人体内物质代谢功能信息可视化的计算机模拟方法技术

本发明专利技术属于医学数学仿真及可视化领域，其特征在于，首先根据目标物质在人体内进行代谢的动力学模型和血液中的物质浓度变化函数，计算出该物质在人体目标组织中动态的时间分布密度，得到目标组织中的物质分布密度随时间变化的曲线。然后，将这功能曲线数据映射到人体的真实解剖数据，得到按时间顺序排列的三维体数据，它包含了各个采样时刻点上的人体内物质代谢分布信息。最后，将它实现基于真实解剖结构的人体代谢功能信息的可视化。该方法实施简单，便于临床应用，对多种示踪剂和药物具有普适性，其结果直观、清晰地反映目标物质在人体内进行代谢分布的过程，从而为物质代谢动力学的教育和研究工作提供新的技术平台。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于数学仿真及可视化领域，涉及一种人体内物质代谢功能信息的可视化的计算机模拟方法，具体涉及一种基于代谢动力学模型和“可视人”解剖结构的人体代谢功能信息的数学模拟和可视化仿真方法。
技术介绍
任何有关人体的信息，包括解剖信息和物质代谢功能信息，都会对人类的保健和疾病诊治产生积极的作用，而这些信息的科学可视化对于研究和应用均具有重要意义。例如，美国的“可视人”计划(Visible Human Project，VHP)提供了非常详细的人体解剖信息，“可视人”数据在科研、临床及产业中都得到了广泛应用。有关人体解剖信息的研究已经取得了很大的发展，而近年来对人体物质代谢功能信息的研究也逐渐成为了热点。无论是对人体自身的研究还是对疾病的诊疗而言，物质代谢功能信息都是人体非常重要的信息。近年来美国提出的“Physiome”研究计划正是说明了这一点，该计划企图通过建立生理系统的数字模型将人体物质代谢功能数字化地动态再现，旨在从整体上研究人的生命现象。生理系统是世界上最复杂的系统之一，直至科学高度发达的今天，人们对生理系统仍知之甚少，对许多生理问题亦缺少有效的手段进行研究。正是由于生命系统的高度复杂性以及研究的困难程度，生理系统也是较早地应用了模拟与仿真方法的领域之一。随着计算机技术的发展，医学和药学依赖于大量动物实验模型的做法将逐步被计算机仿真模拟所取代，从而代替实际的复杂、长期、昂贵乃至无法实现的实验，大大提高研究效率。目前，对于人体内的各种代谢物质或药物，存在很多代谢动力学方面的研究，同时也出现了诸多比较成熟的数学模型，用于描述特定物质在人体内的代谢动力学过程，例如描述葡萄糖代谢过程的三房室四参数模型和描述碘代谢的三房室模型。然而，这些数学模型的应用范围基本上局限在各种代谢参量的计算等研究中，而并没有进一步应用于人体内物质代谢分布过程的模拟和可视化研究，尤其是基于解剖结构的人体内物质代谢功能信息的可视化仿真。建立一个分布在实际形态结构上的人体内物质代谢分布过程的模拟方法，研究物质在体内转运的动态规律，并实现模拟结果的可视化显示，不仅可以给出物质的代谢信息，而且还为医学功能成像的研究提供数字化体模，并为药物动力学研究提供新的技术平台。
技术实现思路
本专利技术的目的是为人体生理学和临床医学成像的研究、教育、应用等工作提供一种实施简单、操作灵活的人体物质代谢功能信息的可视化的计算机模拟方法，具体涉及一种基于代谢动力学模型和人体解剖结构数据的人体内物质代谢过程的可视化模拟方法。本专利技术采用房室模型作为描述物质代谢的数学模型，从而通过数学计算模拟出人体内物质代谢分布的动态信息。本专利技术将一套已经分割好的“可视人”男性数据作为高分辨率的人体解剖学图像平台，用于人体物质代谢功能信息的高分辨率三维显示。借助“可视人”图像数据的高分辨率特点、良好的分割效果以及适当的三维体数据可视化方法，可视化结果可以直观、清晰、准确地反映特定物质或药物在体内进行代谢分布的总体情况和动态变化规律。本专利技术方法实施简单，操作灵活，便于在教育、临床等领域得到应用。本专利技术的特征在于，依次含有以下步骤步骤(1)，把包括所要研究的药物在内的目标物质注入人体，通过临床动态测定，得到血液中目标物质分布密度随时间变化的函数曲线，简称血液输入曲线CB(t)，并输入计算机；步骤(2)，向所述计算机输入目标组织的房室代谢动力学模型的冲激响应函数f(K，t)，K是房室模型的动力学参数向量，t是时间，该冲激响应函数的表达式为f(K,t)=k1α2-α1[(k3+k4-α1)e-α1t+(α2-k3-k4)e-α2t],]]>其中，α1=(k2+k3+k4-(k2+k3+k4)2-4k2k4)/2,]]>α2=(k2+k3+k4+(k2+k3+k4)2-4k2k4)/2,]]>(k1～k4)为所要研究的人体内部组织，简称目标组织的房室代谢动力学模型的动力学参数；步骤(3)，所述计算机根据步骤(1)和步骤(2)得到的结果按下式计算目标组织中作为代谢用的目标物质分布密度随时间变化的函数曲线，简称组织输出曲线CT(t)CT(t)＝f(K，t)CB(t)，其中，表示卷积运算； 步骤(4)，所述计算机把步骤(3)得到的组织曲线离散化，得到一组离散数据，每一个离散值代表相应目标组织在相应时刻点上的目标物质分布密度值；步骤(5)，在每个采样时刻点时刻上，在“可视人”数据所表示的三维体中，相应目标组织区域们所对应的元素都根据相应组织输出曲线的采样值进行赋值，使得在每一个采样时刻点上都得到一个新的三维数据体，其中既包含了与“可视人”数据的解剖结构相一致的解剖信息，又包含了每个采样时刻点上相应目标组织中目标物质分布密度的信息；步骤(6)，把步骤(5)得到的按采样时刻先后顺序排列的一系列三维体数据用体绘制技术进行可视化，直观地显示人体内目标物质代谢分布的动态过程；本专利技术的特征在于，所述的“可视人”数据是“可视人”男性数据；本专利技术的特征在于，所述的体绘制技术应用光线投射法；本专利技术的特征在于，所述的目标组织是心肌、或肝脏、或骨骼肌中的任何一种。本专利技术将高分辨率的“可视人”解剖数据和可视化技术用于体内物质代谢功能仿真，获得了良好的功能信息可视化结果。也即，把“可视人”数据的解剖信息和模拟出的动态功能信息融合为一体，实现了真实解剖形态基础上的功能动态模拟，从而较为直观地再现了体内的生理过程，获得了良好的模拟显示效果。附图说明图1为的流程图。图2为从组织曲线的离散序列到“可视人”解剖结构的数据映射过程以及随后的可视化过程的示意图。其中，n表示数据映射过程中所包含的组织个数，m表示时间采样点数。图中，t1～tm表示采样时刻点，组织曲线1～组织曲线n，分别表示这n个组织的组织曲线，横坐标代表时间，纵坐标代表代谢物质的分布密度。图像1～图像m，分别表示通过数据映射得到的新的三维体数据的可视化结果，共包含m个采样时刻点的数据，按采样时刻先后顺序排列。图3为实施例1中所用到的描述FDG在人体多个组织中的代谢动力学过程的三房室四参数模型。其中，左边的房室表示的是血液空间，中间的房室表示组织中未被磷酸化的自由FDG的空间，右边的房室表示组织中FDG的磷酸化产物FDG-6-phosphate(FDG-6-P)的空间。FDG通过细胞膜进入组织细胞中，然后在细胞中被已糖激酶磷酸化，转化成FDG-6-P。其逆向过程也在该模型中有表示。CB(t)表示血液空间房室中的FDG密度随时间变化的函数曲线，也即血液输入曲线；CE(t)表示中间房室中的FDG密度随时间变化的函数曲线；CM(t)表示右边房室中的FDG-6-P密度随时间变化的函数曲线。模型的动力学参数k1、k2、k3、k4表示房室之间物质交换的速率系数。图4为实施例1中各目标组织模型的冲激响应曲线。这些曲线是根据模型结构和模型参数所计算出来的结果。实线表示心肌组织模型的冲激响应曲线，点线表示骨骼肌组织模型的冲激响应曲线，虚线表示肝脏组织的冲激响应曲线。图5为实施例1中血液输入曲线和各目标组本文档来自技高网...

【技术保护点】
人体内物质代谢功能信息的可视化的计算机模拟方法，其特征在于，依次含有以下步骤，步骤（１），把包括所要研究的药物在内的目标物质注入人体，通过临床动态测定，得到血液中目标物质分布密度随时间变化的函数曲线，简称血液输入曲线Ｃ↓［Ｂ］（ｔ），并输入计算机；　步骤（２），向所述计算机输入目标组织的房室代谢动力学模型的冲激响应函数ｆ（Ｋ，ｔ），Ｋ是房室模型的动力学参数向量，ｔ是时间，该冲激响应函数的表达式为：ｆ（Ｋ，ｔ）＝ｋ↓［１］／α↓［２］－α↓［１］［（ｋ↓［３］＋ｋ↓［４］－α↓［１］）ｅ↑［－α↓［１］ｔ］＋（α↓［２］－ｋ↓［３］－ｋ↓［４］）ｅ↑［－α↓［２］ｔ］］，其中，α↓［１］＝（ｋ↓［２］＋ｋ↓［３］＋ｋ↓［４］－＊＊＊）／２，α↓［２］＝（ｋ↓［２］＋ｋ↓［３］＋ｋ↓［４］＋＊＊＊）／２，（ｋ↓［１］～ｋ↓［４］）为所要研究的人体内部组织，简称目标组织的房室代谢动力学模型的动力学参数；步骤（３），所述计算机根据步骤（１）和步骤（２）得到的结果按下式计算目标组织中作为代谢用的目标物质分布密度随时间变化的函数曲线，简称组织输出曲线Ｃ↓［Ｔ］（ｔ）：Ｃ↓［Ｔ］（ｔ）＝ｆ（Ｋ，ｔ）＊Ｃ↓［Ｂ］（ｔ），其中，＊表示卷积运算；步骤（４），所述计算机把步骤（３）得到的组织曲线离散化，得到一组离散数据，每一个离散值代表相应目标组织在相应时刻点上的目标物质分布密度值；步骤（５），在每个采样时刻点时刻上，在“可视人”数据所表示的三维体中，相应目标组织区域们所对应的元素都根据相应组织输出曲线的采样值进行赋值，使得在每一个采样时刻点上都得到一个新的三维数据体，其中既包含了与“可视人”数据的解剖结构相一致的解剖信息，又包含了每个采样时刻点上相应目标组织中目标物质分布密度的信息；步骤（６），把步骤（５）得到的按采样时刻先后顺序排列的一系列三维体数据用体绘制技术进行可视化，直观地显示人体内目标物质代谢分布的动态过程；。...

【技术特征摘要】
1.人体内物质代谢功能信息的可视化的计算机模拟方法，其特征在于，依次含有以下步骤，步骤(1)，把包括所要研究的药物在内的目标物质注入人体，通过临床动态测定，得到血液中目标物质分布密度随时间变化的函数曲线，简称血液输入曲线CB(t)，并输入计算机；步骤(2)，向所述计算机输入目标组织的房室代谢动力学模型的冲激响应函数f(K，t)，K是房室模型的动力学参数向量，t是时间，该冲激响应函数的表达式为f(K,t)=k1α2-α1[(k3+k4-α1)eα1t+(α2-k3-k4)e-α2t],]]>其中，α1=(k2+k3+k4-(k2+k3+k4)2-4k2k4)/2,]]>α2=(k2+k3+k4+(k2+k3+k4)2-4k2k4)/2,]]>(k1～k4)为所要研究的人体内部组织，简称目标组织的房室代谢动力学模型的动力学参数；步骤(3)，所述计算机根据步骤(1)和步骤(2)得到的结果按下式计算目标组织中作为代谢用的目标物质分布密度随时间变化的函数曲线，...

【专利技术属性】
技术研发人员：白净，崔云峰，乔惠婷，张永红，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]