藉助多能量計算機斷層造影確定體內物質濃度的方法和裝置的製作方法
2023-07-08 19:39:06 3
專利名稱：藉助多能量計算機斷層造影確定體內物質濃度的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於確定物質在由兩種不同的物質成分以未知比例組成的身體物質(Krpermaterial)中的濃度的方法，其中利用多能量計算機斷層造影設備在兩種不同的X射線頻譜分布下記錄該身體物質的兩張計算機斷層造影照片，並從這兩張計算機斷層造影照片中再現兩個圖像數據組，由這兩個圖像數據組確定對於每個感興趣的體素的物質濃度。本發明還涉及一種用於實施該方法的裝置。
本發明的主要應用領域涉及確定在人類患者或動物患者的身體物質中的造影劑濃度，尤其是肝臟中的造影劑濃度。
背景技術：
為了藉助計算機斷層造影設備(CT)確定造影劑濃度，迄今公知有兩種不同的技術。從而可以分別在注射造影劑之前和之後記錄應當測量出造影劑濃度的身體部位的計算機斷層造影照片。在配準兩張在此過程中獲得的CT圖像之後將這兩張CT圖像相減，以針對每個圖像點或每個體素獲得由造影劑引起的X射線衰減值的升高。該X射線衰減值的升高與造影劑的濃度成正比。但是，由於在此過程中需要不同時刻的計算機斷層造影照片而可能出現配準偽影或運動偽影，這些偽影可能導致錯誤的確定。此外，在採用只能在身體物質中緩慢聚集的造影劑時，必須在兩個計算機斷層造影照片之間保持不期望的長等待時間。
第二種公知技術利用多能量計算機斷層造影設備同時記錄兩張具有不同X射線頻譜分布、即不同X射線能量的計算機斷層造影照片。在該技術的變形中首先針對兩種X射線能量分開地再現圖像數據組。接著將對每個體素所測量的X射線衰減值分解為兩種基本物質的分子密度(兩種物質分解)，其中一種基本物質為造影劑。根據兩個由該分解產生的方程可以針對每個體素確定兩個未知數、即兩種基本物質的濃度。但是，對於很多身體物質該技術不會產生令人滿意的結果，因為對所有包含在身體物質中的物質成分很難預見該分解。因此將該技術用於確定在通常還包含較多脂肪的肝臟中的造影劑濃度會導致難以解釋這兩種基本物質形成的混合物。
發明內容
本發明要解決的技術問題在於提供一種用於定量地確定物質、尤其是造影劑在身體物質中的濃度的方法和裝置，其可以通過簡單的方式可靠地確定濃度。
在本方法中，利用多能量計算機斷層造影設備、尤其是利用所謂的雙能量計算機斷層造影設備在X射線的兩種不同頻譜分布下記錄兩張身體物質的計算機斷層造影照片。利用兩種不同X射線能量的記錄在此優選同時進行。按照公知方式由該計算機斷層造影照片的測量數據再現出兩個包含X射線衰減值x的圖像數據組。X射線衰減值在此既可以理解為衰減係數μ，又可以理解為從該衰減係數推導出的值如CT值。在本方法中，將兩個圖像數據組的每個感興趣體素的X射線衰減值x分解為3個物質成分的X射線衰減值。這3個物質成分是身體物質的兩種不同物質成分以及一種應當確定濃度的物質。當然身體物質的兩種不同物質成分在此不必是化學上的純材料，而是也可以是材料的混合物。在本方法中，X射線衰減值的分解在以下假設條件下進行身體物質的X射線衰減值xM在沒有該物質的情況下由第一和第二物質成分的X射線衰減值xM1、xM2按照以下方程組成xM＝f*xM1+(1-f)*xM2(1)其中f對應於身體物質中第一物質成分的體積含量。然後基於該分解針對每種感興趣體素確定該物質的濃度。這是可行的，因為對每個體素來說分別給出總共有兩個未知數的兩個方程(對應於兩個圖像數據組)，即第一物質成分的體積含量f以及在身體物質中聚集的物質的濃度c。
因此在本方法的優選實施方式中，也通過求解以下兩個方程的方程組而確定所述物質的濃度xE1＝c*xKM，E1+f*xM1，E1+(1-f)*xM2，E1xE2＝c*xKM，E2+f*xM1，E2+(1-f)*xM2，E2(2)其中xE1/E2對應於來自在X射線的不同頻譜分布或能量E1、E2下的兩個圖像數據組的X射線衰減值，c對應於所述物質在身體物質中的濃度。在不同X射線能量E1、E2時的X射線衰減值xM1、xM2是已知的，例如可以從表中查出。同樣的也適用於待確定物質的X射線衰減值xKM。該X射線衰減值必要時也可以事先通過例如採用水模型單獨進行的校準測量來確定。
本方法和對應的裝置利用了實際上很多物質只以近似恆定的密度出現在人體和動物體內這一知識。以該特性為基礎，兩種物質組成的混合物在CT照片中也不是以任意的X射線衰減值出現的。這例如針對肝臟組織可以通過實驗來證明。肝臟組織的CT值隨著儲藏的脂肪的含量增加而線性降低。此外還公知在計算機斷層造影設備的不同管電壓下、即不同X射線能量下的X射線衰減值之差是脂肪含量的線性函數。這一關係可以轉用到其它身體物質上，並在本方法和對應的裝置中得到利用，其方法是在分解X射線衰減值時考慮方程(1)。
因此本方法和裝置適用於簡單和直接測量或確定物質在身體物質中的濃度，該測量在很多情況下提供了比目前採用的兩種物質分解更為可靠的結果。但是，應當確定其濃度的物質在此會引起在CT照片中X射線衰減值的明顯升高。這在確定造影劑濃度時可以毫無困難地給出。
在本方法以及對應裝置的優選應用中，確定在肝臟中的造影劑濃度。在此脂肪和肝臟組織就是在本方法中用於分解的兩種物質成分。儘管在肝臟中還典型地存在其它物質，但這種唯一地分類為由脂肪和組織組成的混合物可以導致對造影劑濃度的正確確定。
在本方法和對應裝置的優選實施方式中，根據至少一個圖像數據組以及事先確定的濃度針對每個體素或感興趣體素在相應圖像數據組中計算由所述物質引起的X射線衰減值的升高。然後將X射線衰減值的升高作為圖像顯示，在該圖像中用對應於所述物質的相應濃度的灰度標示出聚集了所述物質的區域。在另一個同樣計算X射線衰減值的升高的優選實施方式中，將計算出的升高與相應圖像數據組的X射線衰減值相減，從而可以獲得和顯示沒有所述物質的圖像，下面將其稱為虛擬的原始圖像(Nativbild)。
本發明的裝置包括多能量計算機斷層造影設備，其用於在不同的X射線能量或不同的X射線頻譜分布下同時記錄身體物質的兩張計算機斷層造影照片；圖像再現單元，用於根據這兩張計算機斷層造影照片再現兩個圖像數據組；以及確定模塊，用於針對每個感興趣體素確定和輸出所述物質的濃度。該確定模塊在本發明的裝置中實施為用於執行本方法的分解步驟和計算步驟。從而該確定模塊尤其是將兩個圖像數據組的每個感興趣體素的X射線衰減值x分解為三種物質成分的X射線衰減值，以從中在本方法所採用的假設條件下確定出所述物質的濃度。
在此，本發明的方法和對應的裝置不僅可以用於確定在肝臟中的造影劑濃度，而且還可以用於確定在其它身體物質中的造影劑濃度或其它物質的濃度，只要該身體物質可以近似地按照在本方法中採用的假設條件而表示為由兩種物質成分組成的混合物。這例如對於由水和理想的軟組織組成的混合物也是如此。所涉及的身體物質的兩種物質成分在此不必是化學的純物質，因為即使在肝臟中肝臟組織的物質成分也包含水。將一種物質成分逐步地替換為另一種含量不變的第三成分也可以表示為只由兩種已知密度的物質成分組成的混合物。
本方法以及對應裝置的特殊應用涉及將身體物質中的骨骼和造影劑區分開來。為此，作為物質成分除了造影劑之外還使用組織(類似於血液和紅色的骨骼標記)和理想的骨骼。原則上在體內應當只出現由組織和造影劑組成的理想混合物以及由組織和骨骼組成的混合物。實踐中例如黃色骨骼標記的存在雖然會導致與這些理想混合物有所偏差，但利用本方法和對應的裝置也可以在這種情況下實現骨骼和含有造影劑的部位之間的期望的分離。
下面藉助實施例結合附圖非限制性地再次簡要解釋本發明的方法和對應的裝置。在此圖1示出用於表示本發明方法中所述關係的第一圖表；圖2示出用於表示本發明方法中所述關係的第二圖表；圖3示出本發明方法方法流程的例子；圖4以示意圖的方式示出本發明裝置的例子。
具體實施例方式
下面藉助對患者肝臟內的造影劑濃度的確定再次詳細解釋本發明的方法和對應的裝置。對於肝臟組織，可以通過實驗證明由純肝臟組織和脂肪形成的混合物在具有恆定X射線能量或恆定X射線頻譜的計算機斷層造影照片中不可能以任意CT值出現。公知在儲藏了脂肪時肝臟組織的CT值線性降低。對此在文獻中給出每增加10％的脂肪含量就降低大約15HU。此外還公知，管電壓為80kV時的CT值和管電壓為140kV時的CT值之差是脂肪含量的線性函數。基於該事實假定，對兩個管電壓來說近似地給出CT值x與脂肪含量f的以下線性相關關係x＝f*x脂肪+(1-f)*x組織。
在此x脂肪和x組織表示純物質的取決於管電壓的CT值。如果繪製管電壓為80kV時的CT值對管電壓為140kV時的CT值，則由脂肪和組織形成的所有可能的混合物一定都位於一條直線上。在圖1中示出該情況。
在該模型中添加造影劑將導致兩個CT值增加。由於造影劑本身在濃度較低時引起很大的吸收，因此CT值隨著混合的造影劑的濃度近似線性地增加，其中比例常數並不取決於物質，也就是特殊的脂肪/組織混合物。因此可以按照圖2擴大圖1所示的圖。由此可以針對該圖中的每個點確定脂肪含量f和造影劑濃度c。
以任意一個點P為例，可以通過將該點投影到脂肪和組織之間的直線上確定脂肪含量f和濃度c。此外可以從該圖表中確定針對80kV的管電壓以及140kV的管電壓的CT值的升高ΔxKM(＝c*xKM)。將該方法用於包含骨骼和組織的身體物質也能得到類似的圖表。在這種情況下在圖2的圖表中將脂肪替換為組織，將組織替換為骨骼物質。
肌肉組織和水這樣的物質在檢查肝臟時同樣也近似地位於脂肪-組織直線上。因此利用針對脂肪和組織的參數將典型地在肝臟中出現的所有物質分類為由脂肪和組織形成的混合物，即便如此也總是正確地確定造影劑濃度c。通過正確確定造影劑濃度可以產生虛擬的原始圖像(Nativbild)，其方法是將通過造影劑引起的CT值升高從相應的圖像中減去。
圖3示出在本發明方法中該措施的例子。利用雙能量計算機斷層造影設備分別在80kV和140kV的不同管電壓下同時拍攝兩張CT照片，並根據該測量數據再現出對應的CT圖像1、2。根據本方法分解CT圖像1、2中包含的X射線衰減值，如圖3所示，以位置分辨地確定造影劑的濃度。基於該分解一方面計算和顯示造影劑圖像3，另一方面計算和顯示虛擬的原始圖像4。造影劑圖像和原始圖像的整個分解和計算過程都在圖4中示意性示出的計算機斷層造影設備6的確定模塊5中進行。該計算機斷層造影設備6包括圖像計算機7，其中實施了圖像再現單元8以及確定模塊5。由確定模塊5輸出的圖像顯示在與圖像計算機7連接的監視器9上。
權利要求
1.一種用於確定物質在由兩種不同的物質成分以未知比例組成的身體物質中的濃度的方法，包括以下方法步驟利用多能量計算機斷層造影設備(6)在兩種不同的X射線頻譜分布下記錄該身體物質的兩張計算機斷層造影照片，從這兩張計算機斷層造影照片中再現兩個圖像數據組(1，2)，其中該圖像數據組(1，2)包含X射線衰減值x，將兩個圖像數據組(1，2)的每個感興趣體素的X射線衰減值x分解為3個物質成分的X射線衰減值，在這3個物質成分中第一物質成分和第二物質成分是該身體物質的兩種不同物質成分，第三物質成分是所述物質，其中該分解在以下假設下進行身體物質的X射線衰減值xM在沒有該物質的情況下由第一和第二物質成分的X射線衰減值xM1、xM2按照以下方程組成xM＝f*xM1+(1-f)*xM2其中f對應於身體物質中第一物質成分的體積含量，以及基於該分解針對每種感興趣體素確定該物質的濃度。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，對所述物質濃度的確定通過求解以下針對根據f和c的X射線的不同頻譜分布E1和E2的方程組來進行xE1＝c*xKM，E1+f*xM1，E1+(1-f)*xM2，E1xE2＝c*xKM，E2+f*xM1，E2+(1-f)*xM2，E2其中xE1/E2對應於來自在X射線的不同頻譜分布下的兩個圖像數據組(1，2)的X射線衰減值，c對應於所述物質在身體物質中的濃度。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，確定造影劑在身體物質中的濃度。
4.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，確定造影劑在肝臟中的濃度，其中所述第一物質成分是脂肪，第二物質成分是組織。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其特徵在於，在至少一個圖像數據組(1，2)中確定由所述物質引起的X射線衰減值的升高，並作為圖像(3)顯示。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的方法，其特徵在於，在至少一個圖像數據組(1，2)中確定由所述物質引起的X射線衰減值的升高，並通過與該圖像數據組(1，2)的X射線衰減值相減而計算和顯示原始圖像(4)。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的方法，其特徵在於，所述兩張計算機斷層造影照片是同時記錄的。
8.一種用於確定物質在由兩種不同的物質成分以未知比例組成的身體物質中的濃度的裝置，包括多能量計算機斷層造影設備(6)，其用於在X射線的不同頻譜分布下同時記錄該身體物質的兩張計算機斷層造影照片，圖像再現單元(8)，用於根據這兩張計算機斷層造影照片再現兩個圖像數據組(1，2)，以及確定模塊(5)，將兩個圖像數據組(1，2)的每個感興趣體素的X射線衰減值x分解為3個物質成分的X射線衰減值，在這3個物質成分中第一物質成分和第二物質成分是該身體物質的兩種不同物質成分，第三物質成分是所述物質，其中該分解在以下假設下進行身體物質的X射線衰減值xM在沒有該物質的情況下由第一和第二物質成分的X射線衰減值xM1、xM2按照以下方程組成xM＝f*xM1+(1-f)*xM2其中f對應於身體物質中第一物質成分的體積含量，以及基於該分解針對每種感興趣體素確定和輸出該物質的濃度。
9.根據權利要求8所述的裝置，其特徵在於，所述確定模塊(5)這樣構成，其通過求解以下針對根據f和c的X射線的不同頻譜分布E1和E2的方程組來確定所述物質的濃度xE1＝c*xKM，E1+f*xM1，E1+(1-f)*xM2，E1xE2＝c*xKM，E2+f*xM1，E2+(1-f)*xM2，E2其中XE1/E2對應於來自在X射線的不同頻譜分布下的兩個圖像數據組(1，2)的X射線衰減值，c對應於所述物質在身體物質中的濃度。
10.根據權利要求8或9所述的裝置，其特徵在於，所述確定模塊(5)這樣構成，其在至少一個圖像數據組(1，2)中確定由所述物質引起的X射線衰減值的升高，並作為圖像(3)輸出到圖像顯示裝置(9)。
11.根據權利要求8至10中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述確定模塊(5)這樣構成，其在至少一個圖像數據組(1，2)中確定由所述物質引起的X射線衰減值的升高，通過與該圖像數據組(1，2)的X射線衰減值相減而計算原始圖像(4)，並輸出到圖像顯示裝置(9)。
全文摘要
本發明涉及一種用於確定物質在由兩種不同的物質成分以未知比例組成的身體物質中的濃度的方法以及裝置。在該方法中在兩種不同的X射線頻譜分布下記錄該身體物質的兩張計算機斷層造影照片，從這兩張計算機斷層造影照片中再現兩個圖像數據組(1，2)。將兩個圖像數據組(1，2)的每個感興趣體素的X射線衰減值x分解為3個物質成分。該分解在以下假設下進行身體物質的X射線衰減值x
文檔編號G06F17/00GK101028199SQ20071008500
公開日2007年9月5日 申請日期2007年2月28日 優先權日2006年2月28日
發明者麥可·格拉斯拉克, 伯恩哈德·克勞斯 申請人:西門子公司