[发明专利]用于机能医学扫描的血液输入函数的估算

说明书

技术领域

本发明涉及诸如正电子发射断层扫描术的机能医学成像技术，并且尤其涉及用于处理由此而得的图像所必需的对于血液输入函数(BIF)的估算。

背景技术

正电子发射断层扫描术(PET)是一种核医学成像技术，其提供人体或动物体内的机能处理的三维图形。

放射性(发射正电子的)示踪剂同位素被合并到诸如氟脱氧葡萄糖(FDG，一种糖的类似物)等被主体摄取的代谢活性分子中。其他可用于PET的放射性示踪分子包括[11C]-奎丙灵、[11C]-二氧化碳、[15O]-标记水或氧、[13N]-氨。所有这些均能够通过检测和记录由周围物质中所发射的正电子和电子间的碰撞而产生的伽马型辐射的扫描仪或照相机进行成像。

这样产生的辐射以沿近乎相反方向行进的两个光子的形式释放。因此，通过在一个小的重合时间窗口(一个事件)内检测相应的光子，能够推导出一个沿辐射源延伸的响应线(LOR)。对一些这种线进行推导(或分析)将会得到映射主体空间尺寸的示踪剂分布的三维图形。被发射并且从而被检测的单个事件的数目与放射性衰减的速率和因此与主体内放射性示踪剂的浓度有关。由响应线推导出的放射性分布的置信度与被检测的事件的数目成比例，而被检测的事件的数目反过来又与记录事件的时间间隔有关。已知诸如FDG等的一些示踪剂会聚集在诸如肿瘤细胞和肌肉等具有较高葡糖代谢率的器官中。在这种情况下，在示踪剂有时间聚集之后对一定的时间间隔记录事件并对该间隔估算衰减的平均速率。这种图像被称之为静态扫描。

可选择的，当示踪剂还在进行分布时可以在一定时间段内产生一些这种图像以形成一序列类似于被放射性示踪剂标记的机能活动的影像记录的瞬态帧。这些序列通常被称为动态图像并且可以是2或3维的。

除了对静态图像进行分析，对放射性示踪剂如何在时间和空间内进行分布的分析更能提供另外的关于主体功能性行为的重要信息。

对这些涉及频繁摄取的造影剂或放射性示踪剂的动态图形的分析包括药物动力学(PK)建模技术，其中将分子摄取和排出的细胞过程以多个限定好的隔室的形式建模成扩散过程(参见，例如，Positron Emission TomographyCompartmental Models，R.N.Gunn，S.R.Gunn和V.J.Cunningham，Journal of CerebralBlood Flow and Metabolism，2001年第21卷第6期635-652页)。

药物动力学近似法是对感兴趣的组织上药物作用进行建模的基础。它常规应用于药物研发技术，因为医学成像模态使得一些体内细胞过程可见。

PK模型的解析包括将模型参数代入瞬时图像数据。对于组织中药剂相对浓度的数学解答是两种函数的卷积：

-时间递减指数函数的和，描述每一个隔室内药剂的摄取和排出情况；

-与血管内示踪剂的浓度成比例的时间变化函数，也即，血液输入函数(BIF)。

为了精确和真实定量，PK建模技术需要对BIF进行合理精确的测定。

已知多种用于估算BIF的方法，并且每一种都具有相应的缺陷。

在一种方法中，在PET图像上的动脉区域中划出感兴趣的区域(ROI)并假设在ROI区域的摄取与BIF线性相关。由于可用的动脉相对于成像装置可得的分辨率(不超过几毫米或体素)而言较小，从而该评估不会太精确，因为它对ROI的定位以及噪声非常敏感。典型的，PET的空间分辨率不允许在这样小的ROI中估算精确的BIF。如果ROI的直径小于1cm，则ROI的量化将会成问题，因为它会受到评估中高方差或偏差的影响。并且，动态图像的瞬时分辨率会受到噪声水平的损害：帧频越短，图像的噪声就越大。例如，在一些情况下，如果帧的持续时间少于5-10秒，图像中的噪声会使得量化不准确。

一种更普遍的方法包括在一段时间内采集一系列血液样本，而后在辐射探测器中计算由每一个样本测量出的血液的体积。这是一种侵入性的、创伤性的过程，会给主体和医师等人带来危险，并且需要处理放射性血液更加重了这一风险。除了给和放射性污染相关的人员带来危险之外，还存在当进行必要的去污时所用的复杂的、昂贵的设备可能无法工作的风险。

应当指出，对于动物(尤其是鼠科动物)研究，估算BIF所需要的血液量可能占动物的血液总量的相当大一部分，并且经常性的血液采样能导致动物因过量失血而死亡。这一般会禁止使用同一个动物用于连续研究，这是根本上改变试验结构和原始记录的一个因素，以及由于需要更多的动物用于实验从而显著增加了执行的成本。