用于使用散斑成像技术和血液动力建模进行血流分布的非侵入式确定的方法、系统和计 ...的制作方法
【专利说明】用于使用散斑成像技术和血液动力建模进行血流分布的非 侵入式确定的方法、系统和计算机程序产品
[0001] 优先权主张 本申请要求来自2013年2月28日提交的美国申请号13/819,817的优先权，其为2012 年1月9日提交的PCT/US2012/020626的美国国家阶段申请，其要求2011年1月10日提 交的美国临时申请号61/431，161和2011年4月19日提交的美国临时申请号61/476, 854 的优先权，其公开据此通过引用结合到本文中，如同整体地阐述一样。
[000引版权保留 本专利文献的公开部分包含受到版权保护的材料。版权所有者北卡罗来纳州、格林维 尔（Greenville)的东卡罗莱纳大学不反对任何人复制本专利文献或专利公开，因为其出现 在专利商标局专利文件或记录中，但是无论如何另外保留所有的版权权限。
技术领域
[0003] 本发明构思一般地设及血流分布确定，并且更特别地设及将散斑成像技术用于血 流分布的非侵入式确定。
【背景技术】
[0004] 再血管化是用于向人体部分或器官提供新的、附加或补充血液供应的干预手术。 再血管化通常设及到受影响器官的现有病变血管系统的完全分析和/或诊断和治疗。在某 些情况下，可W通过使用不同的成像模式来辅助再血管化，诸如磁共振成像（MRI)、正电子 发射断层成像（阳T)扫描、计算机断层成像（CT)扫描W及X射线巧光检查。
[0005] 再血管化被设计成改善到被组织的血流，该组织被对该组织进行供应的（一个或 多个）主动脉血管进行灌注。可能例如由于对该组织进行供应的原生动脉血管中的阻塞而 需要再血管化。冠状动脉旁路移植术（CABG)是可用来通过绕过原生冠状阻塞来增加到局 部缺血新基层的血流的再血管化手术。
[0006] 存在用W进行再血管化评估的两个测量组成部分，主动脉供应中的血流和组织中 的定量灌注。用于测量血流和灌注的常规方法是有限的，尽管运些测量的益处将产生再血 管化手术的质量的临床评估。
[0007] 测量血流的某些常规手术中方法是基于移植导管而不是(一个或多个）原生主动 脉血管中的血流的超声波检测。某些常规血管造影评估方法可W包括在外科手术时在混合 式手术室背景中执行的常规管状血管造影。最近，加拿大多伦多的NovadaqTechnologies 公司已经引入了巧光成像，其使用对CABG的血管造影图像评估和定量灌注评估。
[000引然而，超声波检测通常要求移植血管与探头之间的物理接触。此外，超声波检测通 常依赖于探头在血管周围的适当放置W获得流动速度的准确测量，并且在测量间可能是不 可靠的。
[0009] 管状血管造影通常要求有毒的图像造影剂的福射和给药。此外，被用于管状血管 造影的混合式手术室可能是相对昂贵的，使得运种方法不可用于经历CABG的许多病人。
[0010] 巧光成像通常要求向病人体内注射无毒的染料。此外，巧光成像通常不能提供信 息W直接地确定主血管中的血流的速度。尽管有上述事项，仍需要确定血流的替换方法。
【发明内容】
[0011] 本发明构思的某些实施例提供了一种用于测量受试者的屯、脏的主血管中的血流 的非侵入式方法，该方法包括用相干光源来照射屯、脏中的感兴趣区域，其中，所述相干光源 具有从约600nm至约1100nm的波长；在固定时间段期间连续地获取屯、脏中的感兴趣区 域的至少两个散斑图像，其中，连续地获取所述至少两个散斑图像包括与受试者的屯、脏的 运动同步地获取所述至少两个散斑图像；W及基于所述至少两个获取散斑图像中的像素强 度的时间变化来W电子方式处理所述至少两个获取的散斑图像W生成激光散斑衬比成像 (LSCI)图像并根据该LSCI图像来确定主血管中的血流速度的空间分布和屯、脏中的感兴趣 区域中的组织中的灌注分布。
[0012] 在其它实施例中，连续地获取所述至少两个散斑图像可包括W电子方式监视受试 者的EKG屯、脏周期；化及W电子方式使散斑图像的获取与EKG信号同步。
[0013] 在其它实施例中，连续地获取和W电子方式评估可在对受试者执行的手术之前 和对受试者执行的手术之后执行。该方法HIA可包括将该手术之前的主血管中的所确定 血流速度和屯、脏中的感兴趣区域中的组织中的灌注分布与在该手术之后至该手术的评定 (access)成功的主血管中的所确定血流速度和屯、脏中的感兴趣区域中的组织中的灌注分 布相比较。
[0014] 在某些实施例中，该方法还包括计算用于屯、脏中的感兴趣区域的速度场；基于所 计算的速度场来计算屯、脏的感兴趣区域中的血流速度；W及将感兴趣区域中的计算血流速 度与使用屯、脏中的感兴趣区域的所获得的至少两个散斑图像确定的血流速度相比较W验 证使用所述至少两个散斑图像获得的结果。
[0015] 在其它实施例中，使用下面阐述的等式（9)和（10)来计算速度场。
[0016] 在其它实施例中，相干光源可具有从约600nm至约IlOOnm的波长，并且可允许光 到组织中的相对深穿透W从而允许准确地测量主血管中的血流速度和灌注分布。
[0017] 在某些实施例中，相关光源可包括被配置成用基本上恒定的强度来照射感兴趣区 域的激光器。激光器可具有从约600nm到约IlOOnm的固定或可变波长。激光器可在成像 单元的视场（FOV)内产生具有基本上恒定强度的激光束。激光器可W是低功率和连续波激 光器，使得受试者不要求任何保护装置W便为受试者屏蔽激光器的影响。
[001引在其它实施例中，数据获取可包括在从约1ms至约200ms的固定时间段期间使 用照相机连续地获取从约50至约1000个散斑图像。
[0019] 在其它实施例中，连续地获取可包括在固定时间段内获取从约200至约500个散 斑图像。
[0020] 在某些实施例中，可基于感兴趣区域中的受试者的血流速度的现场获取来选择该 固定时间段。
[0021] 本发明的其它实施例提供了一种用于测量受试者的屯、脏的主血管中的血流的非 侵入式方法，该方法包括用相干光源来照射感兴趣区域，其中，所述相干光源具有从约600 nm至约1100nm的波长；在固定时间段期间连续地获取感兴趣区域的至少两个散斑图像； 基于所述至少两个获取散斑图像中的像素强度的时间变化来W电子方式处理所述至少两 个获取的散斑图像W生成激光散斑衬比成像（LSCI)图像并根据LSCI图像来确定主血管中 的血流速度的空间分布并量化感兴趣区域中的组织中的灌注分布；计算用于感兴趣区域的 速度场；基于计算的速度场来计算感兴趣区域中的血液流量；W及将感兴趣区域中的计算 血流速度与使用感兴趣区域的所获取的至少两个散斑图像确定的血流速度相比较W验证 使用所述至少两个散斑图像获得的结果。
[0022] 本发明构思的其它实施例提供了一种用于测量受试者的屯、脏中的主血管中的血 流的非侵入式系统，该系统包括被配置成照射受试者的屯、脏中的感兴趣区域的相干光源， 该相关光源具有从约600nm至约1100nm的波长。提供了一种与相干光源通信的照相机， 其被配置成在固定时间段期间连续地获取屯、脏中的感兴趣区域的至少两个散斑图像，其 中，所述至少两个散斑图像的获取与受试者的屯、脏的运动同步。还提供了数据处理电路，其 被配置成评估所述至少两个获取散斑图像中的像素强度的时间变化W生成LSCI图像并根 据该LSCI图像来确定主血管中的血流速度的空间分布并量化感兴趣区域中的组织中的灌 注分布。
[0023] 本发明构思的某些实施例提供了一种用于测量受试者的屯、脏中的主血管中的血 流的计算机程序产品，该计算机程序产品包括一种非临时计算机可读存储介质，其具有在 介质中体现的计算机可读程序代码。该计算机可读程序代码包括计算机可读程序代码，其 被配置成W电子方式评估所述至少两个获取的散斑图像中的像素强度的时间变化W生成 LSCI图像并根据该LSCI图像来确定主血管中的血流速度的空间分布并量化屯、脏中的感兴 趣区域中的组织中的灌注分布，其中，当用具有从约600nm至约1100nm的波长的相干光 源来照射受试者的感兴趣区域时，在固定时间段期间使用照相机来连续地获取所述至少两 个散斑图像；W及计算机可读程序代码，其被配置成与受试者的屯、脏的运动同步地连续地 获取所述至少两个散斑图像。
[0024] 本发明的其它实施例提供了一种用于确定感兴趣区域中的血流分布的非侵入式 方法。该方法包括用相干光源来照射受试者的感兴趣区域；连续地获取感兴趣区域的至少 两个散斑图像，其中，连续地获取所述至少两个散斑图像包括与受试者的屯、脏的运动同步 地获取所述至少两个散斑图像；W及基于所述至少两个所获取的散斑图像中的像素强度 的时间变化来W电子方式处理所述至少两个所获取的散斑图像W生成激光散斑衬比成像 (LSCI)图像，根据该LSCI图像来确定主血管中的血流速度的分布并量化感兴趣区域中的 组织中的灌注分布。LSCI图像使得能够检测不同的血流速度。
[00巧]在其它实施例中，与受试者的屯、脏的运动同步地获取所述至少两个散斑图像还可 包括W电子方式监视受试者的邸6屯、脏周期；W及W电子方式使散斑图像的获取与邸6信 号同步。
[0026] 在某些实施例中，所述感兴趣区域可W是搏动的屯、脏，并且所述方法还可包括使 用邸6信号在屯、脏周期期间的任何时间生成用于感兴趣区域的瞬时流量和/或灌注映射表 W使数据获取同步。可比较在第一和第二时间生成的瞬时流量和/或灌注映射表W确定治 疗的效力。在某些实施例中，第一时间可W是施予治疗之前的时间，并且第二时间可W是施 予治疗之后的时间。
[0027] 在其它实施例中，感兴趣区域可W是搏动的屯、脏，并且该方法还可包括使用邸6 信号来在两个或更多屯、脏周期内生成用于感兴趣区域的平均流量和/或灌注映射表W使 数据获取同步。可比较在第一和第二时间生成的平均流量和/或灌注映射表W确定治疗的 效力。在某些实施例中，第一时间可W是施予治疗之前的时间，并且第二时间可W是施予治 疗之后的时间。
[0028] 在其它实施例中，所述感兴趣区域可W是受试者的非屯、脏区域，并且该方法还可 包括使用EKG信号在数据获取期间的任何时间生成瞬时流量和/或灌注映射表W使数据获 取同步。可比较在第一和第二时间生成的瞬时流量和/或灌注映射表W确定治疗的效力。 第一时间可W是施予治疗之前的时间，并且第二时间可W是施予治疗之后的时间。
[0029] 在某些实施例中，感兴趣区域可W是受试者的非屯、脏区域，并且所述方法还可包 括使用邸G信号在数据获取的两个或更多时段内生成平均流量和/或灌注映射表W使数据 获取同步。可比较在第一和第二时间生成的平均流量和/或灌注映射表W确定治疗的效 力。第一时间可W是施予治疗之前的时间，并且第二时间可W是施予治疗之后的时间。
[0030] 在其它实施例中，相干光源可具有从约600nm至约1100nm的波长。
[0031] 本发明构思的其它实施例提供了用于确定感兴趣区域中的血流分布的非侵入式 方法。该方法包括用相干光源来照射受试者的感兴趣区域；连续地获取感兴趣区域的至少 两个散斑图像，其中，连续地获取所述至少两个散斑图像包括与受试者的屯、脏的运动同步 地获取所述至少两个散斑图像；基于所述至少两个所获取的散斑图像中的像素强度的时间 变化来W电子方式处理所述至少两个所获取的散斑图像W生成激光散斑衬比成像（LSCI) 图像，根据该LSCI图像来确定主血管中的血流速度的分布并量化感兴趣区域中的组织中 的灌注分布；使用EKG信号在数据获取期间的任何时间生成用于感兴趣区域的瞬时流量和 /或灌注映射表中的一个W使数据获取同步和/或使用EKG信号在数据获取的两个或更多 时段内生成平均流量和/或灌注映射表W使数据获取同步中的一个；W及比较瞬时流量和 /或灌注映射表和在第一时间和第二时间生成的平均流量和/或灌注映射表中的一个W确 定治疗的效力。
[0032] 本发明构思的某些实施例提供了用于确定感兴趣区域中的血流分布的非侵入式 方法。该方法可包括用相干光源来照射受试者的感兴趣区域；连续地获取感兴趣区域的至 少两个散斑图像，其中，连续地获取所述至少两个散斑图像包括与屯、电图（EKG)同步地获取 所述至少两个散斑图像；使用基于邸6的定时来选择至少两个散斑图像；处理所选图像W 使用时间对比算法和空间对比算法中的至少一个来确定感兴趣区域中的瞬时/平均流动 速度(厘米/秒)，其中，在数据获取和分析期间的任何时间使用EKG来选择要处理的帖，对 一个或多个EKG周期中的瞬时流动速度进行定位和/或将平均流动速度分析的开始和结 束时间确定为目标；将瞬时/平均流动速度图像输入到分析模型中W生成主血管中的流量 (立方厘米/秒）映射表和微血管结构中的灌注映射表；W及生成压强和流动方向。
[0033] 还可提供相关系统和计算机程序产品。
[0034] 应注意的是在不同的实施例中可结合相对于某些实施例所述的发明构思的各方 面，虽然并未具体地相对于此进行描述。也就是说，可WW任何方式和/或组合将所有实施 例和/或任何实施例的特征组合。申请人保留改变任何原始提交权利要求和/或因此提交 任何新权利要求的权利，包括能够修订任何原始提交权利要求W从属于和/或结合任何其 它的一个或多个权利要求的任何特征的权利，虽然最初并未W那种方式要求保护。在下面 阐述的说明书中详细地解释了本发明构思的运些及其它目的和/或方面。本领域的技术人 员根据随后的附图和实施例的详细描述的阅读将认识到本发明构思的其它特征、优点和细 节，此类描述仅仅说明本发明构思。
【附图说明】
[0035] 图1是根据(一个或多个)本发明构思的某些实施例的用于测量受试者的主血管中 的血流的非侵入式系统的框图。
[0036] 图2A是根据(一个或多个）本发明构思的实施例的数据处理系统的框图。
[0037] 图2B是根据(一个或多个）本发明构思的某些实施例的图2中所示的数据处理系 统的更详细框图。
[003引图3和4是图示出根据(一个或多个)本发明构思的各种实施例的用于测量主血管 中的血流的操作的流程图。
[0039] 图5是根据(一个或多个)本发明构思的某些实施例的在所执行实验中使用的用于 测量血流模型的系统的数字照片。
[0040] 图6至9是根据(一个或多个)本发明构思的某些实施例的图5中所示的系统中的 某些元件的特写数字照片。
[0041] 图10和11是根据(一个或多个)本发明构思的某些实施例中使用的示例性血流发 生系统的数字照片。
[0042] 图12是图示出根据(一个或多个）本发明构思的某些实施例的血流发生系统中的 高度（cm)对比流量（mL/min)的变化的图表。
[0043] 图13A至13D是图示出根据(一个或多个）本发明构思的某些实施例的"无流量" 情况的数字图像。
[0044] 图14A至14D是图示出根据(一个或多个)本发明构思的某些实施例的"流量1"情 况的图像。
[0045] 图15A至1抓是图示出根据(一个或多个)本发明构思的某些实施例的"流量2"情 况的图像。
[0046] 图16A至1抓是图示出根据(一个或多个)本发明构思的某些实施例的"流量3"情 况的图像。
[0047] 图17A至17D是图示出根据(一个或多个）本发明构思的某些实施例的用于图13 至16中所示的四个流量情况中的每一个的散斑图像的图像(在许多帖范围内求平均值)。 [004引图18A至18D是图示出根据(一个或多个)本发明构思的某些实施例的图13至16 中所示的四个流量情况中的每一个的反向散斑衬比图像。
[0049] 图19A至19D是图示出根据(一个或多个）本发明构思的某些实施例的用于图13 至16中的四个流量情况中的每一个的反向散斑衬比图像的垂直剖面的图表。
[0050] 图20是图示出根据(一个或多个）本发明构思的某些实施例的预测流量（血/min) 对比反向散斑图像像素强度的图表。
[0051] 图21是根据(一个或多个）本发明构思的某些实施例的用于测量血流模型的示例 性系统的数字照片。
[0052] 图22至27是根据(一个或多个）本发明构思的某些实施例的图21中所示的系统 中的元件的特写照片。
[005引图28是图示出根据（一个或多个）本发明构思的某些实施例的流量（血/min)、流 动速度（cm/min)和相应LAD流量对比反向散斑衬比图像像素强度的图表。
[0054] 图29是图示出根据(一个或多个）本发明构思的某些实施例的流动速度对比反向 散斑衬比图像像素强度的图表。
[0055] 图30是图示出根据(一个或多个）本发明构思的某些实施例的根据散斑衬比图像