成像技术的制作方法

专利名称：成像技术的制作方法
成像技术本发明涉及用于将组织成像的方法，并且特别地，涉及隔室模型对(但不限于)氧 il^il^lSj^ft (Oxygen-Enhanced Magnetic Resonancelmaging) (OE-MRI)的jSffi。核磁共振(NMR)涉及施加作用于具有分数自旋量子数的原子的核并且因而将它 们极化的磁场。在测量过程中，施加给定共振能的射频脉冲，其反转(flip)核自旋并且扰 动取向分布。然后核以时间依赖的指数形式返回(驰豫)到初始状态，从而产生可以电处 理成可记录数据的信号。当信号被空间地微分并且具有充分水平时，可以将数据组织并且 作为图像显示在屏幕上。例如，计算由有机组织内的水的质子产生的信号使得可以构造磁 共振图像(MRI)，从而允许了生物体内内部器官的直接可视化。NMR因而是诊断、医学治疗 和外科手术中的有力工具。应当理解，临床医师出于许多原因而希望测试受试者中的组织代谢功能。在几乎 或完全不知道受试者健康状况时对患者的最初诊断阶段中，代谢功能测试可以提供患者一 般健康状况的指示。而且，在许多疾病中，病灶可以出现在受试者的组织区。所述组织区可 以成为临床医师为了诊断、治疗、手术计划或预后评估目的的兴趣焦点。表征所述目的组织 区的代谢功能可以帮助诊断疾病，指导治疗或手术，或帮助临床医师给出疾病进展的预后。 例如，已经以一些方式损伤的组织可以表现出变化的代谢功能，或实际上完全无代谢功能。 具体地，肿瘤组织可以表现出增加的或减小的代谢功能。临床医师可以，例如，利用变化的 代谢功能来鉴别或表征受试者中的肿瘤。在一些情形中，增加的代谢功能可以用于提供关 于肿瘤新生长的可能区域的预后。正电子发射断层摄影术(PET)是能够产生低分辨率图像的核医疗学技术，所述图 像可以用于表征受试者中的组织功能。在PET扫描过程中，将放射性同位素引入至受试者 中并且扫描仪检测放射性同位素的闪烁。这样，放射性同位素在受试者体内定位并且可以 追踪其经过受试者的途径。15O是PET成像中常用的造影介质。不幸地是，该技术受到生成 的图像的分辨率和使用放射性同位素的必要性的局限。动态对比增强MRI (DCE-MRI)在过去已经用于表征组织功能。将在通过MRI扫描 生成的图像中可视的惰性外源造影介质引入至受试者血液供应中并扫描受试者。由此生成 的图像，其显示造影介质经过受试者的灌注，可以用于表征组织功能要素，诸如血液经过组 织的灌注和还有组织对造影介质的渗透性。然而，这些方法不提供关于组织内氧递送或代 谢的直接信息。MRI中使用的另外鉴定但非常见的造影介质是170，其非常昂贵并难以获得。上述成像技术能够表征受试者中的组织功能。然而，它们的应用受到这样的事实 的局限，即它们需要使用(通常基于核医学的)造影介质。将“外源”造影介质引入受试者 可以具有严重的病理生理后果。例如，存在充分证明的关于将放射性造影介质引入受试者 中的风险。由于这些原因，常见的情形是最易受影响的患者不适合于这些成像技术。OE-MRI以前已经证明作为用于可视化肺通气的间接方法。分子氧(任何同位素 的O2，且重要地"iO,其是非放射性的)是顺磁性的并因此在溶解于实质水(parenchymal water)中时由于其对T1的作用而起到NMR造影剂的作用。(T1对NMR领域中的技术人员 是已知为称作自旋-晶格驰豫时间，并且是在ζ-方向上的时间常数，所述ζ-方向采取为与施加的磁场平行)。呼吸100%氧导致肺组织中的溶解氧的浓度增加，从而产生T1的相应 下降，这可以作为在T1-加权图像中的局部信号强度增加而被检测。已经进行了这样的研 究，即分析当呼吸100%氧时在肺组织中达到氧饱和所需的时间，和肺组织中氧浓度在呼吸 100%氧结束后返回到正常所需的时间。这些称为洗入(wash-in)和洗出(wash-out)时间。OE-MRI已经用于分析体内许多区域中的组织功能在肾皮质、脾、肝、肌肉中和在 肿瘤中。OE-MRI提供许多超越DCE-MRI，用于MRI的17O和用于PET的15O成像的优势，因 为大气氧，或160，大量存在并安全使用。lfiO与15O相反，是非离子化的，这使得lfiO更安全使 用。lfiO也比1力或~更便宜和容易获得。因此，本发明的目的是克服与现有技术扫描方法(例如，PET, DCE-MRI和OE-MRI 法)相关的问题并提供在健康和患病状态下在临床上重要的关于组织功能和生理学的信 息。根据本发明的第一方面，提供表征需要所述表征的受试者中的组织功能的方法， 所述方法包括对受试者体内限定的体素进行成像技术，其中图像数据在一段时期内产生，在所述时期内，受试者吸入具有至少两种不同 分压的顺磁性气体的气体，和将隔室模型算法应用于关于所述体素产生的所述图像数据，以提供关于所述体 素内组织的代谢功能的信息。所述成像技术可以是本领域技术人员已知的任何合适的成像技术。例如，其可以 是MRI、CT扫描、X-射线等中的任何形式。然而，优选成像技术为MRI。所述顺磁性气体可以是任何合适的顺磁性气体，但优选顺磁性气体为氧。当成像技术为MRI时，优选顺磁性气体为氧。备选地，当使用MRI时，顺磁性气体 可以为气溶胶或其它造影介质，比如当使用MRI观察时引起组织中信号变化的钆-基气溶 胶。最优选的是，成像技术为氧增强磁共振成像(OE-MRI)。优选的是，成像数据提供关于向组织递送氧和组织内氧代谢消耗的信息。本发明的第一方面的方法允许评价正常和异常的组织功能并且提供可用于为患 有疾病的受试者(例如，具有病灶诸如肿瘤或组织的其他错误机能区的受试者)或易患这 种损伤或疾病的那些受试者(例如由环境原因或出于遗传原因)作出诊断以及还为其给出 预后的重要数据。术语“体素”表示在受试者体内由三维空间限定的栅格中的体积元素。在本发明 中，优选的是将受试者分成各个体素的矩阵，所述体素每个典型地为几个立方毫米。本发明基于本发明人在MRI，特别是0E-MRI，和图像处理领域中的知识。本发明人 已经认识到，OE-MRI可用于将组织中的氧递送和代谢功能进行可视化，因为当在水性环境 中(例如，在间质液中，在细胞内或在血浆中)时，氧将与水中的质子相互作用，因而产生改 变的NMR信号。本发明是在发明人考虑氧的这些MRI性质是否使得可以由OE-MRI得到关 于组织功能的有意义的数据的情况下完成的。他们认识到组织中和血液中氧的浓度差异可 以允许他们使用OE-MRI来测量氧递送至组织和在目的组织中通过代谢过程消耗的速率。这样的数据具有极大价值，因为它们将提供给临床医师关于目的组织的健康状态的信息数 据。临床医师将认识到存在许多情况(例如，肿瘤疾病诸如癌症)，其中氧水平，具体地代谢 速率，和一般地细胞呼吸功能，是健康组织健康状况的良好指示，并且也是肿瘤组织中新生 长的可能区域的良好指示，并且用于将遭受功能增强或损害的组织区域可视化的技术对于 作出诊断或预后评价将是非常有力的。本发明人还认识到，OE-MRI可以是有力的技术，因为体素尺寸可以设定得非常小， 且NMR用于通过检测来自延伸通过组织或肿瘤整个空间和周围区域或其一部分的体素矩 阵的NMR信号而将整个组织或肿瘤和周围区域可视化。因此本发明的方法优选涉及对在 目的组织内形成矩阵的“η”个体素进行0E-MRI。可以对各个体素测量气体交换的效率，然 后临床医师可以得到关于在目的组织区的不连续区域中的灌注、氧扩散和氧代谢的具体信 肩、ο本发明人认识到，计算目的组织中氧消耗速率的最好方法是，在不同分压的氧的 气体混合物之间切换气体供给的同时，通过连续动态获得来自组织的NMR数据，来分析氧 从动脉和静脉空间(第一隔室)进入到组织(第二隔室)中的传输，从而产生到达组织的 气态氧的浓度的变化。原则上，这可以通过要求受试者吸入至少两种不同浓度的氧来实现。 当受试者呼吸不同浓度的氧时收集的MRI数据可以用于使用以下更详细讨论的算法计算 代谢氧消耗的速率。对实现本发明有贡献的另一重要的因素是，本发明人认识到扩散到组织中的氧在 组织中工作时通过代谢过程消耗。此外，本发明人意识到氧的代谢消耗在进行受试者的病 理生理学评估时可以是非常重要的因素，并且因此他们竭尽全力开发特别有效用于评估组 织中氧代谢消耗的方法。因此本发明方法的一个重要特征是可以将此效果作为根据本发明 使用的算法中的因素。利用许多其他医学成像的方法，包括基于钆的DCE-MRI，测量氧代谢消耗是不可能 的，因为这些成像形式不测量氧含量。本发明人已经认识到，尽管氧的代谢消耗不能由关于 氧的成像数据，诸如OE-MRI数据直接测量，但是测量值可以由作为受试者体内周围物质中 的氧随时间推移而导致产生的MR信号推断而来。因此，本发明算法中包含代谢因素明显 比任何现有技术的成像组织功能的方法更有利，因为在不具有该因素的条件下，不能由MRI 数据获得代谢功能的测量值。根据本发明的方法测试的受试者可以是需要测试细胞呼吸或组织代谢功能的任 何受试者。受试者优选为哺乳动物(但该方法还通常适用于任何生命体，如鸟类、爬行动 物、两栖动物)，并且该方法特别适于测试具有兽医重要性的动物(如马、牛、狗或猫)或对 治疗学(包括但不限于药理学)开发工作重要的动物(如小鼠或大鼠)的组织功能。然而 应当理解，受试者优选为人类。本方法特别有效用于研究人受试者是否患有以细胞呼吸功能变化(即氧代谢变 化)为特征的病症。备选地，可以对受试者中的组织成像，从而评估这样的病症如何对时间 推移而进展(例如，对医学或手术干预的反应)。所述病症包括通常以与“正常”组织不同 的速率消耗氧的癌症/肿瘤。感染(例如脑膜炎)、炎性病症(例如克隆氏病(Crohn' s disease))、纤维化病症(例如肺纤维化(pulmonary fibrosis))和免疫学病症(例如自身 免疫性疾病)都可以导致组织表现出改变的代谢活性并可以因此根据本发明的方法来成像。优选地，所述方法用于成像肿瘤。还应该认识到，本发明的方法可以用于测试受试者如何对候选药物反应，其中评 估所述药物从而评价其是否对目的组织中的氧水平具有影响(直接或间接)。这可以在人 受试者的临床试验中或可以甚至作为在动物受试者中测试候选药物的研究计划的一部分。具体地，本方法可以用于评价候选药物是否能够调节其作用的组织的代谢活性。 例如，用于治疗癌症的候选药物可以通过以下步骤来评估评价在施用药物前的肿瘤代谢 活性(即氧消耗)(其可能高于未转化的细胞)和然后将其与用候选药物治疗受试者后的 肿瘤代谢活性进行比较(有效的候选者可以预期减小肿瘤的代谢活性)。这样的筛选可以 优选用于评估候选药物治疗实体瘤(例如肝、膀胱、胃、结肠或肺的肿瘤)的有效性。备选地，可以对作为候选抗炎性试剂的药物进行筛选(发炎的组织可以预期表现 出高氧消耗而有效的抗炎性试剂可以预期减少发炎组织中的氧消耗)。技术人员应该认识到，所述方法应该有效用作许多病理生理学病症的筛选，已知 所述病症的特征为与正常健康组织相比增加或减少的氧消耗。待测受试者应当放置于MRI机中，该MRI机典型但不必要处于1. 5特斯拉磁场强 度下。因为本方法需要很少的专门设备，应当可以使用为人类或动物用途设计的任何MRI 机中的0E-MRI。为吸入具有至少两种不同分压的顺磁性气体的气体的受试者佩戴用于气体 递送的面罩或呼吸设备，从而使在进行MRI扫描的同时吸入不同气体。当气体为氧时，室内 空气可以用作氧分压，在该情形中，受试者应该在不使用任何设备条件下正常呼吸。优选的是，受试者吸入两种气体-第一种气体具有较低浓度的氧(例如 10% -35% )，而另一种气体含有较高浓度的氧(例如45% -100%)o最优选的是，第一种 气体为空气(含有约21 %氧)，而另一种为含有90% -100%含量的氧的气体。应当认识到， 使用的气体的选择可以根据受试者的健康状态。在使用溶解氧作为造影剂的扫描开始之前，活的受试者的组织中溶解氧的浓度始 终高于零，因为受试者连续呼吸空气，氧已经从所述空气中提取出并灌注到受试者血液中 的组织中。这与使用人工造影剂如17O或15O的成像技术不同，因为这些不是显著大量天然 存在的物质，所以它们在扫描之前受试者的组织中的浓度可以假设为零。提供具有第一种 氧浓度的第一种气体允许检测目的区域内组织中溶解氧浓度的基线信号。在扫描过程中提 供具有不同浓度的另一种气体允许在转变时期中待检测组织中的溶解氧浓度的改变，在所 述转变时期中组织中氧浓度增加，这归因于受试者呼吸的氧浓度的增加。然后可以在呼吸 这种气体的过程中进行另外的测量。受试者可以恢复到呼吸第一种气体或恢复到另一种气体浓度。在这种情况下，优 选进行这样的测量，其检测在此进一步转变时期中组织中溶解氧浓度的变化。可以按需要 重复各个气体之间的转变。与可以简单通过测量单一气体的氧浓度所得到的相比，此方法 提供组织中氧的局部浓度和氧代谢消耗速率的更精确测量。从较低向较高氧浓度的转变所 花费的时间称为“洗入”时间。从较高向较低氧浓度转变所花费的时间称为“洗出，，时间。 对于单一受试者在单一扫描期过程中洗入时间和洗出时间的长度大约相等，因此，对于单 一受试者在单一扫描期过程中洗入时间和洗出时间的以秒计的大约长度在本文中用单一 值表示。受试者任何给定的体素中MRI可视氧(以mmHg为单位)的总分压(或浓度)在本文中定义为P02。在单独的血液中的氧浓度在本文中定义为pa02。在其他组织(即非血 液)中的氧浓度在本文中定义为peo2。因此，PA = Pa02+Pe02。应该认识到，在一些实例中， 当在公开内容上下文中清楚表示提到具体组织中氧分压时，可以指P02。例如，提及血液中 的卩仏明显与提及PaO2相同。应该认识到，血管将吸入的氧由肺运至目的组织。因此，优选的是根据本发明的隔 室模型算法考虑关于血液的洗入和洗出时间(其包括动脉氧浓度达到最大或返回基线所 需的时间，其是换气效率和其他肺健康因素的函数)。对于血液的洗入和洗出时间在本文 中由数值(TraF)来表示。TraF可以由已知的生理学平均值估计并取作受试者的整个脉管系 统的单一一致数值。如下所述，根据本发明TraF可以是有效的，因为它可以用于计算血液中 的氧分压(PaO2),其然后可以用作对隔室模型算法的输入。备选地，血液中氧浓度的测量值 (PaO2)可以利用集中于仅包括血液的体素的OE-MRI方法(例如，参见实施例4的方法)或 备选的方法诸如通过血液取样来进行，且这些测量值可用于产生代表受试者整个脉管系统 的PaO2的更精确数值。在一些实施方案中，PaO2值利用取自主动脉区的OE-MRI数据来测量。优选的是通过以下过程对各个体素记录OE-MRI数据由在低浓度氧下的受试者 开始；将吸入气体换成具有高氧浓度的一种历时一段时期；然后使受试者回到再次吸入低 氧浓度气体。本发明方法最优选的是，在个体吸入100%氧之前和之后呼吸标准空气(例如 含21%氧的医用空气)时，由其中洗入并洗出100%氧的受试者产生OE-MRI数据。起造影 介质作用的不同浓度的氧然后影响由质子(主要来自组织中的水或脂质，但潜在地来自其 他利用NMR可视的质子运送分子，诸如N-乙酰天冬氨酸盐、肌酸、乳酸盐或胆碱)，或由包含 其他NMR-敏感的核的分子(诸如31P，19F尸Na，17O)检测到的NMR信号，并且此OE-MRI数据 然后可用于产生根据本发明使用的算法的输入。根据本发明的隔室模型算法可以对OE-MRI 数据拟合。最优选的方案描述于实施例中。OE-MRI数据可以是以s—1为单位的T1自旋-晶格驰豫时间队(其直接源自T1信 号，如Ii1 = T1-1K为了将队值转化为指示PO2W数值，需要使用转换因子。尽管认识到可 以使用任何所需的转换因子，但是优选的转换因子是A = ^K^fmmHg—1，这是经过经验确 定的可接受的因子。备选的转换因子是2. 49 χ 1(Γ4，这由Zaharchuk G,Busse RF，等(Acad Radiol2006 ；13 :1016-1024)验证。R1 (以 s"1 为单位)可以通过用 R1 除以 T1 (以 S^mmHg"1 为单位)而转化为PO2 (以mmHg为单位)。假设那个转换因子作为线性因子应用于R1值的 整个MRI数据集，则应该认识到，转换因子的具体数值在使用本方法评估氧水平和特别地 代谢消耗的差异时不是关键的。所述因子用于将MRI数据值转化为氧分压(或浓度)范围。在具有健康肺功能和健康脉管系统的个体中，目的组织的氧增强MRI信号增大并 在约5min内达到饱和。当气体切换回空气时信号减小至其正常基线值的时间也在与约 5min相同的时限内。然而，这些时标在不同器官中和疾病中可以不同。典型地，受试者应该 需要呼吸具有较高氧浓度的气体混合物最长约10分子的时期。来自呼吸较高氧浓度的副 作用仅在暴露约M小时后被注意到，并且因此该暴露时间被认为是安全的并对大部分受 试者没有有害影响。使用NMR对活的受试者成像的挑战在于由扫描过程中受试者的运动所导致的问 题。例如，受试者的胸腔在呼吸时会运动并且受试者可以进行大量无意识运动，或甚至不 能防止随意运动的发生。这导致在需要随时间推移由单一体素测量MRI信号时的技术挑战。因此优选的是使用图像配准技术以确保测量可以由相同体积的组织作出。可以根据本 发明方法使用的优选图像配准技术是由Naish等开发的(Naish等000 药物中的磁共振 (Magnetic Resonance in Medicine) 54 :464-469)。本发明基于下列认识可以将隔室模拟方法用于0E-MRI，以允许从增强信息中提 取给出关于组织中局部代谢功能的更具体信息的参数。隔室模型可以基于作为血管空间 (在空气呼吸过程中，包含动脉中约95mmHg分压的氧和静脉中40mmHg分压的氧)的第一隔 室和包括组织细胞和间质组织的第二隔室(在空气呼吸过程中，包含溶解在组织水中的具 有约40mmHg氧分压的氧)。应当理解，这样的模型的开发代表显著的技术障碍。因此本发明人使用了相当大 的发明努力来开发用于身体组织的OE-MRI的隔室模型，其允许计算描述组织中氧代谢的参数。本发明人的一种特别认识在于，OE-MRI数据可以以这样的方式用于生成关于组织 功能方面的信息，所述信息可能不能被其他造影增强方法，诸如使用17O的MRI和使用15O的 PET来测量。通过分析由目的组织空间的OE-MRI生成的数据，可以产生直接涉及组织空间 中的氧代谢的信息。该信息不可利用OE-MRI直接测量，但是本发明人已经认识到其可以利 用隔室模拟从随时间推移的直接测量值推断。根据本发明的方法优选为基于血液和组织中氧浓度的已知生理参数的两隔室模 型。这样的隔室模型优选模拟从改变的NMR信号值得到的体素的合并的氧浓度(Ct)，所述 体素由第一隔室(Cb)和第二隔室(Ce)组成，第一隔室包括血液，其存在于受试者的血管，具 体地动脉、小动脉和毛细血管中；且第二隔室包括组织细胞和细胞之间的间质空间。应该 理解，测量值，例如，溶解氧浓度的测量值，可以输入到按照本发明使用的隔室模拟算法和/ 或按照本发明的隔室模型可以对测量值进行拟合。因此，数值PO2,如上所述源自R1,可以用 作模型的输入，其与Ct等价。在该方面，模型参数CtR表在一段扫描时期内体素中的总氧 浓度，该模型针对每种体素对溶解氧浓度的测量值进行拟合(即，源自△队的？02值)。此 外，应该认识到，Cb可以推断或测量(Cb可以等于PaO2，其可以推断或测量)并用作所述算 法的输入。在一些实施方案中，Cb不可以推断或测量，且因此不输入模型中。更适合地，Cb可 以通过将定义Cb形状的参数引入模型而在隔室模型中进行模拟。已知Cb的基本形状遵从 梯形函数。该梯形函数的一个或多个参数(诸如决定增加浓度的氧的洗入和洗出期间梯形 函数的梯度的TraF)可以用作该模型的参数。在这样的模型公式中，Cb及其参数，诸如TraF， 可以由模型中输出并代表科学和临床有用的信息。还优选的是，隔室模型考虑以下参数中的一个或多个，或促进这样的参数的计算 血液的部分体积(fractional volume)/MRI可视物质(Vb)；组织的部分体积(Ve)/MRI可视 物质；脉管系统的扩散能力(K。x)；第二隔室内的氧代谢速率(MJ ；还有描述输入函数的形 状的参数，所述输入函数限定在达到目的组织区的血液中的预测氧浓度(即，高水平的氧 的吸入与组织中最大输入氧浓度之间的时滞(time-lag)，或洗入时间TraF)。在一个优选的其中测量Kox的实施方案中，应该认识到K。x与值kteans完全不同，所 述ktrans由DCE-MRI技术输出。kteans是造影介质(诸如基于钆的造影介质)由血液扩散至 组织中的量度。造影介质为已经存在的事物提供反差，并且同样地，对于受试者是外源的，并应该自然地扩散到组织中(或至少，不像在DCE-MRI过程中的情形中那么大量)。因此， kteans测量值是脉管系统的特殊区域对外源介质的“泄漏”。相反，K。x是氧由血液扩散至组 织中的量度，这是一个天然过程。因此，Κ。χ有效用于测量氧如何由血液传送至组织，kteans对 该目的完全不适合。特别优选的是，隔室模型考虑血液中的氧量，组织中扩散的氧量，和氧由血液溶解 到组织中的速率。最优选地，隔室模型考虑，并可以提供关于溶解氧通过代谢消耗(M。x)被组织清除 的速率的数据。模型可以提供关于氧代谢速率的信息的认识被认为是本发明方法的特殊优 势。根据本发明使用的模型可以基于其他数量(即大于2个)的模型隔室，诸如三隔 室模型，其也将动脉分配为第一隔室，组织和间质组织分配为第二隔室和静脉分配为第三隔室。一般应该认识到，本文中所述的隔室模型的具体公式不被解释为对根据本发明的 算法的适用性的限制。一般地，任何目的参数，诸如^,或！^，其有助于(或否则影响)给 定体素中的总氧浓度，可以容易地插入至该模型中。然后，可以通过将该模型针对与该体素 的氧浓度有关的医学成像数据进行拟合，而获得关于该参数的数值。优选的是所述隔室模型是对由Kety (Kety，SS (1951)药理学综述 (Pharmacological Reviews) 3 :1-41)开发的等式的修改，Kety描述了气体朝向肺毛细血 管血液跨过肺泡膜的扩散速率。关于该气体转移的模型可以进行改进从而可用于模拟组织 中氧代谢的认识是本发明人已经克服的主要技术问题。因此本发明的第一方面的方法优选应用基于Kety两隔室模型的隔室模型算 法。将该算法应用于通过洗入和洗出吸入的具有至少两种不同分压的氧的气体而获得的 OE-MRI数据。优选地，MRI测量应该针对受试者体内的目的组织区进行，所述受试者开始呼 吸正常空气(21%氧)；然后洗入100%氧并维持规定的时期(例如，5分钟)；和然后通过 返回到呼吸正常空气(21%氧)洗出100%氧。起造影介质作用的不同浓度的氧然后影响 从质子检测到的NMR信号，然后将此OE-MRI数据用作要通过根据本发明的两隔室模型拟合 的函数。应当认识到，可以开发许多不同算法用于根据本发明第一方面的方法。还应当认 识到，本发明方法的创造性步骤的一个原因在于，本发明人首先认识到隔室模型，具体地 Kety模型的改进可以用于来自不是肺内组织的组织的OE-MRI数据(而不论该技术遇到的 各种问题)。在本发明的一个优选实施方案中，本发明人开发了通过应用以下验证(proof)的 算法第一隔室为血液并且第一隔室中的氧浓度可以由Cb表示(对应于PaO2),且第二隔 室包括组织和组织之间的间质空间，其合并的氧浓度由C6表示(对应于P6O2)(参见

图1)。 作为血液的体素的部分体积由Vb表示，且作为组织或间质组织的体素的部分体积由Ve表 示。测量的氧浓度Ct(对应于PO2)因此可以由等式(I)获得Ct = VbCb+VeCe (I)本发明人然后通过假设Vb = I-V6开发模型。等式⑴因此可以近似为如等式(II)中所示CT = (I-Ve) Cb+VeCe (II)Kety引入关于模拟惰性气体转移的两隔室模型。本发明人已经认识到两隔室模型 可以用于通过修改Kety模型来从OE-MRI数据模拟组织功能。因此，本发明人已经修改了 Kety模型，以使得在施用高氧浓度(即，>室内空气的 21% )过程中，在额外的血管隔室中观察到的氧浓度变化率C；可以利用引入了用于氧跨毛 细血管边界的转移速率的术语(K。x)的表达式来模拟。使用另外的术语来定义组织内吸收
或代谢氧的速率(M。x)，由此等式(III)
权利要求
1.一种表征有所述表征需要的受试者中的组织功能的方法，包括对目标组织空间内限定的体素执行成像技术，其中图像数据在一段时期内生成，在所述时期内，所述受试者吸入具有至少两种不同 分压的顺磁性气体的气体，和将隔室模型算法应用于关于所述体素生成的所述图像数据，以提供关于组织代谢功 能的信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述成像技术是氧增强磁共振成像(OE-MRI)且所 述顺磁性气体是氧。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述组织分成多个体素的矩阵且OE-MRI数据 针对各体素生成。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中当所述受试者首先吸入具有0%-35%氧的氧 分压的第一气体；然后呼吸具有45% -100%氧的氧分压的第二气体；和最后再吸入所述第 一气体时，生成OE-MRI数据。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第一气体是空气且所述第二气体是100%氧。
6.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述组织包括肿瘤。
7.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中应用所述技术，以提高图象配准，从而确 保所述成像技术随时间推移对同一体素进行。
8.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述隔室模型算法是基于递送、扩散和 代谢速率的生理学参数的两隔室模型。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述隔室模型算法计算包括组织和间质组织的第 二隔室的组合氧浓度(C6)。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中所述隔室模型算法计算每MRI可视物质的血 液的部分体积(Vb)。
11.根据前述权利要求8-10中任一项所述的方法，其中所述隔室模型算法计算脉管系 统的扩散能力(K。x)。
12.根据前述权利要求8-11中任一项所述的方法，其中所述隔室模型算法计算M。x，即 代谢消耗速率。
13.根据前述权利要求8-12中任一项所述的方法，其中所述隔室模型算法引入指示血 液中氧浓度的术语(Cb)。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述血液中的氧浓度(Cb)由呼吸的氧浓度PW2计算。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述Cb针对评估的血液洗入或洗出时间(TraF) 计算。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述Cb由血液中氧浓度测量值确定。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述血液中氧浓度测量值由OE-MRI数据测量。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述OE-MRI数据获自所述受试者的包括大血管 的区域。
19.根据前述权利要求8-18中任一项所述的方法，其中所述算法基于由Kety开发并在 Kety，SS(1951)药理学综述3 1_41中发表的等式。
20.根据前述权利要求8-19中任一项所述的方法，其中所述算法是如本文定义的
21.根据前述权利要求8-20中任一项所述的方法，其中所述隔室模型或算法发生变化 以引入可选的术语或不同数量的隔室，同时仍遵守这样的基本原则，所述基本原则是基于 由Kety开发并在Kety，SS (1951)药理学综述3 1_41中发表的等式隔室模拟可自由扩散 的示踪剂的应用的基础。
22.根据前述任一项权利要求所述的评估人或动物中组织功能的方法用于诊断或预后 目的或用于治疗开发的应用。
23.一种用于产生关于组织功能的数据的计算机设备，所述设备包括存储器，其存储处理器可读指令；和处理器，其设置为读取和执行存储在所述存储器中的指令；其中所述处理器可读指令包括控制所述处理器将由权利要求8-21中任一项所定义的 算法应用于由权利要求1-7中任一项所定义的图像数据的指令。
24.一种携带计算机可读程序代码的载体介质，所述计算机可读程序代码设置为使得 计算机执行将由权利要求8-21中任一项所定义的算法应用于由权利要求1-7中任一项所 定义的图像数据的方法。
25.一种计算机程序，所述计算机程序设置为使得计算机执行将由权利要求8-21中任 一项所定义的算法应用于由权利要求1-7中任一项所定义的图像数据的方法。
全文摘要
本发明涉及一种表征有所述表征需要的受试者中的组织功能的方法。所述方法包括对目标组织空间内限定的体素执行成像技术，其中图像数据在一段时期内生成，在所述时期内，所述受试者吸入具有至少两种不同分压的顺磁性气体的气体。将隔室模型算法应用于关于所述体素生成的图像数据，以提供关于组织代谢功能的信息。
文档编号A61B5/055GK102065761SQ200980121454
公开日2011年5月18日 申请日期2009年4月17日 优先权日2008年4月18日
发明者杰弗里·帕克, 迪尔德丽·麦金托什 申请人:曼彻斯特大学