基于核医学影像的药代动力学分析课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系本人改正。,自我介绍,99-03,本科,北京航空航天大学,电子工程与信息技术,03-09,博士,清华大学,生物医学工程，医学影像处理,09-14,研究员,美国加州大学洛杉矶分校,分子影像，医学成像系统研究,14,-,今,副教授，大连理工大学,医学影像分析，核医学影像,报告内容,核,医学影像药代动力,学,简介,房,室模型原理介,绍,其他药代动力学模型,经,典案例分,析,报告内容,核,医学影像药代动力,学,简介,房,室模型原理介,绍,其他药代动力学模型,经,典案例分,析,1.,核医学影像药代动力学简介,医学影像模式,(Medical Image Modality),X-Ray,CT,MR,B-Mode Ultrasound,Doppler Ultrasound,PET,1.,核医学影像药代动力学简介,药代动力,学（,Pharmacokinetics,）,是研究药物在动物体内的含量随时间变化规律的科学，是药理学的一种。,研究药物在机体内的吸收、分布、代谢及排泄的过程。,应用在药物治疗、临床药理、分子药理、生物化学、生物药剂、分析化学、药剂、药理及毒理等多种科学领域中。,药物动力学对指导新药设计，优化给药方案，改进剂型，提供高效、速效（或缓释）、低毒（或低副作用）的药物制剂，已经发挥了重大作用。,1.,核医学影像药代动力学简介,传统药代动力,学的测量方法,血液：,可以反映药物即刻的变化与药物的疗效、不良反应紧密相关。,尿液：,反映药物经过肾脏排泄的量,粪便：,反映药物经过肠道排泄的量,其它：,组织分布的浓度和量,1.,核医学影像药代动力学简介,定量化的核医学影像为我们提供了研究药代动力学的无创方法,可在图像中测量每个器官中的药物浓度随时间变化曲线（,time activity curve,TAC,）,15 s,25 s,45 s,1.5 min,6 min,15 min,30 min,60 min,18,FFDG,在体内分布的动态,PET,序列影像,Yunfeng C.et.al,IJIG,2011.,1.,核医学影像药代动力学简介,基于核医学影像的药代动力学分析流程,注射示踪药物,动态,PET,成像,影像数据分析,感兴趣区域划分,血液时间活动曲线,(BTAC),&,组织时间活度曲线,(TTAC),房室模型,药代动力学参数,曲线拟合,参数计算,1.,核医学影像药代动力学简介,核医学影像药代动力学应用,神经影像分析,心脏影像分析,新药试制,小动物影像分析,肿瘤的评估与治疗,分子影像、生物信息学,报告内容,核,医学影像药代动力,学,简介,房,室模型原理介,绍,其他药代动力学模型,经典案例分,析,2.,房室模型原理介绍,什么是房室模型,注：,dC(t)/dt,表示浓度随时间的变化速度,K,1,：药物由血浆流入组织的速率系数,k,2,：药物由组织流入血浆的速率系数,血浆中药物浓度,组织中药物浓度,这些比率代表了药物与组织结合和分离的能力，是我们要求解的动力学参数。,通过测得,C,0,(t),和,C,1,(t),来求解,K,1,和,k,2,，这是典型的求解微分方程组,2.,房室模型原理介绍,基础的四房室模型（,1,个血浆房室,+3,个组织房室）,3-tissue compartment model(3TCM),Tissue,=,Free,tracer+Specifically,bounded,tracer+,non-specifically,bounded tracer,Free:,游离在组织中的没有跟受体结合的示踪剂,No-specific:,虽然与组织结合了，但是没有跟目标受体结合的示踪剂,Bound:,与目标受体结合的示踪剂,2.,房室模型原理介绍,简化的三房室模型（,1,个血浆房室,+2,个组织房室）,2-tissue compartment model(2TCM),Free,与,non-specific binding,被合并成一个房室,合并的前提是,free,与,non-specific binding,之间的交换速率足够快，二者如同一体,房室,C,1,也被叫做,non-displaceable compartment,（没有被置换药物的房室）,2.,房室模型原理介绍,简化的二房室模型（,1,个血浆房室,+1,个组织房室）,1-tissue compartment model(1TCM),Displaceable binding,与,non-displaceable binding,被合并成一个房室,合并的前提是二者之间的交换速率足够快，如同一体,2.,房室模型原理介绍,房室模型中各参数的生理含义,K,1,k,2,k,3,k,4,k,5,k,6,V,T,(Distribution volume,DV),V,ND,(Non-Displaceable Uptake Volume),BP,ND,(Binding Potential),药物从血浆流入组织的能力,药物从组织流回血浆的能力,药物在不同房室之间流入流出的能力,药物流动达到平衡后，组织与血浆中药物浓度的比值,对于,1TCM,，,V,T,=K,1,/k,2,；对于,2TCM,，,V,T,=K,1,/k,2,(1+k,3,/k,4,),。,针对,2TCM,而言,V,ND,=K,1,/k,2,，表示药物达到平衡后组织中未与受体结合的药物与血浆中药物浓度比值,BP,ND,=k,3,/k,4,，表示药物达到平衡后,组织中 与受体结合的药物 与 未与受体结合的药物 的浓度比值,2.,房室模型原理介绍,如何利用动态核医学影像来求解房室模型,要求解,K,1,k,2,k,3,k,4,需要先测得,C,P,(t),C,1,(t),C,2,(t),，即每个房室的时间活度曲线,C,P,(t),可以通过采动脉血的方式（临床上比较难实现，常用于科研）,C,1,(t),C,2,(t),咋测？,C,1,(t),C,2,(t),用动态,PET,影像测。,以,2TCM,为例,2.,房室模型原理介绍,如何利用动态核医学影像来求解房室模型,血液的分离与测量,先在分离机中分离出血浆,通过过滤或,HPLC,方法进一步得出血浆中未被代谢的药物比例,从血浆中未被代谢的药物比例中，进一步测量没有和血浆蛋白结合的药物比例，通常比较难测，默认假设这个比例是,1,血浆中没有被代谢掉且没有与血浆蛋白结合的药物浓度才是,C,P,(t),2.,房室模型原理介绍,如何利用动态核医学影像来求解房室模型,胰腺,用户在动态,PET,图像中勾勒各个器官的感兴趣区域（,ROI,，对于三维区域也叫,VOI,）,软件会计算每个,ROI,中像素值随时间变化的曲线，转化为器官中药物浓度随时间变化的曲线,C,T,(t),C,T,(t)=C,1,(t)+C,2,(t),因此在图像中没法分别测出,C,1,(t),和,C,2,(t),，只能测出二者之和,有了二者之和，再通过数学的方法，求解,K,1,k,2,k,3,k,4,基于动态图像组织时间活度曲线的提取,肝脏,脾脏,2.,房室模型原理介绍,如何利用动态核医学影像来求解房室模型,具体计算过程,线性时不变系统,初始条件：,C,E,(0)=0,，,C,M,(0)=0,拉普拉斯变换法求解方程,：卷积运算,报告内容,核,医学影像药代动力,学,简介,房,室模型原理介,绍,其他药代动力学模型,经典案例分,析,3.,其它药代动力学模型,图,模型（,Graphical,Model,，,Graphical Plot,）,像素,级药代动力学参数图,(Pixel-wise kinetic modeling),3.,其它药代动力学模型,图模型（,Graphical Model,，,Graphical Plot,）,通过直线拟合的方式来求解动力学参数，计算过程中会画出一幅直线图,(graph),，因此得名,Graphical model,也叫,Graphical plot,。,Graphical plot,可分为,Logan plot,和,Patlak plot,两种模型。,如果药物与受体是不可逆的结合,(irreversible binding),，则用,Patlak plot,。,如果药物与受体是可逆的结合,(reversible binding),，则用,Logan plot,。,3.,其它药代动力学模型,图模型,之,Patlak,Plot,Patlak plot,用于,irreversible binding,因为是不可逆的结合，因此组织中的药物浓度与血浆中药物浓度的累积量（即对时间的积分）成正比,测得,C,P,(t),和,C,T,(t),后，,K,和,V,可通过直线拟合算法求出,K,反映药物被组织代谢的速率,(,metabolic flux),，,V,反映了分布容积,(d,istribution volume),3.,其它药代动力学模型,图模型,之,Logan Plot,Logan plot,用于,reversible binding,因为是可逆的结合，因此组织中的药物浓度的时间积分与血浆中药物浓度的时间积分成正比,测得,C,P,(t),和,C,T,(t),后，,K,和,b,可通过直线拟合算法求出,K,近似等于分布容积,V,T,3.,其它药代动力学模型,像素级药代动力学模型,之前的动力学参数都是以组织为单位的,能否针对每一个像素计算动力学参数，从而形成一幅“参数图”？,答案,yes,有助于在更高的空间分辨率上了解动力学参数分布,每个像素就是一个,ROI,便于和标准参数模板进行对比,PMOD,软件得到的全脑像素级,Vt,参数图,4.,PMOD,软件的药代动力学分析功能与特点,像素级药代动力学模型,计算每个像素的多种药代动力学参数,比较两幅动力学参数图像,报告内容,核,医学影像药代动力,学,简介,房,室模型原理介,绍,其他药代动力学模型,经典案例分,析,4.,经典案例分析,脑部影像分析,对患有多系统萎缩的老人和健康的老人分别进行,123,I-SPECT,显像,比较仿射几何法和弹性模型法这两种方法在核磁共振的脑部配准的应用,同时研究了两种方法对胆碱能神经递质分布定量分析的影响。,图像分析过程中进行了图像配准、图谱配准，各脑区活度曲线的测量，计算,Refence Tissue Model,使用,PXMOD,模块，求得每个像素的,BP,ND,参数,4.,经典案例分析,脑部影像分析,脑部,MRI,图像的自动三维分割,脑部标准图谱的配准,MR,中,ROI,到,PET,图像中的映射,每个脑区的活度测量,4.,经典案例分析,阿尔兹海默病影像分析,比较了三种动态,PET,数据分析技术，即,PMOD,的,PALZ,模块、,AD,相关低代谢收敛指数（,HCI,）和,meta,分析感兴趣区平均代谢法（,metaROI,）在鉴别中度或轻度阿尔茨海默病患者和轻度认知障碍患者应用中的能力。,三种分析技术的敏感度和准确性的鉴别能力相当,PMOD,阿尔茨海默病分析工具没有附加需求，自动化程度高，支持更多的图像数据格式。,PMOD,不仅可以实现全自动的,PALZ,指数计算，而且还有批处理模式，一次性自动处理大量的数据。,4.,经典案例分析,阿尔兹海默病影像分析,病人图像与正常人的自动配准与对比,给出每个脑区的异常分数,4.,经典案例分析,药物机理研究,Nature,子刊文章,关于氯胺酮的抗抑郁症作用机制研究,计算了的多种药代动力学参数，包括,Binding Potential,Logan Plot,k,2,等,生成了像素级的,Binding potential,参数图,4.,经典案例分析,生物分布和放射剂量研究,关于新型转位蛋白显像剂,F,18,-PBR06,辐射剂量吸收的研究，以及评估,F,18,-PBR06,在体内是否脱氟。,骨骼内放射剂量忽略不计，胆囊壁辐射剂量最高，成为注射剂量的限制器官，一年内多次注射扫描仍可接受,进行了器官区域划分和,Residence Time,的计算,4.,经典案例分析,心脏影像分析,通过,SPECT,对,111,InDTPA-cNGR,和,99,mTc-sestamibi,进行双示踪剂显像，观察血管再生区域的,CD,13,显像，用以评估治疗缺血性心脏病的药物疗效。,受试为小鼠。,111,InDTPA-cNGR,是作者开发的与,CD,13,结合的药物；,CD,13,在再生血管组织处有较强的表达。,传统示踪剂,99,mTc-sestamibi,被用来确定灌注缺损的区域，与,111,InDTPA-cNGR,的现象区域吻合很好。,用软件算法实现了,17,个心脏区域的划分，以及每个区域的平均,SUV,测量,4.,经典案例分析,小动物影像分析,SPECT,成像检测,18-kDa translocator protein(TSPO),对,GL26,小鼠神经胶质瘤的显像,检测结果：,TSPO,对肿瘤有显著的特异性结合，,SUV,比镜像区域高,3.26,倍,用软件算法实现了个体图像与小鼠脑部标准模板的配准，完成脑部区域划分、肿瘤区域的分割与左右脑镜像。,真诚地欢迎医学专家给予指导！,