專利名稱：用于機(jī)能醫(yī)學(xué)掃描的血液輸入函數(shù)的估算的制作方法
用于機(jī)能醫(yī)學(xué)掃描的血繊入函數(shù)的估算
駄領(lǐng)域
本發(fā)明涉及諸如正電子，斷層掃描術(shù)的機(jī)能醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，并且尤
及用于處理由此而得的圖像所必需的對(duì)于血液輸入函數(shù)(BIF)的估算。 背景獄
正電子發(fā)射斷層掃描術(shù)(PET)是一種核醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，其提供人體或動(dòng) 物體內(nèi)的機(jī)能處理的三維圖形。
性(皿正電子的)示蹤劑同位素被合并到諸如皿氧葡萄糖(FDG， 一種糖的類似物)等被主體攝取的代搟活性好中。其他可用于PET的娜性 示蹤肝包銜llC]-奎丙靈、[11C]-二氧化碳、[150]-標(biāo)i37K或氧、[13N]-氨。 所有這些均倉(cāng)嫩M31^測(cè)和記錄由周?chē)镔|(zhì)中所發(fā)射的正電子和電子間的碰撞
而產(chǎn)生的伽馬型輻射的掃描儀^^相mia行成像。
這樣產(chǎn)生的輻射以艦乎相反方向行進(jìn)的兩個(gè)光子的形式釋放。因此，通 過(guò)在一個(gè)小的重合時(shí)間窗口 (一個(gè)事件)內(nèi)檢測(cè)相應(yīng)的光子，育嫩推導(dǎo)出一個(gè) 沿輻針源延伸的響應(yīng)線(LOR)。對(duì)一些這種線進(jìn)行推導(dǎo)(或分析)將會(huì)得到 鵬主體空間尺寸的示蹤齊盼布的三維圖形。被鄉(xiāng)并織而被檢測(cè)的單個(gè)事 件的數(shù)目與娜性衰減的速率和因此與主體內(nèi)鵬性示蹤齊啲濃度有關(guān)。由響 應(yīng)線推導(dǎo)出的自性分布的置信度與被檢測(cè)的事件的數(shù)目成比例，而被檢測(cè)的 事件的數(shù)目反過(guò)來(lái)又與記錄事件的時(shí)間間隔有關(guān)。已知諸如FDG等的一些示 蹤齊噲聚敏諸如腫瘤細(xì)鵬B肌肉等具徹高葡糖代謝率的器官中。在這種情 況下，在示蹤齊陏時(shí)間聚集之后對(duì)一定的時(shí)間間隔記錄剽牛并對(duì)該間隔估算衰 減的平均速率。這種圖像被稱之為靜細(xì)描。
可選擇的，當(dāng)示蹤劑還ffit行分布時(shí)可以在一定時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生一些這種圖 像以形成一序列類似于 ^歸蹤劑+琉的機(jī)能糊的影像記錄的瞬態(tài)幀。 ^i 列通常被稱為動(dòng)態(tài)圖像并且可以是2或3維的。
除了對(duì)靜態(tài)圖像進(jìn)行分析，對(duì)娜性示蹤齊咖何在時(shí)間和空間內(nèi)進(jìn)行分布 的分析更能皿另外的關(guān)于主似力能性行為的S^t息。
3
對(duì)這些涉及鄉(xiāng)攝取的織劑^W性示蹤齊啲動(dòng)態(tài)圖形的分析包括藥物
動(dòng)力學(xué)(PK)建模駄，其中j^ 攝取和排出的細(xì)iaaii以多個(gè)限定好的隔
室的形式建模成擴(kuò)散過(guò)程(參見(jiàn)，例如，Positron Emission Tomogr^)hy
Blood Flow and Metabolism^ 2001年第21巻第6期635—652頁(yè))。
藥物動(dòng)力學(xué)近似法M感興趣的組織上藥物作用進(jìn)行建模的基礎(chǔ)。它常規(guī) 鵬于藥物研發(fā)駄，因?yàn)獒t(yī)學(xué)成像模^^得一雖內(nèi)細(xì)IS^呈可見(jiàn)。
PK模型的解析包括將模型參數(shù)代入瞬時(shí)圖像數(shù)據(jù)。對(duì)于組織中藥劑相對(duì)
濃度的數(shù)學(xué)皿是兩種函數(shù)的徵只
一時(shí)間遞繊旨數(shù)函數(shù)的和，描述每一個(gè)隔室內(nèi)藥劑的攝取和排出情況； —與血管內(nèi)示蹤劑的濃艦比例的時(shí)間變化函數(shù)，也即，血、 入函數(shù)(BIF)。 為了精確和真實(shí)^ft, PK建模fe^需要對(duì)BIF進(jìn)行合理精確的測(cè)定。 已知多種用于估算BIF的方法，并且#~種都具有相應(yīng)的缺陷。 在一種方法中，在PET圖像上的動(dòng)脈區(qū)域中劃出感興趣的區(qū)域(ROD并 假設(shè)在ROI區(qū)域的攝取與BIF線性相關(guān)。由于可用的動(dòng)脈相對(duì)于成^S可得 的分辨率(不超過(guò)幾毫M體素)而言較小，從而該評(píng)估不會(huì)太精確，因?yàn)樗?對(duì)ROI的定位以及噪聲非常,。典型的，PET的空間^H軒允許在這樣小 的ROI中估鄉(xiāng)確的BIF。如果ROI的直徑小于lcm，則ROI的量化條成 問(wèn)題，因?yàn)樗鼤?huì)受到評(píng)估中高方差或偏差的影響。并且，動(dòng)態(tài)圖像的瞬時(shí)^f, 率會(huì)穀ij噪聲水平的損害幀繊短，圖像的噪聲就越大。例如，在一些情況 下，如果幀的離時(shí)間少于5—10秒，圖像中的噪聲會(huì)使得量化不準(zhǔn)確。
一種更普遍的方,括在一段時(shí)間內(nèi)采集一系列血液樣本，而后在輻射探 測(cè)器中計(jì)算由每一個(gè)樣本須懂出的血液的術(shù)只。這是一種侵入性的、創(chuàng)傷性的 Mf呈，會(huì)給主體和醫(yī)師等人帶來(lái)危險(xiǎn)，并且需要M^lt性血液更加重了這一 風(fēng)險(xiǎn)。除了給和Mt性污染相關(guān)的人員帶來(lái)危險(xiǎn)之外，還存在當(dāng)進(jìn)行必要的去 污時(shí)所用的M^的、昂貴的設(shè)備可能無(wú)法工作的風(fēng)險(xiǎn)。
應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于鵬(尤其是鼠科動(dòng)物)研究，估算BIF所需要的血、M 可能占動(dòng)物的血液總量的相當(dāng)大一部分，并且經(jīng)常性的血、^^樣能導(dǎo)致動(dòng)物因 縫燭而死亡。這一般會(huì)禁止艦同一個(gè)動(dòng)物用于連續(xù)研究，這是根本上改 ^a結(jié)構(gòu)和原始綠的一個(gè)因素，以及由于需要更多的動(dòng)物用于實(shí)餘而顯著增加了執(zhí)行的^。
為了進(jìn)一步討論現(xiàn)行艦的BIF估算的不同方法所弓胞的問(wèn)題，可參考例 如Parametrically defined cerebral blood vessels as non-invasive blood input fimction for brain PET studies, M Asselin^ V J Cunningham^ Shigeko Amano, R N Gunn禾口 C Nahmias, Phys.Med.Biol， 2004年第49期1033-1054頁(yè)，以及Measurement of input function in rodents: challenges and solutions, R Laforest等，Nuclear Medicine and biology, 2005年第32期679—685頁(yè)。
PET至少包括兩個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)。第一，所鵬的方謝性核素(C、 N、 F等) 可被綁定至IJ幾乎任賄機(jī)肝上以及在給定代謝路徑中所涉及的潛在的大量分
子。這使得對(duì)幾刑頓的肝ania行成像成為可能。
PET還相當(dāng)靈敏，并且只需要一些小量的示蹤劑來(lái)獲得有用的信號(hào)(一般 riM或pM濃頗于獲賄用信號(hào)艦夠了)。
另一方面，PET的確具有一個(gè)主要的缺點(diǎn)如果要產(chǎn)生有用的信噪比的圖 像，貝鵬時(shí)微率4蹉。 一般的，在10-30秒內(nèi)獲得的PET圖像將產(chǎn)生具有 低信噪比(SNR)的噪聲圖像。
這是為何PET未作為動(dòng)態(tài)成像驗(yàn)臨床鵬中常規(guī)應(yīng)用的原因在PET 臨麻呈序中只有具有短排出時(shí)間和容易a^的藥效學(xué)性質(zhì)的^Mt性示蹤劑
倉(cāng)巨 ;像，因?yàn)樵跀z取示蹤劑之后靜態(tài)圖像已^i腿穩(wěn)定狀態(tài)。
動(dòng)態(tài)PET通常只用于研究草案中并且積極研究的目標(biāo)在于BIF的精確估算。
如果可由PET或其他機(jī)能醫(yī)學(xué)掃描技術(shù)(例如，SPECT)得到較好的SNR 禾P/^量信息，則對(duì)模態(tài)的OTM大大擴(kuò)展，尤其是在臨床前的工作和此后 的臨床領(lǐng)域。在SPECT中，可用的鄉(xiāng)齊l泡括99m-銀MIBI或SESTA-MIBI。 磁^feK像(MRI) ^t具有一系列與PET所具有的互補(bǔ)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。 在一個(gè)很快的模態(tài)中，可實(shí)時(shí)(例如，^^鐘20幅圖像)獲得信噪比為大 約5或10的2D圖像。因此，在諸如胸胸態(tài)^^增強(qiáng)MRI (DCE^MRI)等 的臨床應(yīng)用中已礦泛艦像軋(Gd) ^t/等的基于Tl的j^lj，從而取 得顯著效果快iim取Gd造鋭啲區(qū)域可被i賜講以髙特條征為惡性的(與 較低攝取的區(qū)嫩目區(qū)分)。盡管傳統(tǒng)的Tl it^抱括Gd鰲^j，但其他的造 影劑也是翻的。
解剖結(jié)構(gòu)在MRI圖像中也是清晰可見(jiàn)的從而可更加容易的分辯出動(dòng)脈組 織。麟好的解剖學(xué)細(xì)節(jié)的高空間^ff率與高時(shí)間^il率結(jié)合，提供獨(dú)一無(wú)二 的在血流中追蹤Gd分子的能力，并且這肯調(diào)于計(jì)算BIF 。例如,參見(jiàn)Magn Reson M喊1996年八月，第36巻第2期，225 —231頁(yè)，Measurement of the arterial concentration of Gd-DTPA using MRI: a鄉(xiāng)toward quantitative perfusion imaging. Fritz-H咖en T， Rostrup E, Larsson HB, Sondeigaard L, Ring P, Henriksen O。
另一方面，其靈iiJt比PET低，并且需要試劑濃度在mM或微M以上以 獲得可用信號(hào)。
同時(shí)，具有Gd鰲合物的Tl，提不能穿翻胞的大舒。可頓DCE MRI成像的代謝通路局限于那^含與試劑結(jié)合的細(xì)胞內(nèi)位置或 受體。這 為MRI作為用于疾病評(píng)價(jià)和藥物鵬的探査的工具帶來(lái)很大的局限性，因?yàn)?絕大多數(shù)代謝Mli^生,胞內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明，處理一系列機(jī)能醫(yī)學(xué)掃描圖像的方,括附加的權(quán)利要求1 中所述的步驟。
除了由MRI掃描獲M據(jù)，還可能在機(jī)能醫(yī)學(xué)掃描期間進(jìn)^ 頁(yè)建模^ 采集以用B譜BIFo
機(jī)能醫(yī)學(xué)掃描圖像可以是例如SPECT掃描圖像的PET掃描圖像。 MRI麟齊脷機(jī)能醫(yī)對(duì)3描麟劑通常作為混糊狄。


現(xiàn)在，將參照下文的附圖i!31非限定性的示例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述。
圖1是伴隨著示蹤齊勝A^J主體內(nèi)的戶;fJ^H4^蹤齊贓組織中的濃度的 動(dòng)態(tài)濃度曲線的示意圖，以及
圖2雖隨著示蹤齊臟APJ主體內(nèi)的^MJ"'際蹤齊Ott漿中的濃度的 動(dòng)態(tài)濃度曲線(BIF)的示意圖。
具體實(shí)駄式
圖1和圖2 ^需要在主體內(nèi)體現(xiàn)的函數(shù)以便將藥物動(dòng)力學(xué)建模&^自 于從諸如PET等的機(jī)能醫(yī)學(xué)掃描擾水中獲取的數(shù)據(jù)。需要取自諸如圖1所示的 實(shí)函數(shù)的 —般會(huì)來(lái)自在不同長(zhǎng)度掃描間隔內(nèi)獲得的一系列PET圖像的區(qū)域 分析。對(duì)預(yù)如圖2所示的實(shí)函數(shù)，0M娜一般可由在一定時(shí)間內(nèi)抽取的計(jì)
算好的血液樣本的血 ^物濃度提供。
由圖2所示的BEF的形伏，并且尤其是相對(duì)尖銳和高的峰值A(chǔ)，可以看出，
獲取娜的方法需要具有相對(duì)較高的瞬時(shí)彌率以便精確的限定函數(shù)。
3 發(fā)明的一個(gè)實(shí) 式，■ MRI和PET對(duì)活體同時(shí)成像。所iM
的織劑是Gd鰲合物(或{琉其他的Tl造影劑)和PET娜性核素的組合
物。這樣一種組合物可以以與蟲(chóng)注入Tl試劑和娜性核素的形式給藥，赫
以兩者的混^l的形式一7欠注入。
可選擇的，兩種禾I^所必需的節(jié)綑能在單一一^f肝內(nèi)結(jié)合。 由活體的動(dòng)脈或血液池(心室)中容易i湖啲區(qū)域中獲取MRI圖像，并且
'I^I^像可能促使BIF的精確估算。高濃度的Gd鰲合物可用來(lái)獲得好的信號(hào)。 鵬結(jié)合^ff需受體上的其他試齊職得PET圖像。在組織內(nèi)攝取的緩歐
程在PET中被充分成像。
可以在隨后劍PK建模鵬岫MRI娜獲得的BIF的可靠估算來(lái)分析
PET信號(hào)。
可選擇的，BIF可由MRI數(shù)據(jù)和可從先前研究、先驗(yàn)知識(shí)或群體范數(shù) (peculation norm)得到的BIF的前期模型的組^itfiH十算。來(lái)自機(jī)能醫(yī)學(xué)掃 描的 也可以與MRI 結(jié)合以計(jì)算BIF。
用于PET和MRI掃描的視域(FOV)不需要交疊，因?yàn)閯?dòng)脈信號(hào)能^i 體的樹(shù)可部分被有用的獲取。因此，可對(duì)m^5設(shè)置的分離的PET和MRI 儀器進(jìn)行布置。
但是，iM組合的PET-MRI系統(tǒng)(參見(jiàn)Ladebeck等人的ISRMR2005)
育^^得PET和MRI掃描MM相同視域。該^S非常ra的一^t點(diǎn)在于可
以同時(shí)獲得數(shù)據(jù)；這一因素非常重要，因?yàn)槭聚欭R贓血液中的分布纟wa3i5i
續(xù)的注入而再現(xiàn)。
從而可以^t將兩種模態(tài)的掃描結(jié)果結(jié)合的普通的解剖結(jié)構(gòu)(即使在需要 為例如呼吸等作調(diào)整的時(shí)候)。MRI和PET的結(jié)合^普通的時(shí)空結(jié)構(gòu)，其中 來(lái)自每一個(gè)的動(dòng)^ft息可以被結(jié)合。
這種組合系統(tǒng)也使得其自身在一 次注入中^ PET和MRI造影劑。 由于沒(méi)有必要艦等量的MR試齊訴n娜性核素，因此可由標(biāo)準(zhǔn)PET劑 量獲得適當(dāng)?shù)男盘?hào)。如果只i^ MR試齊，血液池和滲透性，則可使用傳統(tǒng) 的Gd鰲，。如果MR試劑需要更特效性,Gd可以聚驗(yàn)也結(jié)合有維的PET ,性核素的納米管上?？梢栽趩我灰籢t^納米管上聚集髙達(dá)幾萬(wàn)的Gd,因此
提高了MRI 的靈敏度。
使用可注入造影劑的替代方案來(lái)獲得BIF,例如，通過(guò)使用動(dòng)脈自旋標(biāo)記 物或由如在機(jī)能MRI (fMRI)中使用的血液動(dòng)力學(xué)響應(yīng)來(lái)獲得BIF。
權(quán)利要求
1、一種處理一組定量機(jī)能醫(yī)學(xué)掃描圖像的方法，包括如下步驟給主體施加適合的機(jī)能醫(yī)學(xué)掃描造影劑和適合的MRI造影劑；對(duì)主體同時(shí)執(zhí)行機(jī)能醫(yī)學(xué)掃描和MRI掃描以產(chǎn)生機(jī)能醫(yī)學(xué)掃描圖像和來(lái)自MRI掃描的相應(yīng)數(shù)據(jù)；使用在MRI掃描期間獲得的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算主體的血液輸入函數(shù)(BIF)，和基于所得到的BIF和定量機(jī)能醫(yī)學(xué)掃描圖像執(zhí)行藥物動(dòng)力學(xué)分析。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1戶，的方法，其中使用BIF的前期,和MRI數(shù)據(jù)對(duì) BIF進(jìn)冊(cè)算。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中使用機(jī)能醫(yī)學(xué)掃描圖餅卩 對(duì)BIF進(jìn)fiH十算。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1, 2或3所述的方法，其中戶;M機(jī)能醫(yī)學(xué)掃描和MRI掃描頓于主體的翅mi:執(zhí)行。
5、 根據(jù)前述任一權(quán)禾腰求所述的方法，其中機(jī)能醫(yī)學(xué)掃描為PET掃描。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1至4中的{頓一個(gè)所述的方法，其中機(jī)能醫(yī)學(xué)掃描為 SPECT掃描。
7、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求戶脫的方法，其中機(jī)能醫(yī)學(xué)掃描織齊訴口 MRI 織劑作為混糊被注入。
全文摘要
本發(fā)明描述的是一種對(duì)由諸如正電子發(fā)射斷層掃描術(shù)(PET)等的機(jī)能醫(yī)學(xué)掃描產(chǎn)生的圖像進(jìn)行分析的方法，其中該方法提供了血液輸入函數(shù)(BIF)的精確估算。MRI掃描和機(jī)能掃描同時(shí)執(zhí)行并且前者的結(jié)果用來(lái)推導(dǎo)BIF。然后，這樣得出的BIF與機(jī)能掃描的結(jié)果一起被用在藥物動(dòng)力學(xué)建模中。
文檔編號(hào)A61B6/00GK101099678SQ20071012922
公開(kāi)日2008年1月9日 申請(qǐng)日期2007年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月2日
發(fā)明者D·肖特蘭德, J·德克勒克 申請(qǐng)人:美國(guó)西門(mén)子醫(yī)療解決公司