TWI695387B - 將電腦斷層掃描儀的掃描資訊轉換為骨骼參數的方法 - Google Patents

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施政延
許宏全
劉羿晟
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Abstract

本發明的將電腦斷層掃描儀的掃描資訊轉換為骨骼參數的方法，包括步驟：提供電腦斷層掃描儀、受檢體及已知成分的兩假體；透過電腦斷層掃描儀拍攝以取得對應的受檢體掃描資訊及兩假體掃描資訊；計算裝置接收受檢體掃描資訊及兩假體掃描資訊；計算裝置透過兩假體對應的物理函數模型計算電腦斷層掃描儀的能量衰減係數，物理函數模型包括兩假體的已知成分及兩假體掃描資訊；提供能量修正係數給計算裝置；及計算裝置透過真實關係函數獲得受檢體的骨骼參數，真實關係函數包括電腦斷層掃描儀的能量衰減係數、受檢體掃描資訊及能量修正係數。

Description

將電腦斷層掃描儀的掃描資訊轉換為骨骼參數的方法
本發明與受檢體骨骼參數取得方法有關，特別是指透過電腦斷層掃描儀的掃描資訊轉換為骨骼參數的方法。
骨質密度(bone mineral density)檢查通常需透過特殊設備來進行，例如雙能量X光骨質密度檢查 ( Dual-energy X-ray absorptiometry, DEXA)及定量式電腦斷層掃描檢查 (Quantitative computed tomography, QCT)等。
雙能量X光骨質密度檢查技術是使用兩種不同能量之X光掃描受檢組織，穿透過受檢組織的X光被閃爍偵測儀接收後經由電腦處理得到骨質密度。
定量式電腦斷層掃描檢查實務上分為帶體模和不帶體模兩類型。帶體模QCT需將受檢組織與已知密度的假體同步掃描，以假體掃描結果做為參考，將受檢組織的掃描資訊與假體的掃描資訊比較得到骨質密度。 不帶體模QCT是以肌肉和脂肪組織的掃描資訊作為參考，並與受檢組織的掃描資訊進行比較來得出骨密度。QCT是的缺點是放射劑量大且掃描時間較長，測量準確性相對較低。
由上可知，骨質密度目前都是使用特殊或專用設備來進行檢查。
此外，雖然電腦斷層掃描儀(Computed Tomography, CT)已廣泛應用於生物組織檢測，但目前電腦斷層掃描儀僅能建構受檢組織的三維影像而無法辨別骨骼參數。
有鑑於上述缺失，本發明可以透過商用(市售)電腦斷層掃描儀所拍攝的掃描資訊，透過取得電腦斷層掃描儀本身的能量衰減係數而將掃描資訊轉換為具有受檢體的骨骼參數，以便於提高骨骼檢驗能力。
為了達成上述目的，本發明的將電腦斷層掃描儀的掃描資訊轉換為骨骼參數的方法，包括步驟：提供電腦斷層掃描儀；提供受檢體及已知成分的兩假體；透過電腦斷層掃描儀拍攝受檢體及兩假體以取得對應的受檢體掃描資訊及兩假體掃描資訊；透過計算裝置接收受檢體掃描資訊及兩假體掃描資訊；計算裝置透過兩假體對應的物理函數模型計算電腦斷層掃描儀的能量衰減係數，物理函數模型包括兩假體的已知成分及兩假體掃描資訊；提供能量修正係數給計算裝置，能量修正係數與兩假體的已知成分的能量衰減係數及理想受檢體的能量衰減係數有關；及計算裝置透過真實關係函數獲得受檢體的骨骼參數，真實關係函數包括電腦斷層掃描儀的能量衰減係數、受檢體掃描資訊及能量修正係數。
如此，本發明可透過已知成分的兩假體及對應的兩假體掃描資訊來獲得電腦斷層掃描儀的能量衰減係數，並透過能量衰減係數及能量修正係數來獲得受檢體掃描資訊的骨骼參數。
有關本發明所提供之將電腦斷層掃描儀的掃描資訊轉換為骨骼參數的方法的組成、特點、或方法，將於後續的實施方式詳細說明中予以描述。然而，在本發明領域中具有通常知識者應能瞭解，該等詳細說明以及實施本發明所列舉的特定實施例，僅係用於說明本發明，並非用以限制本發明之專利申請範圍。
以下，茲配合各圖式列舉對應之較佳實施例來對本發明的將電腦斷層掃描儀的掃描資訊轉換為骨骼參數的方法的技術特徵及達成功效來作說明。然各圖式中將電腦斷層掃描儀的掃描資訊轉換為骨骼參數的方法的步驟順序及步驟數量僅用來說明本創作的技術特徵，而非對本創作構成限制。
如第1圖所示，本發明的將電腦斷層掃描儀的掃描資訊轉換為骨骼參數的方法100是透過該圖中的步驟來實現，但其他實施例中，步驟的數量可以更少或更多，且步驟的順序可以被調整，因此，步驟的數量及順序不以本實施例所述為限。
步驟110是提供兩假體。步驟111是分析兩假體。其中，分析步驟可透過已知的成分分析方式得到假體及受檢體的成分。步驟113提供受檢體，本實施例中，受檢體是生物的骨骼(cortical and marrow)。本實施例的已知成分所述的參數或比例是用以說明，而非對本發明的限制。
本實施例中，假體的成分為磷酸二鉀(K 2HPO 4)及水(H 2O)的混合物。假體的製作是將特定比例的磷酸二鉀及水混合後注入模穴中，待固化後形成多節(段)的骨骼假體。假體每節(段)填充溶液代表當量假體密度不同，當量假體密度範圍在0.1至0.9 g/cm 3之間。假體具有多個不同區域的分隔，各分隔內之假體參數比例不同，且同一分隔內之材質比例需為均値狀態。
上述兩假體的比例是不同的，隨後，兩假體分別稱為第一假體及第二假體，第一假體及第二假體的比例表示如下表一，V1及V2分別代表體積百分比的數值，且兩者不相同。W1及W2分別代表特定重量百分比的數值，且兩者不相同。
Figure 02_image001
、
Figure 02_image003
也分別代表不同密度的第一假體及第二假體，因此，假體可依據表一製造不同成分及比例的假體。 表一　假體成分混合比例表
體積百分比 重量百分比 密度
K2HPO4
Figure 02_image005
 K2HPO4
Figure 02_image005
 ρ (g/cm 3)
第一假體 V1 1-V1 W1 1-W1
Figure 02_image001
第二假體 V2 1-V2 W2 1-W2
Figure 02_image003
表二是依據表一說明所得的第一假體、第二假體及水的成分的體積百分比、重量百分比、密度及掃描資訊的相關數值，該表中的數值僅用以說明而非對本發明構成限制。     表二　各假體及水成分混合比例表
體積百分比 重量百分比 密度 掃描資訊
K2HPO4
Figure 02_image005
 K2HPO4
Figure 02_image005
 ρ (g/cm3) CT值
第一假體 0.04098 0.9590 0.0944 0.9056 1.135936 181
第二假體 0.08196 0.9180 0.1789 0.8211 1.257616 328
水 0 1 0 1 1 0
分析假體透過元素週期表可得K 2HPO 4及H 2O的各元素(K、H、P及O)的原子序(
Figure 02_image007
)及原子量(
Figure 02_image009
)，如表三，然後透過表一得到各元素於假體中所佔的重量百分比(
Figure 02_image011
)及密度(
Figure 02_image013
)。 表三　磷酸二鉀(K 2HPO 4)成分表
  H O P K  
原子序(
Figure 02_image007
) 		1 8 15 19  
原子量(
Figure 02_image009
) 		1.008 16 30.97 39.1  
  重量百分比(
Figure 02_image011
) 		ρ (g/cm 3)
K 2HPO 4 0.58 36.74 17.78 44.9 2.44
H 2O 11.19 88.81 0 0 1
步驟130是提供電腦斷層掃描儀(Computed Tomography；簡稱CT)，電腦斷層掃描儀透過數位幾何運算後建立立體放射線醫療影像。電腦斷層掃描儀可以是任何具備光子準直儀的設備，例如多排偵檢器CT與雙能CT等。本實施例中採用單次機台能量係數校正，因此，可減少掃描次數及減少輻射照射量，但其他實施例中，電腦斷層掃描儀也可以採用雙能照射。
步驟131是拍攝第一假體、第二假體及受檢體以取得對應的第一假體掃描資訊(CT number)、第二假體掃描資訊及受檢體掃描資訊。掃描資訊也稱為CT值(hounsfield unit, HU)，CT值(
Figure 02_image015
)是量測生物(受檢體)局部組織的計量單位，也代表光衰減值。
步驟140是接收受檢體掃描資訊、第一假體掃描資訊及第二假體掃描資訊。
步驟150是計算電腦斷層掃描儀的能量衰減係數，能量衰減係數是依據第一假體及第二假體的成分、第一假體掃描資訊、第二假體掃描資訊、第一假體對應的物理函數模型及第二假體對應的物理函數模型計算得到。
步驟150中所指的物理函數模型包括方程式(1)及方程式(2)。其中方程式(1) 用以計算光衰減值
Figure 02_image017
，且
Figure 02_image017
的
Figure 02_image019
可以透過任意數字或符號來分別代表第一假體、第二假體及水等，
Figure 02_image021
是亞佛加厥常數，
Figure 02_image013
是密度，
Figure 02_image011
是重量百分比，
Figure 02_image009
是原子量，
Figure 02_image007
、
Figure 02_image023
、
Figure 02_image025
是原子序相關係數，
Figure 02_image027
、
Figure 02_image029
分別代表電腦斷層掃描儀的能量衰減係數，能量衰減係數包括
Figure 02_image027
是雷利散射係數及
Figure 02_image029
是光電吸收係數。亞佛加厥常數是 6.022E23。
方程式(2)等號左邊代表是CT值，右邊則是假(受檢)體的光衰減值
Figure 02_image017
除以水的光衰減值
Figure 02_image031
。方程式(2)等號左邊代表的CT值是各假體分別透過電腦斷層掃描儀拍攝而得到的CT值(
Figure 02_image015
)，CT值經方程式(2)轉換後成為等同假(受檢)體的光衰減值
Figure 02_image017
除以水的光衰減值
Figure 02_image031
的常數值。
Figure 02_image033
方程式(1)
Figure 02_image035
方程式(2)
方程式(1)中
Figure 02_image007
是第i元素之原子序，例如H(氫)是1、氧(O)是8，
Figure 02_image023
是為光電吸收的有效原子序，
Figure 02_image025
是雷利散射的有效原子序，如參考文獻Attix, F. H. (2008). Introduction to radiological physics and radiation dosimetry. John Wiley & Sons.，此外，光電吸收的有效原子序中的
Figure 02_image037
及雷利散射的有效原子序的
Figure 02_image039
可參照Rutherford, R. A., Pullan, B. R., & Isherwood, I. (1976). Measurement of effective atomic number and electron density using an EMI scanner. Neuroradiology, 11(1), 15-21. Rutherford，本實施例中，
Figure 02_image037
是1.86，
Figure 02_image041
是3.62。以氧為例，
Figure 02_image023
是14868.79384，
Figure 02_image025
是382.6814077。相關參數如表四，該些參數僅用以說明而非對本發明構成限制。 表四
 
Figure 02_image043
Figure 02_image045
Figure 02_image047
 ρ (g/cm3)
第一假體 8.7164 49558.288 296.513 1.135936
第二假體 9.6455 85106.255 377.137 1.257616
水 7.3063 16310.604 216.610 1
將表四中的各參數值代入方程式(1)以計算第一假體的光衰減值
Figure 02_image049
、第二假體的光衰減值
Figure 02_image051
及水的光衰減值
Figure 02_image031
，方程式(1)中的
Figure 02_image013
、
Figure 02_image021
、
Figure 02_image023
、
Figure 02_image053
原子序(
Figure 02_image007
)、原子量(
Figure 02_image009
)及重量百分比(
Figure 02_image011
)可由物理成分得到的對應的常數值，因此，方程式(1)僅有能量衰減係數
Figure 02_image027
、
Figure 02_image029
是未知數。
然後，將步驟150中方程式(1)得到第一假體的光衰減值
Figure 02_image049
、第二假體的光衰減值
Figure 02_image051
及水的光衰減值
Figure 02_image031
代入方程式(2)，並搭配表二中第一假體及第二假體的CT值，以建構完成第一假體的光衰減值
Figure 02_image049
及第二假體的光衰減值
Figure 02_image051
分別與水的光衰減值
Figure 02_image031
的兩個比例方程式，因此，求解兩比例方程式就能獲得電腦斷層掃描儀的能量衰減係數
Figure 02_image027
、
Figure 02_image029
，本實施例中，能量衰減係數
Figure 02_image027
、
Figure 02_image029
分別是-4.960584907、0.010816298。
所以，步驟150的說明可知，假體的數量最少僅需要兩個，但假體數量也可以更多，而不以兩個為限。
接著，步驟170是提供能量修正係數
Figure 02_image055
，能量修正係數
Figure 02_image055
透過理想骨骼及假體的特定成分能量依存性差異來進行修正。理想骨骼的能量衰減係數可從美國國家標準與技術研究院(國家標準與技術研究院，NIST)的光子交叉截面數據庫(XCOM：Photon Cross Sections Database)與國際輻射單位與度量委員會(International Commission on Radiation Units and Measurements，ICRU)中組織替代物放射劑量測定及量測報告(Tissue Substitutes in Radiation Dosimetry and Measurement Report-44)中查詢相關物理量、輻射單位與放射性的國際性容許建議，以及統合度量程序與物理數據。能量修正係數
Figure 02_image055
是假體的主成分(磷酸二鉀)的能量衰減係數除以理想骨骼的能量衰減係數的比值。
步驟190包括兩個步驟191建立真實關係函數，步驟193是獲得受檢體骨骼參數，也就是說步驟190是透過真實關係函數獲得該受檢體的骨骼參數。真實關係函數如方程式(3)，以取得受檢體的光衰減值
Figure 02_image057
與電腦斷層掃描儀拍攝的CT值(
Figure 02_image059
)對應關係，方程式(3)與電腦斷層掃描儀的能量衰減係數
Figure 02_image027
、
Figure 02_image029
、受檢體掃描資訊(
Figure 02_image059
)及能量修正係數
Figure 02_image055
有關。方程式(3)與方程式(2)的差異在於方程式(3)有透過能量修正係數來進行修正，以提高獲得受檢體的光衰減值
Figure 02_image057
的正確性。如此，光衰減值
Figure 02_image057
可透過方程式(1)來獲得骨骼參數，例如骨骼密度
Figure 02_image061
。
Figure 02_image063
方程式(3)
如此，因為商用(市售)的電腦斷層掃描儀的能量衰減係數均有差異，且非固定常數，因此，透過步驟150可以獲得電腦斷層掃描儀的能量衰減係數
Figure 02_image027
、
Figure 02_image029
，因此，商用(市售)電腦斷層掃描儀可以透過該步驟來獲得相關能量衰減係數。然後，再透過步驟170來獲得能量修正係數
Figure 02_image055
，以使步驟190所建立的真實關係函數能更為精確。
本發明可以透過電腦斷層掃描儀拍攝的CT值透過上述步驟獲得生物骨骼的密度參數，故有助於手術規劃及提升品質，例如，進行骨釘作業時，醫療人員能從骨骼的密度參數了解骨骼各節(段)的密度參數，而能輕易選擇骨質密度較佳的固定位置來固定骨釘。
步驟150的計算是透過電腦斷層掃描儀內建的計算裝置或外部的計算裝置進行，換言之，無論是電腦斷層掃描儀內建的計算裝置或外部的計算裝置，方程式(1)及方程式(2)是可以被建立在計算裝置內，以供計算裝置處理及運算。
步驟170的提供是透過輸入或預設的程序將能量修正係數
Figure 02_image055
提供給計算裝置。步驟190的建立真實關係函數是將真實關係函數建立在電腦斷層掃描儀內建的計算裝置或外部的計算裝置，如此，當已知電腦斷層掃描儀的能量衰減係數
Figure 02_image027
、
Figure 02_image029
所對應的電腦斷層掃描儀拍攝目標骨骼的CT值(資訊)，就可透過對應的真實關係函數轉換得到目標骨骼的骨骼密度參數。
計算裝置是將電腦斷層掃描儀掃得到的CT值(也稱為醫療影像或掃描資訊)轉換成包含受檢體骨骼參數(例如密度)的醫療影像或掃描資訊。
如第2圖所示，轉換系統300包括電腦斷層掃描儀310及計算裝置330。計算裝置330包括能量衰減係數計算模組331及關係函數建立模組333。關係函數建立模組333連接能量衰減係數計算模組331。
電腦斷層掃描儀310耦接計算裝置330，耦接可以是有線連接、無線連接或儲存媒體將掃描資訊提供給計算裝置330，以使計算裝置執行步驟140。此外，電腦斷層掃描儀310可以是一台以上，例如兩台、三台或更多。
能量衰減係數計算模組331執行步驟150，能量衰減係數計算模組331可以接收掃描資訊(步驟131)，並依據掃描資訊執行物理函數模型(步驟150)，以獲得電腦斷層掃描儀對應的能量衰減係數
Figure 02_image027
、
Figure 02_image029
。
關係函數建立模組333執行步驟170及步驟190，步驟170的能量修正係數
Figure 02_image055
是被儲存或建立在關係函數建立模組333內，步驟190的真實關係函數也被建立在關係函數建立模組333內。
如此，本發明的計算裝置及其轉換方法可透過電腦斷層掃描儀拍攝的掃描資訊及已知假體成分轉換取得電腦斷層掃描儀的能量衰減係數，而利用能量衰減係數來獲得受檢體(骨骼)的骨骼參數，骨骼參數包括密度及分佈，如此，手術規劃時可更精確地得到骨骼的狀態，來提高效率及醫療品質。
其他實施例中，能量衰減係數計算模組31及關係函數建立模組33可分別由不同計算裝置執行，表示，能量衰減係數計算模組建立在計算裝置內，關係函數建立模組則建立在另一計算裝置。例如其中一計算裝置執行上述步驟150，另一計算裝置可接收已得到的電腦斷層掃描儀的能量衰減係數，並透過上述步驟170及步驟190得到受檢體的骨骼參數，因此，計算裝置不以單一個為限。
最後，再次強調，本發明於前揭實施例中所揭露的步驟順序、構成元件，僅為舉例說明，並非用來限制本案之範圍，其他步驟順序的改變、等效元件的替代或變化，亦應為本案之申請專利範圍所涵蓋。
100:方法 110-193:步驟 300:轉換系統 310:電腦斷層掃描儀 330:計算裝置 331:能量衰減係數計算模組 333:關係函數建立模組
第1圖是本發明的將電腦斷層掃描儀的掃描資訊轉換為骨骼參數的方法的步驟流程圖。 第2圖是執行第1圖的轉換系統的示意圖。
100:方法
110-193:步驟

Claims (6)

  1. 一種將電腦斷層掃描儀的掃描資訊轉換為骨骼參數的方法，包括步驟： 　　提供一電腦斷層掃描儀； 　　提供一受檢體及已知成分的兩假體； 　　透過該電腦斷層掃描儀拍攝該受檢體及兩該假體以取得對應的一受檢體掃描資訊及兩假體掃描資訊； 　　透過一計算裝置接收該受檢體掃描資訊及兩該假體掃描資訊； 　　該計算裝置透過兩該假體對應的物理函數模型計算該電腦斷層掃描儀的能量衰減係數，該物理函數模型包括兩該假體的已知成分及兩該假體掃描資訊； 　　提供一能量修正係數給該計算裝置，該能量修正係數與兩該假體的已知成分的能量衰減係數及一理想受檢體的能量衰減係數有關；及 　　該計算裝置透過一真實關係函數獲得該受檢體的骨骼參數，該真實關係函數包括該電腦斷層掃描儀的能量衰減係數、該受檢體掃描資訊及該能量修正係數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的將電腦斷層掃描儀的掃描資訊轉換為骨骼參數的方法，其中，兩該假體的已知成分包括磷酸二鉀及水的元素的密度、重量百分比、原子量及原子序。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的將電腦斷層掃描儀的掃描資訊轉換為骨骼參數的方法，其中，該能量衰減係數包括一光電吸收係數及一雷利散射係數。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的將電腦斷層掃描儀的掃描資訊轉換為骨骼參數的方法，其中，該計算裝置包括一能量衰減係數計算模組及一關係函數建立模組，該能量衰減係數計算模組包括該物理函數模型，該關係函數建立模組包括該能量修正係數及該真實關係函數。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的將電腦斷層掃描儀的掃描資訊轉換為骨骼參數的方法，其中，該物理函數模型包括：
    Figure 03_image065
    Figure 03_image067
    Figure 03_image017
    是兩假體的光衰減值，
    Figure 03_image069
    是水的光衰減值，
    Figure 03_image021
    是亞佛加厥常數，
    Figure 03_image013
    是密度，
    Figure 03_image011
    是重量百分比，
    Figure 03_image009
    是原子量，
    Figure 03_image007
    、
    Figure 03_image023
    、
    Figure 03_image025
    是原子序相關係數，
    Figure 03_image027
    是該電腦斷層掃描儀的雷利散射係數及
    Figure 03_image029
    是該電腦斷層掃描儀的光電吸收係數，
    Figure 03_image015
    是該電腦斷層掃描儀的掃描資訊。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的將電腦斷層掃描儀的掃描資訊轉換為骨骼參數的方法，其中，該真實關係函數包括：
    Figure 03_image071
    Figure 03_image059
    是該受檢體掃描資訊，
    Figure 03_image073
    是該受檢體的光衰減值，
    Figure 03_image075
    是該能量修正係數。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN107274389A (zh) * 2017-05-25 2017-10-20 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 基于ct三维序列图像的股骨和髋臼解剖参数获取方法
TW201825050A (zh) * 2017-01-11 2018-07-16 南京中硼聯康醫療科技有限公司 基於醫學影像的組織元素質量比例解構方法及幾何模型建立方法
CN108938155A (zh) * 2018-07-11 2018-12-07 深圳市聚拓科技有限公司 一种基于ct/mri扫描的假肢接受腔模型构建方法

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