A和16B中示出连同肺动脉和升主动脉一起应用的本发明的方法(方法2)的上述实施例的工作流程概要。
此刻，上述说明和
了本发明的较佳实施例。根据上述学说，熟悉本领域的技术人员对不偏离本发明范围的各种修改、添加和另外的设计当然都是显而易见的。由下述权利要求书而非上述说明来表示本发明的范围。在本发明的范围内包括落在权利要求书的等效物的意义和范围内的所有的改变和变化。
权利要求
1.一种确定成像过程的至少一个参数的方法，所述成像过程包括注射包含对比增强剂的对比增强液，所述方法包括在注射对比增强液的对比剂团之后，把使用成像系统对第一感兴趣区域测量的至少一个对比时间增强曲线所确定的分立点数据代入一模型。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，把足够数量的数据点代入所述模型中以确定所述模型中的生理变量的值，所述变量与心肺功能有关。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，把使用成像系统测量的第二感兴趣区域的至少第二对比时间增强曲线的至少一个数据点代入所述模型。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述至少一个参数是注射对比增强液的注射过程的至少一个阶段的参数或成像系统的参数。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，来自第一感兴趣区域的时间增强曲线的数据对应于对比增强液第一次通过第一感兴趣区域，而来自第二感兴趣区域的时间增强曲线的数据对应于对比增强液第一次通过第二感兴趣区域。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，第一感兴趣区域的时间增强曲线的经分析的部分与第二感兴趣区域的时间增强曲线的经分析的部分在时间上重叠。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，通过使用质量平衡守恒，使在某个时刻对比增强曲线之一上的对比增强剂浓度与在所述某个时刻或与所述某个时刻接近的时刻另一个对比增强曲线上的对比增强剂浓度相关。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，假定第一感兴趣区域和第二感兴趣区域之间的对比增强液的损耗可忽略不计。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，假定第一感兴趣区域的血容量等于第二感兴趣区域的血容量。
10.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述模型是生理模型，其中心输出量和血容量是变量，计算病人的注射部位和测量点之间的心输出量和血容量，并且使用所述生理模型来确定参数。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述模型是生理模型，其中心输出量和血容量是变量，计算病人的注射部位和测量点之间的心输出量和血容量，并且使用所述生理模型来确定参数。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，到增强的第一感兴趣区域的峰值增强的时间T1和到增强的第二感兴趣区域的峰值增强的时间T2是输入。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，在增强的第一感兴趣区域的峰值增强处的浓度C1(T1)和在增强的第二感兴趣区域的峰值增强处的浓度C2(T2)是输入。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，通过下面的生理模型解析解来描述从外围注射部位注射到每个感兴趣的区域中的对比材料的分布
其中原点，t＝0，对应于对比剂到达感兴趣的区域的时间，Qinj[ml/s]是注射流速，Tinj[s]是注射持续期，QCO是心输出量[ml/s]，VB是注射部位和测量点之间的血容量[ml]，Ci是向病人注射对比剂的对比剂源中对比剂的浓度，以及C0(t)是在时刻t时对比剂的感兴趣的区域中的血液浓度。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，通过下列公式使浓度与增强级相关
C0(t)＝S(t)/K
其中s(t)[亨斯菲尔德单位或HU]是在时刻t时的增强级，而K[mgI/ml]是转换因子。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，到增强的第一感兴趣区域的峰值增强的时间T1和到增强的第二感兴趣区域的峰值增强的时间T2是输入。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，在增强的第一感兴趣区域的峰值增强处的浓度C1(T1)和在增强的第二感兴趣区域的峰值增强处的浓度C2(T2)是输入。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，Tinj是注射持续期，并且是对比增强剂到达的时间和到峰值增强的时间之间的时间量。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于
其中max s2(T2)[Hu]是在第二感兴趣区域中的最大增强级，而C2(T2)是增强的第二感兴趣区域中的峰值增强处的浓度。
20.如权利要求15所述的参数产生系统，其特征在于，
C1(T2)≈C1(T1)-C2(T2)
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，使用下面的公式之一来确定血容量VB
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，使用下列公式确定心输出量QCO
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，在权利要求12的模型中使用所确定的QCO的值来确定所述至少一个参数。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，
使用下列公式使在成像注射的第二感兴趣区域中的峰值增强时刻TPeak时的峰值增强C(TPeak)处的对比剂的浓度与成像注射的注射流速Qinj和成像注射的注射持续期Tinj相关
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，由下式提供扫描开始时刻第二感兴趣区域中的对比剂的浓度C(Tstart)
其中ΔT是扫描持续期，并且其中C(Tstart)等于C(Tstart+ΔT)。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，确定C(TPeak)和C(Tstart)增强为Tinj和Qinj的可采纳的输入值，其中建立最大Qinj和最小Qinj以及最大Tinj和最小Tinj。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，建立最大Tinj作为扫描持续期加上一常数的函数，建立最小Tinj作为扫描持续期。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，确定诊断协议流速Q*inj和注射持续期T*inj的值，它们是使下列成本函数最小的自变量
29.如权利要求3所述的方法，其特征在于，第一感兴趣区域是肺动脉，而第二感兴趣区域是升主动脉。
30.如权利要求23所述的方法，其特征在于，第一感兴趣区域是肺动脉，而第二感兴趣区域是升主动脉，确定诊断协议流速的值，它们是使下列成本函数最小的自变量
其中Tstart是扫描开始的时间，R1是在仅注射对比剂的阶段中的注射速率，ΔTinj1是仅注射对比剂的阶段的持续时间，R2是在注射对比剂和稀释剂的阶段中的注射速率，ΔTinj2是注射对比剂和稀释剂的阶段的持续时间，CLH-Peak是在左心中峰值增强处计算出的浓度，CLH-Desired是在左心中峰值增强处的期望浓度，CLH-Start是在扫描开始时左心中计算出的浓度，CLH-Target-Desired是在扫描开始时左心中的期望浓度，CLH-End是在扫描结束时或TEnd时左心中计算出的浓度，CRH-Start是在扫描开始时右心中计算出的浓度，CRH-Target-Desired是在扫描开始时右心中的期望浓度，CRH-End是在扫描结束时右心中计算出的浓度，α是加权因子，β是加权因子以及γ是补偿值，其中如果(Qinj(R1ΔTinj1+R2ΔTinj2)＞VLoad)是真的，则γ为非零，如果(Qinj(R1ΔTinj1+R2ΔTinj2)＞VLoad)不是真的，则γ为0，其中VLoad是可用的对比剂的总量。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，CLH-Peak是如下计算的值中较大的那个值
或
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，当T＜(Tarr+ΔTinj1)时，通过下列公式计算在Tstart或Tend的时刻T时适用于右心或左心中的浓度CT，其中Tarr是适用的对比剂到达右心或左心的时间
33.如权利要求31所述的方法，其特征在于，当(Tarr+ΔTinj1)＜T＜(Tarr+ΔTinj1+ΔTinj2)时，通过下列公式计算在时刻T时适用于右心或左心中的浓度CT
34.如权利要求31所述的方法，其特征在于，当T＞(Tarr+ΔTinjA+ΔTinjAB)时，通过下列公式计算在时刻T时适用于右心或左心中的浓度CT
35.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述生理变量连同所述模型或至少一个其它模型一起被用于确定至少一个参数。
36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述至少一个其它模型是参数模型或非参数模型。
37.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述生理变量连同所述模型或至少一个其它模型一起被用于确定至少一个参数。
38.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述至少一个其它模型是参数模型或非参数模型。
39.一种参数产生系统，用来确定包括注射对比增强液的过程的至少一个参数，所述对比增强液包括适用于增强成像系统中的对比度的对比增强剂，所述系统包括输入系统和至少一个处理器，所述输入系统接收在注射测试对比剂团之后第一感兴趣区域的至少第一时间增强曲线的点数据，所述至少一个处理器与所述输入系统进行通信连接，以至少部分地基于将所述点数据代入一模型中而确定所述至少一个参数。
40.如权利要求39所述的系统，其特征在于，把足够数量的数据点代入所述模型以确定所述模型中的生理变量的值，所述变量与心肺功能相关。
41.如权利要求40所述的系统，其特征在于，来自至少第二对比时间增强曲线的至少一个数据点被输入到所述输入系统并且被代入所述模型，所述至少第二对比时间增强曲线是使用成像系统在至少第二感兴趣区域中测得的。
42.如权利要求41所述的系统，其特征在于，所述至少一个参数是注射对比增强液的注射过程的至少一个阶段的参数或成像系统的参数。
43.如权利要求41所述的系统，其特征在于，来自第一感兴趣区域的时间增强曲线的数据对应于对比增强液第一次通过第一感兴趣区域，而来自第二感兴趣区域的时间增强曲线的数据对应于对比增强液第一次通过第二感兴趣区域。
44.如权利要求43所述的方法，其特征在于，第一感兴趣区域的时间增强曲线的经分析的部分与第二感兴趣区域的时间增强曲线的经分析的部分在时间上重叠。
45.如权利要求43所述的方法，其特征在于，通过使用质量平衡守恒，使在某个时刻对比增强曲线之一上的对比增强剂浓度与在所述某个时刻或与所述某个时刻接近的时刻另一个对比增强曲线上的对比增强剂浓度相关。
46.如权利要求45所述的方法，其特征在于，假定第一感兴趣区域和第二感兴趣区域之间的对比增强液的损耗可以忽略不计。
47.一种注射器系统，包括参数产生系统，用于确定包括注射对比增强液的过程的至少一个参数，所述对比增强液包括适用于增强成像系统中的对比度的对比增强剂，所述参数产生系统包括输入系统和至少一个处理器，所述输入系统接收在注射测试对比剂团之后第一感兴趣区域的至少第一时间增强曲线的点数据，所述至少一个处理器与所述输入系统进行通信连接，以至少部分地基于将所述点数据代入一模型中而确定所述至少一个参数。
48.一种系统，包括注射器系统、成像系统和参数产生系统以确定包括注射对比增强液的过程的至少一个参数，所述对比增强液包括适用于增强成像系统中的对比度的对比增强剂，所述参数产生系统包括输入系统和至少一个处理器，所述输入系统接收在注射测试对比剂团之后第一感兴趣区域的至少第一时间增强曲线的点数据，所述至少一个处理器与所述输入系统进行通信连接，以至少部分地基于将点数据代入一模型中而确定所述至少一个参数。
49.一种用于确定一个过程的至少一个参数的方法，包括在注射药用对比剂团之后，把使用传感器对至少第一感兴趣区域测量的至少一个时间浓度曲线所确定的分立点数据代入一模型中。
50.如权利要求49所述的方法，其特征在于，把足够数量的数据点代入所述模型中以确定所述模型中的生理变量的值，所述变量与心肺功能相关。
51.如权利要求50所述的方法，其特征在于，来自第二感兴趣区域的至少第二对比时间增强曲线的至少一个数据点被测量，并且被代入所述模型中。
全文摘要
确定用于成像过程的至少一个参数的方法，所述成像过程包括包含对比增强剂的对比增强液的注射，所述方法包括对于从注射对比增强液的对比剂团产生的感兴趣的第一区域，把使用成像系统测量的至少一个对比时间增强曲线确定的分立点数据代入模型。在数个实施例中，可以把足够数量的数据点代入模型中以确定模型中的生理变量值，所述变量与心肺功能有关。例如，变量可以与心肺功能有关。还把来自使用成像系统测量的感兴趣的第二区域的至少第二对比时间增强曲线的至少一个数据点代入模型。
文档编号A61B5/08GK101742967SQ200880024880
公开日2010年6月16日 申请日期2008年6月24日 优先权日2007年7月17日
发明者J·F·卡拉伏特, C·肯珀 申请人:梅德拉股份有限公司