CN101262817B - 用于成像的多次造影剂注射 - Google Patents

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Abstract

基于MRI的分子成像得到造影剂精确量化的有力支持。根据本发明的典型实施例，根据多次注射应用计划应用造影剂，在其期间确定弛豫速率的改变。这可以经由MRI弛豫测量(relaxometry)而提供对肿瘤血管分布的精确确定。

Description

用于成像的多次造影剂注射
本发明涉及成像领域。尤其，本发明涉及用于检查感兴趣对象的一种检查装置、一种图像处理设备、一种计算机可读介质、一种程序元件以及一种检查感兴趣对象的方法。
基于磁共振的分子成像(MRI)得到造影剂精确量化的有力支持。对例如改变肿瘤血管形成和灌注的治疗效果的监测在临床日常工作中非常重要。检测治疗效果需要精确地和定量地确定造影剂浓度，这引起MR弛豫速率R1、R2和R2 *的改变。
通过使用用于定量地测量在应用造影剂之前和之后的弛豫速率的这些改变ΔR2 *的一种方法，可以量化造影剂引起的弛豫速率的改变。
然而，检查结果的精确性受到肿瘤血管分布的量化的精确性的限制。
可能需要改善对感兴趣对象的血管分布的量化。
根据本发明一个典型实施例，可以提供一种用于检查感兴趣对象的检查装置，该检查装置包括采集单元，其适于在第一造影剂应用之后和第二造影剂应用之前测量第一造影剂浓度，并且其适于在第二造影剂应用之后测量第二造影剂浓度，从而产生一系列测量造影剂浓度值，其作为总造影剂应用值的函数。
因而，通过提供造影剂的多次注射计划，其将所述造影剂应用于感兴趣对象，可以将造影剂的每次注射或应用添加到例如患者血流中的感兴趣对象中已经存在的造影剂的量中。例如，以不同的时期(并且因而以不同的总造影剂应用值)确定造影剂浓度。这可以提供对于例如肿瘤的血管分布的改善的量化。
根据本发明的另一典型实施例，检查装置还包括造影剂应用单元，其适于在第一预定时间执行第一造影剂应用，并且其适于在第二预定时间执行第二造影剂应用。
因而，根据本发明的该典型实施例，可以预先确定在各个时刻中的哪一个处执行每次造影剂应用。例如，连续应用之间的时间量程可能比感兴趣对象中的造影剂失效的典型时间量程小得多。而且，根据本发明的该典型实施例，不同造影剂应用之间的时间可以改变。这可能导致灵活的检查过程。
根据本发明的另一典型实施例，检查装置是磁共振检查装置，其中，基于第一弛豫速率测量第一造影剂浓度，并且其中，基于第二弛豫速率测量第二造影剂浓度，从而产生一系列测量弛豫速率值，其作为总造影剂应用值的函数。
因而，基于MRI测量，可以由采集单元测量弛豫速率(其与造影剂浓度相关)。
根据本发明的另一典型实施例，检查装置还包括确定单元，其适于基于该系列值确定造影剂的每次注射量的弛豫速率的改变。
因而，例如，确定单元可以适于在不同的时期、并且因而对于不同的总造影剂应用值，执行多次弛豫速率测量，基于所述总造影剂应用值，可以计算该弛豫速率。
根据本发明的另一典型实施例，第一弛豫速率基于自旋-自旋横向弛豫速率，并且并入了磁场不均匀性。
这可以提供对弛豫速率良好的确定，这是由于该弛豫速率显示了对基于氧化铁的造影剂的高度灵敏性。
根据本发明的另一典型实施例，作为总应用值的函数的该系列测量造影剂浓度值(或者，在MRI检查装置的情况下，为弛豫速率值)具有线性斜率，其中，确定单元还适于拟合该线性斜率。基于用相应的第一误差条线(error bar)对第一测量造影剂浓度(或第一测量弛豫速率)进行加权和用相应的第二误差条线对第二测量造影剂浓度(或第一测量弛豫速率)进行加权，来执行该拟合。
因而，根据本发明的该典型实施例，可以确定造影剂浓度值-总造影剂应用值曲线的平均斜率。例如，通过考虑测量值的可能误差，可以线性地拟合该曲线。这可以导致对斜率精确的确定。
然而，应当注意到，可以执行其它拟合过程。
根据本发明的另一典型实施例，确定单元还适于监测斜率的线性偏差，并且适于根据所监测到的偏差来确定感兴趣对象的泄漏(leakiness)。
例如，如果感兴趣对象是肿瘤，那么可以评估肿瘤内部的血管的泄漏。
可以基于对于该系列测量弛豫速率值的非线性模型拟合来执行对泄漏的确定。因而，由于泄漏肿瘤可能导致造影剂的积聚，通过对于ΔR2 *与造影剂相关的曲线拟合非线性模型，可以从非泄漏肿瘤中区分出泄漏肿瘤。
例如，由于造影剂在泄漏血管外部的积聚，可以例如以示出二次斜率或者甚至更高等级的斜率的函数形式来提供这种非线性模型。
根据本发明的另一典型实施例，感兴趣对象包括第一体素和第二体素，其中，对于第一体素和第二体素执行对斜率线性偏差的监测，从而可以区分感兴趣对象中的不同区域。
因而，根据本发明的该典型实施例，通过计算每个体素的线性偏差，可以区分一个肿瘤中的不同区域。
根据本发明的另一典型实施例，造影剂应用单元还适于在连续注射过程期间执行第一造影剂应用和第二造影剂应用。
例如，根据本发明的该典型实施例，在应用过程期间，造影剂应用的注射速率可以是常数。然而，在应用期间，也可以改变注射速率，例如在应用开始时具有较高的注射速率，而在应用末端时具有较慢的注射速率。
根据本发明的另一典型实施例，造影剂是超顺磁氧化铁造影剂(SPIO)。
根据本发明的另一典型实施例，造影剂是靶向造影剂。
根据本发明的另一典型实施例，检查装置可以应用为行李检验装置、医疗应用装置、材料测试装置或材料科学分析装置。本发明的一个应用领域可以是材料科学分析，这是因为本发明所定义的功能可以允许安全、可靠和高精确地分析材料。
根据本发明的另一典型实施例，检查装置可以配置为下列组成的组中之一：磁共振检查装置(MR)、计算机断层摄影检查装置(CT)、正电子发射断层摄影装置(PET)、单光子发射计算机断层摄影装置(SPECT)、x射线成像装置以及超声成像装置。
根据本发明的另一典型实施例，可以提供用于检查感兴趣对象的图像处理设备，该图像处理设备包括用于存储感兴趣对象的数据集的存储器。该数据集可以包括在第一造影剂应用之后和第二造影剂应用之前测量的第一造影剂浓度，以及在第二造影剂应用之后测量的第二造影剂浓度，从而产生了一系列测量造影剂浓度值，其作为总造影剂应用值的函数。
因而，可以提供图像处理设备，其适于通过处理包括多个弛豫速率的数据集来实现对感兴趣对象的血管形成的改善的量化，在造影剂的多次注射计划期间采集所述多个弛豫速率。
而且，图像处理设备可以适于基于所述系列数据来确定造影剂的每次注射量的弛豫速率的改变。
根据本发明的另一典型实施例，可以提供一种检查感兴趣对象的方法，该方法包括如下步骤，执行第一造影剂应用、执行第二造影剂应用、并在第一造影剂应用之后和第二造影剂应用之前测量第一造影剂浓度以及在第二造影剂应用之后测量第二造影剂浓度，从而产生了一系列测量造影剂浓度值，其作为总造影剂应用值的函数。
因而，提供了一种用于检查感兴趣对象的方法，其可以导致对诸如肿瘤的感兴趣对象的血管分布的量化得以改善。
根据本发明的另一典型实施例，可以提供一种计算机可读介质，其中存储用于检查感兴趣对象的计算机程序，所述程序当由处理器执行时适于实现上述方法步骤。
而且，本发明涉及一种用于检查感兴趣对象的程序单元，其可以存储在计算机可读介质上。该程序单元可以适于实现下列步骤，执行第一造影剂应用，执行第二造影剂应用，测量第一造影剂浓度和测量第二造影剂浓度，每个浓度都在造影剂应用期间的特定的预定时间进行测量。
该程序单元优选可以装载在数据处理器的工作存储器中。因而，数据处理器可以装备用于实现本发明的方法的典型实施例。计算机程序可以以诸如例如C++的任何合适的编程语言编写，并且可以存储在诸如CD-ROM的计算机可读介质上。同样，计算机程序可以从诸如万维网的网络获得，从网络上可以将其下载至图像功能处理单元或处理器中，或任何合适的计算机中。
可见本发明典型实施例的要点在于利用造影剂的多次注射计划，测量弛豫速率的差ΔR2 *。由于血液循环时间比总测量时间长，将每次注射添加到血流中已经存在的造影剂的量中。这可能导致一系列ΔR2 *值，其示出了ΔR2 *相对于造影剂浓度的线性上升。这可以提供对ΔR2 *相对于造影剂浓度的确定的改善，并且因此可以提供对肿瘤血管分布的量化的改善。
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面将变得显而易见，并且从中得到阐述。
下面将参考下列附图描述本发明的典型实施例。
图1示出了根据本发明典型实施例的MRI装置的简化示意图；
图2示出了以不同的总造影剂应用值的测量的ΔR2 *值的示意图；
图3示出了用于执行根据本发明的一种方法的典型实施例的根据本发明的图像处理设备的典型实施例。
图中所示是示意性的。在不同的附图中，相似或相同的元件由相同的附图标记进行标注。
图1示出了根据本发明MRI扫描仪系统的实施例的简化示意图。MRI扫描仪系统包括沿着轴218和围绕检查空间217布置的线圈210，其中，患者215或者诸如例如将测试或检查的材料的另一感兴趣对象位于所述检查空间217中。然而，应当清楚的是，所述的检查装置可以用于不同的领域，诸如例如材料科学分析。
有利地，感兴趣对象215平置于可移动平台或传送带216上，其布置在检查空间217的下部。围绕检查空间217的线圈系统210包括HF线圈219；梯度线圈的有源屏蔽布置，其包括内部线圈213和有源屏蔽线圈或屏蔽212和低温保持器211，其中布置线圈以便在磁场产生期间对其进行冷却。
梯度线圈213、212的布置可以连接至梯度放大器220和确定单元(图1中未示出)，所述确定单元适于根据一系列测量弛豫速率值来确定造影剂的每次注射量的弛豫速率的改变。
而且，MRI扫描仪系统可以包括带有各个马达(图1中未示出)的马达控制单元，例如，其用于移动传送带216。
根据本发明一方面，MRI扫描仪系统还可以包括造影剂应用单元221，其适于在预定时间间隔期间例如以恒定速率将造影剂应用至感兴趣对象。而且，造影剂应用单元221可以适于以多步注射计划的形式执行不同的造影剂应用步骤。
然而，应当注意到，本发明不局限于MR成像，但是也可以应用于CT/CSCT成像领域、PET成像领域、SPECT成像领域、x射线成像领域或超声成像领域中。
图2示出了以不同的总造影剂应用值的测量ΔR2 *值的示意图。水平轴101示出了以μmol/kg为单位的总造影剂应用值(其是患者血流中的造影剂浓度)，其范围从0μmol/kg至900μmol/kg。垂直轴102示出了以l/s为单位的造影剂的三次注射的ΔR2 *值。垂直轴102的范围从0至180l/s。
应用或注射至患者血流中的造影剂的一个范例是由Schering AG供销的Supravist。然而，可以使用其它造影剂。
在下的曲线104示出了低度血管化的鼠肿瘤的结果，而在上的曲线103示出了高度血管化的鼠肿瘤的结果。通过用它们各自的误差条线105至107和108-110对数据点加权，可以执行103、104分别对测量的数据点11-113和114-116的线性拟合。
例如为了评估肿瘤的血管分布，对于感兴趣对象的每个体素，需要将弛豫速率的改变ΔR2 *相对造影剂的注射量标准化。对于高度血管化的肿瘤，比对于低度血管化的肿瘤，可以测得ΔR2 *相对于造影剂浓度的较高值(如图2中所示)。因而，通过测量ΔR2 *相对于造影剂浓度的情况，可以在治疗期间监测血管分布的减少。假设在造影剂注射之前的改变ΔR2 *为0，这可以用一次注射造影剂来确定。
然而，根据本发明的一方面，使用相同总量的造影剂，可以用多次注射计划来测量ΔR2 *。假设血液循环时间长于总测量时间，可以将每次注射添加到血流中已经存在的造影剂的量中。假设与注射速率相比，一幅ΔR2 *图的测量是快速的，注射计划可以是与测量时间有关的多步计划或者连续注射。在每次注射之后测量ΔR2 *可以产生一系列ΔR2 *值，其可以示出ΔR2 *相对于造影剂浓度的线性上升。以线性斜率来拟合可以得到造影剂每次注射量的弛豫速率的改变。例如，通过以它们各自的误差条线105、106、107和108、109、110对数据点加权，可以执行该拟合。由于就总量的一次单一注射而言，通过使用相同剂量的造影剂，可以产生数个数据点，如图2中所示，可以计算ΔR2 *相对于造影剂浓度的更精确值。
例如，通过分析最后的数据点113(对于曲线103)和116(对于曲线104)，可以确定作为组织血管分布的测量结果的曲线的下列斜率：
对于高度血管形成103为0.17+/-0.04kg/(s*μmol)，而对于低度血管形成104为0.0625+0.02kg/(s*μmol)。
通过分析已加权的线性拟合，用于高度血管形成曲线的值为0.18+0.01kg/(s*μmol)，而用于低度血管形成曲线的值为0.066+0.005kg/(s*μmol)。
因而，在不使用较高剂量的造影剂的多次注射计划中，不确定性较低为因子4。这可能导致检查结果得以改善。
根据本发明另一方面，可以从多次注射曲线中提取附加信息。通过监测斜率的线性偏差，可以评估类似肿瘤泄漏的参数。肿瘤内的泄漏血管网可能导致造影剂的积聚，并且因而通过对于ΔR2 *与造影剂相关的曲线拟合非线性模型，可以从非泄漏肿瘤中将其区分开。同样，通过该方法可以评估受限的血流区域。通过对于每个体素根据线性计算这些偏差，也可以区分一个肿瘤中的不同区域。
图3示出了用于执行根据本发明的一种方法的典型实施例的根据本发明的图像处理设备的典型实施例。图3中所示的图像处理设备400包括连接至存储器402的中央处理单元(CPU)或图像处理器401，所述存储器402用于存储示出诸如将要分析的患者或材料的感兴趣对象的图像。数据处理器401可以连接至多个输入/输出网络或诸如MRI设备的诊断设备。此外，数据处理器401可以连接至例如计算机监视器的显示设备403，用于显示在数据处理器401中计算或修改的信息或图像。操作者或用户可以经由键盘404和/或图3中未示出的其它输出设备与数据处理器401交互。
而且，经由总线系统405，也可以将图像处理和控制处理器401连接至例如运动监视器，其监测感兴趣对象的运动。例如，如果对患者的肺进行成像，那么运动传感器可以是呼气传感器。如果对心脏进行成像，运动传感器可以是心电图。
根据本发明对感兴趣对象的检查可以允许基于一系列测量的弛豫速率值，其作为总应用值的函数，而确定造影剂的每次注射量的弛豫速率的改变。
本发明的典型实施例可以作为MR扫描仪控制台工作站、CT扫描仪控制台工作站、PET扫描仪控制台工作站或SPECT扫描仪控制台工作站的软件选项出售。

Claims (15)

1.一种用于检查感兴趣对象(215)的检查装置，该检查装置包括：
采集单元(212，213)，适于在第一造影剂应用之后和第二造影剂应用之前测量第一造影剂浓度，并且在所述第二造影剂应用之后测量第二造影剂浓度，从而产生一系列测量造影剂浓度值，其作为总造影剂应用值的函数。
2.根据权利要求1所述的检查装置，还包括：
造影剂应用单元(221)，适于在第一预定时间执行所述第一造影剂应用，并且在第二预定时间执行所述第二造影剂应用。
3.根据权利要求1所述的检查装置，
其中，所述检查装置是磁共振检查装置；并且其中，基于第一弛豫速率测量所述第一造影剂浓度，且其中，基于第二弛豫速率测量所述第二造影剂浓度，从而产生一系列测量弛豫速率值，其作为总造影剂应用值的函数。
4.根据权利要求3的所述检查装置，还包括：
确定单元(401)，适于基于该系列测量弛豫速率值确定造影剂每次注射量的弛豫速率的改变。
5.根据权利要求3所述的检查装置，
其中，所述第一弛豫速率基于自旋一自旋横向弛豫速率，并且并入了磁场不均匀性。
6.根据权利要求4所述的检查装置，
其中，作为所述总造影剂应用值的函数的该系列测量造影剂浓度值具有线性斜率；
其中，所述确定单元(401)还适于：
拟合所述线性斜率；
其中，基于用相应的第一误差条线对测得的所述第一造影剂浓度进行加权和用相应的第二误差条线对测得的所述第二造影剂浓度进行加权，来执行所述拟合。
7.根据权利要求6所述的检查装置，
其中，所述确定单元(401)还适于：
监测所述斜率的线性偏差；以及
基于所监测的偏差确定所述感兴趣对象(215)的泄漏。
8.根据权利要求7所述的检查装置，
其中，基于对该系列测量造影剂浓度值的非线性模型拟合来执行对所述泄漏的所述确定。
9.根据权利要求7所述的检查装置，
其中，所述感兴趣对象(215)包括第一体素和第二体素，其中，对于所述第一体素和所述第二体素执行对所述斜率的线性偏差的所述监测，从而可以区分在所述感兴趣对象(215)中的不同区域。
10.根据权利要求2所述的检查装置，
其中，所述造影剂应用单元(221)还适于在连续注射过程期间执行所述第一造影剂应用和所述第二造影剂应用。
11.根据权利要求1所述的检查装置，配置为下列之一：行李检验装置和医疗应用装置。
12.根据权利要求1所述的检查装置，配置为材料测试装置。
13.根据权利要求1所述的检查装置，配置为材料科学分析装置。
14.根据权利要求1所述的检查装置，配置为包含下列的组中之一：磁共振检查装置、正电子发射断层摄影装置、单光子发射计算机断层摄影装置、x射线成像装置以及超声成像装置。
15.根据权利要求1所述的检查装置，配置为计算机断层摄影检查装置。
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