专利名称：肺功能分析方法和装置的制作方法
肺功能分析方法和装置本发明涉及用于产生反映肺功能的数据的方法，尤其但非排他地涉及将数学模型应用于通过肺的氧气增强磁共振成像所产生的数据以进一步产生反映肺功能的数据。应该注意，由于许多原因临床医生将希望测试肺功能。例如，由于肺通气受到一系列肺部疾病的影响，所以表征肺通气能够提供有用的信息。目前，标准的肺功能测试可以评价用于描述肺部生理机能的广泛的全局变量，但是不能被用来研究肺里区域性的疾病。通过在辐射发射物质穿过目标时产生辐射发射物质的图像，闪烁扫描术允许肺的特殊部位内的研究。这项技术通常需要吸入放射性物质并且受到低空间分辨率的限制。有价值的闪烁扫描成像技术的一个特殊例子是包括两个成像步骤的通气/灌注(V/Q)扫描。首先，当通过使用伽马相机来记录主体的胸部图像时，该主体被要求呼吸包含伽马辐射发射体(诸如放射性核素氙或锝)的气体混合物。所得图像在充满所述气体的肺部区域中显示为亮区，因此表示关于肺的哪些区域通气以及哪些区域不通气的信息。其次，当通过使用伽马相机进一步记录主体的胸部图像时，管理给该主体的进一步伽马发射 体(诸如放射性锝大颗粒凝聚蛋白(Tc99m-MAA)的静脉注射。所得图像在通过血液流动携带伽马发射体进入肺里的任何区域显示为亮区，因此表示关于肺部哪些区域被很好地灌注血液的信息。应当意识到，在一些情况下，所得图像看起来是阴暗的图像，也就是说与上述的亮区相反，深色区域表示辐射发射物质的更高浓度。在分析V/Q扫描结果时，临床医生可能会对生理参数感兴趣，如肺的某些区域被通空气或被灌注血液的情况如何，但是经常尤其对肺里局部区域的通气质量和灌注质量之间的不匹配感兴趣。这种不匹配表示肺里空气和血液之间的气体传输是低效的，因为得到吸入空气的肺部区域没有得到血液供应和/或得到血液供应的肺部区域没有得到空气供应。在如慢性阻塞性肺疾病的慢性疾病和如肺栓塞的急性疾病两种情况下，由于V/Q扫描可以用于识别引起肺部区域中通气/灌注不匹配的呼吸道或血管里的障碍物，所以V/Q扫描特别有价值。不幸地是，V/Q扫描提供相对低的分辨率、二维结果(即图像)。应当意识至IJ，如由体积数据所提供的更多区域信息将非常有价值，以便提供用于解决通气/灌注问题的更详细的预测和目标疗法。因此，已经研究了诸如磁共振成像(MRI)或X射线计算机断层成像(CT)之类的更高分辨率成像技术在肺部成像中的应用。氧增强磁共振成像(OE-MRI)是高分辨率成像技术，其作为使肺通气可视化的替代间接方法已经在健康志愿者和肺部疾病患者身上得到证明。分子氧是顺磁性的，因此当溶于水时由于其对T1 (对于MRI领域中的技术人员而言T1被称为纵向弛豫时间)的影响而作为MRI造影剂。MRI的另一个标准输出参数是R1，它是纵向弛豫率并且可以根据T1而被推导为R1 = 1/V由于氧气总是存在于活着的动物体内，所以在常规方式下不可能使用氧气作为造影剂(即假设所有可视造影剂是出于研究目的而已经被引入的造影剂，正如核医学研究一样)。相反地，当肺组织里的氧处于第一浓度时进行至少一次基线测量，并且当肺组织里的氧处于第二浓度时进行至少一次造影测量。然后计算基线测量和造影测量之间的差异。当与呼吸室空气(21%的氧气)相比时，呼吸100%的氧气引起溶解于包含在肺中的肺组织和血液中的水中的氧气的浓度的增加，而且这可以在用于指示基线测量和造影测量之间的差异的数据中观察到。特别地，溶解的氧气的浓度增加会产生T1的相应减少，其可以作为T1加权图像中的区域信号强度增长而被检测到，这里表示为AT1(因此上述的R1的差异被表示为AR1)。所得的数据AR1表示肺里溶解的氧气的浓度的增长。能够根据由OE-MRI所确定的纵向弛豫率AR1的变化来计算主体内感兴趣区域里的氧气的局部压力(partial pressure)的变化。Δ R1值和表示氧的局部压力的值之间的近似平均的转换因子是 A = 2. 49X 10_4s_1mmHg_1 (Zaharchuk G, Martin AJ, DillonWP. uNoninvasive imaging of quantitative cerebral blood flow changes during100% oxygen inhalation using arterial spin-labeling MR imaging.，，美国神经放身寸学杂志2008年4月；29 (4) :663_7)。通过将由OE-MRI研究所产生的每一个Λ R1值除以该转换因子!^，该转换因子可以用于将AR1测量转换成氧的局部压力(单位mmHg)，S卩APwq2=AR17Ar1,其中APwtJ2是组织水中以毫米萊柱(mmHg)为单位的氧的局部压力的变化。众所周知，应该在短时间段内对同一个患者执行多次扫描即“研究”，以便产生表示该研究段期间该主体的肺里多个感兴趣的局部区域内的氧的局部压力变化的数据集。 随着时间变化由于呼吸引起的从一个图像到下一个图像中肺的大小和形状的变化而使得通过多次OE-MRI扫描很难实现对肺部的高分辨率分析。屏气已经被应用到一些研究中，但是对于肺部疾病患者而言屏气可能不舒服，结果难以重复执行。也可以这样理解，由于需要可能导致正常呼吸功能虚假解释的大静态吸入，屏气会干扰正在被评估的现象。因此，已经开发了图像配准方法来在计算Λ R1之前校正呼吸运动(例如，参考Naish等人(2005年)的医学中的磁共振54 :464-469)。该方法允许肺部轮廓的配准，这样随着时间对同一主体多次扫描得到的数据能够被一起配准，结果是关于主体肺里相应位置的数据值本身是可以确认的。此外，不同主体之间的数据集的配准可以允许所述主体之间的肺功能的比较，从而可以至少部分地考虑不同的肺部大小和形状。如上文所述由OE-MRI扫描产生的每一个数据值涉及单一时间点上氧的局部压力的变化。甚至当进行研究时，即特定时期内的多个扫描，得到多个时间点的多个标量数据值。因此，不可能通过使用这样的方法来直接测量肺部需要检查位置的功能。如果能够找到利用OE-MRI研究所产生的数据值来推断主体的功能信息的方法，则在OE-MRI决议时能够确定整个肺部区域的功能数据。该数据对于人类或动物的诊断或预后评估将会非常有用。根据OE-MRI数据生成关于肺的功能数据的现有方法从构建样本即非常抽象的功能模型开始，该功能模型包括模型参数即被期望响应于肺功能的变化而变化的值。然后将该模型与随着时间变化产生的主体感兴趣部位的数据相拟合。该拟合可以采取许多形式，但是它的基本用途是将该模型应用到所述数据以便确定一个或多个模型参数的值，从而产生表示数据的具有可接受的准确性的模型。通过拟合所确定的模型参数的值之后被用来比较主体之间或随时间变化从同一主体获得的数据集之间的肺功能。通过收集经验证据验证了这种模型，一旦被拟合到数据，该模型就提供具有诊断能力的一组数据值。也就是说，该模型的至少一个参数的值依赖于主体的健康和/或特定诊断而变化。，然而，因为没有一个模型参数与可测量的生理参数直接相关，所以由这种模型产生的值不适合肺功能的定量分析。相反地，所述模型参数是通过大致近似生理功能而获得的抽象指示。
本发明的目的是消除或者减轻上述问题中的至少一个问题。根据本发明的第一方面，提供用于产生反映主体肺功能的数据的方法，该方法包括接收已经从主体获得的第一数据，并且将所述第一数据输入到肺功能模型中以便产生所述反映肺功能的数据；其中该肺功能模型包括用于基于反映吸入气体中氧含量和生物材料中氧含量的定量数据来模拟气态氧从肺里的气体空间转移至肺里的生物材料中的第一模型组件以及用于基于反映静脉血中氧含量的定量数据来模拟通过对静脉血充氧而从肺里转移氧以生成充氧血的第二模型组件。根据本发明第一方面的所述方法是有利的，因为第一模型组件和第二模型组件通过分别考虑肺里生物材料中的氧含量和静脉血中的氧含量而提供了改进的模型精度。已经意识到，在模型中考虑这两种特殊氧气浓度允许足够准确的对肺功能进行模拟以便产生反映肺功能的数据。
本发明上下文中的生物材料是指组成肺的非气体性物质。更确切地说，生物材料包括血液和组织，无论是肺组织(或软细胞组织)、血管还是其它包含癌组织的组织。生物材料还可以包括非血液的体液。本发明上下文中的气体空间和肺泡空间是指肺里非固体和非液体空间。更确切地说，气体空间和肺泡空间包括肺里的支气管、细支气管、肺泡、肺泡管和肺泡囊。反映吸入气体中的氧含量的数据的量可以反映吸入气体中氧含量的变化。反映生物材料中的氧含量的量化数据可以反映生物材料中氧含量的变化。反映静脉血中的氧含量的量化数据可以反映静脉血中氧含量的变化。第二模型组件可以包括表示血液流量的第一参数。所生成的数据可以包括针对表示血液流量的第一参数的至少一个值。该第一参数的使用是有利的，因为该模型能够或者接收已经确定的关于主体中的血流量的数据作为该模型的输入，或者优选地能够从该模型产生关于血流量的量化数据。第一模型参数可以用每单位时间每肺体积的血液体积为单位来表示。第一模型组件可以包括表示至少部分气体空间中吸入气体的体积的第二参数。所生成的数据可以包括针对表示至少部分气体空间中的吸入气体的体积的第二参数的至少一个值。该第二参数的使用是有利的，因为该模型能够或者接收已经确定的关于由主体吸入的气体的体积的数据作为该模型的输入，或者能够从该模型产生关于肺里吸入气体的体积的量化数据。根据本发明第一方面的所述方法还可以包括基于所述第一参数和第二参数生成数据。基于所述第一参数和第二参数生成数据可以包括对所述第一参数的值和第二参数的值执行算术运算。该算术运算可以是基于所述第二参数的通气值除以基于所述第一参数的灌注值。如上所述，关于通气和灌注的信息特别是关于通气/灌注不匹配的信息在临床环境中非常有价值。基于肺里血液和空气运动(不是辐射发射造影剂的运动)的模型的优点是能够产生与已知统计平均值进行比较、在患者之间进行比较或者随时间变化对同一患者多次扫描的比较的量化值。由于造影剂运动的不可预知性，已知的V/Q扫描不适合于这种量化比较。当然，来自已知的V/Q扫描的图像可被临床医生可视地评估或比较。肺功能模型可以对包括包含所述气体空间的第一部分和包含所述生物材料的第二部分的部分肺的肺功能进行模拟。第一参数可以表示通过这部分肺的第二部分的血液流量。第二参数可以表示这部分肺的第一部分中的吸入气体的体积。反映静脉血中的氧含量的量化数据可以包括多个各自与各个时间点处的氧含量相关的值。该方法还可以包括接收反映静脉血中的氧含量(或者氧含量的变化)的量化数据，该反映静脉血中的氧含量的量化数据已经从主体获得。也就是说，可以对主体上进行单个或多个测试来确定表示静脉血中的氧含量的量化数据。该模型可以包括表示氧在血液里的溶解度的组件。表示氧在血液里的溶解度的该组件可以基于血红蛋白氧饱和度的溶解曲线。该模型可以通过使用线性函数或可替换地二次函数或曲线函数来近似血液中的氧的溶解度。第一模型组件可以包括表示吸入气体的量的第一部分。该第一模型组件还可以包括表示从气体空间扩散至生物材料的氧的量的第二部分。该第一模型组件可以通过所述第 一模型组件的第一部分和第二部分的差异来定义。第二模型组件可以包括表示从气体空间扩散至生物材料的氧的量的第一部分。该第二模型组件还可以包括表示通过静脉血充氧从肺部转移的氧的第二部分。该第二模型组件可以通过所述第二模型组件的第一部分和第二部分的差异来定义。通过已知的比例常数，该模型可以假设肺里气体空间里的氧浓度与肺里生物材料里的氧浓度基本上成比例。该模型可以假设肺里气体空间里的氧浓度与生物材料里的氧浓度基本相等。该模型可以包括用于指示由所述第一部分和第二部分组成的肺的一部分的比例的第三参数。根据本发明第一方面的所述方法还可以包括接收针对第三参数的至少一个值作为输入。针对第三参数的至少一个值可以已经从所述主体获得。也就是说，可以从主体获得数据(例如图像数据)以用于生成所述第三参数的值。该数据可以通过任何适当的方法获得，包括X-射线计算机断层扫描或磁共振质子密度扫描。第一模型组件和第二模型组件可以根据所述比例而被组合在模型中。该模型可以具有下述形式
权利要求
1.一种用于生成反映主体的肺功能的数据的方法，该方法包括 接收已经从所述主体获得的第一数据；以及 输入所述第一数据到肺功能模型中以用于生成反映肺功能的所述数据； 其中所述肺功能模型包括用于基于反映吸入气体中的氧含量和生物材料中的氧含量的定量数据来模拟气态氧从所述肺里的气体空间转移至所述肺里的生物材料的第一模型组件以及用于基于反映静脉血中的氧含量的定量数据来模拟通过对静脉血充氧而从所述肺转移氧以生成充氧血的第二模型组件。
2.根据权利要求I所述的方法，其中所述第二模型组件包括表示血液流量的第一参数。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所生成的数据包括针对表示血液流量的所述第一参数的至少一个值。
4.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中所述第一模型组件包括表示至少部分所述气体空间中吸入气体的体积的第二参数。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所生成的数据包括针对表示至少部分所述气体空间中吸入气体的体积的所述第二参数的至少一个值。
6.根据基于权利要求3或4的权利要求4或5所述的方法，该方法还包括基于所述第一参数和所述第二参数生成数据。
7.根据权利要求6所述的方法，其中基于所述第一参数和所述第二参数生成数据包括对所述第一参数的值和所述第二参数的值执行算术运算。
8.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中所述肺功能模型对包括包含所述气体空间的第一部分和包含所述生物材料的第二部分的部分肺的肺功能进行模拟。
9.根据基于权利要求2或3的权利要求8所述的方法，其中所述第一参数表示通过所述部分肺的所述第二部分的血液流量。
10.根据基于权利要求4或5的权利要求8或9所述的方法，其中所述第二参数表示所述部分肺的所述第一部分中的吸入气体的体积。
11.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中所述反映所述静脉血中氧含量的定量数据包括多个值，每个值与各个时间处的氧含量相关。
12.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中该方法还包括接收所述反映所述静脉血中的氧含量的定量数据，所述反映所述静脉血中的氧含量的定量数据已经从所述主体获得。
13.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中所述模型包括表示血液中氧的溶解度的参数。
14.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中所述第一组件包括表示吸入气体的量的第一部分。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一组件还包括表示从所述气体空间扩散至所述生物材料中的氧的量的第二部分。
16.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中所述第二组件包括表示从所述气体空间扩散至所述生物材料中的氧的量的第一部分。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第二组件还包括表示通过静脉血充氧从所述肺转移氧的第二部分。
18.根据权利要求14至17中任一项权利要求所述的方法，其中所述模型基于所述肺里所述气体空间中的氧的浓度基本等于所述生物材料中的氧的浓度的假设。
19.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中所述模型使用线性函数来近似血液中氧的饱和度。
20.根据权利要求8或权利要求9至19中基于权利要求8时的任一项权利要求所述的方法，其中所述模型包括用于指示由所述第一部分和所述第二部分组成的所述部分肺的比例的第三参数。
21.根据权利要求20所述的方法，该方法还包括接收所述第三参数的至少一个值作为输入。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述第三参数的至少一个值已经从所述主体获得。
23.根据权利要求20至22中的任何一个权利要求所述的方法，其中所述第一组件和所述第二组件根据所述比例被一起组合在所述模型中。
24.根据权利要求8或基于权利要求8的任一前述权利要求所述的方法，其中所述模型具有以下形式
25.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中所述反映所述生物材料中的氧含量的定量数据是磁共振数据。
26.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中所述生成包括将莱温伯格马夸特非线性最小二乘拟合算法应用到所述模型中以使所述模型适于所述输入数据。
27.一种用于生成反映主体的肺里的通气和灌注的数据的方法，该方法包括 当所述主体吸入包含第一浓度氧的气体时，获得反映通气和灌注的第一数据； 当所述主体吸入包含第二浓度氧的气体时，获得反映通气和灌注的第二数据； 基于所述第一数据和第二数据生成第三数据； 基于所述第三数据确定反映通气和灌注的定量数据。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述第一浓度氧大约是21%和/或所述第二浓度氧大约是100%。
29.根据权利要求27或28中的任一项权利要求所述的方法，其中所述第一数据和/或所述第二数据是从所述主体获得的磁共振数据。
30.根据权利要求27至29中的任一项权利要求所述的方法，其中所述确定包括使用数学模型处理所述第三数据。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述处理包括基于所述第三数据确定所述数学模型的参数的至少一个值。
32.根据权利要求27至31中的任一项权利要求所述的方法，其中所述数学模型包括用于基于反映吸入气体中的氧含量和生物材料中的氧含量的定量数据来模拟气态氧从所述肺里的气体空间至所述肺里所述生物材料的转移的第一模型组件以及用于基于反映静脉血中的氧含量的定量数据来模拟通过静脉血充氧而从所述肺转移氧以生成充氧血的第二模型组件。
33.根据权利要求27至31中的任一项权利要求所述的方法，其中所述第一数据和所述第二数据中的至少其中一者根据权利要求I至26中的任一项权利要求所述的方法而被生成。
34.一种用于生成反映主体的肺功能的数据的装置，该装置包括 用于接收已经从所述主体获得的第一数据的设备；以及 用于输入所述第一数据至肺功能模型以生成反映肺功能的所述数据的设备； 其中所述肺功能模型包括用于基于反映吸入气体中的氧含量和生物材料中的氧含量的定量数据来模拟气态氧从所述肺里的气体空间转移至所述肺里的所述生物材料的第一模型组件以及用于基于反映静脉血中的氧含量的定量数据来模拟通过静脉血充氧而从所述肺转移氧以生成充氧血的第二模型组件。
35.一种用于生成反映主体的肺里的通气和灌注的数据的装置，该装置包括 用于当所述主体吸入包含第一浓度氧的气体时获得反映通气和灌注的第一数据的设备; 用于当所述主体吸入包含第二浓度氧的气体时获得反映通气和灌注的第二数据的设备; 用于基于所述第一数据和所述第二数据生成第三数据的设备； 用于基于所述第三数据确定反映通气和灌注的定量数据的设备。
36.一种包括计算机可读指令的计算机程序，所述计算机可读指令用于促使计算机执行根据权利要求I至33中的任一项权利要求所述的方法。
37.一种携带根据权利要求36所述的计算机程序的计算机可读介质。
38.一种装置，该装置包括 用于存储处理器可读指令的存储器；以及 用于读取和执行存储于所述程序存储器中的指令的处理器； 其中所述处理器可读指令包括用于促使所述处理器执行根据权利要求I至33的任一项权利要求所述的方法的指令。
全文摘要
一种用于生成反映主体的肺功能的数据的方法。该方法包括接收已经从主体获得的第一数据，输入所述第一数据至肺功能模型以生成反映肺功能的所述数据。该肺功能模型包括用于基于反映吸入气体中的氧含量和生物材料中的氧含量的定量数据来模拟气态氧从肺里的气体空间转移至肺里的生物材料的第一模型组件及用于基于反映静脉血中的氧含量的定量数据来模拟通过对静脉血充氧而从肺里转移氧以生成充氧血的第二模型组件。
文档编号A61B5/08GK102667516SQ201080049915
公开日2012年9月12日 申请日期2010年10月27日 优先权日2009年11月3日
发明者G·帕克, J·奈什 申请人:生物氧动力有限公司