借助计算机断层造影自动区分肾结石类型的方法和装置.pdf

本发明涉及一种用于借助计算机断层造影自动区分肾结石类型的方法和装置。在该方法中提供在不同的X射线频谱分布下记录的对象部位的两次计算机断层造影拍摄的两个图像数据组。对对象部位的至少一个感兴趣断层的每个具有对肾结石来说典型的X射线衰减值的体素，从两个图像数据组中计算比例r，该比例r由该体素的两个X射线像素值以及纯小便在相应X射线能量时的预定X射线衰减值给出。将所述体素根据r的大小与至少两种肾结石类型中的一种相对应。该方法使得可以借助计算机断层造影自动区分肾结石类型。

权利要求书
1.  一种用于借助计算机断层造影自动区分肾结石类型的方法，其中，
在不同的X射线频谱分布下记录包含肾结石的对象部位的两次计算机断层造影拍摄，并根据该两次计算机断层造影拍摄的原始数据再现该对象部位的两个图像数据组，这些图像数据组包含该对象部位的体素在相应的X射线频谱分布下的X射线衰减值，
对所述对象部位的至少一个感兴趣断层的每个体素从两个图像数据组中计算比例r，在此该体素的两个对应的X射线衰减值的平均值大于预定的、表征肾结石的阈值，该比例r由该体素的两个X射线衰减值或由两个平均X射线衰减值以及纯小便在相应X射线频谱分布下的预定X射线衰减值o1和o2按照以下方式给出，在此该平均X射线衰减值是通过对在各图像数据组中包含的、在预定立体内围绕该体素的体素的X射线衰减值求平均值而获得的：
r = x 1 - o 1 x 2 - o 2 ]]>
其中x1、x2表示在相应X射线频谱分布下的X射线衰减值或者平均X射线衰减值，
其中将各体素根据r的大小与至少两种肾结石类型中的一种相对应。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述对象部位的计算机断层造影图像中彩色地突出显示至少一种肾结石类型的体素。

3.  根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对于其由两个图像数据组的两个对应的X射线衰减值求得的平均值大于表征肾结石的预定阈值的每个体素，首先确定在该体素周围具有预定伸展幅度的三维立体区域，在该立体区域内选择所有其X射线衰减值满足表征肾结石的预定标准的体素，并针对每个图像数据组分开计算所选择的体素的平均X射线衰减值，以便根据两个平均X射线衰减值来确定所述比例r。

4.  根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对于其由两个图像数据组的两个对应的X射线衰减值求得的平均值大于表征肾结石的预定阈值的每个体素，首先确定在该体素周围具有预定伸展幅度的三维立体区域，在该立体区域内选择所有其X射线衰减值满足表征肾结石的预定标准的体素，
在所述三维立体区域中确定所选择的体素的个数，并与针对该个数的预定阈值进行比较，
针对每个图像数据组分开地计算所选择的体素的平均X射线衰减值，以便根据该两个平均X射线衰减值来确定所述比例r，
其中仅当所选择的体素的个数大于针对个数的预定阈值时，才对这些体素计算平均X射线衰减值以及确定平均X射线衰减值的比例r。

5.  根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，将所述体素的两个X射线衰减值的平均值大于表征肾结石的阈值确定为所述预定标准。

6.  根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，作为预定的标准，采用所述体素的组合X射线衰减值xm大于表征肾结石的阈值这一标准，其中该组合的X射线衰减值根据以下计算规则来获得：
x m = x 1 - m · x 2 1 - m , ]]>其中 m = - q 2 r ua , max ]]>
其中x1、x2表示所述体素在两个不同X射线频谱分布下的两个X射线衰减值，值rua，max是针对尿酸的比例r的上阈值，q表示两个图像数据组的图像的图像噪声之比。

7.  根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述图像噪声之比q在预处理步骤中由所述两个图像数据组或事先拍摄的断层造影图像来确定。

8.  一种用于借助计算机断层造影自动区分肾结石类型的装置，具有用于存储对象部位的两个图像数据组的存储单元，该图像数据组从在不同的X射线频谱分布下的两次计算机断层造影拍摄中获得并包含该对象部位的体素在不同的X射线频谱分布下的X射线衰减值，和确定模块，其构造为对所述对象部位的至少一个感兴趣断层的每个体素从两个图像数据组中计算比例r，在此该体素的两个对应的X射线衰减值的平均值大于预定的、表征肾结石的阈值，该比例r由该体素的两个X射线衰减值或由两个平均X射线衰减值以及纯小便在相应X射线频谱分布下的预定X射线衰减值o1和o2按照以下方式给出，在此该平均X射线衰减值是通过对在各图像数据组中包含的、在预定立体内围绕该体素的体素的X射线衰减值求平均值而获得的：
r = x 1 - o 1 x 2 - o 2 ]]>
其中x1、x2表示在相应X射线频谱分布下的X射线衰减值或者平均X射线衰减值，
其中将各体素根据r的大小与至少两种肾结石类型中的一种相对应。

9.  根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述确定模块构造为，对于其由两个图像数据组的两个对应的X射线衰减值求得的平均值大于表征肾结石的预定阈值的每个体素，首先确定在该体素周围具有预定伸展幅度的三维立体区域，在该立体区域内选择所有其X射线衰减值满足表征肾结石的预定标准的体素，并针对每个图像数据组分开计算所选择的体素的平均X射线衰减值，以便根据两个平均X射线衰减值来确定所述比例r。

10.  根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述确定模块构造为，对于其由两个图像数据组的两个对应的X射线衰减值求得的平均值大于表征肾结石的预定阈值的每个体素，首先确定在该体素周围具有预定伸展幅度的三维立体区域，在该立体区域内选择所有其X射线衰减值满足表征肾结石的预定标准的体素，在所述三维立体区域中确定所选择的体素的个数，并与针对该个数的预定阈值进行比较，针对每个图像数据组分开地计算所选择的体素的平均X射线衰减值，以便根据该两个平均X射线衰减值来确定所述比例r，其中仅当所选择的体素的个数大于针对个数的预定阈值时，才对这些体素计算平均X射线衰减值以及确定平均X射线衰减值的比例r。

11.  根据权利要求9或10所述的装置，其特征在于，作为预定标准，采用所述体素的两个X射线衰减值的平均值大于表征肾结石的阈值这一标准。

12.  根据权利要求9或10所述的装置，其特征在于，作为预定标准，采用所述体素的组合X射线衰减值xm大于表征肾结石的阈值这一标准，其中该组合的X射线衰减值根据以下计算规则来获得：
x m = x 1 - m · x 2 1 - m , ]]>其中 m = - q 2 r ua , max ]]>
其中x1、x2表示所述体素在不同X射线频谱分布时的两个X射线衰减值，值rua，max是针对尿酸的比例r的上阈值，q表示两个图像数据组的图像的图像噪声之比。

说明书借助计算机断层造影自动区分肾结石类型的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于借助计算机断层造影自动区分肾结石类型的方法和装置，其中在不同的X射线频谱分布下记录包括肾结石的对象部位的两次计算机断层造影拍摄，并从这两次计算机断层造影拍摄的原始数据中再现出该对象部位的两个图像数据组，这些图像数据组包含该对象部位的体素在各X射线频谱分布下的X射线衰减值。
背景技术
识别和区分人体或动物体内不同肾结石类型对决定治疗措施来说非常重要。不同的肾结石类型包括例如尿酸结石、胱胺酸结石、草酸结石或羟基磷灰石结石。尤其是区分尿酸结石和其它肾结石类型是非常重要的，因为尿酸结石的治疗措施和其它类型的治疗措施明显不同。
目前公知三种用于区分肾结石类型的不同方法。在第一种方法中化学地确定血液中的尿酸浓度。高浓度就表明可能存在尿酸结石。在第二种方法中从小便中滤掉固定成分。从而可以在身体运动之后、例如通过爬楼梯来证明偶然出现在小便中的肾结石成分并进行合适的检查。在第三种方法中进行手术介入，其中在诊断和治疗的同时就消除了肾结石。用传统的计算机断层造影方法来分类肾结石是很难的，因为肾结石不是作为纯的复合物质出现。虽然例如纯草酸钙与结晶的尿酸在X射线衰减值方面明显不同，但在实践中该X射线衰减值非常近似。
发明内容
因此本发明要解决的技术问题是提供一种用于区分肾结石类型的方法和装置，它们使得可以自动区分至少两种肾结石类型而无需手术介入。
在本方法中，在不同的X射线频谱分布下记录包含待区分的肾结石的对象部位的两次计算机断层造影拍摄，并根据两次计算机断层造影拍摄的原始数据再现该对象部位的两个图像数据组，该图像数据组包含该对象部位的体素在相应的X射线频谱分布下的X射线衰减值。在此，X射线衰减值既可以理解为衰减系数μ，也可以理解为从中推导出的值如CT值。为了记录这两次计算机断层造影拍摄而采用多能量计算机断层造影设备，优选采用所谓的双能量计算机断层造影设备，利用该设备可以同时或者至少接近同时地绘制具有不同X射线频谱分布的两次计算机断层造影拍摄。用于产生具有不同X射线频谱分布的两次计算机断层造影拍摄的各种技术对专业人员来说基本上是公知的。为此可以例如采用多个处于不同X射线电压下的X射线源、具有不同频谱灵敏度的多个检测器、位于该X射线源和/或X射线检测器之前的多个滤波器，或者上述技术的组合。
在本发明的方法中，对所述对象部位的至少一个感兴趣断层的每个体素从两个图像数据组中计算比例r，如果该体素的两个对应的X射线衰减值的平均值大于预定的、表征肾结石的阈值xmin的话。该比例r按照以下方式给出：
r = x 1 - o 1 x 2 - o 2 ]]>
在该公式中，x1表示所述体素在两个不同X射线能量之一时测量的X射线衰减值或者表示该X射线能量时的平均X射线衰减值，下面将对它们详细解释。按照相同方式x2表示所述体素在另一种X射线能量时测量的X射线衰减值或者表示对应的平均X射线衰减值。这两个X射线衰减值x1和x2可以直接由两个图像数据组中引出或从中计算出。另外出现的值o1和o2是纯小便在这两个X射线能量时的X射线衰减值。该值是预先给定的。它们或者是已知的或者可以事先确定。
计算比例r的基础是3种物质分解，其中将所述体素解释为由基本物质小便、第一肾结石类型尤其是尿酸结石和另一种肾结石类型组成的混合物。作为另一种肾结石类型可以考虑胱胺酸结石、草酸结石或羟基磷灰石结石。根据仿真可以知道针对恒定化学组成的结石的比例r只轻微地依赖于对象的直径。r值很高表示含钙的结石如羟基磷灰石结石或草酸盐结石。r值中等表示胱胺酸结石(硫的含量很高)。r值很低表示尿酸结石。这样，通过相应地预先给定r的阈值或值区间可以区分不同的肾结石类型，尤其是将尿酸结石与其它肾结石类型区分开来。
因此在确定r之后将各体素根据r的大小与至少两种肾结石类型中的一种相对应。然后例如在计算机断层造影图像中彩色地突出显示相应分类的体素。在此还可以为不同的肾结石类型、即根据r的大小用不同的颜色显示。观察者可以立即在CT图像中识别肾结石的位置和类型，尤其是识别它是尿酸结石还是其它肾结石类型。
因此本发明的方法和对应的装置可以借助计算机断层造影自动区分肾结石类型，也就是没有手术介入。该方法既不需要分析排泄出的结石物质也不需要分析血液值。
在本方法的优选扩展中，通过求平均值获得所述体素的X射线衰减值x1、x2。在此，首先形成在下面也称为中心体素的有关体素周围具有预定伸展幅度的三维立体区域。该三维立体区域优选是球形立体，也可以具有其它形状，如方形。在该立体区域内选择所有其X射线衰减值满足表征肾结石的预定标准的体素。然后针对每个图像数据组分开地计算所选择的体素的平均X射线衰减值，其中将两个由此产生的平均X射线衰减值用于形成比例r。该步骤使得可以选择中心体素的很有可能是肾结石体素的相邻体素，而不会模糊恒定的作用范围。
在本方法的优选实施方式中，不是对所有体素都执行确定比例r的步骤，而是只对一部分按照下面方式确定的体素执行所述步骤。在此，在该三维立体区域中确定所选择的X射线衰减值满足预定标准的体素的个数。如果该个数大于针对所选择的体素个数的预定阈值，则确定该中心体素的两个X射线衰减值或平均X射线衰减值，并计算比例r。但是如果所选择的体素的个数小于该阈值，则对该中心体素不再进行其它计算。这基于该体素不是在受检对象部位中具有肾结石的位置。
作为用于选择三维立体区域内的体素的标准，在本方法的实施方式中可以采用该体素的两个X射线衰减值的平均值必须大于阈值这一标准，该阈值是判断存在肾结石的下限。
优选的，在这种标准中不是以平均值为基础，而是以组合的X射线衰减值为基础，该组合的X射线衰减值表示取决于两次计算机断层造影拍摄的图像之间的图像噪声比例q的加权值xm，并根据以下规则来计算：
x m = x 1 - m · x 2 1 - m , ]]>其中 m = - q 2 r ua , max . ]]>
该图像噪声之比q由q＝dx1/dx2给出，其中dx1和dx2表示X射线衰减值x1和x2的统计误差，即标准偏差。值rua，max是给出针对尿酸的比例r的上阈值的预定阈值。该值是公知的或者可以事先确定。这样，在三维立体区域内对体素的选择就基于该组合X射线衰减值xm进行。选择所有对它们来说该组合X射线衰减值xm大于阈值的体素，该阈值是判断存在肾结石的下限。通过基于该表示与图像噪声之比q有关的加权平均值的组合X射线衰减值的措施，明显降低了由图像噪声引起的在xm的阈值附近错误选择的危险，从而实现了更为可靠的结果。为此所需要的两个图像数据组的图像噪声之比q可以是所采用的计算机断层造影设备已知的，也可以事先由这两个图像数据组或其它图像数据组如事先拍摄的断层造影图像来确定。
用于借助计算机断层造影拍摄自动区分肾结石类型的装置包括：用于存储两个图像数据组的存储单元，和作为主要部件的确定模块，其按照上述方法、必要时还按照这些方法的各种扩展进行计算和确定。在此，该确定模块优选实施在计算机断层造影设备的图像计算机中，该机算机断层造影设备可以提供在不同X射线频谱分布时的两次计算机断层造影拍摄的原始数据。在这种情况下，该装置还包括图像再现模块，其根据两次计算机断层造影拍摄的原始数据再现对象部位的两个图像数据组。
在一个实施方式中，所述装置可以只包括具有存储单元的确定模块以及接口，通过该接口接收已经根据两次计算机断层造影拍摄再现了的图像数据组。所述确定模块优选与图像显示模块连接，通过该显示模块在相应的图像显示装置上彩色地显示表示肾结石的体素。
附图说明
下面借助与附图关联的实施例再次简要解释本方法。其中：
图1示出在执行本方法时的方法流程的例子；
图2示出在该方法中执行的3种物质分解的示意图。
具体实施方式
在下面的例子中，用双能量计算机断层造影设备执行对对象的双能量CT扫描，其中在两个不同的X射线能量下同时获得原始数据。该不同的X射线能量通过所采用的X射线管的不同管电压—在该例子中是80kV和140kV—来获得。通过公知的再现算法从该原始数据中相互独立地再现两张CT图像。在此获得的两个图像数据组中的每一个数据组对于检查立体的每个体素都包括各自X射线能量时的对应HU值。
在此，应当与数据记录和采用的计算机断层造影设备无关地保证，当待区分的体物质出现在或位于被检对象的不同位置处时，该体物质的HU值在某种程度上是稳定的。但这对大多数市场上可购买到的计算机断层造影设备是给定的。
在预处理阶段，在该例子中只考察一个轴向断层。如果对于该断层的80kV时的图像和140kV时的图像之间的图像噪声之比q未知，则例如可以从对象直径或所测量的空气HU值的噪声中近似地确定该比例q。为此例如可以针对两个管电压在图像的上半部分中在特定阈值以下—例如低于-950HU—形成该断层所有像素的平均噪声，然后产生该比例。同样可以从事先拍摄的断层造影图像中确定该比例。
对于该处理的主要部分，除了受到检查的断层之外还需要位于其上方和下方的多个体素断层。下面采用的概念“组合HU值”表示与图像噪声比例有关的、在80kV和140kV时的经过加权的HU值平均值xm(x80和x140)。该平均值可以由该比例q和稍后采用的、预定的针对尿酸的上限阈值rua，max来计算：
x m = x 80 - m · x 140 1 - m , ]]>其中 m = - q 2 r ua , max . ]]>
与此相反，概念“平均HU值”是80kV和140kV时的HU值x80和x140的算术平均值。
对于被检断层中的每个体素，只要其平均HU值大于针对肾结石的典型阈值就可以执行以下两个步骤(参见图1)：
1.选择断层：考察被检体素的三维、球形环境。只采用组合HU值大于针对肾结石的阈值的体素。通过这种方式首先选择具有尽可能相同化学成分的所有相邻体素。如果对于考察体中少于nmin的体素该组合HU值大于针对肾结石的HU阈值，则不执行以下步骤并且不进行物质的对应。否则对这些选择的体素分别通过对所有已选择体素的HU值求平均值来计算80kV时的HU平均值x80和在140kV时的HU平均值x140。作为球形环境的例子，可以假定7个体素的半径，而作为阈值nmin的例子可以假定100个体素的阈值。当然还可以根据应用和图像质量选择其它值。
2.3种物质分解：将选择的体素解释为由基本物质小便(HU值：o80和o140)、尿酸结石和胱胺酸结石或草酸结石/羟基磷灰石结石组成的混合物。计算比例 r = x 80 - o 80 x 140 - o 140 . ]]>
r值高表示含钙的结石(羟基磷灰石结石，草酸盐结石)；r值中等表示胱胺酸结石，r值低表示尿酸结石。基于r值的明显差异可以很好地区分开尿酸结石和所有其它肾结石类型，因为尿酸不包含较重的原子。但本方法可以根据不同的图像质量来区分其它肾结石类型。现在将通过r值确定的物质对应于中心体素。在完整地处理了图像数据组或该数据组中的感兴趣断层之后可以将这样产生的物质类型用于在CT图像中彩色地标记出所找到的肾结石类型。
在图2中用图表示出小便、纯尿酸、纯胱胺酸和纯草酸钙的X射线衰减值，在该图表中相互比较地绘制出80kV时的X射线衰减值和140kV时的X射线衰减值。真实肾结石的X射线衰减值在阴影区内。在本方法中采用的比例r相当于纯小便时的数据点和由一种肾结石类型的X射线衰减值的两个测量值(或平均值)给出的数据点之间的连接线段的斜率。由于对不同的肾结石类型该连接线段的斜率也不同，因此可以在本方法中区分这些肾结石类型。
为了执行该方法在该例子中需要以下参数：参数含义Xmin肾结石体素的下阈值(HU)Stake所观察立体的半径nmin超过肾结石阈值的体素的最小数量o50小便在80kV时的HU值o140小便在140kV时的HU值rua，max针对尿酸的r的上阈值
在该例子中基于球形立体来计算参数r，当然也可以基于其它基础来计算。从而可以计算包含完整结石的立方体的体素的r。同样还可以只分析该结石的中心区域或甚至只分析单个体素。