CN1382421A - 用成像法对生物体进行检查的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用成像法、通过测定生物体的感兴趣区域(Region OfInterest=ROI)的按时间先后顺序获得的图像的造影剂浓度对生物体进行检查的方法,本方法包括以下步骤:对于所述ROI的每个图像产生一个可借助于成像方法确定的物理特性定量值的矩形图,并且基于ROI内存在的物理特性定量值的频度测定ROI内的造影剂浓度。

Description

用成像法对生物体进行检查的方法

技术领域

本发明涉及一种用成像法对生物体进行检查的方法，它通过测定在显示生物体的感兴趣区域(Region Of Interest＝ROI)的、按时间先后顺序用所述成像法测定物理特性的定量值所获得的图像的造影剂浓度的时间变化曲线来实现，该造影剂的物理特性可通过该成像法确定。

背景技术

这种方法例如应用于X射线-计算机断层造影，以在当ROI内出现一定浓度的造影剂时，能够开始正式的检查。

该方法的过程是，造影剂使用者在一个未用造影剂拍摄的参考图像上标记出一个关键解剖学区域，例如一个圆形的ROI，并且随着开始注入造影剂，拍摄在时间上前后相接的图像，其中，对每个关于ROI的图像测定物理特性的平均值，并将其与未用造影剂拍摄的图像的相应平均值进行比较。如果该平均值超过了一个可由使用者设定的阈值，则开始进行正式检查。

该方法具有一系列的缺点：

-如果关键解剖学区域很小，则难以标记ROI，此外，关键解剖学区域经常是当造影剂达到了某种浓度后才能清晰辨认。

-在某些情况下，很难仅根据解剖学信息，例如肝的无肿瘤区和无血管区确定所述关键解剖学区域。

-如果所述关键解剖学区域是移动的，例如由于吞咽运动或由于患者的身体运动造成的移动，则所述物理特性平均值将出现强烈波动，特别是当在ROI附近存在解剖结构时，则其物理特性值将大大偏离ROI区域内存在的物理特性平均值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种上述类型的方法，该方法可简化对ROI的标记，并且尽可能减小对移动的敏感性。

按照本发明，上述技术问题是通过一种利用成像法对生物体进行检查的方法实现的，该方法通过测定显示生物体的感兴趣区域的按时间先后顺序用所述成像法测定物理特性的定量值所获得的图像中的造影剂的浓度来实现。

根据该方法，造影剂的浓度，特别是造影剂浓度的时间变化曲线不是基于平均值测定的，而是基于矩形图测定的，其中，由于在所述矩形图中不仅确定平均值，而且还对ROI确定相应于造影剂的物理特性的定量值的频度，所以和观察平均值的情况不同，造影剂浓度在ROI内的增长能够被清晰识别，这本身就适用于当ROI明显大于位于ROI内的、含有造影剂的关键解剖学区域的情况。

因此存在例如这样的可能性，测定一根平行于所述矩形图频度轴线的、将含有矩形图总面积的一个被定义部分的矩形图区域分开的直线的位置时间变化曲线，作为所述造影剂浓度时间变化曲线的标度。另一种可能性是，测定平行于所述矩形图频度轴的、穿过包含由平行于所述矩形图频度轴的直线所分离的矩形图的总面积的被定义部分的平均值的直线的位置的时间变化曲线，作为造影剂浓度的时间变化曲线的标度。在这两种情况中，当所述关键解剖学区域的造影剂浓度不达到一定程度就实际上无法识别时，则测定造影剂浓度的时间变化曲线本身的条件是，标出一个含有所述关键解剖学区域的ROI。在特定的应用情况中究竟选择上述两种方案的哪一种，一方面取决于所标出的ROI的尺寸与所述关键解剖学区域的尺寸的比值，另一方面取决于所期望的造影剂浓度与噪声电平的比值。

其中，所述矩形图总面积的被分开的定义部分相应于大于在没有造影剂时得到的主要物理特性值的物理特性值，当属于造影剂的物理特性值如在通常情况下那样大于没有造影剂时的主要物理特性值时；另一方面，当物理特性值低于没有造影剂时的主要物理特性值时，则属于造影剂的物理特性值低于没有造影剂时的主要物理特性值。

如果在进行检查之前，在ROI内没有已知的所期望的含有高浓度造影剂的解剖学区域，则按照本发明的一种变型，可测定所述矩形图的一个中间区域的平均值或中间值的时间变化曲线作为造影剂浓度的时间变化曲线的标度，其中，所述矩形图中间区域的边界是由平行于矩形图频度轴的、将包含矩形图总面积的被定义的上部区域分离出来的直线和平行于矩形图频度轴的、将包含矩形图总面积的一个被定义的部分区域分离出来的直线限定的，其中，所述包含矩形图总面积的上部被定义区域的区域相应于高于矩形图中间区域所对应的物理特性值的物理特性值，而所述包含矩形图总面积的下部被定义区域的区域相应于低于矩形图中间区域所对应的物理特性值的物理特性值。

根据本发明的另一种实施方式，测定造影剂浓度时间变化曲线的方法包括以下步骤：对在造影剂给药之前生成的图像建立一个矩形图，将按时间顺序先后获得的图像的矩形图分别与该图通过例如相减进行比较，其中，测定造影剂物理特性值和没有造影剂时的主要物理特性值之间的距离的时间变化曲线作为造影剂浓度时间变化曲线的标度。其中，可按以下方式进行，分别将所述造影剂给药之前生成的图像的矩形图从按时间顺序获得的图像的矩形图中减去。在这种情况下，在相减所产生的结果矩形图中，属于造影剂的物理特性值产生一个正的局部最大值，而没有造影剂时的主要物理特性值产生一个负的局部最大值。所述结果矩形图的可评估性能可以通过下述方式得以改善：即将由相减所得到的结果矩形图与造影剂给药之前生成的图像的矩形图相摺合。

根据本发明的一种变型，所述造影剂浓度时间变化曲线用于当所述造影剂浓度超过一个阈值时，开始进行检查。

按照本发明的方法特别适用于X射线-计算机断层造影，其中，作为造影剂通常使用在血液循环中具有很高吸收性的物质。经常采用具有很高原子序数的物质作为造影剂，例如碘(J53)。

在使用X射线-计算机断层造影时，为使患者在正式开始检查之前接受尽可能小剂量的X射线，按照本发明的一种优选实施方式，所述按时间先后顺序、通过测定物理特性定量值所获得的图像是用相对于进行检查时所使用的X射线剂量减小的X射线剂量产生的。

附图说明

下面将以所涉及的X射线-计算机断层造影为例，结合附图所示的实施方式对本发明作进一步的说明，其中：

图1表示一台具有按照本发明的体位台的X射线诊断机，即X射线-计算机断层造影(CT)设备，

图2表示一标记ROI的方法，以及

图3至图10表示相应于按照图1所示的X射线-CT设备的工作方式的、按照本发明的方法的不同实施方式的矩形图。

具体实施方式

在图1中示出了一台X射线CT机，其整体用标号1表示的龙门架具有一个测量开口2，它被一个转环3围绕，在该转环上设置了一个X射线发射器4，该X射线CT机还具有一个整体用标号5表示的检测系统，该系统具有一个公知的弧形探测器，它围绕一根优选平行于系统轴线Z、并穿过X射线发射器4的焦点的轴线弯曲布置。所述探测器5具有若干行探测元件5₁至5_n，其中每行内都设有若干个探测元件。从所述X射线发射器4发出用点划线表示的射到探测器5上的锥形X射线束RS。

所述具有X射线发射器4和探测器5的龙门架1一方面具有至少用于容纳被检测对象(例如患者P)的、属于整体用标号8表示的体位装置的体位台7，另一方面通过一个未示出的电机驱动装置可沿平行于系统轴线Z延伸的体位台7的纵轴线方向做相对位移。在图1所示的CT机中，体位台7在体位装置8的底座9上借助支承件10沿体位台7的系统轴线Z的方向移动，即沿用z标出的双箭头方向移动。

体位台7采用一种对X射线衰减小的材料制成，例如碳纤维增强材料(CFK)或者木材。

为了生成计算机断层造影照片，所述龙门架1和体位台7在一个位置上做相对移动，其中，所述体位台7暴露在龙门架1的测量开口2下，并且躺在体位台7上的患者P相对龙门架1处于一个使其需检测部位被X射线射束RS照射的体位。

为了得到患者P的一个或多个断层平面照片，所述转环3连同X射线发射器4和探测器5围绕系统轴线Z转动，以从不同方向的投影位置上拍摄患者P的一个或多个断层平面的一个或多个断层图像的若干复原结构，而龙门架1和体位台7则相对系统轴线Z的方向保持其相对位置。因为探测器5具有若干行探测元件，所以能同时拍摄最大层数为探测器5的行数5₁至5_n的患者P的断层投影图。与投影图对应的测量值来自探测器5的5₁至5_n行的一行或多行，所述测量值输入给计算机11，它依据这些测量值按照公知的方法计算出一个或多个断层图像，这些断层图像可显示在一个显示装置上，例如监视器12上。在计算机11上设置了键盘13、鼠标14和/或其它用于操作该CT机的、在图中未示出的输入设备。

为了实施所谓的螺旋扫描，在X射线发射器4处于工作状态以及转环3连续转动时，将体位台7沿系统轴线Z、即沿z方向直线移动，由此，所拍摄的投影图将不是一个或多个断层平面，而是一个或多个螺旋状断层。借助于公知的螺旋内插法，计算机11依据在螺旋扫描过程中得到的测量投影图计算出于一个或多个所期望的平面断层相关的投影图，并且按照相应的断层图像进行复原。此外，还可以基于螺旋扫描复原出3维图像，因为在螺旋扫描过程中不仅对平面断层进行扫描，而且还对体积进行扫描。

为了在使用造影剂之前确定患者P的被检查区域，通常使用固定或移动体位台。

对于使用造影剂进行的检查，设置了一个造影剂注射器15，通过该装置的套管针16可将造影剂输入到患者P体内。在所述的实施方式中，造影剂注射器15是用一个相应的管线表示的，它由计算机11控制，计算机11不仅控制单位时间内输给患者P的造影剂的数量，而且还控制输入造影剂的开始和结束。

用造影剂进行检查的效果取决于以下条件，只有当被检查的身体部位实际上已经聚集了足够浓度的造影剂后才开始检查。

为了确保以上条件，所采用的方法是，在正式检查开始前，在所谓的监视器扫描过程中，为保护患者P，采用减小的X射线剂量进行扫描，先监视造影剂的实际浓度，然后在造影剂达到了所要求的浓度后，才用正常X射线剂量进行正式检查。

为了设定必要的X射线剂量，所述X射线发射器4以及为运行该发射器而提供所需电压和电流的供电装置17同样由计算机11控制，在图中用相应的导线连接表示。

在本发明所述方法中所采取的步骤是，首先在不激活造影剂注射器15的情况下，对患者P包含待检查的状况的身体部位进行监视器扫描。通过鼠标14可以在一个监视器12显示的没有造影剂的监视器扫描所获得的断层图像上标出例如为圆形的ROI，如图2中的虚线所示，该区域是随后作为标定区表示的患者身体区域，例如图2中的横截面上所看到的包含血管V，如颈动脉的部位，该部位中含有的造影剂浓度对于正式检查的分辨率将起到决定性作用。

完成了ROI标记后，例如可通过操作键盘13使造影剂注射器15按照检查所要求的工作参数开始工作。经过一定的延迟时间后，可进行进一步的监视器扫描，但是根据检查的情况也可没有延迟时间。对于该监视器扫描过程中所得到的断层图像以及基于无造影剂监视器扫描所得到的断层图像，计算机11分别产生一个关于标记ROI的图像点所对应的CT数的矩形图，这些CT数相应于图像点所属的照射衰减值，并且在监视器12显示断层图像时被转换成灰度值。

考虑到CT数在矩形图中的频度，计算机11对造影剂浓度的测定至少是定性的，例如按照其时间变化曲线进行，并且将所测定的造影剂浓度与一个阈值进行比较。如果通过键盘13按照相应的检查所选择的该阈值被超过，则监视器扫描结束，并且必要时在可通过键盘13设定的延迟时间之后，进行正式的检查，检查采用固定或者移动体位台7进行。

因为和现有技术不同的是，不采用ROI图像点的CT数平均值作为造影剂浓度的判断尺度，而是基于一个矩形图测定造影剂浓度，所以有别于已有技术的是，不必将ROI的尺寸限制在尽可能窄的标定区域内；只要能够保证标定区实际上处在ROI范围内即可满足要求，并且ROI的面积不必过分超出标定区面积即可，也就是说，根据使用情况不大于5至25倍即可。

在根据本发明所述方法的实施方式的X射线CT机的一种特殊的运行方式中，测定造影剂浓度时间变化曲线的方式是，测定一根平行于所述矩形图频度轴延伸的、将含有矩形图总面积的一个被定义部分的矩形图区域分开的直线的位置，作为所述造影剂浓度时间变化曲线的标度。

该方法如图3至图5所示，其中图3是一个矩形图，它是在造影剂给药之前通过监视器扫描获得的。图4所示的矩形图是造影剂浓度在标定区域内相对较小时的情况。图5所示的矩形图表示在标定区域内存在足以进行检查的造影剂浓度时的情况。

在所述矩形图中用CTN表示的水平轴线表示CT数，用F表示的垂直轴线表示CT数的相对频度。

在没有造影剂存在时得到的CT数，其矩形图具有一个相应的最大值，如果所述标定区域如上所述是血管V的话，它相应于血管V周围的组织的CT数。

在图3至图5所示的情况中，用pc_10％分别表示以作为实例的百分比pc将矩形图总面积的10％隔开的、平行于矩形图的频度轴F延伸的直线。

作为在监视器扫描时刻所存在的造影剂浓度的标度，要测定直线pc_10％至造影剂开始给药前的对应直线pc_10％(0)之间的距离D。如果该距离超过图3至图5中用S表示的阈值，如图5所示的情况，则开始进行正式的检查。

如图3至图5所示，直线pc_10％(0)和pc_10％之间的距离D明确表示标定区域内存在的造影剂浓度，由此可以基于阈值S精确地确定检查的开始，因为通过造影剂确定的矩形图部分能够明确地被识别，且在图5所示的状态下，在造影剂所对应的CT数的范围内出现了矩形图的第二个最大值。

此外，相应于各个百分比pc的平行于频度轴的直线还如图5所示，穿过与造影剂对应的矩形图的频度最大值延伸，当百分比pc用％表示并满足以下等式时： $\mathrm{pc}[\%]=100[1-\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{Area}}_V}{2{\mathrm{Area}}_{\mathrm{ROI}}}]$

其中Area_V表示相应血管V的横截面面积，Area_ROI表示ROI的横截面面积。

在某些情况下为了实现目的还可以用其它方式：在图3至图5中用一条平行于矩形图频度轴F的直线取代以特定百分比划分矩形图面积的直线，前者穿过与一个确定百分比对应的矩形图面积的部分的平均值延伸，其中，所述矩形图面积的部分是通过一根对应的平行于矩形图的频度轴延伸的直线定义的。在图3至图5所示的情况中，该直线分别是用 pc_10％表示的直线，它穿过由直线pc_10％所划分的矩形图面积的部分的平均值。

以上所述方法不仅适用于血管造影，也适用于大脑造影。在这种情况下出现的问题是，在大脑内的造影剂浓度很低，而且血管构造很细，所以在拍摄没有造影剂的图像时，通常无法明确显示出脑主质(Parenchym)。在这种情况下采取的方式是，选择整个大脑作为ROI，这例如可以通过自动寻找头盖骨轮廓实现。另一种方式是，选择尽可能大的、包含尽可能多的动脉构造的脑部区域作为ROI。

考虑到大脑中的血液含量大约相当于大脑体积的4％，适于选择具有相同数量级的确定的百分比pc。

在图6所示的情况中，所定义的百分比pc为2％，其中可明显看出，就是在这种情况下也能开始正式检查。

在目标在于寻找可能存在的肿瘤的特定的肝部检查中，所出现的问题是，正式检查的开始取决于正常肝组织被最佳地填充了造影剂。如果所检查的ROI中含有在没有造影剂的情况下很难区分出边界的血管或者转移组织，则会干扰检查的开始。

在本发明所述方法的一种相应的实施方式中，所采用的X射线CT机的工作方式是这样满足以上要求的：将矩形图的中间区域的时间变化曲线作为造影剂浓度时间变化曲线的标度。其中，表示造影剂给药之前的情况的所述矩形图的中间区域如图7所示，其边界由平行于矩形图频度轴F的、将包含矩形图总面积的定义的上部分的区域分离出来的直线pc_x％和平行于矩形图频度轴的、将包含矩形图总面积的定义的下部分的区域分离出来的直线pc_y％限定。

为了更好地理解，在图7中不仅用实线表示出结果矩形图，而且还用点划线示出正常肝主质的矩形图部分，用点线示出存在于正常肝主质内的血管的矩形图部分，以及用虚线示出存在于正常肝实质内的转移组织的矩形图部分。

在造影剂给药后可得到图8所示的状态，其中，仍用实线表示结果矩形图，血管和转移组织以及正常肝组织的矩形图部分仍采用与图7所示的类似线型表示。

当矩形图中间区域的平均值(在图8中用一根平行于频度轴F且穿过平均值的直线M表示)的变化超过了阈值S时，正式检查开始。

从图中可清楚地看出，开始检查的时刻，即正常肝主质很好地被造影剂填充的时刻得到保证，尽管有转移组织和血管的存在。

如果pc_x％和pc_y％是对称的，即pc_x％＝100-pc_y％，则简化为将矩形图中间值的改变作为开始的条件。

在本发明所述方法的另一种实施方式所对应的X射线CT机的运行方式中，首先产生一个没有造影剂的监视器扫描的矩形图，然后利用该图，优选地通过相减、比较产生在造影剂给药之后进行的监视器扫描的矩形图。

这种方法在图9中用一个理想的矩形图表示，其中用点线表示的矩形图H1是基于没有造影剂的监视器扫描测定的，而用虚线表示的矩形图H2则是基于造影剂给药若干时间后进行的监视器扫描所得到的。

对于监视器扫描得到的各个矩形图，分别通过与没有造影剂时测定的矩形图进行差值运算产生一个差值矩形图HD，其中，在图9的情况下，该差值矩形图HD的变化曲线用实线表示。

所述差值矩形图HD的曲线具有一个负的和一个正的最大值，在两者之间有一个过零点。该过零点随着造影剂浓度的增加同样朝更高CT数的方向移动。该差值矩形图HD的过零点可以由于其位于两个最大值之间的特点而很容易识别出来。

可以看出，由与差值矩形图HD的过零点对应的CT数和没有造影剂时对应的矩形图的CT数的差Δ等于实际存在的造影剂浓度。

因此，当该差值Δ超过一个阈值S时，正式检查开始。

在本发明所述方法中，X射线CT机在进行监视器扫描时，与所选择的工作方式无关，可以采用比进行正式检查所使用的X射线剂量更小的X射线剂量进行扫描。其效果是，由于因此而出现了更多的噪声，则图10所示的实际测定的矩形图H1和H2明显偏离了图9所示的理想矩形图。这一点也适用于差值矩形图HD，由于在正最大值和负最大值之间可能存在多个过零点，而且通常也确实存在，因此对差值矩形图HD的分析计算不再可能是明确的。

因此，在所描述的X射线CT机的工作方式中，将差值矩形图HD与未给造影剂时测定的矩形图H1进行褶合，见图10中用粗实线表示的曲线R，它相当于平滑了的差值矩形图HD，可以很容易按照与图9所示的类似的方式进行分析计算。

应当指出的是，在以上所述的工作方式中，矩形图的测定、矩形图的分析计算、相减运算和褶合运算、与阈值的比较等均由计算机11实施。

同样，计算机11还控制X射线CT机产生监视器扫描序列，并且在超过相应的阈值时使正式检查开始。

各个标定阈值S可以和直线pc_x％的位置一样由操作人员通过例如键盘13输入到计算机11中。同样也可经键盘13或借助鼠标选择相应的工作方式，并启动监视器扫描。

本发明的方法优选用于X射线诊断，特别是计算机断层造影，但是也可以与其它采用造影剂实施的成像方法(例如磁共振和超声波法)结合使用。

Claims (13)

1.一种利用成像法对生物体进行检查的方法，通过测定显示生物体的感兴趣区域(Region Of Interest＝ROI)的按时间先后顺序用所述成像法测定物理特性的定量值所获得的图像中的一种具有可通过成像法确定物理特性的造影剂的浓度来实现，本方法包括以下步骤：对于所述ROI的每个图像产生一个物理特性定量值的矩形图，并且基于ROI内物理特性定量值存在的频度测定ROI内的造影剂浓度。

2.如权利要求1所述的方法，其中，测定造影剂浓度的时间变化曲线，并且基于ROI内物理特性定量值存在的频度测定ROI内的造影剂浓度的时间变化曲线。

3.如权利要求2所述的方法，其中，测定一根平行于所述矩形图频度轴的、将包含矩形图总面积的一个被定义部分的矩形图区域分开的直线的位置的时间变化曲线，作为造影剂浓度时间变化曲线的标度。

4.如权利要求3所述的方法，其中，将所述被定义的部分分开的各直线的位置是通过其与一根平行于矩形图频度轴的直线之间的距离定义的，该直线将一个包含相应于未加造影剂时得到的矩形图的总面积的等于所述被定义的部分的一部分区域分开。

5.如权利要求2所述的方法，其中，测定平行于所述矩形图频度轴的、穿过包含由平行于所述矩形图频度轴的直线所分离的矩形图的总面积的被定义部分的平均值的直线的位置时间变化曲线，作为造影剂浓度的时间变化曲线的标度。

6.如权利要求3所述的方法，其中，所述穿过平均值的各直线的位置是通过其与一条直线之间的距离定义的，该直线穿过一个在没有造影剂时得到的相应矩形图的一个区域的平均值，该区域是由一条平行于该矩形图频度轴的直线分离出来的，它相应于没有造影剂时得到的矩形图总面积的等于所述被定义部分的一部分区域。

7.如权利要求2所述的方法，其中，测定所述矩形图的一个中间区域的平均值或中间值的时间变化曲线，作为造影剂浓度时间变化曲线的标度，所述矩形图中间区域的边界是由平行于矩形图频度轴的、将包含矩形图总面积的被定义的上部区域分离出来的直线，和平行于矩形图频度轴的、将包含矩形图总面积的一个被定义的部分区域分离出来的直线限定的，其中，所述包含矩形图总面积的上部被定义区域的区域相应于高于矩形图中间区域所对应的物理特性值的物理特性值，而所述包含矩形图总面积的下部被定义区域的区域相应于低于矩形图中间区域所对应的物理特性值的物理特性值。

8.如权利要求2所述的方法，其中，测定造影剂浓度时间变化曲线的方法包括以下步骤：对在造影剂给药之前生成的图像建立矩形图；将按时间顺序先后获得的图像的矩形图分别与该矩形图进行比较，其中，测定造影剂的物理特性值的时间变化曲线作为造影剂浓度时间变化曲线的标度。

9.如权利要求8所述的方法，其中，分别将所述造影剂给药之前生成的图像的矩形图与所述按时间顺序先后获得的图像的矩形图相减，以产生结果矩形图。

10.如权利要求9所述的方法，其中，将所述相减的结果与造影剂给药之前生成的图像的矩形图相摺合。

11.如权利要求1至10中任何一项所述的方法，其中，当所述造影剂浓度超过一个阈值时，即开始进行检查。

12.如权利要求1至11中任何一项所述的方法，其中，所述成像法为X射线-计算机断层造影。

13.如权利要求12所述的方法，其中，所述按时间先后顺序用通过测定物理特性定量值所获得的图像是用相对于进行检查时所使用的X射线剂量减小的X射线剂量产生的。

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