CN113017656B - 一种双能x射线骨密度仪的自动校准定值方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是有关于一种双能X射线骨密度仪的自动校准定值方法，利用规则形状校准模体和简化仿形校准模体，控制与计算软件配合，进行骨密度仪投影面积校准、组织等效背景材料校准与骨密度值校准，解决双能X射线骨密度仪测量骨密度值准确度较差的问题，提高骨密度值测量准确度，解决骨密度量值统一问题。通过本方法，可大大提高骨密度测量精度，保证骨质疏松诊疗效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种医学测试仪器领域的骨密度仪自动校准定值方法及系统，特别是涉及一种X射线方法测量骨密度仪器的自动校准定值方法。
背景技术
双能X射线骨密度仪(DEXA)是世界卫生组织(WHO)确定判断骨质疏松的金标准。双能X射线骨密度仪测定的结果是骨骼的投影面密度aBMD值。但是由于各厂家轮廓识别算法不同等技术原因，投影面积成为测量结果的最大误差来源，加上各厂家在设计骨密度仪时采用拟合公式的合理性无从考证，使得同一模体在各厂家系统上测量结果不一致，造成骨密度BMD值的测量准确度较低。
双能量X射线骨密度测量基于“不同能量的X射线对于骨骼和肌肉组织的吸收减弱不同”的原理。采用较高能量的X射线对骨骼的减弱信号明显；而较低能量的X射线对骨骼很难穿透而对肌肉组织减弱明显。双能量X射线骨密度测量正是根据这一特点，计算骨骼的平均面密度(areal Bone Mineral Density，aBMD)。骨骼的平均面密度aBMD与骨骼的投影面积、骨骼吸收减弱结果有关。还与厂家设计时采用的探测器特性、软件算法以及对肌肉组织、骨骼等的密度实验拟合的偏离程度有关。由于各厂家设计方法不同，实验拟合方法不同，轮廓识别算法不同等原因，导致同一个患者在不同X射线骨密度仪上诊断结果迥异的情况，严重影响了骨质疏松疾病的诊疗效果。
目前，双能X射线骨密度仪的主流生产厂家及产品有：美国GE公司GE Lunar、HOLOGIC公司、Nolande公司、法国Med-Link OSTEOCORE等4个公司产品。占有少量市场的有意大利Unigamma Plus、韩国DEXXUM T和个别国产商品等。其采用的扫描方式有：点状射线束折线往复扫描方式、扇形束线扫描方式、宽视角扇形束扫描、锥束-大面积阵列探测器方式等。这些扫描方式从原理上讲各有优劣，都有明显的技术特点。如点状扫描原理上接近窄束减弱原理，但扫描时间长，对设备稳定性要求高，像素单元归一化和响应一致性较难控制；线扫描成像时间短，扇形束修正相对成熟；锥束投影成像时间最短，患者接受检查剂量最小，但锥束投影需要几何修正等，技术难点各不相同。又如各厂家的稳定性校准模体(或称为QA模体)校准内容、校准要求、合格性评价指标以及模型的合理性等极少公开，只给出其设备的稳定性分布。因此，校准要求的合理性以及骨密度测量的准确程度均无法评价。
虽然我国对此采取了一些技术管理措施，制定了一些技术标准，如制定了YY/T0724-2009《双能X射线骨密度仪专用技术条件》行业标准，以及JJG 1050-2009《X、γ射线骨密度仪检定规程》。但由于技术研究不够深入，一些技术难点始终没有解决，因此技术要求比较宽泛。而国外的知名厂家产品也由于对技术原理理解的深入程度、技术研发投入和市场成本、以及所采用技术方案的制约，系统稳定性差、骨密度测量误差大。只有少量高端品牌产品在确保质量控制(Quality Assurance，QA)水平的基础上达到测量误差约5％的水平。
市面上常见的用于校准双能X射线骨密度仪的商用模体包括美国CIRS026型模体和欧洲QRM-ESP型模体等，所有商用模体均未关注投影面积值校准和组织等效背景材料校准。由于各厂家轮廓识别软件算法各不相同，造成“投影面积测量误差”是双能X射线骨密度仪测量骨密度的最大误差来源。解决“投影面积测量校准技术”，是本发明为提高骨密度测量结果的准确、可靠所提供的技术方法之一。除此之外，由于双能X射线骨密度仪的测量原理是减影测量，如果组织背景扣减不准确会导致骨密度测量结果的误差，而目前也尚无厂家进行组织背景校准的先例，组织等效背景材料校准也是本专利的创新之一。在此基础上，利用简化仿形校准模体进行骨密度BMD定值校准，进一步提高骨密度BMD值测量准确度，解决双能X射线骨密度仪测量骨密度BMD值准确度较低的问题，并解决骨密度BMD量值统一。
有鉴于上述现有的骨密度仪自动校准定值方法及系统存在的缺陷，本发明人经过不断的研究，终于创设出确具实用价值的本发明。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有的骨密度仪自动校准定值方法及系统存在的缺陷，而提供一种新的一种双能X射线骨密度仪的自动校准定值方法，所要解决的技术问题是骨密度仪投影面积校准、组织等效材料校准和骨密度定值校准等技术问题，使其提高骨密度测量精度，保证骨质疏松有效诊断。
为实现这一目的，本专利主要包括以下创新的技术措施：
1.通过采用自动控制定位方法代替通常人工摆位外部校准的方法，实现X射线骨密度仪的在线自动校准，避免繁琐的人工摆位，同时还可减少人工摆位的定位误差，从而更加适于实用；
2.采用经过严格面积定值的规则形状校准模体和简化仿形校准模体，进行投影面积校准，通过投影面积校正子程序的校正，提高投影面积测量的准确性；
3.进行组织等效背景材料校准，以降低双能X射线图像的背景扣减误差引入的骨密度测量误差。校准所采用的组织等效背景材料严格模拟人体软组织的射线特性，经组织等效背景材料校准后可降低背景扣减误差，进而提高骨密度测量精度。
4、分别采用骨密度值为0.5g/cm2、1.0g/cm2、1.5g/cm2等密度的仿骨材料制作的简化仿形校准模体，进行骨密度BMD的校准。若测量结果与标准值偏差若大于规定的限值，则使用骨密度校正子程序进行校准，修正结果使之与标准值偏差不大于规定限值；
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种双能X射线骨密度仪的自动校准定值方法，包括如下步骤：
步骤1：自动控制定位
采用双能X射线骨密度仪内置的自动控制定位方法代替人工手动定位外部校准方法，所述的自动控制定位方法包括如下内容：
首先研制校准模体单元,将规则形状校准模体、简化仿形校准模体和组织等效背景材料校准模体按照一定的顺序组合而成校准模体单元，将校准模体单元组合固定在定位装置上；将组合形成的校准模体单元及其定位装置内置于双能X射线骨密度仪内，使固定在定位装置9上的校准模体单元与双能X射线骨密度仪的成像板保持平行且放置于扫描床的正下方；
然后，自动控制定位，利用机械运动机构控制校准模体单元及其定位装置的移动实现自动控制定位；
步骤2：校准主程序执行
校准主程序包括投影面积校准子程序、组织等效背景材料校准子程序、骨密度校准子程序和校准结果处理程序，同时配备通信协议、数据处理及必要的软件；校准主程序能嵌入双能X射线骨密度仪操作程序中，也能为单独的外部程序与双能X射线骨密度仪操作程序进行通信，校准主程序执行顺序为先进行投影面积校准子程序，再进行组织等效背景材料校准子程序，最后进行骨密度校准子程序；步骤3：校准结果处理
步骤3：校准结果处理
校准主程序执行完成后，机械运动及定位子程序控制校准模体单元推出到辐射野以外，校准结果处理程序进行校准结果的计算和统计学评估；校准结果能内置于双能X射线骨密度仪自带的诊断测量主程序中，供诊断过程中实时修正投影面积、组织等效背景材料和骨密度的测量误差，提高骨密度诊断测量的准确度水平；校准主程序和校准结果也能作为数据后处理程序，修正测量结果，经过上述步骤校准后的双能X射线骨密度仪即可用于临床诊断测量。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的一种双能X射线骨密度仪的自动校准定值方法，其中所述的自动控制定位具体方法是校准模体单元通过定位装置固定于机械运动机构的两根平行导轨上，利用机械运动及定位子程序控制导轨运动、导轨带动校准模体单元运动；自动控制定位的具体过程是，机械运动及定位子程序使得校准模体单元进入双能X射线骨密度仪的辐射野内，双能X射线骨密度仪射线源随着校准模体单元的移动同时开启、进行连续曝光成像，机械运动及定位子程序与双能X射线骨密度仪曝光成像同步通信，并记录每次曝光成像对应校准模体单元的位置信息；待获得校准模体单元完整的图像后，由用户手动勾选需要进行扫描的校准模体单元目标区域，机械运动及定位子程序读取相应的位置信息后规划扫描起止位置和扫描路径，然后执行后续校准主程序；校准完成后机械运动及定位子程序将校准模体单元推回辐射野之外；在未进行校准时，校准模体单元、定位装置及机械运动机构均应处于辐射野范围之外。
前述的一种双能X射线骨密度仪的自动校准定值方法，其特征在于:所述的规则形状形状校准模体和简化仿形校准模体均需经过严格面积定值，且能用于投影面积校准子程序，规则形状校准模体和简化仿形校准模体投影面积标准值确定和投影面积校准子程序包括以下步骤：
步骤2-2-1：对规则形状校准模体和简化仿形校准模体进行边界扫描，给定投影面积标准值；投影面积标准值由测量误差为±1μm的投影仪或工具显微镜测量其相应几何轮廓尺寸、并通过数学几何计算得到；
步骤2-2-2：投影面积校准子程序与结果判别，采用三种常用的轮廓识别算法，包括等灰度曲线算法、边缘强化算法和区域分割算法，以及双能X射线骨密度仪自带的轮廓识别算法进行投影面积的测量和结果判别；
具体的测量和结果判别的方法是：使用等灰度曲线算法、边缘强化算法、区域分割算法及双能X射线骨密度仪自带的轮廓识别算法，勾画规则形状校准模体和简化仿形校准模体的双能X射线骨密度仪投影图像的轮廓边界，并计算对应的投影面积测量值；如果有一种或多种算法的投影面积测量值与标准值的偏差在规定的限值内，则进行下一步计算；否则进入工程师维修程序，请双能X射线骨密度仪维修工程师进行维修调试。
前述的一种双能X射线骨密度仪的自动校准定值方法，其中所述的组织等效背景材料校准子程序是机械运动与定位子程序根据记录的校准模体单元的位置信息，自动定位到组织等效背景材料校准模体的位置，进行组织等效背景材料校准；
组织等效背景材料校准模体由组织等效材料制作而成，制作组织等效背景材料校准模体前使用密度计测量组织等效材料的物理密度，保证材料的物理密度与水的物理密度误差不超过±5％；使用吸收系数标准测量装置测量组织等效背景材料的吸收系数，保证材料的吸收系数与水的吸收系数误差不超过±5％。通过这些手段保证组织等效材料符合固体水等效材料的物理密度、电子密度或有效原子序数材料等效性要求；将这一组织等效材料制成150mm厚度的组织等效背景材料校准模体，按照骨密度值的定义，此组织等效背景材料校准模体的骨密度理论值为零。此组织等效背景材料校准模体的主要目的是用于评估被测骨密度仪在进行骨密度测量时背景扣减与理论背景零值的偏离程度。
组织等效背景材料校准子程序的主要流程是：校准主程序根据记录的校准模体单元位置信息，自动定位到组织等效背景材料校准模体位置，使用双能X射线骨密度仪扫描组织等效背景材料模体，并使用双能X射线骨密度仪自带程序计算组织等效背景材料模体对应的骨密度测量值。然后组织等效背景材料校准子程序计算出测量值与零值的偏差；若组织等效背景材料校准模体的骨密度值测量误差≤2％时校准通过，否则记录下组织等效背景材料校准模体的测量偏差，将该偏差内置于双能X射线骨密度仪操作程序中，作为骨密度测量结果的修正值使用，将计算结果减去记录下来的组织等效背景材料校准模体的测量偏差作为实际骨密度值的测量结果。组织等效背景材料校准主要为了防止在进行骨密度计算时由于组织背景等效材料扣减误差过大，而影响骨密度值测量的准确性。
前述的一种双能X射线骨密度仪的自动校准定值方法，其中所述的骨密度校准子程序的主要流程是：使用具有骨密度标准值的骨密度模体，利用被校双能X射线骨密度仪测量获得这些模体对应的骨密度测量值，如果所有模体的骨密度测量值与标准值的相对偏差小于等于5％，判定该双能X射线骨密度仪骨密度测量结果合格，不需要校准；如果不满足，基于骨密度测量值和标准值、采用最小二乘法拟合线性修正公式，如果拟合修正后的所有骨密度值测量结果与标准值的偏差小于等于5％，则校准通过；若拟合修正后仍存在骨密度值测量结果与标准值的偏差大于5％的情况，则请双能X射线骨密度仪维修工程师进行设备维修调试。
前述的一种双能X射线骨密度仪的自动校准定值方法，其特征在于所述的规则形状校准模体、简化仿形校准模体均使用固体水等效的组织等效背景材料进行封装，组织等效背景材料严格符合水等效材料的密度和材料等效性要求；利用相同固体水等效材料制成组织等效背景材料校准模体。
前述的一种双能X射线骨密度仪的自动校准定值方法，其中所述的规则形状校准模体采用经过严格面积定值的规则几何形状,包括球体形的球体模体、管形的管状体模体、圆柱形的圆柱体模体及变形的变形管状体模体；
其中球体模体、圆柱体模体模拟腰椎骨的基本轮廓形态，管状体模体模拟骨腔、骨管的基本轮廓形态,变形管状体模体是用于评价双能X射线骨密度仪对于简单不规则轮廓边缘的识别能力。
前述的一种双能X射线骨密度仪的自动校准定值方法，其中所述的简化仿形校准模体包括腰椎结构简化模体、手臂骨结构简化模体和股骨结构简化模体；
简化仿形校准模体在制造时按照选定的骨密度标准值调节模体制造材料配比，使得相应简化仿形校准模体达到预设的骨密度标准值；制造完成的简化仿形校准模体的实际骨密度标准值与预设的骨密度标准值的偏差不应大于±1％；制造模体过程中简化仿形校准模体的骨密度标准值标定，应首先由密度计给出每个模体对应的体密度值，然后除以其获得投影图像时投影方向上的最大高度，获得骨密度标准值；骨密度标准值选取3种，分别为0.5g/cm2、1.0g/cm2、1.5g/cm2，其中腰椎结构简化模体的3个单节腰椎结构简化模块的骨密度标准值依次为0.5g/cm2、1.0g/cm2、1.5g/cm2，手臂骨结构简化模体和股骨结构简化模体能任选一种标准值进行制造；所有用于校准骨密度值的简化仿形骨密度模体均采用仿骨材料进行制造，制造完成、标定其骨密度标准值后，再使用固体水等效的组织等效背景材料对简化仿形校准模体进行封装。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。其至少具有下列优点：
1、本发明可以在厂家配合下方便地安装在双能X射线骨密度仪上，将校准软件作为子程序嵌入系统中进行自动校准。
2、采用经过严格定量测量的简化仿形校准模体、严格按照密度和规定组分要求的组织等效背景材料、不同密度值的简化仿形校准模体进行X射线骨密度仪自动定值校准而不是稳定性外部校准，改善了系统工作状态，提高了骨密度测量结果的准确性。
3.采用自动控制系统，实现X射线骨密度仪的在线自动校准，避免繁琐的人工摆位，同时还可减少人工摆位的定位误差。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。
附图说明
图1A：球体模体俯视图
图1B：管状体模体正视图
图1C：圆柱体模体正视图
图1D：变形管状体模体俯视图
其中：
1：球体模体 2：管状体模体
3:圆柱体模体 4：变形管状体模体
图2：腰椎结构简化模体，由3个单节腰椎结构简化模块组合形成
其中：
5-1:仿形椎体 5-2:仿形横突
5-3：仿形棘突
图3A：手臂骨结构简化模体结构俯视示意图；
图3B：手臂骨结构简化模体结构正视示意图；
图4:股骨结构简化模体正视示意图；
其中：
6:手臂骨结构简化模体 7:股骨结构简化模体
图5：校准模体单元及定位装置俯视示意图
其中：
8：组织等效背景材料校准模体 9：定位装置
9-1：带螺纹通孔
分布在定位装置四角，用于将钢板 9-2固定在机械运动机构的导轨上
9-2：钢板，用于安装各种校准模体
图6：机械运动机构及其安装位置正视示意图
其中：
10：机械运动机构
10-1：左导轨 10-2：右导轨
11：双能X射线骨密度仪成像板
12：双能X射线骨密度仪射线源
图7：机械运动机构及其安装位置右视示意图
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下为本发明的一个较佳实施举例，对依据本发明提出的一种双能X射线骨密度仪的自动校准定值方法，其具体实施方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。
本发明提出的一种双能X射线骨密度仪的自动校准定值方法是：X射线骨密度仪开机后进入空载条件的自校准程序。按照厂家给出的系统稳定性要求合格后，系统进入骨密度自动校准程序。双能X射线骨密度仪的自动校准定值方法主要步骤为首先进行自动控制定位，再进行校准主程序执行，最后进行校准结果处理。其中；
参阅图5-图7所示，自动控制定位采用双能X射线骨密度仪内置的自动控制定位方法代替人工手动定位外部校准方法，自动控制定位方法包括如下内容：首先研制校准模体单元,将规则形状校准模体、简化仿形校准模体和组织等效背景材料校准模体按照一定的顺序组合而成校准模体单元，再将校准模体单元组合固定在定位装置9上，以方便控制机械运动机构移动；将组合形成的校准模体单元及其定位装置内置于双能X射线骨密度仪内，使固定在定位装置9上的校准模体单元与双能X射线骨密度仪的成像板保持平行且放置于扫描床的正下方；并将机械运动及定位程序与投影面积测量及校准子程序、组织等效背景材料校准子程序、骨密度校准子程序等整合在一起，形成双能X射线骨密度仪校准程序，并安装在用户的操作电脑中,校准模体单元和定位装置以及双能X射线骨密度仪校准程序组成自动控制系统，用于整个校准流程的运行以及对机械运动机构的控制。
然后，实现自动控制定位。在对X射线骨密度仪进行校准时，自动控制系统控制机械运动机构，将校准模体单元及定位装置9推入到指定位置，准确定位后开始执行校准程序。校准完成后控制机械运动机构将校准模体单元及定位装置9退回辐射野之外，自动控制定位方法避免了繁琐的人工摆位，同时还可减少人工摆位的定位误差。
参阅图5和图7所示，自动控制定位具体方法是：机械运动机构由两根相互平行、位移精度为±1mm、运动范围(0～1200)mm的左导轨10-1和右导轨10-2及步进电机组成，两根导轨沿“头-足”方向安装在双能X射线骨密度仪扫描床内部，两根导轨形成的平面与成像板平行。校准模体单元通过螺栓固定于定位装置9的钢板9-2上，定位装置9的钢板9-2固定于两根平行导轨上，校准模体单元及定位装置通过机械运动机构10的步进电机带动导轨履带运动，利用机械运动及定位子程序控制导轨运动，带动校准模体单元运动到扫描床中间部位，该机械运动及定位子程序控制双能X射线骨密度仪的双能X射线骨密度仪射线源12和双能X射线骨密度仪成像板11进行移动，连续进行射线曝光成像，获得校准模体单元的投影图像，记录投影图像对应的位置信息；在获得的投影图像上，手动勾选需要进行扫描的校准模体单元位置，机械运动及定位子程序读取相应的位置信息后规划扫描起止位置和扫描路径，然后执行后续校准程序；校准完成后机械运动及定位子程序将校准模体单元推回辐射野之外；在未进行校准时，校准模体单元、定位装置及机械运动机构均应处于辐射野范围之外。自动控制定位方法避免了繁琐的人工摆位，提升了校准时模体的定位精度和重复性，提高了校准效率和校准结果准确性；
校准主程序执行包括投影面积校准子程序、组织等效背景材料校准子程序、骨密度校准子程序和校准结果处理程序及其他实现校准的必要软件功能。校准主程序能嵌入双能X射线骨密度仪操作程序中，也能为单独的外部程序与双能X射线骨密度仪操作程序进行通信，校准主程序执行顺序为先进行投影面积校准子程序，再进行组织等效背景材料校准子程序，最后进行骨密度校准子程序。
首先是投影面积校准子程序主要是采用经过严格面积定值的规则形状校准模体和简化仿形校准模体，进行投影面积校准。规则形状校准模体和简化仿形校准模体经过严格测量得到准确的投影面积结果后，封装于组织等效材料中形成校准模体。使用被校设备测量这两种模体，确定投影面积的测量误差,经过投影面积校正子程序的校正，提高投影面积测量的准确度水平。这两种模体封装采用固体水等效的组织等效背景材料，组织等效材料符合水等效材料的密度和材料等效性要求。投影面积校准子程序执行的主要步骤先是对规则形状校准模体和简化仿形校准模体进行边界扫描，给定投影面积标准值；投影面积标准值由测量误差为±1μm的投影仪或工具显微镜测量其相应几何轮廓尺寸、并通过数学几何计算得到；
再进行投影面积校准子程序与结果判别，采用三种常用的轮廓识别算法，包括等灰度曲线算法、边缘强化算法和区域分割算法，以及双能X射线骨密度仪自带的轮廓识别算法进行投影面积的测量和结果判别；
具体的测量和结果判别的方法是：使用等灰度曲线算法、边缘强化算法、区域分割算法及双能X射线骨密度仪自带的轮廓识别算法，勾画规则形状校准模体和简化仿形校准模体的双能X射线骨密度仪投影图像的轮廓边界，并计算对应的投影面积测量值；如果有一种或多种算法的投影面积测量值与标准值的偏差在规定的限值内，则进行下一步计算；否则进入工程师维修程序，请双能X射线骨密度仪维修工程师进行维修调试。
最后对选出的算法对应的规则形状校准模体和简化仿形校准模体的投影面积测量值与标准值，采用最小二乘法线性拟合出使得残差平方和最小的修正公式；将该修正公式及其对应的投影面积算法内置于双能X射线骨密度仪中，在以后进行投影面积测量时，利用该算法获得投影面积测量值，并代入修正公式计算获得经过校准的投影面积测量结果。(详细方法请见已同时申请的发明专利：一种双能X射线方法测量骨密度仪器的投影面积校准方法及模体)
组织等效背景材料校准子程序是在投影面积校准子程序执行通过后,在进行骨密度校准子程序前使用组织等效背景材料校准模体进行组织等效背景材料校准，以进一步降低组织背景扣减误差引入的骨密度测量误差。校准主程序根据记录的校准模体单元位置信息，自动定位到组织等效背景材料校准模体位置，进行组织等效背景材料校准。
组织等效背景材料校准模体由一定厚度(如150mm)的组织等效背景材料制备而成。使用测量精度为0.001g/cm3的密度计测量组织等效背景材料的物理密度，保证材料的物理密度与水的物理密度误差不超过±5％；使用吸收系数标准测量装置在70kV～140kV条件下测量组织等效背景材料的吸收系数，保证材料的吸收系数与水的吸收系数误差不超过±5％。通过这些手段保证组织等效背景材料符合固体水等效材料的物理密度、电子密度或有效原子序数材料等效性要求。将这一组织等效材料制成150mm厚的组织等效背景材料校准模体。如果是理想的组织等效背景材料，其骨密度值理论值应该为零，但是由于组织等效背景材料不可能与理论值完全等效，因此使用骨密度模体标准测量装置进行测量，得出组织等效背景材料校准模体的骨密度标准值，用于评估被测骨密度仪在进行骨密度测量时背景扣减与理论背景零值的偏离程度。
组织等效背景材料校准子程序的主要流程是：校准主程序根据记录的校准模体单元位置信息，自动定位到组织等效背景材料校准模体位置，使用被校设备扫描组织等效背景材料模体，按照普通骨密度计算程序计算其骨密度值，给出骨密度测量值与组织等效背景材料校准模体标准值的偏差；若组织等效背景材料校准模体的骨密度值测量误差≤2％时校准通过，否则记录下组织等效背景材料校准模体的测量偏差，将该偏差内置于双能X射线骨密度仪操作程序中，作为测量结果的修正值使用，将计算结果减去记录下来的组织等效背景材料校准模体的测量偏差作为实际骨密度值的测量结果。组织等效背景材料校准主要为了防止在进行骨密度计算时由于组织背景扣减误差过大，而影响骨密度值测量的准确性。
组织等效背景材料校准后，进入骨密度校准子程序执行，机械运动及定位子程序将校准模体单元运动到简化仿形校准模体校准位置，进行骨密度值校准。
简化仿形校准模体包括：手臂骨结构简化模体、股骨结构简化模体和腰椎结构简化模体，每种模体都由仿骨材料制成的骨骼结构简化模块封装在组织等效背景材料中制成。简化仿形校准模体中的仿骨材料在制造时通过调节基材和羟基磷灰石的质量配比来得到不同的羟基磷灰石含量，使得相应简化仿形校准模体达到预设骨密度标准值。制造完成的简化仿形校准模体的实际骨密度标准值与预设的骨密度标准值的偏差不大于±2％；
制造模体过程中简化仿形校准模体的骨密度标准值标定，首先根据仿骨材料制造时基材和羟基磷灰石的质量配比及模体的总质量，计算出模体中的羟基磷灰石含量，除以其实际投影面积，这样得到简化仿形校准模体的骨密度标准值；骨密度标准值选取3种，分别为0.5g/cm2、1.0g/cm2、1.5g/cm2，其中腰椎结构简化模体的3个单节腰椎结构简化模块5的骨密度标准值依次为0.5g/cm2、1.0g/cm2、1.5g/cm2，手臂骨结构简化模体6和股骨结构简化模体7能任选一种标准值进行制造；所有用于校准骨密度值的简化仿形骨密度模体均采用仿骨材料进行制造，制造完成、标定其骨密度标准值后，再使用固体水等效的组织等效背景材料对简化仿形校准模体进行封装。
简化仿形校准模体内置于双能X射线骨密度仪中，当骨密度校准子程序开始执行后，机械运动及定位子程序将校准模体单元运动到简化仿形校准模体校准位置，开始进行骨密度值校准。被校双能X射线骨密度仪按照正常骨密度检查流程对简化仿形校准模体进行扫描，得到简化仿形校准模体的实测骨密度值，如果简化仿形校准模体模体的骨密度实际测量与标准值的相对偏差小于等于5％，则判定该双能X射线骨密度仪骨密度测量结果合格；如果不满足，利用最小二乘法Y(标准)＝a·X(实测)+b进行线性拟合，Y(标准)为简化仿形校准模体的骨密度标准值，X(实测)为简化仿形校准模体的骨密度实测值。将线性拟合的结果内置于双能X射线骨密度仪中作为骨密度值的修正方程。重新扫描简化仿形校准模体，如果修正后的骨密度值与标准值的偏差小于等于5％，则校准通过；若拟合修正后仍存在骨密度值测量结果与标准值的偏差大于5％的情况，则请双能X射线骨密度仪维修工程师进行设备维修调试。
校准主程序执行全部完成后，机械运动及定位子程序控制校准模体单元推出到辐射野以外，最后完成校准结果处理，校准结果处理程序进行相应结果的计算和统计学评估，给出系统的重复性、稳定性分布图和校准分析提示；根据需要校准结果能内置于X射线骨密度仪诊断测量主程序中，供诊断过程中实时监测修正投影面积、组织等效背景材料和骨密度的测量误差，提高骨密度诊断测量的准确度水平；校准程序主程序和校准结果也能作为数据后处理程序，修正测量结果，经过上述步骤校准后的双能X射线骨密度仪即可用于临床诊断测量。
一种双能X射线骨密度仪的自动校准定值方法中采用的校准模体单元，包括规则形状校准模体、简化仿形校准模体和组织等效背景材料校准模体，其中形状校准模体、简化仿形校准模体均使用固体水等效的组织等效背景材料进行封装，组织等效背景材料严格符合水等效材料的密度和材料等效性要求；利用相同固体水等效材料制成组织等效背景材料校准模体。
参见图1A～图1D其中，规则形状校准模体采用经过严格面积定值的规则几何形状,包括球体模体1、管状体模体2、圆柱体模体3及变形管状体模体4；
其中，球体模体1是为球体；管状体模体2为空心圆柱体；圆柱体模体3为圆柱体；
其中球体模体1、圆柱体模体3模拟腰椎骨的基本轮廓形态，管状体模体2模拟骨腔、骨管的基本轮廓形态,变形管状体模体4是用于评价双能X射线骨密度仪对于简单不规则轮廓边缘的识别能力。
参阅图3A、图3B和图4所示，简化仿形校准模体，包括腰椎结构简化模体(由3个单节腰椎结构简化模块5组合而成)、手臂骨结构简化模体6和股骨结构简化模体7(规则形状校准模体和简化仿形校准模体的详细结构请见同时申请的发明专利：一种双能X射线方法测量骨密度仪器的投影面积校准方法及模体)；其中，
简化仿形校准模体在制造时按照选定的骨密度标准值调节模体制造材料配比，使得相应简化仿形校准模体达到预设的骨密度标准值；制造完成的简化仿形校准模体的实际骨密度标准值与预设的骨密度标准值的偏差不应大于±1％；制造模体过程中简化仿形校准模体的骨密度标准值标定，首先根据仿骨材料制造时基材和羟基磷灰石的质量配比及模体的精确质量，计算出模体中总的羟基磷灰石含量，除以其实际投影面积，这样得到简化仿形校准模体的骨密度标准值；骨密度标准值选取3种，分别为0.5g/cm2、1.0g/cm2、1.5g/cm2，其中腰椎结构简化模体的3个单节腰椎结构简化模块5的骨密度标准值依次为0.5g/cm2、1.0g/cm2、1.5g/cm2，手臂骨结构简化模体6和股骨结构简化模体7可以任选一种标准值进行制造；所有用于校准骨密度值的简化仿形骨密度模体均采用仿骨材料进行制造，制造完成、标定其骨密度标准值后，再使用固体水等效的组织等效背景材料对简化仿形校准模体进行封装。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种双能X射线骨密度仪的自动校准定值方法，其特征在于:包括如下步骤：
步骤1：自动控制定位
采用双能X射线骨密度仪内置的自动控制定位方法代替人工手动定位外部校准方法，所述的自动控制定位方法包括如下内容：
首先研制校准模体单元,将规则形状校准模体、简化仿形校准模体和组织等效背景材料校准模体按照一定的顺序组合而成校准模体单元，将校准模体单元组合固定在定位装置(9)上；将组合形成的校准模体单元及其定位装置内置于双能X射线骨密度仪内，使固定在定位装置(9)上的校准模体单元与双能X射线骨密度仪的成像板保持平行，定位装置安装于扫描床的正下方；
然后，自动控制定位，执行机械运动及定位子程序，利用机械运动机构控制校准模体单元及定位装置的移动实现自动控制定位；
步骤2：校准主程序执行
校准主程序包括投影面积校准子程序、组织等效背景材料校准子程序、骨密度校准子程序和校准结果处理程序，同时配备通信协议、数据处理及必要的软件；校准主程序能嵌入双能X射线骨密度仪操作程序中，也能作为单独的外部程序与双能X射线骨密度仪操作程序进行通信，校准主程序执行顺序为先进行投影面积校准子程序，再进行组织等效背景材料校准子程序，最后进行骨密度校准子程序；
步骤3：校准结果处理
校准主程序执行完成后，机械运动及定位子程序控制校准模体单元推出到辐射野以外，校准结果处理程序进行校准结果的计算和统计学评估；校准结果能内置于双能X射线骨密度仪自带的诊断测量主程序中，供诊断过程中实时修正投影面积、组织等效背景材料和骨密度的测量误差，提高骨密度诊断测量的准确度水平；校准主程序和校准结果也能作为数据后处理程序，修正测量结果，经过上述步骤校准后的双能X射线骨密度仪即可用于临床诊断测量。
2.根据权利要求1所述的一种双能X射线骨密度仪的自动校准定值方法，其特征在于:所述的自动控制定位具体方法是校准模体单元通过定位装置(9)固定于机械运动机构的两根平行导轨上，利用机械运动及定位子程序控制导轨运动、导轨带动校准模体单元运动；自动控制定位的具体过程是，机械运动及定位子程序使得校准模体单元进入双能X射线骨密度仪的辐射野内，双能X射线骨密度仪射线源随着校准模体单元的移动同时开启、进行连续曝光成像，机械运动及定位子程序与双能X射线骨密度仪曝光成像同步通信，并记录每次曝光成像对应校准模体单元的位置信息；待获得校准模体单元完整的图像后，由用户手动勾选需要进行扫描的校准模体单元目标区域，机械运动及定位子程序读取相应的位置信息后规划扫描起止位置和扫描路径，然后执行后续校准主程序；校准完成后机械运动及定位子程序将校准模体单元推回辐射野之外；在未进行校准时，校准模体单元、定位装置及机械运动机构均应处于辐射野范围之外。
3.根据权利要求1所述的一种双能X射线骨密度仪的自动校准定值方法，其特征在于:所述的规则形状校准模体和简化仿形校准模体均需经过严格面积定值，且能用于投影面积校准子程序，规则形状校准模体和简化仿形校准模体投影面积标准值确定和投影面积校准子程序包括以下步骤：
步骤2-2-1：对规则形状校准模体和简化仿形校准模体进行边界扫描，给定投影面积标准值；投影面积标准值由测量误差为±1μm的投影仪或工具显微镜测量其相应几何轮廓尺寸、并通过数学几何计算得到；
步骤2-2-2：投影面积校准子程序与结果判别，采用三种常用的轮廓识别算法，包括等灰度曲线算法、边缘强化算法和区域分割算法，以及双能X射线骨密度仪自带的轮廓识别算法进行投影面积的测量和结果判别；
具体的测量和结果判别的方法是：使用等灰度曲线算法、边缘强化算法、区域分割算法及双能X射线骨密度仪自带的轮廓识别算法，勾画规则形状校准模体和简化仿形校准模体的双能X射线骨密度仪投影图像的轮廓边界，并计算对应的投影面积测量值；如果有一种或多种算法的投影面积测量值与标准值的偏差在规定的限值内，则进行下一步计算；否则进入工程师维修程序，请双能X射线骨密度仪维修工程师进行维修调试。
4.根据权利要求1所述的一种双能X射线骨密度仪的自动校准定值方法，其特征在于:所述的组织等效背景材料校准子程序是机械运动与定位子程序根据记录的校准模体单元的位置信息，自动定位到组织等效背景材料校准模体的位置，进行组织等效背景材料校准；
组织等效背景材料校准模体由组织等效材料制作而成，制作组织等效背景材料校准模体前使用密度计测量组织等效材料的物理密度，保证材料的物理密度与水的物理密度误差不超过±5％；使用吸收系数标准测量装置测量组织等效背景材料的吸收系数，保证材料的吸收系数与水的吸收系数误差不超过±5％；通过这些手段保证组织等效材料符合固体水等效材料的物理密度、电子密度或有效原子序数材料等效性要求,将这一组织等效材料制成150mm厚度的组织等效背景材料校准模体，按照骨密度值的定义，此组织等效背景材料校准模体的骨密度理论值为零，此组织等效背景材料校准模体的主要目的是用于评估被测骨密度仪在进行骨密度测量时背景扣减与理论背景零值的偏离程度；
组织等效背景材料校准子程序的主要流程是：校准主程序根据记录的校准模体单元位置信息，自动定位到组织等效背景材料校准模体位置，使用双能X射线骨密度仪扫描组织等效背景材料模体，并使用双能X射线骨密度仪自带程序计算组织等效背景材料模体对应的骨密度测量值，然后组织等效背景材料校准子程序计算出测量值与零值的偏差；若组织等效背景材料校准模体的骨密度值测量误差≤2％时校准通过，否则记录下组织等效背景材料校准模体的测量偏差，将该偏差内置于双能X射线骨密度仪操作程序中，作为骨密度测量结果的修正值使用，将计算结果减去记录下来的组织等效背景材料校准模体的测量偏差作为实际骨密度值的测量结果；组织等效背景材料校准主要为了防止在进行骨密度计算时由于组织背景等效材料扣减误差过大，而影响骨密度值测量的准确性。
5.根据权利要求1所述的一种双能X射线骨密度仪的自动校准定值方法，其特征在于所述的骨密度校准子程序的主要流程是：使用具有骨密度标准值的简化仿形校准模体，利用双能X射线骨密度仪测量获得简化仿形校准模体对应的骨密度测量值，如果所有简化仿形校准模体的骨密度测量值与标准值的相对偏差小于等于5％，判定该双能X射线骨密度仪骨密度测量结果合格，不需要校准；如果不满足，基于骨密度测量值和标准值、采用最小二乘法拟合线性修正公式，如果拟合修正后的所有骨密度值测量结果与标准值的偏差小于等于5％，则校准通过；若拟合修正后仍存在骨密度值测量结果与标准值的偏差大于5％的情况，则请双能X射线骨密度仪维修工程师进行设备维修调试。
6.根据权利要求1所述的一种双能X射线骨密度仪的自动校准定值方法，其特征在于所述的规则形状校准模体、简化仿形校准模体均使用固体水等效的组织等效背景材料进行封装，组织等效背景材料严格符合水等效材料的密度和材料等效性要求；利用相同固体水等效材料制成组织等效背景材料校准模体。
7.根据权利要求6所述的一种双能X射线骨密度仪的自动校准定值方法，其特征在于所述的规则形状校准模体采用经过严格面积定值的规则几何形状,包括球体形的球体模体(1)、管形的管状体模体(2)、圆柱形的圆柱体模体(3)及变形的变形管状体模体(4)；
其中球体模体(1)、圆柱体模体(3)模拟腰椎骨的基本轮廓形态，管状体模体(2)模拟骨腔、骨管的基本轮廓形态,变形管状体模体(4)是用于评价双能X射线骨密度仪对于简单不规则轮廓边缘的识别能力。
8.根据权利要求6所述的一种双能X射线骨密度仪的自动校准定值方法，其特征在于，其中所述的简化仿形校准模体包括腰椎结构简化模体、手臂骨结构简化模体(6)和股骨结构简化模体(7)；
简化仿形校准模体在制造时按照选定的骨密度标准值调节模体制造材料配比，使得相应简化仿形校准模体达到预设的骨密度标准值；制造完成的简化仿形校准模体的实际骨密度标准值与预设的骨密度标准值的偏差不应大于±1％；制造模体过程中简化仿形校准模体的骨密度标准值标定，应首先由密度计给出每个模体对应的体密度值，然后除以其获得投影图像时投影方向上的最大高度，获得骨密度标准值；骨密度标准值选取3种，分别为0.5g/cm2、1.0g/cm2、1.5g/cm2，其中腰椎结构简化模体的3个单节腰椎结构简化模块(5)的骨密度标准值依次为0.5g/cm2、1.0g/cm2、1.5g/cm2，手臂骨结构简化模体(6)和股骨结构简化模体(7)能任选一种标准值进行制造；所有用于校准骨密度值的简化仿形骨密度模体均采用仿骨材料进行制造，制造完成、标定其骨密度标准值后，再使用固体水等效的组织等效背景材料对简化仿形校准模体进行封装。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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