JP5355417B2 - 腫瘍の血管新生の定量化方法およびシステム - Google Patents
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Description
−二次元データ(t,F(t))形式における時間tの関数である入力デジタル信号F(t)を取得するステップであり、前記信号F(t)は、刺激に応答して信号を発するために適用された物質の、試験基質内での刺激により生じたものであるステップ;
−予め設定したモデルの関数において前記入力信号F(t)をモデル化するステップ;
−場合により、前記モデル化により導出された出力デジタル信号I(t)を発生させるステップ;
を含む試験デジタル信号を処理する方法を取り扱う。
−システムメモリ内の、モデル化のために用いる一般モデルや推定されたパラメータの記憶装置。記憶データはそのため信号I(t)の全情報を構成する;
−グラフ表示用信号I(t)の発光、例えば印刷曲線、ビデオ画面のディスプレイ
をとり得る。
ここで、少なくとも1つのパラメータは、ImaxおよびIminがそれぞれI(t)の最大および最小値である前記出力信号I(t)の最大振幅PI=Imax−Imin、造影取り込みの初期(TL)から最大振幅PIに至るまでの出力信号I(t)の取得時間(TPI)、出力信号の値I(t)が平均値(Imax+Imin)/2よりも高い期間に対応する平均経過時間(MTT)を含む群から選択される。他の試験パラメータも選択可能である。これらの他の試験パラメータのうち、曲線側面積、流入の傾き、流入面積や流出面積は、腫瘍の血管新生または腫瘍の血管形成検出用に適したパラメータである。
(ii)前記少なくとも1つのパラメータをリファレンスパラメータと比較するステップ、
というステップを含み、試験基質における腫瘍の血管新生検出または腫瘍の血管形成検出の方法を提供することもまた、本発明の目的である。
−目標となるリファレンス値を提供する健康な被験者由来の基質;
−試験基質の前記刺激よりも前の時刻tにおける前記試験基質
を含む群から選択される。
−刺激に応えて信号を発信するために適用された物質の、試験基質内での刺激により生じる二次元データ(t,F(t))の形式における時間tの関数としての入力デジタル信号F(t)を取得する手段。これらの取得手段は、ごく普通のソフトウェアシステムの一般的なソフトウェアモジュールである。この特定のモジュールは、プローブやセンサのように、リーダからの入力信号を受信することができる。モジュールは特定の処理を行うようプログラムできるので、二次元形式の入力信号を処理(変換も)するように適合される。他の形態として、ソフトウェア処理とハードウェア構造間の通信に関する一般知識を用い、このモジュールのハードウェア実装は容易に達成できる。
−予め設定したモデルの関数において前記入力信号F(t)をモデル化する手段。このようなモデル化手段は、第1部分として以下に述べる既設モデルを記憶したメモリと、第2部分として、既に述べたような取得した二次元データからエラーギャップを最小化する機能によりこのモデルを解くように最適化されたソフトウェアまたはハードウェア構造を含む。ROMメモリを含むコンピュータの実装は、これらの手段を実行するように全体として最適化されている。大抵の場合、Mapple(登録商標)やMatlab(登録商標)などの数学ソフトウェアにおける特定機能であるソルバーソフトウェアが使用できる。
−前記モデルから導出された出力デジタル信号I(t)の発生器。この発生器は、推定された以下の係数を記憶する記憶装置として機能し得る。他の実施形態では、この発生器は、前記信号I(t)を表す曲線に、プリンタ、スクリーン、またはその他の映像手段を提供するエミュレータである。
を含むデジタル信号を処理するシステムに関する。
このシステムにおいて、前記予め定めたモデルは:
−前記物質内の造影剤の刺激に応答して取得される信号をモデル化するための上述のシステム;
−前記システムによって実行される前記モデル化手段から少なくとも1つのパラメータを決定する手段であって、前記少なくとも1つのパラメータが、ImaxおよびIminがそれぞれI(t)の最大および最小値である前記出力信号I(t)の最大振幅PI=Imax−Imin、造影取り込みの初期(TL)から最大振幅PIに至るまでの出力信号I(t)の取得時間(TPI)、出力信号の値I(t)が平均値(Imax+Imin)/2よりも高い期間に対応する平均経過時間(MTT)を含む群から選択される。この決定手段は、それよりも前に生じた出力信号から(あるいは係数が推定された際にモデルから)前記上述したパラメータを計算するよう設定/プログラムされたソフトウェアまたはハードウェア構造であり得る。他の実施形態としては、オペレーターがこの表示上で直接測定を実行すると共にパラメータを計算するためのグラフ表示の使用であり得る;
−前記少なくとも1つのパラメータをリファレンスパラメータと比較するよう適合された比較器。パラメータは通常、数値として与えられることから、本発明による比較を達成するために、2またはそれ以上の数値を比較する公知の比較器を用いることができる。
を含む。
患者
実験は、6人の患者に対して行われた。これら6人の患者のうちの腫瘍増殖の異なる期間における20個の灌流曲線が選ばれた。この選択は、抗血管治療前やその治療中に臨床観察される可能性のある造影取り込み分布の広域スペクトルにより取得した。
造影剤
使用した造影剤はSonovue(登録商標)(Bracco社、イタリア)であった。この造影剤は、リン脂質のシェル内で安定化された六フッ化硫黄の微小気泡から構成されている。Sonovue(登録商標)は、使用の直前に8μ/mlの濃度とするため、塩化ナトリウムの溶液(5ml)で戻される。
本研究は、深部器官の研究用3〜4MHzの中心周波数領域およびそれよりも浅い器官の研究用8〜12MHzという2つの広域プローブを装備した超音波装置Aplio(東芝メディカルシステムズ)によって実施された。超音波実験(ステップ110、図2)は各患者の様々な段階において実施された。
このイメージングモードにおいて、プローブの最大距離分解能は0.11mmであり、最大方位分解能は0.17mmである。横断線、長手、厚みという腫瘍の3つの最大直径が測定された。腫瘍は楕円に近似するものの、その体積は以下の手法:(厚み×長さ×幅)×π/6mm3により計算した。
腫瘍灌流データや造影剤動力学は、東芝により開発されたVascular Recognition Imaging(VRI)を用い、超音波造影微小気泡の検出に基づいて測定された(ステップ120、図2)。
・Bモードは組織を可視化にする。
・Advanced Dynamic Flowモードは、器官内の血流の方向を可視化にする。
・パルスサブトラクションに基づく造影検出モードは、灌流の検出を可能にする。
・微小血管検出の精度を向上することができる。
・造影剤を用いたイメージング向けに頻繁に用いられるパルスサブトラクション法とは異なる解剖学的局在用の組織のベースラインイメージに、高調波イメージを重ね合わせることができる。
・造影取り込み動力学をrawデータで記録することができる。
東芝との提携という枠組みにおいて、専用ソフトウェア(CHI−Q(登録商標))のプロトタイプを用いて、灌流や造影取り込み動力学の定量化が行われた(ステップ130、図2)。シークエンス内のイメージごとに記録されたrawデータから、このソフトウェアは、臨床医によって選択された全ての腫瘍部を含む関心領域(ROI)における造影取り込みを計算する。造影取り込みの増大は、線形電力として表される(任意の単位)。
造影取り込み曲線から灌流パラメータを抽出できるように、取り込み曲線を特徴付ける多くの要素が用いられた(図4):
・造影剤無しのベースラインのライン強度をI0(またはImin)とする。
・造影取り込みが最大のときをImaxとする。
リファレンス灌流パラメータの回復
我々は、リファレンスデータを用いて曲線のモデル化をした後に得られるPI、TPIおよびMTT灌流パラメータを比較しようとした。これらのリファレンスデータは、ミリメータグラフ紙のA4規格シートに手動プロットした20個の曲線から取得された(図1)。CHI−Qソフトウェアからのrawデータに基づき、Excel(登録商標)によって生成された灌流曲線は、ミリメータグラフ紙に印刷された。各灌流曲線は3つのパラメータを計算するために手動でプロットされた。これら3つの灌流パラメータ(PI、TPIおよびMTT)は、日を変えて三回、各rawデータ曲線に基づいて手動で測定された。
灌流曲線を滑らかにするため、定量化の値に対してオプションのフィルタリングを適用することができる。このようなフィルタリングは、例えば、3、5または9のコンボリューション核に基づくことができる。しかしながら、コンボリューションフィルターは、得られた曲線が滑らかな様に見えたとしても、データ値を劣化させることが知られている。
本発明によるモデルを含む灌流曲線をモデル化するために3つの方程式が選択された。第一の方程式は、ガンマ則分布に基づくものである。
−I(t)は造影剤の注入後の造影取り込みの強度であり、
−tは造影剤の注入後の時間であり、
−a0は造影剤の到達前の強度であり、
−qはピーク強度より後の造影取り込みにおける下降係数であり、
−pは強度の増加係数であり、
−a1は造影取り込みの最大値にリンクされ、
−a2は最大強度に到達するまでの時間にリンクされ、
−AおよびBは任意のパラメータである。
この方程式は、以後IGR方程式と称す。
実際、モデル化されるデータは、Aplioシステムにより生成されたテキストファイルを通じて供給される。これらのファイルは、2つの連続値間が0.2秒間隔で時間の機能が約10〜16個の値である線形の造影取り込みデータから構成される。ファイルは通常、最大60秒の記録として構成される。
−解くための最大時間:100秒
−精密段差:0.000001
−収束度:0.0001(即ち、ソルバーはこの範囲内で、係数値をある値の周辺に変更できれば解析を終了する)
Mann−Whitneyの非パラメータのテストが、データの2つのグループが独立であるか否かテストするために用いられた。Spearman’s Rankの相関テストにより相関関係が分析された。これらのテストはStata software(Stata 8.0 Stata社、アメリカ)を用いて行われた。<0.05のp値が、統計上有意とされた。
rawデータ灌流曲線に基づいて手動測定された3つの灌流パラメータの比較
20個の曲線に基づくピーク強度の3つの手動測定値の間に有意差は見られなかった(p=0.8287)(図5)。
ピーク強度に関して、IGR、EydingおよびGammaモデルの3つのモデルは、それぞれ、リファレンス値を何度も僅かに下回る値を示した。しかしながら、リファレンスデータと、IGRモデルにより得られた値との間(p=0.7251)、Eydingモデルにより得られた値との間(p=0.5518)や、Gammaモデルにより得られた値との間(p=0.2134)に、有意差は見られなかった(図8)。
今日、造影剤を用いた超音波技術(調波の使用)の近年における協力関係のお陰で、研究中の組織の灌流曲線を取得することができる。故に集められたこれらのデータは、このような組織に関係する血流力学の情報に対して非常に重要なものである。
Claims (17)
- 以下のステップ:
−二次元データ(t,F(t))形式における時間tの関数である入力デジタル信号F(t)を取得するステップ(110、120、130)であり、前記入力デジタル信号F(t)は、刺激に応答して信号を発するために適用されると共に前記入力デジタル信号F(t)の取得前に試験基質にボーラス注入された物質の、前記試験基質内での刺激により生じたものであるステップ;
−予め設定したモデルの関数において前記入力デジタル信号F(t)をモデル化するステップ(140);
−前記モデル化ステップにより導出された出力デジタル信号I(t)を発生させるステップ;
を含み、
前記予め設定したモデルは、下記式に基づくものであり、
前記モデル化ステップは、前記二次元データに基づいてモデル化した出力デジタル信号I(t)を用いて、下記式の係数a0,a1,a2,p,q,AやBを推定するステップを含むことを特徴とする試験デジタル信号の処理方法。
- 前記刺激により生じた四次元データ(t,x,y,fxy(t))の形式で示されるデジタル信号、ここでfxy(t)は前記試験基質において(x,y)で標示される領域において時刻tに測定された物理単位、の取得を含む測定ステップ(120)、および、前記四次元データ(t,x,y,fxy(t))を前記二次元データ(t,F(t)):F(t)=H(t,x,y,fxy(t));H()は変換関数、に変換するステップを更に含む請求項1の方法。
- 四次元データ形式で示される前記信号の取得(120)が、超音波手段を通じてなされる請求項2または3の方法。
- 前記物質が造影剤を含む請求項1乃至4何れかの方法。
- 前記造影剤が、前記試験基質内にボ−ラス注入された超音波造影剤である請求項5の方法。
- 前記試験基質が、被験者または被験動物、組織抽出物、血液サンプルを含む群から選択される請求項1乃至6何れかの方法。
- 前記係数の推定が、前記二次元データと前記予め設定したモデルの間の最小二乗の差の総和の最小化を基礎とする請求項1乃至7何れかの方法。
- (i)前記試験基質内に存在する造影剤の刺激の結果として生じた際に、請求項1乃至8何れかの方法に従って実行されるモデル化から、少なくとも1つのパラメータ(試験パラメータ)を決定するステップ(150);
ここで、少なくとも1つのパラメータは、ImaxおよびIminがそれぞれI(t)の最大および最小値である前記出力信号I(t)の最大振幅PI=Imax−Imin、造影取り込みの初期(TL)から最大振幅PIに至るまでの出力信号I(t)の取得時間(TPI)、出力信号の値I(t)が平均値(Imax+Imin)/2よりも高い期間に対応する平均経過時間(MTT)、曲線側面積、流入の傾き、流入面積、流出面積を含む群から選択される;
(ii)前記少なくとも1つのパラメータをリファレンスパラメータと比較するステップ、
というステップを含む、試験基質内における腫瘍の血管新生検出の方法。 - 前記リファレンスパラメータは、リファレンス基質内の造影剤から刺激が生じた際に、請求項1乃至8の何れかの方法により実行されるモデル化ステップにより決定されるパラメータである請求項9の方法。
- 前記リファレンス基質が、
−健康な被験者由来の基質;
−治療用分子を試験基質に注入するよりも前の時刻tにおける前記試験基質
からなる群から選択される請求項10の方法。 - 前記治療用分子が腫瘍の微小血管新生に影響を及ぼす請求項11の方法。
- 前記治療用分子が抗血管新生または抗腫瘍の特性を示す請求項12の方法。
- 前記取得手段が前記物質の刺激を刺激するのに適合させた超音波プローブを含む請求項14のシステム。
- 前記取得手段は、前記刺激により生じる四次元データ(t,x,y,fxy(t))の形式で示される時間的なデジタル信号fxy(t)、ここでfxy(t)は前記試験基質において(x,y)で標示される領域において時刻時間tに測定された物理単位、を取得するように適合されると共に、前記取得手段は、前記四次元データ(t,x,y,fxy(t))を前記二次元データ(t,F(t)):F(t)=H(t,x,y,fxy(t));H()は変換関数、に変換する手段を更に含む請求項15のシステム。
- 試験基質内の腫瘍の血管新生の検出用装置であって、
−前記物質内の造影剤の刺激に応答して取得される信号をモデル化する請求項14〜16何れかのシステム;
−前記システムによって実行される前記モデル化手段から少なくとも1つのパラメータを決定する手段であって、前記少なくとも1つのパラメータが、ImaxおよびIminがそれぞれI(t)の最大および最小値である前記出力信号I(t)の最大振幅PI=Imax−Imin、造影取り込みの初期(TL)から最大振幅PIに至るまでの出力信号I(t)の取得時間(TPI)、出力信号の値I(t)が平均値(Imax+Imin)/2よりも高い期間に対応する平均経過時間(MTT)を含む群から選択される決定手段;
−前記少なくとも1つのパラメータをリファレンスパラメータと比較するよう適合させた比較器;
を含む検出用装置。
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