DE60221339T2

DE60221339T2 - Röntgenverfahren mittels zweier Röntgenstrahlenergien zur Unterscheidung zwischen Knochengewebe, Magergewebe und Fettgewebe

Info

Publication number: DE60221339T2
Application number: DE60221339T
Authority: DE
Inventors: Lionel Herve; Christine Robert-Coutant; Jean-Marc Dinten
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2001-12-07
Filing date: 2002-12-04
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2022-12-05
Also published as: FR2833150B1; DE60221339D1; FR2833150A1; EP1317903B1; ATE367767T1; EP1317903A1; US6857640B2; US20030133538A1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Röntgen- bzw. Radiographieverfahren mittels Doppelenergie-Röntgen- oder Gammastrahlen und umfasst eine Unterscheidung zwischen Knochengeweben, Magergeweben und Fettgeweben, vor allem für Messungen des Knochenmineralgehalts eines Organismus (Osteodensitometrie oder Knochendichtemessung).
Bekanntlich kann man Strahlen mit zwei unterschiedlichen Energien benutzen, um einen Organismus zu bestrahlen und ihre beiden Schwächungen durch ein Flächennetz von Detektoren messen, das sich hinter dem Organismus befindet. Die Schwächungsverhältnisse der Knochengewebe und der Weichgewebe sind nämlich für die beiden Energien nicht gleich, so dass man die Dicken der von Strahlen durchquerten Knochengewebe und Weichgewebe berechnen kann, wobei das numerische Problem darauf hinausläuft, ein System von zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten zu invertieren für die Messungen jedes von den Strahlen erreichten Detektors, die den Organismus durchquert haben.
Die Resultate der durch diese Verfahrensart gelieferten Resultate sind jedoch zwangsläufig ungenau, da die Gewebe der lebenden Organismen auch Fette enthalten, deren Absorptionskoeffizienten sich von denen der Knochengewebe und sogar der Magergewebe unterscheiden.
Mehrere Versuche sind gemacht worden, um dieser Unzulänglichkeit des Basisverfahrens abzuhelfen. Es ist vorstellbar, dass eine dritte Bestrahlung mit Strahlen einer dritten Energie ermöglichen würde, ein System mit drei Gleichungen zu erhalten, dessen Lösung die drei durchquerten Dicken der Knochen-, Mager- und Fettgewebe liefern würde, aber es hat sich in der Praxis gezeigt, dass wegen des durch die Photonen der Strahlung erzeugten Rauschens und der Notwendigkeit der Reduzierung der vom Organismus aufgenommenen Gesamtstrahlungsdosis keine ausreichende Genauigkeit erreicht werden konnte. Der Artikel "Theoretical and experimental limits of triple photon energy absorptiometrie in the measurement of bone mineral" von Kotzki et al. in der Zeitschrift Phys. Med. Biol., Band 36, 1991, Seiten 429 bis 437, liefert detailliertere Erläuterungen.
Bei einem anderen Verfahren, genannt "méthode de la ligne de base (Basislinienmethode)", geht man von der Hypothese aus, dass der Fettanteil in den Knochengeweben und den Weichgeweben derselbe ist, jedoch ist dies nicht immer verifiziert und die Berechnung kann dann ziemlich große Fehler aufweisen, die 20% der Dicke der Knochengewebe erreichen können. Der Artikel "Effect of nonmineral tissues an measurement of bone mineral content by dual-photon absorptionmetry" von Sorenson et al., Med. Phys. Band 17 (5), 1990, Seiten 905 bis 912, ist eine Erläuterung dieser Verfahren.
Schließlich kann die zusätzlich zur Unterscheidung der drei Elemente der Organismen notwendige Information in der durch die Strahlen durchquerten Gesamtdicke bestehen. Der Artikel "Dual-photon absorptiometry for determination of bone mineral content in the calcaneus with correction of fat" von Johnson et al., Phys. Med. Biol., Band 35, Nr. 7, 1990, Seiten 961 bis 969, erläutert dies.
Eine Fehlerquelle besteht jedoch darin, dass der untersuchte Teil des Organismus Gastaschen enthalten kann, denn dann ist die durchquerte Gesamtdicke nicht mehr die Summe der Knochen-, Mager- und Fettgewebe und das Verfahren versagt. Die Erfindung hat die Aufgabe, es zu verbessern und insbesondere zur Lösung des Systems zu ermöglichen, die reale Gesamtdicke der Knochen-, Mager- und Fettgewebe und nicht die Dicke des Organismus zu erhalten. Sie betrifft also ein Röntgen- bzw. Radiographieverfahren mittels Doppelenergiestrahlen, mit einer Unterscheidung zwischen Knochengeweben, Magergeweben und Fettgeweben eines von den Strahlen durchquerten Organismus und Schätzungen der Dicken der von den Strahlen durchquerten Knochengewebe, Magergewebe und Fettgewebe, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es die folgenden Schritte umfasst:

– Selektion von bestimmten Strahlen, die keine Knochengewebe durchquert haben;
– Berechnung der Summen der von den selektierten Strahlen durchquerten Magergewebe- und Fettgewebedicken gemäß den durch die genannten beiden Magergewebe- und Fettgewebedicken verursachten Schwächungen;
– Berechnung der in dem Organismus von den Strahlen durchquerten Gesamtlängen, die für die selektierten Strahlen gleich den genannten Summen sind und für andere Strahlen durch Interpolationen zwischen den genannten Summen geschätzt werden;
– und Berechnung der von den selektierten Strahlen durchquerten Knochengewebe-, Magergewebe- und Fettgewebedicken gemäß den Schwächungen beider Energien und den Gesamtlängen.

Detaillierter beschrieben geht man vor wie folgt. Der untersuchte Organismus wird einer Bestrahlung mit einem Bündel von Doppelenergiestrahlen unterzogen, das konisch sein kann. Die Schwächungskoeffizienten der Knochen-, Mager- und Fettgewebe sind für die beiden Strahlenkategorien bekannt. Die Tabelle der gemessenen Gesamtschwächungswerte, die einem zweidimensionalen Doppelbild des Organismus entspricht, wird erstellt. Man entnimmt ihr eine ungefähre Verteilung der Knochengewebe, entweder durch Annahme oder durch eine Prüfung der Gesamtschwächungswerte, die wesentlichen größer sind, wenn die Strahlen Knochen durchquert haben.
Man interessiert sich dann für die Bereiche ohne Knochengewebe. Die Kenntnis der beiden Schwächungen und der Koeffizienten für die Mager- und Fettgewebe ermöglichen, leicht die jeweiligen Dicken dieser von den Strahlen durchquerten Gewebe zu erhalten. Ihre Summe ist die Schwächungsgesamtlänge der Strahlung durch den Organismus an der betreffenden Stelle, wobei die Gastaschen ignoriert werden.
Diese Schwächungsgesamtlänge wird anschließend überall sonst in dem Organismus geschätzt, und insbesondere an den Steilen, die Knochengewebe enthalten. Man kann mittels linearer oder anderer Interpolationen zwischen den Stellen vorgehen, wo man diese Werte schon erhalten hat.
Man verfügt dann für jeden der Detektoren über drei Informationen (die beiden Schwächungen und die Schwächungsgesamtlänge) gegenüber drei Unbekannten, nämlich die durchquerten Längen der drei Gewebegruppen oder ihre durchquerten Massen. Das Gleichungssystem kann dann die folgende Form haben:
wo M_m, M_g und M_os die Massen der pro Flächeneinheit durchquerten Mager-, Fett- und Knochengewebe bezeichnen (in g/cm²), X₁, X₂ und L die Schwächungen der Strahlung (ausgedrückt durch den Logarithmus der Intensitätsverhältnisse der ursprünglichen Strahlung I₀ und der durch den entsprechenden Detektor empfangenen Strahlung I: X = In (I₀/I)) und die Schwächungsgesamtlänge bezeichnen; μ_1m, μ_1g, μ_1os, μ_2m, μ_2g, μ_2os die Schwächungskoeffizienten der Mager-, Fett- und Knochengewebe für die beiden Strahlungen in cm/g² bezeichnen, und ρ_m, ρ_g und ρ_os die volumenbezogenen Massen dieser Gewebe sind. Die Inversion des Systems liefert die Werte von M_m, M_g und M_os, die man mit den durchquerten Dicken der Mager-, Fett- und Knochengewebe L_m, I_g und I_os durch die folgenden Formeln erhält: Im = Mm/ρm, Ig = Mg/ρg und Ios = Mos/ρos in Bezug auf die klassische Basislinienmethode hat die Erfindung sehr gute Resultate geliefert. Es wurde insbesondere in den wesentlichen Bereichen des Organismus eine sehr gute Genauigkeit festgestellt, während die Basislinienmethode an den Stellen der Knochenzonen und vor allem des Übergangs zwischen den Knochenzonen und den Weichgeweben Bewertungs- bzw. Auswertungsfehler erzeugt hat.
Die Durchführung des detaillierten obigen Verfahrens hängt davon ab, dass die durchquerte Gesamtlänge L durch eine lineare Funktion der Messungen bzw. Maße X₁ und X₂ ausgedrückt wird. Diese Hypothese verifiziert sich nicht immer, insbesondere wenn die Strahlung polychromatisch ist: die Länge L drückt sich dann durch eine kompliziertere polynominale Funktion aus, wie etwa L = αX1 + βX2 + γX2 1 + δX1X2 + εX2 2.
Man entwickelt dann das vorhergehende Verfahren durch die zusätzlichen Schritte wie folgt. Die Koeffizienten α, β, γ, δ und ε werden bewertet mittels Strahlenmessungen durch eine ausreichende Anzahl von Zwischenelementen hindurch, die unterschiedliche Dicken von mageren und fetten Geweben simulieren, wie etwa Wasser und Plexiglas. Die Schwächungsgesamtlänge L kann anschließend konform mit dem Hauptverfahren in jedem Punkt des Objekts gemessen werden, an den knochenlosen Stellen direkt und anderswo durch Interpolation.
Anschließend – da die Längen I_m, I_g und I_os sich nun durch nichtlineare Funktionen von X₁, X₂ und L ausdrücken – werden die Koeffizienten dieser Funktionen erneut durch Strahlungsmessungen durch Zwischenelemente hindurch bewertet, die hier durch unterschiedliche Dicken von drei Materialien gebildet werden, nämlich den vorhergehenden und einem Material, das die Knochengewebe simuliert. Man kann dann die Längen (oder die Massen) erhalten.

Claims

Röntgenverfahren mittels zweier Röntgenstrahlenergien zur Unterscheidung zwischen Knochengeweben, Magergeweben und Fettgeweben eines von den Strahlen durchquerten Organismus und zur Schätzung der Dicken der von den Strahlen durchquerten Knochengewebe, Magergewebe und Fettgewebe, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: – Selektion von bestimmten Strahlen, die keine Knochengewebe durchquert haben; – Berechnung der Summen der von den selektierten Strahlen durchquerten Magergewebe- und Fettgewebedicken gemäß den durch die genannten beiden Magergewebe- und Fettgewebedicken verursachten Schwächungen; – Berechnung der in dem Organismus von den Strahlen durchquerten Gesamtlängen, die für die selektierten Strahlen gleich den genannten Summen sind und für andere Strahlen geschätzt werden durch Interpolationen zwischen den genannten Summen; – und Berechnung der von den selektierten Strahlen durchquerten Knochengewebe-, Magergewebe- und Fettgewebedicken gemäß den Schwächungen beider Energien und den Gesamtlängen.