一种基于QCT技术无体模测量锥体骨密度的方法及系统

一种基于qct技术无体模测量锥体骨密度的方法及系统
技术领域
1.本发明属于计算机断层扫描图像处理技术领域，特别是涉及到一种基于qct技术无体模测量锥体骨密度的方法及系统。


背景技术：

2.骨质疏松症越来越成为严重威胁老年人群身体健康的慢性疾病之一。骨质疏松症初期通常无明显表现，而延误骨质疏松症的诊疗会增加骨折的发生风险，最终造成不可逆的骨骼系统疾病。早期筛查骨质疏松并干预低骨量人群具有良好的成本效益。
3.目前，定量ct(quantitative computed tomography，qct)因其成像技术优势，可准确测量骨量或肌肉量，主要用于骨质疏松症和其他以骨密度异常为特征的疾病的诊断和管理，以及监测治疗反应。在锥体骨密度测量方面，qct采用ct三维容积数据进行分析，经过体模标定和专业算法分析，得到真正的体积骨密度，单位为mg/cm3。与传统的双能x线吸收仪检测相比，qct不受严重退行性改变、血管钙化、口服对比剂以及某些食品或膳食补充剂(含有大量或其他重矿物及元素)等因素的干扰，可以避免双能x线吸收平面投影技术测量的假阴性结果，因此在骨密度测量方面有很大优势。
4.但qct的临床应用还远未普及，常规qct测量骨密度由于每一次检查前均需要摆放专用体模，操作并不简便，在一定程度上制约了临床开展的积极性。因此，近年来发展出的基于qct技术的无体模测量的方法受到推崇。有公司(philips intellispace portal骨矿密度模块、mindways公司cliniqct与qctpro产品等)推出了无体模qct骨密度测量的商业化解决方案，然而其售价昂贵且配套算法及软件并不开源，不利于临床及科研广泛应用。


技术实现要素：

5.本发明提出一种基于qct技术无体模测量锥体骨密度的方法及系统，可以实现qct骨密度检查时无需再摆放体模，简化了骨密度检查的操作流程。
6.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
7.一种基于qct技术无体模测量锥体骨密度的方法，包括：
8.s1、预扫描一次体模，在ct层面每个断层图像圈选若干体模作为roi，根据各roi的ct值计算得到用以标定锥体骨密度值的标定方程；
9.s2、在进行人体骨密度测定时，无需摆放体模，保持和预扫描一致的管电压进行常规锥体ct平扫，对所述常规锥体ct平扫进行薄层重建并选定包含所需锥体松质骨的层面范围；为每个层面的ct测量值推导校正方程；
10.s3、将步骤s2中所述层面范围内每个层面的锥体松质骨的ct测量值代入该层面的校正方程进行校正，并将校正后的ct测量值代入步骤s1所述标定方程得到各个层面的骨密度值，并一起求均值，作为最终的椎体骨密度值。
11.进一步的，步骤s1中，所述标定方程的计算方法包括：
12.s101、在ct层面每个断层图像圈选若干体模作为roi，运用直方图半峰全宽算法计
算每个层面内各roi的ct值；所述直方图半峰全宽算法包括：对roi的直方图上半峰全宽范围内的数据求平均值，以该均值作为roi的ct值；
13.s102、用所有层面的各roi的ct值，求各roi的均值；
14.s103、将各roi的均值与其对应体模的标准物质浓度进行线性拟合，得到用以标定锥体骨密度值的标定方程。
15.进一步的，步骤s2中，所述校正方程的推导过程包括：
16.s201、选定包含所需锥体松质骨的层面范围，在层面范围内的各断层图像上分别圈选roi，包括锥体松质骨以及脂肪、肌肉、主动脉血液；
17.s202、运用直方图半峰全宽算法计算层面范围内所有层面的各roi的ct值；所述直方图半峰全宽算法包括：对roi的直方图上半峰全宽范围内的数据求平均值，以该均值作为roi的ct值；
18.s203、计算脂肪、肌肉、主动脉血液对应roi的均值；
19.s204、以每个独立层面为单位，用各层面的脂肪、肌肉、主动脉血液对应roi的ct值，与步骤s203得到的脂肪、肌肉、主动脉血液对应roi的均值，建立各个层面的校正方程。
20.本发明另一方面还提出了一种基于qct技术无体模测量锥体骨密度的系统，包括：
21.标定方程模块，用于预扫描一次体模，在ct层面每个断层图像圈选若干体模作为roi，根据各roi的ct值计算得到用以标定锥体骨密度值的标定方程；
22.校正推导模块，在进行人体骨密度测定时，无需摆放体模，保持和预扫描一致的管电压进行常规锥体ct平扫，对所述常规锥体ct平扫进行薄层重建并选定包含所需锥体松质骨的层面范围；为每个层面的ct测量值推导校正方程；
23.骨密度模块，将校正推导模块中所述层面范围内每个层面的锥体松质骨的ct测量值代入该层面的校正方程进行校正，并将校正后的ct测量值代入标定方程模块中所述标定方程得到各个层面的骨密度值，并一起求均值，作为最终的椎体骨密度值。
24.进一步的，所述标定方程模块包括：
25.ct值单元，在ct层面每个断层图像圈选若干体模作为roi，运用直方图半峰全宽算法计算每个层面内各roi的ct值；所述直方图半峰全宽算法包括：对roi的直方图上半峰全宽范围内的数据求平均值，以该均值作为roi的ct值；
26.均值单元，用所有层面的各roi的ct值，求各roi的均值；
27.标定方程单元，将各roi的均值与其对应体模的标准物质浓度进行线性拟合，得到用以标定锥体骨密度值的标定方程。
28.进一步的，所述校正推导模块包括：
29.圈选单元，选定包含所需锥体松质骨的层面范围，在层面范围内的各断层图像上分别圈选roi，包括锥体松质骨以及脂肪、肌肉、主动脉血液，所述椎体松质骨避开皮质骨和锥后静脉丛；
30.ct值计算单元，运用直方图半峰全宽算法计算层面范围内所有层面的各roi的ct值；所述直方图半峰全宽算法包括：对roi的直方图上半峰全宽范围内的数据求平均值，以该均值作为roi的ct值；
31.均值计算单元，计算脂肪、肌肉、主动脉血液对应roi的均值；
32.校正方程单元，以每个独立层面为单位，用各层面的脂肪、肌肉、主动脉血液对应
roi的ct值，与均值计算单元得到的脂肪、肌肉、主动脉血液对应roi的均值，建立各个层面的校正方程。
33.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
34.1、本发明使用直方图半峰全宽算法计算roi的ct值，一定程度上克服了均值法和直方图法的缺点，提高了计算的稳定性；
35.2、本发明除了用脂肪和肌肉作为线性拟合的参考依据外，还选取了腹(胸)主动脉内血液作为依据，以使ct测量值校正方程更加精确；
36.3、本发明可以实现qct骨密度检查时无需再摆放体模，只需在保持和预扫描一致管电压的条件下进行常规扫描；之后，将扫描数据加以校正；最后，将校正后的数据与预扫描的体模数据结合，来计算出被测椎体骨密度值。这样简化了骨密度检查的操作流程，有利于qct骨密度检查技术的推广。
37.4、本发明可以与包含所需椎体的其他ct检查结合来计算骨密度。包含所需椎体的ct检查(诸如胸部ct、腹部ct等)数据经过后重建处理后即可应用本发明；这样可以避免患者相同部位多次照射，减少辐射剂量，节约时间及经济成本，并且能够进行骨密度回顾性测量与分析。
附图说明
38.图1是本发明实施例所述的直方图不适用的实例；
39.图1(a)是存在多个像素数极大值的直方图；
40.图1(b)是曲线模型出现了不符合高斯分布的直方图；
41.图1(c)是像素数最大值明显偏离了直方图曲线的几何中心的直方图；
42.图2是本发明实施例的半峰全宽算法示意图；
43.图3是本发明实施例的体模ct断层图像的圈选体模的roi的示意图；
44.图4是本发明实施例的锥体ct断层图像的松质骨、脂肪、肌肉、主动脉血液的roi圈选示意图；
45.图5是本发明实施例的流程示意图。
具体实施方式
46.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
47.本发明中的一些名词说明：
48.ct：计算机断层扫描；
49.qct：quantitative computed tomography，定量ct；
50.体模：本发明实施例涉及的体模为标定体模，包含3个已知浓度的参考材料棒(标准物质为羟基磷灰石，hap)，其浓度分别为0mg/cm3，75mg/cm3，150mg/cm3；
51.roi：感兴趣区域；机器视觉、图像处理中，从被处理的图像以方框、圆、椭圆、不规则多边形等方式勾勒出需要处理的区域，称为感兴趣区域。
52.本发明的目的在于要实现无体模方式去测量锥体骨密度；本发明设计思想在于：在每次球管训练后，首先，预扫描一次体模用以标定骨密度值；然后，进行qct骨密度检查时
无需再摆放体模，只需在保持和预扫描一致管电压的条件下进行常规仰卧位扫描；之后，通过一系列算法将扫描数据加以校正；最后，将校正后的数据与预扫描的体模数据结合，来计算出被测椎体骨密度值。
53.首先，需要说明的是，本发明设计思想中的骨密度值标定和校正算法中，都采用了直方图半峰全宽算法计算ct图像roi的ct值，这是本发明的创新之一，关于直方图半峰全宽算法说明如下：
54.目前测量ct图像roi的ct值的方法主要为均值法和boden s d等提出的直方图法。其中，均值法易受极端数值的影响，roi范围内每个像素ct值的大小都会影响最终结果，因此对roi圈选的准确性要求极高，可重复性差。直方图法是对roi范围内的数据首先建立直方图(纵轴为ct值，横轴为ct值对应的像素数)，然后以像素数最大值对应的ct值定义为整体roi的ct值。该方法克服了均值法过于敏感的缺点，但是也存在局限性。ct值对应的像素数呈高斯分布是直方图法的基础，而人体组织密度具有不确定性，如图1所示，(a)、(b)、(c)三幅图均来自实际测量的数据，其中，图1(a)中直方图存在多个像素数极大值；图1(b)中直方图曲线模型出现了不符合高斯分布的情况；图1(c)中像素数最大值明显偏离了直方图曲线的几何中心，以上情形无法简单地用像素数最大值来推算ct值，直方图法不适用。
55.为此，本发明提出了直方图半峰全宽算法，如图2所示，对直方图上半峰全宽范围内的数据求平均值，以该均值作为整体roi的ct值。这样可以在提取有效ct值数据的前提下，筛除小概率ct值波动的对整体ct值的影响。举例说明：圈选三个roi以模拟实际测量时的误差(roiⅰ圈选正常范围松质骨、roiⅱ圈选范围偏小、roiⅲ圈选过多的皮质骨)并分别用三种方法对三个roi的ct值进行测算，得到表1的结果，直方图半峰全宽法的标准差和变异系数都小于其他两种方法。因此，直方图半峰全宽算法一定程度上克服了前述两种方法的缺点，提高了算法的稳定性。
56.表1不同方法的测量结果及分析
[0057][0058]
使用上述直方图半峰全宽算法，本发明提出的基于qct技术无体模测量锥体骨密度的方法步骤如下：
[0059]
1、体模的测量：
[0060]
获取体模ct值的均值。完成一次球管训练后，将体模放置于检查床正中进行扫描。首先，选出所有包含体模参考材料棒的ct层面。然后，在每个断层图像上圈选3个体模作为roi(如图3所示)，运用前面所述的直方图半峰全宽算法计算每个层面内roi1、roi2、roi3的ct值，记为ct
roi1
、ct
roi2
、ct
roi3
。之后，对所有上述层面的ct
roi1
、ct
roi2
、ct
roi3
求均值，记为最后，运用最小二乘法(或其他线性拟合的算法)将最后，运用最小二乘法(或其他线性拟合的算法)将与
其对应体模的3个标准物质浓度(0mg/cm3，75mg/cm3，150mg/cm3)进行线性拟合，得到用以标定锥体骨密度值的标定方程，如下公式(1)所示：
[0061]
bmd
tomography
＝a
×
ct
bmd
+b(1)
[0062]
其中，bmd
tomography
为欲测算的骨密度值，ct
bmd
为锥体松质骨的ct测量值，a、b为参数。
[0063]
2、ct测量值的校正方程：
[0064]
ct测量系统会受到x线散射、线束硬化、部分容积效应误差等因素的影响。此外，由于人体组织器官的密度并非均匀分布，测量所需锥体的层面内一般还包含了胃、小肠、结肠等空腔器官，其内容物密度及气隙具有不确定性，这些因素都会造成ct值不同程度的偏差。而有偏差的ct值与真实ct值之间遵循线性关系，因此校正方程至关重要，用于推导校正方程的参考依据越多就越精确。主动脉内的血液通常可被视为均质牛顿流体，其密度均匀，理想状态下ct值稳定。因此，本发明除了用脂肪和肌肉作为线性拟合的参考依据外，还选取了腹(胸)主动脉内血液作为依据，以使ct测量值校正方程更加精确。
[0065]
综上所述，为保证准确性，每个层面内的ct测量值需要经过校正后才能带入公式(1)，因此应为每个层面推导独立的校正方程。
[0066]
第一步，获取参考依据组织的ct值。首先，保持和预扫描一致的管电压进行常规锥体ct平扫，对上述锥体ct平扫进行薄层重建，选定包含所需锥体松质骨的层面范围，本实施例中“所需”是指包含t
4-l3锥体松质骨的层面范围，也可按锥体骨密度测量需求选择其他锥体松质骨的层面范围；然后，在这些断层图像上分别圈选roi，包括锥体松质骨(避开皮质骨和锥后静脉丛)、脂肪、肌肉、主动脉血液，如图4所示。之后，运用前述的直方图半峰全宽算法计算上述所有层面内roi的ct值，分别记为：锥体松质骨的ct值ct’bmdn
、脂肪的ct值ct
fatn
、肌肉的ct值ct
musclen
、主动脉血液的ct值ct
bloodn
(n＝1,2,3
…
表示ct层面的编号)；最后，计算ct
fatn
、ct
musclen
、ct
bloodn
的均值，记为：
[0067]
第二步，推导ct测量值的校正方程。以每个独立层面为单位，用ct
fatn
、ct
musclen
、ct
bloodn
及建立n个回归方程，作为校正方程。
[0068]
建立回归方程的过程包括：运用最小二乘线性拟合(或其他线性拟合的算法)的方法，推导3点标定方程。拟合得到的校正方程如下公式2所示：
[0069]
ct
bmdn
＝pn×
ct’bmdn
+qn(2)
[0070]
其中，ct
bmdn
为校正后的ct测量值，n＝1,2,3
…
表示ct层面的编号，pn、qn为参数。
[0071]
例如，假设共选取了s个层面，其方法如下表：
[0072][0073]
3、骨密度值的计算：
[0074]
第一步，逐层计算bmd
tomography
。以每个层面为单位，将测得的ct’bmdn
带入到公式(2)中，计算出ct
bmdn
，再将ct
bmdn
作为ct
bmd
带入到公式(1)中，计算出每个层面的bmd
tomography
。
[0075]
第二步，计算该椎体bmd的均值。由于锥体的骨密度在人体长轴方向上并非均匀分布，只测量椎体内某个层面或某小块体积的骨密度值不能代表该锥体的整体值，因此要用所有包含松质骨断层面的bmd
tomography
均值来表示该锥体的骨密度值，即n个bmd
tomography
的平均值，为最终的骨密度测量值bmd
phantom-less
。
[0076]
本发明整体流程示意图如图5所示；其中图5左侧上面部分的图片是多个如图4的锥体ct断层图像的松质骨、脂肪、肌肉、主动脉血液的roi圈选图，图5左侧下面部分的图片是多个如图3的体模ct断层图像的圈选体模的roi图。
[0077]
经过上述本发明提出的方法，仅需预扫描一次体模，在实际的ct扫描中可以无需体膜，简化了骨密度检查的操作流程，有利于qct骨密度检查技术的推广。
[0078]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。