CN103690187A

CN103690187A - 基于x射线测量口腔骨密度的设备及方法

Info

Publication number: CN103690187A
Application number: CN201310350863.7A
Authority: CN
Inventors: 李亮; 陈志强; 赵自然; 唐志宏; 张丽
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2013-08-13
Filing date: 2013-08-13
Publication date: 2014-04-02

Abstract

本发明提供一种X射线测量口腔骨密度的设备，包括：X射线源以产生两束能量不同的锥束X射线并透射待测口腔组织部位；X射线面阵探测器设置于口腔内部，用以接受透过口腔组织部位后的X射线，完成X光透射图像数据采集；数据采集控制模块与所述X射线面阵探测器通过信号连接，用以控制所述X射线源发出X射线并接收X光透射图像数据；卡具设置于口腔内部以固定所述X射线面阵探测器；以及数据处理系统与所述数据采集控制模块电连接，以采集X射线透视图像数据并显示探测到的X射线图像。本发明进一步提供一种测量口腔骨密度的方法。

Description

基于X射线测量口腔骨密度的设备及方法

技术领域

本发明属于辐射成像领域，尤其涉及一种基于X射线并用于测量口腔骨密度的设备及方法。

背景技术

随着生活水平的提高，人们开始注重自身健康，尤其是在口腔方面，越来越多的人开始关注牙齿等口腔内的组织的健康状况。

骨密度（BMD，Bone Mineral Density）作为骨组织健康状况的衡量标准之一，在临床医学中受到越来越多的关注。而在口腔方面，骨密度的测量对于牙科拔牙、补牙、种植、正畸、根管治疗等具有十分重要的参考价值。X射线在临床医学中有着广泛的应用：X射线透视成像、计算机断层成像（CT）、放射治疗、骨密度测量等，X射线技术已经成为现代医学不可或缺的手段。现有技术中提供一种扇束双能X射线吸收测量法，利用线阵列探测器和扇束扫描测量骨密度。

然而，所述骨密度测量装置及方法还主要集中于测量人体手臂、脚踝、髋关节、脊柱其它部位，由于在扫描过程中，需要移动X射线进行机械扫描，因此辐射剂量较大，操作繁琐，难以满足口腔骨密度测量的需要。现有的基于X射线的骨密度测量方法中还没有专门应用于口腔骨密度测量的测量装置和测量方法。

发明内容

综上所述，确有必要提供一种适用于测量口腔内骨密度的X射线测量骨密度的设备及方法。

一种X射线测量口腔骨密度的设备，包括：X射线源，所述X射线源用于产生两束能量不同的锥束X射线并透射待探测的口腔组织部位；X射线面阵探测器，所述X射线面阵探测器设置于口腔内部，用以接受透过口腔组织部位后的X射线，完成X光透射图像数据采集，所述X射线面阵探测器像素尺寸在15-30um之间；数据采集控制模块，所述数据采集控制模块与所述X射线面阵探测器通过信号连接，用以控制所述X射线源发出X射线并接收X光透射图像数据；卡具，所述卡具设置于口腔内部以固定所述X射线面阵探测器；以及数据处理系统，所述数据处理系统与所述数据采集控制模块电连接，以采集X射线透视图像数据并显示探测到的X射线图像。

一种应用如上所述的锥束双能X射线测量口腔密度的设备测量口腔骨密度的测量方法，包括以下步骤：将卡具设置于口腔内部；将X射线面阵探测器固定于所述卡具中；改变X射线源工作能量，分别获得两种高低不同能量的X射线照射曝光待测量部位；通过所述X射线面阵探测器探测两次不同能量X射线照射曝光待测量部位后的光强，获得两次X射线透射图像数据；以及数据处理系统的骨密度计算单元对获得的两次X射线透射图像数据进行分析计算，得到待测量部位的X射线透射图像，并通过图像显示单元显示。

相对于现有技术，本发明提供的口腔骨密度测量装置及测量方法通过采用锥束X射线及X射线面阵探测器，不需要机械装置移动X光源和探测器即可实现某一区域的骨密度测量，而且每个能量只需要曝光一次，锥束X射线和平板探测器的采用大大提高了X射线的利用率和测量速度，也降低了设备成本和X射线辐射剂量。

附图说明

图1为本发明提供的锥束双能X射线骨密度测量装置示意图。

图2为本发明提供的锥束双能X射线测量骨密度的方法中采用的标定用铝阶梯样图。

图3为本发明提供的锥束双能X射线测量骨密度的方法中数据采集的示意图。

主要元件符号说明

X射线源	1
		X射线面阵探测器	2
数据采集控制模块	3
		卡具	4
数据处理系统	5
		口腔	6
骨密度计算单元	501
		图像显示单元	502

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。为方便理解，说明书首先对所述锥束双能X射线骨密度测量装置进行描述。

请参阅图1，本发明实施例提供一种锥束双能X射线骨密度测量装置，主要包括X射线源1、X射线面阵探测器2、数据采集控制模块3、卡具4及数据处理系统5。X射线面阵探测器2通过所述卡具4固定于口腔内部，用于探测X射线源1产生的X光透视图像数据，所述数据采集控制模块3与所述X射线面阵探测器2通过信号连接用以采集所述X光透视图像数据，并将其传输给数据处理系统5。以下分别对各部件做具体描述。

1、 X射线源1

本实施例中，采用X光机作为所述骨密度测量装置的X射线源1。所述X光机可以根据事先设定的工作参数在外部触发信号的触发下，依次完成高低两个不同能量的X射线曝光，产生的X射线穿过待测量的组织部位入射到面阵探测器中被采集到，完成X光透视图像采集。所述X光机从功能上主要包括密封的X光机头和高压发生器两部分，这两部分可以是封装在一起作为X光源一体机，也可以是分开的，作为两个单独封装的器件。所述X光机头内包含一个X光球管，由于冷却的需要，一般球管需要严密地封装在装满冷却油的X光机头内。高压发生器为X光机头正常工作提供电源，负责将工作环境中的电压转换成X光机头工作需要的高压。X光机的工作参数，包括电压、电流、曝光时间等，可通过控制面板（图未示）设置完成。

所述X光机的能量选择在40kVp-70kVp之间。为了产生两组不同能量的X光，可以采用如下两种方式：1）改变X光机电压，从而改变X光机工作能量，例如45kVp、70kVp，分别来获得两种高低不同能量的X光束照射待测量部位。该方式产生的高低两种能量X光束，其能谱区分度好，有利于提高骨密度计算精度。2）固定X光机电压，通过增加过滤片（K边缘技术）改变X光束的能谱。在此方法中，需要增加一组滤波片和切换装置，实现两次曝光时的滤波片的切换。

需要说明的是，所述X光机产生两种不同能量X光束的技术不仅仅限于上述两种方式，也可能存在其他方式。并且，本发明的X射线源1并不仅限于传统的X光机，也可以是其他可以作为X射线源1的物质或装置，例如放射性同位素、同步辐射光源、新型碳纳米管X光机等，均可作为本发明的X射线源1。

2、X射线面阵探测器2

所述X射线面阵探测器2作为X射线探测单元，负责完成X射线的收集、转换和数字化。所述X射线面阵探测器2放置在口内，并通过卡具4固定，使得待测量部位在X射线源1和X射线面阵探测器2之间，并且X射线面阵探测器2贴附在待测量的组织部位。所述X射线面阵探测器2的最大尺寸（如直径、变成）要小于4cm，本实施例中所述X射线面阵探测器2的尺寸可为2.5cm*3.5cm左右。所述X射线面阵探测器2具有很高的空间分辨率，像素尺寸在15-30um之间，以便能够降低锥束X射线投影造成的几何失真，同时降低散射的影响，能够在测量精度上达到较高的水准。以几何失真为例，锥形X射线束作为一种发散的射束，X光源焦点到待测量部位的距离和该部位到探测器的距离直接决定了几何失真（主要是放大效应）的严重程度。本发明的口内骨密度测量几何放大比小于等于1.03；并且，几何放大比的减小也在很大程度上减少了探测器中散射光子的入射比例，口内骨密度测量中散射光子的影响减少了86%。所述X射线面阵探测器2包括闪烁晶体、隔离层、CCD或CMOS阵列、外壳封装、数据线等部分。

3、数据采集控制模块3

所述数据采集控制模块3与所述X射线面阵探测器2进行信息交互，用以传输X射线面阵探测器2探测的X射线透视图像数据，以及向所述X射线面阵探测器2发出控制信号。所述数据采集控制模块3可通过数据线与所述X射线面阵探测器2实现信号连接。可以理解，所述X射线面阵探测器2也可以通过无线如蓝牙、Wi-Fi等连接的方式，既通过无线完成数据传输和控制信号的交换。

在X射线源1产生的X射线曝光过程中，X射线面阵探测器2保持位置不动，由数据采集控制模块3发出图像采集信号，然后X射线面阵探测器2在数据采集控制模块3的控制下完成高低能两张X射线透视图像数据的采集。

所述数据采集控制模块3可设置于一外置数据采集控制盒中，由于X射线面阵探测器2放置在口内，受口腔空间限制，其数据的传输、放大、模拟/数字转换在外置数据采集盒中完成更加稳定。所述数据采集控制模块3需要与两个功能模块有信息交互：X射线面阵探测器2和数据处理系统5（一般由计算机完成）。数据采集控制模块3和X射线面阵探测器2之间传递的信息既包括控制信号，还包括采集的X射线透视图像数据；类似地，数据采集控制模块3和数据处理系统5也既需要传递控制信号（启动或关闭探测器），也需要传递X射线数字透视图像。所述数据采集控制模块3和数据处理系统5之间一般使用USB数据线连接。

可以理解，所述数据采集控制模块3也可能直接集成在X射线面阵探测器2远离X射线源1的一端，则无需外置数据采集控制盒。

4、卡具4

所述卡具4用于将X射线源1产生的X射线与所述X射线面阵探测器2实现准确定位，从而使X射线穿过待测部位后，能够准确的入射到所述X射线面阵探测器2。所述X射线源1的出束口与所述X射线面阵探测器2对准设置，从而保证在每次测量过程中，X射线源1的位置和X射线面阵探测器2的相对位置保持一致，需要通过卡具4来实现。由于本发明需要采集两种高低能量下的透视图像，因此，需要一定的采集时间（一般在2~10秒之间），为了避免该采集过程中病人移动导致两次采集图像的不匹配，需要增加卡具4的强度，使得其在使用过程中保证不发生较大形变。同时，所述卡具4卡口与X光机出束口之间紧密套装结合。为了实现紧密接触，所述卡具4卡口的直径与X光机出束口相匹配，以便能够将X光机出束口伸入到卡口中，同时又能够卡住。进一步，所述卡具4卡口内圈材料表面应具有一定摩擦系数，保证卡口与X光机出束口紧密卡住。另外，所述卡具4可保证X射线源1产生的焦点到口腔内X射线面阵探测器2的距离为20-30cm左右，以便获得足够的曝光量，同时减小几何放大比，较少几何失真和散射影响。因此，在X光机功率足够的情况下，一般选择30cm的距离为宜。

5、数据处理系统5

所述数据处理系统5包括一骨密度计算单元501以及一图像显示单元502，与所述数据采集控制模块3电连接，用以对X射线透射图像数据进行计算处理并显示图像。所述数据采集控制模块3将采集到的X射线透视图像传递给所述数据处理系统5。具体的，所述骨密度计算单元501对采集的不同能量的两张X射线透视图像进行计算处理，获得待探测组织位置处的骨密度的数值。所述图像显示单元502的作用是将高低两种能量的X射线透视图像，以及各个成像点出的骨密度值显示给用户，并提供其他的辅助功能，主要功能包括：病人信息管理、图像管理、图像处理、图像标注、生成诊断报告、选定区域平均骨密度值、测量区域的平均骨密度值等等。所述图像显示单元502能够同时提供高低两种能量下的X射线透视图像，并且将其对应的骨密度分布也可以通过二维图像的形式显示给用户。

具体的，所述骨密度计算单元501可通过以下方法计算得到骨密度数值。

所述X光机产生的双能X射线与待测组织（骨骼和软组织）主要发生光电效应和康普顿散射。在低能（40keV左右）时，主要为光电效应，在高能（70keV左右）时，主要为康普顿散射。

假设高能和低能的X射线均为理想单能射线，则其穿过组织之前的束强度I_OL和I_OH与穿过介质之后的束强度I_H和I_L满足线性衰减规律，则如单一能量的双能方程（1）所示：

Figure 2013103508637100002DEST_PATH_IMAGE001

(1)

其中，下标s和b分别表示软组织和骨骼对应物理量；下标l和h分别表示低能与高能对应的物理量；μ值表示质量衰减系数，即X射线穿过单位质量厚度的介质后衰减为原强度的1/e，其单位为cm²/g；M_s和M_b分别为软组织和骨组织的质量厚度（单位g/cm^-2），从定义上可以看出，M_b即为骨密度（BMD）的定义。

由方程组（1）可以解得：

(2)

其中，R值表示对于某一种介质的高低能量线性衰减系数之比

Figure 2013103508637100002DEST_PATH_IMAGE003

和

Figure 2013103508637100002DEST_PATH_IMAGE004

。

进一步，在处理实际数据时，由于存在多种因素的影响，通过对上式进行一系列修正可获得更为准确的测量结果。

对于本发明的锥束双能X射线骨密度测量方法而言，可进行的修正主要包括：硬化校正、锥束校正、散射校正和探测器校正。可以理解，上述修正均为可选步骤。

（1）、硬化校正

在实际临床应用中，由于采用的X光源并非都是单一能量的（同步辐射光源除外，这种光源可以近似为单一能量，但是一般很少应用于临床）。例如临床应用广泛的X光机，就是利用了高速电子打靶产生的X射线，这种X射线具有能量连续的能谱，并不是单一能量，而这种具有能谱分布的X光束在穿过物体时由于不同能量的X光其衰减不一样，因此其能谱会发生变化，低能X射线衰减更快，因此随着穿过物体厚度的增加，X射线束的平均能量增加了，这称为“硬化”，硬化现象会在很大程度上影响最终的骨密度计算精度，必须进行校正。

在穿过探测待测部位的过程中存在能谱硬化问题，使得实际输出信号对数值

Figure 2013103508637100002DEST_PATH_IMAGE005

与质量厚度M_s、M_b之间不满足严格的线性衰减公式：

Figure 2013103508637100002DEST_PATH_IMAGE006

（3）

其中，I₀和I分别为穿过物体前、后的X射线强度，正比于探测器测量到的单位时间内入射灵敏体积内X光子的数目（即计数率）。重新定义符号：软组织M_s和骨组织质量厚度M_b分别为x和y（单位cm），记、

Figure 2013103508637100002DEST_PATH_IMAGE008

分别表示高、低能量X射线穿过介质前后输出信号比值的对数值（对数透射函数），则在非单能X射线照射下，f(x,y)和g(x,y)与x、y之间不满足线性关系，而是一定能量区间上的积分值：

（4）

其中，

（5）

T(E)为X光源在能量区间[E₁,E₂]上归一化的探测器接收能谱，d?/dE为X光源的能量微分发射光谱，Q(E)为探测器对能量E的X光子的响应（探测效率）。

改变方程（4）中的能量区间[E₁,E₂]为低能X发射能量范围，则可以得到相似的g(x,y)函数的理论表达。标定实验的过程就是通过一定数量的(x,y,f,g)测量值，采用函数拟合的方法得到式（4）的近似表达f=f(x,y)、g=g(x,y)，进一步得到其反函数x=x(f,g)与y=y(f,g)的过程，从而在之后待测量组织部位的测量过程中通过测量穿过待测口腔组织部位之前的束强度I_OL和I_OH与穿过介质之后的束强度I_H和I_L，得到待测量组织部位的f、g值，通过计算得到待测量组织部位的x、y值。

所述f、g采用圆锥曲面方程形式及最小二乘法拟合。其原理如下：

对于非单能条件下的双能X射线系统，我们考虑f(x,y)、g(x,y)、x(f,g)、y(f,g)可以被圆锥曲面方程F(x,y)、G(x,y)、X(f,g)、Y(f,g)来拟合。以F(x,y)为例，其满足：

(6)

其中，A、B、C分别如下所示：

(7)

通常情况下，参数C相对较小，因此能够在只引入微量误差的情况下，进一步近似令C=0，从而得到F的有理化方程：

(8)

式（8）给出了f(x,y)的有理化圆锥曲面拟合函数，共有8个待定系数，是本实验方法优先采纳的拟合方式。为了进一步提高精度，可以对（7）式取更高阶次的多项式：

(9)

由此得到F的三次曲面拟合函数及其有理化近似形式（C’=0）。通过最小二乘法对系数进行拟合。

标定模型：用于拟合的数据是对系列质量厚度x、y已知的待测口腔组织部位进行双能X实验测量来得到f、g值。考虑到在双能X射线测量的能量范围内，用铝（铝1100，ρ=2.70g·cm-3）来模拟骨头，用水来模拟软组织。为了产生足够多的铝和水的实验组数，采用两个铝阶梯模型放在水中进行实验（铝阶梯模型见附图2）。

（2）、锥束校正

在本发明所述的锥束双能X射线测量骨密度的方法中，采用了锥束X射线，使得X射线束在经过物体时，其中心射线和锥束边缘的射线经过厚度相同的物体时其路径长度不一样，越靠近锥束边缘的射线由于斜入射的影响，使得其经过更长的路径才到达探测器；因此，会使得锥束边缘测得的面密度值比中心位置测量值大，锥束校正可以通过将对应位置的计算结果乘以余弦系数进行几何关系校正。

如图3所示，X为射线源S₀到探测器中心O的距离，M,N为探测器上的探测单元到探测器中心O的距离。通过扫描校正所需的薄Al片，通过最小二乘法的方法寻找垂足，并进行锥束的简单校正。

（3）、散射校正

由于采用的是X射线面阵探测器2，散射的影响会较大，会最终影响骨密度值计算的准确性。可通过衰减板对散射进行校正，在高低能扫描时，分别加上衰减板及不加衰减板，从而估计出散射的数值，将其减去以消减X射线面阵探测器2的散射影响。

所述散射校正的主要步骤如下：

a、零点校正；

在没有打开X光机时，记录各个X射线面阵探测器2单元的值，并标定为0，即之后开X光机后计数需要减去本底的计数

b、增益校正；

打开X光机，在X射线源1与探测器之间不放任何物体（在做标定时由于有一个水槽，这时候，需要将水槽放入中间），记录各个探测器单元的计数

c、测量标定模型，得到拟合方程。

通过以上校正之后，可对待测口腔组织部位进行测量，并通过测量得到的物理量计算骨密度。

请参阅表1，表1为本发明提供的锥束双能X射线测量的骨密度中部分面密度的测量误差。

模型中标定的部分面密度测量误差

本发明的牙科双能X射测量骨密度的技术和装置通过采用新型面阵探测器，使得所述面阵探测器具有更高的空间分辨率（提高5-10倍），并且通过将面阵探测器贴附待测口腔组织部位表面，减小了几何失真和散射的影响，为牙科临床提供了一种经济、便捷、强大的诊断工具，能够准确地提供骨密度值，可以应用于牙科拔牙、补牙、种植、正畸、根管治疗等。同时也可以通过牙齿的骨密度，诊断骨质酥松，使得病人提早做出预防或治疗。因此，本发明具有很高的市场应用潜力。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims

1.一种基于X射线测量口腔骨密度的设备，包括：

X射线源，所述X射线源用于产生两束能量不同的锥束X射线并透射待测口腔组织部位；

X射线面阵探测器，所述X射线面阵探测器用以设置于口腔内部，并贴附于所述待测口腔组织部位，以接受透过口腔组织部位后的X射线，完成X光透射图像数据采集，所述X射线面阵探测器的像素尺寸在15um-30um之间；

数据采集控制模块，用以控制所述X射线源发出X射线并接收X光透射图像数据；

以及

数据处理系统，所述数据处理系统与所述数据采集控制模块电连接，以采集X射线透视图像数据并显示探测到的X射线图像。

2.如权利要求1所述的基于X射线测量口腔骨密度的设备，其特征在于，所述X射线源为一X光机，所述X光机的能量在40kVp-70kVp之间。

3.如权利要求1所述的基于X射线测量口腔骨密度的设备，其特征在于，进一步包括一卡具，所述卡具设置于口腔内部以固定所述X射线面阵探测器。

4.如权利要求3所述的基于X射线测量口腔骨密度的设备，其特征在于，所述卡具具有一卡口，所述卡口的直径与X光机出束口相匹配。

5.如权利要求1所述的基于X射线测量口腔骨密度的设备，其特征在于，所述X射线面阵探测器的尺寸小于4厘米。

6.如权利要求1所述的基于X射线测量口腔骨密度的设备，其特征在于，所述X射线面阵探测器贴附于所述待测口腔组织部位设置。

7.如权利要求1所述的基于X射线测量口腔骨密度的设备，其特征在于，所述数据采集控制模块通过数据线或无线连接方式与所述X射线面阵探测器实现信号连接。

8.如权利要求1所述的基于X射线测量口腔骨密度的设备，其特征在于，所述数据采集控制模块集成于X射线面阵探测器中。

9.如权利要求1所述的基于X射线测量口腔骨密度的设备，其特征在于，所述数据处理系统包括一骨密度计算单元及一图像显示单元。

10.一种应用权利要求1所述的基于X射线测量口腔骨密度的设备测量口腔骨密度的测量方法，包括以下步骤：

将卡具设置于口腔内部；

将X射线面阵探测器固定于所述卡具中；

改变X射线源工作能量，分别获得两种高低不同能量的X射线照射曝光待测量部位，所述高能量的X射线束强度为I_OH，低能量的X射线束强度为I_OL；

通过所述X射线面阵探测器探测两次高低不同能量X射线照射曝光待测量部位后的光强，穿过待测口腔组织部位后的高能量的X射线的束强度为I_H，低能量的X射线的束强度为I_L，获得两次X射线透射图像数据；以及

数据处理系统的骨密度计算单元对获得的两次X射线透射图像数据进行分析计算，得到待测量部位的X射线透射图像，并通过图像显示单元显示，所述待测口腔组织部位的骨密度M_b为：

；

其中，下标b表示骨骼对应物理量；下标l和h分别表示低能与高能对应的物理量；μ值表示质量衰减系数，

。

11.如权利要求10所述的口腔骨密度的测量方法，其特征在于，通过改变X射线源电压改变工作能量，获得两种不同能量的X射线。

12.如权利要求10所述的口腔骨密度的测量方法，其特征在于，通过增加过滤片改变X射线源的工作能量，获得两种不同能量的X射线。

13.如权利要求10所述的口腔骨密度的测量方法，其特征在于，所述骨密度通过以下方法计算：

设高能和低能的X射线均为理想单能射线，则其穿过组织之前的束强度I_OL和I_OH与穿过介质之后的束强度I_H和I_L满足线性衰减规律，则如单一能量的双能方程（1）所示：

(1)

其中，下标s和b分别表示软组织和骨骼对应物理量；下标l和h分别表示低能与高能对应的物理量；μ值表示质量衰减系数，即X射线穿过单位质量厚度的介质后衰减为原强度的1/e，其单位为cm²/g；M_s和M_b分别为软组织和骨组织的质量厚度，其单位为g/cm^-2；

由方程组（1）可以解得：

(2)

其中，R值表示高低能量线性衰减系数之比

和

。

14.如权利要求13所述的口腔骨密度的测量方法，其特征在于，进一步包括硬化校正、锥束校正、散射校正和探测器校正。

15.如权利要求14所述的口腔骨密度的测量方法，其特征在于，所述硬化校正包括以下步骤：

定义软组织和骨组织质量厚度M_s和M_b分别为x和y，单位为cm；

记

、

分别表示高、低能量X射线穿过介质前后输出信号比值的对数值（对数透射函数），f(x,y)和g(x,y)与x、y为能量区间上的积分值：

（4）

其中，

（5）

T(E)为X光源在能量区间[E₁,E₂]上归一化的探测器接收能谱，d?/dE为X光源的能量微分发射光谱，Q(E)为探测器对能量E的X光子的响应；

采用函数拟合的方法得到式（4）的近似表达f=f(x,y)、g=g(x,y)，进一步得到其反函数x=x(f,g)与y=y(f,g)，通过待测量部位的f、g值计算得到待测量组织部位的x、y值。

16.如权利要求15所述的口腔骨密度的测量方法，其特征在于，所述f、g采用圆锥曲面方程形式及最小二乘法拟合。