一种骨密度测量方法及装置与流程

本发明涉及医疗影像处理技术领域，特别是涉及一种骨密度测量方法及装置。

背景技术：

近年来，骨质疏松病症受到了越来越多的关注，骨密度测定能够准确且标准量化地给出检测者骨质的诊断结果。

目前，测定骨密度的医学影像原理主要包括：双能x射线吸收测定法、光子吸收法、中子活化分析法、超声定量测量和核磁共振测量方法；其中，双能x射线吸收测定法因具有成像速度快、结果稳定性好的优点，通常作为医学诊断上推荐的测定方法。

现有以双能x射线吸收测定法为理论基础的骨密度测量仪多采用的是扇形束x射线扫描的方式，通常在球管和平板探测器中间加入狭缝准直器，使射线以扇形照射感兴趣区域，该方式一次扫描面积大，扫描时间短。但是该种方式存在如下问题：因射线要先经过狭缝准直器，降低了射线的利用率；当射线穿过人体时，由于骨骼和软组织的影响，会带来散射，从而影响最终骨密度值的准确性。

有鉴于此，如何改进现有骨密度测定方式，以提高骨密度测量的准确性，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种骨密度测量方法及装置，该方法及装置能够降低散射对扫描图像质量的影响，从而提高骨密度测量的准确性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种骨密度测量方法，所述方法包括：

采集患者需扫描部位在相同低能曝光条件下的低能散射采样图像和低能目标图像，以及在相同高能曝光条件下的高能散射采样图像和高能目标图像；

根据所述低能散射采样图像和所述高能散射采样图像分别确定散射分量，得到低能散射分量和高能散射分量；

将所述低能目标图像去除所述低能散射分量得到去散射后的低能修正图像，将所述高能目标图像去除所述高能散射分量得到去散射后的高能修正图像；

根据所述低能修正图像和所述高能修正图像确定扫描部位的骨密度。

如上所述的骨密度测量方法，所述方法还包括：

采集同一低能曝光条件下的低能空拍图像和同一高能曝光条件下的高能空拍图像；

获取所述低能空拍图像的平均灰度值iol和所述高能空拍图像的平均灰度值ioh；

所述根据所述低能修正图像和所述高能修正图像确定扫描部位的骨密度包括：

获得所述高能修正图像中扫描部位对应区域的平均灰度值grayh和所述低能修正图像中扫描部位对应区域的平均灰度值grayl；以及获得扫描图像中扫描部位对应区域的面积s；

所述扫描部位的骨密度通过下述计算公式得到：

r＝ρ*s/t；

t＝a+bh+cl+dhl+eh²+fl²；

h＝-ln(grayh/ioh)；

l＝-ln(grayl/iol)；

其中，r为骨密度，ρ为骨盐的密度，t为骨厚度；

h为所述高能修正图像中扫描部位对应区域的衰减值，l为所述低能修正图像中扫描部位对应区域的衰减值；

a、b、c、d、e、f均为校正系数。

如上所述的骨密度测量方法，各校正系数a、b、c、d、e、f的确定方法包括：

制备模拟需扫描部位的多个模拟组织，所述模拟组织包括模拟软组织和模拟骨骼组织；各所述模拟组织的模拟骨骼组织的厚度tn不同；

获取同一低能曝光条件下各所述模拟组织的去散射后的低能模拟图像，获取同一高能曝光条件下各所述模拟组织的去散射后的高能模拟图像；

计算每个所述模拟组织的所述低能模拟图像中模拟组织对应区域的低能衰减值ln，和每个所述模拟组织的所述高能模拟图像中模拟组织对应区域的高能衰减值hn；

其中，ln＝-ln(grayln/iol)，hn＝-ln(grayhn/ioh)；式中，grayln为所述低能模拟图像中模拟组织对应区域的平均灰度值，grayhn为所述高能模拟图像中模拟组织对应区域的平均灰度值；

将每个所述模拟骨骼组织的厚度tn及对应的低能衰减值ln、高能衰减值hn代入公式tn＝a+bhn+cln+dhnln+ehn²+fln²，并计算出各校正系数a、b、c、d、e、f。

如上所述的骨密度测量方法，模拟同一需扫描部位的多个所述模拟组织的模拟软组织的厚度也不同。

如上所述的骨密度测量方法，所述模拟软组织由聚甲基丙烯酸甲酯制成，所述模拟骨骼组织由铝制成。

如上所述的骨密度测量方法，

所述采集患者需扫描部位在相同低能曝光条件下的低能散射采样图像和低能目标图像，以及在相同高能曝光条件下的高能散射采样图像和高能目标图像，包括：在形成所述低能散射采样图像和所述高能散射采样图像的光路中放置用于散射采样的衰减模体；所述衰减模体包括呈矩阵形式排列的多个衰减体；

所述散射分量的确定方法包括：获取所述衰减模体中衰减体位置在散射采样图像中对应的散射值，根据获取的散射值确定所述衰减模体中非衰减体位置的散射值，以确定初步散射图像，对所述初步散射图像进行平滑处理得到散射图像，根据所述散射图像得到所述散射分量。

如上所述的骨密度测量方法，所述衰减体具体为铅盘。

如上所述的骨密度测量方法，所述衰减模体中，各所述衰减体等间距排列。

本发明还提供一种骨密度测量装置，包括射线发生器、图像采集器、散射预测模块和骨密度确定模块；

所述射线发生器能够产生形成低能曝光条件的低能能谱射线和形成高能曝光条件的高能能谱射线，并且能够在用于形成低能目标图像和高能目标图像的第一光路及用于形成低能散射采样图像和高能散射采样图像的第二光路之间切换；

其中，第一光路放置有滤过，第二光路放置有用于散射采样的衰减模体；

所述图像采集器用于采集所述射线发生器扫描患者需扫描部位产生的投影图像，以获得相同低能曝光条件下的所述低能散射采样图像和所述低能目标图像，以及获得相同高能曝光条件下的所述高能散射采样图像和所述高能目标图像；

所述散射预测模块用于根据所述图像采集器获得的所述低能散射采样图像和所述高能散射采样图像分别确定散射分量，得到低能散射分量和高能散射分量；

所述骨密度确定模块用于根据所述图像采集器获得的低能目标图像和高能目标图像，以及所述散射预测模块输出的所述低能散射分量和所述高能散射分量，得到去散射后的低能修正图像和去散射后的高能修正图像，并根据所述低能修正图像和所述高能修正图像确定扫描部位的骨密度。

如上所述的骨密度测量装置，所述射线发生器包括球管、高压发生器和限束器，其中，所述限束器能够在所述第一光路和所述第二光路之间切换；所述限束器切换至所述第二光路的状态下，所述衰减模体覆盖所述限束器的开口；

所述图像采集器具体为平板探测器。

如上所述的骨密度测量装置，所述衰减模体包括呈矩阵形式排列的多个衰减体；

所述散射预测模块包括获取单元和处理单元；

所述获取单元能够获取所述衰减模体中衰减体位置在所述散射采样图像中对应的第一散射值；

所述处理单元能够根据所述第一散射值计算所述衰减模体中非衰减体位置在所述散射采样图像中对应的第二散射值，以确定初步散射图像；

所述处理单元还能够对所述初步散射图像进行平滑处理以得到散射图像，并根据所述散射图像确定所述散射分量。

如上所述的骨密度测量装置，还包括存储模块，所述骨密度确定模块包括识别单元、图像处理单元和计算单元；

所述存储模块预存有与扫描部位对应的低能曝光参数、高能曝光参数和校正系数；

所述射线发生器能够根据需扫描部位调用所述存储模块中对应的低能曝光参数和高能曝光参数以产生对应的低能射线和高能射线；

所述识别单元能够识别扫描图像中扫描部位对应的区域，并确定对应区域的面积；

所述图像处理单元用于根据所述散射分量对所述目标图像处理以获取去散射后的修正图像；

所述计算单元包括第一计算单元、第二计算单元和第三计算单元；所述第一计算单元用于根据所述修正图像计算所述修正图像中扫描部位对应区域的衰减值；

所述第二计算单元用于根据所述衰减值及调用的所述存储模块预存的对应于扫描部位的校正系数计算扫描部位的骨厚度；

所述第三计算单元用于根据所述骨厚度和所述识别单元确定的面积计算扫描部位的骨密度。

本发明提供的骨密度测量方法和装置，在获取扫描部位的目标图像的同时，还获取相同曝光条件下的散射采样图像，基于散射采样图像确定散射分量，并根据散射分量对目标图像进行去散射处理后得到修正图像，根据修正图像来确定扫描部位的骨厚度；该测量方法和测量装置能够去除扫描过程中因散射对目标图像质量造成的影响，从而能够提高骨密度测量结果的准确性。

附图说明

图1为本发明所提供骨密度测量方法的一种具体实施例的流程示意图；

图2为具体实施例中散射分量的确定方法的流程示意图；

图3为具体实施例中骨厚度计算公式中校正系数的确定方法的流程示意图；

图4为具体实施例中衰减模体的结构简图；

图5a-图5c示出了扫描部位为手臂时散射预测模块对散射采样图像的处理示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

为方便理解和描述简洁，下文结合骨密度测量方法和装置一并说明，有益效果部分不再重复论述。

请参考图1，图1为本发明所提供骨密度测量方法的一种具体实施例的流程示意图。

该实施例中，骨密度测量方法包括：

步骤s100、采集患者需扫描部位在相同低能曝光条件下的低能散射采样图像和低能目标图像，以及在相同高能曝光条件下的高能散射采样图像和高能目标图像；

骨密度测量装置包括射线发生器和图像采集器，其中，射线发生器用于产生高能和低能两种能谱的射线，以形成扫描扫描部位时所需的低能曝光条件和高能曝光条件。

射线发生器还能够在放置有滤过的第一光路及放置有衰减模体的第二光路之间切换，其中，衰减模体用于散射采样。

射线发生器经第一光路扫描需扫描部位时，图像采集器采集到的图像为扫描部位的目标图像，射线发生器经第二光路扫描需扫描部位时，因有衰减模体的设置，图像采集器采集到的是散射采样图像。

这里需要说明的是，滤过的作用为去掉低能量的射线，减少射线硬化对目标图像质量的影响。

这里还需要说明的是，本文中涉及的低能和高能是相对的概念，对于不同的扫描部位而言，低能曝光条件和高能曝光条件对应的参数不同，具体可根据实际应用需求来确定。

步骤s200、根据低能散射采样图像和高能散射采样图像分别确定散射分量，得到低能散射分量和高能散射分量；

将低能目标图像去除低能散射分量得到去散射后的低能修正图像，将高能目标图像去除高能散射分量得到去散射后的高能修正图像；

根据低能修正图像和高能修正图像确定扫描部位的骨密度。

骨密度测量装置还包括散射预测模块和骨密度确定模块。

其中，散射预测模块能够获取图像采集器采集的低能散射采样图像和高能散射采样图像，并确定低能散射采样图像的低能散射分量和高能散射采样图像的高能散射分量。

需要指出的是，实际应用中，低能散射分量和高能散射分量也是以图像的形式表现。

其中，骨密度确定模块能够根据散射预测模块输出的低能散射分量和高能散射分量，以及图像采集器采集的低能目标图像和高能目标图像确定扫描部位的骨密度。

具体地，骨密度确定模块能够将低能目标图像去除低能散射分量后得到低能修正图像，将高能目标图像去除高能散射分量后得到高能修正图像，再根据扫描部位的低能修正图像和高能修正图像确定骨密度。

具体的方案中，射线发生器包括球管、高压发生器和限束器，其中，限束器能够在第一光路和第二光路之间切换，具体地，限束器能够切换放置在光路中的滤过和用于散射采样的衰减模体，从而实现第一光路和第二光路之间的切换；其中，限束器切换至第二光路的状态下，衰减模体覆盖限束器的开口。

图像采集器具体选用平板探测器，这样，射线利用率高，速度快，成本更低，能够扩大适用场景。

如上，该实施例提供的骨密度测量方法和装置，在获取扫描部位的目标图像的同时，还获取相同曝光条件下的散射采样图像，基于散射采样图像确定散射分量，并根据散射分量对目标图像进行去散射处理后得到修正图像，根据修正图像来确定扫描部位的骨厚度；该测量方法和测量装置能够去除扫描过程中因散射对目标图像质量造成的影响，从而能够提高骨密度测量结果的准确性。

该实施例中，骨密度测量方法的步骤s100中，还采集同一低能曝光条件下的低能空拍图像和同一高能曝光条件下的高能空拍图像。

也就是说，获取低能空拍图像和获取低能散射采样图像、低能目标图像的低能曝光条件相同，获取高能空拍图像和获取高能散射采样图像、高能目标图像的高能曝光条件相同。

步骤s200中，还根据低能空拍图像确定其平均灰度值iol，根据高能空拍图像确定其平均灰度值ioh。

通过下述计算公式(1)来确定扫描部位的骨密度。

r＝ρ*s/t(1)

其中，r为骨密度，ρ为骨盐的密度，该值为已知的固定值，t为骨厚度，s为扫描图像中扫描部位对应区域的面积。此处，扫描图像包括对扫描部位扫描得到的散射采样图像、目标图像或经过处理后的修正图像等。

这里需要指出的是，在扫描扫描部位时，最后得到的投影图像通常为包含该扫描部位的方形图片，也就是说，投影图像中并不全是扫描部位对应的影像，但是实际上只需获知扫描部位对应的区域信息即可，公式(1)中的扫描部位对应区域的面积s可以根据采集的目标图像获取；可以理解，对于同一扫描部位来说，前述获取的各散射采样图像、目标图像和修正图像中扫描部位对应的区域面积基本一致，但是因为散射采样图像有衰减模体的存在，会影响区域面积的获取，所以实际操作过程中，优选目标图像或进行处理后的修正图像来确定扫描部位在投影图像中对应的区域面积，以提高测量的准确性。

公式(1)中骨厚度t通过下述公式(2)计算确定：

t＝a+bh+cl+dhl+eh²+fl²(2)

式中，h为高能修正图像中扫描部位对应区域的衰减值，l为低能修正图像中扫描部位对应区域的衰减值，a、b、c、d、e、f均为校正系数。

各校正系数可事先确定，计算时只需调用即可。

其中，h和l可分别通过下述公式(3)、(4)计算确定：

h＝-ln(grayh/ioh)(3)

l＝-ln(grayl/iol)(4)

该实施例中，骨密度测量装置还包括存储模块，该存储模块预存有与扫描部位对应的低能曝光参数、高能曝光参数和公式(2)中的校正系数。

如前所述，对于不同的扫描部位来说，低能曝光参数和高能曝光参数不同，同样地，对于不同的扫描部位来说，公式(2)中的校正系数a、b、c、d、e、f的具体值也不同。也就是说，每个扫描部位对应有一组低能曝光参数、高能曝光参数和校正系数。

在实际应用中，可事先将多个扫描部位及与各扫描部位一一对应的参数预先储存在存储模块中，在扫描时根据扫描部位调用对应的计算参数即可。

进一步地，也可事先将与扫描部位对应的低能曝光参数下空拍图像的平均灰度值iol和与扫描部位对应的高能曝光参数下空拍图像的平均灰度值ioh储存于存储模块中，以备扫描时根据需要调用。

可以理解，对于确定的扫描部位来说，其低能曝光参数和高能曝光参数是确定的，相应地，该低能曝光参数和高能曝光参数下空拍图像的平均灰度值iol和ioh也是确定的，预先计算确定后存储于存储模块中，可缩短实际扫描计算骨密度的流程，缩小骨密度测量所需的时间。

该实施例中，骨密度测量装置的骨密度确定模块具体包括识别单元、图像处理单元和计算单元。

其中，识别单元能够识别扫描图像中扫描部位对应的区域，并确定对应区域的面积。

图像处理单元用于根据散射预测模块确定的散射分量对目标图像进行处理以得到去散射后的修正图像；具体地，图像处理单元能够将低能目标图像去除低能散射分量后得到低能修正图像，将高能目标图像去除高能散射分量后得到高能修正图像。

计算单元具体包括第一计算单元、第二计算单元和第三计算单元。

其中，第一计算单元用于根据图像处理单元确定的低能修正图像计算低能修正图像中扫描部位对应区域的衰减值l，以及根据图像处理单元确定的高能修正图像计算高能修正图像中扫描部位对应区域的衰减值h。第一计算单元在计算衰减值的过程中可以调用存储模块中预先储存的与扫描部位相应的ioh和iol。具体地，第一计算单元中可存储有上述公式(3)、(4)，以调用来计算相关衰减值。

第二计算单元用于根据第一计算单元计算的衰减值h、l及调用存储模块中与扫描部位相应的校正系数计算扫描部位的骨厚度；具体地，第二计算单元中可存储有上述公式(2)，以调用来计算骨厚度。

第三计算单元用于根据第二的计算单元计算的骨厚度和识别单元确定的面积计算扫描部位的骨密度，具体地，第三计算单元中可存储有上述公式(1)，以调用来计算骨厚度。

该实施例中，骨密度测量方法的步骤s100中，在形成散射采样图像的光路中放置用于散射采样的衰减模体；其中，该衰减模体包括呈矩阵形式排列的多个衰减体；

请参考图2，图2为具体实施例中散射分量的确定方法的流程示意图。

步骤s200中，散射分量的确定方法包括：

步骤a1、获取衰减模体中衰减体位置在散射采样图像中对应的散射值；

步骤a2、根据衰减模体中衰减体的排列参数及获取的散射值确定衰减模体中非衰减体位置的散射值，以确定初步散射图像；

步骤a3、对初步散射图像进行平滑处理得到散射图像，根据该散射图像来确定散射分量。

骨密度测量装置中，第二光路中放置的衰减模体具体也为呈矩阵形式排列的多个衰减体；散射预测模块具体包括获取单元和处理单元，其中，获取单元能够获取衰减模体中衰减体位置在散射采样图像中对应的第一散射值，处理单元能够根据第一散射值计算衰减模体中非衰减体位置在散射采样图像中对应的第二散射值，以确定初步散射图像，处理单元还能够对初步散射图像进行平滑处理以得到散射图像，并根据散射图像确定散射分量。

具体地，球管发出的射线经过衰减体后，平板探测器能够接收到的射线几乎为0，这样可以认为，散射采样图像中衰减体位置所获得的灰度值全部是由于散射导致的，可以用该灰度值表征散射值，也就是说，散射采样图像中，衰减体所在位置的灰度值即为上述第一散射值。

因为衰减模体中各衰减体的相对位置确定，所以可根据各衰减体之间的相对位置关系及第一散射值来确定非衰减体位置的第二散射值。

具体地，可通过线性插值来确定，可以理解，经过线性插值处理后的初步散射图像并不平滑，但是实际中散射本身应该是平滑的，所以在通过线性插值处理得到初步散射图像后，还进一步对该初步散射图像进行平滑处理以得到能够确定散射分量的散射图像。平滑处理的方式具体可采用滤波的方式，当然实际中也可选取其他处理方式。

这里需要指出的是，本方案中散射分量通过图像的形式表现，也就是说，经过上述方式得到的散射图像即相当于散射分量。

经过试验研究，衰减模体中的衰减体具体选用铅盘，以确保散射预测的准确性。

具体设置时，衰减模体中，各衰减体等间距排列，这样便于后续非衰减体位置的散射值的计算。

请参考图4理解，图4中为具体实施例中衰减模体的结构简图，图示中，各衰减体10等间距排列。

衰减体的厚度、直径及铅盘间的间隔距离均可根据实际应用需求来设置。

请参考图5a-图5c理解，图5a-图5c示出了扫描部位为手臂时散射预测模块对散射采样图像的处理示意图。

图5a所示为扫描手臂得到的散射采样图像，图5b所示为对图5a所示图像进行插值处理后得到的初步散射图像，从中可以看出，插值后得到的图像不平滑，手臂对应区域的边缘较为尖锐，图5c所示为对图5b所示图像进行平滑处理后得到的散射图像。

请参考图3，图3为具体实施例中骨厚度计算公式中校正系数的确定方法的流程示意图。

该实施例中，前述公式(2)中各校正系数a、b、c、d、e、f的确定方法包括：

步骤b1、制备模拟需扫描部位的多个模拟组织，该模拟组织包括模拟软组织和模拟骨骼组织；各模拟组织的模拟骨骼组织的厚度tn不同；

可以理解，对应于一个扫描部位，需要制备多个模拟该扫描部位的不同厚度的模拟组织；

步骤b2、获取同一低能曝光条件下各所述模拟组织的去散射后的低能模拟图像；获取同一高能曝光条件下各所述模拟组织的去散射后的高能模拟图像；

可以理解，该步骤中对模拟组织进行扫描的曝光条件与需扫描部件的曝光条件相同，如此，才能得到对应于需扫描部位的准确的校正系数。

其中，获取各模拟组织的去散射后的低能模拟图像的方式与前述获取需扫描部位的修正图像的方式类似，此处不再重复说明。

步骤b3、计算每个模拟组织的低能模拟图像中模拟组织对应区域的低能衰减值ln，和每个模拟组织的高能模拟图像中模拟组织对应区域的高能衰减值hn；

其中，ln＝-ln(grayln/iol)，hn＝-ln(grayhn/ioh)；

式中，grayln为低能模拟图像中模拟组织对应区域的平均灰度值，grayhn为高能模拟图像中模拟组织对应区域的平均灰度值，iol为同一低能曝光条件下低能空拍图像的平均灰度值，ioh为同一高能曝光条件下高能空拍图像的平均灰度值。

这里需要说明的是，如前述说明，在实际测量骨密度的过程中，对骨密度的计算也涉及ioh和iol，且这两个值可以事先确定好，以便于测量计算时调用，而在对于不同的扫描部位来说，各校正系数也需要事先确定存储以备后续测量计算时调用，所以，对于同一扫描部位而言，可最先确定ioh和iol。

步骤b4、将每个模拟组织的模拟骨骼组织的厚度tn及对应的低能衰减值ln、高能衰减值hn代入公式tn＝a+bhn+cln+dhnln+ehn²+fln²，并计算出各校正系数a、b、c、d、e、f。

显然，该步骤中的公式即为前述提及的公式(2)

可以理解，每个模拟组织的模拟骨骼组织的厚度tn是已知的，经过步骤b2和步骤b3后，可以得到每个模拟组织的低能衰减值和高能衰减值，代入公式(2)后可得到超定方程：

t1＝a+bh1+cl1+dh1l1+eh1²+fl1²

t2＝a+bh2+cl2+dh2l2+eh2²+fl2²

t3＝a+bh3+cl3+dh3l3+eh3²+fl3²

……

tn＝a+bhn+cln+dhnln+ehn²+fln²

用最小二乘拟合的方法或其他计算方法可计算出6个校正系数a、b、c、d、e、f。

实际中，对应于一个需扫描部位的模拟组织的个数、及各模拟组织的厚度可以根据计算需求来设置，只要能够确定出对应于该需扫描部位的上述6个校正系数即可。

具体的方案中，模拟组织的模拟软组织可采用聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)制成，模拟骨骼组织可采用铝制成，可方便对模拟组织进行扫描等。实际应用中，模拟组织也可采用其他材料制成。

对于人体部位而言，其软组织和骨骼厚度是不同的，实际应用中，在制备模拟组织时可参考该模拟组织对应的需扫描部位来确定其厚度。

还需要指出的是，因软组织的厚度也会影响衰减值，所以在确定校正系数的上述步骤b1中，对于模拟同一需扫描部位的多个模拟组织而言，除将各模拟组织的模拟骨骼组织的厚度不同设置外，也将各模拟组织的模拟软组织的厚度不同设置。

以上对本发明所提供的一种骨密度测量方法及装置均进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。