根據(jù)動態(tài)對比增強mr數(shù)據(jù)的對組織的生理參數(shù)的確定的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于根據(jù)動態(tài)對比增強圖像數(shù)據(jù)，尤其是MR數(shù)據(jù)，來確定組織的生理 參數(shù)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 根據(jù) Paul S. Tofts 等人的文章 "Estimating Kinetic Parameters From Dynamic Contrast-Enhanced Tl-ffeighted MRI of a Diffusible Tracer:Standardized Quantities and Symbols'，，Journal of magnetic resonance imaging，10 :第223 - 232頁 (1999)已知對微脈管結(jié)構(gòu)的確定。
[0003] 已知方法采用動態(tài)對比增強T1加權(quán)磁共振成像方法。來自感興趣區(qū)域的磁共振 信號能夠給出關(guān)于血流、毛細管滲漏以及有關(guān)的生理參數(shù)的信息。根據(jù)采集的圖像數(shù)據(jù)，諸 如脈管外細胞外空間與血漿之間的通量率的動力學(xué)參數(shù)被計算。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是根據(jù)動態(tài)對比增強磁共振信號來確定組織的微脈管結(jié)構(gòu)。
[0005] 根據(jù)本發(fā)明，通過根據(jù)動態(tài)對比增強圖像數(shù)據(jù)一一尤其是動態(tài)對比增強磁共振數(shù) 據(jù)一一來確定微脈管結(jié)構(gòu)的方法來實現(xiàn)該目的，所述動態(tài)對比增強圖像數(shù)據(jù)是從被施予到 要被檢查的對象的至少部分的對比劑采集的，其中，根據(jù)所述動態(tài)對比增強磁共振數(shù)據(jù)，滲 漏參數(shù)（kep)和彌散參數(shù)（K)考慮對比劑的對流彌散和外滲動力學(xué)兩者的影響而被計算。
[0006] 本發(fā)明采用從要被檢查的患者采集的動態(tài)對比增強圖像數(shù)據(jù)，對比劑已經(jīng)被施予 到所述患者或者內(nèi)源性對比劑被采用。所述對比增強圖像數(shù)據(jù)尤其可以是對比增強磁共振 數(shù)據(jù)，但是對比增強（X射線）計算機斷層攝影、旋轉(zhuǎn)X射線（血管造影）成像或者對比增 強超聲也可以用于生成所述對比增強圖像數(shù)據(jù)，可以根據(jù)所述對比增強圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)出所述 微脈管結(jié)構(gòu)。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明，表征微脈管結(jié)構(gòu)和滲透性的滲漏參數(shù)和彌散參數(shù)根據(jù)所述對比度增 強圖像數(shù)據(jù)（例如磁共振數(shù)據(jù)）而被計算。連接性彌散表示所述對比劑的當(dāng)它前進通過在 檢查中的所述對象上的血管時的脈管內(nèi)輸運動力學(xué)。彌散參數(shù)表現(xiàn)為是用于表征血管形成 并且因此癌癥組織的存在的好的指標(biāo)。彌散參數(shù)k表示在平方載體速度（由于常規(guī)）與 (表觀）彌散系數(shù)之間的局部比率。這尤其歸因于脈管扭轉(zhuǎn)的作用，所述脈管扭轉(zhuǎn)與血管形 成微血管中的增加良好相關(guān)。較高的扭轉(zhuǎn)對抗彌散，使得對比劑被約束在空間中并且彌散 時間增加。
[0008] 本發(fā)明的觀點是，對比劑滲漏出血管到脈管外組織中提供了針對對比劑濃度的輸 運動力的主要貢獻，針對彌散參數(shù)的更加準(zhǔn)確和可靠的結(jié)果被獲得。此外，根據(jù)本發(fā)明，不 需要動脈輸入功能的估計或測量。本發(fā)明還使得能夠進行滲漏參數(shù)和彌散參數(shù)的同時計 算。
[0009] 本發(fā)明的這些和其他方面將參考從屬權(quán)利要求中定義的實施例而進一步被詳盡 闡述。
[0010] 在本發(fā)明的一個方面中，通過將時間濃度曲線擬合到改進的局部密度隨機行走模 型來對所述對流彌散進行建模。以該方式，對流彌散效應(yīng)通過求解對比劑的對流彌散而被 考慮。此外，通過正態(tài)（即高斯）空間分布來對對比劑的游移團進行近似呈現(xiàn)準(zhǔn)確表示。該 近似提供了代數(shù)解并且降低了計算負擔(dān)。
[0011] 在本發(fā)明的又一方面中，毛細管室對測量的對比增強磁共振數(shù)據(jù)的貢獻被忽略。 這實現(xiàn)簡化的彌散模型。
[0012] 在本發(fā)明的又一方面中，采用滲漏的簡單單室表示。然后滲漏參數(shù)能夠被簡單地 計算為脈管外滲漏時間常數(shù)與脈管外空間的分數(shù)體積的比率。
[0013] 本發(fā)明還涉及一種用于根據(jù)動態(tài)對比增強磁共振數(shù)據(jù)來確定微脈管結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù) 處理系統(tǒng)和計算機程序。本發(fā)明所述的計算機程序被定義在權(quán)利要求6中并且包括指令， 所述指令當(dāng)在計算機上運行時執(zhí)行本發(fā)明所述的方法。本發(fā)明所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)被定義 在權(quán)利要求7中，并且具有被配置為執(zhí)行本發(fā)明所述的方法的硬件和軟件。本發(fā)明所述的 計算機程序能夠被提供在諸如CD-ROM盤或者USB記憶棒的數(shù)據(jù)載體上，或者本發(fā)明所述的 計算機程序能夠從數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，例如萬維網(wǎng)被下載。當(dāng)被安裝在被包括在磁共振成像系統(tǒng)中 的計算機中時，使得所述磁共振成像系統(tǒng)能夠根據(jù)本發(fā)明進行操作。
[0014] 本發(fā)明所述的方法的結(jié)果是對要檢查的患者的微脈管結(jié)構(gòu)的定量分析。該定量結(jié) 果是能夠由醫(yī)師采用來評定要檢查的患者的區(qū)域的脈管分布的狀態(tài)的技術(shù)中間結(jié)果。
【附圖說明】
[0015] 本發(fā)明的這些和其他方面將參考下文描述的實施例并且參考附圖而被闡述，其 中：
[0016] 圖1從左到右示出了通過T2、加權(quán)擴散以及DCE MRI的前列腺圖像；
[0017] 圖2示出了利用RDM(左曲線圖）和FDM(右曲線圖）擬合的測量的TCC。也示出 了通過FDM擬合的脈管內(nèi)（Cp(t))和脈管外（Cp(t))濃度的估計的單獨貢獻；
[0018] 圖3示出了包括（a)和不包括（b)組織結(jié)構(gòu)的范例，其中，組織結(jié)構(gòu)在對應(yīng)于圖1 的（a)中；
[0019] 圖4示出了對應(yīng)于圖1中的掃描以及圖3a中的組織結(jié)構(gòu)的參數(shù)化圖；并且
[0020] 圖5示出了關(guān)于整個分析的數(shù)據(jù)集的針對不同參數(shù)化圖的受試者操作特性（R0C) 曲線。
【具體實施方式】
[0021] 本發(fā)明解決了通過DCE MRI的彌散成像的可行性首次被研究。通過將改進的局部 密度隨機行走（mLDRW)模型擬合到測量的TCC來評定脈管內(nèi)彌散。該模型是假設(shè)對比團劑 在通過每個檢測體素的團通道之前的空間中的正常分布的對流擴散方程的解。更精確地， 估計的脈管內(nèi)彌散參數(shù)k= V2/D表示在對比劑對流（平方速度V2)與彌散（D)之間的局 部比率。由對流彌散方程中的彌散系數(shù)D表示的彌散受并發(fā)過程影響，所述并發(fā)過程包括 分子擴散、流量分布以及由于由微脈管網(wǎng)絡(luò)定義的多路徑軌跡的渡越時間分布。在微脈管 中，后者項是支配性的，并且彌散可以表示用于表征微脈管結(jié)構(gòu)的有價值的選擇。
[0022] 盡管當(dāng)血液池劑被使用時能夠直接應(yīng)用mLDRW模型，但是優(yōu)選地，鑒于脈管外滲 漏的存在來分離脈管內(nèi)與脈管外相。為此，mLDRW模型集成在兩室Tofts模型中并且用于 表示脈管內(nèi)血漿室。兩室微分方程然后被積分以實現(xiàn)的新的整體性模型，所述新的整體性 模型的參數(shù)準(zhǔn)許對彌散k和滲透性兩者的評定。由于包括六個參數(shù)的大的參數(shù)設(shè)定， 準(zhǔn)確參數(shù)估計的實現(xiàn)是挑戰(zhàn)性的。因此，簡化的彌散模型也被提出，其中，毛細管室對測量 的信號的貢獻被忽略，從而將模型參數(shù)設(shè)定簡化到五個參數(shù)。
[0023] 由于其相關(guān)性和發(fā)病率，PCa被選擇以測試所提出的方法的臨床可行性。在美國， PCa分別占男性的全部癌癥診斷和死亡的28%和10%。盡管有效聚焦治療可用，但是它們 的及時和有效使用由于用于前列腺癌的及時定位的可靠成像方法的缺乏而被阻礙。多參數(shù) (mp) MRI的使用，其通常結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)T2、滲透性以及擴散加權(quán)MRI，已經(jīng)被提出為用于PCa成像 的可能有效選項。然而，mpMRI的合適的應(yīng)用和解析仍然是復(fù)雜的流程，需要專家中心的參 與。結(jié)果，PCa的當(dāng)前臨床診斷仍然基于重復(fù)的系統(tǒng)性活檢。
[0024] 所提出的方法利用被診斷為具有前列腺癌的十個患者而被評估并且參考根治性 前列腺切除術(shù)。在釓-DPTA的團劑的靜脈內(nèi)注射之后，時間濃度曲線在每個像素處被測量， 并且由所提出的模型擬合以生成滲透性和彌散圖。實現(xiàn)（水）表觀擴散系數(shù)（ADC)的參數(shù) 化圖的擴散加權(quán)MRI也被執(zhí)行并且用于比較。所提出的方法針對它們的基于像素分辨癌癥 組織與健康組織的能力而被評估。由在根治性前列腺切除術(shù)之后的組織結(jié)構(gòu)結(jié)果表示地面 實況（ground truth) 〇
[0025] 理論
[0026] 脈管內(nèi)彌散
[0027] 對流彌散描述了由流動的載體流體輸運的指示劑團劑的過程。通過兩個主要現(xiàn) 象，即對流和彌散，的驅(qū)動，在空間中的團劑分布隨時間進行演變。對流表示由于載體流體 的曳力的團劑空間分布的轉(zhuǎn)變。在多數(shù)臨床應(yīng)用中，對流速度被假設(shè)為等于載流體速度。總 體而言，彌散表示由于由熱量和濃度梯度驅(qū)動的分子擴散的指示劑的布朗運動[b]。然而， 在對流現(xiàn)象的存在下，彌散受流體動力學(xué)效應(yīng)支配，所述流體動力學(xué)效應(yīng)例如在較大血管 中的流量分布或者在微循環(huán)中的多路徑軌跡。對彌散的所有上述貢獻的組合被G. I. Taylor 稱為表觀彌散[a]。描述簡化在一維中的對流彌散現(xiàn)象的方程被給出為：
[0028]
[1]
[0029] 其中，x和t分別表示空間和時間，v為載體速度，并且D為表觀彌散系數(shù)，從現(xiàn)在 開始被稱為彌散系數(shù)。在方程[1]中，D被假設(shè)為時間不變量和局部常數(shù)。
[0030] 方程[1]的解由局部密度隨機行走模型給出，所述局部密度的隨機行走模型是根 據(jù)參考文獻[b，c]本質(zhì)上已知的。為了獲得其彌散相關(guān)參數(shù)表示在測量位點處的獨立于注 射位點與檢測位點之間的團劑歷史的局部特性的解，Kuenen等人[f]最近已經(jīng)提出了對流 彌散方程的改進的解，被稱為改進的LDRW(mLDRW)模型。針對mLDRW解的邊界條件簡化到 游移團在進入檢測位點之前的正?？臻g分布的假設(shè)。mLDRW