Системы и способы оценки переноса газа в легких, используя mpt с гиперполяризованным 129xe

Системы и способы оценки переноса газа в легких, используя mpt с гиперполяризованным 129xe

Иллюстрации

Показать все

Реферат

РОДСТВЕННАЯ ЗАЯВКА НА ПАТЕНТ

Данная заявка притязает на приоритет предварительной заявки на патент США, поданной 3 октября 2006 года, содержание которой включено в данное описание полностью при помощи ссылки.

ПРАВИТЕЛЬСТВЕННЫЕ ГРАНТЫ

Изобретение выполнено с использованием правительственных грантов, включая грант NCRR/NCI Национального Центра Биомедицинских технологий (NCRR/NCI National Biomedical Technology Resource Center)(P41 RR005959/R24CA 092656) и грант Национального Института Здоровья (National Institutes of Health), NIH/NHLBI (R01 HL055348). Правительство США имеет определенные права на настоящее изобретение.

ЗАЩИТА АВТОРСКИХ ПРАВ

Часть раскрытия настоящего патентного документа содержит материалы, которые находятся под защитой авторских прав. Владелец авторских прав не возражает против факсимилирования или копирования патентного документа или его раскрытия в том виде, как оно представлено в материалах, находящихся в патентном ведомстве США, но с сохранением всех остальных прав.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к ЯМР-спектроскопии и МРТ (Магнитно-Резонансной Томографии).

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Для обмена газов в легких необходима вентиляция, перфузия и диффузия газов через барьер кровь-газ в альвеолах. Несмотря на то что вентиляцию [1,2] и перфузию легких [3, 4] можно исследовать различными методами визуализации, в настоящее время отсутствуют способы визуализации переноса газов в системе альвеола-капилляр (альвеолярно-капиллярный перенос). К сожалению, некоторые патологии легких, такие как, например, воспаление, фиброз и отек, сначала могут воздействовать преимущественно на процесс газообмена, а не на вентиляцию и перфузию. В настоящее время трудно определить степень, в которой присутствует или отсутствует "блокада диффузии" [5] в барьере кровь-газ [6]. В здоровых альвеолах среднее гармоническое толщины барьера кровь-газ, как определено Weibel [7], составляет примерно 0,77 мкм, и кислород преодолевает это расстояние менее чем за миллисекунду, насыщая красные кровяные клетки (RBC) за десятки миллисекунд. Однако в тех областях, где барьер утолщен, диффузия кислорода через такой барьер не может происходить достаточно быстро, чтобы насытить RBC, до того как они покинут область газообмена, которая у человека оценивается равной 750 мс [5], у крыс - 300 мс [8].

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Варианты осуществления настоящего изобретения предоставляют системы и способы неинвазивного получения данных спектров или изображений, связанных с альвеолярно-капиллярным переносом газов, путем использования гиперполяризованного ¹²⁹Xe. Изображения могут представлять собой прямые изображения, которые визуально отображают способность (или неспособность) барьера к переносу газа в красные кровяные клетки.

Варианты осуществления настоящего изобретения предоставляют изображения, которые можно использовать для диагностики заболеваний или поражения легких, изучения или оценки интерстициальных заболеваний или поражений легких и/или прогрессирования или ослабления этих заболеваний и/или оценки эффективности направленной терапии, побочных эффектов или неумышленных негативных эффектов, возникающих в результате терапии, или медикаментозного лечения на альвеолярно-капиллярный перенос газов.

Варианты осуществления настоящего изобретения направлены на способы предоставления МРТ-данных по газообмену в легких и/или состоянию альвеолярно-капиллярного барьера. Способы включают в себя: (a) передачу визуализирующей последовательности РЧ МРТ-импульсов возбуждения, сконфигурированной для возбуждения гиперполяризованного ¹²⁹Xe растворенной фазы в области газообмена легкого у пациента; и (b) генерацию трехмерного МРТ-изображения ¹²⁹Xe барьера кровь-газ легкого с использованием данных по восстановлению сигналов МРТ-изображения ¹²⁹Xe растворенной фазы, ассоциированных как с компартментом красных кровяных клеток (RBC), так и компартментом барьера. Визуализирующая последовательность РЧ импульсов возбуждения включает в себя 3D спин-эховизуализирующую последовательность таким образом, что 3D спин-эхопоследовательность генерирует эхо с примерно 90 градусной разностью фаз между сигналами компартмента RBC и компартмента барьера.

В некоторых вариантах осуществления 180 градусный рефокусирующий РЧ импульс таймируют достаточно рано, и считывающий градиент задерживают в достаточной степени, чтобы сгенерировать в центре k-пространства 90-градусную разность фаз между сигналами компартмента RBC и компартмента барьера. Этапы переноса и генерации можно осуществлять путем сбора и реконструкции данных с грубым шагом дискретизации.

3D изображение может быть получено с использованием периода повторения РЧ импульсов в диапазоне между примерно 10-200 мс, обычно между примерно 10-60 мс и более предпочтительно между примерно 20-40 мс, и, необязательно, импульсов возбуждения для углов переворота (flip angle) (таких как по меньшей мере примерно 40 градусов, и обычно примерно 90 градусов) с последующим рефокусирующим импульсом.

Полученное изображение можно использовать для оценки по меньшей мере одного из следующего: газообмена, толщины барьера, тонкости, микроциркуляторной части, площади альвеолярной поверхности или функции барьера, на основании 3D МРТ-изображения ¹²⁹Xe. Трехмерное изображение может иметь разрешение, достаточное для визуального представления функционального биомаркера у пациентов с лучевым фиброзом. Трехмерное изображение может иметь разрешение, достаточное для визуального определения утолщения и/или утоньшения барьера кровь-газ, и/или разрешение, достаточное для визуального определения потерь в микроциркуляторной части или потерь или увеличения площади альвеолярной поверхности.

Способы также необязательно могут включать в себя генерацию по меньшей мере одних данных сигнала МРТ-изображения ¹²⁹Xe растворенной фазы барьера области газообмена легкого и генерацию изображения барьера. Этап оценки может включать в себя одновременное отображение полученных изображений RBC и барьера. Этап оценки может включать в себя визуальное или выполняемое электронным образом сравнение полученных изображений ¹²⁹Xe RBC и барьера для детектирования ослабления МРТ-сигнала ¹²⁹Xe растворенной фазы на изображении ¹²⁹Xe RBC. В конкретных вариантах осуществления этап получения по меньшей мере одних данных сигнала МРТ-изображения ¹²⁹Xe RBC и этап получения данных сигнала MRT-изображения ¹²⁹Xe барьера могут включать в себя получение множества соответствующих изображений с разными периодами повторения (TR) РЧ импульсов, в диапазоне между примерно 0-60 мс, для определения восстановления сигналов пиксель за пикселем.

Способ может дополнительно включать в себя получение данных сигнала МРТ-изображения ¹²⁹Xe газовой фазы пациента. Способ также необязательно может включать в себя генерацию электронным образом карты-поля сдвигов пространственно изменяющегося поля, соответствующих неоднородности магнитного поля, ассоциированной с МРТ сканером, используемым для генерации полученных данных сигнала изображения ¹²⁹Xe газовой фазы; и коррекцию электронным образом данных сигнала, ассоциированного с МРТ-изображениями ¹²⁹Xe растворенной фазы RBC и барьера, используя указанную карту-поле сдвигов поля.

В некоторых вариантах осуществления этап генерации включает в себя сбор множества изображений ¹²⁹Xe растворенной фазы с множеством периодов повторения для определения толщины барьера и диффузии ¹²⁹Xe. Способ может включать в себя генерацию достаточного количества данных изображений растворенной фазы RBC и барьера для аппроксимации кривой восстановления сигналов пиксель за пикселем.

В конкретных вариантах осуществления этап генерации изображения включает в себя оценку электронным образом данных сигнала при помощи одноточечной оценки по Диксону данных МРТ-сигнала ¹²⁹Xe растворенной фазы, содержащих как данные сигналов RBC, так и данные сигналов барьера.

Другие варианты осуществления направлены на системы МРТ-сканера. Системы МРТ-сканера включают в себя: (a) МРТ-сканер; и (b) МРТ-приемник с множеством каналов, связанных с МРТ-сканером, включая первый канал, выполненный с возможностью приема данных сигналов ¹²⁹Xe RBC, и второй канал, выполненный с возможностью приема данных сигналов ¹²⁹Xe барьера. МРТ-сканер выполнен с возможностью установки при помощи программных средств частоты и фазы МРТ-сканера для режима визуализации ¹²⁹Xe растворенной фазы, посредством чего частота и фаза сканера настраиваются электронным образом на получение изображения альвеолярно-капиллярного переноса ксенона.

В некоторых вариантах осуществления фаза первого канала приемника может быть установлена таким образом, чтобы резонанс RBC (такой как 211 ppm) соответствовал реальному каналу, а фаза второго канала приемника может быть установлена таким образом, чтобы резонанс барьера (такой как 197 ppm) в отрицательном мнимом канале запаздывал примерно на 90 градусов. В качестве альтернативы, RBC канал может быть установлен на +90 градусов (мнимый), а канал барьера может быть установлен на 0 градусов (реальный).

МРТ-сканер может включать в себя последовательность сканирования, которая автоматически переключает частоту МРТ-сканера с ¹²⁹Xe газообразной фазы на ¹²⁹Xe растворенной фазы, затем назад на ¹²⁹Xe газообразной фазы, чтобы собирать таким образом требуемые части наборов данных изображений в газообразной и растворенной фазах чередующимся образом. МРТ-сканер может быть выполнен с возможностью обеспечения первого МРТ-изображения ¹²⁹Xe RBC легкого и второго соответствующего МРТ-изображения ¹²⁹Xe барьера легкого и по существу одновременного отображения электронным образом двух изображений рядом друг с другом.

МРТ-сканер может быть выполнен с возможностью направления МРТ-сканера при помощи программных средств на передачу 3D спин-эхо последовательности РЧ импульсов возбуждения, сконфигурированной для генерации в центре k-пространства 90-градусной разности фаз между сигналами RBC и сигналами барьера. Спин-эхо последовательность импульсов может иметь первый импульс возбуждения для больших углов переворота с последующим 180-градусным рефокусирующим РЧ импульсом, причем рефокусирующий импульс таймируют достаточно рано, а таймированный считывающий градиент задерживают в достаточной степени, чтобы сгенерировать в центре k-пространства 90-градусную разность фаз между сигналами компартментов RBC и барьера.

Другие варианты осуществления направлены на программные продукты для генерации МРТ-изображений ¹²⁹Xe капиллярного слоя в легких. Продукты включают в себя читаемый компьютером носитель данных, имеющий реализованный на нем читаемый компьютером программный код. Читаемый компьютером программный код включают в себя: (a) читаемый компьютером программный код, выполненный с возможностью генерации 3D спин-эхо последовательности РЧ импульсов возбуждения, сконфигурированной для создания в центре k-пространства 90-градусной разности фаз между сигналами гиперполяризованного ¹²⁹Xe растворенной фазы в компартментах RBC и барьера, соответственно; (b) читаемый компьютером программный код, выполненный с возможностью получения МРТ-сигнала ¹²⁹Xe растворенной фазы, ассоциированного с красными кровяными клетками, в области газообмена легкого, причем ослабление сигнала на изображении связано со сниженной способностью к альвеолярно-капиллярному переносу; (c) читаемый компьютером программный код, выполненный с возможностью получения МРТ-сигнала ¹²⁹Xe растворенной фазы, ассоциированного с альвеолярно-капиллярным барьером в легком; и (d) читаемый компьютером программный код, выполненный с возможностью генерации 3D МРТ-изображения, основанного на полученных сигналах растворенной фазы барьера и RBC.

Хотя настоящее описание раскрыто в отношении аспектов способа по настоящему изобретению, очевидно, что настоящее изобретение также может быть реализовано в виде систем и компьютерных программных продуктов.

Другие системы, способы и/или компьютерные программные продукты согласно вариантам осуществления изобретения будут или станут очевидными специалистам в данной области техники при изучении нижеследующих чертежей и подробного описания. Подразумевается, что такие дополнительные системы, способы и/или компьютерные программные продукты включены в настоящее описание, находятся в объеме настоящего изобретения и защищены прилагаемой формулой изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Другие особенности настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего подробного описания иллюстративных вариантов осуществления при изучении совместно с прилагаемыми чертежами, на которых изображено следующее.

На Фиг.1A показана одномерная модель переноса газа и восстановления сигналов в ткани барьера и RBC, используя упрощенное изображение альвеолярно-капиллярной единицы, также показаны соответствующие ЯМР резонансные частоты ¹²⁹Xe в воздушном пространстве, барьере и RBC.

Фиг.1B представляет собой трехмерный график зависимости положения (мкм), времени (мс) и намагничивания ¹²⁹Xe для восстановления растворенного ¹²⁹Xe.

Фиг.1С представляет собой график зависимости восстановления сигнала (197 ppm) барьера от времени (мс) для толщины барьера ΔL _db в диапазоне от 1 мкм до 7,5 мкм.

Фиг.1D представляет собой график зависимости восстановления сигнала RBC (211 ppm) от времени (мс) для того же самого диапазона толщины барьера, что и на Фиг.1С, и с константой L _c=4 мкм.

Фиг.2A-2C представляют собой цифровые изображения ¹²⁹Xe в воздушном пространстве, барьере и RBC "фиктивного" животного.

Фиг.2D-2F представляют собой соответствующие цифровые изображения ¹²⁹Xe пораженного животного с фиброзом левого легкого через 11 дней после инстилляции блеомицина.

Фиг.3А и 3B представляют собой гистологические образцы, окрашенные гематоксилин-эозином (H&E). Фиг.3А представляет собой образец контрольного левого легкого, взятый у животного с инстиллированным правым легким. Фиг.3B представляет собой образец пораженного левого легкого, взятый у животного, которому инстиллировали блеомицин.

Фиг.4 представляет собой график отношения между нормализованным количеством пикселей ¹²⁹Xe на изображениях барьера и RBC и количеством пикселей на изображениях воздушного пространства каждого легкого. График также включает в себя линию регрессии, аппроксимированную для всех упомянутых количеств пикселей барьера в пораженных и непораженных легких.

Фиг.5A и 5C представляют собой графики зависимости времени задержки (мс) от химического сдвига (ppm), полученные при помощи динамической спектроскопии. Фиг.5A представляет собой график динамического спектра для контрольного животного, а Фиг.5B представляет собой график динамического спектра для пораженного животного (крыса).

Фиг.5B и 5D представляют собой графики восстановления сигналов, а именно графики зависимости интеграла (произвольного) сигналов от периода (TR) повторения импульсов для компартмента барьера и кровеносного компартмента. Фиг.5B соответствует контрольному животному, а Фиг.5D соответствует пораженному животному (крыса).

Фиг.6 представляет собой блок-схему последовательности иллюстративных операций, которые можно использовать для осуществления способа согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.

Фиг.7 представляет собой блок-схему последовательности этапов, которые можно использовать для осуществления вариантов осуществления настоящего изобретения.

Фиг.8 представляет собой схематичное изображение МРТ-сканера согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

Фиг.9A представляет собой блок-схему систем обработки данных, которые можно использовать для генерации изображений ¹²⁹Xe согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.

Фиг.9B представляет собой блок-схему систем обработки данных, которые можно использовать для генерации отношений, ассоциированных со спектрами RBC и барьера пикселей для переноса газа ¹²⁹Xe согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.

Фиг.9C представляет собой блок-схему систем обработки данных, которые можно использовать для генерации 3D изображений ¹²⁹Xe согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.

Фиг.10A представляет собой обычную траекторию k-пространства в 3D проекции.

Фиг.10B представляет собой эффективную 3D траекторию с использованием радиальных проекций на 30% меньше, чем в обычной модели, покрывающую k-пространство 9329 кадрами для 64×64×16 изображения, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

Фиг.11A-11B представляют собой фазозависимые цифровые изображения вентиляции ¹²⁹Xe (воздушное пространство) легкого. Фиг.11A представляет собой изображение реального канала. Фиг.11B представляет собой изображение мнимого канала.

Фиг.11C представляет собой фазовую карту, сгенерированную из изображения воздушного пространства для данных по Фиг.11A и 11B. Изменение фазы обусловлено неоднородностью B ₀.

Фиг.12A и 12B представляют собой графики фаз 211 ppm (RBC) и 197 ppm (барьер) резонансов. На Фиг.12A показаны "предполагаемые" фазы, основанные на соответствующем назначении каналов (мнимого и реального) приемника согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. На Фиг.12B показано "корректируемое" локальное несовпадение фаз сигналов из-за фазовых сдвигов, обусловленных изменениями B ₀, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

Фиг.13A представляет собой экранную копию изображений барьера у здоровой крысы с различными периодами повторения импульсов (TR, 10, 15, 25 и 50) согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

Фиг.13B представляет собой экранную копию изображений RBC у здоровой крысы с различными периодами повторения импульсов (TR, 10, 15, 25 и 50), соответствующих изображениям барьера на Фиг.13A, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

Фиг.14A представляет собой схематическую иллюстрацию сбора радиальных изображений без выбора слоя, который генерирует отдельные изображения поглощения ¹²⁹Xe в компартментах барьера и RBC путем использования подходящей задержки между РЧ возбуждением и началом сбора изображений таким образом, чтобы два компартмента были разнесены по фазе на 90 градусов.

Фиг.14B представляет собой схематическое изображение 3D спин-эхо последовательности, которая генерирует отдельные изображения поглощения ¹²⁹Xe в компартментах барьера и RBC при помощи рефокусирующего РЧ импульса возбуждения, сдвинутого назад по временной оси по сравнению с обычным спин-эхо, при этом считывающий градиент задержан.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Хотя изобретение может быть реализовано в модифицированных или альтернативных формах, определенные варианты его реализации показаны в виде примеров на чертежах и описаны более подробно. Однако необходимо понять, что изобретение не ограничено конкретными раскрытыми формами, а напротив, изобретение покрывает все модификации, эквиваленты и альтернативные варианты, попадающие в объем и соответствующие сути настоящего изобретения. Аналогичные ссылочные позиции означают аналогичные элементы по всему описанию чертежей.

На чертежах толщина некоторых линий, слоев, компонентов, элементов или признаков может быть увеличена для ясности. Пунктирными линиями показаны необязательные признаки или операции, если не указано иное. Последовательность операций (или этапов) не ограничена порядком, приведенным в формуле изобретения или на чертежах, если только специально не указано иное.

Используемая в настоящем описании терминология применяется только с целью описания конкретных вариантов осуществления и не предназначена для ограничения изобретения. Как используется в настоящем описании, форма единственного числа подразумевает также включение множественного числа, если контекстом не указано иное. Также необходимо учесть, что термины "содержит" и/или "содержащий", при использовании в настоящем описании, определяют наличие установленных признаков, целых чисел, этапов, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают наличие или добавление одного или нескольких других признаков, целых чисел, этапов, операций, элементов, компонентов и/или их групп. Как используется в настоящем описании, термин "и/или" включает в себя любые или все комбинации одного или нескольких связанных перечисленных элементов. Как используется в настоящем описании, такие фразы, как "между X и Y" и "между примерно X и Y" следует интерпретировать как включающие и X, и Y. Как используется в настоящем описании, такие фразы, как "между примерно X и Y", означают "между примерно X и примерно Y". Как используется в настоящем описании, такие фразы, как "от примерно X до Y", означают "от примерно X до примерно Y".

Если не определено иное, все используемые в настоящем описании термины (включая технические и научные термины) имеют одинаковое значение, как это обычно понимается специалистом в данной области техники, к которой относится настоящее изобретение. Также является очевидным, что такие термины, которые определены в широко используемых словарях, следует интерпретировать как имеющие значение, которое согласуется с их значением в контексте данной спецификации и релевантного уровня техники, и не должны интерпретироваться в идеализированном или чересчур формальном смысле, если это четко не определено в настоящем описании. Общеизвестные функции или конструкции могут быть не описаны подробно ради краткости и/или четкости изложения.

Очевидно, что хотя термины первый, второй и т.д. могут быть использованы в настоящем описании для описания различных элементов, компонентов, областей, слоев и/или секций, эти элементы, компоненты, области, слои и/или секции не следует ограничивать этими терминами. Эти термины используются только с целью отличия одного элемента, компонента, области, слоя или секции от другой области, слоя или секции. Таким образом, обсуждаемый ниже первый элемент, компонент, область, слой или секция может быть назван вторым элементов, компонентом, областью, слоем или секцией без отступления от описания настоящего изобретения.

Термин "МРТ-сканер" относится к системе магнитно-резонансной томографии и/или ЯМР спектроскопии. Хорошо известно, что МРТ-сканеры включают в себя магнит с низкой напряженностью поля (обычно между примерно 0,1 Т до примерно 0,5 T), магнит со средней напряженностью поля, или сверхпроводящий магнит с высокой напряженностью поля, систему РЧ импульсов возбуждения и систему градиентного поля. МРТ-сканеры хорошо известны специалистам в данной области техники. Примеры коммерчески доступных клинических МРТ-сканеров включают в себя, например, сканеры, предоставляемые General Electric Medical Systems, Siemens, Philips, Varian, Bruker, Marconi, Hitachi и Toshiba. МРТ-системы могут иметь любую подходящую напряженность магнитного поля, такую как, например, примерно 1,5 T, а могут быть системами с более сильными полями от примерно 2,0 T до 10,0 T.

Термин "высокая напряженность поля" относится к напряженности магнитного поля, превышающей 1,0 Т, обычно превышающей 1,5 T, например, 2,0 T. Однако настоящее изобретение не ограничено такими величинами напряженности поля и может использоваться с магнитами, имеющими более высокую напряженность поля, такую как, например, 3 T-10 T, или даже выше.

Термин "гиперполяризованный" ¹²⁹Xe относится к ¹²⁹Xe, поляризация которого увеличена по сравнению с природным или равновесным уровнями. Как известно специалистам в данной области техники, гиперполяризация может быть индуцирована спиновым обменом с парами оптически накаченного щелочного металла или, в качестве альтернативы, путем обмена метастабильностью. См. Albert и др., патент США № 5,545,396; и Cates и др., патент США № 5,642,625 и патент США № 5,809,801. Эти работы включены в настоящее описание во всей своей полноте в качестве ссылки. Одним из поляризаторов, которые являются подходящими для генерации гиперполяризованного ¹²⁹Xe, является поляризатор IGI-9600® (Inert Gas Imaging), изготавливаемый Magnetic Imaging Technologies, Durham, NC. Таким образом, термины "гиперполяризовать", "поляризовать" и т.п., как используется в настоящем описании, означают искусственное усиление поляризации ядер определенного благородного газа по сравнению с природным или равновесным уровнями.

Термин "автоматически" означает, что операция по существу, и обычно полностью, может осуществляться в отсутствие человека или без применения ручного ввода данных и обычно является направляемой или осуществляемой при помощи программных средств. Термин "электронным образом" включает в себя как беспроводное, так и проводное соединение между компонентами. Термин "при помощи программных средств" означает под управлением компьютерной программы, которая производит обмен данными с электронными схемами и другими аппаратными и/или программными средствами.

Термин "3D изображение" относится к визуализации в виде 2D изображений, которые воспринимаются как 3D изображения благодаря использованию объемных данных, которые могут представлять признаки с различными визуальными характеристиками, такими как различающаяся интенсивность, прозрачность, цвет, текстура и т.п. Например, может быть сгенерировано 3D изображение легкого для демонстрации различий в толщине барьера, используя различие в цвете или прозрачности по объему изображения. Таким образом, термин "3D" относительно изображений не подразумевает реального 3D визуального восприятия (например, как в случае 3D очков (стереочков)), а относится только к 3D представлению в 2D пространстве визуального восприятия, такому как дисплей. 3D изображения содержат множество 2D слоев. 3D изображения могут представлять собой объемную визуализацию, хорошо известную специалистам в данной области техники, и/или набор 2D слоев, которые можно просматривать поочередно.

Фраза "сбор и реконструкция данных с грубым шагом дискретизации" означает, что изображение может быть получено путем сбора/генерации с меньшим количеством РЧ возбуждений, чем в обычных способах генерации изображений. 3D визуализация может быть выполнена за один вдох (задержку дыхания) или несколько вдохов. В некоторых вариантах осуществления сбор и реконструкция данных с грубым шагом дискретизации могут использоваться для генерации 3D изображения (изображений), основанных на доступном количестве ксенона, поступающего за один вдох, при помощи способов сбора и реконструкции данных с грубым шагом дискретизации. См., например, Song J, Liu QH. Improved Non-Cartesian MRI Reconstruction through Discontinuity Subtraction, International Journal of Biomedical Imaging, 2006; 2006:1-9. Аналогично, существуют эффективные формы радиального сбора и даже спин-эхо сбора, которые также могут уменьшить необходимое количество возбуждений по сравнению со стандартными технологиями, с целью упрощения 3D визуализации путем использования гиперполяризованного ¹²⁹Xe, поступающего в пространство легких при одном вдохе с последующей задержкой дыхания.

Варианты осуществления изобретения могут быть особенно подходящими для людей, но также их можно использовать относительно любого животного или другого млекопитающего.

Варианты осуществления изобретения могут использовать визуализацию газообмена для предоставления нового чувствительного функционального биомаркера у пациентов с лучевым фиброзом.

Настоящее изобретение может быть реализовано в виде систем, способов и/или компьютерных программных продуктов. Следовательно, настоящее изобретение может быть реализовано в виде аппаратных и/или программных средств (включая встроенные программы, резидентные программные средства, микрокоды и т.п.). Более того, настоящее изобретение может иметь вид компьютерных программных продуктов в используемой компьютером или читаемой компьютером среде хранения данных, имеющей используемый компьютером или читаемый компьютером программный код, реализованный в этой среде для использования системой исполнения инструкций или совместно с ней. В контексте данного описания, используемая компьютером или читаемая компьютером среда может представлять собой любую среду, которая содержит, хранит, обменивается данными, переносит или передает программу для использования системой, аппаратом или устройством исполнения инструкций или для использования совместно с упомянутыми системой, аппаратом или устройством.

Используемая компьютером или читаемая компьютером среда может представлять собой, например, электронную, магнитную, оптическую, электромагнитную, инфракрасную или полупроводниковую систему, аппарат, устройство или среду распространения. Более специфические примеры (неполный список) используемой компьютером или читаемой компьютером среды могут включать в себя следующее: электрическое соединение, имеющее один или несколько проводов, дискету для портативного компьютера, оперативное запоминающее устройство (RAM), постоянное запоминающее устройство (ROM), стираемую программируемую постоянную память (EPROM или флэш-память), оптоволокно и постоянную память на переносном компакт-диске (CD-ROM). Следует учесть, что используемая компьютером или читаемая компьютером среда может представлять собой даже бумажную или другую подходящую среду, на которой напечатана программа, поскольку программа может быть введена электронным образом посредством, например, оптического сканирования бумаги или другой среды, затем скомпилирована, интерпретирована или, при необходимости, обработана иным подходящим способом и затем сохранена в памяти компьютера. Более того, пользовательский компьютер, удаленный компьютер или и тот, и другой могут быть интегрированы или соединены с другими системами, такими как система МРТ-сканера.

Формулируя в общем виде, варианты осуществления настоящего изобретения направлены на новые способы получения данных МРТ или ЯМР сигналов ¹²⁹Xe (гиперполяризованного) растворенной фазы в компартментах легкого, ассоциированных с газообменом, включая барьер кровь-газ (также известный как альвеолярно-капиллярный или "барьер") и/или RBC.

Настоящее изобретение можно использовать для качественной или количественной оценки нескольких расстройств, состояний, поражений, болезненных состояний легких, а также заболевания легких, его развития или регрессии. Например, в некоторых вариантах осуществления, МРТ-визуализация ¹²⁹Xe может демонстрировать эффекты утолщенного барьера кровь-газ за один период повторения (TR), что эффективно устанавливает пороговое значение для толщины барьера. Например, при TR=50 мс барьер, превышающий 5 мкм, на изображении RBC будет выглядеть темным, в то время как барьер меньше 5 мкм будет выглядеть ярким. Как описано ниже, можно использовать множество различных периодов повторений (TR), таких как, например, TR, составляющий 10-60 мс.

Варианты осуществления изобретения предоставляют клинические средства оценки и/или средства исследования, которые являются чувствительными к изменениям барьера кровь-газ. Например, некоторые варианты осуществления изобретения можно использовать для различения неопределенной этиологии диспноэ или одышки (или других нарушений процесса дыхания), например, для идентификации источника респираторного заболевания, для определения адекватности альвеолярно-капиллярной единицы, системы или функции и для мониторинга терапевтической эффективности лечения при этих состояниях. В других вариантах осуществления биофизическая или биофункциональная реакция на лекарства может быть оценена во время проведения программ по разработке лекарственных средств и/или клинических исследований (животных и/или человека) и т.п., чтобы помочь установить клиническую эффективность и/или отрицательный побочный эффект (эффекты) предложенного лекарственного вещества.

Формулируя в общем виде, варианты осуществления изобретения могут предоставлять чувствительные способы для оценки множества состояний, включая болезненные состояния при идиопатическом фиброзе легких, саркоидозе, асбестозе и пневмокониозе. Другие заболевания, связанные с утолщенным барьером кровь-газ, включают в себя легочную гипертензию и хроническую сердечную недостаточность. Также, хотя варианты осуществления изобретения являются подходящими, в частности, для заболеваний и физиологических изменений, связанных с увеличенной толщиной барьера кровь-газ, способы также могут быть чувствительными к заболеваниям, при которых происходит потеря площади альвеолярной поверхности (например, эмфизема) и/или потеря микроциркуляторной части (например, также эмфизема).

Примеры состояний, которые могут быть детектированы или оценены при помощи некоторых вариантов осуществления изобретения, включают в себя: (a) детектирование альвеолита (воспаления в альвеолах, при этом воспаление может представлять собой побочный эффект, вызванный терапией с применением новых лекарственных веществ (способы можно использовать для скрининга новых веществ с тем, чтобы определить, вызывают ли они воспаление)); (b) детектирование отека (просачивание жидкости в просвет альвеол); (c) детектирование пневмонии (инфекции в альвеолах); (d) детектирование фиброза (увеличенного отложения коллагена в барьере кровь-газ (фиброз может представлять собой осложнение после облучения легкого)); и (e) оценку эффективности лекарственного вещества для уменьшенной или увеличенной толщины барьера кровь-газ.

Таким образом, как указывалось выше, несмотря на то, что варианты осуществления изобретения могут быть подходящими, в частности, для оценки интерстициальных заболеваний легких, указанные способы также можно использовать и в других областях. Например, некоторые способы могут быть разработаны с возможностью детектирования эмфиземы - уменьшения площади поверхности газообмена (меньше ткани). При таком анализе, для данного болезненного состояния ожидается ослабление сигнала барьера, а также сигнала RBC (поскольку разрушены как ткань, так и капилляр, содержащий RBC). Также, при помощи некоторых способов можно детектировать эмболию легочной артерии. То есть в зависимости от местоположения закупорки, например, закупорка выше капилляров может повлиять на то, останется ли оставшаяся кровь в капиллярах или она будет дренировать. Если кровь дренирует, то это приводит к сильному ослаблению сигнала RBC. Если кровь стоит в капиллярах и действительно не течет, то это, по всей видимости, отразится на способах альвеолярно-капиллярного переноса ксенона. Также, при помощи этих способов можно различать степень эмфиземы в зависимости от фиброза.

В некоторых вариантах осуществления операции по изобретению могут выполняться с использованием гиперполяризованного ¹²⁹Xe для оценки респираторных и/или легочных нарушений. Например, данные изображений ¹²⁹Xe и/или сигналы ЯМР спектроскопии ¹²⁹Xe можно использовать для получения данных, относящихся к физиологии и/или функции легких, для оценки, диагностики или мониторинга одного или нескольких из следующих состояний: потенциальной биологической реакции на трансплантант, такой как отторжение трансплантанта (любого трансплантированного органа в организме: легкого, сердца, печени, почки или какого-либо другого интересующего органа), легочных нарушений, связанных с экологией, пневмонита/фиброза, легочной гипертензии, воспаления легких, такого как интерстициальное и/или альвеолярное воспаление, интерстициальных заболеваний легких или легочных нарушений, легочного и/или альвеолярного отека с альвеолярным кровотечением или без него, легочной эмболии, индуцированных лекарственными веществами легочных нарушений, нарушения диффузии газов в легких, хронического обструктивного заболевания легких, пневмокониоза, туберкулеза, плеврального уплотнения, муковисцидоза, пневмоторакса, некардиогенного отека легких, ангионевротического отека, острого ограниченного отека, некроза альвеолярных эпителиальных клеток типа I, гиалиново-мембранного образования, нарушения диффузии в альвеолах, такого как пролифераци