專利名稱：借助多能量計(jì)算機(jī)斷層造影確定體內(nèi)物質(zhì)濃度的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于確定物質(zhì)在由兩種不同的物質(zhì)成分以未知比例組成的身體物質(zhì)(Krpermaterial)中的濃度的方法，其中利用多能量計(jì)算機(jī)斷層造影設(shè)備在兩種不同的X射線頻譜分布下記錄該身體物質(zhì)的兩張計(jì)算機(jī)斷層造影照片，并從這兩張計(jì)算機(jī)斷層造影照片中再現(xiàn)兩個圖像數(shù)據(jù)組，由這兩個圖像數(shù)據(jù)組確定對于每個感興趣的體素的物質(zhì)濃度。本發(fā)明還涉及一種用于實(shí)施該方法的裝置。
本發(fā)明的主要應(yīng)用領(lǐng)域涉及確定在人類患者或動物患者的身體物質(zhì)中的造影劑濃度，尤其是肝臟中的造影劑濃度。
背景技術(shù)：
為了借助計(jì)算機(jī)斷層造影設(shè)備(CT)確定造影劑濃度，迄今公知有兩種不同的技術(shù)。從而可以分別在注射造影劑之前和之后記錄應(yīng)當(dāng)測量出造影劑濃度的身體部位的計(jì)算機(jī)斷層造影照片。在配準(zhǔn)兩張?jiān)诖诉^程中獲得的CT圖像之后將這兩張CT圖像相減，以針對每個圖像點(diǎn)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，由于在此過程中需要不同時刻的計(jì)算機(jī)斷層造影照片而可能出現(xiàn)配準(zhǔn)偽影或運(yùn)動偽影，這些偽影可能導(dǎo)致錯誤的確定。此外，在采用只能在身體物質(zhì)中緩慢聚集的造影劑時，必須在兩個計(jì)算機(jī)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(shù)利用多能量計(jì)算機(jī)斷層造影設(shè)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(jì)算機(jī)斷層造影照片。在該技術(shù)的變形中首先針對兩種X射線能量分開地再現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)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(zhì)的分子密度(兩種物質(zhì)分解)，其中一種基本物質(zhì)為造影劑。根據(jù)兩個由該分解產(chǎn)生的方程可以針對每個體素確定兩個未知數(shù)、即兩種基本物質(zhì)的濃度。但是，對于很多身體物質(zhì)該技術(shù)不會產(chǎn)生令人滿意的結(jié)果，因?yàn)閷λ邪谏眢w物質(zhì)中的物質(zhì)成分很難預(yù)見該分解。因此將該技術(shù)用于確定在通常還包含較多脂肪的肝臟中的造影劑濃度會導(dǎo)致難以解釋這兩種基本物質(zhì)形成的混合物。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種用于定量地確定物質(zhì)、尤其是造影劑在身體物質(zhì)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(jì)算機(jī)斷層造影設(shè)備、尤其是利用所謂的雙能量計(jì)算機(jī)斷層造影設(shè)備在X射線的兩種不同頻譜分布下記錄兩張身體物質(zhì)的計(jì)算機(jī)斷層造影照片。利用兩種不同X射線能量的記錄在此優(yōu)選同時進(jìn)行。按照公知方式由該計(jì)算機(jī)斷層造影照片的測量數(shù)據(jù)再現(xiàn)出兩個包含X射線衰減值x的圖像數(shù)據(jù)組。X射線衰減值在此既可以理解為衰減系數(shù)μ，又可以理解為從該衰減系數(shù)推導(dǎo)出的值如CT值。在本方法中，將兩個圖像數(shù)據(jù)組的每個感興趣體素的X射線衰減值x分解為3個物質(zhì)成分的X射線衰減值。這3個物質(zhì)成分是身體物質(zhì)的兩種不同物質(zhì)成分以及一種應(yīng)當(dāng)確定濃度的物質(zhì)。當(dāng)然身體物質(zhì)的兩種不同物質(zhì)成分在此不必是化學(xué)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(shè)條件下進(jìn)行身體物質(zhì)的X射線衰減值xM在沒有該物質(zhì)的情況下由第一和第二物質(zhì)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(yīng)于身體物質(zhì)中第一物質(zhì)成分的體積含量。然后基于該分解針對每種感興趣體素確定該物質(zhì)的濃度。這是可行的，因?yàn)閷γ總€體素來說分別給出總共有兩個未知數(shù)的兩個方程(對應(yīng)于兩個圖像數(shù)據(jù)組)，即第一物質(zhì)成分的體積含量f以及在身體物質(zhì)中聚集的物質(zhì)的濃度c。
因此在本方法的優(yōu)選實(shí)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(zhì)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(yīng)于來自在X射線的不同頻譜分布或能量E1、E2下的兩個圖像數(shù)據(jù)組的X射線衰減值，c對應(yīng)于所述物質(zhì)在身體物質(zhì)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。同樣的也適用于待確定物質(zhì)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采用水模型單獨(dú)進(jìn)行的校準(zhǔn)測量來確定。
本方法和對應(yīng)的裝置利用了實(shí)際上很多物質(zhì)只以近似恒定的密度出現(xiàn)在人體和動物體內(nèi)這一知識。以該特性為基礎(chǔ)，兩種物質(zhì)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(xiàn)的。這例如針對肝臟組織可以通過實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)斷層造影設(shè)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(shù)。這一關(guān)系可以轉(zhuǎn)用到其它身體物質(zhì)上，并在本方法和對應(yīng)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于簡單和直接測量或確定物質(zhì)在身體物質(zhì)中的濃度，該測量在很多情況下提供了比目前采用的兩種物質(zhì)分解更為可靠的結(jié)果。但是，應(yīng)當(dāng)確定其濃度的物質(zhì)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(yīng)裝置的優(yōu)選應(yīng)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于分解的兩種物質(zhì)成分。盡管在肝臟中還典型地存在其它物質(zhì)，但這種唯一地分類為由脂肪和組織組成的混合物可以導(dǎo)致對造影劑濃度的正確確定。
在本方法和對應(yīng)裝置的優(yōu)選實(shí)施方式中，根據(jù)至少一個圖像數(shù)據(jù)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(yīng)圖像數(shù)據(jù)組中計(jì)算由所述物質(zhì)引起的X射線衰減值的升高。然后將X射線衰減值的升高作為圖像顯示，在該圖像中用對應(yīng)于所述物質(zhì)的相應(yīng)濃度的灰度標(biāo)示出聚集了所述物質(zhì)的區(qū)域。在另一個同樣計(jì)算X射線衰減值的升高的優(yōu)選實(shí)施方式中，將計(jì)算出的升高與相應(yīng)圖像數(shù)據(jù)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(zhì)的圖像，下面將其稱為虛擬的原始圖像(Nativbild)。
本發(fā)明的裝置包括多能量計(jì)算機(jī)斷層造影設(shè)備，其用于在不同的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(zhì)的兩張計(jì)算機(jī)斷層造影照片；圖像再現(xiàn)單元，用于根據(jù)這兩張計(jì)算機(jī)斷層造影照片再現(xiàn)兩個圖像數(shù)據(jù)組；以及確定模塊，用于針對每個感興趣體素確定和輸出所述物質(zhì)的濃度。該確定模塊在本發(fā)明的裝置中實(shí)施為用于執(zhí)行本方法的分解步驟和計(jì)算步驟。從而該確定模塊尤其是將兩個圖像數(shù)據(jù)組的每個感興趣體素的X射線衰減值x分解為三種物質(zhì)成分的X射線衰減值，以從中在本方法所采用的假設(shè)條件下確定出所述物質(zhì)的濃度。
在此，本發(fā)明的方法和對應(yīng)的裝置不僅可以用于確定在肝臟中的造影劑濃度，而且還可以用于確定在其它身體物質(zhì)中的造影劑濃度或其它物質(zhì)的濃度，只要該身體物質(zhì)可以近似地按照在本方法中采用的假設(shè)條件而表示為由兩種物質(zhì)成分組成的混合物。這例如對于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(zhì)的兩種物質(zhì)成分在此不必是化學(xué)的純物質(zhì)，因?yàn)榧词乖诟闻K中肝臟組織的物質(zhì)成分也包含水。將一種物質(zhì)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(zhì)成分組成的混合物。
本方法以及對應(yīng)裝置的特殊應(yīng)用涉及將身體物質(zhì)中的骨骼和造影劑區(qū)分開來。為此，作為物質(zhì)成分除了造影劑之外還使用組織(類似于血液和紅色的骨骼標(biāo)記)和理想的骨骼。原則上在體內(nèi)應(yīng)當(dāng)只出現(xiàn)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(shí)踐中例如黃色骨骼標(biāo)記的存在雖然會導(dǎo)致與這些理想混合物有所偏差，但利用本方法和對應(yīng)的裝置也可以在這種情況下實(shí)現(xiàn)骨骼和含有造影劑的部位之間的期望的分離。


下面借助實(shí)施例結(jié)合附圖非限制性地再次簡要解釋本發(fā)明的方法和對應(yīng)的裝置。在此圖1示出用于表示本發(fā)明方法中所述關(guān)系的第一圖表；圖2示出用于表示本發(fā)明方法中所述關(guān)系的第二圖表；圖3示出本發(fā)明方法方法流程的例子；圖4以示意圖的方式示出本發(fā)明裝置的例子。
具體實(shí)施例方式
下面借助對患者肝臟內(nèi)的造影劑濃度的確定再次詳細(xì)解釋本發(fā)明的方法和對應(yīng)的裝置。對于肝臟組織，可以通過實(shí)驗(yàn)證明由純肝臟組織和脂肪形成的混合物在具有恒定X射線能量或恒定X射線頻譜的計(jì)算機(jī)斷層造影照片中不可能以任意CT值出現(xiàn)。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(xiàn)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(shù)。基于該事實(shí)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(guān)關(guān)系x＝f*x脂肪+(1-f)*x組織。
在此x脂肪和x組織表示純物質(zhì)的取決于管電壓的CT值。如果繪制管電壓為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于一條直線上。在圖1中示出該情況。
在該模型中添加造影劑將導(dǎo)致兩個CT值增加。由于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(shù)并不取決于物質(zhì)，也就是特殊的脂肪/組織混合物。因此可以按照圖2擴(kuò)大圖1所示的圖。由此可以針對該圖中的每個點(diǎn)確定脂肪含量f和造影劑濃度c。
以任意一個點(diǎn)P為例，可以通過將該點(diǎn)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)。將該方法用于包含骨骼和組織的身體物質(zhì)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(zhì)。
肌肉組織和水這樣的物質(zhì)在檢查肝臟時同樣也近似地位于脂肪-組織直線上。因此利用針對脂肪和組織的參數(shù)將典型地在肝臟中出現(xiàn)的所有物質(zhì)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(chǎn)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(yīng)的圖像中減去。
圖3示出在本發(fā)明方法中該措施的例子。利用雙能量計(jì)算機(jī)斷層造影設(shè)備分別在80kV和140kV的不同管電壓下同時拍攝兩張CT照片，并根據(jù)該測量數(shù)據(jù)再現(xiàn)出對應(yīng)的CT圖像1、2。根據(jù)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。基于該分解一方面計(jì)算和顯示造影劑圖像3，另一方面計(jì)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(jì)算過程都在圖4中示意性示出的計(jì)算機(jī)斷層造影設(shè)備6的確定模塊5中進(jìn)行。該計(jì)算機(jī)斷層造影設(shè)備6包括圖像計(jì)算機(jī)7，其中實(shí)施了圖像再現(xiàn)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(jì)算機(jī)7連接的監(jiān)視器9上。
權(quán)利要求
1.一種用于確定物質(zhì)在由兩種不同的物質(zhì)成分以未知比例組成的身體物質(zhì)中的濃度的方法，包括以下方法步驟利用多能量計(jì)算機(jī)斷層造影設(shè)備(6)在兩種不同的X射線頻譜分布下記錄該身體物質(zhì)的兩張計(jì)算機(jī)斷層造影照片，從這兩張計(jì)算機(jī)斷層造影照片中再現(xiàn)兩個圖像數(shù)據(jù)組(1，2)，其中該圖像數(shù)據(jù)組(1，2)包含X射線衰減值x，將兩個圖像數(shù)據(jù)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(zhì)成分的X射線衰減值，在這3個物質(zhì)成分中第一物質(zhì)成分和第二物質(zhì)成分是該身體物質(zhì)的兩種不同物質(zhì)成分，第三物質(zhì)成分是所述物質(zhì)，其中該分解在以下假設(shè)下進(jìn)行身體物質(zhì)的X射線衰減值xM在沒有該物質(zhì)的情況下由第一和第二物質(zhì)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(yīng)于身體物質(zhì)中第一物質(zhì)成分的體積含量，以及基于該分解針對每種感興趣體素確定該物質(zhì)的濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，對所述物質(zhì)濃度的確定通過求解以下針對根據(jù)f和c的X射線的不同頻譜分布E1和E2的方程組來進(jìn)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(yīng)于來自在X射線的不同頻譜分布下的兩個圖像數(shù)據(jù)組(1，2)的X射線衰減值，c對應(yīng)于所述物質(zhì)在身體物質(zhì)中的濃度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，確定造影劑在身體物質(zhì)中的濃度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，確定造影劑在肝臟中的濃度，其中所述第一物質(zhì)成分是脂肪，第二物質(zhì)成分是組織。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在至少一個圖像數(shù)據(jù)組(1，2)中確定由所述物質(zhì)引起的X射線衰減值的升高，并作為圖像(3)顯示。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在至少一個圖像數(shù)據(jù)組(1，2)中確定由所述物質(zhì)引起的X射線衰減值的升高，并通過與該圖像數(shù)據(jù)組(1，2)的X射線衰減值相減而計(jì)算和顯示原始圖像(4)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述兩張計(jì)算機(jī)斷層造影照片是同時記錄的。
8.一種用于確定物質(zhì)在由兩種不同的物質(zhì)成分以未知比例組成的身體物質(zhì)中的濃度的裝置，包括多能量計(jì)算機(jī)斷層造影設(shè)備(6)，其用于在X射線的不同頻譜分布下同時記錄該身體物質(zhì)的兩張計(jì)算機(jī)斷層造影照片，圖像再現(xiàn)單元(8)，用于根據(jù)這兩張計(jì)算機(jī)斷層造影照片再現(xiàn)兩個圖像數(shù)據(jù)組(1，2)，以及確定模塊(5)，將兩個圖像數(shù)據(jù)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(zhì)成分的X射線衰減值，在這3個物質(zhì)成分中第一物質(zhì)成分和第二物質(zhì)成分是該身體物質(zhì)的兩種不同物質(zhì)成分，第三物質(zhì)成分是所述物質(zhì)，其中該分解在以下假設(shè)下進(jìn)行身體物質(zhì)的X射線衰減值xM在沒有該物質(zhì)的情況下由第一和第二物質(zhì)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(yīng)于身體物質(zhì)中第一物質(zhì)成分的體積含量，以及基于該分解針對每種感興趣體素確定和輸出該物質(zhì)的濃度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述確定模塊(5)這樣構(gòu)成，其通過求解以下針對根據(jù)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(zhì)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(yīng)于來自在X射線的不同頻譜分布下的兩個圖像數(shù)據(jù)組(1，2)的X射線衰減值，c對應(yīng)于所述物質(zhì)在身體物質(zhì)中的濃度。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的裝置，其特征在于，所述確定模塊(5)這樣構(gòu)成，其在至少一個圖像數(shù)據(jù)組(1，2)中確定由所述物質(zhì)引起的X射線衰減值的升高，并作為圖像(3)輸出到圖像顯示裝置(9)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8至10中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述確定模塊(5)這樣構(gòu)成，其在至少一個圖像數(shù)據(jù)組(1，2)中確定由所述物質(zhì)引起的X射線衰減值的升高，通過與該圖像數(shù)據(jù)組(1，2)的X射線衰減值相減而計(jì)算原始圖像(4)，并輸出到圖像顯示裝置(9)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于確定物質(zhì)在由兩種不同的物質(zhì)成分以未知比例組成的身體物質(zhì)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(zhì)的兩張計(jì)算機(jī)斷層造影照片，從這兩張計(jì)算機(jī)斷層造影照片中再現(xiàn)兩個圖像數(shù)據(jù)組(1，2)。將兩個圖像數(shù)據(jù)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(zhì)成分。該分解在以下假設(shè)下進(jìn)行身體物質(zhì)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(yōu)先權(quán)日2006年2月28日
發(fā)明者邁克爾·格拉斯拉克, 伯恩哈德·克勞斯 申請人:西門子公司