JP5539342B2 - スペクトルイメージング - Google Patents

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Description

本発明は、一般に、スペクトルイメージングに関し、コンピュータトモグラフィ(CT)特定のアプリケーションを見い出す。しかしながら、本発明は更に、他の医用イメージングアプリケーション及び非医用イメージングアプリケーションにも従う。

コンピュータトモグラフィ(CT)スキャナが、例えば血管組織の中のフローのような灌流情報を捉えるために使用されている。灌流情報は、患者の診断を容易にするために使用されることができる。例えば、脳灌流スキャンは、脳卒中患者の異常灌流を識別するのを容易にするために使用されることができる情報を提供する。一般に、通常のコンピュータトモグラフィ灌流(CTP)プロシージャは、患者に造影剤ボーラスを静注投与するステップであって、これにより、造影剤が取り込まれ、脳の血管構造の中を流れ、洗い出されるとき、脳のX線密度一時的に増大させる、ステップと、患者の脳の時間連続のCTスキャンを実施するステップと、を含む。捕捉されたデータは、造影剤が脳の中を流れるとき、造影剤を追跡し、虚血組織を識別し、及び/又は不可逆的に損傷を受けた又は壊死組織(梗塞の中心)と、潜在的に可逆的に損傷を受けた又はリスクのある組織(梗塞の周辺部)との間を区別するために、使用されることができる。時系列の吸収の違いは、平均遷移時間(mean transition time、MTT)、脳血液量(cerebral blood volume、CBV)及び脳血流(cerebral blood-flow、CBF)の相対測定を提供する。
残念ながら、注入レートの制限のため、短い高密度の造影剤ボーラスにより直接にMTT値を測定することは困難でありうる。多くの場合、MTTパラメータは、灌流スキャン、CBV及びCBFを導き出すための逆畳み込み技法、及び関係MTT=CBV/CBFによって、間接的に測定される。これは、逆畳み込みプロセスが入力関数のために基準血管のオペレータ選択を必要とし、選択がエラーを起こしやすいので、信頼性を制限しうる。更に、薬物動態は複合関数であるので、このような技法の正確さは制限され、CTP測定によってもたらされる情報は、血行力学及び灌流パラメータを導き出すためにあまり適切でない。更に、造影剤ボーラスは、一時的にしか患者内に存在せず、造影剤が視覚化されることができる時間間隔は、患者内の造影剤の滞在時間によって制限される。
他の例の灌流プロシージャは、マルチフェーズ肝臓研究である。このような研究に関して、造影剤ベースのCTプロシージャが、大動脈(造影剤取り込み)フェーズ、門脈静脈(造影剤洗い出し)フェーズ及び/又は平衡(造影剤無し)フェーズの間、肝臓の過灌流又は低灌流の領域を識別するために使用されることができる。残念ながら、このような従来の研究は、これらのフェーズの各々において造影剤を捕捉するために、造影剤の投与、及びその後の、造影剤が血管の中を流れるときの複数回のスキャン(例えば3乃至5スキャン)を必要とする。このように、患者線量は、より少ない数のスキャンが実施されるプロトコルと比べて、より高くなりうる。
本願の見地は、上述した問題及びその他に対処する。
1つの見地によれば、方法は、調節プロファイルに基づいて、イメージングプロシージャの間、被検体に対する少なくとも2つの異なる造影剤の投与を同時に調節するステップを含む。少なくとも2つの異なる造影剤は、異なるスペクトル特性を示す。方法は更に、少なくとも2つの異なる造影剤を示すデータのスペクトル分解を実施するステップと、スペクトル再構成に基づいて、少なくとも2つの異なる造影剤の濃度を決定するステップと、濃度の比率及び調節プロファイルに基づいて、潅流パラメータを決定するステップと、を含む。
別の見地によれば、方法は、各々が異なるスペクトル特性をもつ少なくとも第1及び第2の経静脈造影剤を被検体に投与するステップであって、前記第2の経静脈造影剤が、第1の造影剤の投与から第1の予め設定された時間遅延の後、投与される、ステップを含む。方法は更に、第2の造影剤の投与から第2の予め設定された時間遅延の後、被検体の単一スペクトルスキャンを実施するステップを含む。方法は更に、第1の生理的フェーズを表わす第1の造影剤の第1の画像及び第2の異なる生理的フェーズを表わす第2の造影剤の第2の画像を生成するステップを含む。
別の見地によれば、システムは、検査領域の周りを回転し、検査領域を横切る多色放射線を放出する放射線源(110)と、検査領域をはさんで放射線源(110)と向かい合って位置し、検査領域を横切る放射線を検出し、それを示す信号を生成する検出器アレイ(118)と、を有する。システムは更に、造影剤調節プロファイルに基づいて、イメージングプロシージャのための少なくとも2つの異なる造影剤を投与する注射器(114)を有する。システムは更に、第1の造影剤の第1の画像及び第2の造影剤の第2の画像を生成するために、信号をスペクトル的に再構成する再構成器(120)を有する。
本発明は、さまざまな構成要素及び構成要素の取り合わせ並びにさまざまなステップ及びステップの取り合わせの形をとりうる。図面は、好適な実施形態を図示する目的のみであり、本発明を制限するものとして解釈されるべきでない。
例示のイメージングシステムを示す図。 例示のMTT決定器を示す図。 例示の造影剤調節プロファイルを示す図。 例示の方法を示す図。 別の例示の方法を示す図。
図1は、静止ガントリ102と、静止ガントリ102によって回転可能に支持される回転ガントリ104とを有するコンピュータトモグラフィ(CT)スキャナ100を示している。回転ガントリ104は、長軸又はz軸108を中心に検査領域106の周りを回転する。X線管のような放射線源110は、回転ガントリ104によって支持され、検査領域106の周りを回転ガントリ104と共に回転し、多色放射線を放出する。コリメータ112は、検査領域106を横切る概して扇形、くさび形又はコーン形の放射線ビームを生成するために、放出された放射線をコリメートする。放射線感受性の検出器アレイ118は、検査領域106を横切る光子を検出し、検査領域を示す投影データを生成する。
注射器114は、スキャンのために、患者に造影剤を注入し又は投与するように構成される。後で詳しく述べるように、一例において、注射器は、同じ血管又は異なる血管に、2つの異なるスペクトル特性をもつ少なくとも2つの異なる造影剤(例えばガドリニウム又はヨウ素を含む造影剤等)を同時に投与するために使用される。別の例において、注射器は、投与と投与の間に遅延を伴って、2又はそれ以上の異なる造影剤を連続的に投与するために使用される。調節器116は、2又はそれ以上の異なる造影剤の注入パターン又はプロファイルを示す制御信号を供給し、かかるパターンは、ある時間にわたる2又はそれ以上の異なる造影剤の濃度を含む。造影剤は、代替として、臨床医等によって手動で投与されることもできる。
再構成器120は、投影データを再構成し、それを示すボリュメトリック画像データを生成する。一例において、再構成器120は、例えばK端アルゴリズムのようなスペクトルアルゴリズム124を用いる。このようなアルゴリズムは、例えば1又は複数の投与される造影剤のように、異なるスペクトル特性をもつ物質の選択的且つ定量的なイメージングを可能にする。再構成器120は、例えばフィルタリングされる逆投影アルゴリズム又は反復的再構成アルゴリズムのような、通常の再構成アルゴリズムを用いることもできる。
画像生成器126は、ボリュメトリック画像データを処理し、1又は複数の画像を生成する。一例において、これは、少なくとも第1の造影剤を示す第1の画像及び第2の造影剤を示す第2の画像を生成することを含む。(複数の)組織特異的な造影剤が使用される場合、造影剤は、組織によって大部分吸収され、対応する(複数の)画像は、組織を示す。(複数の)非組織特異的な造影剤が使用される場合、対応する(複数の)画像は、造影剤が流れる血管を示す。造影剤のうち1又は複数は、特異的であり又は非特異的でありうる。画像生成器126は更に、例えば通常のCT減衰に基づく画像、別の造影剤を示す別の画像、コンプトン効果画像、光電効果画像等の他の画像を生成することができる。
寝台のような患者支持体128が、スキャンのために患者を支持する。汎用コンピューティングシステム130が、オペレータコンソールとして機能する。コンソール130に常駐するソフトウェアは、オペレータがシステム100の処理を制御することを可能にし、例えば、造影剤に基づくK端イメージングプロトコルを含むイメージングプロトコルを選択することを可能にする。後で詳しく述べるように、1つのこのようなプロトコルは、時間連続のスペクトルCTスキャンによって、脳潅流のような器官潅流に関する情報を取得するために、スキャン中、2又はそれ以上の異なる造影剤の投与を同時に調節することを含む。別のプロトコルは、異なる造影剤を、それらの投与間に遅延を伴って連続的に投与すること、及び単一スキャンでそれぞれ異なる生理的フェーズに関する情報を同時に取得するためにスキャンを実施することを含む。
一実施形態において、スキャナ100は、例えば平均通過時間(mean transit time、MTT)のような潅流パラメータを決定するために使用される。一例において、これは、造影剤投与の同時の調節及びスペクトルスキャンの組み合わせを使用すること、及び調節技術、造影剤及び結果として得られる画像データに基づいてMTTを決定することを含む。図2は、画像データから生成される(複数の)画像及び調節パターン又はプロファイルから導き出される造影剤濃度に基づいて、MTTを決定するMTT決定器202を示している。
図3に少しの間移って、例示の造影剤調節プロファイルが示されている。図3において、y軸302は、投与される造影剤の量(例えば1秒あたりミリリットル(ml/sec)、その他)を表し、x軸304は、時間を表す。第1のプロファイル306は、時間の関数として第1の造影剤の量を示し、第2のプロファイル308は、時間の関数として第2の造影剤の量を示す。
この例において、プロファイル306及び308は、両方とも鋸歯の形状である。他の実施形態において、プロファイルは異なっていてもよく、及び/又は正弦波又は三角形のような別の形状であってもよい。更に、プロファイル306及び308は、互いの反転である。更に、この例において、ある時間にわたる両方の造影剤の合計量は、310に示すように実質的に一定である。他の実施形態において、造影剤の合計量は、ある時間にわたって変化しうる。
図2を参照して、造影剤の適切な例示の調節プロファイル又はパターンは、調節関数1に示すように、2つの造影剤に関して表現されることができる:
Figure 0005539342
ここで、injection(t)は、ある時間にわたって注入される造影剤の総量を表し、F()は、調節関数であり、ωは、調節周波数を表し、flCA1は、第1の造影剤の最大フローレートを表し、flCA2は、第2の造影剤の最大フローレートを表し、CAは、第1の造影剤の測定された濃度を表し、CAは、第2の造影剤の測定された濃度を表す。
用いられる調節プロファイルに基づいて、いかなる画像についても、任意の特定の画像ポイントにおける濃度の測定される比率が、注入時間に対する絶対遷移時間を計算するために使用されることができる。すなわち、遷移時間は、特定の濃度比率が投与される時間と、濃度比率が特定の濃度比率とほぼ同じである画像のポイントと、の間の時間差を決定することによって、決定されることができる。例えば、特定の画像ポイント又はデスティネーションにおける測定された比率は、当該濃度比率の対応する開始時間を決定するために図3に示される調節関数にマップされることができ、時間の差は、遷移時間を表わす。
上述したものは、図4の方法に示されている。ステップ402において、2つの異なるスペクトル特性をもつ少なくとも2つの異なる造影剤が、予め決められた造影剤投与調節パターンを使用して、イメージングプロシージャの間、被検体に同時に投与される。ステップ404において、被検体がスキャンされる。ステップ406において、スペクトル再構成が、結果として得られた投影データに関して実施され、かかる投影データは、少なくとも2つの異なる造影剤を示す。ステップ408において、少なくとも2つの異なる造影剤の濃度が、スペクトル再構成に基づいて特定の画像ポイントに関して決定される。ステップ410において、MTT決定器は、濃度の比率及び造影剤調節パターンに基づいて、特定の画像ポイントに関してMTTを決定する。
別の実施形態において、スキャナ100は、例えばマルチフェーズ肝臓研究のようなマルチフェーズ研究のために使用される。このような研究は、大動脈フェーズ、門脈静脈フェーズ及び/又は平衡フェーズの間、過灌流又は低灌流領域(HCC又は転移)を識別するために、使用されることができる。上述したように、通常の研究では、これらのフェーズを捉えるために、造影剤が注入されたのち、3乃至5のスキャンが実施されうる。本実施形態では、スキャンの数が、注入された造影剤のスペクトルCT分離と組み合わせられる適切な注入プロトコルを介して、低減されることができる。
一例が図5に示されている。ステップ502において、第1の造影剤が、第1の予め設定された時間期間の間、投与される。一例において、第1の予め設定された時間期間は、10秒である。ステップ504において、造影剤の次の投与は、第2の予め設定された時間期間遅延される。一例において、第2の予め設定された時間期間は、10秒である。ステップ506において、第2の造影剤が、第3の予め設定された時間期間の間、投与される。一例において、第3の予め設定された時間期間は、5秒である。別の造影剤が投与される場合、それもまた、別の予め設定された時間期間遅延されることができる。ステップ508において、スキャニングは、第4の予め設定された時間期間遅延される。一例において、第4の予め設定された時間期間は、10秒である。
ステップ510において、スペクトルCTスキャンが実施される。上述のプロトコル又は他の適切なプロトコルを使用する場合、スキャンの間、第2の造影剤が大動脈フェーズにあるとき、第1の造影剤は門脈静脈フェーズにある。スペクトルCTの選択的なイメージング能力は、第1及び第2の造影剤の間の分離を可能にする。ステップ512において、静脈及び大動脈の2つに関する2つの造影剤画像が、生成される。従って、フェーズのうちの2つに関する2つの造影剤画像が、単一スキャンで捕捉されることができる。3又はより多くの造影剤が投与される場合、3のフェーズに関する3又はより多くの画像が、単一スキャンで捕捉される。
上述の実施形態において、2又はそれ以上の造影剤が、同じ血管に同時に投与され、又は同じ血管に連続的に投与される。造影剤の投与は、代替として、それぞれ異なる血管に行われうることが理解されるべきである。例えば、造影剤は、異なる注入箇所(左及び右半球、前葉及び後葉、その他)に投与されることができる。この技法の別の応用は、複雑な薬物動態モデルの逆問題を解くことである。言い換えると、薬物動態モデルの自由パラメータは、適切な複数造影剤の調節注入プロトコル及び使用される造影剤の選択的なイメージングによって、数値的に決定されることができる。
他のプロシージャ及びフェーズもまたここで企図され、異なるフェーズを通る造影剤フローを追跡することを含む任意のプロシージャもまた企図されることが理解されるべきである。このようなプロシージャのために、単一スキャンが、異なるフェーズの1又は複数において造影剤を捉えるために実施されることができる。他の適切なフェーズの例は、動脈、膵臓、肝管、肝臓等のフェーズを含むが、これらに限定されるものではない。
上述したように、再構成器120は、K端アルゴリズムを用いることができる。以下は、この例では2つの造影剤のような、2つのK端物質に関する例示のアルゴリズムを示している。概して、放射線源110は、放出スペクトルT(E)をもつ多色放射線を放出する。i番目の検出器チャネルの検出信号は、dによって示され、式1によって記述されることができる:
Figure 0005539342
ここで、D(E)は、i番目の検出器チャネルのスペクトル感度であり、ρphoto、ρcompton、ρk−edge1及びρk−edge2は、それぞれ、光電効果、コンプトン効果、第1の物質のK端効果及び第2の物質のK端効果の密度と長さの積であり、光電効果、コンプトン効果、第1の物質のK端効果及び第2の物質のK端効果のエネルギー依存の吸収スペクトルは、それぞれ、P(E)、C(E)、K(E)及びK(E)によって示される。N個の造影剤物質の場合、式1は、付加の項ρk-edge3 K3(E) ...ρk-edge(2+N) KN+2(E)を含む。
画像生成器126への入力は、複数の、例えば4の、エネルギービンについて、エネルギー分解された検出信号dを有する。放出スペクトルT(E)及びスペクトル感度D(E)は、一般に知られている。吸収スペクトルP(E)、C(E)、K(E)及びK(E)は、知られている。エネルギー依存の関数及び検出信号dが知られており、少なくとも4つの検出信号d−dが少なくとも4つのエネルギービンb−bに関して利用可能であるので、4つの未知数を有する少なくとも4つの式の系が形成され、従って、既知の数学モデルによって解かれることができる。4以上のエネルギービンが利用できる場合、測定の雑音統計を考慮する最大尤度アプローチを使用することが好ましい。
結果として得られる密度と長さの積ρk−edge1及びρk−edge2は、それぞれ、第1の物質の寄与及び第2の物質の寄与であり、第1の物質に関する第1のK端画像及び第2の物質に関する第2のK端画像を生成するために使用されることができる。更に、光電効果に関する密度と長さの積ρphotoは、光電画像を再構成するために使用されることができ、コンプトン効果に関する密度と長さの積ρcomptonは、コンプトン効果画像を再構成するために使用されることができる。一般に、コンプトン効果画像及び光電効果画像は、対象自体を示す。これらの4つの画像は、1つずつ示されることができ、又はそれらは、混合されることができる。例えば、最終の画像は、第1の物質、第2の物質及びコンプトン効果画像及び/又は光電効果画像を示すことができる。4つのコンポーネントのうち1つ、幾つか又はすべてを示す1つの画像を再構成することも可能である。
スペクトル分解は、投影データに対して又は画像ドメインにおいて実施されることができる。
上述の例は、特定のアプリケーションに関して説明されているが、実施形態は、これらに限定されないが血流、血量及び/又は他の潅流パラメータのような、灌流に関連する他のパラメータを決定するために使用されることができることが理解されるべきである。
本発明は、さまざまな実施形態に関してここに記述された。当業者であれば、変形例及び変更例が、本明細書の記述を読み理解することにより思い付くであろう。すべてのこのような変形例及び変更例が添付の請求項又はその等価なもの範囲内にある限り、本発明は、それらを含むものとして解釈されることが意図される。

Claims (23)

  1. プロセッサ及びメモリを有するコンピュータにおいて潅流情報を決定する方法であって、前記プロセッサが、
    なくとも2つの異なる造影剤を示すデータのスペクトル分解を実施するステップであって、前記少なくとも2つの異なる造影剤は、調節プロファイルに基づいて同時に被検体の同じ血管へ投与されたものであって、それぞれ異なるスペクトル特性を示す、ステップと、
    スペクトル再構成に基づいて、前記少なくとも2つの異なる造影剤の濃度を決定するステップと、
    前記2つの異なる造影剤の濃度の比率及び前記調節プロファイルに基づいて、潅流パラメータを決定するステップと、
    実施する、方法。
  2. 前記調節プロファイルが、三角形、鋸歯又は正弦波のうちの1つである、請求項1に記載の方法。
  3. 投与され各造影剤の量は、ある時間にわたって実質的に連続的に変化する、請求項1又は2に記載の方法。
  4. 前記少なくとも2つの造影剤の合計量は、ある時間にわたって実質的に一定である、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の方法。
  5. 2つの異なる造影剤の調節プロファイルは反比例する、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の方法。
  6. 前記スペクトル分解は、少なくとも第1の造影剤に関する第1のK端成分及び第2の造影剤に関する第2のK端成分にデータを分解することを含む、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の方法。
  7. 前記潅流パラメータは、通過時間パラメータである、請求項1乃至のいずれか1項に記載の方法。
  8. 前記潅流パラメータは、注入時間に基づく絶対尺度である、請求項1乃至のいずれ1項に記載の方法。
  9. 前記少なくとも2つの異なる造影剤のうち少なくとも1つは、組織特異的な造影剤である、請求項1乃至のいずれか1項に記載の方法。
  10. 前記少なくとも2つの異なる造影剤のうち少なくとも1つは、非特異的な造影剤である、請求項1乃至のいずれか1項に記載の方法。
  11. コンピュータトモグラフィ装置の各部が制御手段によって制御されるコンピュータトモグラフィ装置の制御方法であって、コンピュータトモグラフィ装置が、多色放射線源と、検出器アレイと、再構成器とを有し、前記制御手段が、
    第1及び第2の造影剤が投与された被検体の単一スペクトルスキャンを実施するために、前記多色放射線源及び前記検出器アレイを制御するステップであって、前記第1及び第2の造影剤は、それぞれ異なるスペクトル特性を有し、前記被検体は、前記第1の造影剤の投与から第1の予め設定された時間遅延後に前記第2の造影剤を投与されたものであり、前記第1及び第2の造影剤は、前記被検体の同じ血管に投与されたものであり、前記単一スペクトルスキャンが、前記第2の造影剤の投与から第2の予め設定された時間遅延後に実施されるスキャンである、ステップと、
    前記再構成器を制御して、前記検出器アレイからの信号に基づき、第1の生理的フェーズを表わす前記第1の造影剤の第1の画像、及び第2の別の生理的フェーズを表わす前記第2の造影剤の第2の画像を生成するステップと、
    実施する、方法。
  12. 前記第1のフェーズが門脈静脈フェーズであり、前記第2のフェーズが大動脈フェーズである、請求項11に記載の方法。
  13. 前記第1の予め設定された時間が非ゼロである、請求項11又は12に記載の方法。
  14. 前記第1の予め設定された時間がほぼゼロである、請求項11又は12に記載の方法。
  15. 前記スキャンからのデータを、少なくとも前記第1の造影剤に関する第1のK端成分及び前記第2の造影剤に関する第2のK端成分に分解するステップを更に含む、請求項11乃至14のいずれか1項に記載の方法。
  16. 前記第1のK端成分は、前記生理的フェーズのうち一方を表わし、前記第2のK端成分は、前記生理的フェーズのうち別の一方を表わす、請求項15に記載の方法。
  17. 検査領域の周りを回転し、前記検査領域を横切る多色放射線を放出する放射線源と、
    前記検査領域をはさんで前記放射線源と向かい合って位置するとともに、前記検査領域を横切る放射線を検出し、それを示す信号を生成する検出器アレイと、
    造影剤調節プロファイルに基づいて、少なくとも第1の造影剤及び第2の造影剤を被検体の同じ血管に投与する注射器であって、前記造影剤調節プロファイルに従って、前記第1の造影剤の投与から第1の予め設定された時間遅延後に前記第2の造影剤が投与される、注射器と、
    前記第1の造影剤の第1の画像及び前記第2の造影剤の第2の画像を生成するために、前記信号をスペクトル的に再構成する再構成器と、
    を有し、前記第1及び第2の造影剤が、それぞれ異なるスペクトル特性を有し、前記第1及び第2の造影剤を捉えるための単一スペクトルスキャンが、前記第2の造影剤の投与から第2の予め設定された時間遅延後に実施され、前記再構成器が、前記単一スペクトルスキャンからのスキャンデータに基づいて、第1の生理的フェーズを表わす前記第1の造影剤の第1の画像、及び第2の別の生理的フェーズを表わす前記第2の造影剤の第2の画像を生成する、システム。
  18. 前記注射器は、前記第1及び前記第2の造影剤をそれぞれ異なる調節パターンに基づいて同時に投与する、請求項17に記載のシステム。
  19. 前記注射器は、前記第1及び前記第2の造影剤を、それらの投与の間に時間遅延を伴って連続的に投与する、請求項17に記載のシステム。
  20. 前記再構成器は、前記信号を、少なくとも第1のK端成分及び第2のK端成分を含む成分に分解し、前記第1の画像は、前記第1のK端成分に基づき、前記第2の画像は、前記第2のK端成分に基づく、請求項17乃至19のいずれか1項に記載のシステム。
  21. 前記再構成器は更に、前記信号を、コンプトン効果成分及び光電効果成分に分解し、第3の画像が、前記コンプトン効果成分に基づいて生成され、第4の画像が、前記光電効果成分に基づいて生成される、請求項20に記載のシステム。
  22. 前記調節プロファイルを決定し、提供する調節器を更に有する、請求項17乃至21のいずれか1項に記載のシステム。
  23. 検査領域の周りを回転し、前記検査領域を横切る多色放射線を放出する放射線源と、
    前記検査領域をはさんで前記放射線源と向かい合って位置するとともに、前記検査領域を横切る放射線を検出し、それを示す信号を生成する検出器アレイと、
    造影剤調節プロファイルに基づいて、少なくとも2つの異なる造影剤を被検体の同じ血管へ同時に投与する注射器であって、前記少なくとも2つの異なる造影剤は、それぞれ異なるスペクトル特性を示すものである、注射器と、
    前記少なくとも2つの異なる造影剤を示すデータのスペクトル分解を実施する手段と、
    スペクトル再構成に基づいて、前記少なくとも2つの異なる造影剤の濃度を決定する手段と、
    前記2つの異なる濃度の比率及び前記調節プロファイルに基づいて、潅流パラメータを決定する手段と、
    を有するシステム。
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