CN101384218A - 用于骨矿物密度评估的x射线校准 - Google Patents
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Abstract
一种校准装置和方法，特别用于确定x射线产生技术，从而为基于BMD(骨矿物密度)评估x射线吸收测定(RA)而使用乳房造影系统采集手的x射线图像。
Description
技术领域
本发明通常涉及乳房造影(mammography)成像领域.更具体的，本发明涉及当使用乳房造影成像系统基于BMD(骨矿物密度)评估x射线吸收测定(RA)时的x射线束校准.
背景技术
骨质疏松症是以降低骨强度为特征的骨骼病变。它可导致增加骨折、身高度损失、驼背和疼痛的风险.骨强度是骨矿物密度(BMD)和骨品质的函数.据说男人和女人的骨矿物密度在大约30岁时达到顶峰，然后逐渐下降.一些统计表明骨质疏松症影响近2千万人并在美国每年造成大约130万的骨折事件。因此，筛查骨矿物密度通常是所需的.
一些常规技术已经用于测量骨矿物密度，包括但不限于骨穿刺、单能量x射线系统的放射吸收测定法、DEXA(双能量x射线吸收测量法)和超声波检查术。
骨穿刺是一种精确但有侵入性的处理，其涉及从脊柱区域中提取一定量的骨.这种处理带有风险.
关于单能量x射线系统，人骨中的矿物损失可从身体部分的单能量x射线图像中进行估计.在诊断和治疗骨疾病中，通常拍摄患者的x射线图像(例如患者的骨骼特征)，然后直接读取所述图像或者在所述图像上执行软件分析以提取感兴趣的信息.例如，在诊断或监测骨质疏松症的治疗中，人们可拍摄所选骨骼骨的x射线图像，然后执行有关某些图像特征的计算机分析以确定骨体积、骨长度、骨几何改变、骨强度状况、骨龄、骨密质厚度和骨矿物量.
典型地，当直接读取和诠释x射线图像时，治疗医生会让患者找放射科大夫，他能指导拍摄x射线图像并诠释该图像以提取所需的骨信息，诸如骨量和骨轮廓不规则。可选的，如果由计算机分析系统至少部分完成所述骨分析，则可将由放射科大夫准备的x射线图像发回给治疗医生的计算机站点或用于计算机分析的另一计算机站点。
DEXA是医院使用的测量骨矿物密度(BMD)的装置.在DEXA中，使用常规x射线机器将两个具有不同能量水平的低剂量x射线束指向患者脊柱、髋部或整个身体。计算机根据不同骨吸收不同能量水平的关系来计算骨矿物密度的含量。虽然一些人认为DEXA很精确，但是该装置笨重且昂贵.美国专利No.6,816,564(Charles，Jr.)关注于用于从多投影双能量x射线吸收测定法中推导组织结构的技术.
超声波检查设备测量外缘骨，诸如跟骨、胫骨或膝盖骨的骨矿物密度。已经认识到脊柱或髋部中骨矿物密度的改变比跟骨、胫骨或膝盖骨的要快.这样，超声波检查被一些人认为在骨矿物密度的确定中不如DEXA精确或灵敏.DEXA能够较早地探测到其目标脊柱、髋部或整个身体骨量中的异常改变。然而，超声波检查提供了更低费用和没有放射的优势.
美国专利No.6,246,745(Bi)公开了从常规x射线成像系统获得的患者手部x射线图像中确定骨矿物密度的软件系统。
美国专利申请No.2005/0059875(Chung)公开了一种生物传感器和骨矿物密度测量的方法.
美国专利申请No.2005/0031181(Bi)关注于使用符合DICOM格式的骨x射线图像来分析骨状况的系统和方法。
美国专利No.5,712,892(Weil)(共同转让的)关注于一种用于测量肢体骨矿物含量的装置.
虽然这些系统在它们的特定应用中已经获得了一定程度的成功，但是仍需要骨矿物密度筛查的系统和方法，特别是其中医护人员能够轻松且在本地(例如在办公室位置)生成骨矿物密度报告。一种合适的系统将易于使用、降低费用、还能提供足够的精度.优选的将是能被医生、放射科大夫或其他医护人员利用的现场筛查。
美国临时专利申请No.60/755,233(Huo)(题目为BONEMI NERALDENSITY ASSESSMENT USING MAMMOGRAPHY SYSTEM，2005年12月30日提交，共同转让的，且结合于此作为参考)公开了一种使用乳房造影x射线成像系统来采集适于骨矿物密度(BMD)筛查和分析的手部x射线图像的系统和方法。
由于用乳房造影系统采集具有恰当品质的手部图像很困难，因此需要建立校准处理以便在采集患者图像之前履行x射线系统的品质保证.
发明内容
本发明提供了一种x射线束校准装置和一种在使用乳房造影成像系统以采集诸如手的肢体x射线图像时进行BMD筛查和分析的方法。在乳房造影成像系统上进行任何患者图像的采集之前可应用所公开的装置和方法从而为普通患者确定合适的x射线技术.合适的x射线技术的选择提升了适于后继图像分析的充分的图像捕获质量.
所给出的任何目的仅做为示范性实例给出，并且这些目的可是本发明一个或多个实施例的示例.本公开发明本质上实现的其他所需目的和优势对于本领域的技术人员来说是容易想到或很显然的。本发明由所附权利要求进行限定。
根据本发明的一个方面，提供了一种在几个步骤中包含不同厚度的x射线衰减物质的装置/对象/部件.每一步骤的给定厚度提供了足够均匀的相等厚度区域以允许精确测量x射线胶片中的光密度(OD)或精确测定所述对象中该步骤的数字x射线图像的像素值.
根据本发明的一个方面，建立/使用一组有关x射线胶片中的OD值或对应各步骤不同厚度x射线衰减物质的校准部件的数字图像中像素值的法则/程序来用于拒绝或接收所述图像质量.
根据本发明的另一方面，提供了一种具有多个步骤的x射线束校准方法，以便使用所述校准部件的x射线图像来为采集普通患者的图像而确定恰当的x射线技术，从而获得用于BMD评估的足够图像质量.
附图说明
本发明的前述和其他目的、特征和优势将从下面如伴随性附图中所阐述的本发明各实施例的更具体描述中变得明显。附图中各元件相对于彼此未必成比例。
图1显示了根据本发明的校准部件的图示；
图2显示了图1的校准部件的另一图示；
图3显示了图1和2的校准部件的又一图示；
图4是根据本发明的方法的简图；
图5显示了根据本发明的方法的流程图.
具体实施方式
下面是参考附图对本发明各优选实施例进行的详细描述，其中在几个附图的每一幅中相同的参考数字标识相同的结构元件.
值得注意的是美国癌症协会建议超过40岁的妇女应该得到一年一度的乳房造影成像.数百万妇女每年在各医院或各乳房成像中心进行她们一年一度的筛查乳房造影成像.因此，申请人已经注意到对于妇女而言能够在一次拜访中、在一个地方和使用一种成像系统进行她们一年一度的乳房造影筛查和骨矿物密度筛查是可取的.
常规地，使用常规x射线系统对肢体(例如手和脚)进行成像.其在设计成具有宽动态范围的探测器上(胶片或数字化)产生适于捕获低和高密度对象(即，骨和软组织)的x射线束。相反，为了探测和诊断乳腺癌的目的，将乳房造影成像系统构造成高对比度(即，窄的动态范围)以对乳房中的软组织进行成像.
美国临时专利申请No.60/755,233(Huo)(题目为BONE MINERALDENSITY ASSESSMENT USING MAMMOGRAPHY SYSTEM，2005年12月30日提交，共同转让的，并结合于此作为参考)公开了一种成像系统和方法，以便使用乳房造影x射线成像系统来采集适于进行骨矿物密度(BMD)筛查和分析的手部x射线图像.然后治疗医生或计算机辅助系统或计算机辅助诊断(CAD)系统可分析所采集的图像用于骨矿物密度(BMD)损失的评估.其意图是使用乳房造影成像系统为评估BMD而采集诸如手的肢体图像，可改进工作流程并使妇女能够进行BMD检查，从而降低费用并提高筛查效率.
一种在患者图像上执行BMD分析的方法可由在计算机系统上运行的计算机辅助诊断(CAD)软件来完成.然而，为了具有由CAD软件进行的精确和可靠的BMD分析评估，为所述分析而提供的患者图像必须具有有关评估能利用的图像信息的适当/充分的品质。在为CADBMD分析而对手部进行成像的实例中，软组织和指骨或掌骨的细节需要正确地呈现在所述图像中。对于在乳房造影成像系统上所采集的患者图像来说并不总是这样的.
对于使用常规类似屏幕/胶片系统以捕获患者图像的乳房造影成像系统而言，在x射线曝光后首先需要对胶片进行处理.如果需要由计算机CAD软件进行分析，则处理后的胶片接着由胶片数字转换器进行数字化。在这一处理中，所述屏幕/胶片系统的类型、为曝光所选的x射线技术、胶片处理器和胶片数字转换器的类型和状况都会影响呈现给计算机CAD软件的最终数字化的图像质量。
在很多情形下，为了实现对乳房组织(例如大部分是软组织)进行成像而非对手部进行成像的目的，对所述屏幕/胶片系统和胶片处理器的类型进行选择或优化.处理器内化学物质状态的改变能显著地影响图像质量.因此维持大多数场合下的恒定处理器条件不是经济可行的。另外，如果选择不当，胶片数字转换器也可对图像质量加以限制.当采集图像以确保用于RA BMD评估的数字化的患者图像的质量时，对于技术人员而言仍要进行控制的就是x射线技术的选择.
类似的状况也存在于使用数字化x射线探测器进行乳房造影成像系统中，即使在成像环节中涉及更少的部件.为了对乳房组织进行成像而对这些数字探测器进行优化，并且在没有饱和的情况下该探测器能够探测的最大量x射线放射常常是有限的.探测器的处于低信号水平的噪声性能也可潜在地限制对指骨或掌骨细节的探测.再有，所述技术人员在采集患者图像时需要仔细地选择所述x射线技术以确保适于计算机软件BMD评估的品质。
当采集图像时由技术专家选择的x射线技术/参数包括kVp或管电压(其控制x射线的最大能量)和mAs或毫安-秒(其控制x射线的强度)。在一些乳房造影x射线机器中，用于x射线产生和滤波的靶选择也是可利用的。
由于机器老化的差异、源自不同制造的不同设计等等，用x射线技术完全一样的值从不同的乳房造影x射线机器中产生的x射线谱通常是不同的.技术专家必须配置所述机器以找到打算用于RABMD评估的特定乳房造影成像系统中适于普通大小患者的合适x射线技术。基于适用于普通大小患者的x射线技术，技术专家需要在考虑每个个体患者的实际手部大小的基础上对x射线技术的选择进行进一步仔细地调整。
本发明描述了一种在进行任何患者图像的采集之前，确定在特定乳房造影成像系统上适用于普通患者的合适x射线技术.
本发明描述了在作为实例的乳房造影成像系统上用于RA BMD分析的手部成像.值得注意的是也能对其他肢体进行成像.即，可以预期能在乳房造影成像系统上为RA BMD分析而对其他肢体(例如，肘)进行成像的校准部件的设计之上用合适的修改来扩展本发明的方法。
图1和2显示了根据本发明的示范性校准部件10.校准部件10包括至少两部分：第一部分12和第二部分14。第一部分12包含模拟肢体软组织厚度的x射线衰减物质.第二部分14包含模拟肢体骨厚度的x射线衰减物质.
如图2最佳所示，第一部分12包含模拟至少一种肢体软组织厚度的x射线衰减物质，而第二部分14包含模拟至少两种不同肢体骨厚度的x射线衰减物质。对象/模型(phantom)22(布置在第一部分12中)包含模拟至少一种肢体软组织厚度的衰减物质。至少两个对象/模型24A、24B(布置在第二部分14中)包含每个均模拟不同肢体骨厚度的x射线衰减物质.
值得注意的是也可使用其他数量的模型.例如，图3显示了具有三个模型22布置在第一部分12中和三个模型布置在第二部分14中的校准部件20的另一构造.
此外，虽然各图示将所述模型显示为具有矩形形状，但是这种显示仅为示范性目的，并且可使用其他的形状.
每个模型由明显不同厚度的相同或不同x射线衰减物质构成.对于每个独特的厚度，所述模型包括由相同x射线衰减物质制成的均匀厚度区域.模型中每个独特厚度的均匀厚度区域的大小足够大，以便提供x射线胶片中可靠的OD(光密度)测量或者该模型中均匀厚度区域的数字图像中像素值的测量.
x射线胶片中所测的OD或校准部件的数字化x射线图像中像素的测量也被称为校准测量。
关于第一部分12，x射线衰减物质的独特厚度的至少一个(但不限于一个)校准模型在典型的乳房造影x射线谱下，模拟平均尺寸的手的软组织的x射线衰减特性.能应用的物质实例是厚度范围从大约0.5到大约1mm的铝。能应用的所述物质的另一例子是厚度范围从大约5到大约15mm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA或丙烯酸).也可使用其他软组织等价物质，诸如厚度范围从5到15mm的环氧树脂。
关于第二部分14，x射线衰减物质的不同厚度的至少两个(但不限于两个)校准模型在典型乳房造影x射线谱下，应该模拟平均尺寸的手的骨x射线衰减特性.能应用的物质实例是厚度范围从大约1到大约10mm的铝，且任意两个相邻模型之间的厚度差异从大约0.1变化到大约1mm.骨等价物质厚度范围为从大约2到大约15mm，且在校准部件10中任意两个相邻模型之间的厚度差异从大约0.1变化到大约1mm.
采用阈值.更具体的，在本发明中，确定x射线胶片中所测OD或校准部件的数字化x射线图像中各像素值的阈值.应用这组阈值来确定用于产生x射线胶片或数字图像的x射线技术是否是充分/合适的.如果x射线胶片或数字图像不能满足任何一种要求(如将在下面描述的)，则用于采集肢体图像的x射线技术被认为是不充分的.
更具体的，使用由技师安排的特定x射线技术装备对校准部件10进行成像.如果使用所述特定装备捕获的x射线胶片或数字图像不能满足任何一种要求(如将在下面描述的)，则用于采集所述图像的特定x射线技术被认为是不足以捕获软组织和骨组织.
对于模拟平均尺寸的手的软组织的x射线衰减物质(模型22)而言(一种或一种以上的模型)，模型区域的x射线胶片中所测OD不应该大于阈值：ODs.将ODs的值选为在成像链(imaging chain)最大OD之下的等于某一/预定值(例如，0.2)。在应用胶片数字转换器来数字化用于CAD BMD评估的x射线胶片的情形下，成像链的最大OD是两个可能候选项的较低值。第一候选项是由于所用屏幕/胶片系统和胶片处理器的结合而形成所述胶片上的最大可获得的OD.第二候选项是胶片数字转换器能够如实地进行数字化的最大OD，而不会由信号噪声或诸如数字转换器的信号饱和的其他极限使得平均数字化值偏离。成像链的最大OD是两个候选项的较低值.
当已经使用数字化探测器来采集校准部件10的数字图像时(并且因此，对模拟平均尺寸的手的软组织的模型进行成像)，所述模型区域的所测平均像素值不应大于阈值：PVs.PVs的值由所用数字化探测器来确定，其应该对应最大探测器信号水平的某一/预定百分比水平诸如85％到90％的信号，并且数字图像中的平均像素值不会由信号饱和或该探测器的其他极限导致偏离.
关于模拟平均大小手中的骨的模型(不论对象中是存在两种还是两种以上的独特物质厚度)，任意两种相邻独特厚度之间的模型区域的x射线胶片中所测OD的差异应该大于阈值：ΔODB，其至少应该是用于测量OD的设备精度，诸如一般用于乳房造影成像工具的典型比重计上的0.001。
当数字化探测器已经用于捕获模拟平均尺寸的手中的骨的校准部件10的模型24A、24B的数字图像时(不论对象中是存在两种还是两种以上的独特物质厚度)，任意两种相邻独特厚度之间模型部分的所测平均像素值差异应该大于阈值：ΔPVB，根据作为x射线放射量函数的像素值灵敏度，其应当是至少1个像素值。
因此，现在公开了一种应用校准部件10来确定特定x射线技术(其已经由技师安排)是否适于对肢体进行成像的方法，为了说明的目的所述肢体为手.
所述方法包括使用胶片或以数字格式来捕获所述肢体的x射线图像，确定阈值，以及测量所捕获图像的模型区域的OD以便操作者/技师寻找适于具有平均尺寸的手的患者的合适x射线技术.现在参考图4和5更具体地描述所述方法。
乳房造影系统30用于捕获校准部件10的图像。由于乳房造影系统应用不同的x射线靶/滤波器组合，技师要选择能被所用的特定乳房造影机器所利用的合适的x射线靶/滤波器组合。所述靶/滤波器组合优选以下列顺序构成：W/Rh，Rh/Rh，Mo/Rh，然后是Mo/Mo.(W指代钨，Rh指代铑(Rhomdim)，Mo指代钼)。该选择显示在图4的方框32处.
如方框34所示，技师选择初始的kVp和mAs值.如本领域技术人员已知的，这种选择取决于x射线靶/滤波器组合的选择.
利用乳房造影系统30接着对校准部件10进行曝光，并获得图像(方框36)。值得注意，如果使用常规胶片，则所述胶片需要进行处理.如果使用数字化探测器，则可存取数字图像。
然后检查所述校准部件10的图像.
更具体的，检查有关软组织的模型22(布置在第一部分12中)的图像。通过测量胶片的光密度(OD)或数字图像(模拟软组织)中的平均像素值来测量模型22的成像区域的光密度。指的是方框38.
然后将所测值与要求进行比较。对于软组织，所测值与预定值进行比较。对于胶片，如上所述，模型区域的x射线胶片中所测OD不应大于阈值：ODs。对于数字图像，如上所述，模型区域的所测平均像素值不应大于阈值：PVs.
检查关于骨的第二部分14的模型图像.即，检查模型24A、24B(布置在第二部分14中)的图像.测量任意两个相邻模型间的胶片中OD的差异或者数字图像的差异.指的是方框40。
然后所测差异与要求进行比较.对于骨，所测差异与预定值进行比较.对于胶片，如上所述，所测的任意两种相邻独特厚度间模型区域的x射线胶片中OD差异不应大于阈值：ΔODB。对于数字图像，如上所述，所测的任意两种相邻独特厚度间模型部分的平均像素值的差异不应大于阈值：ΔPVB.
然后检查所述要求以确定是否两项或一项已经满足(方框42)。
如果对于软组织和骨的两项要求都被满足，则选用对校准部件进行成像的x射线技术应当适于对具有平均尺寸的手的患者进行成像。
如果对于软组织和骨的两项要求都不被满足，则建议技师选择该乳房造影系统上的下一个可利用的优选x射线靶/滤波器组合(方框32)，选择新的kVp和mAs，并对所述校准部件重新进行成像.
如果不满足对软组织的要求而满足对骨的要求，则建议技师为新的x射线技术而在使用中降低当前的mAs值并对所述校准部件重新进行成像。如果当前使用的mAs值是该乳房造影系统上可利用的最低值，则为新的x射线技术而在使用中降低当前的kVp值并对所述校准部件重新进行成像.如果当前使用中mAs和kVp值两者都是可利用的最低值，则建议选择下一个优选的x射线靶/滤波器组合，选择新的kVp和mAs值，并对所述校准部件重新进行成像.
如果满足对软组织的要求而不满足对骨的要求，则建议为新的x射线技术而在使用中增加当前的kVp值并重新成像.如果当前使用的kVp值是所述乳房造影系统上可利用的最大值，则建议为新的x射线技术而在使用中增加当前的mAs值并成像。
计算机程序产品可包括一个或多个存储介质，例如，磁存储介质诸如磁盘(诸如软盘)或磁带；光存储介质诸如光盘、光带、或机器可读条形码；固态电子存储设备诸如随机存取存储器(RAM)或只读存储器(ROM)；或用于存储具有用于控制一个或多个计算机以实施根据本发明的方法的指令的计算机程序的任何其他物理设备或介质.
Claims (15)
1.一种校准方法，包含下述步骤:
提供一种校准部件，其具有由模拟软组织的x射线衰减特性的x射线衰减物质构成的第一部分和由模拟骨的x射线衰减特性的x射线衰减物质构成的第二部分；
对所述校准部件进行成像以产生校准图像，所述校准图像包括分别代表第一和第二部分的第一和第二成像部分；
确定第一成像部分的软校准测量；
确定第二成像部分的骨校准测量；
提供软组织校准阈值；
提供骨校准阈值；
将软组织校准阈值与软校准测量进行比较；和
将骨校准阈值与骨校准测量进行比较。
2.如权利要求1所述的方法，其中第一部分包括模拟软组织的x射线衰减特性的x射线衰减物质的独特厚度的至少一个校准模型，且第二部分包括模拟骨的x射线衰减特性的x射线衰减物质的不同厚度的至少两个校准模型.
3.如权利要求1所述的方法，其中通过确定软校准测量是否小于软组织校准阈值来完成将软组织校准阈值与软校准测量进行比较的步骤。
4.如权利要求1所述的方法，其中通过确定骨校准测量是否大于骨校准阈值来完成将骨校准阈值与骨校准测量进行比较的步骤.
5.如权利要求1所述的方法，其中第二部分包括模拟骨的x射线衰减特性的x射线衰减物质的不同厚度的至少两个校准模型，且通过下面的步骤来实现骨校准阈值与骨校准测量的比较步骤:
为两个校准模型的每一个确定骨校准测量；
确定两个校准测量间的差异；和
确定所述差异是否大于骨校准阈值。
6.如权利要求1所述的方法，其中如果产生的校准图像是x射线胶片图像则所述软校准测量是所测的光密度，或者如果产生的校准图像是数字x射线图像则所述软校准测量是像素值的测量.
7.如权利要求1所述的方法，其中如果下面的情况成立，则所述校准方法是可接受的:
软组织校准阈值大于软校准测量；和
骨校准测量大于骨校准阈值.
8.一种具有存储于其中的指令的计算机存储介质，所述指令用于使计算机执行权利要求1的方法。
9.一种用于评估骨密度的乳房造影x射线系统的校准方法，所述方法包含下述步骤:
提供具有第一和第二部分的校准部件，第一部分包括模拟软组织的x射线衰减特性的x射线衰减物质的独特厚度的至少一个软校准模型，第二部分包括模拟骨的x射线衰减特性的x射线衰减物质的不同厚度的至少两个骨校准模型；
对所述校准部件进行成像以产生校准图像，所述校准图像包括软校准模型和骨校准模型的成像部分；
提供软组织校准阈值；
确定软校准模型成像部分的软校准测量；
将软组织校准阈值与软校准测量进行比较；
提供骨校准阈值；
为每个骨校准模型成像部分确定骨校准测量；
确定两个骨校准测量间的差异；
确定所述差异是否大于骨校准阈值；和
将骨校准阈值与所述差异进行比较.
10.如权利要求9所述的方法，其中如果产生的校准图像是x射线胶片图像则所述软校准测量是所测的光密度，或者如果产生的校准图像是数字x射线图像则所述软校准测量是像素值的测量.
11.如权利要求10所述的方法，其中如果下面的情况成立，则所述校准方法是可接受的:
软组织校准阈值大于软校准测量；和
所述差异大于骨校准阈值.
12.一种校准装置，包括:
第一部分，其包括模拟软组织的x射线衰减特性的x射线衰减物质的独特厚度的至少一个校准模型；和
第二部分，其包括模拟骨的x射线衰减特性的x射线衰减物质的不同厚度的至少两个校准模型.
13.如权利要求12所述的装置，其中所述软组织校准模型由具有从大约0.5变化到大约1mm的厚度的铝构成.
14.如权利要求12所述的装置，其中所述软校准模型由具有从大约5变化到大约15mm的厚度的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA或丙烯酸)构成。
15.如权利要求12所述的装置，其中所述至少两个骨校准模型均由具有从大约1变化到大约10mm的厚度的铝构成，其中所述至少两个模型厚度间的差异从大约0.1变化到大约1mm.
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