正电子PET动态心肌线粒体显像的心肌血流定量分析方法及用途与流程

【技术领域】

本发明是关于一种心脏核医学领域，利用正电子计算机断层显像仪(positronemissiontomography，正电子pet)的动态心肌线粒体显像，通过图像处理、图像校正与心肌血流定量计算进行心肌血流定量分析的技术方法，以及该技术方法的用途。

背景技术：

在心脏核医学领域，以核素标记的正电子pet显像药物(特别是使用¹⁸f核素)进行正电子pet静态心肌线粒体显像的方法逐渐受到国内外的重视，这类心肌显像方法的特征为心肌滞留时间延长，心肌成像轮廓清晰及显像时间点较为弹性，在相对较短的时间内能够同时完成定性的静息与负荷的正电子pet静态心肌线粒体显像，其显像特征符合实际应用要求。但这类正电子pet线粒体显像方法同时也存在一定的缺陷，例如正电子pet显像药物停滞于心肌的过程为通过心肌血流将药物运送到达心肌细胞附近，再通过心肌细胞膜的穿透进入心肌细胞内与线粒体产生作用，而进入心肌细胞内可能还同时发生了从心肌洗脱的现象，这种随时间实时变化的复杂动态过程，当进行正电子pet动态心肌线粒体显像时，由于成像时所使用的pet或pet/ct设备的图像空间分辨率有限，在正电子pet药物未到达心肌细胞前，早期左心血池及右心血池的放射线滞留能够对心肌部位产生放射线溢出干扰，而晚期滞留于左心血池的放射线清除趋近本底后，心肌摄取的放射线开始反向对左心产生放射线溢出干扰，从而发生一种随着时间改变的动态耦合溢出干扰现象，进而导致以正电子pet动态线粒体显像测量左心血池及心肌的放射性浓度，能达到要求的准确性仍然存在很大的挑战难点，即使目前正电子pet动态显像能提供量化的图像格式(bq/ml或kbq/ml)应用于测量左心血池及心肌的放射线浓度，但该测量仍然存在过大的误差，加上心肌本身对pet显像药物摄取的动态过程过于复杂，导致目前仍然无法通过正电子pet动态心肌线粒体显像，有效实现心肌血流定量测定，从而阻碍了正电子pet动态线粒体心肌显像方法的实际应用发展。

鉴于此，我们发展一种解决以正电子pet动态心肌线粒体显像进行心肌血流定量分析的技术方法及其应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够通过正电子pet动态心肌线粒体显像进行心肌血流定量分析的技术方法及该技术方法的用途。

本发明所采用的技术方法之一为一种正电子pet动态心肌线粒体显像的图像处理技术方法，应用于产生未校正靶心图与未校正左心血池时间活度曲线(timeactivitycurve，tac)，该技术方法包括采用：(1)将正电子pet动态心肌线粒体图像在一段时间内进行叠加，以产生正电子pet静态心肌线粒体图像；(2)将正电子pet静态心肌线粒体图像以3d平面切割，以区分心肌部位及非心肌部位；(3)将pet静态心肌线粒体图像由直角坐标系转换至球体坐标系，以产生正电子pet静态心肌线粒体图像在球体坐标系的心肌部位图像；(4)以射线采样方式(raytracing)，从经球体坐标系转换的正电子pet静态心肌线粒体图像中取得径向的心肌最大放射线浓度点，以产生3d心肌中线；(5)以球体坐标系、直角坐标系及2d靶心图座标系中的心尖部位为中心参考点，对球体座标径向的心肌最大放射线浓度点进行连续空间向量转换，以取得径向的心肌最大放射线浓度点在2d靶心图坐标系的几何关联性，并用于产生靶心图转换几何矩阵；(6)通过该靶心图几何转换矩阵应用于正电子pet动态心肌线粒体图像的每一帧图像，以产生心肌部位的未校正动态靶心图；(7)通过一采样长方盒自动置于pet静态心肌线粒体图像的左心房与左心室之间，并将该位置应用至正电子pet动态心肌线粒体图像的每一帧图像，以获得未校正左心血池时间活度曲线；本图像处理技术方法同时适用于处理静息及负荷正电子pet动态心肌线粒体图像。

本发明所采用的技术方法之二为一种正电子pet动态心肌线粒体显像的图像校正技术方法，应用于校正心肌溢出干扰、右心血池溢出干扰及心肌摄取残留，该技术方法包括采用：(1)将左心血池测量的放射线浓度视为其真实放射线浓度及心肌放射线溢出干扰的组合，计算在左心血池受随时间改变的心肌放射线溢出干扰程度，并从未校正左心血池时间活度曲线中减去该随时间改变的心肌放射线溢出干扰程度，从而获得心肌溢出校正左心血池时间活度曲线；(2)以未校正左心血池时间活度曲线中最大放射线浓度作为正电子pet药物进入左心的时间分界点，通过感兴趣区测量未校正动态靶心图中的左心室间隔壁放射线浓度及左心室侧壁放射线浓度，以两者比值校正右心室血池放射线对于左心室间隔的溢出干扰，而获得右心室溢出校正动态靶心图；(3)针对先静息后负荷的正电子pet动态心肌线粒体显像，通过两显像时间起点时间的时间差、正电子pet药物的核素物理半衰期及指数模型，推算产生心肌残留程度靶心图，并将负荷右心室溢出校正动态靶心图扣除该心肌残留程度靶心图，从而产生负荷完整校正动态靶心图；(4)针对先负荷后静息的正电子pet动态心肌线粒体显像，通过两者显像时间起点时间的时间差、正电子pet药物的核素物理半衰期及指数模型，推算产生心肌残留程度靶心图，并将静息右心室溢出校正动态靶心图扣除该心肌残留程度靶心图，从而产生静息完整校正动态靶心图；(5)以一对静息右心室溢出校正动态靶心图及负荷完整校正动态靶心图，或一对负荷右心室溢出校正动态靶心图及静息完整校正动态靶心图，用于产生一组静息完整校正心肌时间活度曲线及一组负荷完整校正心肌时间活度曲线，并进一步产生一条静息完整校正整体心肌时间活度曲线及一条负荷完整校正整体心肌时间活度曲线。

本发明所采用的技术方法之三为一种正电子pet动态线粒体显像的心肌血流定量计算技术方法，应用于心肌血流定量及提高拟合运算效能，包括采用：(1)双组织三腔室模型及一组合系数c，并将心肌各时间点所测量的心肌放射线浓度视为真实心肌摄取及左心血池对心肌溢出干扰的组合，以产生一项具备(k1，k2，k3，c)动力学参数的动力学组成方程，其中c同时代表左心血池对心肌干扰成度的系数，(1-c)代表真实心肌摄取对心肌放射线浓度测量值的贡献系数，以k1代表心肌血流数值；(2)先采用一组固定初始值，将一组静息完整校正整体心肌时间活度曲线及静息心肌溢出校正左心血池时间活度曲线，与动力学组成方程进行拟合运算，以产生静息整体心肌的动力学参数作为变动初始值，再将一组静息完整校正心肌时间活度曲线及静息心肌溢出校正左心血池时间活度曲线，与动力学组成方程进行拟合运算，从而计算出静息心肌部位各点的动力学参数，再通过心率及血压乘机校正静息心肌血流值，并以靶心图显示，从而产生静息血流靶心图；(3)先采用一组固定初始值，将一组负荷完整校正整体心肌时间活度曲线及静息心肌溢出校正左心血池时间活度曲线，与动力学组成方程进行拟合运算，以产生负荷整体心肌的动力学参数作为变动初始值，再将一组负荷完整校正心肌时间活度曲线及负荷心肌溢出校正左心血池时间活度曲线，与动力学组成方程进行拟合运算，从而计算出负荷心肌部位各点的动力学参数，并以靶心图显示，从而产生负荷血流靶心图，将负荷血流靶心图与静息血流靶心图相除而得到血流储备靶心图；(5)为了提高拟合运算效能，可将动力学组成方程中的k2或(k2，k3)设为0，再进行拟合运算，以获得(k1、k2，c)或(k1、c)等动力学参数，同时提高拟合运算效能。

本发明中正电子pet动态心肌线粒体显像的心肌血流定量分析技术方法的用途为建立心肌血流级数图，应用于更直观评估整体心肌及血管分区的静息血流量、负荷血流量及血流储备的高低，包含采用：(1)静息血流、负荷血流及血流储备等三个指标及一个2d坐标系，从而建立一个心肌血流级数图；(2)将静息血流靶心图、负荷血流靶心图及血流储备靶心图分为整体心肌及三个血管分支区(前降支、回旋支及右冠支)，先分别计算整体心肌及各血管分支区内各指标的平均数值，再以心肌血流级数图评估整体心肌或各血管分支区的心肌血流级数。

【附图说明】

图1显示依据本发明实施的图像处理方法中的步骤及将该步骤应用于产生未校正动态靶心图的结果。

图2显示依据本发明实施的未校正左心血池时间活度曲线为经由一采样长方盒自动放于左心室及左心房之间而产生，并应用于判断pet药物进入左心的时间分界点。

图3显示依据本发明实施的未校正左心血池时间活度曲线、心肌溢出校正左心血池时间活度曲线及两者间的差异线。

图4显示依据本发明实施的在时间分界点之前未校正的动态靶心图、经右心血池溢出校正的动态靶心图、以及各别在左心室间格壁测量的放射线浓度。

图5显示依据本发明实施的负荷完整校正动态靶心图的产生过程及实际图像。

图6显示依据本发明实施的静息右心室溢出校正动态靶心图，一组静息完整校正心肌时间活度曲线中的6条曲线，负荷完整校正靶心图、一组负荷完整校正心肌时间活度曲线中的6条曲线。

图7显示依据本发明实施的静息k1靶心图(等同于静息血流靶心图)、静息k2靶心图、静息k3靶心图及静息c靶心图；负荷k1靶心图(等同于负荷血流靶心图)、负荷k2靶心图、负荷k3靶心图及负荷c靶心图；血流储备靶心图。

图8显示依据本发明实施的一个具有12个级数区域的心肌血流级数图。

图9显示依据本发明实施的显示一组通过静息血流靶心图、负荷血流靶心图及血流储备靶心图，进行血管分支区的心肌血流级数评估，分别在前降支、回旋支及右冠支等三个血管分支区取得各自的心肌血流级数。

【具体实施方式】

本发明的目的是提供一种以通过正电子pet动态心肌线粒体显像进行心肌血流定量分析的技术方法，及该技术方法的用途。

发明所采用的技术方法之一为一种正电子pet动态心肌线粒体显像的图像处理技术方法，应用于产生未校正动态靶心图及未校正左心血池时间活度曲线，该技术方法包含以下步骤：

(1)图像叠加步骤：将正电子pet动态心肌线粒体图像在一段时间内进行叠加以产生正电子pet静态心肌线粒体图像，叠加时将图像中每个像素的空间及时间坐标先进行标记，并根据叠加的时间范围，将各像素的空间坐标对各时间点进行叠加，以产生正电子pet静态心肌线粒体图像；

(2)图像分割步骤：将正电子pet静态心肌线粒体图像，在代表影像空间的直角坐标系，以3d平面方程(z＝ax+by+c)切割区分心肌部位及非心肌部位；

(3)图像坐标系转换步骤：心肌部位图像以心肌的质量中心为原点，将正电子pet静态心肌线粒体图像由直角坐标系(x，y，z)转换至球体坐标系在坐标转换同时以各像素为中心，通过临近像素的像素值及空间座标与，对各中心像素的像素值进行内差，以保证球体坐标系中各像素值的连续性；

(4)心肌中线产生步骤：采用经球体坐标系转换的pet静态心肌线粒体图像，以平行于半径r的径向射线，对该径向射线所通过每一个角度坐标对应的像素值进行对比，以取得径向的最大放射线浓度点，并将所有径向的最大放射线浓度点连成一个3d心肌中线；

(5)靶心图几何转换矩阵产生步骤：在球体座标中将所有径向的最大放射线浓度点离原点的距离排成一个2d的极方图并根据心尖部位在球体座标的位置、直角坐标系的位置及2d靶心图的位置，以心尖部位为中心参考点，对所有径向的最大放射线浓度点进行连续空间向量转换，以计算所有径向的最大放射线浓度点在靶心图中与心尖部位的距离及方位角(rp，θp)，从而取得心肌所有径向的最大放射线浓度点在2d靶心图坐标系的几何关联性，并用于产生靶心图几何转换矩阵；

(6)动态靶心图产生步骤：通过步骤(3)的图像坐标系转换步骤，将正电子pet动态心肌线粒体图像进行每一帧图像的坐标系转换，再藉由步骤(5)所产生的靶心图几何转换矩阵，将正电子pet动态心肌线粒体图像的每一帧图像转换为靶心图，从而产生了未校正动态靶心图；图1显示通过步骤(1)至步骤(6)的图像处理结果；

(7)左心血池时间活度曲线产生步骤：在直角坐标中，藉由3d平面及心尖部位的空间信息，以一采样长方盒自动置于正电子pet静态心肌线粒体图像中的左心房与左心室之间，并将该采样长方盒应用至全部正电子pet动态心肌线粒体图像的每一帧图像，以获得未校正左心血池时间活度曲线如图2所示；步骤(1)至步骤(8)可同时适用于静息正电子pet动态心肌线粒体显像及负荷正电子pet动态心肌线粒体显像的图像处理。

本发明所采用的技术方法之二为一种正电子pet动态心肌线粒体显像的校正技术方法，应用于校正心肌溢出干扰、右心血池溢出干扰及心肌摄取残留，该方法包含以下步骤：

(1)心肌溢出校正步骤：在左心房及左心室的腔中，以一采样长方盒所测量的放射线浓度(以bp测量表示)视为真实左心血池放射线浓度+心肌放射线溢出干扰(以bp心肌溢出干扰表示)的组合，再根据该采样长方盒像素的空间坐标(xbp，ybp，zbp)及心肌部位中各像素的空间坐标(xmyo，ymyo，zmyo)，以距离平方反比(1/4π[(xbp-xmyo)²+(ybp-ymyo)²+(zbp-zmyo)²]公式计算心肌部位像素与长方盒像素的几何效应矩阵rij，同时将心肌像素的放射线浓度视为独立点源ai，针对正电子pet动态心肌线粒体图像中每一帧图像，计算各自的心肌部位像素对长方盒内单一像素的放射线溢出干扰程度为bp心肌溢出干扰，i＝σi(rij×ai)，并对各像素进行加总与平均，以取得随时间改变的心肌溢出干扰程度，并从未校正左心血池时间活度曲线中减去该随时间改变的心肌溢出干扰程度，以获得心肌溢出校正左心血池时间活度曲线，图3显示未校正左心血池时间活度曲线、心肌溢出校正左心血池时间活度曲线及两者间的差异线。

(2)右心血池溢出校正步骤：以未校正左心血池时间活度曲线中最大放射线浓度作为正电子pet药物进入左心的时间分界点如图3所示，以2个感兴趣区分别测量该时间分界点之前未校正动态靶心图的每一帧图像中的左心室间隔壁的放射线浓度(以myo室间隔壁表示)及左心室侧壁的放射线浓度(以myo侧壁表示)，并计算量各时间点两者间的比值(myo室间隔壁/myo侧壁)，通过该比值校正右心室血池放射线对于左心室间隔的溢出干扰，而获得右心室溢出校正动态靶心图，图4a显示时间分界点之前未校正动态靶心图，图4b显示时间分界点之前经右心血池溢出校正的动态靶心图；步骤(1)及步骤(2)可同时适用于静息及负荷正电子pet动态心肌线粒体图像，从而产生静息心肌溢出校正左心血池时间活度曲线、静息右心室溢出校正动态靶心图、负荷心肌溢出校正左心血池时间活度曲线、负荷右心室溢出校正动态靶心图；

(3)静息心肌摄取残留校正步骤：如果是静息正电子pet动态心肌线粒体显像在前，负荷正电子pet动态心肌线粒体显像在后，先以经步骤(2)校正的静息右心室溢出校正动态靶心图中接近或等于最晚期时间点作为静息心肌摄取靶心图，通过静息正电子pet动态心肌线粒体显像的起点时间及负荷正电子pet动态心肌线粒体显像的起点时间的时间差，以正电子pet药物的核素物理半衰期及指数模型推算静息心肌摄取在负荷正电子pet动态心肌线粒体显像时间起点的心肌残留系数，并将系数与静息心肌摄取靶心图相乘，从而成产生心肌残留程度靶心图，将负荷右心室溢出校正动态靶心图扣除该心肌残留程度靶心图，从而产生负荷完整校正动态靶心图从而产生负荷完整校正动态靶心图，图5显示通过静息心肌摄取残留校正产生负荷完整校正动态靶心图的过程及负荷完整校正动态靶心图；

(4)负荷心肌摄取残留校正步骤：如果是负荷正电子pet动态心肌线粒体显像在前，静息正电子pet动态心肌线粒体显像在后，以经步骤(2)校正的负荷右心室溢出校正动态靶心图中接近最晚期时间点作为负荷心肌摄取靶心图，通过负荷正电子pet动态心肌线粒体显像的起点时间及静息pet动态心肌线粒体显像的起点时间的时间差，以正电子pet药物的核素物理半衰期及指数模型，推算负荷心肌摄取在静息正电子pet动态心肌线粒体显像时间起点的心肌残留系数，并将系数与负荷心肌摄取靶心图相乘，从而成产生心肌残留程度靶心图，将静息右心室溢出校正动态靶心图扣除该心肌残留程度靶心图，从而产生静息完整校正动态靶心图；

(5)心肌时间活度曲线产生步骤：根据静息正电子pet动态心肌线粒体显像及负荷正电子pet动态心肌线粒体显像的顺序，将一对(静息右心室溢出校正动态靶心图及负荷完整校正动态靶心图)，或一对(负荷右心室溢出校正动态靶心图及静息完整校正动态靶心图)，以靶心图中的各像素对时间轴画线，可产生一组静息完整校正心肌时间活度曲线及一组负荷完整校正心肌时间活度曲线，其中将一组静息完整校正心肌时间活度曲线进行加总与平均，从而产生一条静息完整校正整体心肌时间活度曲线，将一组负荷完整校正心肌时间活度曲线进行加总与平均，从而产生一条负荷完整校正整体心肌时间活度曲线，图6a显示静息右心室溢出校正动态靶心图，图6b显示一组静息完整校正心肌时间活度曲线中的6条曲线，图6c显示负荷完整校正靶心图，图6d显示一组负荷完整校正心肌时间活度曲线中的6条曲线。

本发明所采用的技术方法之三为一种正电子pet动态线粒体显像的心肌血流定量计算技术方法，应用于心肌血流定量及提高拟合运算效能，该技术方法包含以下步骤：

(1)动力学模型应用转化步骤：采用双组织三腔室模型，以k1代表pet药物进入心肌细胞的速率(单位：ml/min/g)，同时代表心肌血流量、k2表示pet药物进入细胞后从心肌细胞回流的洗脱速率(单位：1/min)、k3表示pet药物进入细胞后与线粒体作用的速率(单位：1/min)，以静息完整校正整体心肌时间活度曲线、静息完整校正心肌时间活度曲线、负荷完整校正整体心肌时间活度曲线或负荷完整校正心肌时间活度曲线代表心肌的放射线浓度测量值(以myo测量表示)，将各时间的测量值视为由真实心肌摄取(以myo真实表示)及左心血池对心肌溢出干扰(以myo左心血池溢出干扰)所组成，从而产生myo测量＝(1-c)*myo真实+c*myo左心血池溢出干扰的动力学组成方程，其中myo真实为具备(k1，k2，k3，c)参数的时间函数，myo左心血池溢出干扰为左心血池时间活度曲线，c为一个组合系数，同时也代表左心血池对心肌溢出干扰程度系数，(1-c)代表myo真实对myo测量的贡献系数；

(2)静息心肌部位动力学参数计算步骤：将一组(静息完整校正整体心肌时间活度曲线及静息心肌溢出校正左心血池时间活度曲线)，先采用一组固定初始值，以最小方差迭代逼近算法或最大期望值迭代算法，将该组时间活度曲线与动力学组成方程进行拟合运算，以产生静息的整体心肌的动力学参数包括(k1、k2、k3及c)，再将该静息的整体心肌的动力学参数作为变动初始值，以相同的最小方差迭代逼近算法或最大期望值迭代算法，将一组静息完整校正心肌时间活度曲线及静息心肌溢出校正左心血池时间活度曲线与动力学组成方程进行拟合运算，从而计算出静息心肌部位各点的动力学参数，再通过心率及血压乘机校正k1值，并以靶心图显示，从而产生静息血流靶心图；图7a显示静息k1靶心图(等同于静息血流靶心图)、静息k2靶心图、静息k3靶心图及静息c靶心图；

(3)负荷心肌部位动力学参数计算步骤：将一组(负荷完整校正整体心肌时间活度曲线及负荷心肌溢出校正左心血池时间活度曲线)，先采用一组固定初始值，以最小方差迭代逼近算法或最大期望值迭代算法，将该组时间活度曲线与动力学组成方程进行拟合运算，以产生负荷的整体心肌的动力学参数包括(k1、k2、k3及c)，再将该负荷的整体心肌的动力学参数作为变动初始值，以相同的最小方差迭代逼近算法或最大期望值迭代算法，将一组负荷完整校正心肌时间活度曲线及负荷心肌溢出校正左心血池时间活度曲线与动力学组成方程进行拟合运算，从而计算出负荷时心肌部位各点的动力学参数，并以靶心图显示，从而产生负荷血流靶心图；进一步将负荷血流靶心图与从步骤(2)产生的静息血流靶心图进行相除而得到血流储备靶心图，图7b显示负荷k1靶心图(等同于负荷血流靶心图)、负荷k2靶心图、负荷k3靶心图及负荷c靶心图，图7c显示血流储备靶心图；

(4)拟合运算效能提高步骤：为了提高拟合运算效能，步骤(1)中的动力学模型应用转化，可将动力学组成方程进行简化，先将k3或(k2，k3)设为0，再通过步骤(2)及步骤(3)进行拟合运算获得(k1、k2，c)或(k1、c)等动力学参数，同时提高拟合运算效能，以下表格显示以一带有intel四核运算器的工作站进行拟合运算，对比双组织三腔室模型与简化模型进行拟合运算的动力学参数值及拟合运算效能：

本发明中一种正电子pet动态心肌线粒体显像的心肌血流定量分析技术方法的用途，通过心肌血流级数图的建立，应用于更直观评估整体心肌及血管分区的静息血流量，负荷血流量及血流储备的高低，包含以下步骤：

(1)心肌血流级数图的建立步骤：通过静息血流，负荷血流及血流储备等三个指标，采用一个2d坐标系，以横轴为负荷血流指标，纵轴为血流储备指标，斜对角线为静息血流指标，并将该2d坐标系，依据指标值范围进一步划分为多个级数区域，从而建立一个心肌血流级数图，图8显示一个12级数区域的心肌血流级数图；

(2)心肌血流级数评估步骤：将静息血流靶心图、负荷血流靶心图及血流储备靶心图分为整体心肌与三个血管分支区(前降支、回旋支及右冠支)，先分别计算整体心肌及或血管分支区内的静息血流指标、负荷血流指标和血流储备指标的平均数值，再以心肌血流级数图评估整体心肌或各血管分支区的心肌血流级数。图9显示一组通过静息血流靶心图、负荷血流靶心图及血流储备靶心图进行血管分支区的心肌血流级数评估，分别在前降支、回旋支及右冠支等三个血管分支区取得各自的心肌血流级数。