CN101172038A - 用于人脑等器官局部葡萄糖代谢率的无损伤定量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于人脑及其他器官局部葡萄糖代谢率定量计算方法，其特征在于：对人体做PET/FDG动态扫描，扫描部位根据情况而定；根据需要选定大脑或其他器官的全部作为参考区，也可以选择他们的任意部分区域作为参考区，然后采用公式：

计算出大脑或其他器官中每个部位的相对葡萄糖代谢率K，计算中只要c_io ^*(t)与c_ir ^*(t)涵盖的区域大部分不重叠就可以，完全重叠时，K将自动取1；当求出选定大脑或其他器官每个部位的相对葡萄糖代谢率K值后，作全脑或全器官的归一化处理。本发明可以对所分析的器官逐像素进行定量计算，进而生成葡萄糖代谢率的功能图像，无需输入函数，因而既不需要抽血，又不需要做复杂的修正，准确性高，便于实际应用。

Description

用于人脑等器官局部葡萄糖代谢率的无损伤定量计算方法

技术领域

本发明涉及人脑及其他器官局部葡萄糖代谢率PET/FDG定量计算方法，该方法可以对所分析的器官逐像素进行定量计算，进而生成葡萄糖代谢率的功能图像，属于生物及医学成像领域。

背景技术

利用正电子放射性核素¹⁸F标记的脱氧葡萄糖(英文名：¹⁸F-fluoro-2-deoxy-D-glucose，即FDG)作显像剂的正电子发射断层显像(Positron Emission Tomography，即PET)方法(简记为PET/FDG方法)，是对动脉注射FDG后进行PET动态扫描，而后用传统的Patlak方法或三室模型等方法作葡萄糖代谢率逐像素定量计算，这样可以生成葡萄糖代谢率的图像。

以往的定量计算方法中需要输入函数，早期的研究中输入函数是通过动态抽取动脉血或者动脉化的静脉血的方法来测得。尽管这种方法很准确和有效，但它是有损伤的，容易带来不舒适，甚至会引起血管方面的其他危险，并有血样放射物处理以及对人的干扰等麻烦，因此这种方法日常很少应用。

为了减少或者消除这种抽血方法的影响，一些研究者发明了一种称为源自图像的(image-derived)的方法，将PET图像中主要反映血浆特性的特定感兴趣区(ROI)的PET数据作为输入函数。这方面的研究有用左心室的血池作为ROI，但只在心脏的PET研究中适用；在肝、肾的PET研究中也有用腹部大动脉来做的；脑部的PET研究中用颈动脉来做。但这些方法存在这样的问题：a)需要快速的图像采集方案来反映输入函数的时间曲线特征，特别是注射FDG后早期的迅速变化；b)需要有效解决局部体积效应；c)需要修正从围绕所选ROI的脑区到这些ROI的外流效应(spillover)。当示踪剂在围绕所选ROI的脑区中开始积聚时，这种组织到血浆的外流将变得很严重。因而这些方法虽然成功地用来代替动态抽血，但不准确或者需要许多复杂的手工修正。

有鉴于此，研究者又提出一些近似计算输入函数的方法，他们通过将输入函数模型化来减少抽血的次数，这样的模型包括生理学模型以及用已有的成组数据来代替个体的血样数据。采用了数学模型后，输入函数将通过拟合少量抽血数据获得模型参数后来确定。但由于输入函数的形状强烈依赖于个体的生理状态(如心脏输出等)以及实际操作因素(如FDG的注射速度等)，这样的模型不一定能很好地拟合各类实际数据，因而难以应用。

由于上述困难，目前通行的所谓的定量方法是标准摄取值(Standard Uptakevalue即SUV)方法。但它存在很多争议，此方法只是放射性活度的变形，仍然含有一定量的未被代谢FDG的成分，与真正的葡萄糖代谢率存在一定的偏差(仅凭PET数据无法校正)，因而严格来讲并不是真正的葡萄糖代谢率定量计算方法，常发生与已有的定量方法相背离的情况，因而有学者发表论文戏称它为“可笑无用值”(Silly Useless Value)。实践上之所以采用它，只是因为它不像已有的葡萄糖代谢率定量计算方法那样需要抽血，且比之单纯的放射性活度，它又能用于不同人体间的简单比较。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种有助于提高计算准确性的用于人脑及其他器官局部葡萄糖代谢率PET/FDG定量计算方法。

为实现上述发明目的，本发明是采取以下的技术方案来实现的：

一种用于人脑等器官局部葡萄糖代谢率PET/FDG无损伤定量计算方法，其特征在于：

(1)对人体做PET/FDG动态扫描，扫描的部位根据情况而定；

(2)、根据需要选定大脑或者其他器官的全部作为参考区，也可以选择他们的任意部分区域作为参考区，然后采用下列公式：

${\∫}_{t_0}^t{c}_{\mathrm{io}}^{*}\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}=K{\∫}_{t_0}^t{c}_{\mathrm{ir}}^{*}\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}+W_1(c_{\mathrm{ir}}^{*}\left(t\right)-c_{\mathrm{ir}}^{*}\left(t_0\right))+W_2(c_{\mathrm{io}}^{*}\left(t_0\right)-c_{\mathrm{io}}^{*}\left(t\right))$

计算出大脑或其他器官中每个部位的相对葡萄糖代谢率K，式中t₀是注射FDG后PET起始扫描时间，c_io ^*(t)为t时刻待求部位的单位体积的FDG放射性活度，c_ir ^*(t)为所选定参考区的相应值，W₁、W₂是两个拟合参数，通过动态测量采样，拟合得到K、W₁、W₂，计算中只要c_io ^*(t)与c_ir ^*(t)涵盖的区域有大部分不重叠就可以了；

(3)当求出选定大脑或其他器官每个部位的相对葡萄糖代谢率K值后，作全脑或其他全器官的归一化处理。所得数值与该部位的绝对葡萄糖代谢率仅相差一比例常数，可以用它作绝对葡萄糖代谢率的指标。这个归一化后的图像可以用于单个人体的定量计算或不同人体间的比较研究等。

前述的用于人脑等器官局部葡萄糖代谢率定量计算方法，其特征在于计算的区域与所选参考区完全重叠时，K取为1；

前述的用于人脑等器官局部葡萄糖代谢率定量计算方法，其特征在于所述的部位可以是像素。

前述的用于人脑等器官局部葡萄糖代谢率PET/FDG无损伤定量计算方法，其特征在于所述的注射FDG后PET起始扫描时间t₀为5分钟以上。

本发明的有益效果是：本发明可以对所分析的器官逐像素进行葡萄糖代谢率的定量计算，进而生成葡萄糖代谢率的功能图像，无需输入函数，因而既不需要抽血，又不需要做复杂的修正，准确性高，便于实际应用。这种完全无损伤的定量方法具有很大的应用情景。

附图说明

图1是噪声水平为1的情况下本发明与Patlak方法的回归比较示意图；

图2是本发明中任选两个不同参考区在噪声水平高达2的情况下所得结果的回归比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图介绍本发明与国际公认的金标准Patlak方法计算结果的比较：

图1是噪声水平为1的情况下本发明与Patlak方法的回归比较。图中蓝色散点对应每个像素的结果，绿色直线为两种方法的回归直线，其斜率为0.9909，非常接近于1；截距为0.0814，接近于0。这表明本发明的结果与Patlak方法几乎是正比的，因而二者相等价。同时我们直接比较了本发明与Patlak方法的差异，在噪声水平直至4的情况下，二者相差小于5％，而本发明受噪声的影响不差于Patlak方法。这些结果显示本发明和Patlak方法的计算结果近似，但不像传统的方法那样需要输入函数，从而免去了前述背景技术中所描述的那些困惑。

图2是本发明中任选两个不同参考区在噪声水平高达2的情况所得结果的回归比较。图上蓝色散点对应每个像素的结果，绿色直线为用两个参考区所得结果的回归直线，其斜率为0.9982，非常接近于1；截距为0.0006，非常接近于0。两个参考区所得结果几乎一致，表明本发明方法的计算结果不依赖于参考区的选取。同时本发明与Patlak方法一样都采用线性参数拟合，说明本发明的计算相当稳定和快捷，结果很可靠，非常适合实践需要。

由上所述可见，本发明选用非特定参考区后，利用前述我们建立的无损伤葡萄糖代谢率定量计算公式，输入函数将消失。而由于不像前述源自图像的方法那样选特定感兴趣区(比如反映血浆特性的ROI)，因而不需对它的特征有所要求，进而不用像源自图像方法那样需要复杂的修正。由于不需要输入函数，从而既不需要动态抽取动脉血也不需要做复杂的修正等人工干预，因而便于实现计算机的自动化处理。同时我们的结果与精确葡萄糖代谢率定量计算方法没有偏差，因而也避免了目前通行的SUV方法常遇到的困境，本发明有望代替SUV方法。

上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.用于人脑等器官局部葡萄糖代谢率定量计算方法，其特征在于：

(1)、对人体做PET/FDG动态扫描，扫描的部位根据情况而定；

(2)、根据需要选定大脑或者其他器官的全部作为参考区，也可以选择他们的任意部分区域作为参考区，然后采用下列公式：

${\∫}_{t_0}^t{c}_{\mathrm{io}}^{*}\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}=K{\∫}_{t_0}^t{c}_{\mathrm{ir}}^{*}\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}+W_1(c_{\mathrm{ir}}^{*}\left(t\right)-c_{\mathrm{ir}}^{*}\left(t_0\right))+W_2(c_{\mathrm{io}}^{*}\left(t_0\right)-c_{\mathrm{io}}^{*}\left(t\right))$

计算出大脑或其他器官中每个部位的相对葡萄糖代谢率K，式中t₀是注射FDG后PET起始扫描时间，c_io ^*(t)为t时刻待求部位的单位体积的FDG放射性活度，c_ir ^*(t)为所选定参考区的相应值，W₁、W₂是两个拟合参数，通过动态测量采样，拟合得到K、W₁、W₂，计算中只要c_io ^*(t)与c_ir ^*(t)涵盖的区域有大部分不重叠就可以了；

(3)、当求出选定大脑或其他器官每个部位的相对葡萄糖代谢率K值后，作全脑或其他全器官的归一化处理。

2.根据权利要求1所述的用于人脑等器官局部葡萄糖代谢率定量计算方法，其特征在于计算的区域与所选参考区完全重叠时，K取为1；

3.根据权利要求1所述的用于人脑等器官局部葡萄糖代谢率定量计算方法，其特征在于所述的部位可以是像素。

4.根据权利要求1所述的用于人脑等器官局部葡萄糖代谢率定量计算方法，其特征在于所述的注射FDG后PET起始扫描时间t₀为5分钟以上。

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