基于核医学影像的药代动力学分析ppt课件

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C0(t)和C1(t)来求解K1和k2，这是典型的求解微分方程组
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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
CT
(t)
k1
2 1
((k3
k4
1 )e1t
(2
k3
k4 )e2t ) CB (t)
f
CB (t)
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报告内容
1. 核医学影像药代动力学简介 2. 房室模型原理介绍 3. 其他药代动力学模型 4. 经典案例分析
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3. 其它药代动力学模型
1. 图模型（Graphical Model， Graphical Plot） 2. 像素级药代动力学参数图 (Pixel-wise kinetic modeling)
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 房室模型
血液时间活动曲线 (BTAC) &
组织时间活度曲线(TTAC)
曲线 拟合
参数 计算
药代动力学参数
影像数据 分析 感兴趣区 域划分
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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
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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
基于动态图像组织时间活度曲线的提取
肝脏 脾脏 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CT(t)
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报告内容
1. 核医学影像药代动力学简介 2. 房室模型原理介绍 3. 其他药代动力学模型 4. 经典案例分析
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2. 房室模型原理介绍
什么是房室模型
血浆中药 物浓度
组织中药 物浓度
注：dC(t)/dt 表示浓度 随时间的变化速度
K1：药物由血浆流入组织的速率系数 k2：药物由组织流入血浆的速率系数
脑部影像分析
• 脑部MRI图像的自动三维分割
• MR中ROI到PET图像中的映射
• 脑部标准图谱的配准
• 每个脑区的活度测量
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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。
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
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2. 房室模型原理介绍
组织中未与受体结合的药物与血浆中药物浓度比值 • BPND (Binding Potential) BPND=k3/k4，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
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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
以2TCM为例
• 要求解K1, k2, k3, k4, 需要先测得CP(t), C1(t) , C2(t)，即每个房室的时间活度曲线 • CP(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） • C1(t) , C2(t)咋测？ • C1(t) , C2(t)用动态PET影像测。
• 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
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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)
• 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BPND参数
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4.经典案例分析
• CT(t)=C1(t)+C2(t) , 因此在图像中没法分 别测出C1(t)和C2(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 K1, k2, k3, k4
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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
d dt
CE
k1CB
(k2
k3 )CE
45 s
1.5
可在图像中测量每个器官中的
min
药物浓度随时间变化曲线
（time activity curve, TAC）
6 min
15 min
30 min
60 min
[18F]FDG在体内分布的动态PET序列影像
Yunfeng C. et. al, IJIG, 2011.
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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
生物医学工程原理 I
.
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报告内容
1. 核医学影像药代动力学简介 2. 房室模型原理介绍 3. 其他药代动力学模型 4. 经典案例分析
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报告内容
1. 核医学影像药代动力学简介 2. 房室模型原理介绍 3. 其他药代动力学模型 4. 经典案例分析
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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
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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
15 s
25 s
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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CP(t)
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CP(t)和CT(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VT
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3. 其它药代动力学模型
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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。
◦ 医学影像模式 (Medical Image Modality)
X-Ray
CT
B-Mode Ultrasound
MR
Doppler Ultrasound
PET
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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。
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
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报告内容
1. 核医学影像药代动力学简介 2. 房室模型原理介绍 3. 其他药代动力学模型 4. 经典案例分析
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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 123I-SPECT显像
房室模型中各参数的生理含义
• K1 药物从血浆流入组织的能力 • k2 药物从组织流回血浆的能力 • k3, k4, k5, k6 药物在不同房室之间流入流出的能力 • VT (Distribution volume, DV) 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，VT=K1/k2； 对于2TCM， VT=K1/k2(1+k3/k4)。 • VND (Non-Displaceable Uptake Volume) 针对2TCM而言VND=K1/k2，表示药物达到平衡后
生物分布和放射剂量研究
• 关于新型转位蛋白显像剂F18-PBR06辐射剂量吸收 的研究，以及评估F18-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
• 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。
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3. 其它药代动力学模型
图模型 之 Patlak Plot
• Patlak plot用于irreversible binding
k4CM
d dt
CM
k3CE
k4CM
CEΒιβλιοθήκη (t)k12 1
((k4
1)e1t
( 2
k4 )e2t
)
CB
(t)
CM
(t)
k1k3
2 1
(e1t
e2t ) CB (t)
线性时不变系统
初始条件：
CE(0) = 0，CM(0) = 0
拉普拉斯变换法求解方程
：卷积运算
1，2 (k2 k3 k4 (k2 k3 k4 )2 4k2k4 ) / 2
◦ 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。
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1. 核医学影像药代动力学简介
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
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4. PMOD软件的药代动力学分析功能与特点
• 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CP(t)和CT(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(distribution volume)
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3. 其它药代动力学模型
• 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。
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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
• 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C1也被叫做non-displaceable compartment （没有被置换药物的房室）
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2. 房室模型原理介绍
• 给出每个脑区的异常分数
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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, k2’等
• 生成了像素级的Binding potential参数图
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4. 经典案例分析