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电视直播西班牙人vs维戈塞尔塔: 基于X射線數字影像的骨骼病變評估方法和裝置.pdf

摘要
申請專利號:

维戈塞尔塔vs皇家社会 www.vmyqew.com.cn CN201510172628.4

申請日:

20150413

公開號:

CN104873213A

公開日:

20150902

當前法律狀態:

有效性:

有效

法律詳情:
IPC分類號: A61B6/00 主分類號: A61B6/00
申請人: 浙江康源醫療器械有限公司
發明人: 陳建鋒
地址: 310051 浙江省杭州市濱江區聚工路23號3號樓1-3層
優先權: CN201510172628A
專利代理機構: 杭州華鼎知識產權代理事務所(普通合伙) 代理人: 秦曉剛
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510172628.4

授權公告號:

法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

本發明公開了一種基于X-射線數字影像的骨骼病變評估方法和裝置,包括如下步驟:首先,X-射線源照射人體待診斷部位以及標準參考???,平板探測器在接收到透過人體待診斷部位以及標準參考??櫚納湎吆?,將射線信號轉化成電信號,電信號經過進一步放大和校正后,生成數字圖像信號;然后,對數字圖像信號進行處理,計算出被測人體待診斷部位的面骨密度;最后,根據人體待診斷部位與標準參考??櫓淶牟牧系燃酃叵?,計算出人體待診斷部位的骨質密度。本發明將計算機成像技術與RA相結合,無需添加新的硬件設備和場地,成本更低,而且測量精度更高,測量誤差小,具有良好的推廣應用價值。

權利要求書

1.基于X-射線數字影像的骨骼病變評估方法,其特征在于包括如下步驟:首先,X-射線源照射人體待診斷部位以及標準參考???,平板探測器在接收到透過人體待診斷部位以及標準參考??櫚納湎吆?,將射線信號轉化成電信號,電信號經過進一步放大和校正后,生成數字圖像信號;然后,對數字圖像信號進行處理,計算出被測人體待診斷部位的面骨密度;其中,對外圍手腳骨骼部位進行診斷時,由于軟組織對X-射線的衰減相對很小,因此只需進行一次單能量照射;而對于內部軟組織和骨骼是混合在一起人體待診斷部位,X-射線源分別采用高能量、低能量X-射線對人體待診斷部位和標準參考??榻辛醬握丈?;在數字圖像信號處理過程中,對于內部軟組織和骨骼是混合在一起人體待診斷部位,將下述非線性計算應用到人體待診斷部位和標準參考??櫚耐枷裰校憾雜諭馕紙毆趨啦課?,公式【1】簡化成:m(x,y)=ln[I(x,y)/I(x,y)]-m????【3】;這里I(x,y)是X-射線探測器在沒有經過任何物體衰減所接受到的原始圖像信號強度,I(x,y)是透過人體的探測器接受到的圖像信號,公式【3】中的m是在計算骨密度函數m(x,y)時,骨骼周圍的軟組織射線衰減影響的一個修正值,α,α和β,β是去軟組織或去骨骼的加權系數,HE代表是高能量信號,?LE代表是低能量信號;最后,根據人體待診斷部位與標準參考??櫓淶牟牧系燃酃叵?,計算出人體待診斷部位的骨質密度。2.根據權利要求1所述的基于X-射線數字影像的骨骼病變評估方法,其特征在于:公式【3】中m的具體值通過在骨骼邊緣軟組織區域的衰減求得:m=<ln[I(x,y)/I(x,y)]>,這里<…>表示對骨骼邊緣軟組織區域的修正值的平均。3.根據權利要求1所述的基于X-射線數字影像的骨骼病變評估方法,其特征在于:對于內部軟組織和骨骼是混合在一起人體待診斷部位,所述標準參考??椴捎貌煌穸鵲拇柯斂牧蝦途垡蟻┳楹?,對于外圍骨骼部位,所述標準參考??椴捎寐斂牧?。4.根據權利要求3所述的基于X-射線數字影像的骨骼病變評估方法,其特征在于:厚度為1mm的鋁等效于面密度為130mg/cm的骨礦物質,因此得出人體被測部位的骨密度:m(x,y)=[(130mg/cm)/1mm]t???【4】。5.根據權利要求1至4任意一項所述的基于X-射線數字影像的骨骼病變評估方法,其特征在于:骨密度函數在骨骼內部的分布結果以等密度線、或灰度或彩色的方式顯示,這樣就可以診斷出局部區域的骨質病變,使得骨質疏松更容易被診斷。6.根據權利要求1至4任意一項所述的基于X-射線數字影像的骨骼病變評估方法,其特征在于:將定期檢查的相同部位的骨密度圖像做相減處理再進行顯示,這樣能容易地診斷骨骼病變隨時間的變化。7.根據權利要求1至4任意一項所述的基于X-射線數字影像的骨骼病變評估方法,其特征在于:骨密度函數采用統計的方法,提取有效診斷參數,具體步驟如下:對于所獲取的骨密度分布圖,依據自動算法,自動找出骨骼的邊緣,從而限定定量測量的范圍,然后再對測定的范圍內的骨面密度函數求平均,得到一個對于該骨骼的一個骨面密度的平均值,最后,將該骨骼的骨密度平均值與根據不同人群統計得出特定的骨密度值的變化范圍進行比較得出診斷結果。8.一種基于X-射線數字影像的骨骼病變評估裝置,其特征在于:包括X-射線照射源,平板探測器,圖像信號放大、校正裝置,以及數字圖像信號處理單元,所述X-射線源照射人體待診斷部位以及特定的標準參考???,所述平板探測器接收透過人體待診斷部位以及標準參考??櫚納湎吆蠼湎咝藕拋傻縲藕?,所述圖像信號放大、校正裝置將電信號經過進一步放大和校正后,生成數字圖像信號,所述數字圖像信號處理單元對數字圖像信號進行處理,計算出被測人體待診斷部位的面骨密度。

說明書

技術領域

本發明涉及X-射線成像技術。

背景技術

臨床上骨密度(bone?mineral?density,BMD)測量可用于診斷骨骼病變,特別是骨質疏松癥,因此測量骨密度具有重要的臨床意義。目前國內外主要有以下幾種骨密度測量的方法:放射吸收法(radiographic?absorptiometry,RA),雙能量X-射線吸收法(dual?energy?X-ray?absorptiometry,DEXA),定量CT測量法(quantitative?computed?tomography,QCT),單光子吸收測量法(single?X-ray?absorptiometry,SXA),定量超聲測量法(quantitative?ultrasound,QUS),其他還有中性活化分析、磁共振成像、PET/CT掃描等。在這些骨密度測量方法中,目前應用比較成熟的方法有雙能量X-射線吸收法DEXA和定量超聲QUS的測量方法,其中DEXA是世界衛生組織(WHO)承認的用于診斷骨質疏松的金標準,但其存在著設備昂貴,需要經過專門培訓的專業人士操作的弱點。而定量測量超聲骨密度的方法測量精度相對較差。在這種情況下,測量技術的發展使得其他的檢測方法也開始被更多的人所接受。RA正是其中最有應用前景的技術之一。

RA法于上世紀六十年代起逐漸被人們重視并有更多的人開始研究RA技術,但是由于早期原始的RA法人為測量方法的誤差較大,測量精度不夠理想,操作繁瑣,洗膠片要求嚴格,RA法一直沒有成為主流的檢測方法。近十多年來,隨著計算機技術的迅速發展和X-射線成像技術的不斷成熟,以及數字X-射線影像拍片機(Digital?radiographic,DR)的被廣泛采用。人們將計算機成像技術與RA?相結合,并應用于臨床有了廣泛的基礎。RA技術是在數字X-射線拍片機基礎上進行,無需添加新的硬件設備和場地,因此,RA技術能更加容易被推廣。

發明內容

本發明所要解決的技術問題就是提供了一種基于X-射線數字影像的骨骼病變評估方法和裝置,提高了測量精度,減小了測量誤差。

為解決上述技術問題,本發明采用如下技術方案:基于X-射線數字影像的骨骼病變評估方法,包括如下步驟:

首先,X-射線源照射人體待診斷部位以及標準參考???,平板探測器在接收到透過人體待診斷部位以及標準參考??櫚納湎吆?,將射線信號轉化成電信號,電信號經過進一步放大和校正后,生成數字圖像信號;

然后,對數字圖像信號進行處理,計算出被測人體待診斷部位的面骨密度;

最后,根據人體待診斷部位與標準參考??櫓淶牟牧系燃酃叵?,計算出人體待診斷部位的骨質密度。

其中,標準參考??椴捎么柯梁途垡蟻┳楹隙?,其中純鋁模擬骨骼、聚乙烯模擬軟組織。

對外圍手腿骨骼部位進行診斷時,只需進行一次單能量照射,對于內部軟組織和骨骼是混合在一起人體待診斷部位,需經過兩次不同能量(分別是高能量、低能量)對人體待診斷部位和標準參考??榻姓丈?;

在數字圖像信號處理過程中,對于內部軟組織和骨骼是混合在一起人體待診斷部位,將下述非線性計算應用到人體待診斷部位和標準參考??櫚耐枷裰校?/p>

m eff Bone ( x , y ) = α 1 ln [ I 0 HE ( x , y ) / I HE ( x , y ) ] + α 2 ln [ I 0 LE ( x , y ) / I LE ( x , y ) ] ]]>【1】;

m eff soft ( x , y ) = β 1 ln [ I 0 HE ( x , y ) / I HE ( x , y ) ] + β 2 ln [ I 0 LE ( x , y ) / I LE ( x , y ) ] ]]>【2】;

這里I0(x,y)是X-射線探測器在沒有經過任何物體衰減所接受到的原始圖像信號強度,I(x,y)是透過物體的探測器接受到的圖像信號;α1,α2和和β1,β2是去軟組織或去骨骼的加權系數,HE代表是高能量信號,LE代表是低能量信號;這些加權系數是經驗參數,具體數值的大小取決于具體所用射線能量以及人體具體部位,可通過一系列人體影像實驗來獲得,在選取這些經驗參數是基于以獲得最佳純骨骼以及純軟組織圖像為判斷標準。我們可采用全自動的圖像判別方法,其是采用骨骼區域與軟組織區域圖像信號的“對比分辨率”值作為定量判斷的標準,最佳骨骼圖像對應于最大的“對比分辨率”值,在實際應用中,我們可以不僅僅限制于這一個方法,其他定量的判斷方法也可以被采用,或通過觀察骨骼圖像,人工進行選擇最佳骨骼圖像的方法。然后采用公式【1】和【2】,我們就可以分別得到我們所關心的、只含有骨骼的圖像;最后利用這骨骼的像,進行骨密度計算。

對于外圍骨骼部位,軟組織衰減相對很小,這時我們就有以下近似公式成立:

meff?Bone(x,y)=ln[I0(x,y)/I(x,y)]-m0?????【3】;

公式【3】中的m0是在計算骨密度函數meff?Bone(x,y)?時,對骨骼周圍的軟組織影響的一個修正值。具體的值可以通過在骨骼邊緣(不包括骨骼)軟組織的衰減求得:m0=<ln[I0(x,y)/I(x,y)]>,這里<…>表示對骨骼邊緣軟組織區域的修正?值的平均,這里I0(x,y)是X-射線探測器在沒有經過任何物體衰減所接受到的原始圖像信號強度,I(x,y)是透過軟組織的探測器接受到的圖像信號。

優選的,對于內部軟組織和骨骼是混合在一起人體待診斷部位,所述標準參考??椴捎貌煌穸鵲拇柯斂牧蝦途垡蟻┳楹?,對于外圍骨骼部位,所述標準參考??櫓恍璨捎么柯斂牧?。

優選的,厚度為1mm的純鋁等效于面密度為130mg/cm2的骨礦物質,因此得出人體被測部位的骨密度:m(x,y)=[(130mg/cm2)/1mm]tAl。

優選的,骨密度函數在骨骼內部的分布結果以等密度線、灰度或彩色的方式顯示,這樣就可以診斷出局部骨骼的病變。

優選的,將定期檢查的相同部位的骨密度圖像做相減處理再進行顯示,這樣可以診斷出局部骨密度值隨時間的變化。

優選的,骨密度函數采用統計的方法,提取有效診斷參數,具體步驟如下:對于所獲取的骨密度分布圖,依據自動算法(例如,一種方法是基于圖像信號梯度差值進行分割的算法),計算機自動找出骨骼邊緣,限定定量測量的骨骼區域,然后再對測定的范圍內的骨密度函數求平均,得到一個對于該骨骼的一個骨密度平均值,最后,將該骨骼的骨密度平均值與根據統計得出特定的骨密度值的變化范圍進行比較得出診斷結果。

一種基于X-射線數字影像的骨骼病變評估裝置,包括X-射線照射源,平板探測器,圖像信號放大、校正裝置,以及數字圖像信號處理單元,所述X-射線源照射人體待診斷部位以及標準參考???,所述平板探測器接收透過人體待診斷部位以及標準參考??櫚納湎吆蠼湎咝藕拋傻縲藕?,所述圖像信號放大、?校正裝置將電信號經過進一步放大和校正后,生成數字圖像信號,所述數字圖像信號處理單元對數字圖像信號進行處理,計算出被測人體待診斷部位的面骨密度。

本發明將計算機成像技術與RA相結合,無需添加新的硬件設備和場地,成本更低,而且測量精度更高,測量誤差小,具有良好的推廣應用價值。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步描述:

圖1為本發明變評估方法的過程原理圖;

圖2為對數字圖像信號進行處理的過程原理圖;

圖3為骨密度函數在骨骼內部的分布結果顯示圖;

圖4為將定期檢查的相同部位的骨密度圖像做相減處理的示意圖;

圖5為不同年齡段、不同性別的骨密度值的變化范圍統計分析圖。

具體實施方式

如圖1所示,平板探測器在接收到透過人體組織器官(比如骨骼)以及標準??櫚納湎吆?,將射線信號轉化成電信號,電信號經過放大器的放大以及靈敏度校正后,生成數字圖像信號。然后該數字圖像信號被輸入到“計算、提取定量圖像信息單元”(如圖2所示),經過該單元的計算處理,輸出僅與骨骼特性有關的骨參數圖,以及通過統計對比計算,得出統計參數,用于同類人群的統計比較,對骨骼疏松的診斷、骨折分析的評估。

“圖2”給出了“計算、提取骨骼內骨參數的處理”的具體方法是:首先對人體、??樗傻耐枷窠鋅占浼負嗡醴判拚?。依據X-射線的吸收衰減特性,透過被測物體(人體和標準???的探測器接受到的圖像信號I(x,y)有以下關系:

I(x,y)=I0(x,y)e-m(x,y)????【4】

其中I0(x,y)是X-射線探測器在沒有經過任何物體衰減所接受到的圖像信號強度,m(x,y)是被照物體的面密度函數。

在成像過程中,除一些外圍骨骼部位,如手指骨,腳趾骨等部位(這些部位射線衰減基本上由骨骼本身造成),人體被照射部位內部軟組織和骨骼是混合在一起,當射線透過人體時,軟組織(皮膚,脂肪、肌肉)和骨骼都會對入射射線都會產生衰減。在分別診斷骨骼或軟組織特性時,就需要把這兩種不同成份分離開來。一種有效的方法就是利用雙能量圖像信號的非線性組合,即分別采用高能量、低能量X-射線對人體待診斷部位和參考??榻辛醬握丈洹?】。然后將下述非線性計算應用到人體和??橥枷裰校?/p>

m eff Bone ( x , y ) = α 1 ln [ I 0 HE ( x , y ) / I HE ( x , y ) ] + α 2 ln [ I 0 LE ( x , y ) / I LE ( x , y ) ] ]]>【2】

m eff soft ( x , y ) = β 1 ln [ I 0 HE ( x , y ) / I HE ( x , y ) ] + β 2 ln [ I 0 LE ( x , y ) / I LE ( x , y ) ] ]]>【3】

這里α1,α2和β1,β2是去軟組織、或去骨骼的加權系數,HE代表是高能量信號,LE代表是低能量信號。我們采用公式【2】和【3】,就可以分別得到只含有骨骼和軟組織信息的圖像。

如果只是外圍骨骼部位,如手指骨,腳趾骨等部位,軟組織的衰減可以忽略不計,這時我們就只需要簡化成一次單能量照射,公式【2】可以簡化為:

meff?Bone(x,y)=ln[I0(x,y)/I(x,y)]-m0?????【4】

這里m0是在計算骨密度函數meff?Bone(x,y)時,對軟組織影響的一個修正值。具體的值可以通過在骨骼邊緣區域(不包括骨骼)軟組織的衰減求的:m0=<ln[I0(x,y)/I(x,y)]>,這里<…>表示對骨骼邊緣,軟組織區域的修正值的平均。

如果人體部位和參考??槎際竊諳嗤吶納閭跫?,輸出圖像信號I(x,y)相同就意味著他們有相同的面密度值。待測骨密度

m(x,y)bone=m(x,y)參考???/p>

由于純鋁與人體骨骼、聚乙烯與人體軟組織的X-射線衰減特性類似,因此我們可以用鋁塊加聚乙烯來作為參考??櫚牟牧?。對于外圍骨骼部位,如手指骨,腳趾骨等,軟組織的衰減很小。這時可以簡單地只用純鋁材料來做參考???。Keane已證明:厚度為1mm的鋁等效于面密度為130mg/cm2的骨礦物質。這樣就可以得出人體被測部位的骨密度:

m(x,y)=[(130mg/cm2)/1mm]tAl???【5】

利用公式【5】,就可由與人體待測處相同輸出圖像信號的參考??櫚暮穸萾Al,從而計算出被測骨的面骨密度。

為了盡量減小人為引起的測量誤差,在拍片時,體位要求可重復性,一種方法是設計一系列體位的標準擺位,臨床測量時嚴格按照標準體位進行操作。另一種方法是設計一些可以用來固定具體體位的簡單裝置,用以固定具體的體位。

骨密度函數在骨骼內部的分布可以以等密度線、或灰度或彩色的方式顯示。如圖3所示,等密度線可以用來定量描述骨骼內的局部病變,及骨密度值隨時間?的細微變化。也可以將定期檢查的相同部位的骨密度圖像做相減處理(如圖4),這樣就更容易看到在骨骼內部的骨密度函數隨時間的細微變化。醫生可以很容易地發現病變比較快的區域/部位,針對病變的發展程度,醫生可以采用有針對性的治療方案,防止骨折發生的預備方案。

同時,骨密度的輸出函數也可以采用統計的方法,提取有效診斷參數。具體步驟如下:對于所獲取的骨密度分布圖,依據自動算法程序(一種方法是基于圖像信號梯度差值進行分割的算法),計算機自動找出骨骼的邊緣,從而可以限定定量測量的范圍,然后再對測定的范圍內的骨面密度函數求平均,得到一個對于該骨骼的一個骨面密度的平均值,由于不同的年齡、不同的性別,正常的骨密度平均值不盡相同,因此簡單地從個體上給出骨密度值意義不大。這時,我們需要對不同的年齡段、不同的性別,需要做出統計分析。如圖5所示,給出有統計意義的骨密度值的變化范圍,比如在特定人群中(特定的年齡段、特定的性別)正常、骨質疏松、嚴重骨質疏松的骨密度值變化的范圍。建立并輸出標準的臨床診斷報告。這里我們采用通常使用的T-值。當T-值大于或等于-1.0時,我們就認為是正常狀態。當T-值介于-2.5和-1.0之間,認為是輕度骨質疏松,當T-值小于-2.5時,我們就認為是嚴重的骨質疏松。這樣的臨床診斷報告就可以與其他骨密度檢測結果,如專門X-射線的雙能骨密度儀或超聲骨密度儀的檢測結果,進行比較,來進一步優化診斷結果。

關 鍵 詞:
基于 射線 數字影像 骨骼 病變 評估 方法 裝置
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