CN102821685A - 用于使用全氟气体混合物的肺活体内磁共振成像的系统、方法、组成和设备 - Google Patents

Abstract

用于使用包括在约20-79%之间的惰性全氟气体和至少约20.5%的氧气的医疗级气体混合物来生成受检者的肺和/或气道的MRI图像的系统和方法。使用与全氟气体和氧混合物关联的获取的19F磁共振图像（MRI）信号数据来生成图像。

Description

用于使用全氟气体混合物的肺活体内磁共振成像的系统、方法、组成和设备

相关申请

本申请要求2010年2月16日提交的美国临时申请系列号61/305,025和2011年1月24日提交的美国临时申请系列号61/435,599的权益和优先权，如同完全详述于此一样通过引用将它们的内容结合于此。

技术领域

本发明涉及使用全氟气体混合物的非侵入式活体内¹⁹F磁共振成像（“MRI”）。

背景技术

疾病控制中心（CDC）已经声明COPD（慢性阻塞性肺病）已经在该国逐步上升为第3位主要死因。参见AM, Miniño、Xu JQ和Kochanek KD (2010)的'Deaths: Preliminary Data for 2008.', National Vital Statistics Reports, 59 (2)，John Walsh（COPD基金会总裁）评述“不可接受的是COPD已经从第四位主要死因变成第三位比原先计划的快十二年。这一令人发省的呼吁加强了我们对COPD的宣战并且指向改进认知、预防、检测和治疗以减少COPD负担的重要性”。{Foundation, COPD (2010), 'New CDC Report Puts COPD in #3 Spot in Mortality Rates'}与其他头等死因对照，COPD是前十位中的已经在过去40年内频率始终增加的仅有疾病。因而CPOD代表美国的最大失控流行疾病之一；它目前包括15-20百万确诊病例而还具有类似数量的未确诊病例。在美国，有近似90百万现有或者前烟民（Association，2008）；因此庞大人群处于发展中COPD的风险。COPD由慢性阻塞性肺病全球倡议（GOLD）定义为以不完全可逆的气流限制为特征的疾病状态。Heron等人的"Deaths: Final Data for 2006." National Vital Statistics Reports 57(14): 1-135 (2009)。

有COPD包括肺气肿和小气道疾病这样的清楚认识；然而很少理解如何及早——在有明显气流阻塞和临床损伤之前——识别COPD。此外，来自COPD基因研究的证据提示COPD可能是若干疾病，但是看来提供基因型的任何临床区分的仅有工具目前是HRCT（高分辨率X射线计算断层摄影术）评估的“气体俘获（gas trapping）”型式（pattern）。

用于评价肺部肺功能的目前方式使用肺部功能的全局测量、诸如肺活量测定法（例如在1秒内的强制呼气体积（“FEV1”））和整体（whole body）体积描记法。尽管肺活量测定法低成本并且广泛可用，但是它未产生关于肺中的换气分布或者换气动态性的任何区域信息。

目前可用的肺成像方法包括赋予解剖细节、但是有限功能信息的x射线CT以及核技术诸如闪烁造影术，这些核技术提供二维而不是三维（或者更多维）低分辨率区域信息。这些形态（modality）也放出电离辐射，这限制它们在患者内、尤其在临床试验中的重复使用。

更近以来，使用稳定同位素³He和¹²⁹Xe的超极化气体MRI已经提供对肺功能的非侵入式区域评估的希望。遗憾的是，这一技术相对昂贵并且尚未广为普及。

发明内容

本发明的实施例提供允许使用全氟气体和氧气混合物的肺静态和/或动态活体内¹⁹F MRI的系统、方法和有关设备。

本发明的实施例提供用于评价患者的肺的换气动态性（例如功能）的方式。

本发明的实施例可以提供肺中的气体空间的图像并且用于肺功能的MR图像数据的定量分析和/或肺的区域换气评估。例如MRI数据可以用来评价、标识和/或可视化与功能、换气缺陷和/或气体俘获（区域和时间）关联的区域换气数据（例如型式）。

本发明的实施例可以提供呼吸肺的动态“自由呼吸”电影图像（对应于呼吸周期）。一些实施例可以使用在受检者的多个呼吸周期内的并且以多种方式重建成适应呼吸周期的门控图像数据收集来提供动态图像或者伪静态图像。其他实施例运用短和/或长屏气技术。其他实施例包括对多个图像集的预期或者回顾信号平均以改进图像质量（信号比噪声和对比度比噪声）。

本发明的实施例可以生成用来在受检者的单个成像会话中获得¹H图像和¹⁹F图像。可选地，可以在成像会话期间循环空气呼吸和PFx/氧气呼吸以交替¹H和¹⁹F图像数据收集和/或提供气体俘获数据。其他实施例包括顺序屏气图像或者时间门控图像以标识洗入（wash-in）和洗出（wash-out）信息。这些实施例可以用来对任何换气缺陷的严重度分级。

PFx混合物中的一些混合物的信号强度改变对局部氧浓度敏感。在这样的实施例中，可以使用T1加权图像或者计算的T1图像来实现氧气交换（灌注）的估计。值得注意的是这后一实施例可以使用具有例如在10ms以上的更长T1张弛时间的PFx药剂、诸如全氟丙烷（具有约为20m的T1张弛时间）。

本发明的实施例可以用来获得数据以标识在向人体或者动物体送服生理活性物质之前和之后的换气和/或灌注变化（不足或者增加）以评价药物治疗的功效。

可以在送服PFx气体混合物之后实现本发明的实施例作为一种用于分析信号数据的送服后数据收集分析方法。该方法可以在送服之后和/或在信号收集之后生成图像、生成换气缺陷指数、生成肺损伤的可视模型等。可以在递送气体混合物之后的任何时间点、诸如例如在从MRI套间或者磁体移开患者之后或者当患者呼吸氧气、但是在MR套间/磁体中时实现收集后分析。

本发明的实施例涉及收集后分析换气评估方法。该方法包括使用患者的与全氟气体和氧混合物关联的预先获取的¹⁹F磁共振图像（MRI）信号数据来生成以下各项中的至少一项：（i）受检者的肺的自由呼吸图像的电影，电影图示全氟气体在受检者的肺空间和肺中的时间和空间分布以提供在至少一个呼吸周期内的换气图像数据；

（ii）用于右肺和左肺中的每个肺的至少一个换气缺陷指数；

（iii）示出肺的空间分布（按像素）的换气缺陷指数映射；

（iv）向显示器的可视输出，输出包括受检者的气流数据的时间序列，在时间序列中具有与获取时间对准定位的多个MRI图像；

（v）与强制排出体积关联的换气型式；

（vi）与气体混合物的洗入和/或洗出关联的至少一个直方图；

（vii）示出像素到像素的强度变化的至少一个区域换气缺陷模型；

（viii）使用洗入和/或洗出¹⁹F MRI信号数据的气体俘获图像；

（ix）向换气洗入和/或洗出的肺模型拟合的图形分析的可视输出，具有描绘功能信息的多个MRI图像；

（x）信号强度图案，其基于张弛参数（T1和/或T2）以及局部氧浓度对张弛参数的影响来描绘向毛细管血流的气体交换；以及

（xi）与递送的气体混合物的洗入和/或洗出关联的至少一个直方图。

更多其他实施例涉及获得受检者的肺和/或气道的图像数据的方法。该方法包括：（a）将受检者定位于与MRI扫描仪的高场磁体关联的磁场中；（b）向受检者的肺空间递送医疗级气体混合物，气体混合物包括在约20-79%之间的惰性全氟气体和至少约21%的氧气；（c）获取与递送的全氟气体和氧混合物关联的¹⁹F磁共振图像（MRI）信号数据；并且（d）使用获取的信号数据来生成以下各项中的至少一项：（i）受检者的肺的自由呼吸图像的电影，电影图示全氟气体在受检者的肺空间和肺中的时间和空间分布以提供在至少一个呼吸周期内的换气图像数据；（ii）用于右肺和左肺中的每个肺的至少一个换气缺陷指数；（iii）示出肺的空间分布（按像素）的换气缺陷指数映射；（iv）向显示器的可视输出，输出包括受检者的气流数据的时间序列，在时间序列中具有与获取时间对准定位的多个MRI图像；（v）与强制排出体积关联的换气型式；（vi）与气体混合物的洗入和/或洗出关联的至少一个直方图；（vii）示出像素到像素的强度变化的至少一个区域换气缺陷模型；（viii）使用洗入和/或洗出¹⁹F MRI信号数据的气体俘获图像；（ix）向换气洗入和/或洗出的肺模型拟合的图形分析的可视输出，具有描绘功能信息的多个MRI图像；（x）信号强度图案，其基于张弛参数（T1和/或T2）以及局部氧浓度对张弛参数的影响来描绘向毛细管血流的气体交换；以及（xi）与递送的气体混合物的洗入和/或洗出关联的至少一个直方图。

一些实施例生成多个生成的图像、映射、指数或者数据（每项i-xi）。

方法可以包括生成受检者的肺的自由呼吸电影图像，该电影图像图示全氟气体在受检者的肺空间和肺中的时间和空间分布以提供在至少一个呼吸周期内（通常在多个呼吸周期内以及在气体混合物的洗入和洗出中的至少一个期间）的换气图像数据。

可选地，可以使用自由呼吸来执行递送步骤，由此允许受检者在获取步骤期间在多个呼吸周期内吸入和呼出气体混合物。

在一些实施例中，方法还可以包括终止递送步骤，然后允许受检者在保持于MRI扫描仪的磁场中时呼吸房间空气。方法然后获取气体的附加¹⁹F MRI信号数据并且使用附加获取的MRI信号数据来评价与气体俘获关联的换气数据。

可以通过使用获取的MRI数据生成图像来实现评价步骤，该图像图示全氟气体在受检者中的时间和空间分布。

全氟气体混合物可以包括处于房间温度和压力下的气态的医疗级六氟化硫。全氟气体混合物可以包括处于房间温度和压力下的气态的医疗级全氟丙烷气体。一个其他实施例可以包括诸如全氟乙烷等其他医疗级全氟气体，但是在这时仅六氟化硫和全氟丙烷在医疗级可用。

在一些实施例中，方法也可以包括指引受检者实现气体混合物的一秒内强制排出体积呼吸手法（maneuver）（FEV1）。然后方法可以在气体混合物的强制排出期间和/或之后获取MRI信号数据并且基于与FEV过程的获取的MRI信号数据来评价换气型式。

可选地，方法也可以包括在时间上与定位步骤邻近地在受检者处于仰卧位置时执行受检者的肺活量测定法过程。

在一些实施例中，方法可以包括使用获取的MRI信号数据来生成图像强度数据的至少一个直方图以标识换气缺陷。

获取步骤可以包括从定位于受检者周围的柔性或者刚性肺线圈（coil）获取¹⁹F MRI信号数据，并且方法还可以包括质子阻挡肺线圈并且基本上并行或者顺序地获取¹H和¹⁹F MRI图像信号数据。

在一些实施例中，方法还可以包括使用呼吸周期门控来生成图像，使得在若干呼吸周期内执行获取步骤。生成步骤可以用时间和空间分布的换气数据近实时地生成患者的呼吸肺的门控电影图像。

其他实施例涉及MRI系统。系统包括：（a）MRI扫描仪，包括具有磁场的磁体和被配置成获得¹H MRI信号数据的体线圈；（b）柔性、半刚性或者刚性肺线圈，被配置成获得¹⁹F MRI信号数据并且在尺寸上设定成而且被配置成驻留在患者周围；（c）MRI扫描仪接口，与扫描仪和肺线圈通信，该接口包括质子阻挡电路；以及（d）气体递送系统。气体递送系统包括：（i）气体混合物源，包括水平在约20-79%之间的全氟气体和水平至少约为21%的氧气；（ii）气流路径，与气体混合物源连通，包括从气体混合物源向配发构件（dispensing member）延伸的至少一个导管，配发构件在患者驻留于磁场以内时驻留于患者上方、患者上面或者患者中以向患者递送气体混合物；以及（iii）可选地包括与气体混合物通信的至少一个氧传感器。在操作中，MRI系统被配置成基本上并行获得患者的肺和关联肺空间的¹H和¹⁹F MRI信号数据并且生成图像，该图像示出全氟气体混合物在肺中的时间和空间分布。

系统可以可选地被配置成在（a）患者实现自由呼吸气体混合物持续多个呼吸周期、然后（b）患者实现自由呼吸房间空气持续多个呼吸周期时获取¹H和¹⁹F MRI信号数据，并且其中系统被配置成使用获取的信号数据来生成呼吸肺的电影图像。

一些实施例涉及MRI系统，改系统包括：（a）MRI扫描仪，包括具有磁场的磁体和被配置成获得¹H MRI信号数据的体线圈；（b）肺线圈，被配置成获得¹⁹F MRI信号数据并且在尺寸上设定成而且被配置成与患者邻近驻留；（c）MRI扫描仪接口，与扫描仪和肺线圈通信，接口包括质子阻挡电路；以及（d）气体递送系统。气体递送系统可以包括：气体混合物源，包括水平在约20-79%之间的全氟气体和水平至少约为20.5%的氧气；气流路径，与气体混合物源连通，包括从气体混合物源向自由呼吸配发构件延伸的至少一个导管，自由呼吸配发构件在患者驻留于磁场以内时驻留于患者上方、患者上面或者患者中以向患者递送气体混合物；以及至少一个氧传感器，与气体混合物通信。

在操作中，MRI系统被配置成获得患者的肺和关联肺空间的¹H和¹⁹F MRI信号数据并且生成图像，该图像示出全氟气体在肺中的时间和空间分布，其中系统被配置成在患者实现（a）在均衡和洗入和/或洗出期间自由呼吸气体混合物持续多个呼吸周期、（b）气体混合物的单个或者多个屏气以及（c）气体混合物的FEV中的至少一项时获取¹⁹F MRI信号数据。

系统可以被配置成生成以下各项中的至少一项：

（i）受检者的肺的自由呼吸图像的电影，电影图示全氟气体在受检者的肺空间和肺中的时间和空间分布以提供在至少一个呼吸周期内的换气图像数据；

（ii）用于右肺和左肺中的每个肺的至少一个换气缺陷指数；

（iii）示出肺的空间分布（按像素）的换气缺陷指数映射；

（iv）向显示器的可视输出，输出包括受检者的气流数据的时间序列，在时间序列中具有与获取时间对准定位的多个MRI图像；

（v）与强制排出体积关联的换气型式；

（vi）与气体混合物的洗入和/或洗出关联的至少一个直方图；

（vii）示出像素到像素的强度变化的至少一个区域换气缺陷模型；

（viii）使用洗入和/或洗出¹⁹F MRI信号数据的气体俘获图像；

（ix）向换气洗入和/或洗出的肺模型拟合的图形分析的可视输出，具有描绘功能信息的多个MRI图像；

（x）信号强度图案，其基于张弛参数（T1和/或T2）以及局部氧浓度对张弛参数的影响来描绘向毛细管血流的气体交换；以及

（xi）与递送的气体混合物的洗入和/或洗出关联的至少一个直方图。

MRI系统可以被配置成基本上并行获得肺的¹H和¹⁹F MRI信号数据。该系统可以包括：图像分析电路，被配置成电子地终止气体递送并且允许患者呼吸房间空气持续多个呼吸周期。

更多其他实施例涉及MRI系统，这些系统包括：（a）MRI扫描仪，具有在第一房间中的控制台和在扫描室中的具有磁场的磁体；以及（b）气体递送系统。气体递送系统包括：（i）气体混合物的加压容器，改气体混合物包括水平在约20-79%之间的全氟气体和水平至少约为21%的氧气；（b）气流路径，与气体混合物源连通，包括在患者驻留于磁场以内时从容器向配发构件延伸的至少一个导管和至少一个柔性袋；以及（c）可选地在气流路径中与气体混合物通信的至少一个氧传感器。在操作中，MRI系统被配置成获得¹⁹F MRI信号数据并且生成图像，该图像示出全氟气体在肺中的时间和空间分布。

系统可以可选地被配置成在（a）患者实现自由呼吸气体混合物持续多个呼吸周期、然后（b）患者实现自由呼吸房间空气持续多个呼吸周期时获取¹H和¹⁹F MRI信号数据，并且其中系统被配置成使用获取的信号数据来生成呼吸肺的电影图像。

更多其他实施例涉及用于MRI系统的气体递送系统。该气体递送系统包括：（a）全氟气体和氧气的医疗级气体混合物源；（b）吹口和/或面罩，驻留于气体混合物源下游，被配置成驻留于MRI系统的磁场以内；以及（c）流动路径，从气体混合物源向吹口和/或面罩延伸。流动路径包括与气体混合物源有流体连通的第一道格拉斯袋并且可以包括驻留于第一道格拉斯袋下游的第一肺活量计过滤器。

气体递送系统可以可选地也包括：单向阀，与吹口或者面罩连通，驻留于第一肺活量计过滤器下游、第二肺活量计过滤器，驻留于吹口或者面罩下游、以及第二道格拉斯袋，驻留于第二肺活量计过滤器下游，由此患者可以被动吸入和呼出气体混合物。

系统可以包括与MRI扫描仪通信的显示器以及与MRI扫描仪通信的呼吸周期门控电路和图像分析电路。MRI系统可以被配置成使用在多个患者呼吸周期内获取的¹⁹F图像数据来生成具有向呼吸周期配准的图像数据的门控自由呼吸电影图像，并且其中显示器被配置成近实时地呈现门控电影图像，该电影图像用与¹⁹F图像数据关联的时间和空间分布的换气数据示出患者的肺。

气流路径可以包括吸气气流路径和呼气气流路径，系统还包括驻留于吸气气流路径中的第一呼吸速度测定计和驻留于呼气气流路径中的第二呼吸速度测定计，并且其中呼吸门控电路被配置成将呼吸速度测定计数据用于呼吸门控输入。

系统可以包括：图像分析电路，被配置成向受检者的¹H MRI肺图像的集合配准¹⁹F MRI肺图像、根据¹H MRI图像创建肺掩模（lung mask）、将创建的掩模应用于配准的¹⁹F图像、然后从¹⁹F图像数据提取摘要参数以评估换气缺陷。摘要参数可以按照体积和切片来提取并且包像素强度、像素计数、直方图、摘要统计和2D形状因子中的至少一个参数。

系统可以包括：气体室，与气流路径的定位于用于气体捕获的道格拉斯袋上游的呼气部分有流体连通。气体室可以与被配置成基本上实时分析氧和二氧化碳含量的化学分析器通信。

系统可以包括与MRI扫描仪通信的显示器和图像分析电路，图像分析电路被配置成生成与在不同时间点取得的多个MRI图像对准的随时间的患者气流数据的叠加呈现，多个MRI图像包括空气的吸气和呼气屏气图像、全氟气体混合物的洗入和洗出图像以及自由呼吸全氟的电影MRI图像。

更多其他实施例涉及一种用于MRI系统的气体递送系统。该气体递送系统包括：（a）全氟气体和氧气的医疗级气体混合物源；（b）吹口和/或面罩，驻留于气体混合物源下游，被配置成驻留于MRI系统的磁场以内；以及（c）吸气流动路径，从气体混合物源向吹口和/或面罩延伸。流动路径可以包括：第一道格拉斯袋，与气体混合物源有流体连通；以及第一肺活量计过滤器，驻留于第一道格拉斯袋下游。气体递送系统可以是允许患者“屏气”和自由呼吸气体混合物的无源系统。

气体递送系统也可以包括驻留于吹口或者面罩下游的封闭式呼气气流路径。气体递送系统系统也可以包括：单向阀，与吹口和/或面罩通信，驻留于第一肺活量计过滤器下游；第二肺活量计过滤器，在呼气气流路径中驻留于吹口和/或面罩下游；以及第二道格拉斯袋，具有比第一道格拉斯袋更大的尺寸，驻留于第二肺活量计过滤器下游。

递送系统可以包括：封闭式呼气气流路径，驻留于吹口或者面罩下游；第一呼吸速度测定计，与吸气气流路径有流体连通；第二呼吸速度测定计，与呼气气流路径掩膜（pathmask）有流体连通；至少一个呼吸速度测定计记录器，与第一和第二呼吸速度测定计通信；门控电路接口，与至少一个记录器通信，被配置成提供MRI呼吸门控输入；气体室，在呼气气流路径中在道格拉斯气体恢复袋上游；以及气体分析器，与气体室通信，被配置成分析室中的氧和二氧化碳含量。

更多其他实施例涉及自由呼吸的¹⁹F MRI图像的电影，电影用与换气型式关联的全氟气体的时间和空间分布示出呼吸肺。

更多其他实施例涉及至少一个右肺换气缺陷指数和至少一个左肺换气缺陷指数，其中基于MRI像素信号强度确定相应至少一个指数以由此提供肺功能的患者特定测量。

附加实施例涉及一种区域换气缺陷图形，该图形示出在限定的时间内在受检者的肺中的全氟气体的¹⁹F像素信号强度的右肺和左肺换气而在限定的时间处的信号强度用来标识针对受检者的右肺和左肺中的每个肺的换气缺陷。

其他实施例涉及肺中的与¹⁹F信号数据关联的像素变化的区域换气指数和/或映射。

更多其他实施例涉及一种用全氟气体的与换气型式关联的时间和空间分布示出呼吸肺的MRI图像的电影。

附加实施例涉及医疗级气体混合物的加压罐，气体混合物包括至少约21%的氧和在约20%至约79%之间的惰性全氟气体。

罐也可以包括罐上的温度传感器，温度传感器用于指示罐是否已经暴露于5℃以下的温度。

一些实施例涉及一种用于向人类患者送服的三功能性医疗级气体组成，气体组成包括约21%的氧气以及在约20%至约78%之间的惰性全氟气体和平衡麻醉气体。

本发明的实施例涉及通过核磁共振光谱测定仪对全氟气体的空间分布成像的系统和方法，该系统和方法包括通过NMR光谱测定仪（例如MRI扫描仪）检测至少一种全氟气体的空间分布并且生成全氟气体的空间分布的表示。可以在3D体积或者2D多层或者投影图像中生成该表示，这些图像具有与气体的包括吸气和呼气阶段的的换气型式有关的附加维度。根据可以在化学或者生物系统中、优选地在人类或者动物受检者或者其有机系统或者组织中的本发明对全氟气体成像。

另外，一种用于全氟气体的空间分布的核磁共振成像的设备包括用于通过NMR光谱测定仪对全氟气体成像的装置和用于提供和/或存储可成像数量的全氟气体以及向受检者递送气体的装置。

另外，一种医疗组成可以包括三功能性气体混合物，气体混合物包括医疗级（惰性）全氟气体、医疗级氧和第三气体，该第三气体可以包括麻醉气体或者其他相关支持气体（例如He）。

本发明的实施例可以运用一种可以用来询问图像数据并且生成区域换气功能映射的数学模型。

注意关于一个实施例描述的本发明方面可以并入于不同实施例，但是未相对于此具体描述。也就是说，可以在任何方式和/或组合中组合所有实施例和/或任何实施例的特征。申请人保留改变任何原始提交的权利要求或者相应地提交任何新权利要求的权利，该权利包括能够修改任何原始提交的权利要求以依赖于和/或并入任何其他权利要求的任何特征、但是原始未以该方式要求保护的权利。在下文阐述的说明书中详细说明本发明的这些以及其他目的和/或方面。

这里详细说明本发明的前述以及其他目的和方面。

附图说明

图1A是根据本发明实施例的具有气体递送系统的MRI系统的示意图示。

图1B是根据本发明实施例的具有替代气体递送系统的MRI系统的示意图示。

图1C是根据本发明实施例的与图1A和1B中所示MRI系统和气体递送系统相似、但是具有成像网关（gateway）/接口的MRI系统和气体递送系统的示意图示。

图2A是根据本发明实施例的另一气体递送系统的示意图示。

图2B是根据本发明实施例的又一气体递送/监视系统的示意图示。

图3是根据本发明实施例的另一示例性气体递送系统的示意图示。

图4A是根据本发明实施例的与网关接口和阻挡网络功率供应通信的肺成像线圈护套的图示。

图4B是根据本发明实施例的可以在PFx和O2气体混合物递送与替代气体递送（例如房间空气、100% O2等）之间暂时切换的成像系统的示意图示。

图5A-5C是信号比对翻转角度的图形，每个图形使用10 ms的TR和1 ms的TE（也以ms为单位示出了所有其他T数量）。图5A是肺水的信号绘图。图5B是SF6的信号绘图，并且图5C是PFP的信号绘图。（在图中需要一些澄清）

图6是可以用来实现本发明实施例的操作步骤的流程图。

图7是可以用来实现本发明实施例的数据处理系统的示意图示。

图8是在单个屏气中使用全氟气体和氧气混合物的一对人类肺的PFP的活体内图像3D GRE（梯度再聚焦回波）VIBE（体积插值屏气检查）的再现。

图9是患者的肺的图像长方照片（panel）。左图像是¹H（基础）图像，右图像是PFx（匹配）图像，并且中心图像是¹H和PFx的3D融合图像（通常色编码示出）。顶行图像对应于横向切片，中心行图像对应于冠状切片，并且底行图像对应于纵向（sagittal）切片。

图10是根据本发明实施例的示出了区域肺形态度量信息的肺的（通常色编码）图像，该图像使用1H图像数据示范肺的覆盖。

图11是根据本发明实施例的使用PFx气体混合物获得的一系列肺图像的（通常色编码）可视化，该可视化使用PFx和氧气气体混合物示出了肺换气和/或功能（例如换气缺陷、缺点、气体俘获等）的区域数据（在长方照片C-6至C20中示出）。

图12A和12B是根据本发明实施例的在丙烯酸球中容纳的“泄漏手套（leaking glove）”幻像（phantom）的时序图像的示例，该球允许PFx经由手套中的小孔泄漏到球中。图像图示了如下数据，在空间上分析该数据以示出与‘气体俘获’类似的在不同PFx浓度之间的对比。

图13A和13B图示了使用泄漏手套幻像的两个ROI（感兴趣区域）。图13A示出了使用播种方式‘生长’的两个感兴趣区域，而图13B示出了整个‘对象’的区域。

图14是根据本发明实施例的对象的像素/体素（voxel）的出现比对强度的图形，该图形图示了可以在数值上分析强度数据/浓度差。这示出了与气体俘获类似的强度的‘形态’分布。

图15是根据本发明实施例的可以用来标识换气缺陷和俘获的气体体积的示例性图像分析步骤的流程图。

图16是根据本发明实施例的图像分析协议的示意图示，该协议可以用来使用提取的摘要参数来标识换气缺陷或者异常。

图17A和17B是根据本发明实施例的图像体积的切片中的提取的摘要参数的示例的图表。

图18是根据本发明实施例的用于换气缺陷的区域分析的随时间的PFx信号的图形。

图19是根据本发明实施例的在指明的时间线有插入的MRI图像的、随时间的呼吸速度测定计输出的叠加绘图的示例的屏幕截图。

图20A和20B是根据本发明实施例的将直方图换气缺陷分析用于不同患者的图像和像素计数比对PFx像素强度的关联图形。注意两位患者具有基本上相同FEV1值、但是具有不同缺陷。

图21是根据本发明实施例的可以用来标识用于不同患者的肺换气缺陷指数的肺的标准化隔室模型的示意图。

图22是用于在切换成房间空气之后的跟随有洗出的换气缺陷严重度的洗入动态分析的以顺序时间（和递增气体计量）取得的图像集。

图23是来自与图22中所示图像关联的感兴趣区域的、洗入和洗出的随时间（基于一系列图像）的均值信号图形的示例。

具体实施方式

现在下文将参照其中示出本发明实施例的附图更完全地描述本发明。然而本发明可以用许多不同形式来实施并且不应解释为限于这里阐述的实施例。相似标号全篇指代相似元素。在图中，为了清楚而可以夸大某些层、部件或者特征，并且虚线除非另有指明则图示可选特征或者操作。此外，操作（或者步骤）的序列除非另有具体明示则不限于在图和/或权利要求中呈现的顺序。在附图中，为了清楚而可以夸大线、层、特征、部件和/或区域的粗度，并且虚线除非另有指明则图示可选特征或者操作。关于一幅图或者一个实施例描述的特征可以与图的另一实施例关联，但是未这样具体描述或者示出。

将理解当诸如层、区域或者衬底的特征称为“在”另一特征或者元素“上”时，它可以直接在另一特征或者元素上面，或者也可以存在居间特征和/或元素。对照而言，当元素称为“直接在”另一特征或者元素“上”时，不存在居间元素。也将理解当特征或者元素称为“连接”、“附着”或者“耦合”到另一特征或者元素时，它可以直接连接、附着或者耦合到另一元素，或者可以存在居间元素。对照而言，当特征或者元素称为“直接连接”、“直接附着”或者“直接耦合”到另一元素时，不存在居间元素。虽然关于一个实施例加以描述和示出，但是这样描述或者示出的特征可以应用于其他实施例。

这里所用术语仅为了描述具体实施例而并非旨在于限制本发明的目的。如这里所用，单数形式“一个/一种”和“该”除非上下文明示则旨在于也包括复数形式。还将理解措辞“包括”和/或“包含”在使用于本说明书中时指定存在陈述的特征、步骤、操作、元素和/或部件、但是未排除存在或者添加一个或者多个其他特征、步骤、操作、元素、部件和/或其分组。如这里所用，措辞“和/或”包括关联的列举项目中的一个或者多个项目的任何和所有组合。

将理解虽然措辞“第一”和“第二”这里用来描述各种部件、区域、层和/或段，但是这些区域、层和/或段不应受到这些措辞限制。这些措辞仅用来区分一个部件、区域、层或者段与另一部件、区域、层或者段。因此，下文讨论的第一部件、区域、层或者段可以称为第二部件、区域、层或者段并且反之亦然而不脱离本发明的教导。相似标号全篇指代相似元素。

除非另有定义，这里所用所有术语（包括技术和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员普遍理解的相同含义。还将理解诸如在常用词典中定义的术语这样的术语应当解释为具有与它们在说明书和相关领域的上下文中的含义一致的含义并且除非这里明确如此定义则不应在理想化或者过于正式的意义上加以解释。为了简洁和/或清楚而可能没有详细描述众所周知的功能或者构造。

在本发明的下文描述中，某些术语用来指代某些结构相对于其他结构的位置关系。如这里所用，术语“前”或者“向前”及其派生词指代气体混合物在使用期间朝着患者（并且当在呼气时被捕获，然后从患者离开）流动的方向；这一术语旨在于与术语“下游”同义，其经常在制造或者材料流动环境中用来指示行进或者被作用的某种材料沿着该过程中比其他材料更远。反言之，术语“向后”和“上游”及其派生词指代与向前或者下游方向分别相反的方向。

术语“电路”指代全软件实施例或者组合软件和硬件方面、特征和/或部件的实施例（例如包括处理器以及与处理器关联、嵌入于处理器中和/或可由处理器执行的软件，用于程序性地指引和/或执行某些描述的动作或者方法步骤）。

术语“映射”指代使用MR图像数据对肺部（肺）组织或者气道的一个或者多个所选参数、条件或者行为的表现的可视化，例如映射是表现的部分或者全局解剖映射，该映射以通常使用不同颜色、不透明度和/或强度来图示相对功能程度或者测量的方式示出换气和/或灌注信息。

可以在屏幕或者显示器上示出实际可视化，使得映射或者换气信息图像和/或解剖结构在扁平2D图像中和/或在2D投影图像中，在2D投影图像中看来是具有数据的3D体积图像，该数据代表具有不同可视特性，诸如具有不同强度、不透明度、颜色、纹理等的特征。4D映射可以图示具有移动（例如与呼吸周期关联的壁移动）的肺的3D或者2D投影图像或者具有在吸气和/或呼气期间的换气信息的3D映射。

术语“5D可视化”意味着具有在移动可视化上示出的功能（换气）空间编码或者相关信息的4D可视化图像（例如呼吸肺的动态/移动3D或者2D投影图像）。

术语“程序性地”意味着操作或者步骤可以由数字信号处理器和/或计算机程序代码引导和/或实现。类似地，术语“电子地”意味着可以使用电子部件以自动化方式而不是人工或者使用任何智力步骤来实现步骤或者操作。

术语“MRI扫描仪”或者“MR扫描仪”可互换地用来指代磁共振成像系统并且包括高场磁体和操作部件，例如RF放大器、梯度放大器以及通常引导脉冲序列并且选择扫描平面的处理器。当前商用扫描仪的示例包括：GE Healthcare: Signa 1.5T/3.0T；Philips Medical Systems: Achieva 1.5T/3.0T；Integra 1.5T；Siemens: MAGNETOM Avanto; MAGNETOM Espree；MAGNETOM Symphony；MAGNETOM Trio；以及MAGNETOM Verio。如众所周知的那样，MR扫描仪可以包括容纳于一个或者多个机柜中的主操作/控制系统，该机柜驻留于MR控制室中而MRI磁体驻留于MR扫描套间中。控制室和扫描室可以称为MR套间，并且两个房间一般由RF屏蔽壁分离。

术语“电影”指代动态示出的一系列图像，例如在一个或者多个呼吸周期期间处于运动的呼吸肺并且通常通过循环肺和/或肺气道的图像堆叠的图像切片以在某一帧速率（通常以帧每秒（fps）为单位来指定）形成动态系列图像来实现。帧速率可以由用户调整以具有更快或者更低速度以便于回顾肺功能等的便易性。

术语“MRI兼容”意味着所谓（一个或多个）部件适合于在MRI环境中使用并且这样通常由（一种或多种）非铁磁MRI兼容材料制成，该材料适合于在常规医疗高磁场环境中或者与该环境邻近驻留和/或操作。“MRI兼容”部件或者设备在使用于MRI环境中时是“MR安全”的并且已经被论证既未明显影响诊断信息的质量、也未让它的操作在MR系统中的预计使用位置受MR系统影响。这些部件或者设备可以满足ASTM F2503-05定义的标准。参见American Society for Testing and Materials (ASTM) International, Designation: F2503-05. Standard Practice for Marking Medical Devices and Other Items for Safety in the Magnetic Resonance Environment. ASTM International, West Conshohocken, PA, 2005。

术语“高磁场”指代在约0.5T以上、通常在1.0T以上并且更通常在约1.5T与10T之间的场强。本发明的实施例可以特别适合于3.0T系统或者更高场系统，诸如在4.0T、5.0T、6.0T等的将来商用系统、但是也可以实施于1.5T。

一般而言，全氟（可以缩写为术语“PFx”）气体可以在MRI期间用作成像剂以允许区域换气信息的数据捕获。术语“全氟气体”指代从常见有机全氟化碳或者氢原子由氟原子替换的其他全氟化合物衍生的惰性医疗级气体。对于向人类和动物的医疗送服，PFx气体应当调配为医疗级气体，该气体的有毒化学物/元素被去除或者存在于限定为对于医疗使用而言可接受的水平并且该气体的微生物限制服从（并且执行测试以满足）法规微生物和医疗级指导，诸如美国食品和药品管理局于2009年发布的USP第1111章以及USP 61和62中陈述的那些指导。适当PFx气体的示例包括六氟化硫气体（SF₆）和全氟烷烃，诸如但不限于在房间温度和压力为气态的全氟丙烷（“PFP”，也称为C₃F₈）。认为标称房间温度在约20-25℃之间和1 atm（海平面），但是气体混合物可以使用于更低和更高温度和压力范围，但是在可以使气体液化的压力以下以便维持气体的组成。其他PFx气体也可以是适合的，诸如全氟乙烷、全氟环丁烷和全氟甲烷。全氟气体至少由静态磁场热或者均衡极化，该静态磁场由大到足以包含受检者“S”的磁体生成。

本发明的实施例可以生成肺/气道中的全氟气体空间分布的表示，该表示包括空间分布的至少一个维度、但是优选2或者3个维度。此外，可以在与包括吸气和呼气阶段的气体的换气型式有关的第四维度（时间）中提供表示。

本发明的实施例使用与氧混合的常规‘热’极化的全氟气体（PFx）用于作为吸入的惰性MRI对比药剂以对肺功能成像，例如如换气和各种换气缺陷。这些PFx药剂异常快地达到相对高的热极化，与大的¹⁹F MR信号（磁矩）和分子对称性耦合的该热极化允许以与超极化的¹²⁹Xe MRI的质量相似的质量、但是以更低成本并且以减少的技术复杂度对换气成像。SF6具有约2m的T1，而全氟丙烷具有约20ms的T1。因此，由于不同物理化学性质和/或T1，一个或者另一个可能更适合于不同呼吸型式。PFx气体可以允许用换气动态性的接近实时成像的迅速图像获取。措辞“接近实时”意味着可以在患者在MRI扫描仪套间中时通常在从初始信号获取起的约30秒到约5分钟内生成换气动态图像。整个肺评价图像会话可以相对短、通常在约5-30分钟之间并且更通常在10-15分钟之间。可以用自由呼吸递送在（门控）电影模式中获得图像。

也设想从换气信息的观点来看，本发明的实施例可以评价来自PFx气体混合物的MR图像数据以评估和/或测量气体俘获并且可以允许不容易用当前成像策略获得的对气体俘获的时域分析。除此之外或者替代地，顺序屏气图像或者时间门控图像可以标识洗入和洗出信息。这些实施例可以用来对换气缺陷的严重度分等级，这是一种也不容易用当前成像策略获得的方式。也由于相对最优张弛条件，这些条件归因于在这些药剂上以自旋旋转张弛为主导并且有能力从传入气体递送系统获得信号，所以设想的系统可以提供肺换气和/或功能信息的更定量分析和显示。PFx混合物的信号强度改变对局部氧浓度敏感。在一些实施例中，可以使用T1加权图像、比值或者减法图像（subtraction image）或者计算的T1图像来实现氧气交换（灌注）的估计。值得注意的是这些实施例可以运用具有更长T1张弛时间的PFx药剂，例如具有在约10ms以上的T1的PFx药剂，诸如例如全氟丙烷。

与屏气方法对照，本发明的实施例可以与PFx气体混合物的“自由呼吸”递送一起使用。术语“自由呼吸”意味着受检者能够在基本上正常的呼吸或者呼吸周期中被动吸入和呼出气体混合物而无需“屏气”或者呼吸器或者调节式气体递送系统。注意可以通过指引受检者在不同速率吸气或者呼气、例如以更快或者更低的呼吸周期、浅或者深呼吸或者强制换气呼吸（例如FEV1/FEC）来实现“自由呼吸”。呼吸可以经由鼻和/或嘴、但是不要求患者在成像期间实际上屏住他的或者她的呼吸。认为自由呼吸递送可以提供关于（一个或多个）人类肺中的实际肺换气的信息的改进准确度，其中对流与扩散的组合在潮流气量（tidal volume）大致为总体积的1/6时提供若干呼吸内的换气动态性。有可能的是用其他常规（例如屏气）方法发现的换气缺陷可能不准确。此外，“自由呼吸”可以使系统特别适合于具有损害的呼吸功能的患者和/或儿科使用。

肺包含三个主要部件：空气（在正常呼吸期间）、血液和组织。一般而言，这些部件的结构和生理布置提供气体交换以及对空气和血液移动的（通常）高效抵抗。肺也可以通过称为黏膜纤毛清除（自我平衡过程）的专门化传送机制来提供对吸入的空气中的微粒物质去除。可以从以下内容获得用来描述几何和/或形态改变的模型的示例：R. Weibel的Morphometry of the Human Lung, Spinger-Verlag, Berlin, (1963), pp. 1-151；以及The Physiology of Breathing, Grune & Stratton, 1977, New York, pp. 60-79; 173-232。设想本发明的实施例可以基于肺空间和组织中的¹⁹F（和¹H）信号的时间和空间分布生成具有换气数据/型式的图像，这些换气数据/型式示出形态和功能。

现在参照附图，图1A图示了具有MRI扫描仪20和气体递送系统30的系统10。MRI扫描仪20包括高场磁体20M（通常在MRI套间的扫描室中）。磁体通常至少约为3.0T磁体，但是系统10的实施例可以与1.5T磁体或者在其他更高场强的磁体一起使用。MRI扫描仪20包括控制台21和显示器22。显示器22可以与控制台21集成和/或可以在临床医生工作站中被提供用于显示图像。扫描仪20可以经由引线25与通常在扫描室中的磁体壳中包括的体线圈23通信以如本领域技术人员已知的那样指引脉冲序列和传输接收操作。

气体递送系统30包括全氟气体和氧气混合物30g的源30s。通常以通常在约20.5%至约21%之间的含氧量正常的量提供氧气。氧水平应当维持于19.2%以上。可以如适合于医疗那样在掺和物（混合物）中包括其他气体。然而通常以在气体混合物的约20%-79%之间并且更通常在约40%至约79%之间的量提供PFx气体。

气体递送系统30包括从源30s向与磁体20M中的受检者“S”邻近定位的递送设备30d延伸的至少一个导管33（通常为柔性MRI兼容造管（tubing））。系统30可以包括至少一个阀31和流量调节器32。可以提供气流为需求流速（由患者控制）或者在如本领域技术人员已知的适当流速提供气流并且气流可以按照患者大小年龄或者呼吸容量而变化。

可以提供至少一个导管33为约15-50mm直径的造管、通常约38mm直径的造管，并且至少一个导管33可以是一次性可置换件。然而可以使用其他大小的导管。另外，受检者可以由恰好处于递送设备30d之后的高效率肺活量测定过滤器从系统隔离。递送设备30d可以是任何适当形式、通常为面罩或者吹口。然而递送设备30d可以包括如适合于特定患者的插管。系统10可以包括可以沿着气体递送路径放置的至少一个氧传感器40。电和/或光学引线可以从传感器向氧水平监视器42延伸。替代地，（非破坏性）氧传感器系统可以使用泵系统对源气体30s连续采样并且向源返回气体。传感器40也可以与监视器42无线（例如蓝牙）通信。

如图所示，氧传感器40与递送设备30d邻近放置以恰在向患者递送之前确认正确氧水平存在于气体混合物中。这一传感器40可以驻留于磁体20M以内或者以外。然而在其他实施例中，传感器40可以驻留于递送设备上游、诸如与源30s邻近。在其他实施例中，多个氧传感器40（图2、3）可以用来在氧验证/监视系统中提供冗余性。在一些实施例中，脉冲血氧定量法系统，诸如指尖脉冲血氧定量法系统（例如In Vivo MVS 3155或者NONIN 7500FO）也可以用来在患者在扫描仪孔中就位时测量患者氧饱和度水平（SpO2）（未示出）。特别是如果使用屏气技术，则可以预计氧饱和度的少量下降（SpO2约1-2%）。可以监视SpO2的更大改变，这些改变可以确定是否将终止研究。可以利用多数血氧定量法系统上的警报特征设置最小SpO2。

源30s可以包括两个分离气体供应，一个用于氧并且一个用于PFx，这两个气体供应可以诸如实时地或者在过程之前在临床使用现场就地混合以提供用于过程的所需掺和物并且监视和/或过滤任何非所需微生物。监视器可以包括用于确认正确氧百分比存在的一个或者多个激光器或者其他传感器。在这样的实施例中，可以关于源气体独立确定微生物水平。

在其他实施例中，可以在加压罐30c（图2）中供应PFx气体和氧气30g作为低压预混合气体。例如在234 psig的SF6（约79%）和O₂（约21%）的8英寸直径52英寸罐可以提供约472升SF₆气体混合物。在68 psig的PFP（约79%）和O₂（约21%）的8英寸直径52英寸罐可以提供约136升气体混合物。可以使用更小（例如个人使用）大小的罐或者更大的罐。可以从Air Liquide, Scott Medical Products, Plumsteadsville, PA获得适当医疗级气体混合物。源30s可以放置于控制室中或者扫描室中或者甚至MR套间以外并且经由递送线可流动地引入套间中。如果放置于扫描室中（RF屏蔽以内），则铝或者其他适当MRI兼容材料可以用来形成系统的罐或者部件。以低压供应气体，使得稠密气体部件在约21摄氏度或者室温的正常操作条件之下保持气态。由于两个部件在这一温度处于气相，所以从气筒抽出的混合物的成分比将保持恒定。

应当避免暴露于低温（在约5℃/41℉以上或者在一些实施例中在约10℃/50℉以上存储和使用），因为成分之一（即SF₆或者C₃F₈）的凝结可能出现，由此扰动汽相的成分比。在这样的情形中，气体气筒可以加热至室温并且通过旋转气筒来‘混合’并且如先前描述的那样由氧传感器40检查浓度、具体为氧水平。因此当使用预先混合和加压气体源时，低温指示器或者传感器可以放置于容器30s上或者中。气体混合物被调配成具有0摄氏度的“露点”，使得它将不在这一温度以上凝结。PFP在0摄氏度的气压为60.41 psi，并且SPF6在0摄氏度的气压压为182.01 psi。为了确定混合物（在0摄氏度）的总压力，气压除以混合物的浓度。然后此数可以乘以294/273（开氏度向摄氏度转换）以发现在21摄氏度/70华氏度的压力。

对于79% PFP：

。

对于79% SF6：

。

图1A和1C图示了被配置有用户接口（UI）22I的显示器22。显示器22可以用区域换气信息数据呈现换气映射或者肺的显示。例如换气映射可以包括肺的至少一个区域的3D解剖映射，该映射具有从并入于其中的MR图像数据取得的例如与PFx气体的气体俘获和/或洗入和洗出关联的空间相关强度数据。UI 221也可以被配置成显示通常与肺/换气缺陷、换气缺陷（数值或者字母数字）指数等相关的强度直方图（随时间的像素强度）。UI 22I可以被配置成允许用户缩放、裁剪、旋转或者选择映射的视图。UI 22I可以包括用于不同功能和/或动作的多个不同GUI（图形用户输入）控制。GUI控制也可以是切换、具有方向灵敏度以在所需方向上拖拉的触屏或者其他图形或者物理输入。

UI 22I可以包括与过程关联的可以被选择用于用户查看的用户可选图像的列表。UI 22I也可以包括GUI控制，这些控制允许用户选择通常为映射的图像中的两个或者更多个图像以一起示出（叠加和配准、诸如融合的¹H和¹⁹F肺图像）。如图1C中所示，可以在独立工作站60中或者与独立工作站60关联提供与MRI扫描仪20通信的显示器22。工作站60可以包括电路（例如ASIC和/或具有软件的处理器），该电路包括或者执行用于生成（一个或多个）换气映射、具有区域换气信息的换气图像和/或示出肺功能的呼吸肺电影的计算机可读程序代码中的部分或者全部。然而电路的部分或者全部可以驻留于MRI扫描仪20中或者一个或者多个远程处理器中。

可选地，MRI扫描仪接口66可以用来允许在工作站60与扫描仪20之间的通信。接口66和/或电路可以是硬件、软件或者其组合。接口66和/或电路可以部分或者全部驻留于扫描仪20中、部分或者全部驻留于工作站60中或者部分或者全部驻留于其间的分立设备中。显示器20可以被配置成使用MRI图像数据来表现或者生成目标解剖空间/肺的接近实时可视化。

图1B图示了系统10’可以包括将麻醉（诸如一般麻醉）与来自源30s的气体混合物一起提供的MRI兼容麻醉递送系统38。当使用这一类型的基于麻醉的系统时，氧可以在约20-21%之间的水平，麻醉气体可以在约5-20%之间的水平、通常约为15%，并且PFx气体可以在约75%-59%之间的水平。

图1B也图示了系统10’可以包括患者监视器39，该监视器可以监视递送气体38g中的氧水平以及其他患者生命指征。患者监视器39可以与麻醉递送系统38监视系统分离或者集成。

图1B也图示了系统10’也可以包括¹⁹F传输/接收肺线圈28。线圈28被调谐至与用于使用中的MRI场强的¹⁹F关联的所选频率范围（例如对于3T系统约为115MHz）并且定位于受检者/患者上以传输激励脉冲并且检测MRI单元生成的对脉冲序列的响应。线圈28可以是在相对柔性包裹（背心或者夹克式）配置（图4A）中的正交线圈，该配置具有在胸部的前面和后面两者上定位的导体。替代地，半刚性或者刚性线圈配置也是可能的，该配置使用‘鸟笼’几何形状、‘相控阵列’几何形状和/或平行成像几何形状。适当（原型）线圈由Clinical MR Solutions Brookfield,WI制造。在其他实施例中，线圈28可以是多片（例如，两片）线圈，该线圈提供用于信号传输/接收（Tx/Rx）的前和后（顶部和底部）导体。不同线圈大小可以用于不同大小的患者、例如S、M、L、儿童等，每个都有不同径向和/或纵向延伸和/或相配。本领域技术人员已知的其他线圈类型的示例包括鸟笼配置、赫尔姆霍茨对和相控阵列。

本发明的实施例使用多频成像，例如并行¹H和¹⁹F成像。因此，系统10可以被配置成用体线圈23（可以¹H阻挡的¹⁹F线圈28）或者用双频阵列或者其他线圈和具有就位肺线圈28的操作布置来使用¹H成像进行成像。本发明的其他实施例可以使用平行成像以改进获取速度或者减少获取的具体吸收辐射（SAR）。

图1C图示了系统10可以包括接口/网关50，该接口/网关具有可以与线圈28通信的阻挡电路50C。主动地质子阻挡线圈28以在线圈28在受检者上就位时允许通过线圈28或者线圈23的¹H成像。MR扫描仪可以在本发明的一个实施例中传输1H或者19F频率并且在其他实施例中可以实时交替频率或者同时传输1H和19F频率用于图像形成和获取。在所有实施例中，将在1H传输期间静态或者动态地禁用19F线圈。

接口/网关50可以经由引线27₁连接到线圈28并且经由引线27₂连接到与扫描仪关联的通道。接口/网关50可以驻留于控制室中或者扫描室中。下文将进一步讨论具有阻挡电路50c的接口/网关50。

图2A图示了递送系统30的另一示例。如图所示，系统30包括具有PFx/O₂气体混合物30g的加压罐30c。罐30c可以包括流量调节器33和阀31。罐30s也可以包括温度传感器36以确认罐30s尚未暴露于提升的温度，使得混合物适合于配发。传感器36可以是如果暴露于限定的阈值以上的温度则改变颜色的传感器（例如绿色为“好”并且红色为“坏”）。传感器36可以包括具有功率源（诸如板上电池）的电子监视器36m或者与电子监视器36m通信，如果罐30c已经暴露于所需温度（例如在约5℃/41℉以下的温度），则该功率源可以提供音频和/或可视警报。电子监视器36m也可以包括电路，该电路可以接收和保持指示填充日期/时间的数据并且存储按照所需间隔（诸如例如每10秒至每30分钟、通常每1-10分钟）取得的温度读数。电子监视器36m可以包括具有存储器的电路，该存储器保持温度信息（和批号、供应商和/或其他相关气体信息），并且存储器和/或监视器可以形成患者记录的部分。如果用气体混合物30g填充罐30c期间或者之后，罐30c已经暴露于非所需温度，则可以标识过度暴露的长度和日期以允许用户解决装运/操纵问题。在这样的情形中，气体气筒可以可选地加热至室温并且通过旋转气筒来‘混合’并且如先前描述的那样由氧传感器40检查浓度。

如图2A中所示，系统30可以包括常规道格拉斯袋布置，该布置具有使用氧分析器42对源气体30g氧水平的连续监视，该氧分析器42具有与采样供应线43和返回线45有流体连通的泵。因此，系统30可以提供气体混合物30g的连续（循环）采样系统。

如图2A中所示，系统30可以包括具有微生物过滤器51（诸如0.22微米微孔过滤器）的流动路径33，该过滤器驻留于吸气侧道格拉斯袋55与高效率肺活量计过滤器53之间。道格拉斯袋55可以在约1-200升之间并且通常是约25升的袋。高效率肺活量计过滤器可以提供低流阻和适当地是细菌和病毒过滤器，例如约99.9999%的细菌过滤效率。在这一示例中，微生物过滤器是Cole Parmer，Vernon Hills，IL，Nylon Sterile Syringe Filters；孔大小0.20微米，项目编号: EW-02915-04。肺活量计过滤器可以包括来自Vacumed，Ventura，CA 的呼吸治疗过滤器，项目编号: MQ 303。氧分析器可以包括Oxigraf氧分析器，项目编号: 07-0006。可以从Vacumed（项目编号R5010）获得单向阀。可以从Vacumed的项目编号1464获得非再呼吸T阀。也可以从Vacumed获得其他部件，诸如造管、道格拉斯袋和连接器。

流动路径33也可以包括与单向呼吸阀35连通的吹口30d。吸气的气体流入吹口30d。吹口30d可以包括（非再呼吸）“Y”阀和/或单向阀35或者与“Y”阀和/或单向阀35通信以允许自由呼吸。系统30也可以可选地包括肺活量计过滤器53下游的激光氧水平传感器40。系统30也可以包括与呼气道格拉斯袋56连通的驻留于吹口30d下游的另一（高效率）肺活量计过滤器53（在使用时）。呼气侧道格拉斯袋56可以大于吸气侧袋55、通常至少四倍大、诸如例如约150升。形成流动路径33的造管以及阀35和吹口30d可以是一次性可置换件。系统可以包括连接到控制室中的气动控制44的三向气动控制阀44v。

图2B图示了与图2A中所示系统相似的系统30’。可以用这一系统30’包括用上述系统30描述的特征，并且用这一系统30’描述的特征可以与上述系统30一起使用，但是未具体与之一起描述或者示出。另外，并非用任一系统30、30’示出的所有部件是任一系统所需要的。

图2B中所示系统30’也可以包括沿着吸气流动路径33i定位的MRI兼容呼吸速度测定计34，该呼吸速度测定计具有连接线33/向放大器和数据记录器34A的延伸。放大器/记录器34A通常驻留于MR控制室中、但是也可以驻留于现场外或者甚至磁体室中（具有恰当屏蔽）。系统30’也可以包括沿着传出流动路径33o的MRI兼容呼吸速度测定计134。这一呼吸速度测定计134也可以包括连接到放大器/数据记录器134A的线134l。虽然示出为两个呼吸速度测定计34、134，但是这些可以集成到单个设备中。记录器134A也可以驻留于控制室中、但是可以驻留于别处（现场外或者磁体室中）。可以使用单个通常为双通道的记录器而不是如图所示的两个记录器。系统可以包括与传出呼吸速度测定计134有流体连通并且在传出呼吸速度测定计134上游以干燥呼气气流路径中的气体的干燥器37。来自呼吸速度测定计34、134的吸气和呼气数据通常经由关联记录器34A、134A可以用来提供用于MR扫描仪的网关接口电路50的MRI呼吸门控输入20G，该扫描仪用来以按照呼吸周期门控的方式获得MR图像信号。呼吸速度测定计可以是Lilly型呼吸速度测定计。

系统30’也可以包括驻留于呼吸速度测定计134下游的与传出流动33o路径有流体连通的接收室110（在使用时）。室110可以是从患者收集所需体积的输出气体的“混合”室。术语“混合”意味着允许不止一个顺序呼吸以在氧和二氧化碳水平的外部采样之前均衡。一种替代方案是在阀35处对呼气的气体采样。系统30’可以包括连接111到室110的分析器112，该分析器112分析混合室110的内容。分析器可以是实时氧/CO2分析器。术语“实时”意味着可以在约1秒或者更少时间内实现分析，通常上基本上与在室110或者阀35处的测量或者读取并行。分析器112可以提供用于VO2评估/确定的数据。分析器112可以驻留于MR控制室中、但是也可以与控制室远离驻留或者甚至在磁体室中（具有恰当屏蔽）。

在一些实施例中，可以确定或者使用用于PFx/O2和房间空气的时间常数τ以校准信号强度和/或帮助限定用于为“气体俘获”评价获得图像数据的所需时间。可以对’’V吸气和V呼气的体积“V”和/或含量采样。可以基于N2/PFx在不同浓度的插值（采样的O₂、采样的CO₂）建立V房间空气和V PFx。例如对于21% O₂和79% PFx的输入，可以分析在患者下游的室110中或者在阀35处采样的输出气体。在采样中，可以有O₂和CO₂、N₂和H₂O。可以在干燥器37中捕获（在多次呼吸内称重）H₂O。随着PFx混合物的顺序呼吸，输出气体是79% PFx（由于水中的极低溶解度）、氧（~14%）、CO₂和水。对于在干燥系统37中“俘获”的水，有可能用采样系统知道输入气体混合物（分析的凭证）和输出气体混合物两者的组成，使得可以确定全局氧交换。这一数据可以在19F肺图像的区域分析中充当限定因子。

图3图示了递送系统30的另一实施例和/或可以与这里描述或者图示的递送系统中的任何递送系统一起使用的其他或者替代特征。

系统30可以包括用于辅助气体30g的无源递送的单个柔性袋、诸如道格拉斯带55。袋55可以包括温度传感器55t，并且系统30可以包括用于在向受检者/患者递送之前确认氧水平在所需水平的相同或者不同类型的多个氧传感器40。

系统30也可以可选地包括天平或者其他称重设备133，该天平或者其他称重设备133可以与电子监视器42通信以如果供应在某一量以下、例如当少于5升剩余时或者当在与气体混合物的低水平对应的某一重量以下时则向用户报警。监视器42可以是与氧监视器相同的监视器或者可以是分离的监视器。

预先混合的气体30g的加压罐30c可以保持于便携绝缘壳中。壳可以包括绝缘体，该绝缘体可以帮助在运输和/或存储期间将罐保持于10℃/50℉以上。壳可以包括与板上热/冷源通信以便温度控制的温度计或者其他温度传感器。壳可以保持单个罐30c或者多个罐。罐30c可以保持单个患者药丸供应或者多份患者药丸数量。适当单份患者大丸剂供应的示例包括约1-100升、通常约10-25升。电子监视器36m在使用时可以驻留于壳以内或者壳以外。代替直接在壳中的罐上或者除了在每个罐30c上的个别传感器36之外，温度传感器36可以放置于壳以内。单个监视器36m可以监视用于壳中的相应罐的所有温度传感器的温度。壳可以可选地包括天平或者其他称重设备，该天平或者其他称重设备可以与电子监视器通信以如果供应在某一量以下、例如当少于 “完全”重量的约10%剩余时则向用户报警。替代地，在35处采样的压力传感器也可以在55处检测空递送袋。壳中的每个罐30c可以与这样的天平通信，或者壳中的单个“配发”位置可以包括天平，并且罐30c在活跃使用时可以放置于这一位置用于容量/水平感测，使得过程期间的气体混合物30g的递送不被无意的“空”气体源破坏。

图4A图示了接口/网关50也可以包括如图4A中所示功率供应和两个操作模式。接口/网关50可以包括如图4A中所示用于阻挡电路50c的安全指示器。肺（也称为“胸部”）线圈可以被配置成“质子阻挡”，从而允许MR扫描仪体线圈用来使受检者的质子图像在¹⁹F图像期间在与受检者基本上相同的位置。因此，质子阻挡的胸部线圈允许体线圈获得补充的基于质子的数据图像（无¹⁹F线圈的干扰），该数据图像可以在单个处理器中组合以提供感兴趣目标区域的更详细诊断评价。阻挡电路可以是无源交叉二极管设计、有源pin二极管设计或者组合设计。阻挡电路的目的在激活时是在1H频率提供高阻抗。阻挡电路功率供应上的指示器包括可用的一般功率（110V）、在1H传输期间可用的阻挡电压（100V反偏或者-100V）和在19F传输期间禁用的阻挡电压（10 V正偏或者+10V）。线圈28和接口/网关50可以与本发明的所有其他实施例一起使用。

图4A也图示了线圈28可以是相对柔性包裹背心或者夹克式线圈，该线圈具有在胸部的前面和后面两者上定位的导体。矩形尺寸可以是约30-40cm乘以约110-140cm以给予可以特别适合于多数成年患者的约38-40cm直径的标称覆盖。

对于3.0T系统，¹H共振标称为123-128MHz，而¹⁹F共振约为115MHz。这些频率相对接近。因此如上文讨论的那样，可以质子阻挡线圈28以在受检者S在扫描仪20M中时允许¹H成像。接口/网关50可以被配置成允许用户人工选择和/或系统20电子地选择¹H成像模式或者¹⁹F成像模式。

在成像会话的至少一部分期间，在递送气体混合物30g之前、之后或者期间，体线圈23可以收集¹H信号而肺线圈28收集¹⁹F信号、因此允许与¹⁹F成像基本上并行、大体上同时的¹H成像。也设想双频阵列线圈可以用来并行获得两个不同频率的图像数据信号。

系统20可以被配置成在单个成像会话期间在¹H和¹⁹F共振两者处传输和接收激励脉冲并且使用体线圈23和肺线圈28来获取图像数据信号。为了评价“洗入”、“洗出”或者其他换气信息，¹⁹F成像可以在患者呼吸房间空气时在气体混合物30递送之前、期间和/或之后继续多个呼吸周期。对于从肺中的气体混合物饱和起的“洗出”周期，只要有可检测的¹⁹F信号就可以实现洗出周期，这被认为在持续时间中在约2-10个呼吸周期之间。在肺空间/组织中用¹⁹F的空气呼吸吸气成像可以允许区域和时间两种方式的气体俘获评价。在图22中示出了这样的图像的示例。

系统10可以被配置成生成肺和肺空间/气道的电影图像。可以按照呼吸周期门控电影图像。门控成像技术是已知的。例如参见如同完全详述于此一样通过引用将内容结合于此的美国专利申请公开号2008/0132778。

如图4B中所示，系统10可以包括自动化循环系统，该循环系统电子地控制气体递送系统30，例如使用位置与患者邻近定位的阀30v₁关闭流动路径33f并且使用驻留于空气入口与面罩或者吹口30d之间的阀30v₂来打开气流路径33a以允许患者在成像会话的一部分期间呼吸空气。通常，患者将用¹H MRI Tx/Rx操作呼吸正常房间空气持续第一个1-5分钟。患者然后将改变成空气混合物30g持续1-10分钟、然后切换回到房间空气，在该时间期间可以获得¹⁹F信号。系统10然后可以关闭气流路径33a并且打开气流路径33f以递送PFx气体混合物30g。配发构件（例如面罩、鼻输入或者吹口）也可以与（单向和/或“Y”）阀55关联，该阀55将呼出的房间空气或者气体混合物引向下游容器、诸如袋，该袋可以是道格拉斯袋56（图2A、2B）。

如图所示，网关/接口50可以包括呼吸控制电路50R，该电路50R在成像会话期间电子地控制阀30v₁、30v₂的打开和关闭。然而阀也可以或者替代地允许人工操作。然而空气到气体混合物控制电路50R可以是不同设备中的分离电路并且例如可以对接到扫描仪20或者专用工作站。

在MRI期间使用医疗级惰性PFx气体和氧气混合物作为成像药剂可以提供区域换气信息。PFx气体异常快地达到相对高的热极化，与大的¹⁹F MR信号耦合的该热极化允许以与超极化¹²⁹Xe MRI的质量相似的质量、但是在更低成本并且以减少的技术复杂度对换气成像。可以用这些混合物确定附加参数、诸如‘气体俘获’、‘洗入’和‘洗出’时间/计量曲线以及换气缺陷严重度。可以根据与吸气邻近获得并且与吸气后>2秒的图像比较的图像间接确定氧提取。

扫描仪20可以被配置成运用适当MRI脉冲序列，这些MRI脉冲序列例如包括在2D和3D模式中的两个或者任一模式中的梯度回波序列，诸如针对很快成像而修改的GRE（梯度再调用回波）序列和GRE VIBE（体积差值屏气检查）序列。这些脉冲序列两者允许生理门控和标准成像模式，这些模式允许区域换气的洗出测量。目前设想的成像方法无额外背景信号，因此允许将非选择性激励和在约1500Hz/像素的高像素带宽（BW）（适合于SF6）和约200Hz/像素的更低BW在约500微秒（μs）这一级的极短回波时间（TE）与用于PFP的约0.8-1.2毫秒（ms）的TE（因为对于这一药剂而言T2和T2*更长）一起使用。可以在几秒内对3D图像（5mm平面内分辨率和15mm切片）采样，这允许完全3D体积重建。体素尺寸可以是任何适当体积、但是通常为5mm平面内和10-20mm切片。然而也设想将来将开发替代或者优化的脉冲序列用于与PFx气体混合物一起使用。

可以生成脉冲序列以使用适当翻转角度来获得目标气体的信号数据。图5A-5C图示了针对TR=10ms和TE=1ms（TR指代重复时间并且TE指代回波时间）的信号绘图（信号比对翻转角度）的示例。对于肺薄壁组织（parenchyma）（图5A），T1约为1200ms并且T2*约为1.8ms。如图5B中所示，对于SF6，T1=2ms并且T2*=1ms。如图5C中所示，对于PFP，T1=20ms并且T2*=10ms。T1是与气体极化寿命对应的衰变时间常数（T1），并且T2*是横向张弛时间。

图6图示了可以用来实现本发明的实施例所设想的防范的示例性操作。向患者送服/递送全氟气体和氧气混合物（块100）。可选地，递送是气体混合物在图像数据获取期间的自由呼吸递送（块105）（注意步骤105可以是屏气、自由呼吸或者步调式呼吸，其中可以随着用于受检者的视觉或者听觉（音调）实现步调以与他们的呼吸型式匹配）。在递送步骤期间和/或之后获得患者的肺和/或肺气道的MR图像数据（块110）。使用获得的MR图像数据来生成以下各项中的至少一项：（a）；肺换气的电影MRI图像；（b）肺换气的门控动态MRI图像；以及（c）色编码静态图像，这些图像示出了在至少一个呼吸周期的至少一部分内的区域换气信息；（d）至少一个换气功能指数（该指数可以包括用于右肺和左肺中的每个肺的至少一个不同指数或者除了全局常规FEV测量之外的用于更多部位特定信息的其他分隔测量）；（e）基于MRI PFx（强度）图像数据的区域百分比缺陷评估（该评估也可以用于右肺和左肺中的每个肺）；以及（f）使用呼吸速度测定计数据以及MRI肺1H和19F图像的叠加绘图（块120）。系统也可以被配置成使用用于MRI图像的氧和PFx气体两者来显示或者提供FEV1测量。设想如果提供常规FEV1测量作为“基线”或者参考信息，则肺脏学家可能够能够更好地解释新数据（至少在起初临床实施新技术以促进临床接受和理解换气缺陷的新测量时）。

在一些实施例中，生成步骤生成肺功能/换气的3D电影（通常包括基于PFx和O2气体混合物的自由呼吸收集的图像数据）（块124）。可以按照呼吸周期门控并且使用信号平均在多个呼吸周期内获得电影图像。

可选地，方法也可以包括以下步骤：在递送和/或获得步骤期间监视气体混合物和/或患者的氧水平（块107）。

可选地但是通常在单个成像会话期间在PFx图像之前或者之后获得患者的空气呼吸¹H MR图像（块112）。可以执行这一点以包括“洗入”和“洗出时段”，这些时段可以提供气体俘获或者其他换气缺陷信息。例如参见图15-19、图22和图23。可选地，用换气和/或灌注的色编码映射显示肺换气信息，该映射具有基于获得的MRI数据以至少一种视觉主导方式诸如颜色、强度和/或不透明度中指示异常、缺陷或者缺点（块114）。

可选地，显示肺和/或肺气道的可视化，使得可视化包括来自使用¹H图像数据的空气呼吸和使用¹⁹F MR图像数据的PFx气体呼吸两者的图像数据（块122）。

静态和/或动态换气图像可以基于在单个成像时段期间并行获得的配准¹H图像数据和¹⁹F图像数据的融合图像。

系统可以包括气流路径（吸气侧和呼气侧）中的呼吸速度测定计，这些呼吸速度测定计可以用来获得用于门控MR图像获取的气流数据（块125）。系统/方法可以被配置成在患者在MR扫描仪中时在成像会话期间使用呼气气流路径中的收集室上的传感器来自动取得VO2测量（块126）。

在一些实施例中，可以比较基线换气图像与在用治疗药剂治疗期间或者之后获得的换气图像以分析对肺功能的影响。电子比较可以基于空间相关成像数据的强度差值或者肺的气体俘获功能改变等。

一般而言，在一些实施例中，患者定位于MRI扫描仪磁体20M的孔中并且暴露于磁场。如本领域技术人员众所周知的那样，MRI扫描仪20通常包括超导磁体20M、梯度线圈（具有关联功率供应）、体和/或表面线圈（传输/接收RF线圈）以及用于生成在预定频率生成RF脉冲集合的RF放大器。以限定的脉冲序列和（一个或多个）翻转角度向患者传输（一个或多个）RF脉冲以激励核靶（target nuclei）。体23和表面（肺）线圈28中的每个被调谐至不同所选频率范围以传输激励脉冲并且接收MRI单元生成的响应于TX脉冲序列的信号。

患者向肺部区域（即肺和气管）中吸入一定量的PFx/O2气体混合物。在吸气之后，患者可以屏住他的或者她的呼吸持续预定时间、诸如5-20秒。这可以描述为“屏气”递送。然而在其他实施例中，患者可以在图像会话和信号获取期间自由吸入PFx/O2气体混合物。

在吸入适当量的气体混合物期间或者之后不久，MRI扫描仪通常以大翻转角度（诸如例如用于PFP的约40度的翻转角度和5ms的TR）递送所需脉冲序列。如这里所用，术语“翻转角度”指代大于约30度并且上至90度的翻转角度。

患者然后可以从房间自由呼吸空气，并且在附加呼吸周期期间获得附加¹⁹F信号。可以评价信号的耗散或者俘获以评价换气的区域或者全局测量。

图15图示了可以沿着时间线实现的用于使用1H和19F MRI来获得不同MRI信号数据的一系列步骤。如图所示，可以向MR扫描仪加载（例如激活或者选择以运行）1H和19F协议（线圈、脉冲序列、门控等）（块200）。智能轨迹和区域生长算法可以用来使用1H MRI来勾勒一个或者多个肺腔（块210）。区域生长算法可以用来使用19F MRI来限定（一个或多个）空气空间（块220）。在右侧边际从时间t=0开始示例时间过程，该时间t=0被设置成匹配PFx/O₂气体的递送与时间N，该时间N是在PFx气体/O2混合物停止和空气吸入（在时间t=2示出这一点）之后的几个呼吸周期。在时间序列期间，可以获得MRI图像数据。在时间t=0至t=2，在PFx气体的“洗入”时段到均衡或者饱和时段（t=2）期间，获得图像数据（包括图像和/或电影图像）。可以使用先前限定的肺腔轮廓和空气空间区域。图像数据可以用来通过从肺腔减去肺空间来示出换气缺陷（块225、227、229）。可以关停PFx气体/O2混合物，并且患者可以吸入空气（t=3）。可以在“洗出”时段时间t=3至t=n期间获得图像数据。可以基于肺空气空间图像限定俘获的气体体积（块231、233）。

图16是使用1H和19F（配准）MRI图像数据的基于区域的图像分析的示意图示。如图所示，获得两个图像数据集：一个为1H MRI数据集250₁并且一个为19F MRI数据集250₂。例如使用3D规范化相互信息配准（coregistration）来对准两个图像集（块255）。可以电子存储这一矩阵用于将来使用。可以使用1H MRI数据集250₁来创建肺掩模，可以使用区域生长和LiveWire或者其他适当算法来创建掩模（块252）。{在诸多文本中、例如在“Handbook of Medical Imaging: Processing and Analysis”, Isaac N Bankman, Ed., Academic Press, 2000中描述这样的算法的示例}可以过滤（例如加权级别）并且可选地膨胀掩模（块254）。这些掩模可以应用于配准的19F图像255R（例如NMI配准的19F图像数据）。可以使用应用的掩模从19F MRI图像数据提取摘要参数（块260）。可以按照体积和/或切片提取摘要参数，这些参数例如包括像素强度、像素计数、直方图、摘要统计、2D形状因子等。术语“摘要统计”例如包括均值、方差、范围等，并且术语“2D形状因子”例如包括质心、像素加权质心等。

图17A和17B是为一个体积和多个切片生成的摘要参数数据的表。针对图17的换气缺陷分数（或者“指数”）为39，而针对17B的换气缺陷分数（或者“指数”）为116。可以通过计算每个切片中的质心以及每个切片中的图像像素强度加权质心来确定换气缺陷分数。通过将这些参数的差值（x和y位置）求和，可以获得体积移位分数。例如，如果图像在强度上均匀，则换气缺陷分数（“VDS”）将为零。VDS的更大值给出非均匀图像强度的单个全局指数。

图18图示了使用如下数据的区域分析，该数据来自PFx气体随时间的¹⁹F PFx信号“S”的图形。在限定的时间（t=x），可以基于限定的范围或者阈值的值标识换气缺陷。这一缺陷可以基于在限定时间的值（或者值范围）和/或可以包括在相应线的曲线之下的斜率或者面积。如图所示，从t=0至t=x的基本上平坦线可以指示主要换气缺陷（表示为100%），而在时间t=x具有更大值的较高线指示无换气缺陷。中间线指示表示为50%换气缺陷的功能减少。在实践中，时间可以并入时间数据数组的数百秒图像获取（例如，图22），并且换气缺陷可以基于如下区域来分级，这些区域示出了渐近局部信号最大值（无换气缺陷）。

图19图示了可以向在本地工作站或者远程站的临床医生提供的叠加绘图或者输出显示的示例。该显示包括使用至少一个呼吸速度测定计的患者302的气流数据的时间线，该气流数据具有在记录期间的对应时间（在空气和PFx气体吸入两者时）取得的MRI图像的叠加，这些图像包括图像305、310、320、325、330中的一个或者多个图像。图像可以是在气流数据上示出的缩略图图像或者可以在相邻长方照片或者窗口中提供图像。与示出叠加绘图300的显示器关联的UI可以被配置成允许用户选择一个图像以在叠加上或者在分离窗口中放大它以便于查看。

从校准的呼吸速度测定计34直接确定空气流速，并且通过关于时间气流整合空气来确定体积。在实践中，在数字化数据时，应用梯形规则。

例如，如图所示，可以在气流时间线反映的屏气期间的时间邻近示出吸气和呼气屏气正常空气1H图像。吸气图像可以在呼气图像之前或者之后。可以调整MRI频率并且可以如文本参考315（但是也可以或者替代地使用箭头、不同颜色或者其他标记）所示在叠加300上标记MRI频率。可以在顺序或者非顺序屏气（图22示出了8个顺序屏气）内获得320、325并且在叠加绘图300上示出吸气和呼气屏气19F MRI图像。可以获得在自由呼吸PFx气体/O₂混合物期间的MR图像330的电影放映并且也经由如在叠加绘图300上示出的显示器上的缩略图和/或查看长方照片或者窗口来示出或者可访问该该电影放映。

图20A和20B图示了用于两个不同患者的右肺和左肺中的每个肺的像素计数比对PFx像素强度的相应图形。尽管每个患者的PEV1几乎完全相同，但是左侧的一个是针对68岁人的0.62的FEV1，而在右侧上的一个是针对54岁人的0.61，直方图换气缺陷分析示出了大的缺陷差值。

某些实施例涉及生成换气缺陷阿尔法数值或者数值指数，该数值或者数值指数可以用来促进临床医生和患者理解或者使用PFx图像数据。指数可以是右肺和左肺特定的，例如用于患者的每个肺的指数诸如R-10（大的右肺换气缺陷）和L-3（左肺中的更少换气缺陷）。

可以基于肺的标准化分隔模型提供指数作为用于每个肺的一系列指数。在图21中示出了肺的分隔模型380的示例。模型可以是基于PFx/O₂气体MRI像素信号的象限或者其他多隔室2D或者3D模型。可以使用像素强度数据来评价和/或填充模型的每个隔室并且向每个隔室分配在标度上提供的指数，该标度代表低或者无换气缺陷到主要或者全部换气缺陷。标度可以从低变高或者从高变低。例如模型可以具有在1-20个之间的隔室，并且患者可以具有关联数量的测量，例如对于十二个隔室，每个隔室可以具有限定的关联标识符、诸如R1-R12（右肺）和L1-L12（左肺），而每个隔室具有换气缺陷的例如从0-10或者0-100等的关联测量。可以在可视“虚拟”肺模型中提供这一相同数据或者作为数据集用于临床医生使用。设想换气缺陷的更区域化定量评估可以帮助相对于目前所用FEV1测量来处理或者跟踪疾病进展。一个或多个指数可以与常规FEV1测量一起提供以促进临床医生接受或者使用（并且允许临床医生有可以在对治疗动作过程做出决策时有帮助的一些历史评价信息）。

可以提供指数为指示每个限定的区域中的缺陷等级的集成指数（例如字母数字或者数值）或者为全局肺指数（通常每个肺至少一个）。可以提供指数为换气缺陷指数映射，该映射示出了肺的空间分布（按像素）。分布可以基于在均衡和/或洗入和/或洗出处与19F关联的直方图数据或者其他图像信号数据。

本发明的实施例可以采用全软件实施例或者（更可能采用）组合软件与硬件方面的实施例的形式，这里将所有实施例通称为“电路”或者“模块”。另外，本发明可以采用计算机可用存储介质上的计算机程序产品的形式，该介质具有包含于介质中的计算机可用程序代码。可以利用任何适当计算机可读介质，该介质包括硬盘、CD-ROM、光学存储设备、传输介质，诸如支持因特网或者内部网的传输介质，或者磁存储设备。可以用汇编语言或者甚至微代码编写一些电路、模块或者例程以增强性能和/或存储器使用。还将理解也可以使用分立硬件部件、一个或者多个专用集成电路（ASIC）或者编程的数字信号处理器或者微控制器来实施程序模块中的任何或者所有程序模块的功能。本发明的实施例不限于特定编程语言。

可以以面向对象编程语言诸如Java®、Smalltalk或者C++编写用于实现本发明的操作的计算机程序代码。然而，也可以以常规过程编程语言诸如“C”编程语言编写用于实现本发明的操作的计算机程序代码。程序代码可以完全在用户的计算机上执行、部分在用户的计算机上执行、作为独立软件包执行、部分在用户的计算机上并且部分在另一计算机上执行、在本地和/或远程或者完全在另一本地或者远程计算机上执行。在后一种情况下，另一本地或者远程计算机可以通过局域网（LAN）或者广域网（WAN）连接到用户的计算机，或者可以与外部计算机进行连接（例如使用因特网服务提供商通过因特网）。

这里部分地参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）和计算机程序产品的流程图图示和/或框图描述本发明。将理解流程图图示和/或框图的每块以及在流程图图示和/或框图中的块的组合可以由计算机程序指令实施。可以向通用计算机、专用计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器提供这些计算机程序指令以产生机器，使得经由计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令创建用于实施在流程图和/或框图的一个或者多个块中指定的功能/动作的装置。

这些计算机程序指令也可以存储于计算机可读存储器中，该计算机可读存储器可以指引计算机或者其他可编程数据处理设备以特定方式运转，使得存储于计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制品，该指令装置实施在流程图和/或框图的一个或者多个块中指定的功能/动作。

计算机程序指令也可以加载到计算机或者其他可编程数据处理设备上以使一系列操作步骤在计算机或者其他可编程设备上执行以产生计算机实施的过程，使得在计算机或者其他可编程设备上执行的指令提供用于实施在流程图和/或框图的一个或者多个块中指定的功能/动作中的一些或者所有功能/动作的步骤。

这里的图中的某些图的流程图和框图图示了本发明实施例的可能实施的示例性架构、功能和操作。就这一点而言，在流程图或者框图中的每块代表模块、段或者代码部分，该模块、段或者代码部分包括用于实施指定的（一个或多个）逻辑功能的一个或者多个可执行指令。也应当注意在一些替代实施中，在框中指出的功能可以不按图中指出的顺序出现。例如根据涉及到的功能，事实上可以基本上并行执行接连示出的两个块或者有时可以逆序执行块或者可以组合两个或者更多块。

图7是可以与系统10一起使用的电路或者数据处理系统190的示意图示。电路和/或数据处理系统190的数据处理系统可以并入于任何适当的一个或多个设备中的数字信号处理器中。如图7中所示，处理器410经由地址/数据总线448与MRI扫描仪20并且与存储器414通信。处理器410可以是任何商业可用或者定制微处理器。MRI扫描仪20和/或处理器410可以与图像分析电路199和/或呼吸门控接口电路50C通信。存储器414代表存储器设备的总分级，这些存储器设备包含用来实施数据处理系统的功能的软件和数据。存储器414可以包括但不限于以下类型的设备：高速缓存、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、闪存、SRAM和DRAM。

图7图示存储器414可以包括在数据处理系统中使用的若干类别的软件和数据：操作系统449；应用程序454；输入/输出（I/O）设备驱动器458；以及数据455。数据455可以包括患者特定图像数据。图7也图示了应用程序454可以包括PFx图像模式数据收集模块450、1H图像模式数据收集模块452以及电影和/或区域换气信息图像数据或者分析模块453。

如本领域技术人员将理解的那样，操作系统449可以是适合于与数据处理系统一起使用的任何操作系统、诸如来自International Business Machines Corporation, Armonk, NY的OS/2、AIX、DOS、OS/390或者System390、来自Microsoft Corporation, Redmond, WA的Windows CE、Windows NT、Windows95、Windows98、Windows2000、WindowsXP或者其他Windows版本、Unix或者Linux或者FreeBSD、来自Palm, Inc.的Palm OS、来自Apple Computer的Mac OS、LabView或者专有操作系统。I/O设备驱动器458通常包括应用程序454通过操作系统449访问的软件例程以与诸如（一个或多个）I/O数据端口、数据储存455和某些存储器414的部件的设备通信。应用程序454举例说明实施数据处理系统的各种特征的程序并且可以包括支持根据本发明实施例的操作的至少一个应用。最后，数据455代表应用程序454、操作系统449、I/O设备驱动器458和可以驻留于存储器414中的其他软件程序使用的静态和动态数据。

尽管例如参照模块450、452、453是图7中的应用程序来图示本发明，但是如本领域技术人员将理解的那样，也可以利用其他配置而仍然受益于本发明的教导。例如模块450、452、453和/或也可以并入于操作系统449、I/O设备驱动器458或者数据处理系统的其他这样的逻辑划分中。因此，本发明不应解释为限于图7的配置，该配置旨在于涵盖能够实现这里描述的操作的任何配置。另外，模块、即模块450、452、453中的一个或者多个模块可以与其他部件诸如MRI扫描仪20、接口/网关50、图像分析电路199和/或工作站60通信或者全部或者部分并入于这些其他部件中。

I/O数据端口可以用来在数据处理系统、工作站、MRI扫描仪、接口/网关50、图像分析电路199和/或另一计算机系统或者网络（例如因特网）之间或者向处理器控制的其他设备或者电路传送信息。这些部件可以是常规部件，诸如在许多常规数据处理系统中使用的部件，这些部件可以根据本发明被配置成如这里描述的那样操作。

¹⁹F图像数据可以用来评价或者评估肺部生理和/或功能。图像数据可以评估与疾病状态或者疾患和其他源诸如例如用来治疗癌症或者其他疾患的药物以及化学暴露（诸如摄取/吸入毒药或者气体）、环境暴露、虫咬、蛇毒、动物咬伤、病毒、医疗人员（staff）、细菌感染以及由于其他疾病状态、感染或者或者否则、老化、外伤等所致的肺部状态关联和/或由于它们而产生的损伤。

本发明的实施例可以生成用于评估、评价、诊断或者监视以下一项或者多项的数据：对移植的潜在生物反应，移植诸如肺移植排异、环境肺病症、肺炎/纤维变形、肺部高血压、肺部炎症（诸如质性和/或肺泡状炎症）、间质性肺疾病或者病症、有或者无牙槽出血的肺部和/或肺泡状水肿、肺栓塞、药物诱发的肺部病症、扩散肺病症、慢性阻塞性肺部疾病、肺气肿、哮喘、肺尘症、肺结核、胸膜增厚、胞囊纤维变性、气胸、非心原性肺部水肿、急性血管神经性水肿、血管性水肿、I型泡状上皮细胞坏死、透明膜形成、扩散泡状损伤（诸如非典型II 型肺细胞增生、间质性纤维变性、间质性和/或泡状浸润）、泡状隔水肿、慢性肺炎/纤维变性、支气管痉挛、闭塞性支气管扩张、泡状出血、吸入性肺炎、高换气呼吸衰竭、泡炎/纤维变性综合症、全身性红斑狼疮、慢性嗜酸性粒细胞肺炎、急性呼吸呼吸损坏综合症等。

肺可以是本发明的实施例可以评价的药物毒性的靶标。例如已知包括化学治疗药物、镇静剂药物、抗微生物药剂、心脏药物和抗惊厥药的许多药物可能引起包括肺中毒的肺损伤，该肺损伤可能是渐进的并且导致呼吸衰竭。参见Diffuse Lung Disorders: A Comprehensive Clinical-Radiological Overview, Ch. 19, Drug-Induced Pulmonary Disorders, (Springer- Verlag London Ltd, 1999)，如同完全详述于此一样通过引用将其的内容结合于此。根据本发明的实施例可能能够评价的药物诱发的肺病症的示例包括但不限于：肺炎/纤维变性、间质性肺疾病、间质性或者肺部蜂巢化和/或纤维变性、超敏性肺疾病、非心原性肺部水肿、系统性红斑狼疮、闭塞性细支气管炎、肺部-肾脏综合症、支气管痉挛、泡状肺换气不足、癌症化学治疗诱发的肺疾病、肺部节结、急性胸痛综合症、肺部浸润、胸膜渗出和间质性浸润、血管性水肿、细胞异型性、弥漫性网状或网状结节浸润、双侧间质性浸润、减少的扩散容量、有泡状上皮增生和纤维变性和/或异型性的肝细胞性损坏、早期发作肺部纤维变性、晚发肺部纤维变性、亚急性间质性肺疾病。

已知上述疾患中的一些疾患因具体药物出现，药物诸如丝裂霉素和博来霉素，并且在本发明的某些实施例中，PFX气体混合物可以用来评价正在用潜在问题药物治疗的患者以允许如果肺表现药物诱发的病症则更早干预或者替代治疗。

在一些情形中，患者可能在用治疗药剂的治疗早期开始时或者在某些环境中经历肺损伤的发病。然而可以延迟损伤的表现。在某些情形中，症状可能随着迅速恶化而急性存在。在任一情况下，更早标识问题可以允许更早干预。

下文讨论非限制性示例。

示例1

屏气成像

图8和图9图示了使用PFx/氧混合物的MRI获得的健康60岁男性的3D活体内人类肺图像。认为这一成像方法具有成为一种‘游戏-改变（game-changing）’方式的潜力，该方式用于对区域人类肺换气的评价和理解以及对在肺疾病的治疗中涉及到的医药品的功效评价。图8是使用PFP的单次屏气获得的图像的长方照片。图8示出了¹⁹F PFx图像的3D切片分区（扫描时间15秒）。注意图8的顶部帧中的气体混合物递送管中的信号。设想可以使用这一信号数据作为用于PFx信号的外部校准标准。

图9是三个图像集的长方照片而中心集是与PFx图像（表示为极右侧上的图像集）配准的¹H图像（在极左图像集上表示为“基础”图像）的3D融合。左长方照片是¹H（基础）图像，右图像是PFx（匹配）图像，并且中心图像是¹H和PFx的3D融合图像（通常色编码示出）。顶行图像对应于横向切片。中心行图像对应于冠状切片，并且底行图像对应于纵向切片。图8和图9中所示图像是使用PFP的3D屏气图像。与在主动质子阻挡肺线圈时用肺线圈获得的¹⁹F信号并行地用体线圈获得图9中所示配准的¹H图像。

在单次15秒屏气中利用15ms的TR、1.2ms的TE（非选择性激励）、200 Hz的像素带宽、64x64 pts、FOV=35cm和15mm的冠状切片厚度、使用3D梯度再聚焦回波（GRE）VIBE技术来获得PFP图像。体素体积为0.78cm³而标称SNR为15：1。对这样的药剂成像的一个特征是缺乏体外（extraneous）背景信号，从而允许使用非选择性激励。用指尖脉冲血氧计（In Vivo MVS 3155）在过程期间连续针对氧饱和度来监视受检者。

常规15秒屏气研究通常表现脉冲血氧测量法（SaO2）的氧饱和度的少量下降。在呼吸PFx/O2混合物时在屏气成像期间观测到约1-2%的相似下降。认为就如同具有更长T1（和更长T2*）的PFP的药剂而言，很快成像可以受益于翻转角度优化（例如在约为5ms的TR，最优翻转角度可以约为40度）。

可以针对像素带宽平衡NEX（激励的数量）以针对不同呼吸型式、自由呼吸和/或短比对长屏气、FEV类型手法（manuvers）等优化SNR。

设想源于在PFx气体药剂上的自旋旋转张弛为主导并且从传入气体递送系统获得信号的能力的最优张弛条件，本发明的实施例可以允许肺换气的更定量分析和显示。

示例2

肺功能的MRI电影图像

可以生成呼吸肺的电影图像为“呼吸的影片”，该影片示出了在肺空气空间在呼吸周期（包括吸气到呼气）期间或者在FEV1手法期间填充和排空时的肺空气空间以可视化或者示出气体到达或者停留于何处和/或换气缺陷。可以在多个呼吸周期内获得图像数据并且可以配准对应图像（例如图像切片）从而图示在呼吸周期期间的解剖改变和换气数据。

电影图像可以是门控的电影图像。也就是说，可以监视呼吸波形并且将图像数据配准（门控）到在其间获得图像数据的周期的部分。典型呼吸周期（吸气到呼气）约为2-5秒长。可以取得若干图像，每个图像在小于一秒中，并且将若干图像在时间上配准或匹配到呼吸周期的关联部分。可以随时间获得图像数据并且使用该图像数据填充k空间（同步到呼吸周期）。可以平均信号数据以在呼吸周期内改进SNR或者跟踪换气信息。

在本上下文中，‘门控’取为意味着用于检测和跟随呼吸周期的多种策略的任何策略。一个示例将是粘附到受检者的胸部和/或腹部周围并且还与某一形式的压力或者运动换能器通信的若干类型的呼吸风箱（bellow）中的任何风箱，该压力或者运动换能器允许MRI系统监视呼吸周期，使得图像获取可以与受检者的呼吸同步。在另一实施例中，可以用光学或者其他手段监视呼吸周期以检测胸壁或者腹部运动。在另一实施例中，来自MRI数据的所谓‘导航器’信号可以用来跟踪呼吸周期。在所有情况下，这样的信号将对接到MRI系统用于同步MRI获取与受检者的呼吸周期。这一同步可以采用在呼吸周期的一部分中获取完整MRI获取和/或在呼吸周期的分段内对MIR获取分段并且在重建MRI图像期间‘再组合’它们的形式。这一最后方式的一个实施例是用于‘电影’型成像的基础。

示例3

自由呼吸扫描

可以在自由呼吸递送中获得人类肺和气道的¹⁹F气体（和¹H）图像以提取区域肺换气信息。可以实现这一成像，使得近实时示出或者标识换气缺陷。诸如当用于呼吸/门控成像的呼吸周期时间可能是疾病依赖的时，特定疾病状态可以使PFx药剂之一比另一药剂优选。

PFx气体药剂将在换气动态性有可能近实时成像时允许很快成像。

可以实现图像信号获取以用自由呼吸策略提供门控/临床图像。也可以使用其他基于周期的图像生成技术，诸如例如具有PFx/O2气体混合物和房间空气的被动“自由呼吸”递送的螺旋以及推进器以提供肺运动的动态可视化或者电影（这些可视化或者电影可以包括用于呼吸周期的吸气和呼气部分的换气信息/数据）。

示例4

¹⁹F和¹H MRI的全局和区域换气评价

设想可以以包括螺旋图像分析和/或在直方图（局部或者全局）的若干方式实现全局和/或区域评价。成像会话可以被描述为具有“早期”、“均衡阶段”、“房间空气”阶段和在使用时的“FEV1”手法阶段。

“早期”与前几个呼吸关联或者在递送PFx/O2气体混合物期间（对于自由呼吸）或者之后（对于屏气）的“屏气”信号获取的时间上早期部分期间。“均衡阶段”在早期之后。可以在患者在扫描仪床上的仰卧位置时实现FEV1手法。信号获取可以在手法期间或者在聚焦式呼气手法结束时。“房间空气”阶段与在患者摄入房间空气而不是PFx气体混合物之后的时段关联。信号获取通常出现持续若干呼吸周期直至¹⁹F信号不再可检测。

在每个不同阶段中的一个或者多个不同阶段期间针对两个肺的换气缺陷的总和可以标识全局换气缺陷。在这一实施例中，用于多模态分布的直方图或者‘瓦片’评价可以评价分段的肺中的总信号分布。可以使用肺的分段并且按照分区（重建的切片）来评价区域换气。可以比较均衡图像数据和/或图像与用于区域换气评价的对应早期和/或房间空气图像数据和/或图像。相对于邻近像素/体素值的不同像素/体素值和/或在后续图像‘帧’中的像素/体素强度改变可以在信号数据中标识换气缺陷。

来自房间空气阶段的数据可以用来以区域以及时间方式评价气体俘获。斜率分析或者其他数学询问可以用来标识气体俘获区域的位置和体积。

图10和图11图示了可以指示换气缺陷（和/或气体俘获）以及关于区域肺功能的其他信息的图像。可以呈现PFx气体图像数据，使得用一种颜色示出并且可以用另一颜色（或者若干颜色）示出解剖结果。图10图示了氢（1H）图像的示例，该图像提供用于功能评估的形态/形态度量（morphmetric）框架。图11图示了在肺中取得并且从肺呼出PFx气体时在呼吸周期期间的一系列色编码PFx图像。这些分段的图像允许计算换气缺陷以及利用时间数据计算气体俘获。而且，由于张弛特性，在用若干升气体的几分钟扫描的事物中生成换气动态性、换气缺陷和“气体俘获”的定量图像应当是可行的。值得注意的是在具有氧的这样的混合物中的这些气体的医疗级目前在每升约7-15美元之间的价格范围中。因此即使多升量用于用作成像造影剂仍然未过分昂贵。

可以对气道空间（例如，肺泡腔）成像，并且可以标识与不同疾病状态、疾患或者生理关联的生物标记。也可以评价用于治疗不同疾患的药物功效（用于急性或者慢性效果）。

示例5

气体俘获和直方图分析

从换气信息的观点来看，应当更易于获得一种测量气体俘获的更直接方法并且应当允许不容易用当前成像策略获得的对气体俘获的时域分析。

应当通过在惰性PFx/O2气体/氧混合物与房间空气之间循环来容易和定量评价气体俘获（例如参见上文关于图4B的讨论）。

设想由于可以在送服PFx气体与房间空气之间循环，所以可以监视PFx信号随时间的损失作为“气体俘获”的测量。不同于具有对溶解的氧的灵敏度并且已经用作氧探测器的一些全氟化合物，SF6和PFP两者具有优势自旋旋转张弛机制并且实质上对分子氧的顺磁效应（三元组接地状态）不敏感。这允许与PFx量成比例的自旋密度成像。这一动作可以用于如上文讨论的换气评价并且用于评价气体俘获。这一方式应当允许评价气体俘获的体积以及气体俘获的时间过程两者。这后一种时间测量可以提供一种即使使用高分辨率CT（HRCT）仍然目前不可用的用于评估气体俘获的新维度。

图12A和12B图示了代表时间评价示例的“泄漏手套”幻像。在这一示例中，在丙烯酸球中膨胀乳胶手套而在手套中有小孔，从而允许手套向球中泄漏PFx。图12和12B（两个示例性时间分离的图像）示出了在球中的两个PFx浓度之间的对照。注意信号强度随着气体从手套向丙烯酸球中泄漏而增加（这类似于在改变成房间空气之后将随着气体俘获而看见的情况）。

图13A和13B图示了来自‘泄漏手套’幻像的一帧的基于强度的两个ROI。具有比区域2更浅的阴影的第一ROI（区域1，更亮ROI）主要在对象的内部上。第二ROI（区域2）主要在包围区域1 ROI的周界上并且具有更暗的阴影。可以诸如用区域生长如图13A和13B中所示那样在空间上分析数据。图13A示出了使用播种方式‘生长’的两个感兴趣区域，而图13B示出了整个‘对象’的区域。

替代地，如图14中所示，可以对对象的强度采样（出现比对强度）。图14是从整个对象提取的强度的vigintile绘图，该绘图清楚地示范两个强度分布。下表1举例说明左图像中的两个ROI和针对整个对象的均值和SD强度以及体积。

表1：球幻像中的信号和手套体积数据

区域	信号均值	信号SD	体积（cc）
				左图像上的区域A ROI（图12A）	353	38	159
左图像上的区域B ROI（图12A）	184	61	185
				整个对象右图像（图12B）	262	98	344

可以在多个呼吸或者呼吸周期内获得图像数据，并且可以配准对应图像（例如图像切片）。

也可以通过使用线性函数评价配准的像素/体素的图像来标识换气缺陷。如果ROI中的配准的像素/体素的强度的斜率基本上为零，则无强度改变并且可以标识气体俘获。替代地，如果斜率为负，则区域可能无气体俘获。

示例6

与区域图像换气数据相关的肺活量计值

可以在患者在仰卧位置时实现MRI时在这一位置收集肺活量测定数据，因为仰卧位置将改变静止功能残留容量体积并且可能影响FEV1/FVC。可以使用MRI兼容便携肺活量测定系统恰在MRI会话之前在MRI套间中进行肺活量计测量。MRI气体混合物的密度将不同于房间中的空气密度。可以用房间空气和气体混合物两者对患者实现肺活量测定法（至少直至可以确定效果调整因子）。

示例7

临床试验

诸如COPD的病症中以及其他肺病理或者状态（诸如胞囊纤维变性和肺移植）中的区域换气问题正在变得越来越重要。New England Journal of Medicine中近来的评述解决了使用FEV1的改变（1秒内的强制呼气体积）作为治疗试验中的终点的问题（Reilly 2008）。评论与UPLIFT（Understanding Potential Long-Term Impacts on Function with Tiotropium）试验（噻托溴铵比对安慰剂）[NCT00144339]（Tashkin, Celli等人，2008）有关。在这一研究中，在相同问题中报导，使用标准呼吸药物（除了吸入的抗胆碱能药物之外）的患者被随机化至他们的利用噻托溴铵或者安慰剂的现有治疗并且被跟随4年时段。尽管使用噻托溴铵的治疗组在4年研究中具有肺功能、QOL（生活质量）的改进以及更少恶化；但是在支气管扩张之前或者之后FEV1中的下降率无明显改变。在称为TORCH（Towards a Revolution in COPD Health）的分离研究中，试验患者被随机化至组合治疗（氟替卡松和沙美特罗）、单独药剂或者安慰剂中的每个[NCT00268216] （Calverley, Anderson等人2007）。跟随TORCH患者持续3年时段，其中主要结果是来自任何原因的死亡。死亡率减少未达到统计有效性，但是有次要结果（例如恶化频率、肺活量测定值）的获益。针对双药剂配备（arm）比对安慰剂的FEV1差值是0.092升（95%CI 0.075 – 0.108，p<0.001），但是用于治疗组和安慰剂组的均值基线FEV1分别是1.24和1.26升，从而产生FEV1的7%差值，差值一般未被视为临床相关。COPD的评述和一个面对的研究中的突出问题是病症的异质性以及目前缺乏一种用于层化/筛选潜在受检者用于治疗研究的良好诊断工具。

本发明的实施例提供的图像数据可以特别适合于诊断患者中的肺疾病或者疾患、在药物发现程序中监视动物、在临床实验中监视患者并且筛选参与者用于临床实验而且评估疗法治疗对肺生理/疾患和疾病的治疗功效。

示例8

评估区域衰竭

在肺移植中，区域衰竭的证据通常伴随有在镇静之下的支气管镜检查以评价移植的未决衰竭。在胞囊纤维变性中，对于使用在镇静之下的支气管镜检查来评价儿童的肺存在相似策略。本发明的实施例可以提供一种使用MRI图像数据的替代、相对简单、非侵入式换气测量。

示例9

直方图

可以使用均值强度体素的至少一个直方图从全氟气体的MRI数据中标识换气缺陷。直方图可以代表感兴趣区域内的体素的百分比比对均值强度或者标识相似强度的体素/像素的簇和/或与“正常”强度的体素/像素具有统计上显著方差的体素/像素的簇。

像素/体素的经由一个或者多个直方图评价的特性可以包括个别像素/体素的强度、颜色、饱和度和/或其他特性以及多个像素/体素的诸如对比度值等相对特性。可以电子地实现评价，并且可以向用户提供评价的结果或者可以提供该结果用于进一步分析。例如可以执行第一（基线）图像和第二图像的比较，并且可以向用户提供平均强度差值作为结果。另外，可以确定并且提供特性的直方图和/或在基线与比较图像之间的特性差值作为结果。此外，可以图案匹配直方图与直方图简档库，这些简档是特定损伤、疾病和/或疾患的特性。例如可以提供确定的结果作为图形用户接口的部分。

示例10

标识用于疾病状态的生物标记

本发明的实施例提供的图像数据可以特别适合于标识诸如COPD的肺疾病的基因型或者评估患者是否具有大和/或小气道疾病。

示例11

肺换气缺陷指数

可以使用肺换气指数例如R-5、L10来生成换气缺陷（和严重度）的肺特定或者更详细的区域测量。肺的标准化间隔模型可以用来限定在每个肺的限定位置种的多个指数，这些指数代表换气缺陷的程度或者测量。

示例12

具有多个MRI肺图像和流数据输出的显示器

工作站可以具有显示器，该显示器可以并行示出多个MRI肺图像，这些图像包括房间空气和/或PFx气体的“屏气”吸气和呼气图像、电影自由呼吸PFx气体F19图像以及洗入和/或洗出PFx F19图像。显示器可以在与呼吸速度测定计数据的图形或者输出对应的时间线中示出图像。

示例13

使用洗入和/或洗出参数的换气缺陷严重度分析

图22示出了在呼吸PFx混合物达到‘均衡’时在顺序屏气期间获得的图像阵列。帧1-5是在切换成房间空气之后的洗入并且帧6-8是洗出。注意，洗入和洗出的动力学不必等同。图23示出了来自图22的感兴趣区域分析的‘洗入’/洗出绘图的示例，该绘图可以指示吸入缺陷（在洗入期间和/或在均衡时）和/或气体俘获（在洗出期间）等。

本发明发现用于兽医和医用应用以及用于药物发现的动物研究等的用途。本发明可以有利地运用于受检者、具体为人类受检者的诊断评价和/或治疗，因为它可以比本领域已知的其他方法（例如放射方法）更安全（更少毒性）。一般而言，本发明方法可以更容易被接受，因为它们可以避免放射或者化学物或者其他药剂的毒性水平。根据本发明的受检者可以是任何动物受检者并且优选为哺乳动物受检者（例如人类、犬科动物、猫科动物、牛科动物、山羊、绵羊、马、啮齿动物、猪和/或兔类动物），并且更优选的是人类受检者。

设想本发明的实施例可以用来标识换气缺陷体积和（一个或多个）位置、换气缺陷严重度、洗入、洗出和/或可以与1H数据相关的换气动态性。

前文是本发明的示范并且将不解释为对本发明的限制。虽然已经描述本发明的几个示例性实施例，但是本领域技术人员将容易理解许多修改在示例性实施例中是可能的而未实质上脱离本发明的新颖教导和优点。因而所有这样的修改旨在于包括于如在权利要求书中限定的本发明的范围中。在权利要求书中，装置加功能的条款旨在于覆盖这里描述为执行记载的功能的结构并且不仅包括结构等同物而且包括等同结构。因此将理解前文是本发明的示范并且将不未解释为限于公开的具体实施例，并且对公开的实施例的修改以及其他实施例旨在于包括于所附权利要求书的范围内。本发明由所以下权利要求书限定而权利要求书的等同物包括于其中。

Claims (33)

1. 一种收集后分析换气评估方法，包括：

使用患者的与全氟气体和氧混合物关联的预先获取的¹⁹F磁共振图像（MRI）信号数据来生成以下的至少一项：

（i）受检者的肺的自由呼吸图像的电影，所述电影图示所述全氟气体在所述受检者的肺空间和肺中的时间和空间分布以提供在至少一个呼吸周期内的换气图像数据；

（ii）用于右肺和左肺中的每个肺的至少一个换气缺陷指数；

（iii）示出肺的空间分布（按像素）的换气缺陷映射；

（iv）向显示器的可视输出，所述输出包括所述受检者的气流数据的时间序列，在所述时间序列中具有与获取时间对准定位的多个MRI图像；

（v）与强制排出体积关联的换气型式；

（vi）与所述气体混合物的洗入和/或洗出关联的至少一个直方图；

（vii）示出像素到像素的强度变化的至少一个区域换气缺陷模型；

（viii）使用洗入和/或洗出¹⁹F MRI信号数据的气体俘获图像；

（ix）向换气洗入和/或洗出的肺模型拟合的图形分析的可视输出，具有描绘功能信息的多个MRI图像；

（x）信号强度图案，基于张弛参数（T1和/或T2）以及局部氧浓度对所述张弛参数的影响来描绘向毛细管血流的气体交换；以及

（xi）与递送的气体混合物的洗入和/或洗出关联的至少一个直方图。

2. 一种获得受检者的肺和/或气道的图像数据的方法，包括：

将受检者定位于与MRI扫描仪的高场磁体关联的磁场中；

向所述受检者的肺空间递送医疗级气体混合物，所述气体混合物包括在约20-79%之间的惰性全氟气体和至少约21%的氧气；

获取与递送的全氟气体和氧混合物关联的¹⁹F磁共振图像（MRI）信号数据；并且

使用获取的信号数据来生成以下的至少一项：

（i）所述受检者的肺的自由呼吸图像的电影，所述电影图示所述全氟气体在所述受检者的肺空间和肺中的时间和空间分布以提供在至少一个呼吸周期内的换气图像数据；

（ii）用于右肺和左肺中的每个肺的至少一个换气缺陷指数；

（iii）示出肺的空间分布（按像素）的换气缺陷指数映射；

（iv）向显示器的可视输出，所述输出包括所述受检者的气流数据的时间序列，在所述时间序列中具有与获取时间对准定位的多个MRI图像；

（v）与强制排出体积关联的换气型式；

（vi）与所述气体混合物的洗入和/或洗出关联的至少一个直方图；

（vii）示出像素到像素的强度变化的至少一个区域换气缺陷模型；

（viii）使用洗入和/或洗出¹⁹F MRI信号数据的气体俘获图像；

（ix）向换气洗入和/或洗出的肺模型拟合的图形分析的可视输出，具有描绘功能信息的多个MRI图像；

（x）信号强度图案，基于张弛参数（T1和/或T2）以及局部氧浓度对所述张弛参数的影响来描绘向毛细管血流的气体交换；以及

（xi）与递送的气体混合物的洗入和/或洗出关联的至少一个直方图。

3. 根据权利要求2所述的方法，其中在多个呼吸周期内经由单个或者多个屏气或者自由呼吸实现递送步骤。

4. 根据权利要求1或者2所述的方法，其中实现生成步骤以生成所述受检者的肺的自由呼吸电影图像，所述电影图像图示所述全氟气体在所述受检者的肺空间和肺中的时间和空间分布以提供在至少一个呼吸周期内的换气图像数据。

5. 根据权利要求1或者2所述的方法，还包括在限定的时间内生成至少一个换气缺陷指数和/或至少一个像素强度图形以标识针对所述受检者的右肺和左肺中的每个肺的换气缺陷。

6. 根据权利要求2所述的方法，还包括：

在所需时间之后终止所述递送步骤；然后

允许所述受检者在保持于所述MRI扫描仪的所述磁场中时呼吸房间空气；然后

在所述患者呼吸房间空气时获取附加的¹⁹F MRI信号数据气体；并且

使用附加获取的MRI信号数据来评价与气体俘获关联的换气数据。

7. 根据权利要求6所述的方法，其中使用获取的¹⁹F信号数据的像素/体素数据的直方图来实现评价步骤。

8. 根据权利要求2所述的方法，还包括使用所述受检者的吸气流动路径中的呼吸速度测定计和呼气流动路径中的呼吸速度测定计获得用来将信号获取门控到所述受检者的呼吸周期的数据。

9. 根据权利要求2所述的方法，还包括在所述受检者驻留于所述MRI扫描仪的磁体的孔内时基本上实时第获得与从所述受检者下游的呼气气流路径收集的气体采样关联的氧和CO₂数据。

10. 根据权利要求1或者2所述的方法，其中所述全氟气体混合物包括在房间温度和压力下处于气态中的医疗级全氟气体。

11. 根据权利要求1或者2所述的方法，还包括生成向显示器的可视输出，所述输出包括所述受检者的气流数据的时间序列，在所述时间序列中具有与获取时间对准定位的多个¹⁹F MRI图像。

12. 根据权利要求1或者2所述的方法，还包括：

获得所述受检者的¹H MRI肺图像的集合；

配准与获取的¹⁹F图像数据关联的¹⁹F MRI肺图像；

使用所述¹H MRI图像来创建肺掩模的集合；

将创建的掩模应用于配准的¹⁹F图像；然后

从所述¹⁹F图像数据提取选择的摘要参数以评估换气缺陷。

13. 根据权利要求2所述的方法，还包括：在定位步骤之后：

指引所述受检者实现递送的气体混合物的强制排出体积（FEV）；

在所述气体混合物的所述强制排出期间和/或之后获取¹⁹F MRI信号数据；并且

基于与所述FEV过程关联的获取的MRI信号数据评价换气型式。

14. 根据权利要求2所述的方法，还包括在时间上与所述定位步骤邻近地在所述受检者在仰卧位置时使所述受检者实现肺活量测定法过程。

15. 根据权利要求1或者2所述的方法，其中实现生成步骤以使用获取的MRI信号数据来生成像素/体素图像强度数据的至少一个直方图以使用所述至少一个直方图的图像强度数据来电子地标识换气缺陷。

16. 根据权利要求2所述的方法，其中所述MRI扫描仪包括体线圈，并且其中获取步骤包括从定位于所述受检者周围的柔性肺线圈获取所述¹⁹F MRI信号数据，所述方法还包括质子阻挡所述肺线圈并且基本上并行地获取¹H和¹⁹F MRI图像信号数据。

17. 根据权利要求2所述的方法，还包括生成具有向呼吸周期配准的图像数据的门控图像，使得在若干呼吸周期内执行获取步骤，并且其中生成的门控电影图像被近实时生成并且用时间和空间分布的换气数据示出所述患者的呼吸肺。

18. 一种MRI系统，包括：

MRI扫描仪，包括具有磁场的磁体和被配置成获得¹H MRI信号数据的体线圈；

肺线圈，被配置成获得¹⁹F MRI信号数据并且在尺寸上设定成而且被配置成与患者邻近驻留；

MRI扫描仪接口，与所述扫描仪和所述肺线圈通信，所述接口包括质子阻挡电路；以及

气体递送系统，包括：

气体混合物源，包括水平在约20-79%之间的全氟气体和水平至少约为20.5%的氧气；

气流路径，与所述气体混合物源连通，包括从所述气体混合物源向自由呼吸配发构件延伸的至少一个导管，所述自由呼吸配发构件在患者驻留于所述磁场内时驻留于所述患者上方、所述患者上面或者所述患者中以向所述患者递送所述气体混合物；以及

至少一个氧传感器，与所述气体混合物通信；

其中，在操作中，所述MRI系统被配置成获得所述患者的肺和关联肺空间的¹H和¹⁹F MRI信号数据并且生成图像，所述图像示出所述全氟气体在肺中的时间和空间分布，其中所述系统被配置成在所述患者实现以下至少一项时获取所述¹⁹F MRI信号数据：（a）在均衡和洗入和/或洗出期间自由呼吸所述气体混合物持续多个呼吸周期、（b）所述气体混合物的单个或者多次个屏气以及（c）所述气体混合物的FEV，

其中所述系统被配置成生成以下的至少一项：

（i）所述受检者的肺的自由呼吸图像的电影，所述电影图示所述全氟气体在所述受检者的肺空间和肺中的时间和空间分布以提供在至少一个呼吸周期内的换气图像数据；

（ii）用于右肺和左肺中的每个肺的至少一个换气缺陷指数；

（iii）示出肺的空间分布（按像素）的换气缺陷指数映射；

（iv）向显示器的可视输出，所述输出包括所述受检者的气流数据的时间序列，在所述时间序列中具有与获取时间对准定位的多个MRI图像；

（v）与强制排出体积关联的换气型式；

（vi）与所述气体混合物的洗入和/或洗出关联的至少一个直方图；

（vii）示出像素到像素的强度变化的至少一个区域换气缺陷模型；

（viii）使用洗入和/或洗出¹⁹F MRI信号数据的气体俘获图像；

（ix）向换气洗入和/或洗出的肺模型拟合的图形分析的可视输出，具有描绘功能信息的多个MRI图像；

（x）信号强度图案，基于张弛参数（T1和/或T2）以及局部氧浓度对所述张弛参数的影响来描绘向毛细管血流的气体交换；以及

（xi）与递送的气体混合物的洗入和/或洗出关联的至少一个直方图。

19. 根据权利要求18所述的系统，其中所述MRI系统被配置成基本上并行获得肺的¹H和¹⁹F MRI信号数据，并且其中所述系统包括：图像分析电路，被配置成电子地终止所述气体递送并且允许所述患者呼吸房间空气持续多个呼吸周期。

20. 根据权利要求18所述的系统，还包括：

显示器，与所述MRI扫描仪通信；以及

呼吸周期门控电路和图像分析电路，与所述MRI扫描仪通信，其中所述MRI系统被配置成使用在多个患者呼吸周期内获取的¹⁹F图像数据来生成具有向呼吸周期配准的图像数据的门控自由呼吸电影图像，并且其中所述显示器被配置成近实时地呈现所述门控电影图像，所述电影图像用与所述¹⁹F图像数据关联的时间和空间分布的换气数据示出所述患者的肺。

21. 根据权利要求20所述的系统，其中所述气流路径包括吸气气流路径和呼气气流路径，所述系统还包括驻留于所述吸气气流路径中的第一呼吸速度测定计和驻留于所述呼气气流路径中的第二呼吸速度测定计，并且其中所述呼吸门控电路被配置成将呼吸速度测定计数据用于呼吸门控输入。

22. 根据权利要求18所述的MRI系统，其中所述系统包括：图像分析电路，被配置成向所述受检者的¹H MRI肺图像的集合配准¹⁹F MRI肺图像、根据所述¹H MRI图像创建肺掩模、将创建的掩模应用于配准的¹⁹F图像、然后从所述¹⁹F图像数据提取摘要参数以评估换气缺陷。

23. 根据权利要求22所述的MRI系统，其中所述摘要参数按照体积和切片来提取并且包括以下参数中的至少一个参数：像素强度、像素计数、直方图、摘要统计和2D形状因子。

24. 根据权利要求18所述的MRI系统，还包括：气体室，与所述气流路径的定位于用于气体捕获的道格拉斯袋上游的呼气部分有流体连通，所述气体室与被配置成基本上实时地分析氧和二氧化碳含量的化学分析器通信。

25. 根据权利要求18所述的MRI系统，还包括与所述MRI扫描仪通信的显示器和图像分析电路，所述图像分析电路被配置成生成与在不同时间点取得的多个MRI图像对准的随时间的患者气流数据的叠加呈现，所述多个MRI图像包括空气的吸气和呼气屏气图像、所述全氟气体混合物的洗入和洗出图像以及自由呼吸全氟的电影MRI图像。

26. 一种用于MRI系统的气体递送系统，包括：

全氟气体和氧气的医疗级气体混合物源；

吹口和/或面罩，驻留于所述气体混合物源的下游，被配置成驻留于所述MRI系统的磁场以内；以及

吸气流动路径，从所述气体混合物源向所述吹口和/或面罩延伸，所述流动路径包括：

第一道格拉斯袋，与所述气体混合物源有流体连通；以及

第一肺活量计过滤器，驻留于所述第一道格拉斯袋下游，其中所述气体递送系统是允许患者“屏气”和自由呼吸所述气体混合物的无源系统。

27. 根据权利要求26所述的气体递送系统，还包括驻留于所述吹口或者面罩下游的封闭式呼气气流路径，所述系统还包括：

单向阀，与所述吹口和/或面罩连通，驻留于所述第一肺活量计过滤器的下游；

第二肺活量计过滤器，在呼气气流路径中驻留于所述吹口和/或面罩的下游；以及

第二道格拉斯袋，具有比所述第一道格拉斯袋大的尺寸，驻留于所述第二肺活量计过滤器的下游。

28. 根据权利要求26所述的气体递送系统，还包括驻留于所述吹口或者面罩的下游的封闭式呼气气流路径，所述系统还包括：

第一呼吸速度测定计，与所述吸气气流路径有流体连通；

第二呼吸速度测定计，与所述呼气气流路径有流体连通；

至少一个呼吸速度测定计记录器，与所述第一和第二呼吸速度测定计通信；

门控电路接口，与所述至少一个记录器通信，被配置成提供MRI呼吸门控输入；

气体室，在道格拉斯气体恢复袋上游的所述呼气气流路径中；以及

气体分析器，与所述气体室通信，被配置成分析所述室中的氧和二氧化碳含量。

29. 一种自由呼吸的¹⁹F MRI图像的电影，用与换气型式关联的全氟气体的时间和空间分布示出呼吸肺。

30. 至少一个右肺换气缺陷指数和至少一个左肺换气缺陷指数，其中基于MRI像素信号强度确定相应的至少一个指数以由此提供肺功能的患者特定测量。

31. 一种区域换气缺陷图形，示出在限定的时间内在受检者的肺中的全氟气体的¹⁹F像素信号强度的右肺和左肺换气而在所述限定的时间的信号强度用来标识针对所述受检者的右肺和左肺中的每个肺的换气缺陷。

32. 一种用于向人类患者送服用于生成MRI图像的三功能医疗级气体组成，包括约21%的氧气以及在约20%至约78%之间的惰性全氟气体和在约1-15%之间的麻醉气体。

33. 一种用于评估患者的（一个或多个）肺中的换气的系统，包括：

电路，被配置成使用患者的与全氟气体和氧混合物关联的预先获取的¹⁹F磁共振图像（MRI）信号数据来生成以下的至少一项：

（i）所述受检者的肺的自由呼吸图像的电影，所述电影图示所述全氟气体在所述受检者的肺空间和肺中的时间和空间分布以提供在至少一个呼吸周期内的换气图像数据；

（ii）用于右肺和左肺中的每个肺的至少一个换气缺陷指数；

（iii）示出肺的空间分布（按像素）的换气缺陷指数映射；

（iv）向显示器的可视输出，所述输出包括所述受检者的气流数据的时间序列，在所述时间序列中具有与获取时间对准定位的多个MRI图像；

（v）与强制排出体积关联的换气型式；

（vi）与所述气体混合物的洗入和/或洗出关联的至少一个直方图；

（vii）示出像素到像素的强度变化的至少一个区域换气缺陷模型；

（viii）使用洗入和/或洗出¹⁹F MRI信号数据的气体俘获图像；

（ix）向换气洗入和/或洗出的肺模型拟合的图形分析的可视输出，具有描绘功能信息的多个MRI图像；

（x）信号强度图案，基于张弛参数（T1和/或T2）以及局部氧浓度对所述张弛参数的影响来描绘向毛细管血流的气体交换；以及

（xi）与递送的气体混合物的洗入和/或洗出关联的至少一个直方图。

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