專利名稱：用成像法對生物體進行檢查的方法
技術領域：
本發明涉及一種用成像法對生物體進行檢查的方法，它通過測定在顯示生物體的感興趣區域(Region Of Interest＝ROI)的、按時間先后順序用所述成像法測定物理特性的定量值所獲得的圖像的造影劑濃度的時間變化曲線來實現，該造影劑的物理特性可通過該成像法確定。
該方法的過程是，造影劑使用者在一個未用造影劑拍攝的參考圖像上標記出一個關鍵解剖學區域，例如一個圓形的ROI，并且隨著開始注入造影劑，拍攝在時間上前后相接的圖像，其中，對每個關于ROI的圖像測定物理特性的平均值，并將其與未用造影劑拍攝的圖像的相應平均值進行比較。如果該平均值超過了一個可由使用者設定的閾值，則開始進行正式檢查。
該方法具有一系列的缺點-如果關鍵解剖學區域很小，則難以標記ROI，此外，關鍵解剖學區域經常是當造影劑達到了某種濃度后才能清晰辨認。
-在某些情況下，很難僅根據解剖學信息，例如肝的無腫瘤區和無血管區確定所述關鍵解剖學區域。
-如果所述關鍵解剖學區域是移動的，例如由于吞咽運動或由于患者的身體運動造成的移動，則所述物理特性平均值將出現強烈波動，特別是當在ROI附近存在解剖結構時，則其物理特性值將大大偏離ROI區域內存在的物理特性平均值。
按照本發明，上述技術問題是通過一種利用成像法對生物體進行檢查的方法實現的，該方法通過測定顯示生物體的感興趣區域的按時間先后順序用所述成像法測定物理特性的定量值所獲得的圖像中的造影劑的濃度來實現。
根據該方法，造影劑的濃度，特別是造影劑濃度的時間變化曲線不是基于平均值測定的，而是基于矩形圖測定的，其中，由于在所述矩形圖中不僅確定平均值，而且還對ROI確定相應于造影劑的物理特性的定量值的頻度，所以和觀察平均值的情況不同，造影劑濃度在ROI內的增長能夠被清晰識別，這本身就適用于當ROI明顯大于位于ROI內的、含有造影劑的關鍵解剖學區域的情況。
因此存在例如這樣的可能性，測定一根平行于所述矩形圖頻度軸線的、將含有矩形圖總面積的一個被定義部分的矩形圖區域分開的直線的位置時間變化曲線，作為所述造影劑濃度時間變化曲線的標度。另一種可能性是，測定平行于所述矩形圖頻度軸的、穿過包含由平行于所述矩形圖頻度軸的直線所分離的矩形圖的總面積的被定義部分的平均值的直線的位置的時間變化曲線，作為造影劑濃度的時間變化曲線的標度。在這兩種情況中，當所述關鍵解剖學區域的造影劑濃度不達到一定程度就實際上無法識別時，則測定造影劑濃度的時間變化曲線本身的條件是，標出一個含有所述關鍵解剖學區域的ROI。在特定的應用情況中究竟選擇上述兩種方案的哪一種，一方面取決于所標出的ROI的尺寸與所述關鍵解剖學區域的尺寸的比值，另一方面取決于所期望的造影劑濃度與噪聲電平的比值。
其中，所述矩形圖總面積的被分開的定義部分相應于大于在沒有造影劑時得到的主要物理特性值的物理特性值，當屬于造影劑的物理特性值如在通常情況下那樣大于沒有造影劑時的主要物理特性值時；另一方面，當物理特性值低于沒有造影劑時的主要物理特性值時，則屬于造影劑的物理特性值低于沒有造影劑時的主要物理特性值。
如果在進行檢查之前，在ROI內沒有已知的所期望的含有高濃度造影劑的解剖學區域，則按照本發明的一種變型，可測定所述矩形圖的一個中間區域的平均值或中間值的時間變化曲線作為造影劑濃度的時間變化曲線的標度，其中，所述矩形圖中間區域的邊界是由平行于矩形圖頻度軸的、將包含矩形圖總面積的被定義的上部區域分離出來的直線和平行于矩形圖頻度軸的、將包含矩形圖總面積的一個被定義的部分區域分離出來的直線限定的，其中，所述包含矩形圖總面積的上部被定義區域的區域相應于高于矩形圖中間區域所對應的物理特性值的物理特性值，而所述包含矩形圖總面積的下部被定義區域的區域相應于低于矩形圖中間區域所對應的物理特性值的物理特性值。
根據本發明的另一種實施方式，測定造影劑濃度時間變化曲線的方法包括以下步驟對在造影劑給藥之前生成的圖像建立一個矩形圖，將按時間順序先后獲得的圖像的矩形圖分別與該圖通過例如相減進行比較，其中，測定造影劑物理特性值和沒有造影劑時的主要物理特性值之間的距離的時間變化曲線作為造影劑濃度時間變化曲線的標度。其中，可按以下方式進行，分別將所述造影劑給藥之前生成的圖像的矩形圖從按時間順序獲得的圖像的矩形圖中減去。在這種情況下，在相減所產生的結果矩形圖中，屬于造影劑的物理特性值產生一個正的局部最大值，而沒有造影劑時的主要物理特性值產生一個負的局部最大值。所述結果矩形圖的可評估性能可以通過下述方式得以改善即將由相減所得到的結果矩形圖與造影劑給藥之前生成的圖像的矩形圖相摺合。
根據本發明的一種變型，所述造影劑濃度時間變化曲線用于當所述造影劑濃度超過一個閾值時，開始進行檢查。
按照本發明的方法特別適用于X射線-計算機斷層造影，其中，作為造影劑通常使用在血液循環中具有很高吸收性的物質。經常采用具有很高原子序數的物質作為造影劑，例如碘(J53)。
在使用X射線-計算機斷層造影時，為使患者在正式開始檢查之前接受盡可能小劑量的X射線，按照本發明的一種優選實施方式，所述按時間先后順序、通過測定物理特性定量值所獲得的圖像是用相對于進行檢查時所使用的X射線劑量減小的X射線劑量產生的。
圖3至
圖10表示相應于按照圖1所示的X射線-CT設備的工作方式的、按照本發明的方法的不同實施方式的矩形圖。
所述具有X射線發射器4和探測器5的龍門架1一方面具有至少用于容納被檢測對象(例如患者P)的、屬于整體用標號8表示的體位裝置的體位臺7，另一方面通過一個未示出的電機驅動裝置可沿平行于系統軸線Z延伸的體位臺7的縱軸線方向做相對位移。在圖1所示的CT機中，體位臺7在體位裝置8的底座9上借助支承件10沿體位臺7的系統軸線Z的方向移動，即沿用z標出的雙箭頭方向移動。
體位臺7采用一種對X射線衰減小的材料制成，例如碳纖維增強材料(CFK)或者木材。
為了生成計算機斷層造影照片，所述龍門架1和體位臺7在一個位置上做相對移動，其中，所述體位臺7暴露在龍門架1的測量開口2下，并且躺在體位臺7上的患者P相對龍門架1處于一個使其需檢測部位被X射線射束RS照射的體位。
為了得到患者P的一個或多個斷層平面照片，所述轉環3連同X射線發射器4和探測器5圍繞系統軸線Z轉動，以從不同方向的投影位置上拍攝患者P的一個或多個斷層平面的一個或多個斷層圖像的若干復原結構，而龍門架1和體位臺7則相對系統軸線Z的方向保持其相對位置。因為探測器5具有若干行探測元件，所以能同時拍攝最大層數為探測器5的行數51至5n的患者P的斷層投影圖。與投影圖對應的測量值來自探測器5的51至5n行的一行或多行，所述測量值輸入給計算機11，它依據這些測量值按照公知的方法計算出一個或多個斷層圖像，這些斷層圖像可顯示在一個顯示裝置上，例如監視器12上。在計算機11上設置了鍵盤13、鼠標14和/或其它用于操作該CT機的、在圖中未示出的輸入設備。
為了實施所謂的螺旋掃描，在X射線發射器4處于工作狀態以及轉環3連續轉動時，將體位臺7沿系統軸線Z、即沿z方向直線移動，由此，所拍攝的投影圖將不是一個或多個斷層平面，而是一個或多個螺旋狀斷層。借助于公知的螺旋內插法，計算機11依據在螺旋掃描過程中得到的測量投影圖計算出于一個或多個所期望的平面斷層相關的投影圖，并且按照相應的斷層圖像進行復原。此外，還可以基于螺旋掃描復原出3維圖像，因為在螺旋掃描過程中不僅對平面斷層進行掃描，而且還對體積進行掃描。
為了在使用造影劑之前確定患者P的被檢查區域，通常使用固定或移動體位臺。
對于使用造影劑進行的檢查，設置了一個造影劑注射器15，通過該裝置的套管針16可將造影劑輸入到患者P體內。在所述的實施方式中，造影劑注射器15是用一個相應的管線表示的，它由計算機11控制，計算機11不僅控制單位時間內輸給患者P的造影劑的數量，而且還控制輸入造影劑的開始和結束。
用造影劑進行檢查的效果取決于以下條件，只有當被檢查的身體部位實際上已經聚集了足夠濃度的造影劑后才開始檢查。
為了確保以上條件，所采用的方法是，在正式檢查開始前，在所謂的監視器掃描過程中，為保護患者P，采用減小的X射線劑量進行掃描，先監視造影劑的實際濃度，然后在造影劑達到了所要求的濃度后，才用正常X射線劑量進行正式檢查。
為了設定必要的X射線劑量，所述X射線發射器4以及為運行該發射器而提供所需電壓和電流的供電裝置17同樣由計算機11控制，在圖中用相應的導線連接表示。
在本發明所述方法中所采取的步驟是，首先在不激活造影劑注射器15的情況下，對患者P包含待檢查的狀況的身體部位進行監視器掃描。通過鼠標14可以在一個監視器12顯示的沒有造影劑的監視器掃描所獲得的斷層圖像上標出例如為圓形的ROI，如圖2中的虛線所示，該區域是隨后作為標定區表示的患者身體區域，例如圖2中的橫截面上所看到的包含血管V，如頸動脈的部位，該部位中含有的造影劑濃度對于正式檢查的分辨率將起到決定性作用。
完成了ROI標記后，例如可通過操作鍵盤13使造影劑注射器15按照檢查所要求的工作參數開始工作。經過一定的延遲時間后，可進行進一步的監視器掃描，但是根據檢查的情況也可沒有延遲時間。對于該監視器掃描過程中所得到的斷層圖像以及基于無造影劑監視器掃描所得到的斷層圖像，計算機11分別產生一個關于標記ROI的圖像點所對應的CT數的矩形圖，這些CT數相應于圖像點所屬的照射衰減值，并且在監視器12顯示斷層圖像時被轉換成灰度值。
考慮到CT數在矩形圖中的頻度，計算機11對造影劑濃度的測定至少是定性的，例如按照其時間變化曲線進行，并且將所測定的造影劑濃度與一個閾值進行比較。如果通過鍵盤13按照相應的檢查所選擇的該閾值被超過，則監視器掃描結束，并且必要時在可通過鍵盤13設定的延遲時間之后，進行正式的檢查，檢查采用固定或者移動體位臺7進行。
因為和現有技術不同的是，不采用ROI圖像點的CT數平均值作為造影劑濃度的判斷尺度，而是基于一個矩形圖測定造影劑濃度，所以有別于已有技術的是，不必將ROI的尺寸限制在盡可能窄的標定區域內；只要能夠保證標定區實際上處在ROI范圍內即可滿足要求，并且ROI的面積不必過分超出標定區面積即可，也就是說，根據使用情況不大于5至25倍即可。
在根據本發明所述方法的實施方式的X射線CT機的一種特殊的運行方式中，測定造影劑濃度時間變化曲線的方式是，測定一根平行于所述矩形圖頻度軸延伸的、將含有矩形圖總面積的一個被定義部分的矩形圖區域分開的直線的位置，作為所述造影劑濃度時間變化曲線的標度。
該方法如圖3至圖5所示，其中圖3是一個矩形圖，它是在造影劑給藥之前通過監視器掃描獲得的。圖4所示的矩形圖是造影劑濃度在標定區域內相對較小時的情況。圖5所示的矩形圖表示在標定區域內存在足以進行檢查的造影劑濃度時的情況。
在所述矩形圖中用CTN表示的水平軸線表示CT數，用F表示的垂直軸線表示CT數的相對頻度。
在沒有造影劑存在時得到的CT數，其矩形圖具有一個相應的最大值，如果所述標定區域如上所述是血管V的話，它相應于血管V周圍的組織的CT數。
在圖3至圖5所示的情況中，用pc10％分別表示以作為實例的百分比pc將矩形圖總面積的10％隔開的、平行于矩形圖的頻度軸F延伸的直線。
作為在監視器掃描時刻所存在的造影劑濃度的標度，要測定直線pc10％至造影劑開始給藥前的對應直線pc10％(0)之間的距離D。如果該距離超過圖3至圖5中用S表示的閾值，如圖5所示的情況，則開始進行正式的檢查。
如圖3至圖5所示，直線pc10％(0)和pc10％之間的距離D明確表示標定區域內存在的造影劑濃度，由此可以基于閾值S精確地確定檢查的開始，因為通過造影劑確定的矩形圖部分能夠明確地被識別，且在圖5所示的狀態下，在造影劑所對應的CT數的范圍內出現了矩形圖的第二個最大值。
此外，相應于各個百分比pc的平行于頻度軸的直線還如圖5所示，穿過與造影劑對應的矩形圖的頻度最大值延伸，當百分比pc用％表示并滿足以下等式時pc[%]=100[1-12AreaV2AreaROI]]]>其中AreaV表示相應血管V的橫截面面積，AreaROI表示ROI的橫截面面積。
在某些情況下為了實現目的還可以用其它方式在圖3至圖5中用一條平行于矩形圖頻度軸F的直線取代以特定百分比劃分矩形圖面積的直線，前者穿過與一個確定百分比對應的矩形圖面積的部分的平均值延伸，其中，所述矩形圖面積的部分是通過一根對應的平行于矩形圖的頻度軸延伸的直線定義的。在圖3至圖5所示的情況中，該直線分別是用pc10％表示的直線，它穿過由直線pc10％所劃分的矩形圖面積的部分的平均值。
以上所述方法不僅適用于血管造影，也適用于大腦造影。在這種情況下出現的問題是，在大腦內的造影劑濃度很低，而且血管構造很細，所以在拍攝沒有造影劑的圖像時，通常無法明確顯示出腦主質(Parenchym)。在這種情況下采取的方式是，選擇整個大腦作為ROI，這例如可以通過自動尋找頭蓋骨輪廓實現。另一種方式是，選擇盡可能大的、包含盡可能多的動脈構造的腦部區域作為ROI。
考慮到大腦中的血液含量大約相當于大腦體積的4％，適于選擇具有相同數量級的確定的百分比pc。
在圖6所示的情況中，所定義的百分比pc為2％，其中可明顯看出，就是在這種情況下也能開始正式檢查。
在目標在于尋找可能存在的腫瘤的特定的肝部檢查中，所出現的問題是，正式檢查的開始取決于正常肝組織被最佳地填充了造影劑。如果所檢查的ROI中含有在沒有造影劑的情況下很難區分出邊界的血管或者轉移組織，則會干擾檢查的開始。
在本發明所述方法的一種相應的實施方式中，所采用的X射線CT機的工作方式是這樣滿足以上要求的將矩形圖的中間區域的時間變化曲線作為造影劑濃度時間變化曲線的標度。其中，表示造影劑給藥之前的情況的所述矩形圖的中間區域如圖7所示，其邊界由平行于矩形圖頻度軸F的、將包含矩形圖總面積的定義的上部分的區域分離出來的直線pcx％和平行于矩形圖頻度軸的、將包含矩形圖總面積的定義的下部分的區域分離出來的直線pcy％限定。
為了更好地理解，在圖7中不僅用實線表示出結果矩形圖，而且還用點劃線示出正常肝主質的矩形圖部分，用點線示出存在于正常肝主質內的血管的矩形圖部分，以及用虛線示出存在于正常肝實質內的轉移組織的矩形圖部分。
在造影劑給藥后可得到圖8所示的狀態，其中，仍用實線表示結果矩形圖，血管和轉移組織以及正常肝組織的矩形圖部分仍采用與圖7所示的類似線型表示。
當矩形圖中間區域的平均值(在圖8中用一根平行于頻度軸F且穿過平均值的直線M表示)的變化超過了閾值S時，正式檢查開始。
從圖中可清楚地看出，開始檢查的時刻，即正常肝主質很好地被造影劑填充的時刻得到保證，盡管有轉移組織和血管的存在。
如果pcx％和pcy％是對稱的，即pcx％＝100-pcy％，則簡化為將矩形圖中間值的改變作為開始的條件。
在本發明所述方法的另一種實施方式所對應的X射線CT機的運行方式中，首先產生一個沒有造影劑的監視器掃描的矩形圖，然后利用該圖，優選地通過相減、比較產生在造影劑給藥之后進行的監視器掃描的矩形圖。
這種方法在圖9中用一個理想的矩形圖表示，其中用點線表示的矩形圖H1是基于沒有造影劑的監視器掃描測定的，而用虛線表示的矩形圖H2則是基于造影劑給藥若干時間后進行的監視器掃描所得到的。
對于監視器掃描得到的各個矩形圖，分別通過與沒有造影劑時測定的矩形圖進行差值運算產生一個差值矩形圖HD，其中，在圖9的情況下，該差值矩形圖HD的變化曲線用實線表示。
所述差值矩形圖HD的曲線具有一個負的和一個正的最大值，在兩者之間有一個過零點。該過零點隨著造影劑濃度的增加同樣朝更高CT數的方向移動。該差值矩形圖HD的過零點可以由于其位于兩個最大值之間的特點而很容易識別出來。
可以看出，由與差值矩形圖HD的過零點對應的CT數和沒有造影劑時對應的矩形圖的CT數的差Δ等于實際存在的造影劑濃度。
因此，當該差值Δ超過一個閾值S時，正式檢查開始。
在本發明所述方法中，X射線CT機在進行監視器掃描時，與所選擇的工作方式無關，可以采用比進行正式檢查所使用的X射線劑量更小的X射線劑量進行掃描。其效果是，由于因此而出現了更多的噪聲，則圖10所示的實際測定的矩形圖H1和H2明顯偏離了圖9所示的理想矩形圖。這一點也適用于差值矩形圖HD，由于在正最大值和負最大值之間可能存在多個過零點，而且通常也確實存在，因此對差值矩形圖HD的分析計算不再可能是明確的。
因此，在所描述的X射線CT機的工作方式中，將差值矩形圖HD與未給造影劑時測定的矩形圖H1進行褶合，見圖10中用粗實線表示的曲線R，它相當于平滑了的差值矩形圖HD，可以很容易按照與圖9所示的類似的方式進行分析計算。
應當指出的是，在以上所述的工作方式中，矩形圖的測定、矩形圖的分析計算、相減運算和褶合運算、與閾值的比較等均由計算機11實施。
同樣，計算機11還控制X射線CT機產生監視器掃描序列，并且在超過相應的閾值時使正式檢查開始。
各個標定閾值S可以和直線pcx％的位置一樣由操作人員通過例如鍵盤13輸入到計算機11中。同樣也可經鍵盤13或借助鼠標選擇相應的工作方式，并啟動監視器掃描。
本發明的方法優選用于X射線診斷，特別是計算機斷層造影，但是也可以與其它采用造影劑實施的成像方法(例如磁共振和超聲波法)結合使用。
權利要求
1.一種利用成像法對生物體進行檢查的方法，通過測定顯示生物體的感興趣區域(Region Of Interest＝ROI)的按時間先后順序用所述成像法測定物理特性的定量值所獲得的圖像中的一種具有可通過成像法確定物理特性的造影劑的濃度來實現，本方法包括以下步驟對于所述ROI的每個圖像產生一個物理特性定量值的矩形圖，并且基于ROI內物理特性定量值存在的頻度測定ROI內的造影劑濃度。
2.如權利要求1所述的方法，其中，測定造影劑濃度的時間變化曲線，并且基于ROI內物理特性定量值存在的頻度測定ROI內的造影劑濃度的時間變化曲線。
3.如權利要求2所述的方法，其中，測定一根平行于所述矩形圖頻度軸的、將包含矩形圖總面積的一個被定義部分的矩形圖區域分開的直線的位置的時間變化曲線，作為造影劑濃度時間變化曲線的標度。
4.如權利要求3所述的方法，其中，將所述被定義的部分分開的各直線的位置是通過其與一根平行于矩形圖頻度軸的直線之間的距離定義的，該直線將一個包含相應于未加造影劑時得到的矩形圖的總面積的等于所述被定義的部分的一部分區域分開。
5.如權利要求2所述的方法，其中，測定平行于所述矩形圖頻度軸的、穿過包含由平行于所述矩形圖頻度軸的直線所分離的矩形圖的總面積的被定義部分的平均值的直線的位置時間變化曲線，作為造影劑濃度的時間變化曲線的標度。
6.如權利要求3所述的方法，其中，所述穿過平均值的各直線的位置是通過其與一條直線之間的距離定義的，該直線穿過一個在沒有造影劑時得到的相應矩形圖的一個區域的平均值，該區域是由一條平行于該矩形圖頻度軸的直線分離出來的，它相應于沒有造影劑時得到的矩形圖總面積的等于所述被定義部分的一部分區域。
7.如權利要求2所述的方法，其中，測定所述矩形圖的一個中間區域的平均值或中間值的時間變化曲線，作為造影劑濃度時間變化曲線的標度，所述矩形圖中間區域的邊界是由平行于矩形圖頻度軸的、將包含矩形圖總面積的被定義的上部區域分離出來的直線，和平行于矩形圖頻度軸的、將包含矩形圖總面積的一個被定義的部分區域分離出來的直線限定的，其中，所述包含矩形圖總面積的上部被定義區域的區域相應于高于矩形圖中間區域所對應的物理特性值的物理特性值，而所述包含矩形圖總面積的下部被定義區域的區域相應于低于矩形圖中間區域所對應的物理特性值的物理特性值。
8.如權利要求2所述的方法，其中，測定造影劑濃度時間變化曲線的方法包括以下步驟對在造影劑給藥之前生成的圖像建立矩形圖；將按時間順序先后獲得的圖像的矩形圖分別與該矩形圖進行比較，其中，測定造影劑的物理特性值的時間變化曲線作為造影劑濃度時間變化曲線的標度。
9.如權利要求8所述的方法，其中，分別將所述造影劑給藥之前生成的圖像的矩形圖與所述按時間順序先后獲得的圖像的矩形圖相減，以產生結果矩形圖。
10.如權利要求9所述的方法，其中，將所述相減的結果與造影劑給藥之前生成的圖像的矩形圖相摺合。
11.如權利要求1至10中任何一項所述的方法，其中，當所述造影劑濃度超過一個閾值時，即開始進行檢查。
12.如權利要求1至11中任何一項所述的方法，其中，所述成像法為X射線-計算機斷層造影。
13.如權利要求12所述的方法，其中，所述按時間先后順序用通過測定物理特性定量值所獲得的圖像是用相對于進行檢查時所使用的X射線劑量減小的X射線劑量產生的。
全文摘要
本發明涉及一種利用成像法、通過測定生物體的感興趣區域(Region OfInterest=ROI)的按時間先后順序獲得的圖像的造影劑濃度對生物體進行檢查的方法,本方法包括以下步驟:對于所述ROI的每個圖像產生一個可借助于成像方法確定的物理特性定量值的矩形圖,并且基于ROI內存在的物理特性定量值的頻度測定ROI內的造影劑濃度。
文檔編號G06T7/00GK1382421SQ01145918
公開日2002年12月4日 申請日期2001年12月24日 優先權日2000年12月22日
發明者厄恩斯特·克洛茨 申請人:西門子公司