功能成像参数定量分析程序设计

论文总字数：15060字

目 录

1.引言 1

2.正电子发射型计算机断层显像（PET） 2

2.1 PET简介 2

2.2 PET的应用 2

3.葡萄糖代谢率的定量研究方法 3

3.1FDG代谢原理 3

3.2 三室模型 3

4．软件介绍 7

4.1软件界面介绍 7

4.3三室模型核心算法介绍 14

4.4数据分析 15

4.5程序的运行 18

5.工作总结 18

参考文献 19

致谢 20

功能成像参数定量分析程序设计

荣海洋

，China

Abstract: Glucose plays an important role in biology. It is the energy source of living cells and the intermediate product of metabolism, that is, the main energy supply material of living things. Studying the metabolism of glucose in human brain can study the physiological function and pathological state of human brain. The use of the three compartment model and the FDG/PET method can obtain the related data of the glucose metabolic rate in the human brain. After the MATLAB program, the fitting curve after the analysis of the data is obtained. At the same time, the relative parameters of the glucose metabolism rate in the human brain can be calculated.

Keyword: Three compartment model；FDG/PET;MATLAB；fitting

1.引言

葡萄糖（Glucose）在生物体内具有重要地位，是活细胞的能量来源和新陈代谢的中间产物，是生物的主要供能物质。运用18F-FDG（氟代脱氧葡萄糖），即用F的同位素标记的葡萄糖，作为示踪剂，通过正电子断层发射扫描（PET）技术，定量地测量脑局部葡萄糖代谢速率（LCMRGlc），其不影响生理状况以及无创等优点使得该方法成为当前非常热门的测量方法。目前PET-CT显像运用的主要显像剂也正是18F-脱氧葡萄糖(18FDG)。利用这个方法获得的脑局部葡萄糖代谢率的数据，在医学方面有重大意义，尤其是与脑功能相关的一些疾病，可以及时发现然后采取对应的措施治疗。

仅仅通过FDG/PET方法获得的数据并不能直观地反映出问题，三室模型使得我们对这些数值的处理有了一个方向。根据三室模型，我们可以通过利用计算机对FDG/PET方法获得的测量数据进行处理，进而求出脑局部葡萄糖代谢率的相关数据。在该模型下，输入函数是动脉血液中示踪剂浓度的时间活度曲线，大部分情况下是通过多次动脉采样的方法来获取其离散时间序列的取值获得，但是这种方法相对复杂，有时候我们也可以通过图像驱动法或者已有的输入函数模型来模拟获得。输出函数则是指感兴趣区的TAC，通过PET动态扫描得到它的离散值来获取，动力学参数指反映示踪剂代谢的各种速率常数。

毫无疑问，计算机的合理运用对科学研究的发展进程有极大的推动作用。计算机在数值计算方面更是带来了极大的便利。虽然目前也有很多相关的医学软件，比如AFNI和SPM,他们同样研究脑部功能，但是重点基本都放在图像采集以及图像的统计分析。相对的没有太着重于与PET相关的定量计算功能。所以本文中设计的与脑局部葡萄糖代谢率相关的计算程序具有一定的实际应用价值。

MATLAB作为三大数学软件之一，在数值计算方面表现突出。本文通过MATLAB软件的使用，利用了计算机计算方便快捷的巨大优势，通过编写简单的程序，结合三室模型，实现对FDG/PET方法获得的数据的处理。数据的拟合以及绘图等功能在MATLAB软件中均可实现，该软件的GUI工具箱是本次程序设计运用到的重要工具，利用GUI工具箱可以实现界面设计。

2.正电子发射型计算机断层显像（PET）

2.1 PET简介

PET的全称是正电子发射型计算机断层显像（Positron Emission Computed Tomography）。顾名思义，该技术就是通过捕捉物质衰变过程中发射的正电子的状况，经过分析，以图像的形式显示物质在人体内的聚集情况，再经由分析这些物质的聚集情况，可以得出关于人体的许多信息。基本方法就是将某种物质用放射性核素标记后，注入到人体内，通过研究该物质在人体内的分布情况，来反映生命代谢活动的情况。以此为依据可以进行更进一步的检查和研究。这种被标记的物质称之为示踪剂，该方法选取的物质往往是人体代谢的必须物质，如葡萄糖等。同时放射性核素也有相当要求，一般使用衰变周期短的，如、等。具体的物质使用情况应根据情况定夺。本文中介绍的方法使用的示踪剂为FDG，这也是近来各个医院最常用的示踪剂。

PET采用的是湮没辐射和正电子准直技术，将PET显像剂或其代谢物分子在人体内的分布情况以及变化情况从人体外定量无伤地测定出。首先将示踪剂注入人体，使其进入人体组织细胞内，在人体的代谢过程中，特定的反应发生时，会产生湮没辐射，这一现象会产生光子，PET通过测定光子的信号，进而能将人体内代谢等情况以图像的形式展现出来。

作为目前仅有的，可在活体上显示生物分子代谢的显像技术，PET现已广泛运用于医学的各个领域，多种疾病的诊断，疗效评价，药物研究等多个方面都离不开它。皆因它具备的多种优点。优越的灵敏性方便测量，极佳的安全性更是使它备受青睐。

PET机一般由环状探测器组成, 一环晶体形成一个层面的图像, 相邻环间形成间接层面图像，这种设计是为了增加探测器的灵敏度, 适合人体生理功能方面的研究。

2.2PET的应用

PET主要应用的人群包括肿瘤病人，当前85%的PET检查就是运用在这一方面，并且PET检查能够达到90%以上的准确率。能够有效了解人体内肿瘤的状况，这对病症的治疗手段有十分重大的指导性；对于神经系统疾病和精神病患者,PET在各种精神疾病的治疗研究中拥有独特的优势，并且仍有相当大的突破空间，同时也指导了在艾滋病性脑病的治疗以及戒毒治疗等方面的药品开发；对于心血管疾病患者，在冠心病治疗的过程中，PET能够将心肌缺血部位以及范围进行准确地检查，从而确定是否要手术或者其它手段的治疗。同时药物药效的评价也依赖于PET技术，PET技术能有效地反映药物在人体内的作用效果。

为了更好的实现PET技术在生活中的应用问题，这项技术应与其它相关的技术相结合，取长补短，相辅相成。相关的研究人员早已开始逐步研究CT与PET设备整合的问题，结果是PET/CT不但解决了同步扫面方面的问题，也通过相互优点的结合，大大提升了诊断的准确性和研究的精密度。目前核磁共振与PET的整合设备也在试验当中。这一设备的研究对神经系统疾病会有十分突出的表现，让我们拭目以待。

3.葡萄糖代谢率的定量研究方法

作为人体内最主要的供能物质，葡萄糖的代谢情况可以反映人体内的机能状况，是判断人体健康状况的重要指标。而以无创，定量，安全，准确为优点的PET技术正是研究人体内葡萄糖代谢率的最佳选择。本文中研究的脑局部葡萄糖代谢率，在极其脆弱的人体脑部，正是FDG/PET方法使得研究得以完成。但是PET方法观测到的也仅仅是示踪剂在脑部的浓度的分布情况，要想得到具体的脑局部葡萄糖代谢率的相关参数，还需要建立动力学模型，以及需要与模型相对应的算法才可以。

3.1FDG代谢原理

普通的葡萄糖在人体内沿着一定的路径，按照它们的代谢规律进行代谢，但是由于它不具备方便我们测量的特殊性，使得研究起来具有一些难度。而我们使用的氟代脱氧葡萄糖因为加入了具有放射性的F的同位素，因而可以很容易地分析代谢的过程以及定量地分析代谢的情况。用标记的氟代脱氧葡萄糖与原本的氟代脱氧葡萄糖具有相似的结构，大部分的性质都是相同的，不会影响人体正常的代谢过程，这也是选用它的主要原因之一。在酶的催化作用下氟代脱氧葡萄糖转化生成了6-磷酸FDG。但是这一产物具有特殊性，不能在酶的催化下生成果糖-6-磷酸盐，于是进一步的代谢过程无法完成，而这一产物只能经由特定酶的作用，重新生成氟代脱氧葡萄糖。6-磷酸FDG无法通过细胞膜，所以不能成功扩散到外面，同时葡萄糖-6-磷酸酶的含量在很多人体组织中很低，因此该产物会较长时间地在人体中存在，也因此，在模型建立的过程中可以当做6-磷酸FDG不进行更多的代谢过程。而我们运用到的F的同位素会在衰变之后变为没有毒害没有放射性的。这些停留在人体内的6-磷酸FDG最终会生成6磷酸葡萄糖，可以参与人体内的其他代谢环节，大大降低了这一过程对人体健康的危害。

3.2 三室模型

3.2.1三室模型介绍

图 1三室模型图

葡萄糖代谢的动力学特征可用三室模型推导出的三指数项目函数来描述。在图1中，我们使用三个房室来表示在人脑中FDG的代谢过程，房室一代表的是血浆，而房室二和房室三用来表示人体中的组织。另外图中还有几个量，表示FDG在血浆中的浓度，表示FDG在组织中的浓度,为6-磷酸FDG在组织中的浓度。结合上面FDG的代谢原理，可以很容易得理解k1，k2，k3，k4的含义，分别是FDG在血浆和组织中来回迁移的速率，以及FDG在脑组织中和6-磷酸FDG互相转化的速率。以稳态假设为前提，四个k值为个体速率常数，它们以时间量纲的倒数为量纲。

考虑到在组织中，FDG和6-磷酸FDG拥有同样的放射性元素，所以在利用PET技术进行检测的时候无法有效地对两种物质进行区分，测量得到的数值是这两种物质的和。我们使用一个新的量来表示这个数值。

（3.2.1）

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