[發明專利]一種基于造影劑增強曲線的藥代動力學參數估計方法

在審

• 申請號: 201610251637.7
• 申請日: 2016-04-21
• 公開（公告）號: CN107315896A
• 公開（公告）日: 2017-11-03
• 發明（設計）人: 曹亞;王慧慧;王霄英;張玨;方競
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理事務所(普通合伙)11360
• 代理人: 蘇愛華

技術領域

本發明涉及一種基于造影劑增強曲線的藥代動力學參數估計方法，屬于生理參數估計領域。

背景技術

腫瘤的早期診斷是提高患者生存率和生活質量、提高治愈率、降低死亡率的關鍵，在腫瘤的生長、浸潤和播散過程中，常常伴有新血管的生成。目前有許多研究工作將造影劑增強圖像與藥代動力學模型相結合，對腫瘤微血管通透性進行分析，得到有生物學標志的功能參數。

對于現有的藥代動力學參數估計方法而言，存在著兩個缺陷：首先，獲取動脈輸入函數耗時、費力，并且獲得的動脈輸入函數易受噪聲干擾和造影劑二次灌注的影響；其次，傳統的藥代動力學模型為了得到穩定的藥代動力學參數，常常對二房室模型進行簡化，如忽略血管體積分數、忽略造影劑回流的影響等，因此傳統的藥代動力學模型對于生理代謝的刻畫具有一定的局限性。本發明針對這些問題，提出了一種造影劑增強曲線的藥代動力學參數估計方法。

發明內容

本發明提出能夠基于造影劑增強曲線的藥代動力學參數估計方法，能夠有效地評估腫瘤微血管通透性及腫瘤血管體積分數。

現有的藥代動力學參數估計方法存在以下兩個缺陷：首先，獲取動脈輸入函數耗時、費力，并且獲得的動脈輸入函數易受噪聲干擾和造影劑二次灌注的影響；其次，傳統的藥代動力學模型為了得到穩定的藥代動力學參數，常常對二房室模型進行簡化，如忽略血管體積分數、忽略造影劑回流的影響等，因此傳統的藥代動力學模型對于生理代謝的刻畫具有一定的局限性。

本發明利用動脈輸入函數曲線的自身特性提出了一種基于預設種子點自動選擇動脈輸入函數的方法，能夠減少造影劑二次灌注對動脈輸入函數的影響，使得到的動脈輸入函數更接近理想的動脈輸入函數曲線。本發明首次提出了基于三類典型造影劑增強曲線的正則化多盲道參數估計方法，能夠估計得到穩定有效的定量參數逆流動系數(k_ep)。本發明采用未經任何簡化二房室模型估計藥代動力學參數血管通透性(K^trans)、間隙體積分數(v_e)、血管體積分數(v_p)，該模型 不需要對二房室模型進行簡化，使其更加符合生理代謝過程。

本發明的技術方案如下：

一種基于造影劑增強曲線的藥代動力學參數估計方法，包括以下步驟：

1)利用動脈輸入函數曲線特征自動選擇動脈輸入函數曲線；

2)利用造影劑增強曲線特征聚類全局造影劑增強曲線，獲得三類典型造影劑增強曲線；

3)在步驟2)中獲取三類典型造影劑增強曲線，設計正則化多盲道參數估計方法，估計藥代動力學參數逆流動系數；

4)采用未經任何簡化二房室模型估計藥代動力學參數血管通透性、間隙體積分數、血管體積分數。

上述步驟1)中，通過預設血管區域種子點，獲取血管位置的局部區域，采用Otsu閾值法分割血管區域，通過峰值、達峰時間、半峰寬、平穩性、抖動性等指標描述造影劑增強曲線特征，通過綜合評價指標M篩選造影劑增強曲線獲得動脈輸入函數，綜合評價指標定義為：

其中，PV代表造影劑增強曲線峰值，TTP代表造影劑增強曲線達峰時間，FWHM代表造影劑增強曲線半峰寬，p，q為造影劑增強曲線的平穩性、抖動性評價指標，p為相鄰時相間造影劑濃度絕對差的和，q為每一時相造影劑濃度與初始位置造影劑濃度絕對差的和。

步驟2)對全局造影劑增強曲線進行聚類分析，采用斜率刻畫造影劑增強曲線特征，通過聚類算法將全局造影劑增強曲線分為三類，將每一類增強曲線取平均，最終獲得三類典型造影劑增強曲線。

步驟3)中，將獲得的三類典型造影劑增強曲線和當前像素點對應的造影劑增強曲線組合設計為正則化多盲道參數模型，對應表達式如下：

其中，h⁽ⁱ⁾為對應盲道的生理系統函數，C_p(t)為動脈輸入函數，εⁱ(t)為盲 道對應的噪聲項；最小化對應的目標函數R，即可求解對應的藥代動力學參數，最終能夠獲得穩定的藥代動力學參數逆流動系數。

其中，為盲道對應的響應曲線輸出，H為生理系統函數的矩陣表達。

上述步驟4)利用未經任何簡化二房室模型、已獲得的動脈輸入函數和藥代動力學參數逆流動系數，采用最小二乘方法估計剩余藥代動力學參數，對應的二房室模型如下所示：

本發明具有以下優點：