一種基于動態(tài)pet影像的心肌脂肪酸代謝量化檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于正電子發(fā)射斷層成像技術(shù)的動態(tài)建模與定量分析技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種 基于動態(tài)PET影像的心肌脂肪酸代謝量化檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] PET(正電子發(fā)射斷層成像技術(shù)）是一種核醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，能夠非創(chuàng)傷地將本來觀 測不到的體內(nèi)組織、器官的結(jié)構(gòu)或功能直觀可視性地呈現(xiàn)出來。PET的放射性藥物動態(tài)模型 的建立就是將放射性藥物（或稱為放射性示蹤劑）從注入體內(nèi)到參與完成一系列動態(tài)生化 反應(yīng)的過程，通過數(shù)學(xué)模型的方式定量地刻畫出來。葡萄糖和脂肪酸是心肌細胞的能量來 源，通過PET定量分析和檢測，能夠計算得到葡萄糖代謝率、脂肪酸代謝率和氧化率等具有 生物意義的定量指標，對器官的生理功能進行準確的測評，對于腫瘤、冠心病等心血管疾病 的早期診斷、治療方案制定、療效觀察以及新藥療效檢測等具有重要的臨床作用，可作為一 種高靈敏度、高精確度的分析工具。
[0003] 由于受到硬件的限制以及PET自身成像原理的限制，PET圖像重建后得到的圖像 質(zhì)量較差，空間分辨率較低，導(dǎo)致從圖像中得到的放射性元素活度存在PV(部分容積）效 應(yīng)和SP效應(yīng)（溢出）。對于動態(tài)PET成像，為了捕獲完整的核素濃度的變化，開始階段核 素濃度在組織內(nèi)變化較快，采樣間隔選取的很短，這樣會造成符合光子數(shù)不足從而帶來掃 描前期的重建圖像具有很大噪聲；同時由于心臟呼吸作用會產(chǎn)生掃描圖像中心臟的部分移 位，使得采樣得到的數(shù)據(jù)波動性大，存在很多偽值點，對準確衡量代謝系數(shù)產(chǎn)生很大影響。 這一問題，尤其在實驗室研宄小動物PET實驗中尤為嚴重，將嚴重影響實驗數(shù)據(jù)的精度和 置信度。
[0004] 現(xiàn)階段，基于PET的放射性藥物動態(tài)模型多采用動力學(xué)參數(shù)模型進行研宄。以 FDG(葡萄糖）代謝檢測為例，采用的是三室四參數(shù)的動力學(xué)房室模型進行量化計算的，主 要研宄方法有：
[0005] 1、利用PET動態(tài)采集序列影像獲得局部組織中FDG變化的數(shù)據(jù)，再通過多點采集 動脈血，獲得血漿中的FDG變化數(shù)據(jù)，將組織及血漿中的FDG動態(tài)數(shù)據(jù)代入動力學(xué)模型中， 用非線性最小二乘法或廣義線性最小二乘法擬合各項代謝速率。但由于需要動脈連續(xù)采 血，對患者具有創(chuàng)傷性和一定的風(fēng)險；在實驗室小動物實驗中，動脈采血也具有一定難度。
[0006] 2、通過從高分辨率PET圖像中選擇感興趣區(qū)域的方法獲取輸入和輸出數(shù)據(jù)，通過 加權(quán)非線性最小平方法進行曲線擬合，得到動力學(xué)模型的四個參數(shù)和加權(quán)系數(shù)。此方法不 需要連續(xù)采血，但是并沒有采用校正的方法消除PV、SP效應(yīng)的影響，所得結(jié)果準確性不高。
[0007] FA(脂肪酸）代謝過程比FDG代謝更為復(fù)雜。臨床上為反映FDG代謝過程使用的 示蹤劑為18F_FDG(氟代脫氧葡萄糖），F(xiàn)A代謝則選擇示蹤劑nC-Palmitate(棕櫚酸酯），由 于長鏈結(jié)構(gòu)的放射性元素nC具有比18F更大的正電子發(fā)射范圍，使得PET掃描的空間分辨 率變差，導(dǎo)致從血漿到組織的房室之間在初始掃描點的SP污染嚴重，因此在FA代謝檢測中 需要著重考慮SP效應(yīng)的影響。FA和FDG在生物體內(nèi)代謝過程不同：FDG從血液進入組織細 胞，在細胞內(nèi)被已糖激酶磷酸化，最終被細胞捕獲，因此研宄中采用三房室4參數(shù)的動力學(xué) 模型；FA從血液進去組織細胞后，代謝包括可逆的酯化和不可逆的氧化兩部分，因此采 用四房室5參數(shù)的動力學(xué)房室模型進行研宄?，F(xiàn)階段還未檢索到相關(guān)的基于PET掃描動態(tài) 影像的心肌脂肪酸代謝量化檢測的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是為解決采用PET掃描動態(tài)影像進行心肌脂肪酸代謝的量化檢測 時，由于PET掃描圖像的噪聲以及溢出和部分容積效應(yīng)的影響而導(dǎo)致量化檢測不準確的問 題，提出了一種根據(jù)脂肪酸代謝的四室動力學(xué)模型，針對PET動態(tài)掃描數(shù)據(jù)，通過插值、濾 波等方法進行多參數(shù)、雙輸出的數(shù)據(jù)擬合，從而對心肌脂肪酸代謝各項指標進行定量檢測 的方法。
[0009] 本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0010] 一種基于動態(tài)PET影像的心肌脂肪酸代謝量化檢測方法，包括以下步驟：
[0011] 步驟一、使用從動態(tài)掃描獲得的PET圖像中繪出感興趣區(qū)域的方法，分別得到各 掃描時間點血液和心肌組織中的放射性濃度序列，從而繪出血液中的時間-放射性曲線和 心肌組織中的時間-放射性曲線，作為檢測脂肪酸代謝時四室動力學(xué)模型的輸入和輸出；
[0012] 步驟二、根據(jù)步驟一中得到的血液和心肌組織中的時間-放射性曲線，采用低通 數(shù)字濾波的方法，去除時間-放射性曲線中的偽值點并降低高頻噪聲；
[0013] 步驟三、由于采集開始階段血液和組織的核素濃度上升和下降較快，根據(jù)步驟二 濾波后得到的時間-放射性曲線，在曲線的峰值附近進行插值運算，增大在數(shù)據(jù)變化速率 較快部分的分辨率，得到插值后的血液和組織時間-放射性曲線；
[0014] 步驟四、采用心肌脂肪酸代謝的四室動力學(xué)模型，對四室動力學(xué)模型的微分方程 組進行拉氏變換求解后，再進行相應(yīng)的反變換，得到由模型代謝系數(shù)匕； 5和輸入函數(shù)卷積 表示的心肌組織脂肪酸代謝濃度，以此作為模型輸出；
[0015] 步驟五、使用圖像來源的函數(shù)作為輸入輸出函數(shù)代替實際血漿和組織的時間-活 度曲線時，考慮兩者之間由于溢出效應(yīng)和血管放射性活度的部分容積效應(yīng)引起的差異，弓丨 入?yún)?shù)Smb，Sbm，rm，rb，對步驟四得到的輸入和輸出函數(shù)進行校正，其中rm，rb是對PV效應(yīng)的 恢復(fù)系數(shù)，Smb，Sbm分別是由血漿到心肌組織的溢出系數(shù)和心肌組織到血漿的溢出系數(shù)，得 到校正后的血漿濃度作為模型輸入函數(shù)，校正后的組織濃度作為模型輸出函數(shù)；
[0016] 步驟六、根據(jù)步驟三得到的血液和組織時間-放射性曲線和步驟五得到的校正后 模型輸入輸出函數(shù)，采用偏差平方和最小原則，對實際測量數(shù)據(jù)和模型函數(shù)同時進行多參 數(shù)的曲線擬合，得到心肌脂肪酸四室動力學(xué)模型的代謝系數(shù)ki-k5，并計算得出心肌組織對 脂肪酸的總利用率（MFAU)以及脂肪酸酯化（MFAE)、氧化（MFAO)參數(shù)，完成對脂肪酸代謝的 量化檢測。
[0017] 本發(fā)明的有益效果：
[0018] 本發(fā)明對比已有技術(shù)，能夠根據(jù)心肌脂肪酸的代謝特點，采用從圖像獲取輸入函 數(shù)的無創(chuàng)傷非入侵性技術(shù)；通過插值、濾波等數(shù)據(jù)處理手段對PET獲得的動態(tài)圖像數(shù)據(jù)進 行預(yù)處理來提高模型數(shù)據(jù)擬合精度；在模型中加入對部分容積效應(yīng)和溢出效應(yīng)的校正系 數(shù)，并在數(shù)據(jù)擬合時對輸入、輸出及校正系數(shù)同時進行參數(shù)估計，完成了對心肌脂肪酸代謝 的量化檢測，具有無創(chuàng)傷、快速、準確的檢測效果。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明檢測算法的總體流程圖。
[0020] 圖2為脂肪酸代謝的四房室動力學(xué)模型結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明方法的實施方式做詳細說明。
[0022] 如圖1所示，本發(fā)明的一種基于動態(tài)PET影像的心肌脂肪酸代謝量化檢測方法，其 具體步驟包括：
[0023] 步驟一、從動態(tài)PET圖像獲取活體心臟的組織和血漿的時間-放射性曲線。在活 體中注射能夠反映心肌脂肪酸代謝過程的示蹤劑（nC-Palmitate)，使用正電子發(fā)射計算機 斷層顯像設(shè)備經(jīng)過一段時間的掃描獲得PET動態(tài)圖像；通過從圖像中選擇血液和組織的感 興趣區(qū)域，得到掃描時間點序列、各時間點血漿中的放射性濃度序列和組織中的放射性濃 度序列，從而繪出血液和組織的時間-放射性曲線，作為四房室模型的輸入和輸出。
[0024] 步驟二、采用數(shù)字濾波去除血漿和組織的時間-放射性曲線中的偽值點并降低噪 聲。根據(jù)PET圖像采集協(xié)議確定最小采樣間隔，設(shè)計滿足最大采樣頻率的低通濾波器，完成 對時間-放射性曲線的去噪聲以及平滑處理。
[0025] 步驟三、在數(shù)據(jù)變化上升快速的極大值附近進行插值，提高數(shù)據(jù)擬合精度。確定序 列的峰值、，在峰值附近對序列進行三次樣條插值，得到新的血漿和組織放射性濃度序列：
【主權(quán)項】
1. 一種基于動態(tài)PET影像的屯、肌脂肪酸代謝量化檢測方法，其特征在于，包括W下步 驟： 步驟一、使用從動態(tài)掃描獲得的PET圖像中繪出感興趣區(qū)域的方法，分別得到各掃描 時間點血液和屯、肌組織中的放射性濃度序列，從而繪出血液中的時間-放射性曲線和屯、肌 組織中的時間-放射性曲線，作為檢測脂肪酸代謝時四室動力學(xué)模型的輸入和輸出； 步驟二、根據(jù)步驟一中得到的血液和屯、肌組織中的時間-放射性曲線，采用低通數(shù)字 濾波的方法，去除時間-放射性曲線中的偽值點并降低高頻噪聲； 步驟=、由于采集開始階段血液和組織的核素濃度上升和下降較快，根據(jù)步驟二濾波 后得到的時間-放射性曲線，在曲線的峰值附近進行插值運算，增大在數(shù)據(jù)變化速率較快 部分的分辨率，得到插值后的血液和組織時間-放射性曲線； 步驟四、采用屯、肌脂肪酸代謝的四室動力學(xué)模型，對四室動力學(xué)模型的微分方程組進 行拉氏變換求解后，再進行相應(yīng)的反變換，得到由模型代謝系數(shù)ki-kg和輸入函數(shù)卷積表示 的屯、肌組織脂肪酸代謝濃度，W此作為模型輸出； 步驟五、使用圖像來源的函數(shù)作為輸入輸出函數(shù)代替實際血漿和組織的時間-活度曲 線時，考慮兩者之間由于溢出效應(yīng)和血管放射性活度的部分容積效應(yīng)引起的差異，引入?yún)?數(shù)Smb，Sbm，r。，rb對步驟四得到的輸入和輸出函數(shù)進行校正，其中r m，rb是對PV效應(yīng)的恢復(fù) 系數(shù)，Smb，Sbm分別是由血漿到屯、肌組織的溢出系數(shù)和屯、肌組織到血漿的溢出系數(shù)，得到校 正后的血漿濃度作為模型輸入函數(shù)，校正后的組織濃度作為模型輸出函數(shù)； 步驟六、根據(jù)步驟=得到的血液和組織時間-放射性曲線和步驟五得到的校正后模型 輸入輸出函數(shù)，采用偏差平方和最小原則，對實際測量數(shù)據(jù)和模型函數(shù)同時進行多參數(shù)的 曲線擬合，得到屯、肌脂肪酸四室動力學(xué)模型的代謝系數(shù)ki-kg，并計算得出屯、肌組織對脂肪 酸的總利用率（MFAU) W及脂肪酸醋化（MFAE)、氧化（MFAO)參數(shù)，完成對脂肪酸代謝的量化 檢測。
【專利摘要】本發(fā)明提出一種基于動態(tài)PET影像的心肌脂肪酸代謝量化檢測方法，解決采用PET掃描動態(tài)影像進行心肌脂肪酸代謝的量化檢測時,由于PET掃描圖像的噪聲以及溢出和部分容積效應(yīng)的影響而導(dǎo)致量化檢測不準確的問題。采用從圖像獲取輸入函數(shù)的無創(chuàng)傷非入侵性技術(shù)；通過插值、濾波等數(shù)據(jù)處理手段對PET獲得的動態(tài)圖像數(shù)據(jù)進行預(yù)處理來提高模型數(shù)據(jù)擬合精度；在模型中加入對部分容積效應(yīng)和溢出效應(yīng)的校正系數(shù)，并在數(shù)據(jù)擬合時對輸入、輸出及校正系數(shù)同時進行參數(shù)估計，完成了對心肌脂肪酸代謝的量化檢測，具有無創(chuàng)傷、快速、準確的檢測效果。
【IPC分類】A61B6-03, G06T7-00
【公開號】CN104574385
【申請?zhí)枴緾N201410831886
【發(fā)明人】李銀林, 張心玥, 黃忠華, 朱夢琦, 張偉
【申請人】北京理工大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月26日