CN1102240C - 用于测量骨骼中的骨无机物含量的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于测量身体部位的骨骼中的骨无机物含量的方法和装置，该方法从身体部位的一侧辐射X射线辐射而在另一侧探测。该X射线辐射具有两个能级，可对所探测的X射线辐射进行分析并确定身体部位的厚度。在分析中考虑了身体部位的厚度，并且为了对测量过程进行标定，对已知成分的参照物进行测量。该装置包括；装置(3)，用于产生两个能级的X射线辐射，该装置放置在其形状与身体部位相适应的箱体(2)的一侧(2a)并且该装置正对着身体部位。被设置在该箱体的对面一侧(2b)的辐射探测器阵列(4)探测所接收到的X射线辐射。距离测量装置(5)与一图像和信号处理单元(7)连接，并被放置在箱体(2)中身体部位的相对两侧。图像和信号处理单元(7)这样排列以通过将对应于身体部位测量及已知成分参照物体测量的记录在探测器阵列(4)中的信号与从距离测量装置(5)接收到的信号进行组合从而确定身体部位的骨骼中的骨无机物含量。
Description
本发明涉及一种测量身体部位中的骨骼中的骨无机物含量(bone mineralcontent)的方法，该方法从身体部位的一侧用X射线照射，而在身体部位另一侧探测X射线。
本发明还涉及一种用于测量身体部位中的骨骼中的骨无机物含量的装置。
在包括工业国家和发展中国家在内的世界范围内一种迅速蔓延的疾病是骨质疏松症。这种疾病通常影响老年妇女，但近来发现骨质疏松症还能影响年轻人和男女两性。
为了减少这种疾病的危害，通常的做法是向老年妇女提供具有防止骨骼脱钙功效的特殊药物。由于采用现有的方法和装置对是否必需进行这种药物治疗的判断是很难和很昂贵的，因此，目前这种药物治疗有一定随意性。因此，给实际上未患骨质疏松症的人开了大量药物，而那些真正患骨质疏松症的患者却没有得到所需的帮助。这造成不必要的个人痛苦并引起社会的不必要的负担。为了克服这个问题，有必要可靠地诊断骨质疏松症。
诊断是否患上骨质疏松症的最佳途径是确定身体的任一适当骨头中的骨无机物含量。为此目的，已经开发了大量不同的装置。
WO-A-86/07351公开了一种用于测量踵骨的骨无机物含量的装置。这种测量装置具有一个箱体(casing)，在其一侧设置了γ或X射线源，而在X射线源对面一侧设置了辐射探测装置。该探测装置再连接到某种类型的控制系统上，例如对获得的结果进行分析的计算机。为了使该装置能够在一相对比较满意的程度上运行，必须让箱体中绕脚周围的空间内充满水。但尽管如此，由该装置得到的结果并不令人满意。
US-A-5348009公开了一种用于测量骨无机物含量的类似装置，在该装置中辐射源被设置在所采用的例如适应于脚的箱体的一侧。在其对面一侧设置的是连接到一信号处理单元的探测器。此外，将用于测量距离的装置设置在箱体中绕待测目标物周围的两侧处以确定骨头的厚度。这些装置也同样连接到该信号处理单元，并可通过将由辐射探测器所接收到的信号与厚度测量进行组合而确定单位体积内的无机物含量。
EP-A-0432730公开了一种用于测量骨无机物含量的另一种测量装置。此装置包括一个箱体，在该箱体的一侧放置了一装置用于产生X射线辐射以及探测X射线辐射的装置。该装置还包括一滤光片，该滤光片放置在X射线装置的前面，并可改变以限定X射线信号的能谱，由此X射线信号被分成两个不同能级。这种方法的不足之处在于，仅仅依据从X射线信号的两个不同能级所接收的测量结果来确定骨无机物含量，因此不能分离足跟的所有成分，并且该方法不能提供有关病因的可靠性结论。
最后，EP-A-0549858公开了一种用于进行骨无机物含量测量的装置，其中采用具有两个能级或能带的X射线源来确定在一个身体目标中的给定物质的含量。该发明采用一特定的计算方法，用该方法在计算结果中去除不希望的成份，通过推测来得到骨无机物含量。但是，这种方法提供的结果同样是非常不可靠的，甚至在最坏的情况下可将患者诊断为健康者。
US-A-5 348 009和GB-1 646 926同时也是此领域的相关的现有技术。
本发明的目的是克服现有技术的X射线型骨无机物测量装置中出现的问题，并提出一种用于测量骨骼中的骨无机物含量的简单、可靠的方法。此目的通过如下的组合来实现：在两个能级上进行X射线辐射，分析所探测到的辐射，确定身体部位的厚度，当对所探测到的辐射进行分析时，考虑身体部位的厚度，为了标定测量过程，采用已知成分的参考物体进行处理。
根据本发明所独有的特性，通过测量X射线源与身体部位之间的距离及后者与探测器阵列之间的距离来确定身体部位的厚度，身体部位的厚度是通过将这些距离与辐射和该阵列之间的距离进行比较来确定的。
在根据本发明的装置中，该方法在包括下列组合的装置中进行：一产生两个能级的X射线辐射的装置，该装置放置在其形状适应于身体部位形状的箱体的一侧，并且该装置正对着后者；一辐射探测器阵列放置在该箱体的对面一侧以探测来自所述装置的X射线辐射；一图像和信号处理单元，该单元与该阵列连接以分析记录在该探测器阵列中的信号；距离测量装置(5)，该装置连接到该图像和信号处理单元，并放置于箱体中的所述身体部分相对两侧，该图像和信号处理单元如此排列以通过将记录在该探测器阵列中的信号与从所述距离测量装置获得的信号相组合，一方面对应于身体部位的测量，另一方面对应于已知成分的参照物体的测量，从而得到身体部位的骨骼中的骨无机物含量。
下面，将参照附图非常详细地描述本发明。这些附图中：
图1表示骨无机物测量装置的主要部件的示意图；
图2表示去掉箱体的顶板时的该测量单元的透视图；
图3表示去掉身体部位的屏蔽物时的该测量单元的透视图；和
图4表示根据本发明的用于测量骨无机物含量的装置的一个应用。
根据本发明的装置具体地包括一测量单元1及一图像和信号处理单元7。测量单元1由与身体部位形状相适应的箱体2构成，在其一侧2a放置了一用于在两个能级上辐射的辐射源3，而在其另一侧2b放置了一用于探测从辐射源3发射的射线辐射的探测器阵列。
辐射源3最好由可在两个分离的能级，例如30KV和75KV，发射光子的X射线管构成。这些能级被用来确定被测物体6的骨无机物含量，因此这两个能级的明确分开和明确确定是非常重要的。例如，可以通过采用可在能级之间变化的发生器来驱动X射线管产生不同的能级。用于产生两个不同能级的X射线辐射的另一途径是对从X射线源3获得的一能级上的辐射进行滤挡。
用于探测辐射的辐射探测器阵列4放置在相对于辐射源3的对面位置。探测器阵列4包括若干个以阵列形式排列并可探测和量化以给定入射角度或在一给定时间内照射在每一点上的辐射线的单元。
X射线管3和探测器阵列4相对于被测物体6可以是固定的或是做线性运动。在这两种情况下均设置了一连接到X射线管3的准直器，由此可限定X射线的发散度以覆盖探测器阵列4的观测范围。
当将X射线管3放置于固定位置时，将一特定设置的准直器设置在探测器阵列4的前面。该准直器构造为在其上打一些小孔，小孔的数目等于放置在其后的该辐射探测器阵列中的各单元的个数。小孔的取向为从辐射源的焦点发散，并且每个小孔的取向是对着探测器阵列上的每个对应点。准直器的作用是滤除可引起干扰的散射的次级辐射，使经过各小孔的射线束保持平行，并将透过的辐射导向探测器阵列4上的各对应点。准直器可用具有高衰减率的材料制成，从而使只有经过这些小孔的射线束才能被放置在其后的探测器阵列4探测到。
在另一个优选实施例中，其中X射线管3被制作成相对被测物体做线性运动，该X射线管3被放置在机械臂上。该机械臂相对于待测的身体部位如此运动以扫描为测量所必需的身体部位的各部分。如果将探测器4设置成随X射线管一同移动，则探测器阵列4可包括一单个单元。
在如图2所示的优选实施例的情况下，骨无机物含量测量是对踵骨进行的。这样设置X射线管3以便扫描大约10.0×15.0mm的区域，即相当于踵骨的总体尺寸。当将待测量的脚放置在箱体2中时，X射线管3被引导向脚的一侧，即向或在脚的踵部的区域引导。显然，X射线管3扫描区域的尺寸大小取决于待测量的身体部位6的尺寸大小。
该测量单元还包括一计算机/放大器4a以量化向探测器阵列4照射的射线辐射。计算机4a是这样设置的，即它可识别射线辐射照射到探测器阵列4的哪一点以及辐射中的光子能量大小。由于在产生的两个电压的能级特性情况下采用了两个“测量窗”，因此可得到更大可靠的测量结果。
用参考符号6标记的单元代表待测身体部位，例如踵骨或前臂。在如图2所示的骨无机物测量装置的实施例情况下，该装置被设置成测量脚的踵骨。
为了明确确定踵的各个主要成分，即水、脂肪和骨无机物，需要一第三测量参数。这可以通过将距离测量装置5放置在待测身体部位的两侧并通过这些装置5确定距用X射线照射的物体6的两侧的距离来得到。因此可以计算出被测物体的厚度。这些装置5最好由激光测量环构成。为了不让箱体中的脚的位置造成不可靠的测量结果，距离测量装置5设置在脚的两侧。
根据本发明的方法和装置是依据如下的事实，即通过如上所述的X射线辐射并测量目标物体的厚度，可得到三种各自不同的测量结果，并且，采用这些测量结果可确定身体部位的骨无机物的含量。
待测目标物或身体部位基本上包括三个部分：骨无机物(以羟磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2的形式)、脂肪和水。下面将相应于这些成份的参数分别设定为b、f和s。
当待测的物体用两个能级的X射线辐射照射时，可设定如下的方程：
N1＝N01exp(-μb1tbρb-μs1tsρs-μf1tfρf) (1)
N2＝N02exp(-μb2tbρb-μs2tsρs-μf2tfρf) (2)
低能级的X射线辐射(例如35kV)用1标记，高能级的X射线辐射(例如70kV)用2标记。Ni是在能级i下经过目标物后所测量的计数率；Noi是在能级i下在目标物外面的所测量的计数率；μxi是各成份的质量衰减系数(cm2/g)；tx是各成分的厚度(cm)和ρf是各成分的密度。
目标物的总厚度通过在目标物两侧的距离测量确定。
T＝tb+ts+tf (3)
其中T表示目标物的总厚度，tb、ts和tf分别表示各成分的厚度。
为了能够从公式(1)和(2)计算厚度，必须确定在目标物外面的计数率。这可通过将已知成分的目标物放置在该装置中而得到。此时N01和N02可确定如下：
N01＝N1Fexp(-μb1tbkρb-μs1tskρs) (4)
N02＝N2Fexp(-μb2tbkρb-μs2tskρs) (5)
其中N1F和N2F分别为经过已知成分的目标物后在辐射中所测量的低和高能级的计数率。
质量衰减系数、密度和厚度(tbk，tsk)是已知量。因此可由对应于探测器阵列的每个单元的不同方程计算出不同成份的厚度。可从这些单元每个测量结果得出待测身体部位的骨无机物含量的图像。
为了评估由探测器阵列4和距离测量装置5所得到的测量结果，最好采用为个人计算机的图像和信号处理单元。
在两个光子能级所测量的定量值被用来计算对于评估测量结果所必不可少的算法。最好该装置还访问包含标准值的数据库，这些标准值是从大量不同样本的测量值计算出的。为了确定骨骼中是否存在脱钙现象，将由测量所得到的值与存储于数据库中的值进行比较。
计算机中配置了与目标物相适应的软件，从而将来自探测器阵列的信息与来自距离测量装置的信息进行组合，从而可以高精确度地确定脚的所有成份，脂肪、水和骨无机物。
键盘被用来进行与计算机的通讯，以便操作者可控制各种可能的操作。
最好采用可显示被测目标物的图像的屏幕以显示测量结果。同样还可采用打印机来得到所获得结果的打印输出。
图2和3表示根据本发明的装置的最优选实施例，该装置适用于测量踵骨。对一这种应用，可相对小型和简便地构造该测量装置，以使在对不同患者进行诊断的不同环境下很容易移动该装置。
本发明决不是限定于图2和4所示的实施例。本发明的原理可适用于已发现的身体任何部位上的大得足以测量的任何类型的骨头。本发明由所附的权利要求书限定，很明显，在本发明的范围内，本发领域内的技术人员可在大量不同的配置下执行根据本发明的方法。
Claims (3)
1.一种测量身体部位的骨骼中的骨无机物含量的方法，该方法从身体部位的一侧辐射X射线辐射而由包括若干个单元并设置在另一侧的探测器阵列(4)接收，其特征在于所述方法包括步骤：
产生两个能级的X射线辐射；
用探测器阵列探测辐射；
确定该身体部位的厚度；和
通过考虑该身体部位的厚度分析所探测到的辐射以确定该身体部位的主要成份，水、脂肪和骨无机物，从而得出所述身体部位的骨骼中的骨无机物含量的表示，并通过测量已知成分的参照物体确定X射线辐射的强度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过测量X射线源(3)与身体部位之间的距离和该身体部位与探测器阵列(4)之间的距离来确定身体部位的厚度，其中该身体部位的厚度是通过将所述这些距离与辐射源(3)和阵列(4)之间的距离进行比较来确定的。
3.一种用于测量身体部位的骨骼中的骨无机物含量的装置，其特征在于该装置包括如下组合：
产生两个能级的X射线辐射的装置(3)，该装置放置在其形状适应于身体部位形状的箱体(2)的一侧2a，并且该装置正对着该身体部位；
辐射探测器阵列(4)，包括若干个单元，并以阵列形式设置在该箱体的对面一侧(2b)以探测来自所述装置(3)的X射线辐射；
图像和信号处理单元(7)，该单元与阵列(4)连接，用于分析记录在探测器阵列(4)中的信号；
距离测量装置(5)，该装置与图像和信号处理单元(7)连接，并设置在箱体(2)中所述身体部位的相对两侧，该图像和信号处理单元(7)如此排列以通过将对应于身体部位测量及已知成分的参照目标物测量的记录在探测器阵列(4)中的信号与从距离测量装置(5)接收到的信号进行组合来确定骨无机物、水和脂肪各成分的厚度从而确定身体部位的骨骼中的骨无机物含量。
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