CN113423438A - 用于血管造影的改进方法 - Google Patents

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Abstract

血管中的造影剂在幅度和相位上以心搏频率变化的发现实现用于增加信噪比或等效地增加血管造影的信息内容的一组处理。在本发明中，心搏频率幅度和相位的组织使得能够以较少剂量的注射化学造影剂、较少的x射线剂量和/或较少的血管内注射导管的导航来获取关于解剖结构和生理学的等效信息。心搏频率幅度和相位被组织为使得循环的动脉子系统和静脉子系统以心搏频率具有相干性。这实现对循环的缺陷进行诊断的处理，这些缺陷涉及血液从动脉子系统到静脉循环子系统的传输的改变。此外，心搏频率幅度和相位组织的发现实现设计和制造更轻、更便携的血管造影装备。

Description

用于血管造影的改进方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年2月6日提交的第62/801,780号美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用整体并入本文。
技术领域
提供了用于血管造影的改进的方法。具体地，提供了获取血管造影数据的方法，该方法允许在保持或改善血管造影的信噪比的同时使用显著降低的造影剂剂量和/或x射线剂量。
背景技术
在常规的导管血管造影中，将导管放置在动脉中，并将导管尖端推进感兴趣的动脉区域。注射化学造影剂，并且造影剂进入血管床被荧光透视成像和记录。造影剂对x射线是不透明的，使得成像x射线检测器上在一系列的血管造影图像帧中出现不透明的模式。血管解剖结构可以由与教科书和其他资源中记录的解剖学规范模式相关的图像中的不透明的模式表征。可以通过比较以下两项来测量信噪比：(a)投影到x射线检测器上时含有造影剂的血管的不透明程度和(b)背景，其中背景由没有包含化学造影剂和/或自体荧光的血管解剖结构的区域来限定。
解剖结构进一步由注射的造影剂团的通过定时特性表征。化学造影剂通过循环的动脉子系统、毛细血管子系统，然后是静脉子系统，这些事件之间有重叠。动脉解剖结构和静脉解剖结构之间的区别是通过不透明的血管解剖结构出现的图像帧的定时来解释的。
为了充分增强血管树和非血管组织之间的对比度以获取对诊断有用的图像，注射的化学血管造影剂的量和浓度可能需要很高，并且x射线剂量也可能需要很高。提高造影剂剂量和/或x射线剂量会增加所产生的血管造影图像中的信噪比，但也会以多种方式增加受试者的风险。
注射的化学造影剂对肾脏和其他内脏器官有毒性副作用，因此，经常需要降低造影剂的剂量以降低这些毒性副作用的风险。这可能会产生令人不满意的图像并且信噪比较低，从而导致由于不充分地成像的血管解剖结构的血管造影研究不完整。使用提高的剂量的化学造影剂可能会导致对易受化学造影剂副作用影响的器官造成伤害。它还可能迫使注射导管进一步进入动脉树，使得注射的造影剂仍集中在感兴趣的解剖区域内。推进注射导管的需要进一步增加了导管损伤血管树远端更小的血管而引起的并发症的风险。
发明内容
提供了对哺乳类宿主进行成像的方法，其中向该宿主施用成像有效量的造影剂并获取该宿主的血管造影数据，其中该血管造影数据被处理以生成包括从该血管造影数据对心搏频率血管造影现象的时空重建的对诊断有用的图像，其中该心搏频率血管造影现象是具有对应的心搏频率幅度和心搏频率相位的周期性生理相干信号；其中该造影剂的该成像有效量显著小于在没有提取该心搏频率血管造影现象的时空重建的情况下产生对诊断有用的图像所需的量；并且/或其中与在该没有提取该心搏频率血管造影现象的时空重建的情况下获取的信噪比相比，该信噪比显著提高。
提供了用于减少对哺乳类宿主进行成像的毒性的方法，其中向该宿主施用成像有效量的造影剂并获取该宿主的血管造影数据，其中该血管造影数据被处理以生成包括从该血管造影数据对心搏频率血管造影现象的时空重建的对诊断有用的图像，其中该心搏频率血管造影现象是具有对应的心搏频率幅度和心搏频率相位的周期性生理相干信号；其中该造影剂的该有效量显著小于在没有提取该心搏频率血管造影现象的时空重建的情况下产生对诊断有用的图像所需的量。
另外，提供了减少或防止在哺乳类宿主的血管造影成像期间的造影剂肾病的方法，其中向该宿主施用成像有效量的造影剂并获取该宿主的血管造影数据，其中该血管造影数据被处理以生成包括从该血管造影数据对心搏频率血管造影现象的时空重建的对诊断有用的图像，其中该心搏频率血管造影现象是具有对应的心搏频率幅度和心搏频率相位的周期性生理相干信号；其中该造影剂的该成像有效量显著小于在没有提取该心搏频率血管造影现象的时空重建的情况下产生对诊断有用的图像所需的量。
在这些方法中的每个方法中，该成像可以是x射线成像。该造影剂可以是含碘显像剂，例如，非离子型含碘显像剂，或者该造影剂可以是含钆显像剂。
该造影剂的有效量比在没有提取该心搏频率血管造影现象的时空重建的情况下产生对诊断有用的图像所需的量小至少25％、至少50％、或至少75％。
图像可以是例如(a)受试者的心脏的部分或全部，(b)受试者的肾脏的部分或全部；受试者的颅骨的部分或全部；和/或受试者的大脑、颈部、心脏、胸部、腹部、骨盆、腿、脚、手臂或手的部分或全部的图像。
还提供了用于减少哺乳类宿主x射线成像毒性的方法，其中向该宿主施用成像有效量的造影剂并以高于该宿主的心搏频率的速度获取x射线血管造影数据，其中该血管造影数据被处理以生成对诊断有用的图像，包括从该血管造影数据对心搏频率血管造影现象进行时空重建，其中该心搏频率血管造影现象具有与心搏频率幅度和心搏频率相位相对应的周期性生理相干信号；并且其中获取对诊断有用的图像所需的该x射线的该剂量显著小于在没有提取该心搏频率血管造影现象的时空重建的情况下产生该对诊断有用图像所需的量。在这些方法中，获取对诊断有用的图像所需的该x射线的该剂量比在没有提取多个像素的心搏频率幅度和相位下产生对诊断有用的图像所需的量少至少25％、至少50％、或至少75％。
附图说明
图1图示了基于血管造影片中的时空重建(例如，使用小波)来实现对提取和表示心搏频率幅度和相位的方法的发现，该方法被开发以提供增加血管造影信息产量或每像素净信噪比的处理。
图2A和图2B图示了基于时空重建(例如，使用小波)实现心搏频率幅度和相位的血管造影组织的发现如何增加血管造影信息产量同时降低风险和限制，以及相应的色调亮度图例。
图3A和图3B图示了一种血管造影导管，该血管造影导管被进一步导航到血管树中以利用更低剂量的造影剂获取具有清晰的造影剂行进分布的血管造影片，以及相对应的心搏信号分布。
图4A和图4B描绘了可以与本发明的实施例一起用于获取血管造影数据的旋转x射线系统。
图5是可以与本发明的实施例一起使用的计算机系统或信息处理设备的框图。
图6图示了利用以下方法获得的血管造影片的比较：(1)低造影剂剂量和低x射线剂量，不利用小波重建；(2)低造影剂剂量和低x射线剂量，利用小波重建；(3)常规造影剂剂量和常规x射线剂量，不利用小波重建；以及(4)常规造影剂剂量和常规x射线剂量，利用小波重建。
具体实施方式
本发明提供的构成和方法允许在使用较低血管内造影剂剂量、较低x射线剂量和/或将造影剂注射到血管树中的导管的较短距离导航时获取血管造影图像和信息。这些方法使用应用于血管造影的数据处理技术来生成时空重建(例如，使用小波)，该时空重建也称为心搏空间血管造影。参见美国专利第10,123,761号，其全部内容通过引用整体并入本文。如本文所描述的，本技术对于减少x射线暴露和/或造影剂剂量以及导管的定位，开发心搏频率相位(包括相干性)和来自心搏空间血管造影的心搏频率的组织。血管造影相干性的存在增加了捕获的数据中的净信号，并且净信号的增加减少或消除了常规方法的增加信号(诸如增加造影剂剂量、增加x射线剂量和进一步导航注射导管)的需要。另外，循环的动脉子系统和静脉子系统之间的相干性提供了一种提供血管造影对比度的方法(不同于通过造影剂团的行进定时)。这允许使用造影剂的静脉注射来区分动脉血管造影信息和静脉血管造影信息，从而避免受试者受到注射导管侵入动脉系统的风险。
本文所描述的方法允许减少血管造影过程中使用的血管内造影剂的剂量，从而降低造影剂在患者体内引起毒性副作用的风险。大多数血管内造影剂化学形式具有肾毒性，因此，允许使用较低剂量造影剂的改进的方法对肾病患者尤其有价值，尽管本领域技术人员将认识到降低造影剂剂量对所有患者都有利。
本文所描述的方法允许降低患者在血管造影期间接收的x射线剂量，从而降低该x射线辐射对患者造成伤害的风险。替代地，对于相同的总x射线剂量，该方法允许针对相同的总x射线剂量获取更多的成像信息。此外，血管造影术卫生保健专业人员对x射线辐射的暴露程度最高，因此，减少x射线剂量具有避免医疗人员附带接受x射线剂量的次要好处。
降低x射线剂量的另一个优点是降低生成额外剂量并将其捕获到图像中，并防护局部环境免受x射线剂量的影响的装备需求。减少装备占地面积允许从更小的硬件配置中获取相同或更大的血管造影成像信息，该更小的硬件配置消耗更少的电力并且允许便携式血管造影领域中的改进。
获取对诊断有用的血管造影图像通常需要将注射导管进一步推进到动脉树，使得注射造影剂保持集中在感兴趣的解剖区域内。这增加了导管损伤血管树中的更小的血管而引起的并发症的风险。通过导出血管造影相干性来增加信噪比，通过缩短导管需要被推进到血管树中以供研究的距离来降低患者的过程上的风险。
本文所描述的方法通过从血管树内的时空重建(例如，使用小波)开发经组织的心搏频率幅度和相位，在血管造影研究中生成增加的信噪比。这些方法进一步开发循环的动脉子系统和静脉子系统之间的心搏频率的相干性的存在。这意味着血管造影中的动脉通常以共享相位脉冲，静脉通常以共享相位脉冲，这些相位不重叠，但通常保持相对固定的差。开发循环的动脉部分和静脉部分之间的相干性，允许在造影剂和x射线剂量较低时，使用注射的化学造影剂团的行进时间以外的标准，在血管造影片中对动脉解剖结构和静脉解剖结构进行区分。
此外，该相干性允许检测循环的模式改变，诸如动脉或静脉的破裂或栓塞。这种损伤改变了血管床的动脉侧和静脉侧之间的相干性关系，为血管树的破裂提供了生物标志物。
心搏频率现象的时空重建
提供了一种通过分析从以比心搏频率更快的频率获取的血管造影片中提取的心搏频率现象的时空重建中的心搏频率幅度、相位和相干性的模式来提取血管解剖结构和生理学信息的方法。在美国专利10,123,761中详细描述了心搏频率现象的时空重建，其全部内容通过引用整体并入本文。
本文使用的术语“心搏空间血管造影”是指如‘761专利所描述的心搏频率现象的时空重建的产物的总和。心搏空间血管造影不仅包括由计算机程序生成的心搏频率现象的时空重建，还包括计算机程序对其进行操作的血管造影。因此，心搏空间血管造影包括常规血管造影的全部信息加上包含在心搏频率现象的时空重建中的附加信息。有利地，在计算机程序中应用‘761专利所描述的方法以生成心搏空间血管造影，然而，本领域技术人员将认识到，可以使用对时空心搏频率活动进行重建的其他方法。
心搏空间血管造影基于以比心率更快的频率获取的血管造影图像，符合本领域已知的奈奎斯特(Nyqvist)、科特尔尼科夫(Kotelnikov)和香农(Shannon)采样定理。这种方法可以解析单个血管脉搏波，这与心脏门控方法不同，心脏门控方法是从多个心搏周期插入一个心搏周期。
如上所述，开发血管造影片中的心搏频率的信号以提高血管造影成像对动脉解剖结构和静脉解剖结构的灵敏度，允许以较低的x射线剂量和较低的血管内造影剂剂量标识循环的改变模式和病理模式，诸如血管栓塞和其他血流状态。附加地，它允许动脉解剖结构和静脉解剖结构分离，而无需导航导管并将导管注入到远端动脉树中。循环子系统之间的心搏频率的相干性可以被开发以允许以较低x射线剂量和较低血管内造影剂剂量对动脉解剖结构和静脉解剖结构进行解剖标识。
在执行本文所描述的方法时，使用数字检测器设备(诸如作为可从飞利浦和西门子等制造商处购得的扫描设备的一部分的那些商用设备)记录血管造影数据。然后将数字数据导入计算机存储器中。在将血管造影导入计算机存储器后，(在没有运动混叠的情况下)可以通过以下步骤获取心搏频率血管造影现象的时空重建：
将由n×m像素×q帧数据组成的血管造影数据导入计算机存储器，并与存储器中的处理器一起重新格式化，以给出每个q采样长度的n×m时间信号阵列；
由处理器将复值小波变换应用于每个像素级时间信号，从而给出n×m小波变换阵列；
由处理器针对心搏频率对像素级小波变换进行滤波。这是通过将所有不对应于心搏小波尺度(在小波领域中，该术语对应于心搏频率的概念)的小波系数设置为零来实现的；
逐像素小波变换数据由处理器进行逆小波变换到时域中，并在计算机存储器中重新格式化为n×m像素的q帧。这个三维网格中的每个数据元素(体素)都是复数；
通过处理器可以将每个帧渲染为具有亮度-色调颜色模型的图像，以表示每个像素中的复数数据；
心搏频率幅度被表示为亮度，并且相位被表示为色调；以及
q个图像可以由处理器渲染为运动电影，或者它们可以由处理器存储为视频文件格式。
可在复数上操作的在变换到频域中后保留时间索引，并且能够提取心搏频率血管造影现象的时空重建的任何合适的变换被构想为与本技术一起使用。
造影剂
本文所描述的方法提供了显著降低获取对诊断有用的血管造影所需的造影剂剂量的方法。“对诊断有用的”血管造影是指为阅读血管造影的人(诸如放射科医生)提供足以提供有意义的临床信息和/或允许作出治疗决策的数据的血管造影。尽管所有经历血管造影的受试者通常都希望减少造影剂的剂量，但造影剂肾病对于肾功能受损或以其他方面肾脏易受损害的患者尤其成问题。大体见Mavromatis的“The Imperative of ReducingContrast Dose in Percutaneous Coronary Intervention(经皮冠状动脉介入治疗中减少造影剂剂量的必要性)”，心血管介入(Cardiovascular Interventions)7:1294-1296(2014)。因此，此类患者尤其受益于在血管造影成像期间使用即时方法来减少或预防造影剂肾病。
血管造影中使用的造影剂的主要类型是碘造影剂族，其可以是离子型或有利地，非离子型碘造影剂。此类造影剂在本领域中已知并且包括：碘海醇(iohexol，OmnipaqueTM，GE医疗)；碘普罗胺(iopromide，UltravistTM，拜耳医疗)；碘克沙醇(iodixanol，VisipaqueTM，GE医疗)；碘克酸(ioxaglate，HexabrixTM，马林克罗(Mallinckrodt)成像)；碘酞酸盐(iothalamate，Cysto-Conray IITM，马林克罗(Mallinckrodt)成像)；以及碘帕醇(iopamidol，IsovueTM，博莱科(Bracco)成像)。另外参见Lusic和Grinstaff的“X-RayComputed Tomography Contrast Agents(X射线计算机断层造影剂)”，化学版(Chem Rev.)13:1641-66(2013)。其他造影剂包括钆基造影剂。参见Ose等人的“‘Gadolinium’as anAlternative to Iodinated Contrast Media for X-Ray Angiography in PatientsWith Severe Allergy(在严重过敏患者的X射线血管造影中将“钆”作为碘造影剂的替代物)”，Circ J.2005；69:507–509(2005)。
此类造影剂的剂量取决于造影剂的性质、患者/受试者的身体特征以及血管造影过程的性质而变化。然而，通常，造影剂应当通过将目标组织与周围组织和液体之间的绝对CT衰减差增加到大约两倍来改善目标组织的可视性。成像介质应当每造影剂(分子、大分子或粒子)包含高摩尔％的x射线衰减原子，以便减少成像所使用的体积和所需的浓度。此外，造影剂的组织保留时间应足够长，以用于CT扫描的完成以及在诊断设置中安排仪器时间(例如，2-4小时)。此外，造影剂有利地应当：(a)定位或靶向感兴趣的组织，并具有良好的生物分布和药代动力学分布；(b)在具有低粘度的水生理条件下(适当的pH值和渗透压)，易于溶解或形成稳定的悬浮液；(c)无毒；以及(d)在合理的短时间内，通常在数小时内(<24小时)从体内清除。
即使造影剂符合这些标准，通常也希望减少用于成像的剂量，尤其是在肾功能减退或对试剂有过敏或其他不良反应的患者的情况下。本文所描述的方法允许使用比提供对诊断有用的成像信息原本所需的剂量显著更少的造影剂剂量。在这种造影剂剂量的情况下，如果剂量小于生成对诊断有用的血管造影原本所需的剂量的75％、小于50％、小于40％、小于30％、小于25％、小于20％、小于15％、小于10％、小于5％或小于3％，则剂量显著减少。
x射线剂量
在血管造影中生成对诊断有用的图像所需的x射线剂量也取决于患者/受试者的身体特征和血管造影过程的性质变化。计算x射线剂量的方法在本领域是已知的。x射线辐射的电离性质意味着始终希望尽可能将受试者(以及与血管造影过程相关联的医务人员)对x射线的暴露最小化，同时仍能产生目标组织的有用可视化。在这种x射线剂量的情况下，如果x射线剂量小于生成对诊断有用的血管造影原本所需的剂量的75％、小于50％、小于40％、小于30％、小于25％、小于20％、小于15％、小于10％、小于5％或小于3％，则x射线剂量显著减少。
信噪比
血管造影的信噪比尤其取决于造影剂的剂量和x射线的剂量二者。即时方法允许在给定剂量的造影剂和/或x射线剂量下显著增加信噪比。在这种即时方法的情况下，信噪比的显著增加或改善是允许造影剂和/或x射线的剂量小于产生诊断有用的血管造影原本所需的剂量的75％、小于50％、小于40％、小于30％、小于25％、小于20％、小于15％、小于10％、小于5％或小于3％的信噪比。
图1中的布置提供了示出了本文所描述的方法与常规血管造影相比如何提供更高的信噪比的示意图。在图1中，心脏1将血液作为一序列的动脉冲程容积发送至身体。心脏的工作生成心搏信号。这样的示例是心电图2。动脉3具有由行进动脉冲程容积产生的对比度变化。动脉冲程容积之间的时间是心搏周期4，也是心电图2中的心搏循环之间的时间。母小波5函数是在计算机程序中创建的，其中小波心搏尺度6与心搏信号的心搏周期4相匹配。有利地，选择Gabor小波族作为母小波5。Gabor母小波是复值的，并且在母小波5中具有实分量(黑实线)和虚分量(虚线)。使用复值母小波有助于基于时空重建(例如，使用小波)提取和表示心搏频率幅度和相位。图1的布置在血管造影研究的图像帧上逐像素重复以产生心搏空间血管造影，其是血管造影片中的心搏频率现象的电影时空表示。为清楚起见，图1的布置不包括在计算机程序中执行的其他重建步骤，诸如那些减轻与重建结果中的频率混叠平衡的运动混叠的步骤。
图2A中的布置示出了示例血管造影，并图示了可以如何开发该发现来降低血管内造影剂剂量、实现低占地面积血管造影硬件的制造以及其他期望的结果。图2A示出了来自大脑7的右侧颈内动脉的低剂量常规血管造影的图像帧和与相同帧9相对应的心搏空间血管造影的图像帧。在低造影剂和x射线剂量下，动脉子系统的右侧颈内动脉8部分不透明，但其他循环子系统没有不透明。在与相同帧9相对应的心搏空间血管造影的图像帧中，可以观察到几个循环子系统，包括右颈内动脉心搏频率现象10、右颈内动脉心搏频率和静脉子系统11之间的介入脉管系统，以及静脉子系统12。图像中的每个像素都表示复值数据。根据图例亮度-色调图例13，每个复值数据c可以使用亮度-色调颜色模型进行渲染，其中心搏频率幅度被渲染为亮度，相位被渲染为色调。与相同帧9相对应的心搏空间血管造影片的图像帧中相对完整的动脉子系统、介入子系统和静脉子系统的解剖演示反映了从开发心搏频率血管造影现象的信息产量产生的附加信息产量。这种额外的信息量可以用作生物标记物，用于降低血管造影风险，使其更有效，并促进制造更小占地面积的血管造影硬件。
图3A中的布置描绘了通过开发血管造影相干性而提供的血管造影过程的益处-风险分布的改进。血管树(19)包含动脉子系统14、血管树15的毛细血管子系统和血管树16的静脉子系统。可能有注射导管被导航到血管树17的远端(实黑线)，以注射相对较小体积的血管内化学造影剂，并使血管树的较小部分不透明。可能有注射导管被导航到血管树18的近端(黑虚线)，其中注射了大量的血管内化学造影剂以使血管树的较大部分不透明。导航到血管树17的远端的注射导管产生一种结果，其中行进允许更大程度的动脉子系统和静脉子系统之间的区分。导航到血管树18的近端的注射导管产生一种结果，该结果减少了动脉子系统和静脉子系统之间的区分。动脉子系统和静脉子系统之间的心搏频率的相干性提供了一种在动脉子系统和静脉子系统之间进行区分的方法，而不是通过造影剂团的行进定时提供。这允许通过不太尖锐的团注射和更安全地放置近端导管，或者甚至从静脉系统进行注射来区分那些子系统。与不使用心搏现象的系统相比，使用本文所描述的心搏现象允许从导管尖端(黑线)到血管树的毛细血管子系统(15)的距离显著增加的方法。开发注射的造影剂中的心搏频率信号提供了血管造影的各方面的增加的信噪比分布，从而允许减少血管内化学造影剂剂量和/或x射线剂量。图3B示出了相对应的心搏信号分布，示出了幅度20和相位21。
参考图4A和图4B，示出了旋转x射线系统28，该旋转x射线系统28可以被用于(诸如经由荧光血管造影)以比心率更快的频率来获取血管造影片。如前所述，在获取血管造影片时，将化学造影剂注射到患者体内并且造影剂使血管不透明，从而允许x射线系统捕获其投影作为二维图像。然而，本文所提供的实施例不限于二维，而是可以应用于以三维或更高维度获取的图像。获取一序列的这些二维投影图像，该序列的这些二维投影图像包括血管造影研究——其中以比心搏频率更快的频率获取血管造影图像帧，以允许将心搏频率现象时空重建为心搏空间血管造影。
如图4A所示，旋转x射线系统28的特征在于具有C形臂30的机架，该C形臂30在其端部中的一端承载x射线源组件32，并且在该C形臂的另一端承载x射线检测器阵列组件34。机架使得x射线源32和检测器34能够围绕放置在台36上的患者以不同的位置和角度定向，同时使得医生能够接近患者。机架包括基座38，该基座38具有在工作台36下方延伸的水平支腿40，以及在水平支腿40的端部朝上延伸的垂直支腿42，该水平支腿40与工作台36隔开。支撑臂44可旋转地固定到垂直支腿42的上端部以用于围绕水平枢轴46旋转。
枢轴46与工作台36的中心线对准，并且臂44从枢轴46径向朝外延伸以在其外端部上支撑C形臂驱动组件47。C形臂30可滑动地固定到驱动组件47并且与驱动电机(未示出)耦合，该驱动电机使C形臂30滑动以使其围绕C轴48旋转，如箭头50所指示的。枢轴46和C轴48在位于工作台36上方的等中心56处彼此相交，并且彼此垂直。
x射线源组件32安装在C形臂30的一端，检测器阵列组件34安装在其另一端。x射线源32发射指向检测器阵列34的x射线束。组件32和34均径向朝内延伸到枢轴46，使得该光束的中心射线穿过系统等中心56。因此，在从放置在工作台36上的受试者获取x射线衰减数据期间，可以围绕枢轴46或C轴48或两者围绕系统等中心旋转光束的中心射线。
x射线源组件32包含x射线源，该x射线源在通电时发射x射线光束。中心射线穿过系统等中心56，并撞击容纳在检测器组件34中的二维平板数字检测器58。检测器58可以是例如，检测器元件的2048×2048元件二维阵列。每个元件产生表示撞击x射线的强度的电信号，从而表示x射线通过患者时的衰减。在扫描期间，x射线源组件32和检测器阵列组件34围绕系统等中心56旋转，以从不同角度获取x射线衰减投影数据。检测器阵列能够每秒获取50个投影或视图，这是确定在规定扫描路径和速度下可以获取多少视图的限制因素。
参考图4B，组件32和34的旋转以及x射线源的操作由x射线系统的控制机构60管理。控制机构60包括向x射线源32提供电源和定时信号的x射线控制器62。控制机构60中的数据获取系统(DAS)64从检测器元件采样数据，并将数据传递给图像重建器65。图像重建器65从DAS 64接收数字化x射线数据，并根据本公开的方法执行高速图像重建。重建的图像被用作计算机66的输入，该计算机66将图像存储在大容量存储设备69中或进一步处理对象。
控制机构60还包括机架电机控制器67和C轴电机控制器68。响应于来自计算机66的运动命令，电机控制器67和68向x射线系统中的电机提供电源，该电机产生关于各个枢轴46和C轴48的旋转。计算机66还经由具有键盘和其他可手动操作控制装置的控制台70从操作员接收命令和扫描参数。相关联的显示器72允许操作者观察来自计算机66的重建的图像和其他数据。操作者提供的命令由计算机66在存储程序的指导下使用，以向DAS 64、x射线控制器62以及电机控制器67和68提供控制信号和信息。此外，计算机66操作工作台电机控制器74，该工作台电机控制器74控制电动工作台36以相对于系统等中心56来定位患者。
现在参考图5，示出了根据本发明的实施例的可以与图4A和图4B的旋转x射线系统28一起使用的计算机系统或信息处理设备80的框图，该计算机系统或信息处理设备80用于提取心搏频率现象并将心搏频率现象用作循环解剖结构和生理学特性的生物标记物。
图5仅说明了根据本公开中的技术所编程的通用计算机系统80或用于并入在本身呈现其教示的发明的实施例的特定信息处理设备，并且不限制该发明的范围。本领域的普通技术人员将认识到，可以使用计算机系统80的其他变型、修改和替代方案。
在一个实施例中，计算机系统80包括监视器82、计算机84(其包括(多个)处理器86、总线子系统88、存储器子系统90和盘子系统92)、用户输出设备94、用户输入设备96和通信接口98。监视器82可以包括被配置为生成信息的可视表示或显示的硬件和/或软件元件。监视器82的一些示例可以包括熟悉的显示设备，诸如电视监视器、阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等。在一些实施例中，监视器82可以提供输入接口，诸如结合触摸屏技术。
计算机84可以包括熟悉的计算机部件，诸如一个或多个中央处理单元(CPU)、存储器或存储设备、图形处理单元(GPU)、通信系统、接口卡等。如图2所示，计算机84可以包括一个或多个处理器86，该一个或多个处理器86经由总线子系统88与多个外围设备通信。(多个)处理器86可以包括市售的中央处理单元等。总线子系统88可以包括用于使计算机84的各种部件和子系统彼此按照预期通信的机构。尽管总线子系统88示意性地示出为单个总线，但总线子系统的替代实施例可以利用多个总线子系统。与(多个)处理器86通信的外围设备可以包括存储器子系统90、盘子系统92、用户输出设备94、用户输入设备96、通信接口98等。
存储器子系统90和盘子系统92是被配置为存储数据的物理存储介质的示例。存储器子系统90可以包括多个存储器，该多个存储器包括用于在程序执行期间对程序代码、指令和数据进行易失性存储的随机存取存储器(RAM)，以及存储固定程序代码、指令和数据的只读存储器(ROM)。盘子系统92可以包括为程序和数据提供永久(非易失性)存储的多个文件存储系统。其他类型的物理存储介质包括软盘、移动硬盘、光学存储介质(诸如CD-ROM、DVD和条形码)、半导体存储器，诸如闪存、只读存储器(ROM)、电池支持的易失性存储器、网络存储设备等。
存储器子系统90和盘子系统92可以被配置为存储提供本文所讨论的技术的功能或特征的编程和数据构造。当由(多个)处理器86执行时实现或以其他方式提供功能的软件代码模块和/或处理器指令可以存储在存储器子系统90和盘子系统92中。
用户输入设备94可以包括被配置为接收来自用户的输入以供计算机系统80的部件进行处理的硬件和/或软件元件。用户输入设备可以包括用于向计算机系统84输入信息的所有可能类型的设备和机构。这些可以包括键盘、小键盘、触摸屏、并入显示器的触摸界面、音频输入设备(诸如麦克风和语音识别系统)以及其他类型的输入设备。在各种实施例中，用户输入设备94可以被实现为计算机鼠标、轨迹球、跟踪板、操纵杆、无线遥控器、绘图板、语音命令系统、眼睛跟踪系统等。在一些实施例中，用户输入设备94被配置为允许用户经由命令、动作或手势(诸如点击按钮等)选择监视器82上可能出现的对象、图标、文本等或以其他方式与监视器82上可能出现的对象、图标、文本等交互。
用户输出设备96可以包括被配置为从计算机系统80的部件向用户输出信息的硬件和/或软件元件。用户输出设备可以包括用于从计算机84输出信息的所有可能类型的设备和机构。这些可以包括显示器(例如，监视器82)、打印机、触摸或力反馈设备、音频输出设备等。
通信接口98可以包括被配置为提供与其他设备的单向或双向通信的硬件和/或软件元件。例如，通信接口98可以(诸如经由互联网连接)提供计算机84与其他通信网络和设备之间的接口。
图5表示能够体现本发明的计算机系统。对于本领域的普通技术人员显而易见的是，许多其他硬件和软件配置适合与本发明一起使用。例如，计算机可以是台式、便携式、机架安装或平板电脑配置。附加地，计算机可以是一系列联网计算机。在其他实施例中，上述技术可以在芯片或辅助处理板上实现。
下面的示例展示了小波血管造影中的血管相干性的有用性，该示例在提供改进的诊断信息的同时显著减少了造影剂和x射线辐射二者的剂量。
示例
在右侧椎动脉的前后(AP)投影中，紧接着进行两次人体血管造影。由于碘造影剂和x射线具有有害特性，因此使用常规用于诊断性血管造影的碘造影剂剂量的10％和x射线剂量的1％来获取所谓的“喷出(puff)”血管造影(预备血管造影)。
对于“喷出”血管造影，使用的化学试剂为碘帕醇(Isovue)，剂量为1ml，配方为3mg/ml，这为注射剂提供3mg碘帕醇的剂量。x射线剂量面积乘积为1.968灰度m2。“剂量面积乘积”是每千克所吸收的剂量乘以辐射面积的量度。从图像系列DICOM元数据获取x射线剂量。
对于常规(“全剂量”)右侧椎动脉注射，注射的造影剂剂量也为碘帕醇，但使用10ml的相同配方(3mg/ml)，提供30mg注射剂量的碘帕醇。x射线剂量乘积为156.876灰度m2。
因此，喷出注射使用了碘帕醇造影剂剂量的10％和x射线剂量的1.3％。
获取的结果如图6的顶行(1和2)所示。喷出血管造影通常用于验证受试者身体在x射线发射管和x射线检测器之间的正确位置，以及用于验证碘造影剂注射导管的完整性。图6的底行(3和4)示出了使用常规剂量的造影剂和x射线辐射的相同受试者的完整血管造影。
在左上角的喷出血管造影图(1)中，示出的数据未经小波重建。双头箭头(5)的左箭头示出了脑血管中的造影的痕迹。该血管的发现意味着受试者已准备好并处于适当位置以通过注射导管输送全碘造影剂剂量，并应用全x射线剂量(3)(也示出未经小波重建)。
可以将未经小波重建获取的血管造影(1)与经过小波重建获取的血管造影(2)进行比较。双箭头(5)所示的一条血管在经过小波重建和未经小波重建的情况下均可见–左箭头示出未经小波重建的图像，而右箭头示出经过小波重建的高级图像。在常规的喷出血管造影(1)中，颅底的骨骼阻挡了足够多的x射线的通过而不能查看血管穿过颅底的情况。因此，双头箭头(6)的左箭头指示的血管不清晰可见。
相比之下，经小波重建的喷出血管造影示出血管穿过颅底(双头箭头(6)的右箭头)。这是因为这些图像像素的强度以心搏频率变化，虽然在给定的图像帧中，它们没有足够的x射线衰减对比度以在常规喷出图像(1)中可见。
图6的底行(3)和(4)示出了常规碘造影剂和x射线剂量下的血管造影图(3)及其小波重建(4)。小波血管造影(4)示出了常规血管造影(3)中不可见的动脉(双头箭头(7))和静脉(双头箭头(8))。
本文所描述的方法的其他目的、特征和优点将从详细描述中显而易见。然而，应当理解，本文所提供的详细描述仅作为说明给出，因为在本发明的精神和范围内的各种改变和修改对于本领域的技术人员将变得显而易见。

Claims (17)

1.一种对哺乳类宿主进行成像的方法，包括：
向所述宿主施用成像有效量的造影剂并获取所述宿主的血管造影数据，
其中所述血管造影数据被处理以生成对诊断有用的图像，所述对诊断有用的图像包括从所述血管造影数据对心搏频率血管造影现象的时空重建，其中所述心搏频率血管造影现象是具有对应的心搏频率幅度和心搏频率相位的周期性生理相干信号；
其中所述造影剂的所述成像有效量显著小于在没有提取所述心搏频率血管造影现象的时空重建的情况下产生对诊断有用的图像所需的量；并且/或
其中与在没有提取所述心搏频率血管造影现象的所述时空重建的情况下获取的信噪比相比显著提高信噪比。
2.一种用于减少对哺乳类宿主成像的毒性的方法，包括：
向所述宿主施用有效量的造影剂并获取所述宿主的血管造影数据，
其中所述血管造影数据被处理以生成对诊断有用的图像，所述对诊断有用的图像包括从所述血管造影数据对心搏频率血管造影现象的时空重建，其中所述心搏频率血管造影现象是具有对应的心搏频率幅度和心搏频率相位的周期性生理相干信号；
其中所述造影剂的所述有效量显著小于在没有提取所述心搏频率血管造影现象的时空重建的情况下产生对诊断有用的图像所需的量。
3.一种用于减少或防止在哺乳类宿主的血管造影成像期间的造影剂肾病的方法，包括：
向所述宿主施用成像有效量的造影剂并获取所述宿主的血管造影数据，
其中所述血管造影数据被处理以生成对诊断有用的图像，所述对诊断有用的图像包括从所述血管造影数据对心搏频率血管造影现象的时空重建，其中所述心搏频率血管造影现象是具有对应的心搏频率幅度和心搏频率相位的周期性生理相干信号；
其中所述造影剂的所述成像有效量显著小于在没有提取所述心搏频率血管造影现象的时空重建的情况下产生对诊断有用的图像所需的量。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述成像是x射线成像。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述造影剂是含碘显像剂。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述造影剂是非离子型含碘显像剂。
7.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述造影剂是含钆显像剂。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述造影剂的所述成像有效量比在没有提取所述心搏频率血管造影现象的时空重建的情况下产生对诊断有用的图像所需的量少至少25％。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述造影剂的所述成像有效量比在没有提取所述心搏频率血管造影现象的时空重建的情况下产生对诊断有用的图像所需的量少至少50％。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述造影剂的所述成像有效量比在没有提取所述心搏频率血管造影现象的时空重建的情况下产生对诊断有用的图像所需的量少至少75％。
11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述图像包括受试者的心脏的图像。
12.如权利要求1-10中任一项所述的方法，其中所述图像包括受试者的心脏的部分或全部的图像。
13.如权利要求1-10中任一项所述的方法，其中所述图像包括受试者的肾脏的部分或全部的图像。
14.如权利要求1-10中任一项所述的方法，其中所述图像包括受试者的颅骨的部分或全部的图像。
15.如权利要求1-10中任一项所述的方法，其中所述图像包括所述受试者的大脑、颈部、心脏、胸部、腹部、骨盆、腿、脚、手臂或手的部分或全部的图像。
16.一种用于减少哺乳类宿主的x射线成像的毒性的方法，包括：
向所述宿主施用有效量的造影剂并以比所述宿主的心搏频率更快的频率获取x射线血管造影数据，
其中所述血管造影数据被处理以生成对诊断有用的图像，所述对诊断有用的图像包括从所述血管造影数据对心搏频率血管造影现象的时空重建，其中所述心搏频率血管造影现象是具有对应的心搏频率幅度和心搏频率相位的周期性生理相干信号；
其中获取对诊断有用的图像所需的x射线的剂量显著小于在没有提取所述心搏频率血管造影现象的时空重建的情况下产生所述对诊断有用的图像所需的量。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，获取对诊断有用的图像所需的x射线剂量比在没有提取多个像素的心搏频率幅度和相位的情况下产生对诊断有用的图像所需的量少至少25％、至少50％、或至少75％。
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