从PET-MRI中校准阿尔茨海默病tau蛋白传播的生物物理模型
摘要：Tau蛋白的不正常聚集在阿尔茨海默病（AD）的发展中具有重要作用，因为它们与细胞死亡和组织萎缩加速相关。纵向正电子发射断层扫描（PET）可以用来量化异常Tau传播的程度。这种基于PET的图像生物标记技术是AD诊断和预后的有希望的技术。本研究的目的是使用纵向PET扫描来校准一个器官尺度的生物物理数学模型，以提取Tau的特征生长模式和传播情况。该生物物理模型是一种具有两个标量未知参数的反应-平流-扩散偏微分方程（PDE），其中一个参数代表传播（PDE的扩散部分），另一个参数表示Tau的生长（PDE的反应部分）。平流项捕捉组织萎缩，并通过纵向磁共振成像（MRI）扫描的微分同胚配准获得。我们描述了方法，提出了一个用于校准生长和传播参数的数值方案，使用合成数据进行了敏感性研究，并对ADNI数据集中的临床扫描进行了初步评估。我们研究了是否可能进行这种模型校准，并调查了这种校准对连续扫描之间的时间间隔和萎缩存在的敏感性。我们的研究结果显示，尽管只使用了两个校准参数，该模型可以相当准确地重构临床扫描。我们发现，较小的扫描时间间隔和背景噪声的存在会带来困难。我们重建的模型与数据非常吻合，但对临床数据的研究也揭示了简化模型的不足之处。有趣的是，参数在患者间显示出显著的变异性，这表明这些参数可能是有用的生物标记。
作者：Klaudius Scheufele, Shashank Subramanian, George Biros
论文ID：2007.01236
分类：Quantitative Methods
分类简称：q-bio.QM
提交时间：2020-12-08