JP2002267756A - Body kinetics analytic method of medicine using compartment model - Google Patents

Body kinetics analytic method of medicine using compartment model

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JP2002267756A
JP2002267756A JP2001358111A JP2001358111A JP2002267756A JP 2002267756 A JP2002267756 A JP 2002267756A JP 2001358111 A JP2001358111 A JP 2001358111A JP 2001358111 A JP2001358111 A JP 2001358111A JP 2002267756 A JP2002267756 A JP 2002267756A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method capable of performing a compartment model analysis of body kinetics of a medicine while freely constituting a compartment model. SOLUTION: Compartments are regarded to be entirely equal regardless of the order of arrangement, and all combinations of the compartments are described with only text data. A compartment model analytic program interprets the compartment model from the description method, and calculates and outputs intended speed constant image data from age-based medicine distribution image data obtained by use of a medicine body kinetics imaging technique such as PET or the like and age-based medicine blood concentration data obtained by a method such as arterial blood collection or the like.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、PET(Positron
Emission Tomography;陽電子放出断層撮影法)、SP
ECT(Single Photon Emission Computed Tomograph
y;単一光子放出断層撮影法)、MRI(Magnetic Reso
nance Imaging;核磁気共鳴画像法)、オートラジオグ
ラフィー法など、薬物の体内分布を経時的に測定し薬物
の体内動態を画像化することが可能な技術を用いて得ら
れた薬物の体内分布に関する経時的薬物分布画像データ
をもとに、コンパートメントモデル解析を行って目的と
する速度定数画像データを得る方法に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a PET (Positron)
Emission Tomography (positron emission tomography), SP
ECT (Single Photon Emission Computed Tomograph
y; single photon emission tomography, MRI (Magnetic Reso
nance Imaging; Nuclear Magnetic Resonance Imaging), autoradiography, etc., related to the biodistribution of a drug obtained using a technique that can measure the biodistribution of a drug over time and image the pharmacokinetics of the drug. based on the temporal drug distribution image data, to a method of obtaining a rate constant target image data by performing a compartmental model analysis.

【0002】[0002]

【従来の技術】薬物の体内動態は、吸収、分布、代謝、
排泄という過程があり、この4つの過程はまた複雑にか
らみあった過程から成っていて、色々な因子によって影
響される。さらに、この4つの過程に影響する諸因子は
単に1つの過程に影響するのみではなく、他の過程にも
影響を及ぼすとともに、この4つの過程はお互いに影響
を及ぼしあっている。これらの過程を定量的に解明する
手法の代表的なものがコンパートメントモデル解析であ
る。実際の生体の中で注目する部分を単純なコンパート
メントモデルによって近似して、各過程における吸収速
度、代謝速度などを求める。
Pharmacokinetics of the Prior Art] drugs, absorption, distribution, metabolism,
There is a process called excretion, and these four processes are also composed of complicated processes and are influenced by various factors. Furthermore, factors affecting these four processes not only affect one process, but also other processes, and the four processes affect each other. A representative method for quantitatively elucidating these processes is compartment model analysis. The part of interest in the actual living body is approximated by a simple compartment model, and the absorption rate, metabolic rate, and the like in each process are obtained.

【0003】従来から、PET、SPECT、MRIな
どにより得られた経時的薬物分布画像データから、コン
パートメントモデル解析を用いて速度定数画像データを
得ることが行われている。これは経時的薬物分布画像デ
ータ自体が体内局所における薬物の吸収、分布、代謝、
排泄の総合的な結果でしかなく、それよりも個々の過程
を構成している、組織での吸収速度や代謝速度などの機
能的変化を見たいという場合が多いからである。どの機
能的変化が必要になるかというのは注目する部位や生体
内反応など目的によって異なり、適用するコンパートメ
ントモデルも異なってくる。適切なコンパートメントモ
デルでの解析によって、目的とする薬物の代謝酵素や薬
物受容体などの活性について検討することができる。こ
れまでコンパートメントモデル解析を行う場合には、コ
ンパートメントモデル構成を自由に記述する方法及びそ
れに従って計算を行うプログラムが存在せず、比較的よ
く使われる2ないし3コンパートメントモデルに限定し
たプログラムが使用されてきた。これらのプログラムで
は、例えば、3コンパートメントモデルでは4つのパラ
メータの入力を想定するのみで、より複雑なコンパート
メントモデル構成に対応することができなかった。
[0003] Conventionally, rate constant image data has been obtained from compartmentalized drug distribution image data obtained by PET, SPECT, MRI, or the like, using compartment model analysis. This is because the time-lapse drug distribution image data itself is the absorption, distribution, metabolism,
This is because it is not only a comprehensive result of excretion, but rather, it is often desirable to see functional changes such as absorption rate and metabolic rate in tissues that constitute individual processes. How functional changes is that if needed depends on the purpose such sites or biological reactions of interest, compartment model to be applied are also different. By analyzing with an appropriate compartment model, the activity of a target drug such as a metabolic enzyme and a drug receptor can be examined. Until now, when a compartment model analysis is performed, there is no method for freely describing the compartment model configuration and a program for performing calculations according to the method, and a program limited to a relatively frequently used two or three compartment model has been used. Was. In these programs, for example, in a three-compartment model, only four parameter inputs are assumed, and it is not possible to cope with a more complicated compartment model configuration.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】コンパートメントモデ
ル解析はコンピュータの未発達であった時代から作図的
な方法で行われていたが、最近ではコンピュータの発達
によって複雑な計算が可能となり、これまでのような単
純なコンパートメントモデルだけでなく、生体内におけ
る実態により近いコンパートメントモデルであっても現
実的に計算が可能な環境になっている。しかし、この分
野におけるコンピュータの利用はまだ十分進んでおら
ず、よく用いられる2ないし3コンパートメントモデル
での計算が通常行われている。しかし2ないしは3コン
パートメントに限定した解析プログラムを用いた解析で
は、PET等を利用した高度な薬物体内動態画像化技術
の進歩に対応できず、この分野での研究においてコンパ
ートメントモデル解析がネックとなっている面があっ
た。
[0003] Compartment model analysis has been performed by a diagrammatic method since the days when computers were not developed, but recently, the development of computers has made it possible to perform complicated calculations. Not only a simple compartment model but also a compartment model that is closer to the actual state in a living body is in an environment where calculations can be realistically made. However, the use of computers in this field has not been sufficiently advanced, and calculations with commonly used two or three compartment models are usually performed. However, in the analysis using the analysis program is limited to 2 or 3 compartments, can not correspond to the progress of advanced drug pharmacokinetics imaging technology using PET or the like, become compartment model analysis and neck in research in this field There was a side.

【0005】従来の2又は3コンパートメントモデルに
限定された解析プログラムを用いた解析では、そのプロ
グラムにおいて規定された単純なモデルから逸脱するよ
うな体内動態を示す薬物では良好な結果を得られない場
合がある。例えば、薬物が複数の経路から吸収される場
合、薬物が複数の代謝過程によって代謝される場合、薬
物が複数の薬物受容体に結合する場合、薬物が複数の排
泄経路から消失する場合など、薬物が体内において同時
に複数の経路をたどって移動又は代謝されていく場合に
は、従来の解析プログラムでは良好な結果が得られな
い。そのため従来技術ではそのような薬物の体内動態の
コンパートメントモデル解析を行うことができず、体内
動態の詳細な検討を行うことができなかった。本発明
は、このようなコンパートメントモデル解析の現状に鑑
み、コンパートメントモデルを自由に構成して薬物の体
内動態のコンパートメントモデル解析を行うことを可能
にする方法を提供することを目的とする。
In the analysis using a conventional analysis program limited to a two- or three-compartment model, when a drug exhibiting a pharmacokinetics that deviates from the simple model defined in the program cannot provide good results. There is. For example, if the drug is absorbed from multiple routes, if the drug is metabolized by multiple metabolic processes, if the drug binds to multiple drug receptors, if the drug disappears from multiple excretion routes, etc. In the case where is moved or metabolized along a plurality of pathways in the body at the same time, good results cannot be obtained with the conventional analysis program. Therefore, in the conventional technique, a compartment model analysis of the pharmacokinetics of such a drug could not be performed, and a detailed study of the pharmacokinetics could not be performed. The present invention has been made in view of the present situation of the compartment model analysis, and has as its object to provide a method that allows a compartment model to be freely configured to perform a compartment model analysis of a pharmacokinetics of a drug.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】コンパートメントモデル
を一般的に記述するのに作図的方法を用いた場合、これ
を作図し解釈するプログラムが必要となる。コンピュー
タ上で作図を行うプログラムは、それ自身が個々のコン
ピュータシステムに依存したものを必要として汎用性が
乏しいものとなる欠点がある。またそれを解釈しコンパ
ートメントモデル計算を行うのに、あらゆる組み合わせ
を想定したプログラムを作成するのは困難である。
When a diagrammatic method is used to generally describe a compartment model, a program for drawing and interpreting the model is required. A program for drawing on a computer has a drawback in that it requires a program that depends on each computer system itself, and is therefore less versatile. Also, it is difficult to create a program that assumes any combination to interpret and calculate the compartment model.

【0007】そこで、前記目的を達成するために本発明
者は、テキストデータのみによるコンパートメントモデ
ルの一般的記述方法及びその方法によって経時的薬物分
布画像データからコンパートメントモデル解析を行い速
度定数画像データを得る方法を開発した。
Therefore, in order to achieve the above object, the present inventor provides a general description method of a compartment model using only text data, and performs a compartment model analysis from time-lapse drug distribution image data to obtain rate constant image data. Method developed.

【0008】すなわち、本発明による薬物の体内動態解
析方法は、薬物の体内分布に関する経時的薬物分布画像
データ及び経時的血中薬物濃度データをもとにコンパー
トメントモデル解析を行って、画素毎に各コンパートメ
ント間の速度定数を求める薬物の体内動態解析方法にお
いて、所定数のコンパートメント間の結合様式を表す行
列形式のテキストデータによってコンパートメントモデ
ル構成を入力する第1の工程と、行列形式のテキストデ
ータによって各コンパートメント間の速度定数初期値を
入力する第2の工程と、経時的薬物分布画像データと経
時的血中薬物濃度データを入力する第3の工程と、入力
されたコンパートメントモデル構成からコンパートメン
ト間の結合がある組み合わせを抽出し記憶する第4の工
程と、入力されたコンパートメントモデル構成、各コン
パートメント間の速度定数初期値、経時的薬物分布画像
データ及び経時的血中薬物濃度データから、前記記憶し
た結合があるコンパートメント間の薬物濃度移動量を微
小時間毎に逐次計算し、コンパートメントモデルシミュ
レーションによる経時的薬物分布画像データを計算する
第5の工程と、入力された経時的薬物分布画像データと
コンパートメントモデルシミュレーションにより求めら
れた経時的薬物分布画像データ間の差(例えば、残差平
方和)を求める第6の工程と、前記2つの経時的薬物分
布画像データ間の差が小さくなるように非線形最適化法
によって各コンパートメント間の速度定数を調節する第
7の工程とを含み、前記2つの経時的薬物分布画像デー
タ間の差が指定値以下に収束するまで前記第5の工程か
ら第7の工程を反復することを特徴とする。
That is, the method for analyzing the pharmacokinetics of a drug according to the present invention performs a compartment model analysis on the basis of time-dependent drug distribution image data and time-dependent drug concentration data in the blood concerning the biodistribution of the drug, and performs each pixel-by-pixel analysis. In the method for analyzing the pharmacokinetics of a drug for determining a rate constant between compartments, a first step of inputting a compartment model configuration using matrix-format text data representing a binding mode between a predetermined number of compartments, A second step of inputting an initial value of a rate constant between compartments, a third step of inputting time-dependent drug distribution image data and time-dependent blood drug concentration data, and coupling between compartments based on the input compartment model configuration A fourth step of extracting and storing a certain combination; From the compartment model configuration, the initial value of the rate constant between each compartment, the time-dependent drug distribution image data, and the time-dependent blood drug concentration data, the memorized drug concentration transfer amount between the compartments with the binding is successively measured at every minute time. A fifth step of calculating and calculating the temporal drug distribution image data by the compartment model simulation, and a difference between the input temporal drug distribution image data and the temporal drug distribution image data obtained by the compartment model simulation (for example, A sixth step of calculating the sum of squares of the residual), and a seventh step of adjusting the rate constant between the compartments by a non-linear optimization method so that the difference between the two time-lapse drug distribution image data is reduced. Until the difference between the two time-lapse drug distribution image data converges to a specified value or less. Characterized by repeating the seventh step from said fifth step.

【0009】ここで、第4の工程は第5から第7の工程
における膨大な繰り返し計算から無駄な処理を省く目的
で加えられているが、省略することもできる。その場合
第5の工程においては全てのコンパートメント間の薬物
濃度移動量を計算することになる。また、第1から第3
の工程は第5の工程の前に実行すればよく、実行順序は
問わない。第4の工程も第1の工程の後、第5の工程の
前に実行すればよく、実行順序は固定されない。
Here, the fourth step is added for the purpose of eliminating useless processing from the enormous repetition calculation in the fifth to seventh steps, but may be omitted. In that case, in the fifth step, the amount of drug concentration transferred between all compartments is calculated. In addition, the first to third
May be performed before the fifth step, and the order of execution does not matter. The fourth step may be executed after the first step and before the fifth step, and the execution order is not fixed.

【0010】第1から第3の工程および/または第4の
工程の実行順序を、本願発明の目的の範囲内で変更した
実施態様、および、第4の工程を省略した実施態様も本
願発明の範囲内に含まれる。コンパートメント間の結合
様式は、流れが無い、流れがあり速度定数の値が可変、
流れがあり速度定数の値が固定のうちの一つによって指
定することができる。また、第7の工程における速度定
数の調節は、値が可変と指定された速度定数についての
み行う。
An embodiment in which the execution order of the first to third steps and / or the fourth step is changed within the scope of the object of the present invention, and an embodiment in which the fourth step is omitted are also included in the present invention. Included in the range. There are no flow, no flow, variable velocity constant value,
There is a flow and the value of the rate constant can be specified by one of the fixed. The adjustment of the speed constant in the seventh step is performed only for the speed constant whose value is designated as variable.

【0011】本発明によるコンピュータ読み取り可能な
記録媒体は、薬物の体内分布に関する経時的薬物分布画
像データ及び経時的血中薬物濃度データをもとにコンパ
ートメントモデル解析を行って、画素毎に各コンパート
メント間の速度定数を求める薬物の体内動態解析方法で
あって、所定数のコンパートメント間の結合様式を表す
行列形式のテキストデータによってコンパートメントモ
デル構成を入力する第1の工程と、行列形式のテキスト
データによって各コンパートメント間の速度定数初期値
を入力する第2の工程と、経時的薬物分布画像データと
経時的血中薬物濃度データを入力する第3の工程と、入
力されたコンパートメントモデル構成からコンパートメ
ント間の結合がある組み合わせを抽出し記憶する第4の
工程と、入力されたコンパートメントモデル構成、各コ
ンパートメント間の速度定数初期値、経時的薬物分布画
像データ及び経時的血中薬物濃度データから、前記記憶
した結合があるコンパートメント間の薬物濃度移動量を
微小時間毎に逐次計算し、コンパートメントモデルシミ
ュレーションによる経時的薬物分布画像データを計算す
る第5の工程と、入力された経時的薬物分布画像データ
とコンパートメントモデルシミュレーションにより求め
られた経時的薬物分布画像データ間の差を求める第6の
工程と、前記前記2つの経時的薬物分布画像データ間の
差が小さくなるように非線形最適化法によって各コンパ
ートメント間の速度定数を調節する第7の工程とを含
み、前記2つの経時的薬物分布画像データ間の差が指定
値以下に収束するまで前記第5の工程から第7の工程を
反復する薬物の体内動態解析方法を、コンピュータに実
行させるためのプログラムを記録したものである。
A computer-readable recording medium according to the present invention performs a compartment model analysis on the basis of time-dependent drug distribution image data and time-dependent drug concentration data in the blood regarding the distribution of a drug in the body, and calculates a pixel-by-pixel A method for analyzing the pharmacokinetics of a drug for determining a rate constant of a first step of inputting a compartment model configuration using matrix-format text data representing a binding mode between a predetermined number of compartments; A second step of inputting an initial value of a rate constant between compartments, a third step of inputting time-dependent drug distribution image data and time-dependent blood drug concentration data, and coupling between compartments based on the input compartment model configuration A fourth step of extracting and storing a certain combination; From the compartment model configuration, the initial value of the rate constant between each compartment, the time-dependent drug distribution image data and the time-dependent drug concentration data in the blood, the amount of drug concentration transfer between the compartments with the stored bonds is sequentially calculated every minute time. A fifth step of calculating temporal drug distribution image data by compartment model simulation; and a sixth step of calculating a difference between the input temporal drug distribution image data and the temporal drug distribution image data obtained by compartment model simulation. And a seventh step of adjusting a rate constant between the compartments by a non-linear optimization method such that a difference between the two time-lapse drug distribution image data is reduced, and The fifth step until the difference between the distribution image data converges to a specified value or less. The pharmacokinetics analysis method of drugs repeating et seventh step, is obtained by recording a program for causing a computer to execute.

【0012】本発明によると、コンパートメントをその
並び順に関係無く全て同等と見なし、全てのコンパート
メントの組み合わせについて記述することで、あらゆる
組み合わせのコンパートメントモデルを記述することが
可能となる。また、それをテキストデータのみで記述す
ることで、本発明によるコンパートメントモデルの記述
データはいかなるコンピュータシステム上でも使用可能
な高い汎用性を有している。本発明におけるプログラム
ではその記述方法からコンパートメントモデルを解釈
し、PETなどの薬物体内動態画像化技術を用いて得ら
れた経時的薬物分布画像データ及び動脈採血などにより
得られた経時的血中薬物濃度データから、目的とする速
度定数画像データを計算して出力する。
According to the present invention, it is possible to describe a compartment model of any combination by regarding all compartments as being equal regardless of their arrangement order and describing combinations of all compartments. Also, by describing it with text data only, the description data of the compartment model according to the present invention has high versatility that can be used on any computer system. The program according to the present invention interprets the compartment model from the description method, and the time-dependent drug distribution image data obtained by using a drug pharmacokinetic imaging technique such as PET and the time-dependent drug concentration in blood obtained by arterial blood sampling and the like. From the data, target speed constant image data is calculated and output.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。本発明で用いることのできる薬物
の体内分布に関する経時的薬物分布画像データおよび経
時的血中薬物濃度データの取得方法は特に限定されない
が、以下の説明では、PETを用いて得られた薬物の体
内分布に関する経時的薬物分布画像データおよび動脈採
血により得られた経時的血中薬物濃度データを例にとっ
て、本発明の処理方法について説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The method of obtaining the time-dependent drug distribution image data and the time-dependent blood drug concentration data regarding the biodistribution of the drug that can be used in the present invention is not particularly limited. The processing method of the present invention will be described by taking as an example the temporal drug distribution image data relating to the distribution and the temporal blood drug concentration data obtained by arterial blood sampling.

【0014】PET測定の開始から終了までの時間を予
め定められた時間間隔でnf[フレーム]に分割し、各フ
レーム時間中に測定された体内局所組織内の薬物から放
出された放射線をカウントして、各フレーム時間内にお
ける体内局所組織中薬物濃度の時間積分平均の値を画像
化し、nf組の経時的薬物分布画像データとして得る。ま
たPET測定の開始から終了までの時間内において、予
め定められた時間間隔で動脈から採血を行って血中薬物
濃度を測定し、体内局所組織中へ流入する薬物濃度の経
時変化すなわち経時的血中薬物濃度データIF(t)を得
る。
The time from the start to the end of the PET measurement is divided into n f [frames] at predetermined time intervals, and the radiation emitted from the drug in the local tissue in the body measured during each frame time is counted. Then, the value of the time-integrated average value of the drug concentration in the in-vivo local tissue within each frame time is imaged to obtain n f sets of time-dependent drug distribution image data. During the period from the start to the end of the PET measurement, blood is collected from the artery at predetermined time intervals to measure the drug concentration in the blood, and the time-dependent change in the drug concentration flowing into local tissues in the body, that is, blood over time is measured. Intermediate drug concentration data IF (t) is obtained.

【0015】図1は、本発明によるコンパートメントモ
デル解析システムの概略構成図である。入力装置11と
してはキーボードを備えている。中央処理装置10のメ
インメモリには本発明によるコンパートメントモデル解
析プログラム14がロードされている。中央処理装置1
0にはさらに、本プログラム14の入力となる経時的薬
物分布画像データを予め保存しておき、また本プログラ
ム14の出力となる速度定数画像データを保存するため
の補助記憶装置12を備えている。出力装置13として
は文字出力が可能なディスプレイ装置を備えている。コ
ンパートメントモデル解析プログラムは、フロッピーデ
ィスク、CD−ROM等の記録媒体に記録されており、
本システムは、そのコンパートメントモデル解析プログ
ラムをロードしたパーソナルコンピュータ等によって実
現可能である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a compartment model analysis system according to the present invention. The input device 11 includes a keyboard. The compartment model analysis program 14 according to the present invention is loaded in the main memory of the central processing unit 10. Central processing unit 1
0 further includes an auxiliary storage device 12 for preliminarily storing time-lapse drug distribution image data which is an input of the present program 14, and for storing rate constant image data which is an output of the present program 14. . The output device 13 includes a display device capable of outputting characters. The compartment model analysis program is recorded on a recording medium such as a floppy disk, a CD-ROM,
This system can be realized by a personal computer or the like loaded with the compartment model analysis program.

【0016】一例として、薬物としてFDG(2−フル
オロ−2−デオキシ−D−グルコース)を用い、PET
により脳における経時的薬物分布画像データを得て、脳
内グルコース代謝過程のコンパートメントモデル解析を
行う場合を例にしてコンパートメントモデル構成及びそ
の記述方法を説明する。
As an example, FDG (2-fluoro-2-deoxy-D-glucose) is used as a drug, and PET is used.
The composition of a compartment model and a method of describing the compartment model will be described by taking as an example the case of obtaining temporal drug distribution image data in the brain and analyzing the compartment model of the glucose metabolism process in the brain.

【0017】図2は、薬物がFDGである場合のコンパ
ートメントモデル構成の例を示す図である。コンパート
メント1は血管内の血漿中FDGを、コンパートメント
2は脳組織中へ移行したFDGを、コンパートメント3
は脳組織中においてヘキソキナーゼによって6位リン酸
化を受けたFDG(FDG−6−P:2−フルオロ−2
−デオキシ−D−グルコース−6−リン酸)を表し、そ
れぞれの濃度を値として持っている。またk12,k21はそ
れぞれ血漿中から脳組織内、脳組織内から血漿中へのF
DGの移行速度定数を示す。k23は、脳組織内のヘキソ
キナーゼによる6位リン酸化によるFDGからFDG−
6−Pの生成速度定数を示す。k32はヘキソキナーゼに
よる6位脱リン酸化によるFDG−6−PからFDGが
生成する際の脱リン酸化速度定数を示す。コンパートメ
ント解析プログラムに対するコンパートメントモデル構
成の指示は、コンパートメントの結合様式を決定する
「コンパートメント構成行列」と、各速度定数の推定を
非線形最適化法により行うための初期値を記述した「速
度定数初期値行列」により行う。
FIG. 2 is a diagram showing an example of a compartment model configuration when the drug is FDG. Compartment 1 contains FDG in plasma in blood vessels, compartment 2 contains FDG transferred into brain tissue, and compartment 3
Is FDG phosphorylated by hexokinase in brain tissue at position 6 (FDG-6-P: 2-fluoro-2).
- represents a deoxy -D- glucose-6-phosphate), it has the respective concentrations as values. K 12 and k 21 are the F from the plasma to the brain tissue and from the brain tissue to the plasma, respectively.
4 shows a transfer rate constant of DG. k 23 from FDG by 6 of phosphorylation by hexokinase in the brain tissue FDG-
The production rate constant of 6-P is shown. k 32 shows the dephosphorylation rate constant when FDG is produced from FDG-6-P by 6 position dephosphorylation by hexokinase. The instructions for the compartment model configuration to the compartment analysis program include a “compartment configuration matrix” that determines the coupling mode of the compartments, and a “rate constant initial value matrix” that describes the initial values for estimating each rate constant by the nonlinear optimization method. Is performed.

【0018】図3は、コンパートメント構成行列の例を
示す図である。図3に示すように、コンパートメント構
成行列はコンパートメントiとコンパートメントjの結
合状態をi行j列の成分に持っている。コンパートメン
ト構成行列のi行j列の値がコンパートメントiからコ
ンパートメントjへの薬物の流れの有無を表し、”0”
は「流れない」、”1”は「流れる(値可変)」、”
2”は「流れる(値固定)」をそれぞれ表す。コンパー
トメント間に薬物が流れる場合はコンパートメント間に
結合があり、コンパートメント間に薬物が流れない場合
はコンパートメント間に結合がないことになる。また、
コンパートメント1はFDGの例では血管内の血漿中F
DG濃度が相当する、経時的血中薬物濃度データが入力
されるコンパートメント固定とする。
FIG. 3 is a diagram showing an example of a compartment configuration matrix. As shown in FIG. 3, the compartment configuration matrix has a connection state between the compartment i and the compartment j in an i-th row and a j-th column. The value of the i-th row and the j-th column of the compartment configuration matrix indicates whether or not the drug flows from the compartment i to the compartment j, and is “0”.
Is "does not flow", "1" is "flows (variable value)", "
2 "represents" flow (fixed value) ", respectively. If the drug flows between the compartments, there is a bond between the compartments; if the drug does not flow between the compartments, there is no bond between the compartments. Also,
Compartment 1 contains FDG in blood vessels in the case of FDG.
It is assumed that the compartment is fixed to which the blood drug concentration data with time corresponding to the DG concentration is input.

【0019】この例の場合、血漿中FDGが直接脳組織
内FDG−6−Pに変化することはありえないので、コ
ンパートメント1から3へは流れない、即ちk13にあた
るコンパートメント構成行列の1行3列成分は”0”と
記述される。また、この逆の流れもありえないため、k
31にあたるコンパートメント構成行列の3行1列成分
は”0”と記述される。k12は、脳局所ごとにほぼ血流
に従って脳組織中への移行速度定数が変化する。従っ
て、k12にあたるコンパートメント構成行列の1行2列
成分は値可変で流れる、即ち”1”と記述される。k23
は、脳局所ごとにヘキソキナーゼの酵素活性に従ってF
DG−6−Pの生成速度定数が変化する。従って、k23
にあたるコンパートメント構成行列の2行3列成分は値
可変で流れる、即ち”1”と記述される。k32は、脳内
における脱リン酸化速度定数に相当するが、その速度は
遅いのでその脳局所ごとの変化は無視できる。そのため
ここでは値固定で流れる、従って、k32にあたるコンパ
ートメント構成行列の3行2列成分は”2”と記述して
いる。
[0019] In this example, since the plasma FDG is impossible be changed directly brain tissue FDG-6-P, does not flow from the compartment 1 to 3, i.e. one row and three columns of compartments component matrices corresponding to k 13 The component is described as "0". Also, since the reverse flow is not possible, k
The 3rd row and 1st column component of the compartment configuration matrix corresponding to 31 is described as “0”. k 12, it changes the migration rate constant to the brain tissue in accordance with substantially the bloodstream for each brain topically. Thus, one row and two columns component of k 12 corresponding to the compartment configuration matrix flows with a value variable, is described as i.e. "1". k 23
Is determined according to the enzyme activity of hexokinase in each brain region.
The generation rate constant of DG-6-P changes. Therefore, k 23
The two-row, three-column component of the compartment configuration matrix corresponding to flows in a variable manner, that is, is described as “1”. k 32 is equivalent to the dephosphorylation rate constant in the brain, its speed change per the brain topically so slow is negligible. Therefore it flows with a value fixed in this case, therefore, two columns component 3 rows of compartments component matrices corresponding to k 32 is described as "2".

【0020】図4は、速度定数初期値行列の例を示す図
である。図4に示すように、速度定数初期値行列もコン
パートメント構成行列と同様の形式で速度定数kijの初
期値を行列のi行j列の成分に持っている。薬物がFD
Gである場合には図2〜図4に示したコンパートメント
モデルで問題無く解析を行うことが可能であるが、例え
ば新たに開発されたAという薬物の体内動態を調べるの
にコンパートメントモデル解析で行いたいといったよう
な要求が発生した場合に、その薬物Aの特性は必ずしも
FDGの場合のような単純なモデルで近似しきれるとは
限らない。例えば薬物の脳組織への特異的結合と同時に
非特異的結合も考えなければならなくなった場合、図5
に示すように脳組織内で未結合の薬物A、非特異的結合
した薬物A、特異的結合した薬物Aのコンパートメント
を考える必要が生じる。薬物Aの血液から脳組織への移
行、脳組織内での未結合体から特異的結合、非特異的結
合への移行速度定数をそれぞれk12,k23,k24、各逆方
向への移行速度定数をk21,k32,k42とし、このうちk32
は部位により変化せず、またk42は無視できるほど小さ
いと考えられるとすると、この場合のコンパートメント
構成行列は図6のようになる。
FIG. 4 is a diagram showing an example of a velocity constant initial value matrix. As shown in FIG. 4, the velocity constant initial value matrix has an initial value of the velocity constant k ij in the i-th row and the j-th column of the matrix in the same format as the compartment configuration matrix. Drug is FD
In the case of G, it is possible to perform analysis using the compartment model shown in FIGS. 2 to 4 without any problem. For example, in order to examine the pharmacokinetics of a newly developed drug called A, a compartment model analysis is performed. When such a demand arises, the characteristics of the drug A cannot always be approximated by a simple model as in the case of FDG. For example, when it is necessary to consider non-specific binding simultaneously with specific binding of a drug to brain tissue, FIG.
It is necessary to consider the unbound drug A, the non-specifically bound drug A, and the specifically bound drug A compartment in the brain tissue as shown in FIG. Transfer rate of drug A from blood to brain tissue, transfer rate constant from unbound to specific binding, and non-specific binding in brain tissue to k 12 , k 23 , k 24 , respectively the rate constant and k 21, k 32, k 42 , these k 32
When considered is not changed by site, also k 42 is negligibly small, the compartment configuration matrix in this case is as shown in FIG.

【0021】各速度定数にはそれぞれに初期値を与える
必要があるが、その決定方法には決まった方法は無く、
例えばすでにデータが文献的に知られている、生体外で
測定された酵素反応速度や、生体又は生体外において異
なる方法論を用いて推定された全脳などでの速度定数な
どが用いられる。先に述べたFDGの例ではSokoloffら
がFDGの体内動態から解析的に求めた理論式とそれに
対応する実験値とから全脳において求めた値を速度定数
初期値として例示した(Reivich, M., Alavi,A., Wolf,
A., Fowler, J., Russell, J., Arnett, C., MacGrego
r, R. R., Shive, C. Y., Atkins, H., Anand, A., Dan
n, R., Greenberg, J. H.、Glucose metabolic rate ki
netic model parameter determination in humans: the
lumpedconstants and rate constants for [18F]fluor
odeoxyglucose and [11C] deoxyglucose、J. Cereb. Bl
ood Flow Metab.、第5巻、第179−192頁、1985年)。
It is necessary to give each speed constant an initial value, but there is no fixed method for determining it.
For example, an enzyme reaction rate measured in vitro and a rate constant in the whole brain estimated using a different methodology in vivo or in vitro, which data is already known in the literature, are used. In the above-mentioned example of FDG, Sokoloff et al. Exemplified the value obtained in the whole brain from the theoretical formula analytically obtained from the pharmacokinetics of FDG and the corresponding experimental value as the initial value of the rate constant (Reivich, M. , Alavi, A., Wolf,
A., Fowler, J., Russell, J., Arnett, C., MacGrego
r, RR, Shive, CY, Atkins, H., Anand, A., Dan
n, R., Greenberg, JH, Glucose metabolic rate ki
netic model parameter determination in humans: the
lumpedconstants and rate constants for [ 18 F] fluor
odeoxyglucose and [ 11 C] deoxyglucose, J. Cereb. Bl
ood Flow Metab., Vol. 5, pp. 179-192, 1985).

【0022】図7は、本発明のコンパートメントモデル
解析における一連の処理を示したものである。経時的薬
物分布画像データに相当するPET実測画像データ [PE
Tf :f=1,…,nf]を予め中央処理装置10の補助記憶装置
12に保存したのちに本発明のコンパートメントモデル
解析プログラム14を実行し、入力装置11より図1に
示したような諸条件等を入力する。ステップS1におい
て、図8に示したような行列状に書かれたコンパートメ
ント構成を入力し、これを配列変数F(i,j)に読み込む。
FIG. 7 shows a series of processes in the compartment model analysis of the present invention. PET actual measurement image data [PE
T f : f = 1,..., N f ] is stored in the auxiliary storage device 12 of the central processing unit 10 in advance, and then the compartment model analysis program 14 of the present invention is executed. Input various conditions. In step S1, a compartment configuration written in a matrix as shown in FIG. 8 is input and read into an array variable F (i, j).

【0023】図8は、図9に示したような3コンパート
メントからなるコンパートメントモデルを仮定したもの
であるが、コンパートメント数[nc]は任意に指定可能で
ある。図8において、i行j列の値がコンパートメント
i→jへの薬物の流れの有無を表し、”0”,”
1”,”2”はそれぞれ流れない(薬物の移動や代謝過
程等による状態の変化がない)、値可変で流れる(薬物
の移動や代謝過程等による状態の変化があり、その速度
が変化する)、値固定で流れる(薬物の移動や代謝過程
等による状態の変化があるが、その速度は変化しない)
を意味する。また、コンパートメント1は経時的血中薬
物濃度データを入力するコンパートメント固定とする。
[0023] FIG. 8 is obtained by assuming a compartment model consisting of three compartments as shown in FIG. 9, the number of compartments [n c] can be arbitrarily specified. In FIG. 8, the value in the i-th row and the j-th column indicates whether or not the drug flows from compartment i to j, and is “0”, “0”.
1 "and" 2 "do not flow (there is no change in state due to drug movement or metabolic process, etc.), and flow at variable values (state change due to drug movement, metabolic process, etc., and their speed changes) ), Flowing at a fixed value (there is a change in state due to drug movement or metabolic processes, but the speed does not change)
Means The compartment 1 is fixed to a compartment for inputting blood drug concentration data over time.

【0024】ステップS2において同様に行列状に書か
れた各速度定数の初期値を配列変数k(i,j)に読み込む。
各速度定数の初期値には、従来からのコンパートメント
モデル解析を行う場合と同様に、全脳あるいは一部の組
織サンプルから実験的に求められた値や、何らかの実験
結果から推定された値など、何らかの根拠に基づいて最
終的な解から大きくかけ離れていないと思われる値が用
いられるのが通例であるが、基本的には利用者の判断に
任せられる。
In step S2, the initial values of the respective speed constants similarly written in a matrix are read into an array variable k (i, j).
The initial value of each rate constant is the same as in the case of conventional compartment model analysis, such as a value experimentally obtained from the whole brain or a part of tissue sample, a value estimated from some experimental result, etc. It is customary to use a value that does not seem to be significantly different from the final solution on some basis, but it is basically left to the user's judgment.

【0025】ステップS3において補助記憶装置上に保
存されたnf組のPET実測画像データ(PETf)を読み込
み、主記憶上に保存する。また、入力装置より経時的血
中薬物濃度データIF(t)の入力を行う。ステップS4で
は、ステップS1において入力されたコンパートメント
構成をもとに、全てのコンパートメントの組み合わせの
中から結合がある組み合わせを抽出し、その情報を配列
変数に保存する。ここで結合がある組み合わせとは、図
8に示したコンパートメント構成行列で行列成分が1又
は2のものに相当する。このように先に結合がある組み
合わせを抽出しておくのは、ステップS5〜S11にお
ける膨大な繰り返し計算から無駄な処理を省く目的があ
る。
[0025] reads the n f sets of PET actual image data stored on an auxiliary storage device (PET f) In step S3, stores the main memory. Further, the time-dependent blood drug concentration data IF (t) is input from the input device. In step S4, based on the compartment configuration input in step S1, a combination having a combination is extracted from all the combinations of compartments, and the information is stored in an array variable. Here, the combination having a combination corresponds to the compartment configuration matrix shown in FIG. 8 having matrix components of 1 or 2. The purpose of extracting the combination having the combination first in this way is to eliminate useless processing from the enormous repetition calculation in steps S5 to S11.

【0026】ステップS6からステップS10までの処
理は、入力されたPET実測画像データ上の全画素につ
いて行う。ステップS6においては、ステップS1〜S
2で設定されたコンパートメント構成と速度定数初期値
からなるコンパートメントモデルに、経時的血中薬物濃
度データ(IF(t))が入力された場合に、その画素の値
はPET測定時間中のnfフレームでどのような変化をた
どるかということを理論的に計算する。
The processing from step S6 to step S10 is performed for all pixels on the input PET measured image data. In step S6, steps S1 to S
When the time-dependent drug concentration data in blood (IF (t)) is input to the compartment model composed of the compartment configuration and the initial value of the rate constant set in 2, the value of the pixel becomes n f during the PET measurement time. Theoretically calculate what changes the frame will follow.

【0027】ステップS6のPET理論データ計算の詳
細を図10に示す。ステップS602〜S609はPE
T測定開始時刻(t=0)から測定終了時刻までの間の
全期間又は一定期間をステップS608においてΔtの
間隔で時刻tを変化させて繰り返し処理を行う。ステッ
プS603では、対応する時刻tにおける経時的血中薬
物濃度データの値IF(t)を、コンパートメント1に入れ
る。
[0027] FIG. 10 a detail of PET theoretical data calculated in step S6. Steps S602 to S609 are PE
In step S608, the process is repeated by changing the time t at intervals of Δt in step S608 from the T measurement start time (t = 0) to the measurement end time. In step S603, the value IF (t) of the time-dependent blood drug concentration data at the corresponding time t is put into the compartment 1.

【0028】ステップS604〜S606は、ステップ
S4において抽出し配列変数に保存しておいた全ての結
合コンパートメントの組み合わせについて繰り返し処理
を行う。ステップS605では、時刻tにおけるコンパ
ートメント間の薬物濃度移動速度を計算し、主記憶に保
存しておく。コンパートメントiからjへの薬物濃度移
動速度は、コンパートメントモデルの原理に従ってkij
×Ciで表される。ここでkijはコンパートメントiから
jへの速度定数、Ciはコンパートメントiの薬物濃度で
ある。
In steps S604 to S606, a repetitive process is performed for all combinations of the combined compartments extracted in step S4 and stored in the array variables. In step S605, the drug concentration transfer speed between the compartments at time t is calculated and stored in the main memory. The rate of drug concentration transfer from compartment i to j is k ij according to the principle of the compartment model.
× represented by C i. Where k ij is the rate constant from compartment i to j, and C i is the drug concentration in compartment i.

【0029】ステップS607では、ステップS604
〜S606で計算された各コンパートメントにおける薬
物濃度移動量の収支から、個々のコンパートメントにお
ける薬物濃度変化を計算する。時刻tにおけるコンパー
トメントjからコンパートメントiへの薬物濃度流入速
度は、コンパートメントjからコンパートメントiへの
速度定数kjiと、時刻tにおけるコンパートメントjの
薬物濃度Cj(t)の積、即ちkji×Cj(t)で表すことができ
る。従って、時刻tにおける各コンパートメントからの
コンパートメントiへの薬物濃度流入速度の合計は〔数
1〕で表せる。
In step S607, step S604
The change in the drug concentration in each compartment is calculated from the balance of the movement amount of the drug concentration in each compartment calculated in S606. The inflow rate of the drug concentration from compartment j to compartment i at time t is the product of the rate constant k ji from compartment j to compartment i and the drug concentration C j (t) in compartment j at time t, ie k ji × C j (t). Therefore, the sum of the drug concentration inflow rates from each compartment into the compartment i at the time t can be represented by [Equation 1].

【0030】[0030]

【数1】 (Equation 1)

【0031】一方、時刻tにおけるコンパートメントi
からの薬物濃度流出速度の合計は、〔数2〕で表され
る。
On the other hand, compartment i at time t
Total drug concentration outflow rate from is represented by expression (2).

【0032】[0032]

【数2】 (Equation 2)

【0033】従って、コンパートメントiにおける薬物
濃度変化の関数Ci(t)を求めるための微分方程式は次の
〔数3〕で表される。これを微分方程式の数値解法によ
り現在の時刻tよりΔt後の各コンパートメントにおけ
る薬物濃度を求め、ステップS608で現在の時刻をΔ
tだけ進めて同じようにS603〜S608の操作を繰
り返すことで、結果として解Ci(t)が求められる。
Therefore, the differential equation for obtaining the function C i (t) of the drug concentration change in the compartment i is represented by the following [Equation 3]. From this, the drug concentration in each compartment after Δt from the current time t is obtained by a numerical solution of a differential equation, and the current time is calculated as Δ in step S608.
proceed by t by repeating the operation of S603~S608 Similarly, solution C i (t) is obtained as a result.

【0034】[0034]

【数3】 (Equation 3)

【0035】上記〔数3〕より求められた個々のコンパ
ートメントにおける薬物濃度変化Ci(t)より、総薬物濃
度CTotal(t)が下記〔数4〕により求められる。ここでC
Total(t)を求めるのは各コンパートメントが物理的に区
分された状態で存在するのではなく、生体内における薬
物の状態変化を仮想的に区分しているにすぎないので、
PETなどにより測定される経時的薬物分布画像データ
も各コンパートメントの薬物濃度変化の総和として測定
されるからである。
From the drug concentration changes C i (t) in the individual compartments obtained from the above [Equation 3], the total drug concentration C Total (t) is obtained from the following [Equation 4]. Where C
Since calculating the total (t) does not exist in a state where each compartment is physically separated, it is merely a virtual division of the state change of the drug in the living body,
This is because time-dependent drug distribution image data measured by PET or the like is also measured as the sum of drug concentration changes in each compartment.

【0036】[0036]

【数4】 (Equation 4)

【0037】血管内に存在する血液の組織全体に占める
割合であるCBV(脳血液量:Cerebral Blood Volume)は
脳の多くの部位では小さいので、〔数4〕では血中薬物
濃度変化成分C1(t)は無視しているが、脳血液量CBVの影
響も含めたい場合には、適当な方法でCBVを求めるか、
あるいは予め別途測定しておいてから本プログラムに与
えて次の〔数5〕によりCBV補正を行った計算を行うこ
とも可能である。〔数5〕においてC1(t)は血中薬物濃
度変化であり、CBVは組織全体に占める血管内の血液の
割合(0%〜100%)であるから、血液中とそれ以外
の組織中の薬物濃度の寄与をCBVで按分している。
Since CBV (Cerebral Blood Volume), which is the ratio of blood present in blood vessels to the whole tissue, is small in many parts of the brain, the drug concentration change component C 1 in blood is calculated according to [Equation 4]. (t) is neglected, but if you want to include the effect of cerebral blood volume CBV, determine the CBV by an appropriate method,
Alternatively, it is also possible to separately measure in advance and then give the result to the program to perform the calculation after performing the CBV correction by the following [Equation 5]. In [Equation 5], C 1 (t) is a change in blood drug concentration, and CBV is a ratio (0% to 100%) of blood in the blood vessel to the whole tissue. CBV apportioned the contribution of drug concentration.

【0038】[0038]

【数5】 (Equation 5)

【0039】〔数4〕(又は〔数5〕)で得られた総薬
物濃度変化は時刻tの関数として表現されているが、実
際にPETで得られる経時的薬物分布画像データは、P
ETが原理的に放射線計測であるために瞬間の値という
ものが本質的に存在せず、予め定められた時間間隔で区
切られたnのフレーム時間内における総薬物濃度変化
の積分平均値としてのデータが得られる。そこで〔数
4〕(又は〔数5〕)より得られたCTotal(t)を、ステ
ップS610〜S612においてPETの各フレームに
相当する時間間隔ごとに数値積分を行い、フレームごと
のPET理論データ(PETcal(f))を算出する。
The change in the total drug concentration obtained by [Equation 4] (or [Equation 5]) is expressed as a function of time t.
ET does not theoretically exist essentially those of instantaneous values to a radiation measuring, as an integral average value of the total drug concentration changes in a frame time-separated n f at predetermined time intervals data can be obtained. In step S610 to step S612, numerical integration of C Total (t) obtained from [Equation 4] (or [Equation 5]) is performed for each time interval corresponding to each PET frame, and PET theoretical data for each frame is obtained. (PET cal (f)) is calculated.

【0040】図7に戻って、ステップS7において、得
られたPET理論データとPET実測データPETobs(f)
を比較し、両者の差を求める。この場合の計算方法は処
理しようとするデータの性質や目的に応じて最適なもの
を使用する必要があるが、一般的には〔数6〕に示すよ
うな重み付けのある残差平方和を用いる。
Returning to FIG. 7, in step S7, the obtained PET theoretical data and PET measured data PET obs (f)
And find the difference between the two. In this case, it is necessary to use an optimal calculation method according to the nature and purpose of the data to be processed. In general, a weighted residual sum of squares as shown in [Equation 6] is used. .

【0041】[0041]

【数6】 (Equation 6)

【0042】ここでkはkijの組を表している。ステッ
プS8の非線形最適化法による速度定数の調節ではこの
χ2(k)が小さくなるように速度定数の調節を行う。ただ
し、ここで調節を行うのは、図8に示すコンパートメン
ト構成行列の値が1(値可変で流れる)の組み合わせに
ついての速度定数のみである。速度定数の調節を繰り返
し行っていくとχ2(k)の変化が小さくなるので、S9に
おいてその変化が予め入力装置より入力された収束条件
(指定値)以下になったところで非線形最適化法による
速度定数の調節を中止し、S10においてその時点のk
を結果の速度定数として主記憶上に保存する。
Here, k represents a set of k ij . In the adjustment of the speed constant by the nonlinear optimization method in step S8, the speed constant is adjusted so that χ 2 (k) is reduced. However, what is adjusted here is only the velocity constant for the combination of the values of the compartment configuration matrix shown in FIG. When the adjustment of the rate constant is repeated, the change in 調節2 (k) becomes smaller. Therefore, when the change becomes equal to or less than the convergence condition (specified value) previously input from the input device in S9, the nonlinear optimization method is used. The adjustment of the rate constant is stopped, and the current k
Is stored in the main memory as the resulting rate constant.

【0043】また、Efには測定値PETobs(f)の標準偏差σ
(f)の逆数{σ(f)}-1を用いるのが理想的であるが、ここ
で例に示したPETデータの場合にはPETobs (f)は各点
1回の測定値であるから測定値の標準偏差は計算できな
い。そこで〔数7〕で表される放射線計測の理論におけ
る計数率の測定値の標準偏差で代用する。
[0043] Also, the standard deviation of the measurements PET obs (f) The E f sigma
Ideally, the reciprocal {σ (f)} −1 of (f) is used, but in the case of the PET data shown in the example, PET obs (f) is a measurement value of each point once. The standard deviation of the measured values cannot be calculated from. Therefore, the standard deviation of the measured value of the count rate in the radiation measurement theory expressed by [Equation 7] is used instead.

【0044】[0044]

【数7】 (Equation 7)

【0045】ここで、tframe(f)はフレームfの測定時間
である。この場合Efは〔数8〕で表される。
Here, t frame (f) is the measurement time of frame f. In this case, E f is represented by [Equation 8].

【0046】[0046]

【数8】 (Equation 8)

【0047】ステップS5〜S11の処理を全画素につ
いて行ったのちに、S12において主記憶上に保存され
ている速度定数を補助記憶装置上に画像データファイル
として保存し、プログラムを終了する。以上までの説明
に加えていくつかの補正を行うことも可能である。経時
的血中薬物濃度データは本来、注目している体内組織中
に流入する血液中の薬物濃度であるが、実際には抹消血
管からの採血により代用するのが普通である。そのため
実測された入力関数と真の経時的血中薬物濃度データに
は時間的なずれがある。各速度定数kに加え、この経時
的血中薬物濃度データのずれを調節することで、PET
実測データとPET理論データの差をより小さくし、補
正を行うことが可能である。また、〔数5〕で示したよ
うにCBVの補正が可能であるが、これも同様にして画素
ごとに調節して、補正を行うことが可能である。
After performing the processing of steps S5 to S11 for all the pixels, in step S12 the speed constant stored in the main storage is stored as an image data file in the auxiliary storage device, and the program ends. Some corrections can be made in addition to the above description. The time-dependent drug concentration data in the blood is originally the drug concentration in the blood flowing into the body tissue of interest, but in practice, it is usually substituted by collecting blood from peripheral blood vessels. Therefore, there is a time lag between the actually measured input function and the true blood drug concentration data with time. In addition to each rate constant k, by adjusting the shift of this blood drug concentration data over time, PET
It is possible to make the difference between the measured data and the PET theoretical data smaller and make correction. Further, as shown in [Equation 5], the CBV can be corrected. However, the correction can be performed by adjusting the CBV for each pixel in the same manner.

【0048】一例として、前述した図2に示したFDG
を用いた脳グルコース代謝のコンパートメントモデル解
析の例で本発明の方法によって得られた速度定数画像の
例を示す。図11は、FDGの場合にPET測定により
得られた経時的薬物分布画像データの例を表示したもの
である。同一脳断面における薬物分布画像を番号順に経
時的に並べてある。スケールに示した単位は体内単位体
積(1ml)当りの薬物放射能(kBq)の濃度であ
る。
As an example, the FDG shown in FIG.
5 shows an example of a rate constant image obtained by the method of the present invention in an example of a compartment model analysis of cerebral glucose metabolism by using the method. FIG. 11 shows an example of temporal drug distribution image data obtained by PET measurement in the case of FDG. The drug distribution images in the same brain cross section are sequentially arranged in numerical order. The unit shown on the scale is the concentration of drug radioactivity (kBq) per unit volume (1 ml) in the body.

【0049】図12は、動脈採血により得られた経時的
血中薬物濃度データの例をグラフに示したものである。
図13は図11の経時的薬物分布画像データ及び図12
の経時的血中薬物濃度データから、本発明の処理手順に
従って得られた速度定数画像データを表示したものであ
る。図13(a)は血漿中から脳組織内へのFDGの移
行速度定数k12を画像化したものであり、図13(b)
は脳組織内から血漿中へのFDGの移行速度定数k21
画像化したものである。図13(c)は、脳組織内のヘ
キソキナーゼによる6位リン酸化によるFDGからFD
G−6−Pへの移行速度定数k23を画像化したものであ
る。スケールに示した単位は単位時間(1分)当りの薬
物濃度移動速度である。
FIG. 12 is a graph showing an example of time-dependent blood drug concentration data obtained by arterial blood sampling.
FIG. 13 shows the time-lapse drug distribution image data of FIG. 11 and FIG.
5 shows rate constant image data obtained according to the processing procedure of the present invention from the time-dependent blood drug concentration data of FIG. 13 (a) is obtained by imaging the transition rate constant k 12 of FDG into the brain tissue from the blood plasma, and FIG. 13 (b)
Is an image of the transfer rate constant k 21 of FDG from brain tissue to plasma. FIG. 13 (c) shows that FDG was converted to FD by phosphorylation at position 6 by hexokinase in brain tissue.
The migration rate constant k 23 of the G-6-P is obtained by imaging. The unit shown on the scale is the drug concentration transfer rate per unit time (1 minute).

【0050】このようにして得られた速度定数画像デー
タからは、様々な要因が絡み合った総和である経時的薬
物分布画像データからは見えなかった情報が得られる。
例えばアルツハイマー病などの病態においてFDGで脳
グルコース代謝を測定し、これが健常人に比べて低かっ
たとする。FDGのデータをさらに各速度定数に分けて
やることで、血流量の影響を強く受ける速度定数k
12と、酵素活性を表す速度定数k23を個別に検討するこ
とが可能となるので、脳グルコース代謝が低下した部位
があった場合に、これが血流の低下によるものであるの
か、酵素活性の低下によるものであるのか判断すること
ができるので、病態の解明にも役立てることができる
し、このデータを蓄積していくことで判別が困難な脳変
性疾患の診断にも役立てることができる。
From the rate constant image data obtained in this way, information that cannot be seen from the time-dependent drug distribution image data, which is the sum total of various factors, is obtained.
For example, it is assumed that cerebral glucose metabolism is measured by FDG in a disease state such as Alzheimer's disease, and this is lower than that in a healthy person. By further dividing the FDG data into each rate constant, the rate constant k is strongly affected by the blood flow.
12, it becomes possible to study the rate constant k 23 representing the enzyme activity individually, when cerebral glucose metabolism was a site of reduced, this is what is due to reduction of blood flow, the enzyme activity Since it is possible to determine whether the decrease is due to the decrease, it can be used to elucidate the disease state, and by accumulating this data, it can also be used to diagnose a brain degenerative disease that is difficult to distinguish.

【0051】なお、図7、図10に示した処理を実現す
るための手順ないし計算アルゴリズムをコンピュータ等
に実行させるためのプログラムは、コンピュータが読み
取り可能な記録媒体、例えばフロッピーディスクやM
O、CD、DVD−RAM等に記録して保存、配布する
ことが可能である。
A program for causing a computer or the like to execute a procedure or a calculation algorithm for realizing the processing shown in FIGS. 7 and 10 is a computer-readable recording medium such as a floppy disk or M
It can be recorded on O, CD, DVD-RAM, etc. and stored and distributed.

【0052】[0052]

【発明の効果】本発明によると、あらゆるコンピュータ
上でコンパートメントモデルを自由に構成してコンパー
トメントモデル解析を行うプログラムを開発することが
可能となり、またこのプログラムを使用して自由なコン
パートメントモデルでの薬物体内動態解析を行うことが
できるので、新規の薬物などの体内動態が不明なものに
ついても、試行錯誤により最適なコンパートメントモデ
ルを見出して速度定数画像データを求め、詳細な検討を
行うことが可能になる。
According to the present invention, it is possible to develop a program for freely constructing a compartment model on any computer and performing a compartment model analysis, and to use this program for a drug in a free compartment model. Since pharmacokinetic analysis can be performed, even for those with unknown pharmacokinetics such as new drugs, it is possible to find the optimal compartment model by trial and error, obtain rate constant image data, and conduct detailed studies Become.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明によるコンパートメントモデル解析シス
テムの概略構成図。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a compartment model analysis system according to the present invention.

【図2】薬物がFDGである場合のコンパートメントモ
デル構成の例を示す図。
FIG. 2 is a diagram showing an example of a compartment model configuration when a drug is FDG.

【図3】図2の例の場合のコンパートメント構成行列の
例を示す図。
FIG. 3 shows an example of a compartment arrangement matrix in the case of the example of FIG.

【図4】図2の例の場合の速度定数初期値行列の例を示
す図。
FIG. 4 is a diagram showing an example of a rate constant initial value matrix in the case of the example of FIG. 2;

【図5】仮想薬物Aの4コンパートメントモデル構成の
例を示す図。
FIG. 5 is a diagram showing an example of a four-compartment model configuration of virtual drug A.

【図6】図5の例の場合のコンパートメント構成行列の
例を示す図。
FIG. 6 is a diagram showing an example of a compartment configuration matrix in the case of the example of FIG. 5;

【図7】本発明のコンパートメントモデル解析における
一連の処理を説明する図。
FIG. 7 is a view for explaining a series of processes in the compartment model analysis of the present invention.

【図8】コンパートメント構成行列の入力例を示す図。FIG. 8 is a diagram showing an input example of a compartment configuration matrix.

【図9】図8のコンパートメント構成行列の入力例が表
すコンパートメントモデル構成を説明する図。
FIG. 9 is a view for explaining a compartment model configuration represented by an input example of a compartment configuration matrix in FIG. 8;

【図10】図7のステップS6の定義済み処理を説明す
る図。
Figure 10 illustrates a predefined process in step S6 in FIG.

【図11】FDGの場合における経時的薬物分布画像デ
ータ例を示す図。
FIG. 11 is a diagram showing an example of temporal drug distribution image data in the case of FDG.

【図12】FDGの場合における経時的血中薬物濃度デ
ータ例を示す図。
FIG. 12 is a diagram showing an example of time-dependent drug concentration data in blood in the case of FDG.

【図13】FDGの場合における速度定数画像データ例
を示す図。
FIG. 13 is a diagram showing an example of speed constant image data in the case of FDG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11…入力装置、12…補助記憶装置、13…出力装
置、14…コンパートメントモデル解析プログラム
11 input device, 12 auxiliary memory device, 13 output device, 14 compartment model analysis program

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 薬物の体内分布に関する経時的薬物分布
画像データ及び経時的血中薬物濃度データをもとにコン
パートメントモデル解析を行って、画素毎に各コンパー
トメント間の速度定数を求める薬物の体内動態解析方法
において、 所定数のコンパートメント間の結合様式を表す行列形式
のテキストデータによってコンパートメントモデル構成
を入力する第1の工程と、 行列形式のテキストデータによって各コンパートメント
間の速度定数初期値を入力する第2の工程と、 経時的薬物分布画像データと経時的血中薬物濃度データ
を入力する第3の工程と、 入力されたコンパートメントモデル構成からコンパート
メント間の結合がある組み合わせを抽出し記憶する第4
の工程と、 入力されたコンパートメントモデル構成、各コンパート
メント間の速度定数初期値、経時的薬物分布画像データ
及び経時的血中薬物濃度データから、前記記憶した結合
があるコンパートメント間の薬物濃度移動量を微小時間
毎に逐次計算し、コンパートメントモデルシミュレーシ
ョンによる経時的薬物分布画像データを計算する第5の
工程と、 入力された経時的薬物分布画像データとコンパートメン
トモデルシミュレーションにより求められた経時的薬物
分布画像データ間の差を求める第6の工程と、 前記2つの経時的薬物分布画像データ間の差が小さくな
るように非線形最適化法によって各コンパートメント間
の速度定数を調節する第7の工程とを含み、 前記2つの経時的薬物分布画像データ間の差が指定値以
下に収束するまで前記第5の工程から第7の工程を反復
することを特徴とする薬物の体内動態解析方法。
1. A pharmacokinetics of a drug in which a compartment model analysis is performed based on a time-dependent drug distribution image data and a time-dependent blood drug concentration data concerning a drug distribution in a body, and a rate constant between the compartments is determined for each pixel. In the analysis method, a first step of inputting a compartment model configuration using matrix-format text data representing a coupling mode between a predetermined number of compartments, and a first step of inputting a velocity constant initial value between each compartment using matrix-format text data A second step, a third step of inputting the time-dependent drug distribution image data and the time-dependent blood drug concentration data, and a fourth step of extracting and storing a combination having a combination between the compartments from the input compartment model configuration.
From the input compartment model configuration, the rate constant initial value between each compartment, the time-dependent drug distribution image data and the time-dependent blood drug concentration data, the stored drug concentration transfer amount between the compartments with the binding, A fifth step of sequentially calculating every minute time and calculating time-lapse drug distribution image data by compartment model simulation; and input time-lapse drug distribution image data and time-lapse drug distribution image data obtained by compartment model simulation A sixth step of determining a difference between; and a seventh step of adjusting a rate constant between the compartments by a non-linear optimization method such that a difference between the two time-lapse drug distribution image data is reduced, Until the difference between the two temporal drug distribution image data converges to a specified value or less. Wherein the fifth to seventh steps are repeated.
【請求項2】 請求項1記載の薬物の体内動態解析方法
において、前記コンパートメント間の結合様式を、流れ
が無い、流れがあり速度定数の値が可変、流れがあり速
度定数の値が固定のうちの一つによって指定することを
特徴とする薬物の体内動態解析方法。
2. The method for analyzing the pharmacokinetics of a drug according to claim 1, wherein the binding mode between the compartments is such that there is no flow, there is a flow and the value of the rate constant is variable, and there is a flow and the value of the rate constant is fixed. A method for analyzing pharmacokinetics of a drug, wherein the method is designated by one of the methods.
【請求項3】 請求項2記載の薬物の体内動態解析方法
において、第7の工程における速度定数の調節は、値が
可変と指定された速度定数についてのみ行うことを特徴
とする薬物の体内動態解析方法。
3. The method for analyzing the pharmacokinetics of a drug according to claim 2, wherein the adjustment of the rate constant in the seventh step is performed only for the rate constant whose value is designated as variable. analysis method.
【請求項4】 薬物の体内分布に関する経時的薬物分布
画像データ及び経時的血中薬物濃度データをもとにコン
パートメントモデル解析を行って、画素毎に各コンパー
トメント間の速度定数を求める薬物の体内動態解析方法
であって、所定数のコンパートメント間の結合様式を表
す行列形式のテキストデータによってコンパートメント
モデル構成を入力する第1の工程と、行列形式のテキス
トデータによって各コンパートメント間の速度定数初期
値を入力する第2の工程と、経時的薬物分布画像データ
と経時的血中薬物濃度データを入力する第3の工程と、
入力されたコンパートメントモデル構成からコンパート
メント間の結合がある組み合わせを抽出し記憶する第4
の工程と、入力されたコンパートメントモデル構成、各
コンパートメント間の速度定数初期値、経時的薬物分布
画像データ及び経時的血中薬物濃度データから、前記記
憶した結合があるコンパートメント間の薬物濃度移動量
を微小時間毎に逐次計算し、コンパートメントモデルシ
ミュレーションによる経時的薬物分布画像データを計算
する第5の工程と、入力された経時的薬物分布画像デー
タとコンパートメントモデルシミュレーションにより求
められた経時的薬物分布画像データ間の差を求める第6
の工程と、前記2つの経時的薬物分布画像データ間の差
が小さくなるように非線形最適化法によって各コンパー
トメント間の速度定数を調節する第7の工程とを含み、
前記2つの経時的薬物分布画像データ間の差が指定値以
下に収束するまで前記第5の工程から第7の工程を反復
する薬物の体内動態解析方法を、コンピュータに実行さ
せるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り
可能な記録媒体。
4. A pharmacokinetics of a drug, wherein a compartment model analysis is performed on the basis of time-dependent drug distribution image data and time-dependent drug concentration data in the blood regarding the biodistribution of the drug, and a rate constant between the compartments is determined for each pixel. An analysis method, comprising: a first step of inputting a compartment model configuration using matrix-format text data representing a connection mode between a predetermined number of compartments; and inputting a velocity constant initial value between each compartment using matrix-format text data. A second step of inputting time-dependent drug distribution image data and time-dependent blood drug concentration data;
A fourth combination for extracting and storing a combination having a connection between compartments from the input compartment model configuration
From the input compartment model configuration, the initial value of the rate constant between the compartments, the drug distribution image data over time and the drug concentration data over time blood, from the stored drug concentration transfer amount between compartments with binding, A fifth step of sequentially calculating every minute time and calculating the time-dependent drug distribution image data by the compartment model simulation, and the input time-dependent drug distribution image data and the time-dependent drug distribution image data obtained by the compartment model simulation Find the difference between the sixth
And a seventh step of adjusting the rate constant between the compartments by a non-linear optimization method such that the difference between the two time-lapse drug distribution image data is reduced,
A program for causing a computer to execute a drug pharmacokinetic analysis method in which the fifth to seventh steps are repeated until the difference between the two temporal drug distribution image data converges to a specified value or less is recorded. Computer readable recording medium.
【請求項5】 薬物の体内分布に関する経時的薬物分布
画像データ及び経時的血中薬物濃度データをもとにコン
パートメントモデル解析を行って、画素毎に各コンパー
トメント間の速度定数を求める薬物の体内動態解析方法
であって、所定数のコンパートメント間の結合様式を表
す行列形式のテキストデータによってコンパートメント
モデル構成を入力する第1の工程と、行列形式のテキス
トデータによって各コンパートメント間の速度定数初期
値を入力する第2の工程と、経時的薬物分布画像データ
と経時的血中薬物濃度データを入力する第3の工程と、
入力されたコンパートメントモデル構成からコンパート
メント間の結合がある組み合わせを抽出し記憶する第4
の工程と、入力されたコンパートメントモデル構成、各
コンパートメント間の速度定数初期値、経時的薬物分布
画像データ及び経時的血中薬物濃度データから、前記記
憶した結合があるコンパートメント間の薬物濃度移動量
を微小時間毎に逐次計算し、コンパートメントモデルシ
ミュレーションによる経時的薬物分布画像データを計算
する第5の工程と、入力された経時的薬物分布画像デー
タとコンパートメントモデルシミュレーションにより求
められた経時的薬物分布画像データ間の差を求める第6
の工程と、前記2つの経時的薬物分布画像データ間の差
が小さくなるように非線形最適化法によって各コンパー
トメント間の速度定数を調節する第7の工程とを含み、
前記2つの経時的薬物分布画像データ間の差が指定値以
下に収束するまで前記第5の工程から第7の工程を反復
する薬物の体内動態解析方法を、コンピュータに実行さ
せるためのプログラム。
5. A pharmacokinetics of a drug for which a compartment model analysis is performed based on a time-dependent drug distribution image data and a time-dependent drug concentration data in the blood concerning a biodistribution of a drug, and a rate constant between the compartments is determined for each pixel. An analysis method, comprising: a first step of inputting a compartment model configuration using matrix-format text data representing a connection mode between a predetermined number of compartments; and inputting a velocity constant initial value between each compartment using matrix-format text data. A second step of inputting time-dependent drug distribution image data and time-dependent blood drug concentration data;
A fourth combination for extracting and storing a combination having a connection between compartments from the input compartment model configuration
From the input compartment model configuration, the initial value of the rate constant between the compartments, the drug distribution image data over time and the drug concentration data over time blood, from the stored drug concentration transfer amount between compartments with binding, A fifth step of sequentially calculating every minute time and calculating the time-dependent drug distribution image data by the compartment model simulation, and the input time-dependent drug distribution image data and the time-dependent drug distribution image data obtained by the compartment model simulation Find the difference between the sixth
And a seventh step of adjusting the rate constant between the compartments by a non-linear optimization method such that the difference between the two time-lapse drug distribution image data is reduced,
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