專利名稱：用于機能醫(yī)學掃描的血液輸入函數(shù)的估算的制作方法
用于機能醫(yī)學掃描的血繊入函數(shù)的估算
駄領域
本發(fā)明涉及諸如正電子，斷層掃描術的機能醫(yī)學成像技術，并且尤
及用于處理由此而得的圖像所必需的對于血液輸入函數(shù)(BIF)的估算。 背景獄
正電子發(fā)射斷層掃描術(PET)是一種核醫(yī)學成像技術，其提供人體或動 物體內(nèi)的機能處理的三維圖形。
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i37K或氧、[13N]-氨。 所有這些均倉嫩M31^測和記錄由周圍物質(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的兩個光子的形式釋放。因此，通 過在一個小的重合時間窗口 (一個事件)內(nèi)檢測相應的光子，育嫩推導出一個 沿輻針源延伸的響應線(LOR)。對一些這種線進行推導(或分析)將會得到 鵬主體空間尺寸的示蹤齊盼布的三維圖形。被鄉(xiāng)并織而被檢測的單個事 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。由響 應線推導出的自性分布的置信度與被檢測的事件的數(shù)目成比例，而被檢測的 事件的數(shù)目反過來又與記錄事件的時間間隔有關。已知諸如FDG等的一些示 蹤齊噲聚敏諸如腫瘤細鵬B肌肉等具徹高葡糖代謝率的器官中。在這種情 況下，在示蹤齊陏時間聚集之后對一定的時間間隔記錄剽牛并對該間隔估算衰 減的平均速率。這種圖像被稱之為靜細描。
可選擇的，當示蹤劑還ffit行分布時可以在一定時間段內(nèi)產(chǎn)生一些這種圖 像以形成一序列類似于 ^歸蹤劑+琉的機能糊的影像記錄的瞬態(tài)幀。 ^i 列通常被稱為動態(tài)圖像并且可以是2或3維的。
除了對靜態(tài)圖像進行分析，對娜性示蹤齊咖何在時間和空間內(nèi)進行分布 的分析更能皿另外的關于主似力能性行為的S^t息。
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對這些涉及鄉(xiāng)攝取的織劑^W性示蹤齊啲動態(tài)圖形的分析包括藥物
動力學(PK)建模駄，其中j^ 攝取和排出的細iaaii以多個限定好的隔
室的形式建模成擴散過程(參見，例如，Positron Emission Tomogr^)hy
Blood Flow and Metabolism^ 2001年第21巻第6期635—652頁)。
藥物動力學近似法M感興趣的組織上藥物作用進行建模的基礎。它常規(guī) 鵬于藥物研發(fā)駄，因為醫(yī)學成像模^^得一雖內(nèi)細IS^呈可見。
PK模型的解析包括將模型參數(shù)代入瞬時圖像數(shù)據(jù)。對于組織中藥劑相對
濃度的數(shù)學皿是兩種函數(shù)的徵只
一時間遞繊旨數(shù)函數(shù)的和，描述每一個隔室內(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間變化函數(shù)，也即，血、 入函數(shù)(BIF)。 為了精確和真實^ft, PK建模fe^需要對BIF進行合理精確的測定。 已知多種用于估算BIF的方法，并且#~種都具有相應的缺陷。 在一種方法中，在PET圖像上的動脈區(qū)域中劃出感興趣的區(qū)域(ROD并 假設在ROI區(qū)域的攝取與BIF線性相關。由于可用的動脈相對于成^S可得 的分辨率(不超過幾毫M體素)而言較小，從而該評估不會太精確，因為它 對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 問題，因為它會受到評估中高方差或偏差的影響。并且，動態(tài)圖像的瞬時^f, 率會穀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，如果幀的離時間少于5—10秒，圖像中的噪聲會使得量化不準確。
一種更普遍的方,括在一段時間內(nèi)采集一系列血液樣本，而后在輻射探 測器中計算由每一個樣本須懂出的血液的術只。這是一種侵入性的、創(chuàng)傷性的 Mf呈，會給主體和醫(yī)師等人帶來危險，并且需要M^lt性血液更加重了這一 風險。除了給和Mt性污染相關的人員帶來危險之外，還存在當進行必要的去 污時所用的M^的、昂貴的設備可能無法工作的風險。
應當指出，對于鵬(尤其是鼠科動物)研究，估算BIF所需要的血、M 可能占動物的血液總量的相當大一部分，并且經(jīng)常性的血、^^樣能導致動物因 縫燭而死亡。這一般會禁止艦同一個動物用于連續(xù)研究，這是根本上改 ^a結構和原始綠的一個因素，以及由于需要更多的動物用于實餘而顯著增加了執(zhí)行的^。
為了進一步討論現(xiàn)行艦的BIF估算的不同方法所弓胞的問題，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，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。
PET至少包括兩個主要的優(yōu)點。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。這使得對幾刑頓的肝ania行成像成為可能。
PET還相當靈敏，并且只需要一些小量的示蹤劑來獲得有用的信號(一般 riM或pM濃頗于獲賄用信號艦夠了)。
另一方面，PET的確具有一個主要的缺點如果要產(chǎn)生有用的信噪比的圖 像，貝鵬時微率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未作為動態(tài)成像驗臨床鵬中常規(guī)應用的原因在PET 臨麻呈序中只有具有短排出時間和容易a^的藥效學性質(zhì)的^Mt性示蹤劑
倉巨 ;像，因為在攝取示蹤劑之后靜態(tài)圖像已^i腿穩(wěn)定狀態(tài)。
動態(tài)PET通常只用于研究草案中并且積極研究的目標在于BIF的精確估算。
如果可由PET或其他機能醫(yī)學掃描技術(例如，SPECT)得到較好的SNR 禾P/^量信息，則對模態(tài)的OTM大大擴展，尤其是在臨床前的工作和此后 的臨床領域。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所具有的互補的優(yōu)點和缺點。 在一個很快的模態(tài)中，可實時(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MRI (DCE^MRI)等 的臨床應用中已礦泛艦像軋(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。
解剖結構在MRI圖像中也是清晰可見的從而可更加容易的分辯出動脈組 織。麟好的解剖學細節(jié)的高空間^ff率與高時間^il率結合，提供獨一無二 的在血流中追蹤Gd分子的能力，并且這肯調(diào)于計算BIF 。例如,參見Magn Reson M喊1996年八月，第36巻第2期，225 —231頁，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。
同時，具有Gd鰲合物的Tl，提不能穿翻胞的大舒?？深DDCE MRI成像的代謝通路局限于那^含與試劑結合的細胞內(nèi)位置或 受體。這 為MRI作為用于疾病評價和藥物鵬的探査的工具帶來很大的局限性，因為 絕大多數(shù)代謝Mli^生,胞內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明，處理一系列機能醫(yī)學掃描圖像的方,括附加的權利要求1 中所述的步驟。
除了由MRI掃描獲M據(jù)，還可能在機能醫(yī)學掃描期間進^ 頁建模^ 采集以用B譜BIFo
機能醫(yī)學掃描圖像可以是例如SPECT掃描圖像的PET掃描圖像。 MRI麟齊脷機能醫(yī)對3描麟劑通常作為混糊狄。
現(xiàn)在，將參照下文的附圖i!31非限定性的示例對本發(fā)明進行描述。
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 動態(tài)濃度曲線(BIF)的示意圖。
具體實駄式
圖1和圖2 ^需要在主體內(nèi)體現(xiàn)的函數(shù)以便將藥物動力學建模&^自 于從諸如PET等的機能醫(yī)學掃描擾水中獲取的數(shù)據(jù)。需要取自諸如圖1所示的 實函數(shù)的 —般會來自在不同長度掃描間隔內(nèi)獲得的一系列PET圖像的區(qū)域 分析。對預如圖2所示的實函數(shù)，0M娜一般可由在一定時間內(nèi)抽取的計
算好的血液樣本的血 ^物濃度提供。
由圖2所示的BEF的形伏，并且尤其是相對尖銳和高的峰值A，可以看出，
獲取娜的方法需要具有相對較高的瞬時彌率以便精確的限定函數(shù)。
3 發(fā)明的一個實 式，■ MRI和PET對活體同時成像。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)結合。 由活體的動脈或血液池(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鰲合物可用來獲得好的信號。 鵬結合^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的可靠估算來分析
PET信號。
可選擇的，BIF可由MRI數(shù)據(jù)和可從先前研究、先驗知識或群體范數(shù) (peculation norm)得到的BIF的前期模型的組^itfiH十算。來自機能醫(yī)學掃 描的 也可以與MRI 結合以計算BIF。
用于PET和MRI掃描的視域(FOV)不需要交疊，因為動脈信號能^i 體的樹可部分被有用的獲取。因此，可對m^5設置的分離的PET和MRI 儀器進行布置。
但是，iM組合的PET-MRI系統(tǒng)(參見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點在于可
以同時獲得數(shù)據(jù)；這一因素非常重要，因為示蹤齊贓血液中的分布纟wa3i5i
續(xù)的注入而再現(xiàn)。
從而可以^t將兩種模態(tài)的掃描結果結合的普通的解剖結構(即使在需要 為例如呼吸等作調(diào)整的時候)。MRI和PET的結合^普通的時空結構，其中 來自每一個的動^ft息可以被結合。
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。 由于沒有必要艦等量的MR試齊訴n娜性核素，因此可由標準PET劑 量獲得適當?shù)男盘枴Ｈ绻籭^ 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可以聚驗也結合有維的PET ,性核素的納米管上?？梢栽趩我灰籢t^納米管上聚集髙達幾萬的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獲得BIF,例如，通過使用動脈自旋標記 物或由如在機能MRI (fMRI)中使用的血液動力學響應來獲得BIF。
權利要求
1、一種處理一組定量機能醫(yī)學掃描圖像的方法，包括如下步驟給主體施加適合的機能醫(yī)學掃描造影劑和適合的MRI造影劑；對主體同時執(zhí)行機能醫(yī)學掃描和MRI掃描以產(chǎn)生機能醫(yī)學掃描圖像和來自MRI掃描的相應數(shù)據(jù)；使用在MRI掃描期間獲得的數(shù)據(jù)來計算主體的血液輸入函數(shù)(BIF)，和基于所得到的BIF和定量機能醫(yī)學掃描圖像執(zhí)行藥物動力學分析。
2、 根據(jù)權利要求1戶，的方法，其中使用BIF的前期,和MRI數(shù)據(jù)對 BIF進冊算。
3、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中使用機能醫(yī)學掃描圖餅卩 對BIF進fiH十算。
4、 根據(jù)權利要求1, 2或3所述的方法，其中戶;M機能醫(yī)學掃描和MRI掃描頓于主體的翅mi:執(zhí)行。
5、 根據(jù)前述任一權禾腰求所述的方法，其中機能醫(yī)學掃描為PET掃描。
6、 根據(jù)權利要求1至4中的{頓一個所述的方法，其中機能醫(yī)學掃描為 SPECT掃描。
7、 根據(jù)前述任一權利要求戶脫的方法，其中機能醫(yī)學掃描織齊訴口 MRI 織劑作為混糊被注入。
全文摘要
本發(fā)明描述的是一種對由諸如正電子發(fā)射斷層掃描術(PET)等的機能醫(yī)學掃描產(chǎn)生的圖像進行分析的方法，其中該方法提供了血液輸入函數(shù)(BIF)的精確估算。MRI掃描和機能掃描同時執(zhí)行并且前者的結果用來推導BIF。然后，這樣得出的BIF與機能掃描的結果一起被用在藥物動力學建模中。
文檔編號A61B6/00GK101099678SQ20071012922
公開日2008年1月9日 申請日期2007年6月1日 優(yōu)先權日2006年6月2日
發(fā)明者D·肖特蘭德, J·德克勒克 申請人:美國西門子醫(yī)療解決公司