CN103892856B - 一种获取人体骨密度值的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于医学图像处理及应用技术领域，提供了一种获取人体骨密度值的方法及系统。包括以下步骤：获取高低能图像X线射入强度；获取校准参数；采集骨骼区域的低能和高能X线图像；对采集的图像进行预处理；接收用户选择的需要计算骨密度值的感兴趣区域；定位需要计算的骨密度值的感兴趣区域的精确区域；根据比尔‑朗伯定律计算出骨密度值。本发明可以实现在计算骨密度值时减小对骨密度仪硬件的依赖，在普通数字X线机的基础上，应用本发明提出的方案，即可实现对人体骨密度的测量计算，而不用考虑硬件的问题，在一定程度上降低骨密度仪的生产成本。另外利用该方案采集骨骼图像时，无需放置标准体，从而简化了图像的采集过程。

Description

一种获取人体骨密度值的方法及系统

技术领域

本发明属于医学图像处理及应用技术领域，尤其涉及一种获取人体骨密度值的方法及系统。

背景技术

骨质疏松症已成为世界6种多发病之一，据世界卫生组织(WHO)1996年的报告，全球有65岁以上的老年人3.8亿，其中骨质疏松症的患者有65％，1997年WHO将6月24日定为“世界骨质疏松日”。据报导，我国有9000万人患不同程度的骨质疏松症。骨质疏松症已经成为中老年人的常见病，测量人体骨骼中矿物质含量的多少，对中老年人来说是非常有必要的，特别是四十岁以上的城市居民，尤其是中年妇女，缺钙现象比较严重。骨骼中矿物质含量减少会造成骨质疏松，稍不留神就会引起骨折，造成终身痛苦或残疾。骨密度值是骨质量的一个重要标志，反映骨质疏松程度，预测骨折危险性的重要依据。

骨密度仪是二十世纪七十年代后期发展起来的重要核医学影像设备，而双能X线骨密度仪(DEXA)具有扫描速度快、精密度与准确度高、放射性剂量低等优点，是目前各国测定骨密度、预测骨折发生率的精确而有效的方法，同时，DEXA还作为评价其他骨密度测定仪器的基准和参考。

DEXA的原理是采用X线球管产生X射线，并用开关脉冲技术或K边缘技术产生双能X线，测量它们通过骨骼和软组织的吸收率，双能X线采用两种不同能量的X线下获得的X射线图像(一般低能为35~50kv，高能为80~120kv)，通过能量减影的方法消除软组织对骨密度测量的影响，同时，根据比尔-朗伯定律列出下列方程组：

I_h=I_ohexp[-(m_Bμ_Bh+m_Sμ_Sh)] （1）

I_l=I_olexp[-(m_Bμ_Bl+m_Sμ_Sl)] （2）

式中：

Ih、Il：高、低能X线的射出强度测量值。

Ioh、Iol：高、低能X线的射入强度测量值。

mB、mS：骨、软组织的面密度(g/cm2)。

μBh、μBl：骨对高、低能X线的质量吸收系数(cm2/g)。

μSh、μSl、：软组织对高、低能X线的质量吸收系数(cm2/g)。

通过DEXA数据处理，解联立方程，即可迅速无损的测出所测部位骨骼的骨密度值。

现有技术公开了一种应用数字X线图像进行骨密度测量的方法。该方法主要步骤包括：

首先是图像采集与显示。采集待测量骨密度图像时，采用与骨骼内矿物质相接近的材料，做成已知密度的标准体，与骨骼在同一曝光条件下照射成像，获取要测量区域的骨骼X线数字图像和伴随的标准体的图像，并在计算机屏幕显示。接着对采集的图像作预处理，以便能够对图像进行统一的交互处理。然后交互操作定位测量区域，即在X线数字图像上勾画骨边缘，限定测量范围。最后是实现标准体定位与骨密度值的转换，即根据标准体把骨骼部位的像素值转换成标准体的等效密度值，该等效密度值即为测量区域的人体骨密度值。

然而，上述现有技术提出的解决方案在图像采集时需要放置与人体骨骼密度相当的标准体，获取的骨骼X线图像同时伴随有标准体的成像，通过测量标准体的密度值间接反应人体的骨密度值。

上述现有技术有如下两个缺点：(1)图像采集时需要有标准体，导致图像采集步骤复杂化；(2)利用该方案得到的骨密度值并非人体真正的骨密度值，而是与人体骨骼X线图像的像素值相等的标准体对应位置的密度值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种获取人体骨密度值的方法及系统，旨在解决采用现有技术的应用数字X线图像进行骨密度测量的方法，其存在如下(1)图像采集时需要有标准体，导致图像采集步骤复杂化；(2)利用该方案得到的骨密度值并非人体真正的骨密度值，而是与人体骨骼X线图像的像素值相等的标准体对应位置的密度值的问题。

本发明是这样实现的，一种获取人体骨密度值的方法，所述方法包括以下步骤：

获取高低能图像X线射入强度；

获取校准参数；

采集骨骼区域的低能和高能X线图像；

对采集的图像进行预处理；

接收用户选择的需要计算骨密度值的感兴趣区域；

定位需要计算的骨密度值的感兴趣区域的精确区域；

根据比尔-朗伯定律计算出骨密度值。

本发明的另一目的在于提供一种获取人体骨密度值的系统，所述系统包括：

射入强度获取模块，用于获取高低能图像X线射入强度；

校准参数获取模块，用于获取校准参数；

采集模块，用于采集骨骼区域的低能和高能X线图像；

图像处理模块，用于对采集的图像进行预处理；

感兴趣区域接收模块，用于接收用户选择的需要计算骨密度值的感兴趣区域；

区域定位模块，用于定位需要计算的骨密度值的感兴趣区域的精确区域；

计算模块，用于根据比尔-朗伯定律计算出骨密度值。

在本发明中，本发明实施例提出了一种基于数字X线图像计算骨密度值的方案，该方案可以实现在计算骨密度值时减小对骨密度仪硬件的依赖，在普通数字X线机的基础上，应用本发明提出的方案，即可实现对人体骨密度的测量计算，而不用考虑硬件的问题，在一定程度上降低骨密度仪的生产成本。另外利用该方案采集骨骼图像时，无需放置标准体，从而简化了图像的采集过程；此外，本发明利用双能X线骨密度值的测量原理，即比尔-朗伯定律来计算骨密度值，计算出来的骨密度值为人体真实的骨密度的绝对值。

采用本发明提出的基于数字X线图像计算骨密度值的方案有如下有益效果：

(1)图像采集流程简化。针对不同的X线设备需要用骨密度校准体模做参数校准，校准完成后的图像采集流程简化，不需要同时扫描参考物的X线图像。

(2)所计算的骨密度值直接反应了人体的骨密度的实际状况。由于没有采用参考物的策略，运用比尔-朗伯定律，将X线强度转化了图像的像素值做运算，所以计算得出的骨密度值不是等效值，而是真实的人体骨密度值。

（3）设计的骨密度校准体模独立于各种数字X线设备。利用骨密度校准体模可以校准数字X线机的成像参数，采集能够用于计算骨密度值的高低能X线图像数据。

附图说明

图1是本发明实施例提供的获取人体骨密度值的方法的实现流程示意图。

图2是本发明实施例提供的获取人体骨密度值的系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，为本发明实施例提供的获取人体骨密度值的方法的实现流程，其包括以下步骤：

在步骤S101中，获取高低能图像X线射入强度；

在本发明实施例中，根据比尔-朗伯定律，在计算骨密度值时，需要知道X线的射入强度的测量值。针对某一特定的数字X线机，采用文献报道的高低能图像的成像参数对骨密度校准体模进行成像，即分别以低压40KV、高压80KV对空气进行成像，即空拍，分别得到低能的空拍图像和高能的空拍图像，用这两幅图像的像素值作为低能、高能图像X线的射入强度。

在本发明实施例中，骨密度校准体模的设计如下：内嵌的方块由铝材料制作，模拟人体骨骼，每个方块的截面积相同，高度由1毫米逐个递增，所以各个铝块的骨密度值都是已知的，模拟人体不同骨骼区域的厚度；最外层是由有机玻璃材料制成，模拟人体软组织。

在步骤S102中，获取校准参数；

在本发明实施例中，进行其他测量之前，分别设置数字X线机的电压值和电流值等参数，然后对校准体模进行成像，分别得到校准体模的低能和高能X线图像。计算校准体模的骨密度值，并将该测量值与已知的骨密度值作对比，调整校准参数，使校准体模的骨密度测量值逼近已知的骨密度值，记录该校准参数及低能和高能图像所对应的X电流值等参数。

在步骤S103中，采集骨骼区域的低能和高能X线图像；

在本发明实施例中，利用校准体模确定的低能和高能图像所对应的电压值和电流值等X线机的成像参数，对待测量骨密度值的人体骨骼区域进行成像，分别得到该骨骼区域的低能和高能X线图像。

在步骤S104中，对采集的图像进行预处理；

在本发明实施例中，图像预处理的主要目的是去除噪声，以减少后期对骨密度值计算的影响。即将初始高低能图像及待测量骨密度值高低能图像等四幅图像导入应用程序后，对图像作各向异性平滑处理，以减少图像噪声对骨密度值计算的影响。

在步骤S105中，接收用户选择的需要计算骨密度值的感兴趣区域；

在本发明实施例中，针对用户选择的不同测量部位，生成不同的区域选择框，用户可以缩放、移动选择框，以确定要计算骨密度值的感兴趣区域。

在步骤S106中，定位需要计算的骨密度值的感兴趣区域的精确区域；

在本发明实施例中，在选择框里放置一定数目的种子点，然后运用区域增长分割算法确定出要计算的骨密度值的精确区域，减少软组织等对骨密度值计算的干扰。

在步骤S107中，根据比尔-朗伯定律计算出骨密度值。

在本发明实施例中，比尔-朗伯定律列出下列方程组：

I_h=I_ohexp[-(m_Bμ_Bh+m_Sμ_Sh)] （1）

I_l=I_olexp[-(m_Bμ_Bl+m_Sμ_Sl)] （2）

式中：

Ih、Il：高、低能X线的射出强度测量值。

Ioh、Iol：高、低能X线的射入强度测量值。

mB、mS：骨、软组织的面密度(g/cm2)。

μBh、μBl：骨对高、低能X线的质量吸收系数(cm2/g)。

μSh、μSl、：软组织对高、低能X线的质量吸收系数(cm2/g)。

在本发明实施例中，X线射入强度的测量值用初始高低能图像的像素值替代，射出强度的测量值用测量部位的高低能图像的像素值替代，骨骼及软组织的质量吸收系数可通过查找相关表格获得。

请参阅图2，为本发明实施例提供的获取人体骨密度值的系统的结构。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。所述获取人体骨密度值的系统主要包括：射入强度获取模块101、校准参数获取模块102、采集模块103、图像处理模块104、感兴趣区域接收模块105、区域定位模块106、以及计算模块107。

射入强度获取模块101，用于获取高低能图像X线射入强度；

校准参数获取模块102，用于获取校准参数；

采集模块103，用于采集骨骼区域的低能和高能X线图像；

图像处理模块104，用于对采集的图像进行预处理；

感兴趣区域接收模块105，用于接收用户选择的需要计算骨密度值的感兴趣区域；

区域定位模块106，用于定位需要计算的骨密度值的感兴趣区域的精确区域；

计算模块107，用于根据比尔-朗伯定律计算出骨密度值。

作为本发明一实施例，所述图像处理模块104，具体用于对初始高低能图像及待测量骨密度值高低能图像作各向异性平滑处理。

作为本发明一实施例，所述系统还包括：选择框生成模块。

选择框生成模块，用于接收用户选择的需要计算骨密度值的感兴趣区域，生成相应的区域选择框。

作为本发明一实施例，区域定位模块106，具体用于在选择框里放置一定数目的种子点，然后运用区域增长分割算法确定出要计算的骨密度值的精确区域。

作为本发明一实施例，所述系统还包括：成像模块。

成像模块，用于对骨密度校准体模进行成像，分别得到低能的空拍图像和高能的空拍图像，采用这两幅图像的像素值作为低能、高能图像X线的射入强度。

综上所述，本发明实施例提出了一种基于数字X线图像计算骨密度值的方案，该方案可以实现在计算骨密度值时减小对骨密度仪硬件的依赖，在普通数字X线机的基础上，应用本发明提出的方案，即可实现对人体骨密度的测量计算，而不用考虑硬件的问题，在一定程度上降低骨密度仪的生产成本。另外利用该方案采集骨骼图像时，无需放置标准体，从而简化了图像的采集过程；此外，本发明利用双能X线骨密度值的测量原理，即比尔-朗伯定律来计算骨密度值，计算出来的骨密度值为人体真实的骨密度的绝对值。

采用本发明提出的基于数字X线图像计算骨密度值的方案有如下有益效果：

(3)图像采集流程简化。针对不同的X线设备需要用骨密度校准体模做参数校准，校准完成后的图像采集流程简化，不需要同时扫描参考物的X线图像。

(4)所计算的骨密度值直接反应了人体的骨密度的实际状况。由于没有采用参考物的策略，运用比尔-朗伯定律，将X线强度转化了图像的像素值做运算，所以计算得出的骨密度值不是等效值，而是真实的人体骨密度值。

（3）设计的骨密度校准体模独立于各种数字X线设备。利用骨密度校准体模可以校准数字X线机的成像参数，采集能够用于计算骨密度值的高低能X线图像数据。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种获取人体骨密度值的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

获取高低能图像X线射入强度；

获取校准参数；

所述获取校准参数包括：对校准体模进行成像，分别得到校准体模的低能和高能X线图像，计算校准体模的骨密度值，并将计算得到的校准体模的骨密度值与已知骨密度值作对比，调整校准参数，使校准体模的骨密度测量值逼近已知的骨密度值，记录该校准参数及低能和高能图像所对应的成像参数；

采集骨骼区域的低能和高能X线图像；

所述采集骨骼区域的低能和高能X线图像包括：利用记录的低能和高能图像所对应的成像参数，对待测量骨密度值的人体的骨骼区域进行成像，分别得到该骨骼区域的低能和高能X线图像；

对采集的图像进行预处理；

接收用户选择的需要计算骨密度值的感兴趣区域；

定位需要计算的骨密度值的感兴趣区域的精确区域；

根据比尔-朗伯定律计算出骨密度值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对采集的图像进行预处理的步骤，具体为：

对初始高低能图像及待测量骨密度值高低能图像作各向异性平滑处理，所述初始高低能图像为所述校准体模的低能和高能X线图像。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

接收用户选择的需要计算骨密度值的感兴趣区域，生成相应的区域选择框；

根据选择框落在的区域，以确定要计算骨密度值的感兴趣区域。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述定位需要计算的骨密度值的感兴趣区域的精确区域的步骤，具体为；

在选择框里放置一定数目的种子点，运用区域增长分割算法确定出要计算的骨密度值的精确区域。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取高低能图像X线射入强度的步骤，具体为：

对空气进行成像，分别得到低能的空拍图像和高能的空拍图像，采用这两幅图像的像素值作为低能、高能图像X线的射入强度。

6.一种获取人体骨密度值的系统，其特征在于，所述系统包括：

射入强度获取模块，用于获取高低能图像X线射入强度；

校准参数获取模块，用于获取校准参数；

所述校准参数获取模块，具体用于对校准体模进行成像，分别得到校准体模的低能和高能X线图像，计算校准体模的骨密度值，并将计算得到的校准体模的骨密度值与已知骨密度值作对比，调整校准参数，使校准体模的骨密度测量值逼近已知的骨密度值，记录该校准参数及低能和高能图像所对应的成像参数；

采集模块，用于采集骨骼区域的低能和高能X线图像；

所述采集模块，具体用于利用记录的低能和高能图像所对应的成像参数，对待测量骨密度值的人体的骨骼区域进行成像，分别得到该骨骼区域的低能和高能X线图像；

图像处理模块，用于对采集的图像进行预处理；

感兴趣区域接收模块，用于接收用户选择的需要计算骨密度值的感兴趣区域；

区域定位模块，用于定位需要计算的骨密度值的感兴趣区域的精确区域；

计算模块，用于根据比尔-朗伯定律计算出骨密度值。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，

所述图像处理模块，具体用于对初始高低能图像及待测量骨密度值高低能图像作各向异性平滑处理，所述初始高低能图像为所述校准体模的低能和高能X线图像。

8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

选择框生成模块，用于接收用户选择的需要计算骨密度值的感兴趣区域，生成相应的区域选择框。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，

区域定位模块，具体用于在选择框里放置一定数目的种子点，然后运用区域增长分割算法确定出要计算的骨密度值的精确区域。

10.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

成像模块，用于对空气进行成像，分别得到低能的空拍图像和高能的空拍图像，采用这两幅图像的像素值作为低能、高能图像X线的射入强度。