專利名稱：用于x射線圖像分析的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于X射線成像及其分析領(lǐng)域，尤其是，描述了基于X射線照片的用于骨礦物密度和/或骨結(jié)構(gòu)的精確分析的方法及組合。
背景技術(shù)：
X射線照片和其他X射線圖像分析是重要的診斷工具，尤其是用于與骨骼相關(guān)的病癥。目前，可用于骨質(zhì)疏松癥的診斷的對骨骼的非侵害評估技術(shù)，或?qū)钦畚ｋU性增加的評價技術(shù)包括雙X射線吸收測定法(DXA)(Eastell等人，(1998)New Engl J.Med 338736-746)；定量計算層析X射線攝影法(QCT)(Cann(1988) Radiology 166509-522)；外圍DXA(pDXA)(Patel等人，(1999)J Clin Densitom 2397-401)；外圍QCT(pQCT)(Gluer等人，(1997)Semin Nucl Med 27229-247)；X射線圖像吸收測定法(RA)(Gluer等人，(1997)Semin Nucl Med 27229-247)；和定量超聲波(QUS)(Njeh等人，″QuantitativeUltrasoundAssessment of Osteoporosi s and Bone Status″1999，Martin-Dunitz，London England；美國專利號6,077,224，此處參考其全文進(jìn)行結(jié)合)。(也參見WO 9945845；WO 99/08597；和美國專利號6,246,745)。
脊柱和髖部的DXA已經(jīng)成為測量BMD的最廣泛使用的方法。Tothill，P.and D.W.Pye，(1992)Br J Radiol 65807-813。DXA背后的基本原理是測量通過軀體的兩個不同光子能級的X射線的傳輸。由于對原子數(shù)和光子能級的衰減系數(shù)的依賴，對兩個能級傳輸系數(shù)的測量可以推斷出兩個不同類型組織的表面密度(即每單位投影面積的質(zhì)量)。在DXA掃描中，分別區(qū)分為骨礦物(羥磷灰石)和軟組織。然而，被廣泛承認(rèn)的是，DXA掃描的精度受到軟組織的不同成分的限制。由于脂肪具有更高的氫含量，它的衰減系數(shù)與瘦的(lean)組織的衰減系數(shù)不同。根據(jù)幾項(xiàng)研究的結(jié)果，Tothill，P.和D.W.Pye，(1992)BrJ Radiol，65807-813；Svendsen，O.L.等人，(1995)J Bone Min Res 10868-873，在BMD測量中，在穿過骨頭的X射線光束路徑上的軟組織成分與鄰近的軟組織參考區(qū)域相比的差值引起了誤差。此外，DXA系統(tǒng)體積龐大且昂貴，其價格在75,000美元和150,000美元范圍之間。
定量計算層析X射線攝影法(QCT)通常用于測量椎體中的帶小梁的骨頭。Cann(1988)Radiology 166509-522。當(dāng)誤差的主要來源是骨髓的不同成分時，QCT研究通常使用單一的kV裝置(單能量QCT)進(jìn)行。然而，也能夠使用雙kV掃描(雙能量QCT)。這雖然減小了精度誤差，但是是以低精確度和高輻射劑量為代價。然而，與DXA一樣，QCT非常昂貴并且目前這種設(shè)備僅限于少數(shù)的研究中心使用。
定量超聲波(QUS)是一種測量外圍骨骼的技術(shù)。Njeh等人，(1997) Osteoporosis Int77-22；Njeh等人，Quantitative UltrasoundAssessment of Osteoporosis and BoneStatus.1999，London，EnglandMartin Dunitz。設(shè)備可以有各種各樣的變化，但是大部分設(shè)備都是以腳后跟作為測量位置的。由于信號被小梁(trabeculae)散射和吸收，穿過骨骼的聲譜脈沖被急劇地削弱。衰減隨著頻率線性增加，并且上述關(guān)系的斜率與寬帶超聲波衰減有關(guān)(BUA；單位dB/MHz)。由于在腳后跟中很少有小梁來削弱信號，所以骨質(zhì)疏松癥患者的BUA值減小。除BUA外，大部分QUS系統(tǒng)也在腳后跟處通過聲譜儀變換器之間的距離除以傳播時間(單位m/s)來對聲音的速度(SOS)進(jìn)行測量。因?yàn)殡S著礦物化的骨骼的損失，骨骼的彈性系數(shù)降低，從而使骨質(zhì)疏松癥患者的SOS值減小。然而仍然存在QUS測量的限制。在預(yù)測年輕患者的骨折危險性上的QUS的成功仍然存在不確定性。QUS測量的另一個困難是它們沒有毫無困難地包含在對于骨質(zhì)疏松和骨質(zhì)減少的WHO定義中。此外，沒有發(fā)展干預(yù)域值。因此，不能將測量用于治療決策。
對于QUS也有幾項(xiàng)技術(shù)限制。很多設(shè)備采用了將病人的腳后跟置于固定的變換器之間的腳支撐架。因此，測量位置不易于適應(yīng)跟骨的不同尺寸和形狀，并且病人與病人之間測量的確切解剖學(xué)位置是不同的。人們通常認(rèn)為QUS測量相對較低的精確度使得大部分設(shè)備不適合監(jiān)測病人對治療的反應(yīng)。Gluer，(1997)J Bone Min Res 121280-1288。
X射線圖像吸收測定法(RA)是一種很多年前用于評定手內(nèi)的骨密度而發(fā)展起來的技術(shù)，但是這種技術(shù)近來重新引起了人們興趣。Gluer等人，(1997)Semin Nucl Med 27229-247。采用這種技術(shù)，可以對指骨中的BMD進(jìn)行測量。手的RA的主要缺陷在于相對缺少對帶小梁的骨頭的高度翻轉(zhuǎn)。由于這個原因，手的RA限制了檢測骨質(zhì)疏松癥的靈敏度，而對于監(jiān)測由治療引起的改變并不是很有用。
如上所述的外圍X射線吸光測定法，實(shí)質(zhì)上比價格在15,000美元和35,000美元范圍內(nèi)的DXA和QCT便宜。然而，流行病學(xué)研究表明，外圍BMD測量對預(yù)知脊柱和髖部骨折的鑒別能力低于使用脊柱和髖部的BMD測量。Cummings等人，(1993)Lancet 34172-75；Marshal等人，(1996)Br Med J 3121254-1259。其主要原因是在使用這些技術(shù)的測量部位缺少帶小梁的骨頭。另外，由于激素取代療法引起的前臂或手的BMD的改變，雙膦酸酯和選擇性雌激素受體調(diào)節(jié)器相對較小，使得這類測量不如主要對帶小梁的骨頭的測量更適合對治療反應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測。Faulkner，(1998)J Clin Densitom 1279-285；Hoskings等人，(1998)N Engl J Med 338485-492。盡管人們已經(jīng)嘗試了從牙齒的X射線照片中獲得關(guān)于骨礦物密度的信息。(參見，例如，Shrout等人，(2000)J.Periodonol.71335-340；Verhoeven等人，(1998)Clin Oral Implants Res 9(5)333-342)，但這些嘗試不能提供準(zhǔn)確和可靠的結(jié)果。
此外，現(xiàn)有的方法和設(shè)備通常沒有考慮骨結(jié)構(gòu)分析。參見，例如，Ruttimann等人，(1992)Oral Surg Oral Med Oral Pathol 7498-110；Southard & Southard(1992)OralSurg Oral Med Oral Patltol 73751-9；White & Rudolph，(1999)Oral Surg Oral MedOral Pathol Oral Radiol Endod 88628-35。
因此，盡管存在多種評測骨密度的設(shè)備和方法，但這些設(shè)備和方法均存在很多局限。因此，本發(fā)明人從其他事例中認(rèn)識到了需求，提供了能從X射線圖像和數(shù)據(jù)中獲得精確的骨礦物密度和骨結(jié)構(gòu)信息的能力的方法及組合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過提供可以根據(jù)X射線圖像對骨礦物密度和/或骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的組合及方法，以滿足這些以及其他需求。例如，X射線圖像可以是牙齒或髖部的X射線照片。同時還提供了X射線裝置，該X射線裝置包括精確的標(biāo)準(zhǔn)模型，尤其是，為了根據(jù)X射線圖像確定骨結(jié)構(gòu)，以標(biāo)準(zhǔn)模型作為參考。
在一個方面，發(fā)明包括一種根據(jù)X射線圖像得到骨結(jié)構(gòu)和/或骨礦物密度的定量信息的方法，該方法包括(a)獲得X射線圖像，其中X射線圖像包括用于確定骨結(jié)構(gòu)的外部標(biāo)準(zhǔn)；以及(b)分析從步驟(a)中獲得的圖像以得到骨結(jié)構(gòu)的定量信息。X射線圖像(X射線照片)，例如，可以是髖部X射線照片或者是從牙齒的X射線膠片上得到的牙齒的X射線照片，該牙齒的X射線膠片可以帶有或不帶有包含投影于下頜骨或上頜骨外面的標(biāo)準(zhǔn)模型的外部標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)模型可以包括幾何圖形，例如，由塑料、金屬或金屬粉末制成。
在某些實(shí)施例中，圖像可以數(shù)字式地獲得，例如，采用硒探測器系統(tǒng)或者硅探測器系統(tǒng)或者計算機(jī)X射線照相系統(tǒng)。在其他實(shí)施例中，可以對圖像進(jìn)行數(shù)字化以便分析。
此處所述的任何方法中，分析可以包括采用一個或多個計算機(jī)程序(或單元)。此外，分析可以包括，例如，為了獲得骨礦物密度和/或骨結(jié)構(gòu)信息，在分析圖像之前、同時或者之后，識別圖像中的一個或多個解剖學(xué)的研究區(qū)(interest)(ROI)。根據(jù)ROI和/或具有所選擇的骨結(jié)構(gòu)或骨密度信息的圖像的區(qū)域，可以人工或者，更好的，采用計算機(jī)單元識別特定間距的骨結(jié)構(gòu)或骨密度信息。研究區(qū)可以是，例如，下頜骨、上頜骨或一個或更多牙齒。骨密度信息可以是，例如，最高密度區(qū)域、最低密度區(qū)域或者中間密度區(qū)域。骨結(jié)構(gòu)信息可以是，例如，小梁厚度；小梁間距；小梁之間的二維或三維空間；小梁網(wǎng)的二維或三維結(jié)構(gòu)。
在其他方面，發(fā)明包括一種根據(jù)X射線圖像獲得骨結(jié)構(gòu)的定量信息的方法，該方法包括(a)獲得X射線圖像；以及(b)用從霍夫變換(Hough transform)、骨架操作(skeletonoperator)、形態(tài)學(xué)操作(morphological operators)、平均(mean)像素密度、像素密度的方差、傅立葉譜分析、分形維數(shù)、形態(tài)學(xué)參數(shù)及其組合構(gòu)成的組中選出的一個或多個指標(biāo)對在步驟(a)中獲得的圖像進(jìn)行分析，由此得到骨結(jié)構(gòu)的定量信息。同時或者接下來可以進(jìn)行不同的分析，例如，骨架操作可以在霍夫變換之前進(jìn)行。另外，當(dāng)采用兩個或更多指標(biāo)時，他們可以有不同的權(quán)重。此外，任一的這些方法也可以包括采用此處描述的任一方法對圖像進(jìn)行分析以獲得骨礦物密度信息。
在另一方面，此處描述的任一方法還可以包括將一個或多個校正系數(shù)用于從圖像獲得的數(shù)據(jù)。例如，可以將校正系數(shù)編程到計算機(jī)單元中。計算機(jī)單元可以是與進(jìn)行圖像分析相同的單元，或者也可以是不同的單元。在某些實(shí)施例中，校正系數(shù)說明個體之間軟組織厚度的變化。
在另一方面，此處描述的任一方法可以進(jìn)一步包括在獲得X射線圖像的同時將圖像中的軟組織壓縮到一選定的厚度。
在此處描述的任一裝置中，標(biāo)準(zhǔn)模型可以集成到裝置內(nèi)，例如，集成到衛(wèi)生蓋內(nèi)、X射線膠片內(nèi)(例如，在膠片的一層或兩層之間)和/或支架內(nèi)。或者，標(biāo)準(zhǔn)模型可以暫時地與裝置連接，例如，插入到衛(wèi)生蓋的隔板內(nèi)或者機(jī)械地連接到X射線膠片上。在某些實(shí)施例中，標(biāo)準(zhǔn)模型包括多個作為骨結(jié)構(gòu)特征(例如，小梁厚度；小梁間距；小梁之間的二維或三維空間；小梁網(wǎng)絡(luò)的二維和/或三維結(jié)構(gòu))的參考的幾何圖形(例如，圓形、星形、方形、月牙形、橢圓形、多邊體形、不規(guī)則形狀體及其組合)。標(biāo)準(zhǔn)模型(或其中的幾何圖形)可以由金屬、塑料、金屬粉末或其組合物構(gòu)成。在此處描述的任一裝置中，膠片可以集成到衛(wèi)生蓋內(nèi)。
在更進(jìn)一步的方面，發(fā)明包括一種診斷骨病癥(例如，骨質(zhì)疏松癥，骨折的危險性)的方法，該方法包括對用此處描述的任一種方法獲得的X射線照片進(jìn)行分析。
在更進(jìn)一步的方面，發(fā)明包括一種骨病癥的治療方法，例如通過此處描述的方法對病癥進(jìn)行診斷以及為對象選擇并實(shí)施一種或多種治療方法。
在另一方面，發(fā)明包括一種從圖像得到骨結(jié)構(gòu)信息的方法，該方法包括(a)從對象處獲得圖像；(b)分析從步驟(a)獲得的圖像以得到骨結(jié)構(gòu)的定量信息。在某些實(shí)施例中，分析包括將從圖像得到的骨結(jié)構(gòu)信息與從選定的對象處獲得的骨結(jié)構(gòu)測量數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比。該圖像可以是，例如，X射線圖像或者電子圖像。在某些實(shí)施例中，圖像包括一外部標(biāo)準(zhǔn)。構(gòu)成數(shù)據(jù)庫的選定的對象可以是，例如，普通對象，帶有骨質(zhì)疏松病癥的對象或者其組合。此外，數(shù)據(jù)庫包括人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及對象中的骨結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，例如，其中所述對象是年齡、性別以及種族對比(racematched)。
在某些實(shí)施例中，骨結(jié)構(gòu)信息從小梁厚度、小梁間距、小梁連接性、小梁之間的二維或三維空間、小梁網(wǎng)絡(luò)的二維或三維結(jié)構(gòu)和/或其組合。此外，此處描述的任一種方法還可以包括對圖像(例如，X射線圖像)中的一個或更多研究區(qū)(ROI)定位的步驟，例如，采用規(guī)則活性形狀(regularized active shape)算法定位的ROI或者自動定位的ROI。
在某些方面，步驟(b)包括采用從小梁密度、小梁周長、星形體體積、帶小梁的骨頭圖形系數(shù)、小梁厚度、小梁取向、取向特定的小梁的評估、小梁連接性及其組合構(gòu)成的組中選出的一個或多個指標(biāo)對在步驟(a)中獲得的圖像進(jìn)行分析。在某些實(shí)施例中，這些指標(biāo)至少包括一個小梁密度指標(biāo)，且密度是小梁面積與總面積的比。在另一些實(shí)施例中，至少一個指標(biāo)是采用傅立葉分析確定的取向特定的小梁的評估。在另一些實(shí)施例中，至少一個指標(biāo)是通過歐幾里得距離(Euclidean distance)變換而確定的小梁厚度。在另一些實(shí)施例中，至少一個指標(biāo)是通過2D快速傅立葉變換(FFT)確定的小梁取向。在另一些實(shí)施例中，至少一個指標(biāo)是采用節(jié)點(diǎn)計數(shù)確定的小梁連接性。此外，可以對兩個或更多系數(shù)進(jìn)行分析。
在另一方面，發(fā)明包括一種對對象的骨病癥進(jìn)行診斷的方法，該方法包括對從基于此處描述的任一種方法得到的圖像中的信息進(jìn)行分析，其中如果分析表明從對象得到的骨結(jié)構(gòu)信息與通常掌握的對象的信息不同，則診斷出骨病癥。骨病癥可以是，例如，骨質(zhì)疏松癥。
又在另一方面，發(fā)明包括一種對骨病癥進(jìn)行治療的方法，包括(a)從對象獲得圖像信息；(b)對步驟(a)中獲得的圖像進(jìn)行分析從而得到骨結(jié)構(gòu)的定量信息；(c)基于步驟(b)的分析進(jìn)行骨病癥的診斷；以及(d)基于該診斷而為對象選擇并實(shí)施一種合適的治療方法。在某些實(shí)施例中，對從步驟(b)獲得的信息的分析是通過將該信息與從選定的對象獲得的骨結(jié)構(gòu)測量的數(shù)據(jù)庫的信息進(jìn)行比較來進(jìn)行的。該治療可以包括，例如，實(shí)施一種或多種防再吸收劑，實(shí)施一種或多種合成代謝劑，或其組合。
在另一方面，發(fā)明包括一種根據(jù)X射線圖像確定骨礦物密度的方法，該方法包括步驟(a)確定圖像中的一個或多個內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)密度；(b)在步驟(a)中獲得的值之間建立權(quán)平均值；(c)利用權(quán)平均值確定圖像中的骨骼的骨礦物密度。內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)可以，例如，從空氣、脂肪、水、金屬及其組合構(gòu)成的組中選出。
在另一方面，發(fā)明包括一種根據(jù)X射線圖像確定骨結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括步驟(a)在X射線圖像上標(biāo)識一個或更多內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)；(b)確定標(biāo)準(zhǔn)的密度或結(jié)構(gòu)；以及(c)利用標(biāo)準(zhǔn)的密度、結(jié)構(gòu)或其組合確定X射線圖像的骨結(jié)構(gòu)。該內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)可以是，例如，牙齒、牙齒的一部分、皮層骨、空氣、皮下脂肪和肌肉。
在另一方面，發(fā)明包括一種對對象的骨骼疾病進(jìn)行評估的方法，該方法包括步驟(a)從對象獲得X射線圖像，其中該圖像包括一個或更多骨骼；(b)在圖像的至少一個解剖學(xué)的區(qū)域內(nèi)對骨礦物密度進(jìn)行評估；(c)對該區(qū)域內(nèi)的骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估；以及(d)將對骨礦物密度和骨結(jié)構(gòu)的評估綜合起來對骨骼疾病進(jìn)行評估。骨骼疾病可以是，例如，骨折的危險性，諸如骨質(zhì)疏松骨折等。評估可以包括，例如，診斷骨骼疾病，監(jiān)測骨骼疾病發(fā)展過程(例如，通過在不同的離散時間點(diǎn)對骨骼疾病進(jìn)行評估)以及諸如此類的。在某些實(shí)施例中，此處所述的方法還包括根據(jù)骨骼疾病的評估為對象選擇治療方法以及實(shí)施該治療方法。還有一些實(shí)施例，此處所述的評估的方法包括在實(shí)施所選定的治療方法期間或之后對骨骼疾病的發(fā)展過程的監(jiān)測。還有一些實(shí)施例，此處所述的任何一種方法還可以包括對圖像中的一個或更多宏觀解剖學(xué)參數(shù)進(jìn)行評估以及將骨礦物密度、骨結(jié)構(gòu)以及宏觀解剖學(xué)參數(shù)的評估進(jìn)行綜合以便對骨骼疾病進(jìn)行診斷的步驟。
還在另一方面，發(fā)明包括一種對對象的骨骼疾病進(jìn)行治療的方法，該方法包括步驟(a)從對象獲得一圖像(例如X射線照片或電子圖像)，其中該圖像包括一個或更多骨骼；(b)對圖像的至少一個解剖學(xué)區(qū)域進(jìn)行骨礦物密度評估；(c)對該區(qū)域中的骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估；(d)綜合骨礦物密度和骨結(jié)構(gòu)的評估以對骨骼疾病進(jìn)行評估；(e)根據(jù)骨骼疾病的評估結(jié)果選擇一種治療方法；以及(f)對對象實(shí)施該治療方法。在某些實(shí)施例中，步驟(a)至(d)可以分兩次或多次執(zhí)行。在另一項(xiàng)實(shí)施例中，步驟(a)至(e)分兩次或多次執(zhí)行。
在另一方面，發(fā)明包括一種對對象的骨骼疾病進(jìn)行評估的方法，該方法包括步驟(a)獲得對象的圖像(例如，X射線照片或電子圖像)，其中該圖像包括一個或更多骨骼；(b)對圖像中的骨骼進(jìn)行骨結(jié)構(gòu)評估；(c)對圖像中的一個或更多宏觀解剖學(xué)參數(shù)進(jìn)行評估；以及(d)將骨結(jié)構(gòu)評估和宏觀解剖學(xué)參數(shù)評估結(jié)和起來以對骨骼疾病進(jìn)行評估。該骨骼疾病可以是，例如，骨折的危險性，諸如骨質(zhì)疏松骨折。該評估包括，例如，對骨骼疾病進(jìn)行診斷和/或在兩個或更多離散時間點(diǎn)上對骨骼疾病的發(fā)展進(jìn)程進(jìn)行監(jiān)測(例如，在兩個或更多時間點(diǎn)上重復(fù)步驟(a)至(d))。該方法還可以包括根據(jù)骨骼疾病的評估選擇一種治療方法以及對對象實(shí)施該治療方法。此外，該評估可以包括在實(shí)施選定的治療方法期間或之后對骨骼疾病的發(fā)展過程進(jìn)行監(jiān)測。
本發(fā)明的這些和其他實(shí)施例可以很容易地使本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員理解此處的公開。


圖1示出了一牙齒X射線照片的例子?？梢钥吹綐?biāo)準(zhǔn)模型110。將研究區(qū)120設(shè)置為用來測量骨礦物密度或結(jié)構(gòu)。
圖2示出了另一牙齒X射線照片的例子?？梢钥吹綐?biāo)準(zhǔn)模型110。將研究區(qū)120設(shè)置為用來測量骨礦物密度或結(jié)構(gòu)。
圖3示出了一根據(jù)對下頜骨或上頜骨的骨礦物密度的測量而得到的分析報告的例子。對象(X)大于一個低于年齡匹配管理的平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，(X軸為年齡，y軸為任意的BMD單元)。
圖4示出了一個安裝在牙齒120上的V型標(biāo)準(zhǔn)模型110的例子。齒齦130也被示出。
圖5示出了一個用于標(biāo)準(zhǔn)模型110的夾具115的例子。夾具115安裝在牙齒120上。齒齦130同樣被示出。
圖6，畫面B至E示出了沿著不同像素行的灰度值輪廓，其被用來對牙齒的頂點(diǎn)進(jìn)行定位。從上到下，作為牙齒根部的特性曲線峰值(在牙齒X射線畫面A中示出)逐漸地消失。
圖7示出了一個測試圖像(畫面B)的霍夫變換(畫面A)。所有來自于同一直線的共線點(diǎn)變換為正弦曲線，該曲線在單一點(diǎn)交叉(圓)。
圖8示出了一個概略的帶小梁的骨頭X射線圖像(畫面B)的霍夫變換(畫面A)。畫面A的白色區(qū)域示出了更長的片段和主要的角度。
圖9示出了構(gòu)造元素E2的不同尺寸的影響；帶有不同寬度線條(1，3，5，7，9，11，13像素)的標(biāo)準(zhǔn)模型圖像(左上)；分別地采用直徑3像素(右上)，7像素(左下)以及11像素(右下)的E2進(jìn)行骨骼的操作。
圖10示出了構(gòu)造元素E2的不同尺寸的影響；帶小梁的骨頭的灰度等級圖(左上，畫面A)；分別采用直徑3像素(右上，畫面B)，7像素(左下，畫面C)，11像素(右下，畫面D)的E2進(jìn)行骨骼的操作。
圖11示出了來自一用于骨折分析的牙齒X射線照片的解剖學(xué)研究區(qū)的灰度值表面曲線。
圖12示出了一個衛(wèi)生蓋夾具的例子，該夾具包括為一標(biāo)準(zhǔn)模型和一充滿液體的小而圓的背襯而設(shè)置的間隔。
圖13示出了一個解剖學(xué)研究區(qū)的例子(黑點(diǎn))，其相對取決于牙齒或下頜骨的凸度/凹度。
圖14示出了一個三個解剖學(xué)研究區(qū)的例子(黑點(diǎn))，其相對取決于牙齒或下頜骨的凸度/凹度。
圖15示出了一個如此處所述的用于使導(dǎo)管形成角度最小化的典型系統(tǒng)的側(cè)視圖。圖中，將系統(tǒng)示出為牙齒的X射線照片系統(tǒng)。伸長管(200)連接到環(huán)形的Rinn夾具(102)。伸長管的外徑比位于牙齒X射線照片系統(tǒng)/牙齒X射線照片導(dǎo)管前部的導(dǎo)管的內(nèi)徑稍小。這樣，伸長管可以插入到金屬管之中，以便減小導(dǎo)管的形成角度以及在骨表觀密度和骨結(jié)構(gòu)測量中的合成誤差。
具體實(shí)施例方式
在對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述之前，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于特定的公式或處理參數(shù)，而理所當(dāng)然的是可以變化的。還應(yīng)當(dāng)理解，此處所用的術(shù)語僅僅是為了描述本發(fā)明的特定實(shí)施例，并不表示為限定。
除非特別指明，本發(fā)明所用的實(shí)例采用了本領(lǐng)域技術(shù)人員常用的X射線的成像和處理方法。在本文中對這些技術(shù)進(jìn)行了充分的解釋。例如，參見，X-Ray StructureDeterminationA Practical Guide，2nd Edition，editors Stout and Jensen，1989，John Wiley & Sons，publisher；Body CTA Practical Approach，editor Slone，1999，McGraw-Hill publisher；The Essential Physics of Medical Imaging，editors Bushberg，Seibert，Leidholdt Jr & Boone，2002，Lippincott，Williams & Wilkins；X-rayDiagnosisA Physician’s Approach，editor Lam，1998 Springer-Verlag，publisher；以及Dental RadiologyUnderstanding the X-Ray Image，editor Laetitia Brocklebank1997，OXford University Press publisher。
此處引用的所有出版物，專利和專利申請，無論是上述或下述，都參照全文進(jìn)行結(jié)合。
必須注意的是，如本說明書和附加的權(quán)利要求所用到的，除非內(nèi)容清楚地表明，否則單數(shù)形式的“a”，“an”，和“the”均包括復(fù)數(shù)的指示物。因此，例如，提及“一個標(biāo)準(zhǔn)模型”即包括一個或更多這樣的模型。
定義除非進(jìn)行了定義，否則，這里所用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本發(fā)明有關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員的通常理解具有相同的含義。盡管任何一種與此處描述相近或等價的方法和材料都可以在實(shí)踐中用于對本發(fā)明進(jìn)行測試，但此處描述了較佳的材料和方法。
術(shù)語“對象”包含任何溫血動物，特別是包括哺乳類動物的一員，例如，但不局限于，人類和諸如黑猩猩和其他的猿和猴類一類的非人類的靈長類；諸如牛，綿羊，豬，山羊和馬一類的農(nóng)畜；諸如狗和貓一類的家畜；包括諸如小鼠、大鼠以及豚鼠一類的嚙齒動物在內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室動物以及諸如此類的。此術(shù)語不指定特定的年齡或性別，因此，包括成年的及新生的對象，其無論為雄性或雌性。
“骨質(zhì)疏松癥”指一種以骨骼組織的骨質(zhì)量小和骨組織微結(jié)構(gòu)退化的骨骼問題為特征的病癥，其結(jié)果是增大了骨骼的脆性和骨折的敏感性。骨質(zhì)疏松癥通常表現(xiàn)為脊椎骨骨折或髖骨骨折，這是由骨礦物密度的降低及結(jié)構(gòu)性能和骨骼微結(jié)構(gòu)的退化造成的。
“對象”較佳的是指動物，例如，諸如人類這樣的哺乳動物。當(dāng)此處使用術(shù)語“患者”時，其指代人類對象。
“計算單元”指任何目前或未來的用于計算的軟件、芯片或其他裝置，例如骨結(jié)構(gòu)計算，它們可以是現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展的或是未來將要發(fā)展的。計算單元可以設(shè)計來控制X射線裝置或探測器(也可以是與X射線探測器有關(guān)的其他參數(shù))。對于此處描述的方法和設(shè)備而言，本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員可以認(rèn)識到計算單元的其他應(yīng)用。計算單元可以用于與本技術(shù)相關(guān)的任何其他應(yīng)用，這些技術(shù)可以很容易地應(yīng)用于計算機(jī)軟件或硬件。
“骨結(jié)構(gòu)”指骨組織的二維或三維排列(例如結(jié)構(gòu)或微結(jié)構(gòu))。通常骨組織包括兩種類型的骨骼——其內(nèi)具有管道或毛細(xì)孔并且通常較堅(jiān)硬的皮層骨的外層，以及結(jié)構(gòu)上通常像海綿或者像蜂巢的帶小梁的(或多孔的)骨頭的內(nèi)層。皮層骨或帶小梁的骨頭的結(jié)構(gòu)特征包括，但不局限于，小梁厚度；小梁間距；小梁之間的二維或三微空間；小梁網(wǎng)絡(luò)的二維或三維結(jié)構(gòu)，固體物質(zhì)(典型的是大于3000μm)，主要的和/或次要的小梁(典型的是75至200μm)，主要的和次要的骨單位(典型的是100至300um)，叢狀的，帶間隙的骨骼，小梁包，薄片(典型的是1至20μm)，腔隙，粘合線，小管，膠原質(zhì)-礦物合成物(典型的是0.06至0.4μm)，皮孔，小梁連接性，節(jié)點(diǎn)和分支點(diǎn)及諸如此類的。在本發(fā)明的實(shí)踐中可以對一個或更多這些或其他結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行測量。較佳的，測量尺寸在亞毫米范圍內(nèi)，更典型的是在10至500μm范圍。微結(jié)構(gòu)參數(shù)的非限定性例子包括小梁結(jié)構(gòu)極限的二進(jìn)制圖像參數(shù)，例如小梁面積；總面積；小梁面積/總面積；小梁周長面積；小梁距離變換；骨髓距離變換；小梁距離變換的區(qū)域性最大值(平均值，最小值，最大值，標(biāo)準(zhǔn)偏差)；骨髓距離變換的區(qū)域性最大值(平均值，最小值，最大值，標(biāo)準(zhǔn)偏差)；星形體容積(參見，例如，Ikuta等人，(2000)JBMR 18217-277；Vesterby(1990)Bone 11149-155；和Vesterby等人，(1989)Bone 107-13)；帶小梁的骨頭的圖形系數(shù)(Hahn等人，(1992)Bone 13327-330)；TBPf＝(P1-P2)/(A1-A2)，其中P1和A1是擴(kuò)張前的周長和帶小梁的骨頭的面積，P2和A2既是在單像素擴(kuò)張后的對應(yīng)值，也是小梁的骨骼參數(shù)，例如連接骨數(shù)目或分支數(shù)(T)；節(jié)點(diǎn)數(shù)(N)；段數(shù)(S)；節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的段數(shù)(NN)；節(jié)點(diǎn)到自由端的段數(shù)(NF)；節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的段長(NNL)；節(jié)點(diǎn)到自由端的段長(NFL)；自由端到自由端的段長(FFL)；節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的總支撐長度(NN.TSL)(參見，例如，Legrand等人，(2000)JMBR 1513-19)；自由端到自由端的總支撐長度(FF.TSL)；總支撐長度(TSL)；FF.TSL/TSL；NN.TSL/TSL；環(huán)數(shù)目(Lo)；環(huán)面積；每個連接骨的平均距離變換值；每段的平均距離變換值(Tb.Th)；每個節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的段的平均距離變換值(Tb.Th.NN)；每個節(jié)點(diǎn)到自由端的段的平均距離變換值(Tb.Th.NF)；每段的取向(角度)；段之間的角度；長度厚度比(NNL/Tb.Th.NN)和(NFL/Tb.Th.NF)；以及互連性系數(shù)(ICI)，其中ICI＝(N*NN)/(T*(NF+1))。
“宏觀解剖學(xué)參數(shù)”指任何描述骨的形狀，尺寸或厚度的參數(shù)和/或包圍結(jié)構(gòu)，典型的參數(shù)是至少在一個維度內(nèi)尺寸大于0.5mm。宏觀解剖學(xué)參數(shù)包括，例如，在髖部內(nèi)的股骨干骨皮層的連接厚度，股骨頸皮質(zhì)的厚度；髖骨軸長度，CCD(頭-頸-骨干)角度及轉(zhuǎn)節(jié)區(qū)域的寬度。
概述已經(jīng)描述了分析X射線圖像時有用的方法及組合。特別的，本發(fā)明包括從X射線圖像中得到和/或經(jīng)推導(dǎo)得到關(guān)于骨礦物密度和/或骨結(jié)構(gòu)的信息的方法。另外，本發(fā)明涉及用于確定骨結(jié)構(gòu)的精確的標(biāo)準(zhǔn)模型的規(guī)定以及利用這些標(biāo)準(zhǔn)模型的方法。特別的，本發(fā)明第一次認(rèn)識到，在牙齒或髖骨的骨密度和/或骨結(jié)構(gòu)的X射線圖像中的探測部位的錯位引起的誤差可以通過對X射線管、探測器和/或進(jìn)行定位，探測器和/或參照與解剖標(biāo)志(或解剖研究區(qū))相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)而加以修正。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括，但不限于(i)提供用于分析X射線圖像的方便和可靠的方法；(ii)提供骨結(jié)構(gòu)和排列結(jié)構(gòu)的非侵入式的測量方法；(iii)提供診斷骨病癥的方法(例如，骨質(zhì)疏松癥，骨折危險性)；(iv)提供治療骨病癥的方法；以及(v)以節(jié)約成本的方式提供這些方法。
1.0.從X射線圖像獲得數(shù)據(jù)X射線圖像可以通過使用眾所周知的技術(shù)從任何本地位置獲得。例如，在某些方面，采用2D平面X射線成像技術(shù)。2D平面X射線成像是一種使X射線穿過身體或結(jié)構(gòu)或材料傳輸，并通過在身體或結(jié)構(gòu)或材料的另一面測量X射線的衰減而產(chǎn)生圖像的方法。2D平面X射線成像與諸如計算機(jī)化斷層X射線成像或磁共振成像一類的截面成像技術(shù)相區(qū)別。如果采用傳統(tǒng)的X射線膠片記錄X射線圖像，X射線圖像可以使用任何合適的掃描裝置來數(shù)字化。數(shù)字化的X射線圖像可以通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如Internet網(wǎng)，傳送到遠(yuǎn)程計算機(jī)或服務(wù)器。很明顯，X射線圖像也可以使用數(shù)字采集技術(shù)獲得，如采用磷感光探測器系統(tǒng)或硒或硅探測器系統(tǒng)，X射線圖像信息已經(jīng)可以提供數(shù)字化的形式，這種形式可以方便地通過網(wǎng)絡(luò)傳送。
可以使用包括但不局限于數(shù)字X射線照片及傳統(tǒng)的X射線膠片(其可以用商業(yè)上可提供的平板掃描儀來進(jìn)行數(shù)字化)在內(nèi)的任何X射線圖像。在某些實(shí)施例中，髀厭的X射線照片可以使用例如標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字X射線成像設(shè)備(Kodak DirectView DR 9000，Kodak，Rochester，NY)來完成?；颊叩湫偷囊匝雠P的方式位于X射線成像工作臺上，與工作臺的長軸平行，手放在身體兩側(cè)。對象的腳可以足尖向上或向內(nèi)旋轉(zhuǎn)地放在中間位置，或者也可以放在腳固定支架上使得腳處于中間位置(0°旋轉(zhuǎn))，或以相對于中間位置的任何需要的角度旋轉(zhuǎn)(例如，向內(nèi)或向外)(也參見下面的例8)。適用于這種目的的腳固定支架可以包括，例如，從腳下伸出來的底座，例如，從中部到末端，從大腿到腳后跟。底座較好的位于X射線成像工作臺上。這樣放置患者的腳，使得腳后跟的后側(cè)位于底座之上。腳的內(nèi)側(cè)用任何合適的裝置(例如，皮帶，維可牢尼龍搭扣，可塑體，帶子等)靠著以90度角堅(jiān)固地連接在底座上的中間導(dǎo)引裝置放置。以90度角固定到底盤上并帶有滑動機(jī)構(gòu)的第二側(cè)向?qū)бb置可以向腳的側(cè)向移動并在適當(dāng)?shù)奈恢面i定，例如，當(dāng)其接觸到腳的側(cè)面時。腳固定支架的使用可以幫助改善骨結(jié)構(gòu)參數(shù)或宏觀解剖學(xué)參數(shù)測量的再現(xiàn)性。
通常，射線集中在髖關(guān)節(jié)的中部，超過大轉(zhuǎn)節(jié)。標(biāo)準(zhǔn)模型，如鋁階躍式光楔，也可以包含在圖像之中，用以在圖像分析之前校準(zhǔn)灰度值。
在另一個實(shí)施例中，由于可以相對容易和相對低費(fèi)用地獲得，因此牙齒的X射線圖像是較佳的。另外，下頜骨和上頜骨主要由帶小梁的骨頭組成。由于帶小梁的骨頭的代謝更新約大于皮層骨8倍，諸如椎體一類的主要的帶小梁的骨頭的區(qū)域?yàn)檩^好的測量骨礦物密度的位置。Lang等人，(1991)Radiol Clin North Am 2949-76。因此，帶小梁的骨頭的實(shí)際情況可以在牙齒X射線圖像中清楚地看出，這樣有助于骨礦物密度和結(jié)構(gòu)的定量分析。Jeffcoat等人，(2000)Periodontol 2394-102；Southard等人，(2000)J Dent Res79964-969。更進(jìn)一步的，在骨質(zhì)疏松癥患者中，最早的骨損耗出現(xiàn)在帶小梁的骨頭的區(qū)域。大部分美國人一生中都要拍多幅牙齒的X射線照片。實(shí)際上，每年大約有7億5千萬人次美國人看牙醫(yī)，這些患者中的1億5千萬每年產(chǎn)生10億幅牙齒X射線圖像。因此，依據(jù)牙齒的X射線照片診斷骨質(zhì)疏松癥的能力會非常有價值，因?yàn)樗芴峁┤丝诘牡统杀救后w篩選檢查的機(jī)會。
更適宜的是，用標(biāo)準(zhǔn)X射線設(shè)備完成X射線成像，例如標(biāo)準(zhǔn)牙齒X射線設(shè)備(例如General Electric Medical Systems，Milwaukee，WI)。用80kVp的標(biāo)準(zhǔn)X射線成像技術(shù)和自動曝光調(diào)整裝置進(jìn)行自動曝光或用10mA管電流的手動技術(shù)來獲得門牙區(qū)域和犬齒區(qū)域的X射線照片。例如可在Kodak超高速膠片(Kodak，Rochester，NY)上獲得X射線圖像。X射線圖像可以用有透明度選項(xiàng)的商業(yè)平板掃描儀來進(jìn)行數(shù)字化(AcerScanPremio ST)。
1.1標(biāo)準(zhǔn)模型更好的是，X射線圖像包括精確的參考標(biāo)記，例如為評定任一給定的X射線圖像的骨礦物密度和/或骨結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)模型。已經(jīng)對用于成像技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)參考(也稱為標(biāo)準(zhǔn)模型)進(jìn)行了描述。參見，例如，美國專利No.5,493,601和美國專利No.5,235,628。美國專利No.5,335,260揭示了一種代表包含不同鈣濃度的人類組織的標(biāo)準(zhǔn)模型，其作為在X射線成像系統(tǒng)和CT成像系統(tǒng)中對鈣、骨質(zhì)量和骨礦物密度進(jìn)行定量的參考。然而，目前可用的標(biāo)準(zhǔn)模型并不總是準(zhǔn)確的。因?yàn)樵诠琴|(zhì)疏松癥中骨礦物密度導(dǎo)致了顯著低于100％的骨折危險性。(Ouyang等人，(1997)Calif Tissue Int，60139-147)。此處所描述的方法和裝置中的一些，不僅被設(shè)計來評定骨礦物密度也用來評定骨結(jié)構(gòu)。通過對這兩個參數(shù)進(jìn)行評估，可以為諸如骨質(zhì)疏松癥一類的病癥提供更精確的檢測和篩查。
因此，在某些方面，本發(fā)明為提供了對X射線照片中所包含的諸如解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的密度和/或解剖結(jié)構(gòu)的形態(tài)一類的信息進(jìn)行精確的定量評估的方法和設(shè)備?？梢允褂萌魏魏线m的標(biāo)準(zhǔn)模型，例如，由鋁或其他放射線不能透過的材料構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)模型。美國專利No.5,335,260描述了其他適合用于對X射線圖像中的骨礦物密度進(jìn)行評估的標(biāo)準(zhǔn)模型。其他合適的標(biāo)準(zhǔn)模型的材料的例子可以是流體或類流體材料，例如，一個或多個充滿不同濃度的氯化鈣的容器或類似物品。
許多標(biāo)準(zhǔn)模型(或參考標(biāo)準(zhǔn))都可以用在本發(fā)明的實(shí)踐中。典型的，用于監(jiān)控目標(biāo)生物體中骨礦物密度和/或骨結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)包含X射線照片(例如，牙或髖骨的X射線照片)，其提供了與對象有關(guān)的信息；包含標(biāo)準(zhǔn)模型的裝置，其作為牙齒X射線照片中的數(shù)據(jù)的參考；和至少一個數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其對從牙齒X射線圖像和/或從標(biāo)準(zhǔn)模型裝置中得來的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和處理。
顯然，標(biāo)準(zhǔn)模型可以包含單一的，已知的密度或結(jié)構(gòu)參考。此外，X射線照片的密度梯度可以通過沿著X射線束的路徑改變標(biāo)準(zhǔn)模型的厚度或幾何形狀來實(shí)現(xiàn)，例如，采用一個不同厚度的V形標(biāo)準(zhǔn)模型(圖4)。標(biāo)準(zhǔn)模型也可以包含角。例如，標(biāo)準(zhǔn)模型可以是“T”型或“L”型，從而包括一個或多個90度角。
標(biāo)準(zhǔn)模型可以包括幾個不同的具有不同輻射不透明度的區(qū)域。例如，標(biāo)準(zhǔn)模型可以有一個階躍式設(shè)計，由此，在光楔的局部厚度的改變導(dǎo)致對射線不透明度的差異。采用不同厚度的材料的階躍式光楔常常被用于放射學(xué)中進(jìn)行X射線光束特性測試的質(zhì)量控制。通過改變階躍的厚度，可以改變投影圖像中X射線光束的強(qiáng)度和譜線成分。階躍式光楔通常用鋁，銅和其他方便的和均勻的并已知具有使X射線衰減的特性的材料制成。類階躍式光楔模型也可以包含磷酸鈣粉末或在熔化的石蠟中的磷酸鈣粉末。
可替換的，可以使用連續(xù)光楔，或可以設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)參考使對射線的不透明度從周圍到中心(例如，在圓、橢圓、矩形、三角形的其他形狀結(jié)構(gòu)中)發(fā)生改變。如上注意到，標(biāo)準(zhǔn)參考還可以構(gòu)造為多個分離的腔，例如，充滿液體的腔，每一個腔包含一種特定濃度的參考液體(例如，氯化鈣)。除了一種或更多液體，標(biāo)準(zhǔn)模型還可以包括包埋在其中(例如，包埋在塑料中)的金屬粉末，例如鋁或鋼粉末。
在某些實(shí)施例中，對標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行特殊的設(shè)計而作為骨結(jié)構(gòu)(例如，小梁間距、厚度及諸如此類的)的參考。例如，標(biāo)準(zhǔn)光楔可以包含一個或更多具有已知尺寸的幾何圖案圖形，例如，柵格，由此柵格的間距、獨(dú)立柵格元件的厚度等是已知的。標(biāo)準(zhǔn)模型中的這種對射線不透明的元件的已知幾何形狀可以用于改進(jìn)X射線照片中的帶小梁的骨結(jié)構(gòu)的測量的精度。這些對帶小梁的骨結(jié)構(gòu)的測量包括，但不局限于，小梁間距，小梁長度和小梁厚度。這些小梁間距、小梁長度和小梁厚度的測量可以，例如在牙齒或髖部X射線照片中進(jìn)行。這些標(biāo)準(zhǔn)模型可以采用包括塑料、金屬及其組合在內(nèi)的多種材料制成。另外，參考元件可以為固體、粉末、液體或其結(jié)合。這樣，標(biāo)準(zhǔn)光楔還可以用于改進(jìn)骨結(jié)構(gòu)的測量。
由于本發(fā)明著重對牙齒的X射線圖像進(jìn)行分析而得到骨結(jié)構(gòu)、骨礦物密度或結(jié)構(gòu)和密度兩者的信息，因此顯然，標(biāo)準(zhǔn)模型應(yīng)根據(jù)對結(jié)構(gòu)、密度或兩者同時進(jìn)行測量而進(jìn)行選擇。于是，提供了一種或多種標(biāo)準(zhǔn)模型。
無論標(biāo)準(zhǔn)模型是怎樣的形狀或組合，此處，在模型中的已知密度和/或結(jié)構(gòu)處至少設(shè)置一個標(biāo)記。此外，較好的，標(biāo)準(zhǔn)模型至少包含一個幾何形狀或圖案圖形?？梢圆捎萌魏涡螤睿?，但不局限于，方形、圓形、橢圓形、矩形、星形、月牙形、多邊體(如八邊形)、V或U形、顛倒的V或U形、不規(guī)則形狀等等，只要其位置是已知的以便與標(biāo)準(zhǔn)模型的特定密度相聯(lián)系。在較佳的實(shí)施例中，此處描述的標(biāo)準(zhǔn)模型用于2D平面X射線成像。
標(biāo)準(zhǔn)模型可以在取得X射線圖像之前或之后成像。或者，標(biāo)準(zhǔn)模型可以與X射線圖像同時成像。標(biāo)準(zhǔn)模型可以物理地連接到X射線膠片和/或膠片固定架上。該物理連接可以采用任何合適的機(jī)械或其他連接方式的機(jī)構(gòu)，包括但不局限于粘合劑、化學(xué)粘接、采用螺釘或釘子、焊接、VelcroTM皮帶或VelcroTM材料等等來實(shí)現(xiàn)。類似的，標(biāo)準(zhǔn)模型可以采用一個或更多連接機(jī)構(gòu)(例如，機(jī)械連接裝置、VelcroTM皮帶或VelcroTM材料、化學(xué)粘接、采用螺釘或釘子、焊接以及粘合劑)物理地連接到用于數(shù)字X射線成像的探測器系統(tǒng)或存儲板上。外部標(biāo)準(zhǔn)和膠片可以采用固定裝置進(jìn)行連接，例如對膠片和外部標(biāo)準(zhǔn)兩者采用壓配合。
此外，標(biāo)準(zhǔn)模型裝置可以連接到解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，例如，一個或多個牙齒、粘膜、下頜骨和/或上頜骨。例如，標(biāo)準(zhǔn)模型可以連接(如通過粘合劑連接裝置)到下頜骨或上頜骨上的上皮或粘膜內(nèi)。或者，標(biāo)準(zhǔn)模型可以放置在牙齒上或與之相鄰，例如，可以采用V或U形(在上頜骨的情況下)或倒置的V或U形(在下頜骨的情況下)的標(biāo)準(zhǔn)模型。V或U的開口可以與至少一個牙齒或者也許與幾個牙齒的自由邊沿相接觸(圖4)。
在較佳的實(shí)施例中，當(dāng)?shù)玫浇馄蕦W(xué)結(jié)構(gòu)或非活體對象的X射線照片時，標(biāo)準(zhǔn)模型被包含在可視范圍內(nèi)?？梢圆捎萌魏魏线m的標(biāo)準(zhǔn)模型，例如，包含鋁或其他對輻射不透明的材料的標(biāo)準(zhǔn)模型。美國專利No.5,335,260描述了其他適合用于對X射線圖像中的骨礦物密度進(jìn)行評估的標(biāo)準(zhǔn)模型。其他合適的標(biāo)準(zhǔn)參考材料的例子可以是液體或類液體材料，例如，一個或多個充滿不同濃度的綠化鈣的腔等等。在優(yōu)選的實(shí)施例中，模型的材料可以是不銹鋼(如，含碳0.08％、錳2％、硅1％、磷0.045％、硫0.03％、鎳10-14％、鉻16-18％、鉬2-3％、加上鐵構(gòu)成100％的AISI級316)。成分的相對百分比可以相對于重量或體積。
顯然，適于連接到解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)模型可以具有不同的形狀，其依賴于解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的形狀(如一個或多個牙齒)，標(biāo)準(zhǔn)模型可以設(shè)置成位于該解剖學(xué)結(jié)構(gòu)上或與之相鄰，該形狀包括但不局限于U形、V形、曲線形、平坦形或其結(jié)合。例如，U形(或倒置的U形)標(biāo)準(zhǔn)模型可以放置在臼齒上，而V形(或倒置的V形)可以放置在門牙上。此外，顯然，在某些實(shí)例(例如，在下顎上的牙齒)中，標(biāo)準(zhǔn)模型可以僅根據(jù)其重量而放在牙齒上或者固定到牙齒上(如采用粘合劑)。在上顎上的牙齒的情況下，標(biāo)準(zhǔn)模型典型的是被固定到牙齒上，例如采用粘合劑。
任何這些連接可以是永久的或者暫時的，且標(biāo)準(zhǔn)模型可以集成(如內(nèi)置)到膠片、膠片固定支架和/或探測器系統(tǒng)，或者可以在膠片和/或膠片固定支架生產(chǎn)之后適當(dāng)?shù)赜谰没驎簳r性地固定或放置。因此，標(biāo)準(zhǔn)模型可以為單用途(如可隨意使用的)或者根據(jù)不同的X射線圖像有多種用途。由此，在某些實(shí)施例中，標(biāo)準(zhǔn)模型可以重復(fù)使用，并且，此外，可以在兩次使用之間進(jìn)行消毒。標(biāo)準(zhǔn)模型的集成可以通過將已知X射線密度的材料包含于X射線膠片的兩個物理層之間來實(shí)現(xiàn)。集成還可以通過將已知X射線密度的材料包含于X射線膠片的一個物理層內(nèi)來實(shí)現(xiàn)。此外，標(biāo)準(zhǔn)模型可以集成到膠片蓋內(nèi)。標(biāo)準(zhǔn)模型或外部標(biāo)準(zhǔn)還可以集成到用于數(shù)字X射線成像的探測器系統(tǒng)或存儲板內(nèi)。例如，集成可以通過將已知X射線密度的材料包含于探測器系統(tǒng)或存儲板的兩個物理層之間來實(shí)現(xiàn)。集成還可以通過將已知X射線密度的材料包含于探測器系統(tǒng)或存儲板的一個物理層內(nèi)來實(shí)現(xiàn)。
在某些實(shí)施例中，例如那些將標(biāo)準(zhǔn)模型暫時性地固定到X射線裝置系統(tǒng)(如X射線膠片固定支架、X射線膠片、探測器系統(tǒng)等等)的元件上的實(shí)施例，可以將交叉的細(xì)絲、線或其他標(biāo)志放在裝置上作為為標(biāo)準(zhǔn)模型定位的指示物。這些指示物可以有助于確定標(biāo)準(zhǔn)模型的定位，使其并不投射到材料上，這會改變結(jié)果圖像中的表觀密度。
此處描述的任何一種標(biāo)準(zhǔn)模型包含的裝置可以用于對X射線圖像進(jìn)行骨結(jié)構(gòu)(或骨礦物密度)的分析和/或定量的方法。該方法通常包括為了對成像的材料(如骨質(zhì)量)的密度進(jìn)行定量而同時對標(biāo)準(zhǔn)模型和另一材料(如來自對象的骨組織)進(jìn)行成像或掃描。在牙齒的X射線照片的情況下，標(biāo)準(zhǔn)模型、X射線管或牙齒的X射線膠片典型的以確保將標(biāo)準(zhǔn)模型和下頜骨和/或上頜骨的一部分包含在X射線圖像內(nèi)的方式放置。較好的，標(biāo)準(zhǔn)模型、X射線管和牙齒的X射線膠片被放置，使得在圖像上至少下頜骨或上頜骨的截面的一部分包含主要的帶小梁的骨頭而不是皮層骨。
這樣，采用本發(fā)明的方法，盡管本發(fā)明允許對模型和對象非同時進(jìn)行掃描，但是，較好的是標(biāo)準(zhǔn)模型與獨(dú)立的對象同時成像或掃描。通過X射線成像技術(shù)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描和成像的方法是公知的。通過將標(biāo)準(zhǔn)模型與對象一起放置到X射線光束內(nèi)，參考標(biāo)準(zhǔn)樣本提供對骨的系數(shù)特性的校準(zhǔn)和定標(biāo)。當(dāng)模型與每一對象同時成像或掃描時，由于模型和對象照射同樣的X射線光束譜線，X射線光束能量和光線束硬化現(xiàn)象的變化得到校正。具有不同尺寸、厚度、肌肉脂肪比及骨成分的每一對象對光束的衰減不同，這就改變了X射線光束譜線的效果。將與骨等價的標(biāo)準(zhǔn)模型置于與對象的骨相同的光束譜線中以提供精確的標(biāo)準(zhǔn)是必須的。
目前使用的X射線成像裝置并沒有考慮與被成像的結(jié)構(gòu)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)模型的位置。因此，當(dāng)包含已知的裝置時，標(biāo)準(zhǔn)模型常常以投射到材料或結(jié)構(gòu)(如骨)并改變所得到的X射線圖像的標(biāo)準(zhǔn)模型的表觀密度的方式定位。顯然，這一表觀密度的改變會影響到作為確定骨礦物密度的參照物的標(biāo)準(zhǔn)模型的精度。因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種標(biāo)準(zhǔn)模型不會投射到材料或結(jié)構(gòu)上而改變參照物的表觀密度的方法。在有關(guān)牙齒X射線照片的上下文中，例如，此處描述了確保標(biāo)準(zhǔn)模型不投射到骨(如，牙齒，顎)組織上的方法。這能夠以不同的方式完成，例如，將標(biāo)準(zhǔn)模型放置在X射線膠片或X射線膠片固定支架上以使其位于牙齒X射線照片上的牙齒之間。
本發(fā)明的標(biāo)準(zhǔn)模型材料和方法更好的配置為足夠小和足夠薄以便放入口腔內(nèi)，本發(fā)明的方法可以用于通過標(biāo)準(zhǔn)牙齒X射線系統(tǒng)，例如，通過將標(biāo)準(zhǔn)模型暫時或者永久地包含在牙齒X射線膠片固定支架內(nèi)，對骨質(zhì)量進(jìn)行定量。此外，更合適的是將標(biāo)準(zhǔn)模型這樣放置，使得至少一部分不會投射到結(jié)構(gòu)或材料上而改變標(biāo)準(zhǔn)模型的表觀密度或結(jié)構(gòu)特性。更好的，還可以將標(biāo)準(zhǔn)模型相距至少一個牙齒或下頜骨或上頜骨的一段規(guī)定的距離放置，由此標(biāo)準(zhǔn)模型的實(shí)質(zhì)部分并不投射到X射線圖像上的牙齒、下頜骨或上頜骨上?？梢圆捎萌魏魏线m的距離，例如介于大約1mm至5cm之間或其間的任意值。
可以采用交叉標(biāo)準(zhǔn)模型對系統(tǒng)性能進(jìn)行優(yōu)化，例如，X射線管底座，或膠片處理器底座，或?yàn)榱颂岣呖杀刃缘牟煌瑱C(jī)器或系統(tǒng)，典型的位于不同的位置。為此，可以獲得不包括患者或身體局部的分離的圖像。該圖像包括用于患者的最初的標(biāo)準(zhǔn)模型，例如，已知密度的階躍型光楔以及交叉標(biāo)準(zhǔn)模型。于是針對交叉標(biāo)準(zhǔn)模型的密度對最初的標(biāo)準(zhǔn)模型的表觀密度進(jìn)行校準(zhǔn)。由最初標(biāo)準(zhǔn)合成的交叉模型可以有助于提高骨密度、骨結(jié)構(gòu)和宏觀解剖學(xué)參數(shù)的測量精度。也可以有助于提高測量的整體可重復(fù)性。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，X射線照片技術(shù)人員或牙科專家可以一天進(jìn)行一次交叉模型測試，典型的是在早晨的早些時候，在對第一個患者進(jìn)行掃描之前。交叉模型或完全交叉模型研究的結(jié)果可以通過網(wǎng)絡(luò)傳送到中心計算機(jī)。于是中心計算機(jī)可以為了在不同系統(tǒng)之間保持高水平的可比性而進(jìn)行校準(zhǔn)。
1.2固有的參考標(biāo)記在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，在解剖學(xué)結(jié)構(gòu)或非活體對象中固有的信息可以用于對解剖學(xué)結(jié)構(gòu)或非活體對象內(nèi)選定的骨研究區(qū)的密度和/或結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估。例如，由于已經(jīng)知道典型的肌肉、脂肪、水(如，軟組織)、金屬(如，牙齒填充物)和空氣的X射線密度，圍繞在解剖學(xué)結(jié)構(gòu)或非活體對象周圍的空氣的密度、皮下脂肪的密度以及肌肉組織的密度可以用于對所選定的骨區(qū)域，例如，在末端范圍內(nèi)，的密度進(jìn)行評估。例如，權(quán)平均值可以確定在一個或更多內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)(如，空氣，水，金屬，和/或脂肪)之間，并用作內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)來確定在同一X射線圖像內(nèi)的骨密度。類似的，牙齒或牙齒的一部分的密度可以用于對所選定的骨區(qū)域，如，下頜骨區(qū)域，的密度進(jìn)行評估。
解剖學(xué)結(jié)構(gòu)內(nèi)的固有信息還可以與標(biāo)準(zhǔn)模型提供的信息相結(jié)合，該結(jié)合可以使標(biāo)準(zhǔn)模型的精度得到提高。
1.3固定支架和衛(wèi)生蓋如上提到的，在某些實(shí)施例中，可以采用固定支架對標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行定位。為了方便固定到牙齒，固定支架可以為U形或V形(圖5)。該固定可以例如，采用粘合劑粘合。標(biāo)準(zhǔn)模型按順序固定到固定支架。類似的，標(biāo)準(zhǔn)模型可以固定到包含一個或更多具有至少一個或更多牙齒的模制體的固定支架上。此外，固定支架可以用于對膠片和標(biāo)準(zhǔn)模型兩者相對于包含在X射線圖像內(nèi)的骨質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位。在另一個實(shí)施例中，能夠固定X射線膠片的固定裝置集成在標(biāo)準(zhǔn)模型內(nèi)。該固定裝置可以在進(jìn)行X射線照相之前將膠片固定在適當(dāng)位置。該固定裝置可以裝有彈簧或者采用其他諸如使X射線膠片固定并保持平衡的機(jī)械裝置。
在某些實(shí)施例中，固定支架可以包括可隨意使用或可消毒的衛(wèi)生蓋。參見，例如，WO99/08598，其所公開的內(nèi)容此處參考全文進(jìn)行結(jié)合。此外，固定支架可以包括多個元件，例如，標(biāo)準(zhǔn)模型和集成或可插入的小而圓的背襯，其能夠通過計入與標(biāo)準(zhǔn)模型和/或與骨一起投射的軟組織的影響而提高標(biāo)準(zhǔn)模型的精度。
在某些實(shí)施例中，標(biāo)準(zhǔn)模型這樣配置，即不使用額外的固定支架而依靠著周圍的組織而自動地保持平衡。該標(biāo)準(zhǔn)模型可以采用衛(wèi)生蓋來保護(hù)。
固定支架(如，衛(wèi)生蓋)可以由剛性材料、彈性材料或其結(jié)合構(gòu)成。另外，固定支架可以包括一個或更多腔/室以便接納諸如標(biāo)準(zhǔn)模型、小而圓的背襯等附加的元件。此外，固定支架的一個或更多部分可以是對射線透明的。
2.0數(shù)據(jù)的分析和處理然后，較好的，對如上所述的從X射線圖像獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。從而，此處描述的系統(tǒng)和裝置還可以包括一個或多個計算單元，其被設(shè)計用來，例如，分析圖像中的骨密度或骨結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，鑒別解剖區(qū)域的解剖學(xué)標(biāo)記，對軟組織測量做校正，和/或?qū)D像的骨密度和結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估。計算單元進(jìn)一步還可以包括數(shù)據(jù)庫，其包含，例如參考解剖圖，同時，計算單元還可以用來將解剖圖與參考解剖圖進(jìn)行比較。該參考解剖圖可以是過去的(來自于同一或其他患者，作為詢問協(xié)議的一部分)，或者理論上的或者任何其他適合的類型的參考圖。
為了獲得和處理數(shù)據(jù)，可以對任何X射線圖像進(jìn)行分析。由此，基于本發(fā)明的數(shù)據(jù)點(diǎn)、推導(dǎo)得到的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)標(biāo)志數(shù)據(jù)庫可以包括如下內(nèi)容(1)數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集，該數(shù)據(jù)點(diǎn)包括從X射線圖像獲得的信息，例如，骨礦物密度信息或關(guān)于骨結(jié)構(gòu)(體系結(jié)構(gòu))的信息；以及(2)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)與相關(guān)數(shù)據(jù)點(diǎn)標(biāo)志的結(jié)合。該方法還可以包括(3)根據(jù)一個或更多直接數(shù)據(jù)點(diǎn)確定推導(dǎo)得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)，以及(4)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)與相關(guān)數(shù)據(jù)點(diǎn)屬性的結(jié)合。該方法還可以包括(5)采用遠(yuǎn)程計算機(jī)對數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行采集，借此遠(yuǎn)程計算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行操作。
在某些較佳的實(shí)施例中，信息可以通過牙齒的X射線圖像獲得。如此處所述，牙齒的X射線圖像可以采用已知的技術(shù)在本地獲得。如果X射線圖像采用傳統(tǒng)的X射線膠片進(jìn)行捕捉，那么X射線圖像的數(shù)據(jù)點(diǎn)(信息)可以采用掃描裝置進(jìn)行數(shù)字化。然后數(shù)字化了的X射線圖像信息可以通過網(wǎng)絡(luò)，例如因特網(wǎng)，傳輸?shù)竭h(yuǎn)程計算機(jī)或服務(wù)器。如果X射線圖像采用數(shù)字采集技術(shù)獲得，例如，采用磷平板系統(tǒng)或硒或硅探測器系統(tǒng)，那么X射線圖像信息已經(jīng)以數(shù)字的形式提供。在這種情況下，圖像可以直接通過網(wǎng)絡(luò)傳送，如因特網(wǎng)。在傳送前還可以對該信息進(jìn)行壓縮和/或加密。傳送還可以通過諸如傳真、郵件等其他方法進(jìn)行。
2.1數(shù)據(jù)點(diǎn)于是，此處描述的方法及組合用于采集測量值的數(shù)據(jù)集合，例如對X射線圖像進(jìn)行的骨結(jié)構(gòu)和/或骨礦物密度的測量。記錄可以被制定成類似電子表格的形式，例如包含諸如X射線照片數(shù)據(jù)、患者年齡、性別、體重、目前的治療藥物、地理位置等數(shù)據(jù)屬性。數(shù)據(jù)庫的制定還可以包含對從一個或更多所獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)推導(dǎo)或計算出的數(shù)據(jù)點(diǎn)的計算。多個推導(dǎo)出來的數(shù)據(jù)點(diǎn)在隨后的數(shù)據(jù)庫操作期間可以有助于提供與個體或組相關(guān)的信息，并因此在數(shù)據(jù)庫制定期間被典型地包括進(jìn)數(shù)據(jù)庫。推導(dǎo)得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)包括，但不局限于(1)骨礦物密度最大值，其取決于所選定的骨區(qū)域或來自相同或不同對象的多個樣本；(2)骨密度的最小值，其取決于所選擇的骨區(qū)域或來自相同或不同對象的多個樣本；(3)骨密度的平均值，其取決于所選定的骨區(qū)域或來自相同或不同對象的多個樣本；(4)反常地高或低的測量值的個數(shù)，其通過將所給定的測量數(shù)據(jù)點(diǎn)與選定值進(jìn)行比較而確定，以及諸如此類的。其他的推導(dǎo)得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)包括，單不局限于(1)所選定的骨結(jié)構(gòu)參數(shù)的最大值，其取決于所選定的骨區(qū)域或來自相同或不同對象的多個樣本；(2)所選定的骨結(jié)構(gòu)參數(shù)的最小值，其取決于所選定的骨區(qū)域或來自相同或不同對象的多個樣本；(3)所選定的骨結(jié)構(gòu)參數(shù)的平均值，其取決于所選定的骨區(qū)域或來自相同或不同對象的多個樣本；(4)反常地高或低的骨結(jié)構(gòu)測量值的個數(shù)，其通過將所給定的測量數(shù)據(jù)點(diǎn)與選定值進(jìn)行比較而確定，以及諸如此類的。在本發(fā)明所教導(dǎo)公開的情況下教導(dǎo)，其他推導(dǎo)得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員是顯而易見的?？商峁┑臄?shù)據(jù)和從提供的原始數(shù)據(jù)推導(dǎo)(或者通過分析)得到的數(shù)據(jù)的數(shù)量提供了空前數(shù)量的與諸如骨質(zhì)疏松癥一類的骨相關(guān)疾病的處理非常相關(guān)的信息。例如，通過隨著時間推移不斷地對對象進(jìn)行檢查，可以對藥物治療的功效進(jìn)行評估。
分別對測量和推導(dǎo)得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行采集和計算，并可以與一個或更多數(shù)據(jù)屬性相關(guān)聯(lián)從而形成數(shù)據(jù)庫?？商峁┑臄?shù)據(jù)和根據(jù)提供的原始數(shù)據(jù)推導(dǎo)(或通過分析)得到的數(shù)據(jù)的數(shù)量提供了空前數(shù)量的與諸如骨質(zhì)疏松癥一類的骨相關(guān)疾病的處理非常相關(guān)的信息。例如，通過隨著時間推移不斷地對對象進(jìn)行檢查，可以對藥物治療的功效進(jìn)行評估。
數(shù)據(jù)屬性可以是與X射線圖像一起自動輸入的，并且可以包括，例如，按年代順序排列的信息(如DATE以及TIME)。其他這類屬性可以包括，但不局限于，所用的X射線成像器的類型，掃描信息，數(shù)字化信息及諸如此類的?；蛘?，數(shù)據(jù)屬性可以由對象和/或操作者輸入，例如對象的標(biāo)識，也就是與特定對象相關(guān)的屬性。這些標(biāo)識包括但不局限于(1)對象代碼(例如，數(shù)字或字母數(shù)字序列)；(2)人口統(tǒng)計學(xué)信息，諸如種族，性別和年齡；(3)物理特性，諸如體重，身高及體密度系數(shù)(BMI)；(4)對象的治療史的選定方面(例如，疾病狀態(tài)或病癥等)；以及(5)與特征相關(guān)的疾病，例如，骨病的類型(如果有的話)；對象所用藥物治療的類型。在本發(fā)明的實(shí)踐中，每個數(shù)據(jù)點(diǎn)典型地以特定對象來命名，也可以是對象的人口統(tǒng)計學(xué)特性等等。
在本說明書教導(dǎo)公開的情況下，其他數(shù)據(jù)標(biāo)志對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言是顯而易見的。
2.2數(shù)據(jù)集合的存儲及將數(shù)據(jù)點(diǎn)與數(shù)據(jù)屬性相關(guān)聯(lián)存在多種用來存儲數(shù)據(jù)集合并同時關(guān)聯(lián)到相關(guān)屬性的形式，包括但不局限于(1)表格式的(tabular)，(2)關(guān)系式的(relational)，以及(3)空間的(dimensional)。通常，數(shù)據(jù)庫包括數(shù)據(jù)點(diǎn)，與物理測量(“得到的”數(shù)據(jù)項(xiàng)或數(shù)據(jù)點(diǎn))或者根據(jù)一個或更多得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)計算或推導(dǎo)出來的單個數(shù)據(jù)結(jié)果相對應(yīng)的數(shù)值，該得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)采用此處公開的各種方法獲得。數(shù)據(jù)庫既可以包括未加工的數(shù)據(jù)也可以包括附加的相關(guān)信息，例如數(shù)據(jù)表也稱作數(shù)據(jù)點(diǎn)的“屬性”。數(shù)據(jù)庫可以采用多種不同的形式或者以不同的方法構(gòu)建。
最常見的形式是表格，通常稱作電子表格。當(dāng)前存在各種各樣的電子表格程序，并且在本發(fā)明的實(shí)踐中被典型地采用，其包括但不局限于，微軟EXcel電子表格軟件以及CorelQuattro電子表格軟件。在這種形式中，數(shù)據(jù)點(diǎn)與相關(guān)屬性的關(guān)聯(lián)通過在測量時將數(shù)據(jù)點(diǎn)和與數(shù)據(jù)點(diǎn)相關(guān)的標(biāo)志輸入在唯一的行中產(chǎn)生。
另外，也可以使用有理的(rational)，關(guān)系式的(relational)(Database Design forMere Mortals，by Michael J.Hernandez，1997，Addison-Wesley Pub.Co.，publisher；Database Design for Smarties，by Robert J.Muller，1999，Morgan KaufmannPublishers，publisher；Relational Database Design Clearly EXplained，by Jan L.Harrington，1998，Morgan Kaufmann Publishers，publisher)以及空間的(dimensional)(Data-Paralles Computing，by V.B.Muchnick等人，1996，International ThomsonPublishing，publisher；Understanding Fourth Dimensions，by David Graves，1993，Computerized Pricing Systems，publisher)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及管理。
關(guān)系數(shù)據(jù)庫典型地支持一組由關(guān)系代數(shù)定義的操作。這些數(shù)據(jù)庫典型地包括由列和行構(gòu)成的用于存放數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的表格。數(shù)據(jù)庫的每個表格具有主關(guān)鍵字，其可以為任一列或列的組，其值唯一地定義了表中的行，其值與另一表中的主關(guān)鍵字匹配。典型的，關(guān)系數(shù)據(jù)庫還支持一組操作(例如，選擇，連接和合并)，該組操作在數(shù)據(jù)庫中形成對關(guān)系進(jìn)行管理的關(guān)系代數(shù)的基礎(chǔ)。
這些關(guān)系數(shù)據(jù)庫可以以不同的方式執(zhí)行。例如，在Sybase(Sybase Systems，Emeryville，CA)數(shù)據(jù)庫中，表格可以物理地分割成不同的數(shù)據(jù)庫。相反，采用Oracle(Oracle Inc.，Redwood Shores，CA)數(shù)據(jù)庫，因?yàn)榇嬖谝粋€工作空間的實(shí)例，為不同表格規(guī)定了不同的所有權(quán)，因此不同的表格物理上并不分隔。在一些配置中，數(shù)據(jù)庫全部位于一個單一計算機(jī)的單一數(shù)據(jù)庫(例如，一個數(shù)據(jù)倉庫)中。在另一些例子中，不同的數(shù)據(jù)庫分在不同的計算機(jī)中。
當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解，數(shù)據(jù)庫并不局限于上述方案或結(jié)構(gòu)。多種其他的方案對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。
2.3數(shù)據(jù)操作如此處所描述的，從X射線圖像獲得的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行操作，例如，采用多個統(tǒng)計分析以生成有用的信息。本發(fā)明的數(shù)據(jù)庫可以，例如，在定義的時間周期內(nèi)(如，日，月，年)由單一個體采集的數(shù)據(jù)或由選定組的個體構(gòu)成的組，由推導(dǎo)得到的數(shù)據(jù)，以及由數(shù)據(jù)屬性產(chǎn)生。
例如，數(shù)據(jù)可以通過與數(shù)據(jù)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的屬性進(jìn)行合并、分類、選擇、篩分、分組以及分離。存在多個數(shù)據(jù)提煉軟件程序，可以用于執(zhí)行想要的操作。
可以對不同數(shù)據(jù)之間的關(guān)系進(jìn)行直接查詢和/或通過統(tǒng)計方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以便對從數(shù)據(jù)庫操作中獲得的信息進(jìn)行評估。
例如，可以為選定的數(shù)據(jù)組，以及平均值、中間值和由此計算得到的模式建立分布曲線。另外，可以計算得到數(shù)據(jù)的分布特性，例如可變性、二十五分差以及標(biāo)準(zhǔn)偏差。
研究的任意變量之間的關(guān)系的性質(zhì)可以通過對相關(guān)系數(shù)的計算而進(jìn)行檢測。能夠這樣做的有用的方法包括但不局限于Pearson積差相關(guān)(Pearson Product MomentCorrelation)以及Spearman等級次序相關(guān)(Spearman Rank Order Correlation)。
不同的分析允許對樣品組中的差異進(jìn)行測試以確定是否一個選定的變量對測量的參數(shù)具有可辨別的影響。
非參數(shù)測試可以用于對經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)期望之間的變化是僅僅歸因于概略還是歸因于被檢測的一個或多個變量的測試。這些包括卡方(Chi Square)測試、卡方吻合度、2×2列聯(lián)表、符號測試以及φ(phi)相關(guān)系數(shù)。
在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)提煉軟件中存在許多可用的工具和分析，這些軟件可以用于對本發(fā)明的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析。這些工具和分析包括，但不局限于，集束分析，因子分析，決策樹，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，規(guī)則歸納，數(shù)據(jù)驅(qū)動建模以及數(shù)據(jù)可視化?？梢圆捎靡恍?shù)據(jù)提煉技術(shù)的更復(fù)雜的方法來發(fā)現(xiàn)更經(jīng)驗(yàn)性的且數(shù)據(jù)驅(qū)動的，而不是與之相反的理論驅(qū)動的關(guān)系。
可用于分析和/或生成本發(fā)明的數(shù)據(jù)庫的具有示范性的數(shù)據(jù)提煉軟件包括，但不局限于聯(lián)結(jié)分析(例如，組合分析，連續(xù)圖形，連續(xù)時間圖形和貝葉斯網(wǎng)絡(luò))；分類(例如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類，貝葉斯判決規(guī)則分類，k-最近鄰域分類，線性判別分析，基于推理的記憶，以及通過聯(lián)合分類)；集束(例如，k-平均集束，統(tǒng)計學(xué)集束，關(guān)系分析以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集束)；統(tǒng)計方法(例如，平均值，標(biāo)準(zhǔn)偏差，頻率，線性回歸，非線性回歸，t測試，F(xiàn)測試，x2測試，主分量分析以及因子分析)；預(yù)測(例如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，基于函數(shù)的放射性預(yù)測，模糊邏輯預(yù)測，時序分析以及基于推理的記憶)；操作系統(tǒng)；以及其他(例如，平行可量測性，簡單查詢語言函數(shù)，以及為應(yīng)用生成的C++對象)。提供這些軟件的公司包括，舉例如下Adaptative Methods Group at UTS(UTS City Campus，Sydney，NSW2000)，CSI，Inc.，(Computer Science Innovations，Inc.Melbourne，F(xiàn)lorida)，IBM(International Business Machines Corporation，Armonk，NY)，Oracle(OracleInc.，Redwood Shores，CA)以及SAS(SAS Institute Inc.，Cary，NC)。
這些方法和步驟可以應(yīng)用到采用此處描述的方法獲得的數(shù)據(jù)上，例如，數(shù)據(jù)庫包括X射線圖像數(shù)據(jù)組，導(dǎo)出的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)屬性。
在某些實(shí)施例中，數(shù)據(jù)(例如，骨結(jié)構(gòu)信息或骨礦物密度信息)從普通管理的對象處利用此處描述的方法獲得。這些數(shù)據(jù)庫典型地稱作“參考數(shù)據(jù)庫”并且能夠用于任何給出的對象的X射線圖像的輔助分析，例如，通過對從對象處獲得的信息與參考數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比。通常，對從普通管理對象處獲得的信息進(jìn)行平均化或者進(jìn)行另外的統(tǒng)計操作以提供一個“普通”測量的范圍。在看過本文的教導(dǎo)之后，對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，合適的統(tǒng)計操作和/或評估是顯而易見的。對象的X射線照片信息與參考數(shù)據(jù)庫的比較可以用于確定對象的骨信息是否落在了建立在參考數(shù)據(jù)庫中的普通范圍之外或者是否與普通管理具有統(tǒng)計顯著性的不同。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以很容易地確定統(tǒng)計顯著性。在X射線圖像分析中應(yīng)用參考數(shù)據(jù)庫使諸如骨質(zhì)疏松癥一類的骨病癥的診斷、治療和檢測變得容易。
關(guān)于應(yīng)用于數(shù)據(jù)分析的統(tǒng)計方法的通常論述，參見Applied Statistics for Scienceand Industry，by A.Romano，1977，Allyn and Bacon，publisher。
這些數(shù)據(jù)更好地是采用一個或更多計算機(jī)程序或計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行存儲和操作。這些系統(tǒng)典型地可以具有數(shù)據(jù)存儲能力(例如，磁盤驅(qū)動器，磁帶存儲器，CD-ROMs等)。另外，計算機(jī)系統(tǒng)可以聯(lián)網(wǎng)或是一孤立的系統(tǒng)。如果聯(lián)網(wǎng)，計算機(jī)系統(tǒng)可以將數(shù)據(jù)傳送到與聯(lián)網(wǎng)的計算機(jī)系統(tǒng)相連接的任何裝置上，例如通過標(biāo)準(zhǔn)e-mail軟件連接到醫(yī)生或醫(yī)療保健機(jī)構(gòu)，通過數(shù)據(jù)庫查詢和升級軟件(例如，從大量對象中得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)倉庫，導(dǎo)出的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)屬性)連接到中心數(shù)據(jù)庫。或者，用戶可以利用任一帶有因特網(wǎng)入口的計算機(jī)系統(tǒng)，從醫(yī)生的辦公室或醫(yī)療機(jī)構(gòu)進(jìn)行訪問，以便回顧可能對確定治療方案有用的歷史數(shù)據(jù)。
如果聯(lián)網(wǎng)的計算機(jī)系統(tǒng)包含了環(huán)球網(wǎng)(World Wide Web)的應(yīng)用，那么該應(yīng)用就包含了產(chǎn)生數(shù)據(jù)庫語言語句所要求的可執(zhí)行代碼，例如，SQL語句。這些典型的可執(zhí)行代碼包括嵌入的SQL語句。該應(yīng)用還包括配置文件，該配置文件將指針和地址包含到位于數(shù)據(jù)庫服務(wù)器以及根據(jù)用戶需要而訪問的不同的外部和內(nèi)部的數(shù)據(jù)庫上的不同軟件實(shí)體。如果數(shù)據(jù)庫服務(wù)器分布在兩個或更多不同的計算機(jī)上，那么在需要的時候該配置文件還將對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器資源的請求指向合適的硬件。
通常，每個聯(lián)網(wǎng)的計算機(jī)系統(tǒng)包括一環(huán)球網(wǎng)瀏覽器，其為訪問聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提供用戶界面。聯(lián)網(wǎng)的計算機(jī)系統(tǒng)能夠創(chuàng)立用于通過環(huán)球網(wǎng)瀏覽器從數(shù)據(jù)庫檢索信息的檢索請求。通過進(jìn)入環(huán)球網(wǎng)瀏覽器，用戶典型地能夠點(diǎn)擊諸如按鈕、下拉菜單以及其他圖形用戶界面元素一類的用戶界面元素，以便準(zhǔn)備和提交從數(shù)據(jù)庫中提取相關(guān)信息的查詢。緊接著，以這種方式制定的請求傳送到環(huán)球網(wǎng)應(yīng)用，該環(huán)球網(wǎng)應(yīng)用將這些請求格式化以便產(chǎn)生能夠用于從數(shù)據(jù)庫提取相關(guān)信息的查詢。
當(dāng)利用基于環(huán)球網(wǎng)的應(yīng)用時，環(huán)球網(wǎng)應(yīng)用通過以諸如Sybase或Oracle SQL之類的數(shù)據(jù)庫語言來構(gòu)造查詢，然后將查詢傳送到關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，其按順序處理查詢以從數(shù)據(jù)庫獲得相關(guān)信息。
因此，本發(fā)明的一個方面描述了一種提供從網(wǎng)上(例如，因特網(wǎng))的X射線圖像獲得的數(shù)據(jù)的方法，以及采用這一連接提供實(shí)時且定時的數(shù)據(jù)分析的方法。中心網(wǎng)絡(luò)還可以允許醫(yī)生對對象的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問。類似的，如果病人讀取的信息超出了預(yù)定的范圍，等等，會向醫(yī)生發(fā)出警報。然后醫(yī)生可以通過網(wǎng)頁界面上的e-mail或消息向患者發(fā)送反饋建議。另外，對來自所有對象的數(shù)據(jù)的整個數(shù)據(jù)庫的訪問對統(tǒng)計學(xué)或研究目的是有用的。當(dāng)然，還要使用適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)安全特征(例如，為數(shù)據(jù)傳遞，查詢，設(shè)備升級等)。
另外，遠(yuǎn)程計算機(jī)可以用于對通過網(wǎng)絡(luò)自動傳送的X射線照片進(jìn)行分析。例如，照這樣，可以產(chǎn)生與對象有關(guān)的X射線照片的密度信息或結(jié)構(gòu)信息。X射線密度信息可以，例如，是骨礦物密度。如果用這種方式，可以將測試用于諸如骨質(zhì)疏松癥一類的與骨相關(guān)的疾病的診斷。
2.4圖形用戶界面在某些計算機(jī)系統(tǒng)中，包含諸如具有一整套功能的界面屏幕一類的界面，以便使用戶能夠容易地對從本發(fā)明的方法和數(shù)據(jù)庫中尋求的信息進(jìn)行訪問。這些界面通常包括用戶可以開始多種不同類型的分析的主菜單頁。例如，用于數(shù)據(jù)庫的主菜單頁通常包括用于訪問某些類型的信息的按鈕，這些信息包括，但不局限于，投影信息，投影之間的比較，天次，事件，日期，次數(shù)，值的范圍等。
2.5計算機(jī)程序產(chǎn)品可以利用各種各樣的計算機(jī)程序產(chǎn)品來實(shí)施此處公開的各種方法和分析。通常，計算機(jī)程序產(chǎn)品包括計算機(jī)可讀介質(zhì)以及執(zhí)行上述闡明的方法所必須的代碼。程序指令在其上被編碼的計算機(jī)可讀介質(zhì)可以是任何一種已知的介質(zhì)類型，包括但不局限于微處理器，軟盤，硬盤驅(qū)動器，ZIP驅(qū)動器，WORM驅(qū)動器，磁帶以及諸如CD-ROMs一類的光學(xué)介質(zhì)。
例如，X射線圖像或從該圖像獲得的數(shù)據(jù)一旦通過本地或遠(yuǎn)程計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送，并且遠(yuǎn)程計算機(jī)或連接到遠(yuǎn)程計算機(jī)的計算機(jī)接收到X射線圖像上的數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行形態(tài)學(xué)和骨密度分析，例如，采用合適的計算機(jī)程序。對象的形態(tài)學(xué)分析可以是二維的，盡管其也可能是三維的，特別是當(dāng)X射線圖像已經(jīng)利用多個不同的X射線傳輸角度或X射線平面從解剖對象獲得時。例如，在對骨質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像時，這些對傳送的X射線圖像的分析可以用于對明示或暗示了骨損耗或變化的骨疾病的參數(shù)進(jìn)行測量。這些參數(shù)包括所有現(xiàn)在和將來可用于對骨質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估的參數(shù)。例如，這些參數(shù)包括，但不局限于小梁間距，小梁厚度，小梁連接性以及小梁間的空間。
當(dāng)諸如空間分辨率一類的X射線圖像采集參數(shù)已知時，解剖對象的形態(tài)學(xué)或2D或3D結(jié)構(gòu)的信息可以更精確地導(dǎo)出。其他諸如錐面光束失真一類的參數(shù)也有助于這種調(diào)整。
如上所述，X射線圖像可以從本地傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器，同時遠(yuǎn)程服務(wù)器能夠執(zhí)行對X射線照片的自動化分析。另外，遠(yuǎn)程服務(wù)器或連接到遠(yuǎn)程服務(wù)器的計算機(jī)然后可以生成診斷報告。因此，在某些實(shí)施例中，計算機(jī)程序(例如，在遠(yuǎn)程服務(wù)器或連接到遠(yuǎn)程服務(wù)器的計算機(jī)上)可以為診斷報告生成費(fèi)用(charge)。然后遠(yuǎn)程服務(wù)器可以將診斷報告?zhèn)魉徒o醫(yī)生，典型的，是預(yù)定該測試或?yàn)榛颊哌M(jìn)行治療的醫(yī)生。針對包括還可以傳送到的三方，例如，健康保險公司。診斷報告的這些傳送可以以電子的(例如通過e-mail)、郵件、傳真或其他通信方式進(jìn)行。其中所有或部分的傳送信息(例如，患者的識別信息)可以進(jìn)行加密以便保護(hù)醫(yī)療記錄的機(jī)密性。
因此，此處描述了一個通過至少包含對象的下頜骨和/或上頜骨的至少一部分的牙齒X射線照片對對象系統(tǒng)中的骨骼的形態(tài)學(xué)或構(gòu)造進(jìn)行分析的典型系統(tǒng)，繼之以評估或X射線圖像。牙齒X射線照片可以通過任何傳統(tǒng)的方法獲得。X射線照片產(chǎn)生圖像，該圖像可以被一關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)控制器進(jìn)行解釋(例如，使用選定的算法和/或計算機(jī)程序)以提供用于顯示的骨礦物密度或骨結(jié)構(gòu)的評估。
在本發(fā)明的另一方面，監(jiān)測系統(tǒng)可以包括兩個或更多元件，其中，第一元件包括用于提取和監(jiān)測對象的骨相關(guān)數(shù)據(jù)的X射線圖像和標(biāo)準(zhǔn)模型，從第一元件接收數(shù)據(jù)的第二元件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理操作，然后將處理好的數(shù)據(jù)顯示出來?？梢栽谄渲幸粋€或兩個元件上建立微處理器功能。監(jiān)測系統(tǒng)的第二元件可以采取很多種形式。
3.0.0.0校正因子盡管標(biāo)準(zhǔn)模型的存在很大程度上有助于提高從牙齒X射線照片上獲得的數(shù)據(jù)的精度，但是本發(fā)明者還意識到，在某些例子種，可能存在應(yīng)用一個或更多校正因子以更進(jìn)一步提高從任何給定的X射線圖像中獲得的數(shù)據(jù)的精度的需要。這些校正因子可以計入一種或更多廣泛不同的可能改變X射線圖像上的表觀密度或結(jié)構(gòu)信息的影響(例如，軟組織厚度，提取數(shù)據(jù)的區(qū)域等等)。
在這點(diǎn)上，為了定標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)化的目的，可以采用一個或更多的參考數(shù)據(jù)庫。例如，圖像的標(biāo)準(zhǔn)化或軟組織衰減的校正可以采用患者的諸如體重、身高和體質(zhì)量指數(shù)一類的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行。在一個例子中，更高的軟組織衰減可以假定為高體重和低身高的對象；而低的軟組織衰減可以假定為低體重和高身高的對象。
在另一實(shí)施例中，將標(biāo)準(zhǔn)刻度曲線應(yīng)用到X射線圖像，由此刻度曲線可以從利用標(biāo)準(zhǔn)模型獲得的參考X射線照片推導(dǎo)出來。例如，對100名患者進(jìn)行帶有標(biāo)準(zhǔn)模型的牙齒X射線照相，從這些圖像可以推導(dǎo)得到標(biāo)準(zhǔn)刻度曲線。
3.1.0.0解剖學(xué)標(biāo)記在一個實(shí)施例中，所要分析的結(jié)構(gòu)的解剖學(xué)標(biāo)記的識別，或隨后定位的所要分析的與結(jié)構(gòu)相鄰的解剖學(xué)標(biāo)記的識別以及與這些或隨后定位的解剖學(xué)標(biāo)記相關(guān)的X射線圖像的計算機(jī)分析以及與這些解剖學(xué)標(biāo)記相關(guān)的解剖學(xué)研究區(qū)(ROI)的計算機(jī)分析。本發(fā)明還包括對牙齒或其他X射線探測器的定位，對牙齒的X射線管的定位以及基于下列信息利用標(biāo)記對所得到的圖像的分析1)組織信息，2)結(jié)構(gòu)信息，3)密度信息(例如，密度)，或4)2或3維輪廓信息5)要被測量的組織或結(jié)構(gòu)以及與測量位置相鄰的組織或結(jié)構(gòu)的信息的結(jié)合。本發(fā)明還包括僅僅基于解剖標(biāo)記非必須的方法和裝置，但是在一些應(yīng)用中可以結(jié)合到解剖學(xué)標(biāo)記實(shí)施例。較好的，此處描述的許多實(shí)施例設(shè)計成自動應(yīng)用且操作者干預(yù)最小值，并優(yōu)先選用這些裝置的遠(yuǎn)程或計算機(jī)控制。
在一個實(shí)施例中，可以采用對準(zhǔn)裝置來確保牙齒的X射線管相對于牙齒膠片垂直或近似于垂直對準(zhǔn)，由此降低由管的角度導(dǎo)致的幾何失真。例如，牙齒膠片固定器相對于解剖學(xué)標(biāo)記定位，例如，在門牙區(qū)域的下頜骨的后壁。圖15示出了采用牙齒X射線膠片固定器的示范性對準(zhǔn)系統(tǒng)的側(cè)視圖。該系統(tǒng)包括牙墊(100)，不銹鋼棒(101)，膠片(103)，任意的標(biāo)準(zhǔn)模型(104)，典型地具有環(huán)或環(huán)形室形狀的Rinn固定器(102)以及延伸管(200)。延伸管用來裝配在Rinn固定器內(nèi)并可以暫時地或永久地固定。系統(tǒng)可以使膠片位置相對于諸如牙槽緣或下頜骨后壁一類的解剖學(xué)標(biāo)記的位置達(dá)到高度再現(xiàn)性。延伸管允許對X射線管進(jìn)行對準(zhǔn)以便使其近似于垂直于Rinn器具，并且最終垂直于牙齒膠片。
由于對牙齒的X射線管的手工對準(zhǔn)，也就是為了指向和對準(zhǔn)的目的而位于牙齒X射線管前面的管(例如，金屬的)相對于3，5的對準(zhǔn)誤差并不總是很精確，或者甚至更大程度上，為了使X射線管前面的金屬管與Rinn固定器之間垂直或近似于垂直的對準(zhǔn)，優(yōu)選采用機(jī)械的或電磁的裝置。例如，金屬管可以采用一個或更多VelcroTM皮帶，物理地固定到Rinn固定器，或者其可以采用諸如水平、十字線、光源(點(diǎn)或面)等光學(xué)輔助手段進(jìn)行對準(zhǔn)?；蛘撸@些物理連接可以通過采用一個或多個磁鐵剛性地固定到牙齒X射線系統(tǒng)金屬管和Rinn固定器上來實(shí)現(xiàn)。在這一實(shí)施例中，Rinn固定器和牙齒X射線系統(tǒng)金屬管上的磁鐵可以對準(zhǔn)并且實(shí)現(xiàn)物理接觸。在另一個實(shí)施例中，延伸管可以，例如通過粘合劑，固定到Rinn固定器上。延伸管還可以是Rinn固定器的一部分。延伸管可以這樣設(shè)計，即其內(nèi)徑比牙齒X射線系統(tǒng)的金屬管的外徑稍大。然后，將牙齒X射線系統(tǒng)金屬管插入到固定在Rinn固定器的延伸管內(nèi)，由此大大地降低了X射線管相對于X射線膠片的對準(zhǔn)誤差。或者，延伸管也可以這樣設(shè)計，即其外徑比牙齒X射線系統(tǒng)的金屬管的內(nèi)徑稍小。然后牙齒X射線系統(tǒng)金屬管向前覆蓋(advanced over)固定到Rinn固定器的延伸管上，由此大大地降低了X射線管相對于X射線膠片的對準(zhǔn)誤差。在閱讀了此處的教導(dǎo)之后，本領(lǐng)域的技術(shù)人員很容易意識到還可以采用許多其他的連接裝置來使牙齒X射線管與牙齒X射線膠片正確地對準(zhǔn)。連接結(jié)構(gòu)的結(jié)合也是可以的。
選定的解剖學(xué)標(biāo)記是解剖區(qū)域的一部分。解剖區(qū)域是指骨、牙齒或其他能通過解剖學(xué)特征或位置來識別的確定的生命體上的部位。解剖區(qū)域可以包括表面下的生命體。通常，這樣的區(qū)域可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)學(xué)參考方法學(xué)來確定，就象Williams等人，Gray’s Anatomy，1980中看到的那樣。解剖區(qū)域可以從任何這些結(jié)構(gòu)中的下頜骨邊緣、上頜骨邊緣、牙齒邊緣、任何這些結(jié)構(gòu)中的谷或槽或其結(jié)合構(gòu)成的組中進(jìn)行選擇。牙齒X射線圖像可以容易地取得，且包含解剖學(xué)部位。其他解剖學(xué)區(qū)域包括但不局限于髖部、脊骨、前臂、腳和膝蓋。
例如，將研究區(qū)設(shè)置在牙齒頂點(diǎn)和下頜骨的下皮層之間。頂點(diǎn)可以通過如下的方式自動地找到對像素的每一行檢測灰度值曲線。在或多或少(in an alternating fashion)橫切骨和齒根形成的曲線具有多個不同的峰和谷的同時，僅包括帶小梁的骨頭的曲線在灰度值上顯示出不規(guī)則的變化(圖6)。牙齒頂點(diǎn)位于這兩個圖形之間的過渡區(qū)域。
用于評估帶小梁的骨結(jié)構(gòu)的測量技術(shù)被優(yōu)選設(shè)計成不需要用戶干預(yù)地工作。為了使分析牙齒X射線照片的過程全自動化，發(fā)展為研究區(qū)(ROIs)定位的技術(shù)是必要的，該研究區(qū)用于對帶小梁的骨結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計算。如果某一特定像素行的曲線包含了不同的峰值，就可以確定它們的數(shù)量、寬度和高度。接下來，對在這些線條以下的行進(jìn)行計算，直到峰值消失。該線條確定了邊界，ROI可以置于其下方5mm的地方，并位于根部的縱軸中間，其還可以由行曲線(圖6)確定。在像素尺寸為0.042mm×0.042mm的情況下，對應(yīng)于600dpi的分辨率，ROI具有5.4mm×5.4mm(128×128像素)的尺寸。采用其他掃描分辨率時，ROI的像素分辨率可以隨之調(diào)節(jié)。
在缺齒的患者的情況下，骨礦物密度可以在所有ROI內(nèi)進(jìn)行測量，該ROI位于，例如牙槽緣下方8mm且平行于牙槽緣的線上。ROI可以在像素對像素的基線上從左向右移動。最終，帶有最低BMD的ROI可以選作結(jié)構(gòu)骨參數(shù)的進(jìn)一步的評估。這有助于去除X射線照片上包含的一些區(qū)域，在這些區(qū)域中由于靠近犬齒的下頜骨的彎曲部分的投影使得對骨礦物密度估計過高?；蛘?，可以采用具有中間BMD的ROI。為了達(dá)到這一目的，可以采用其他統(tǒng)計學(xué)參數(shù)。
因此，軟件或其他計算單元可以識別所查詢的X射線圖像中選定的解剖學(xué)標(biāo)記，并采用不同的參數(shù)和分析函數(shù)直接對圖像進(jìn)行分析。另外，還可以采用這些軟件或其他計算分析單元來識別距選定的標(biāo)記一定距離的特定密度的區(qū)域。類似的，手工的或計算機(jī)分析可以用于識別相對于選定標(biāo)記的最低、最高、中間或平均密度(或結(jié)構(gòu)特征)的區(qū)域。
另外，可以對不同時期同樣的標(biāo)記進(jìn)行比較(標(biāo)記內(nèi)比較)或?qū)σ粋€或更多標(biāo)記進(jìn)行比較(標(biāo)記間比較)。例如，標(biāo)記內(nèi)比較可以用于單一查詢協(xié)議過程，該單一查詢協(xié)議需要與特定解剖學(xué)標(biāo)記有關(guān)的同一區(qū)域的多重查詢。可以使用此處描述的且在本領(lǐng)域公知的統(tǒng)計分析方法。
因此，本發(fā)明提供對骨結(jié)構(gòu)，即帶小梁的骨頭的二維或三維結(jié)構(gòu)組織，進(jìn)行評估的裝置，包括但不局限于，對小梁間距、小梁厚度、小梁長度和小梁連接性的測量。表1提供了對骨結(jié)構(gòu)測量的其他例子。這些測量可以單獨(dú)使用或者采用標(biāo)準(zhǔn)模型或外部標(biāo)準(zhǔn)來提高，該外部標(biāo)準(zhǔn)能夠允許對圖像的密度進(jìn)行校正或標(biāo)準(zhǔn)化并且在某些實(shí)施例中還能夠允許例如對由X射線光束的錐形光束幾何形狀導(dǎo)致的幾何失真的校正。
如此處所描述的，骨結(jié)構(gòu)的一個或更多測量可以用于選擇治療方法，例如，在骨損耗或惡化的情況下使用合成代謝或防再吸收藥物。在某些實(shí)施例中，骨結(jié)構(gòu)的測量隨著時間的過去而一直實(shí)施以便隨著時間的過去而持續(xù)地對對象的骨健康進(jìn)行監(jiān)測。測量可以在不同的時間點(diǎn)T1，T2，…，Tn進(jìn)行，并且將骨結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變記錄下來用于跟蹤患者的骨健康。在單一或連續(xù)測量中，醫(yī)生可以獲悉測量結(jié)果并且能夠包含預(yù)定的分離值(例如，當(dāng)測量到的患者的骨結(jié)構(gòu)參數(shù)與正常的、健康的參考人群的參數(shù)之差超出一或兩個標(biāo)準(zhǔn)偏差時)，同時應(yīng)用該信息來選擇治療方法。
此處描述的獲得和分析得到的數(shù)據(jù)可以用于監(jiān)測病人對治療方法的反應(yīng)。例如，病人接受合成代謝或防再吸收藥物治療后在不同時間間隔T1，T2，…，Tn對與骨結(jié)構(gòu)信息相關(guān)的信息進(jìn)行評估，可以使用骨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對治療效果進(jìn)行評估。醫(yī)生可以利用該信息調(diào)整治療(例如，骨質(zhì)疏松癥的治療)藥物的劑量或者改變藥物的服用方法。
應(yīng)用X射線照片信息的其他技術(shù)，例如層析X射線照相組合，也可以用于對骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量以及選擇治療方法或者監(jiān)測治療方法。
骨結(jié)構(gòu)可以采用多種不同的技術(shù)方法來測量。這些包括但不局限于霍夫變換，小梁的密度和尺寸分布的分析，多維分類圖，平均像素密度，像素密度差，傅立葉譜分析，分形維數(shù)及形態(tài)學(xué)參數(shù)。
3.1.1.0霍夫變換霍夫變換(參見，例如，Hough“Machine analysis of bubble chamber pictures”in International Conference on High Energy Accelerators and Instrumentation.1959.CERN)可以用于探測二進(jìn)制圖像中的幾何對象。作為一種對骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估的全新的方法，本發(fā)明包括使用這些方法對骨X射線圖像中的帶小梁的骨頭的方向和長度進(jìn)行分析。為了達(dá)到這一目的，采用高斯濾波器會使研究區(qū)(ROI)模糊化。然后，將濾波ROI的像素值從原始ROI中的像素值中減去，并且在每一像素位置上加上值128。這就得到了平均灰度值為128的圖像，其還可以用作閾值以生成二進(jìn)制圖像，該圖像中小梁由白色像素代表。
在骨架化步驟之后，可以將采用線性參數(shù)化法ρ＝xcosθ+ysinθ進(jìn)行的霍夫變換應(yīng)用到二進(jìn)制圖像以找出直線段。此處ρ為線距原點(diǎn)的垂直距離，θ是X軸與法線之間的夾角。原始圖像中的每一點(diǎn) 變換成已變換圖像中的位于(ρ，θ)平面內(nèi)的一條正弦曲線ρ=x^cosθ+y^sinθ]]>(參見圖7)。理想地，在原始圖像內(nèi)來自同一直線上的點(diǎn)的曲線在已變換圖像內(nèi)相交于同一點(diǎn)。然而，(ρ，θ)平面可以分成多個箱(bin)，其每個箱對穿過其的已變換曲線進(jìn)行計數(shù)。該數(shù)字對應(yīng)于原始圖像內(nèi)的線段上的共線點(diǎn)的數(shù)目，這就是該線段的長度。另外，已變換圖像提供原始圖像內(nèi)線段的支配角(predominant angle)的信息(參見圖8)。
線段的平均長度和方差可以作為骨小梁的形狀的結(jié)構(gòu)參數(shù)，該長度和方差可以通過計算具有超出某一閾值計數(shù)的所有箱而得到。平均長度以及長度的可變性在骨質(zhì)疏松癥患者中會降低。該閾值會產(chǎn)生影響，使只有某些最小長度的片段被包含在計算中。對閾值進(jìn)行選擇，以便可以向閱讀了本教導(dǎo)之后的本領(lǐng)域技術(shù)人員提供簡單地確定健康和疾病個體的最佳辨別。
由下式給出的已變換圖像h的“質(zhì)心”是測量小梁片段的支配角的一種方法。
CM=(Σ(ρ,θ)(ρ,θ)T*H(ρ,θ))/Σ(ρ,θ)H(ρ,θ),]]>其中，每一箱被解釋為一個具有于其計數(shù)相等的質(zhì)量的元件。對與齒槽邊緣相關(guān)的厘米尺寸的角度進(jìn)行測量以便獲得一標(biāo)準(zhǔn)值。更重要的是，片段角(在對箱的計數(shù)進(jìn)行閾值處理之后再次進(jìn)行測量)的方差提供了小梁結(jié)構(gòu)的各向異性的信息。骨質(zhì)疏松的椎骨的組織形態(tài)學(xué)(histomorphological)研究表面小梁取向的方差隨著疾病而降低。
3.1.2.0小梁的密度和尺寸分布的分析諸如膨脹、腐蝕及其結(jié)合的形態(tài)學(xué)操作也可以用于在灰度等級或二進(jìn)制圖像中的結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行探測。例如，骨架因子可以用于對不同尺寸和方向的小梁進(jìn)行提取和定量，這就導(dǎo)致了對小梁結(jié)構(gòu)的尺寸分布的測量。該骨架因子是基于Kumasaka等人，(1997)DentomaXillofac Rad 26161-168的工作以及如下工作的基礎(chǔ)上以二維結(jié)構(gòu)元件e作為基于-m≤i，j≤m(m＞0)且E(i，j)∈{0，1}范圍內(nèi)的函數(shù)。膨脹因子將灰度圖像f內(nèi)的一像素值f(x，y)設(shè)置為該尺寸m范圍內(nèi)的這些值的最大值，此時e(i，j)＝1，有[f⊕E](x,y)=max-m≤i,j≤m{f(x+i,y+i)|E(i,j)=1}]]>從而，將最大值用最小值代替，則腐蝕因子定義為[f⊕E](x,y)=min-m≤i,j≤m{f(x+i,y+i)|E(i,j)=1}]]>“開放”是在最小值檢索之后進(jìn)行的最大值檢索的操作fE＝(fE)E因此，“關(guān)閉”操作定義為最大值檢索之后的最小值檢索fE＝(fE)E如果固定結(jié)構(gòu)元件E1給定為E1(i，j)＝1，且-1≤i，j≤1，則骨架操作定義為 E2是另一個圓形并且尺寸可變的結(jié)構(gòu)元素，因此提供了對圖像中的結(jié)構(gòu)的對尺寸敏感的骨架算子。f與E2的腐蝕刪除了比E2小的結(jié)構(gòu)而提取了那些在尺寸上至少相等的小梁。那些尺寸正好相等的結(jié)構(gòu)減小到一個像素的寬度。帶有E1的開放步驟導(dǎo)致所有一個像素寬度的結(jié)構(gòu)消失(式(1)中的第二項(xiàng))。在從第一項(xiàng)中減掉該項(xiàng)之后，僅有那些正好與E2的尺寸匹配的小梁結(jié)構(gòu)保留下來。最后，圖像進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)為1的閾值化處理。這一算子的影響示于圖9。
圖10證明了與圖9中具有相同結(jié)構(gòu)元素尺寸的骨架算子在來自包含小梁骨的牙齒X射線照片的研究區(qū)的灰度等級區(qū)域內(nèi)的應(yīng)用。從每一骨架操作得到的二進(jìn)制圖像的亮像素的數(shù)目對應(yīng)于原始圖像中的特定尺寸的那部分小梁。如果以每一骨架化了的圖像中的亮像素相對于總的像素數(shù)目的百分比對直徑E2作曲線，曲線的“質(zhì)心”，也就是支配結(jié)構(gòu)尺寸，可以作為鑒別骨質(zhì)疏松和健康骨骼的系數(shù)。
另外，骨架算子優(yōu)選的進(jìn)行優(yōu)化和延伸以便探測僅沿特定方向定向的結(jié)構(gòu)。這可以通過將腐蝕操作加入到具有結(jié)構(gòu)元素的骨架算子中而實(shí)現(xiàn)，其中，例如，僅僅將對角線像素設(shè)為1。
這可以用于計算各向異性系數(shù)，類似于從霍夫變換推導(dǎo)得到的結(jié)果。對兩個各向異性系數(shù)進(jìn)行與其先天(potential)有關(guān)的測試以便從骨質(zhì)疏松的骨頭中辨別健康的骨頭。
以類似的方式，可以對骨髓空間進(jìn)行檢測。于是，骨架算子可以定義為

3.1.3.0多維分類圖在某些實(shí)施例中，優(yōu)選采用多系數(shù)對骨結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行測量。由此，可以使用將一個或更多合適的系數(shù)結(jié)合起來的新方法。這些系數(shù)可以優(yōu)化并合并為一個多維分類圖，例如，采用最近鄰域分類法。Cover等人，(1967)IEEE Trans Inform Theory 13(1)21-7。(參見例3)。
表1提供了可測量參數(shù)的不同分析與解剖學(xué)/生理學(xué)關(guān)系的例子。
表1

3.1.3.1平均像素密度平均像素密度是骨礦物密度的一個常用參數(shù)。穿過骨組織的X射線被吸收的程度取決于骨頭的礦物成分。具有高的礦物密度的骨頭吸收X射線的大部分，因此在X射線圖像中呈現(xiàn)得更亮。
在ROI中的平均像素密度f(x，y)可以根據(jù)包含在圖像中的鋁標(biāo)準(zhǔn)光楔進(jìn)行校準(zhǔn)。繪出了標(biāo)準(zhǔn)光楔的每一厚度水平的平均像素密度的log值相對于厚度的曲線，其中使f(x，y)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)鋁厚度的等價物，其作為該參數(shù)的值。標(biāo)準(zhǔn)光楔的不同厚度水平的自動識別將不同的幾何圖形描繪在X射線圖像示出的光楔內(nèi)并能夠自動定位。
3.1.3.2像素密度的方差在研究區(qū)中像素灰度等級的方差，var f(x，y)，描述了像素密度的可變性，并且由此能夠作為對小梁形成的程度的測量。將帶小梁的骨頭的損耗預(yù)測為由下降的var f(x，y)函數(shù)反映。Southard &Southard(1992)Oral Surg Oral Med Oral Pathol 74111-117。
3.1.3.3傅立葉譜線分析組織的空間頻率譜線提供了其粗糙度的相關(guān)信息。圖像內(nèi)的細(xì)微組織結(jié)構(gòu)和邊緣對應(yīng)于頻域內(nèi)的高頻，而粗糙的組織則表現(xiàn)為低頻。應(yīng)用到帶小梁的骨頭的X射線圖像，這一方法，具有粗糙的或小的小梁的區(qū)域顯示了傅立葉譜線能量集中在低空間頻率，而細(xì)微的小梁結(jié)構(gòu)區(qū)域則顯示了譜線能量集中在高頻。
典型的，選定的ROI的2維傅立葉系數(shù)。這些2維系數(shù)通過使所有的系數(shù)在具有與離散空間頻率u相對應(yīng)的半徑的圓上平均化，用于確定一個1維的能量譜F(u)。在將第一(“DC”)系數(shù)排除之后，確定絕對值系數(shù)的平均變換系數(shù)絕對值|F(u)|和平均空間第一時刻M1=Σu=1N|F(u)|·uN-1.]]>M1提供了頻率對譜線的能量作出最大貢獻(xiàn)的測量，類似于幾何對象的“質(zhì)心”。
3.1.3.4分形維數(shù)一種對圖像中的組織進(jìn)行分析的不同方法是分形分析。分形是表現(xiàn)出某些統(tǒng)計學(xué)的自相似或自模仿特性的對象，這樣，對象的一部分，按其原始尺寸的規(guī)定，具有例如與原始對象相同的表面積(3-d)或相同的周長(2-d)。在分形維數(shù)分析的上下文中，特定組織的灰度值可以解釋為一高度，并分析了所得到的3維表面(圖11)。
分形維數(shù)(fd)是一對象的周長或表面積隨著測量比例的減小而增加的速率。Russ“The Image Processing Handbook”，Third edition ed.1999，Boca RatonCRC press。它是對邊界或表面的復(fù)雜性的測量，并且對應(yīng)于對象粗糙度的直覺概念。在沒有一個理論束縛的情況下，假定為骨質(zhì)疏松的帶小梁的骨頭，其中小梁變細(xì)并且損失了其連貫性，因此，復(fù)雜性增加，則其應(yīng)當(dāng)具有比健康骨更高的分形維數(shù)。
能夠測量FD的多種方法得到的結(jié)果并不具有可比性。由此，可以進(jìn)行不同的方法的測試以確定其中哪個(或結(jié)合)提供了普通對象與骨質(zhì)疏松對象之間的最佳的辨別力。
在采用快速傅立葉變換(FFT)對ROI的2-D能量譜進(jìn)行計算之后將第一種方法應(yīng)用于頻域中。如上所述，為了進(jìn)行傅立葉分析，從2-D傅立葉系數(shù)中產(chǎn)生1-D能量譜。當(dāng)以能量的對數(shù)對頻率的對數(shù)繪制該1-D能量譜時，根據(jù)分形理論，其必然具有大小為b且1＜b＜3的負(fù)的斜率。于是，計算得到FD值為FD1＝3.5-b/2。
另一種方法，Minkowski法，測量對應(yīng)于表面的上下包絡(luò)線之間的差(ROI上之和)作為所用的鄰域的尺寸。Peleg等人，(1984)Anal Mach Intell 6(4)518-523。如果δ(δ＝1，2，3，…)是包絡(luò)線與表面之間的距離，那么上包絡(luò)線uδ和下包絡(luò)線lδ由下式給出u0(i，j)＝l0(i，j)＝f(i，j)uδ+1(i,j)=max{uδ(i,j)+1,max||(m,n)-(i,j)||≤1{uδ(m,n)}}]]>lδ+1(i,j)=min{lδ(i,j)-1,min||(m,n)-(i,j)||≤1{lδ(m,n)}}]]>其中，f(i，j)是在ROI內(nèi)的像素(i，j)的灰度值。面積A(δ)的對數(shù)對log(δ)作曲線，測定具有大小為b的負(fù)斜率的線。于是分形維數(shù)由FD2＝2-b′給出。令vδ=Σ(i,j)∈ROl(uδ(i,j)-lδ(i,j)),]]>則可計算得到A(δ)=vδ-vδ-12.]]>3.1.3.5形態(tài)學(xué)參數(shù)在上述特征和參數(shù)提供了關(guān)于帶小梁的骨結(jié)構(gòu)的相當(dāng)普通的信息的同時，下面的例子進(jìn)行了更詳細(xì)方面的描述。
首先對研究區(qū)域的灰度等級進(jìn)行二進(jìn)制化。如White等人，(1999)Oral Surg Oral MedOral Patholo Oral Radiol Endod 88628-635中所描述的，這能夠通過如下方式獲得通過高斯濾波器裝置使ROI變模糊。然后從原始ROI中減去模糊的ROI，再在每一像素位置加上值128。這就得到了具有平均灰度值為128的圖像，該值128還可以作為閾值，得到小梁是白色而骨髓空間是黑色的的圖像。
根據(jù)該二進(jìn)制圖像，白色像素總是代表了小梁區(qū)域，其以占總的ROI面積的百分比來計算。外部小梁邊界上的像素的數(shù)目測量了小梁的周長。通過對黑色像素進(jìn)行計算，同樣的參數(shù)可以用于測量骨髓空間。
在二進(jìn)制圖像骨架化之后，由白色像素的總數(shù)可以確定小梁的總長。另外，端點(diǎn)和分支點(diǎn)的數(shù)目可以表示為小梁長度的比例。通過總的小梁長度與端點(diǎn)和分支點(diǎn)的總和的比值可以估算小梁的平均長度。
3.2.0.0軟組織軟組織厚度的差異對于分析和評估X射線照片中的骨密度和骨結(jié)構(gòu)是重要的。由此，本發(fā)明還包括對骨結(jié)構(gòu)或密度組織的評估中的軟組織進(jìn)行校正的方法和裝置，尤其是用于診斷和/或預(yù)測骨質(zhì)疏松癥或其他骨病癥。
在某些實(shí)施例中，X射線圖像是牙齒的X射線圖像并且這些校正方法包括(a)采用X射線探測器對對象的下頜骨和/上頜骨的至少一部分進(jìn)行探測；(b)產(chǎn)生所探測的下頜骨和/或上頜骨的X射線圖像；(c)從與骨密度或骨結(jié)構(gòu)有關(guān)的X射線圖像獲得數(shù)據(jù)；(d)探測周圍的軟組織以確定軟組織的厚度；以及(e)通過校正軟組織厚度來校正從X射線圖像獲得的數(shù)據(jù)。這些研究組群包括非骨質(zhì)疏松癥的絕經(jīng)期前的患者，非骨質(zhì)疏松癥的絕經(jīng)期后的患者，骨質(zhì)疏松癥的絕經(jīng)期后的患者。顯然，盡管對牙齒的X射線照片進(jìn)行了舉例說明，但是此處描述的許多方法還可以應(yīng)用到其他X射線圖像，例如髖部或脊骨的X射線圖像。
所測量的對象的軟組織厚度也可以與從管理人群(例如，年齡、性別、種族、體重匹配的普通對象)中獲得的參照軟組織厚度進(jìn)行比較。參考軟組織厚度可以通過對具有正常的血管、心臟、肝、腎功能以及沒有其他潛在醫(yī)學(xué)疾病的健康對象的軟組織厚度進(jìn)行測量而得到。參考軟組織厚度可以標(biāo)識為，但不局限于，平均和標(biāo)準(zhǔn)偏差或標(biāo)準(zhǔn)誤差。參考軟組織厚度可以分別從15-20，20-30，30-40，40-50，50-60，60-70，70-80，以及80歲以上的患者中分別獲取，并且優(yōu)選的分別根據(jù)男人和女人以及種族(例如，亞洲，非洲，高加索以及西班牙對象)來獲取。此外，參考軟組織厚度可以分別根據(jù)每一年齡、性別和種群內(nèi)的不同對象體重來獲取。
個體患者可以與參考軟組織厚度相比較。如果患者的軟組織厚度偏大，可以使用校正因子。校正因子的數(shù)量/大小(amount/magnitude)受在軟組織厚度中增加的大小的影響，而軟組織厚度受到脂肪、纖維以及肌肉組織分別的大小的影響?？梢詫εR床研究組群進(jìn)行評估以生成用于更進(jìn)一步研究的數(shù)據(jù)庫或者生成更多改進(jìn)的校正因子。這些研究組群包括非水腫非骨質(zhì)疏松的絕經(jīng)期前的患者，非水腫非骨質(zhì)疏松的絕經(jīng)期后的患者，非水腫骨質(zhì)疏松的絕經(jīng)期后的患者，水腫非骨質(zhì)疏松的絕經(jīng)期前的患者，水腫非骨質(zhì)疏松的絕經(jīng)期后的患者，以及水腫骨質(zhì)疏松的絕經(jīng)期后的患者。在每一研究組群種執(zhí)行下列步驟以進(jìn)行對比脊骨、髖骨或小梁的雙X射線吸收測量(“DXA”)，同時進(jìn)行SOS和BUA測量或定量計算層析X射線攝影(“QCT”)。由此，軟組織厚度的校正還可以改進(jìn)X射線照片及其他X射線照片的分析的精度和判別能力。這些方法還可以用于對諸如骨質(zhì)疏松癥一類的骨病癥的危險性的升高或降低的人群的鑒別。
4.0應(yīng)用骨礦物密度或小梁結(jié)構(gòu)的測量，例如在下頜骨或上頜骨或在髖骨內(nèi)或在椎骨內(nèi)，可用于推導(dǎo)得到任一對象的骨健康的評估。此外，根據(jù)對X射線照片的數(shù)據(jù)的分析和操作可以對骨健康進(jìn)行評估，該評估接下來可以用于給出一合適的治療方式。處理方式的效果也可以采用此處描述的方法和裝置進(jìn)行評估(例如，通過在下頜骨或上頜骨或髖骨或椎骨取兩個分離的時間點(diǎn)T1和T2進(jìn)行測量以檢測骨礦物密度或小梁結(jié)構(gòu)的差異)。
此外，此處描述的方法不僅改進(jìn)了對骨質(zhì)疏松癥發(fā)展以及治療反應(yīng)進(jìn)行檢測的工具，還允許在標(biāo)準(zhǔn)髖骨X射線照片的基礎(chǔ)上對，例如，帶小梁的骨結(jié)構(gòu)組織和結(jié)構(gòu)排列的評估進(jìn)行全自動操作。在某些實(shí)施例中，這些方法包括利用形態(tài)學(xué)算子采用對小梁網(wǎng)絡(luò)的分支點(diǎn)和端點(diǎn)進(jìn)行探測和分類，將帶小梁的骨頭二進(jìn)制化和骨架化成為自由端片段和點(diǎn)對點(diǎn)片段。在其他實(shí)施例中，這些方法包括在已經(jīng)二進(jìn)制化和/或骨架化的圖像基礎(chǔ)上，測量小梁密度、小梁周長、帶小梁的骨頭的圖形因子、片段數(shù)、片段長度、片段取向角度以及點(diǎn)對點(diǎn)片段相對于自由端片段的比例。在又一些實(shí)施例中，這些方法包括(a)采用Euclidean距離變換(也參見例3)對小梁厚度進(jìn)行測量；(b)采用2D快速傅立葉變換對小梁取向進(jìn)行評估；以及/或(c)創(chuàng)建骨結(jié)構(gòu)系數(shù)以便結(jié)合至少兩個或更多這些結(jié)構(gòu)參數(shù)對骨質(zhì)疏松癥或預(yù)測骨折的危險性進(jìn)行診斷。
在某些實(shí)施例中，X射線照片是對象的髖骨。另外，為了有助于控制X射線照片的位置對骨結(jié)構(gòu)測量精度的影響，這些方法包括下面的一個或多個在髖骨中評估骨結(jié)構(gòu)測量對角度的依賴性，例如，通過將從健康到骨質(zhì)疏松癥患者(對象)的髖關(guān)節(jié)前后的X射線照片與在中間位置的股骨X射線照片進(jìn)行比較，并且以不同角度向內(nèi)或向外旋轉(zhuǎn)或者通過獲取具有不同管形成角度度數(shù)的髖骨的X射線照片進(jìn)行比較。骨結(jié)構(gòu)測量可以在不同位置之間進(jìn)行比較以便確定哪個骨結(jié)構(gòu)參數(shù)對X射線照片位置的依賴性最小和/或采用腳固定器將病人的腳固定在中間位置，以防對大多數(shù)所測量的結(jié)構(gòu)參數(shù)在0°中間位置與向內(nèi)或向外旋轉(zhuǎn)15°的位置的結(jié)果的差超過10％。
在其他實(shí)施例中，提供對骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期(例如，縱向地)監(jiān)測的方法，例如，對骨質(zhì)疏松癥的發(fā)展和/或治療的反應(yīng)進(jìn)行評估。在某些實(shí)施例中，這些方法包括對髖關(guān)節(jié)內(nèi)的研究區(qū)(ROI)的布局進(jìn)行自動操作，例如，創(chuàng)建和采用包含六塊定義好的研究區(qū)(ROI’s)的近側(cè)股骨的通用模式。
此處描述的允許對骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分地測量的方法，對骨質(zhì)疏松癥的診斷和治療是有用的。最終，這些技術(shù)可以有助于在不需要昂貴的專業(yè)的和先進(jìn)的設(shè)備的情況下，采用標(biāo)準(zhǔn)、普遍使用的X射線照相設(shè)備，高度節(jié)約成本且精確的方式對大量婦女進(jìn)行骨質(zhì)疏松癥危險性的篩查。很顯然，這種類型的程序能夠靠采用新的合成代謝或防再吸收藥物，有力地使治療干預(yù)成為可能，防止預(yù)期的骨質(zhì)疏松骨折的流行需要這種治療干預(yù)。
4.1套件本發(fā)明還提供用于從X射線圖像獲得信息的套件，例如從諸如牙齒X射線照片一類的X射線照片獲得與骨結(jié)構(gòu)相關(guān)的信息。在某些實(shí)施例中，該套件包括一個或更多計算機(jī)(例如，軟件)程序，例如，用于在X射線圖像的基礎(chǔ)上接收，分析和生成報告。在另一些實(shí)施例中，這些套件可以包括標(biāo)準(zhǔn)模型，例如集成或固定到固定器的標(biāo)準(zhǔn)模型，衛(wèi)生蓋，X射線膠片和/或X射線膠片固定器。
本發(fā)明還提供治療套件，例如用于治療骨質(zhì)疏松癥或牙齒疾病。在某些實(shí)施例中，這些套件包括共一個或更多X射線膠片使用的標(biāo)準(zhǔn)模型，計算機(jī)軟件產(chǎn)品，數(shù)據(jù)庫，治療藥物以及，可選擇地，有用的指令(例如，在進(jìn)行X射線照相時為標(biāo)準(zhǔn)模型定位的指令，用軟件對X射線照片，放射劑量進(jìn)行分析等等)。治療藥物可以是，例如，防再吸收或合成代謝藥物。
4.2診斷和預(yù)測在又一方面，提供對對象中的與骨相關(guān)疾病(例如，骨質(zhì)疏松癥，Paget病、成骨不全、骨癌)、牙周疾病或口腔植入失敗的治療與預(yù)測的方法，例如采用此處描述的任何套件、方法和/或裝置。顯然，這些方法可以用于牙周疾病和植入失敗，還可以用于任何與骨相關(guān)的病癥，例如，骨質(zhì)疏松癥，骨癌及諸如此類的。
僅骨質(zhì)疏松癥就是對于25,000,000絕經(jīng)期女性和7,000,000男性的主要公共健康威脅。1995年，用于骨質(zhì)疏松癥和相關(guān)骨折的國家直接支出是$13,000,000,000。人口統(tǒng)計學(xué)顯示，隨著人口老齡化的增長，骨質(zhì)疏松骨折以及初發(fā)的和潛在的、經(jīng)濟(jì)的、難以處理的骨質(zhì)疏松癥的流行大大地增加。美國預(yù)計在40年內(nèi)僅對骨質(zhì)疏松癥的總投入每年超過240,000,000,000美元。
少于20％的患者知道他們有病，并且其中很少的人接受醫(yī)生直接有效的治療。有效處理骨質(zhì)疏松癥流行的威脅的障礙不是缺乏治療的醫(yī)療器械而是沒有對有危險性的人以及需要進(jìn)行治療的人的鑒別能力。進(jìn)行骨質(zhì)疏松癥檢測的限制在很大程度上是當(dāng)前可用的系統(tǒng)的高額費(fèi)用造成的，結(jié)果是其僅能局限在醫(yī)院和專業(yè)診所內(nèi)小范圍的安裝。
通過提供廉價且可靠的骨結(jié)構(gòu)分析篩查并且得到骨病癥和/或病癥的存在的診斷，此處描述的裝置和方法提出了這些和其他觀點(diǎn)。的確，骨礦物密度(BMD)的測量在技術(shù)上相對容易實(shí)現(xiàn)，盡管小梁結(jié)構(gòu)和排列結(jié)構(gòu)的進(jìn)行性破裂是引起老年個體中發(fā)生骨折危險的主要方式，但是低的BMD在100％的骨折危險中占相當(dāng)小的比重。
因此，在某些實(shí)施例中，這些方法包括，采用計算機(jī)程序?qū)射線圖像(例如，牙齒的X射線圖像)的骨礦物密度或骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并且將該值或從圖像獲得的測量與參考標(biāo)準(zhǔn)或參考曲線進(jìn)行比較，由此確定對象是否具有諸如骨質(zhì)疏松癥一類的骨相關(guān)疾病，或者由此確定對象的骨折危險性。X射線圖像還可以包括標(biāo)準(zhǔn)模型，例如此處描述的標(biāo)準(zhǔn)模型。
在某些實(shí)施例中，骨結(jié)構(gòu)的測量與宏觀解剖學(xué)參數(shù)(例如，髖骨X射線照片上的皮層厚度)相結(jié)合或相關(guān)聯(lián)，例如，采用統(tǒng)計學(xué)或數(shù)學(xué)方法，創(chuàng)建疾病的嚴(yán)重性系數(shù)。隨后，將該系數(shù)與至少兩個或更多這些骨結(jié)構(gòu)或形態(tài)學(xué)參數(shù)相結(jié)合，用于對骨質(zhì)疏松癥的診斷或?qū)钦畚ｋU性進(jìn)行預(yù)測。
4.3治療此處描述的方法和裝置還可以用于發(fā)展針對有需要的對象的合適的治療方式。此外，本發(fā)明還可以對對象的治療方式的效果進(jìn)行分析。
盡管在絕經(jīng)后雌激素缺乏是得到廣泛證明的導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥的原因，且這可以通過激素放置療法(HRT)來避免，但HRT在長期使用者中還會導(dǎo)致乳腺癌危險性的增加(大約35％)。Lancet(1997)3501047-1059。結(jié)果是，致力于發(fā)展針對骨質(zhì)疏松癥的替代治療方法。在這些治療中，雙膦酸酯日益被接受為一種治療選擇。Lin(1996)Bone 1875-85；Liberman等人，(1995)N Engl J Med 3331437-1443；Mortensen等人，(1998)J ClinEndocrinol Metab 83396-402。近年來引入的另一種新一類的治療藥物是選擇性的雌激素受體調(diào)節(jié)器(SERMs)。Delmas等人，(1997)N Engl J Med 3371641-1647；Lufkin等人，(1998)J Bone Min Res 131747-1754。諸如甲狀旁腺激素一類的合成代謝療法也已經(jīng)提出用來治療骨質(zhì)疏松癥。Roe等人，(1999)J Bone Miner Res 14(suppll)S137，Abst#1019；Lane等人，(1998)J Clin Invest 1021627-33。
這些及其他研究的綜合結(jié)果表明，骨質(zhì)疏松癥的有效治療方法可以在病癥一旦診斷出來就馬上進(jìn)行。例如，采用此處描述的任何一種方法、套件、和/或裝置，對對象的骨質(zhì)疏松癥的存在進(jìn)行診斷，并且為對象提供合適的治療方法(例如一種或更多抗再吸收藥物和/或一種或更多合成代謝藥物)?？梢詫ρ乐芗膊∵M(jìn)行類似的診斷和治療，這在從口腔衛(wèi)生實(shí)踐到外科范圍內(nèi)受到推薦。隨著時間的推移，此處描述的方法可以用于對選定的治療方法的效果進(jìn)行評估以及根據(jù)需要更換治療方法。
4.4決策樹由此，通過此處描述的方法，可以很容易地實(shí)現(xiàn)診斷、預(yù)測、發(fā)展治療方法、評估治療效果以及諸如此類的。在某些方面，這些應(yīng)用可以利用算法或決策樹(也稱作邏輯樹或流程圖)來實(shí)現(xiàn)。顯然，這些決策樹可以等效地應(yīng)用到其他應(yīng)用當(dāng)中(例如，設(shè)計治療方案，評估治療效果，等等)。
用于預(yù)測骨問題(例如，骨質(zhì)疏松，等等)、牙周疾病或口腔植入失敗的一個示范性的方法采用了閾值分級評估的決策樹(也稱作分類樹)(參見，例如，J.J.Oliver等人，in Proceedings of the 5th Australian Joint Conference on Artificial Intelligence，pages 361-367，A.Adams and L.Sterling，editors，World Scientific，Singapore，1992；D.J.Hand等人，Pattern Recognition，31(5)641-650，1998；J.J.Oliverand D.J.Hand，Journal of Classificaiton，13281-297，1996；W.Buntine，Statisticsand Computing，263-73，1992；L.Breiman等人，“Classification and RegressionTrees”Wadsworth，Belmont，CA，1984；C4.5Programs for Machine Learning，J.RossQuinlan，The Morgan Kaufmann Series in Machine Learning，Pat Langley，SeriesEditor，October 1992，ISBN 1-55860-238-0)。提供了用于構(gòu)造和執(zhí)行決策樹的商業(yè)軟件(例如，CART(5)，Salford Systems，San Di ego，CA；C4.5(6)，RuleQuest ResearchPty Ltd.，St Ives NSW Australia)并且在看到本說明書的教導(dǎo)之后可以用于本發(fā)明的方法。一個該決策樹的簡單版本是在特定解剖學(xué)標(biāo)記處(例如，下頜骨或上頜骨的邊緣，齒根的末端，等等)讀取的同時選擇一個骨結(jié)構(gòu)或骨礦物密度閾值。如果圖像的該值比閾值低很多，那么就預(yù)測到了骨病癥、牙周疾病或植入失敗。
例如，第一級決策由算法構(gòu)成，其基于采用此處所描述的被獲得的和被分析的最近的X射線圖像，與可以預(yù)測即將的或當(dāng)前的與骨或牙周相關(guān)的事件的初始閾值相比較。例如，該算法可以將當(dāng)前的骨結(jié)構(gòu)測量(time＝n)或預(yù)測的骨結(jié)構(gòu)測量(time＝n+1)與閾值相比較。如果骨結(jié)構(gòu)測量比閾值高，那么通過算法進(jìn)行決策以提出更進(jìn)一步的將來的X射線照片。如果骨結(jié)構(gòu)測量小于或等于閾值水平，那么算法繼續(xù)到下一級的決策樹。
決策樹的下一級可以是對對象進(jìn)行X射線照相時(n)的年齡和/或性別進(jìn)行評估，將其與同樣年齡和/或性別的“正?！睂ο笙啾容^。例如，如果對象的骨測量比特定年齡和/或性別的閾值骨結(jié)構(gòu)水平高，那么通過算法作出決策以進(jìn)一步提示在將來進(jìn)行監(jiān)測。如果骨結(jié)構(gòu)信息小于或等于閾值，那么算法繼續(xù)進(jìn)入決策樹的下一級。
決策樹的下一級可以是，例如，對對象的軟組織(例如，齒齦)厚度(n)進(jìn)行評估，將其與測量閾值相比較。例如，如果軟組織明顯低于或高于正常的厚度，那么通過算法進(jìn)行決策，檢驗(yàn)更多的X射線圖像或?qū)窍嚓P(guān)病癥進(jìn)行預(yù)測。
決策樹還可以通過增加更多的等級來進(jìn)行進(jìn)一步的加工。例如，在確定骨和/或牙周事件可能發(fā)生之后，對象可以再次進(jìn)行X射線照相以觀察值是否已經(jīng)改變。再一次，也可以對年齡、性別、體重、軟組織厚度以及諸如此類的進(jìn)行測試并考慮以確認(rèn)預(yù)測。
在這些決策樹中，最重要的標(biāo)志典型地放置在決策樹的根部。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，根屬性是當(dāng)前骨結(jié)構(gòu)的測量。在另一實(shí)施例中，在一將來時間點(diǎn)的預(yù)測的骨結(jié)構(gòu)的測量可以作為根屬性。或者，可以采用骨礦物密度和/或植入結(jié)構(gòu)作為根屬性。
另外，閾值不需要(但可以)預(yù)先建立。算法可以從單個對象的讀取和測量的數(shù)據(jù)庫記錄中學(xué)習(xí)。算法可以自追蹤以便采用基于數(shù)據(jù)庫記錄中的數(shù)據(jù)建立閾值，例如，決策樹算法。
另外，決策樹可以比上述的單一情況更復(fù)雜。例如，如果特定對象的軟組織非常厚，算法可以把骨測量閾值設(shè)置得比正常值高或低。
通過選擇參數(shù)(例如，當(dāng)前或?qū)淼墓切畔?，等?以及算法基于個體對象的這些參數(shù)的數(shù)據(jù)庫記錄進(jìn)行自追蹤，該算法可以獨(dú)立地或結(jié)合疾病預(yù)測因素和/或植入失敗對每一參數(shù)進(jìn)行評估。由此，可以對預(yù)測模型進(jìn)行追蹤，并且算法確定哪個參數(shù)是最重要的預(yù)測因素。決策樹可以采用諸如遞歸劃分算法之類的算法從數(shù)據(jù)以自動操作的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)。遞歸劃分算法通過根節(jié)點(diǎn)中的所有追蹤例子開始建立樹。根節(jié)點(diǎn)可以是“分裂”的，例如，采用如下的三個步驟。(1)根節(jié)點(diǎn)可以在所有可用的屬性上、在所有可用(例如，在培訓(xùn)數(shù)據(jù)庫中)的閾值分裂，對每一個被考慮到的分裂應(yīng)用一個標(biāo)準(zhǔn)(例如，GINI指數(shù)，數(shù)據(jù)平均信息量或數(shù)據(jù)的信息長度)。(2)選擇屬性(A)和閾值(T)對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化。這就得到了具有一個分裂節(jié)點(diǎn)和兩個葉片的決策樹。(3)將追蹤數(shù)據(jù)庫中的每個例子關(guān)聯(lián)到這兩個葉片中的一個(基于培訓(xùn)例子的測量)。采用該三個步驟對每個葉節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遞歸分裂。分裂持續(xù)到一個停止標(biāo)準(zhǔn)被應(yīng)用。停止標(biāo)準(zhǔn)的一個例子是如果一節(jié)點(diǎn)具有的例子比其相關(guān)聯(lián)的追蹤數(shù)據(jù)庫中的例子少于50個。
在更進(jìn)一步的實(shí)施例中，在決策樹的決策的每一級，算法軟件將概率結(jié)合到?jīng)Q策。可以對決策的每一級的概率進(jìn)行評估(例如，求和)并且可以應(yīng)用累積概率確定是否預(yù)測到疾病和/或植入失敗。接收器操作特性(ROC)曲線分析可以用于上述的決策樹分析。ROC分析是另一閾值優(yōu)化方法。其在將錯誤正分?jǐn)?shù)最小化的同時，提供了一種確定最佳正確正分?jǐn)?shù)的方法。ROC分析可以用于對兩個分類圖進(jìn)行比較，并確定哪個圖是選定的事件(例如，骨質(zhì)疏松癥的證據(jù))的更全面的預(yù)測因素；例如，ROC分析可以用于將一個單一閾值分類器與決策樹相比較。ROC軟件包典型地包括如下步驟關(guān)聯(lián)、連續(xù)地分配以及固有的分類速率尺度數(shù)據(jù)；在兩個副法線ROC曲線之間進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)比較；從連續(xù)的以及分類的數(shù)據(jù)組中對副法線ROC曲線的最大可能性評估；對統(tǒng)計能量進(jìn)行分析以比較ROC曲線。提供了構(gòu)造和執(zhí)行ROC的商業(yè)軟件(例如，Analyse-It for Microsoft EXcel，Analyse-ItSoftware，Ltd.Leeds LS12 5XA，England，UK；MedCalc，MedCalc Software，Mariakerke，Belgium；AccuROC，Accumetric Corporation，Montreal，Quebec，CA)。
可用于上述分析的相關(guān)技術(shù)包括，但不局限于，決策圖，決策規(guī)則(也稱作規(guī)則歸納)，判別式分析(包括步進(jìn)式判別式分析)，邏輯回歸，最近鄰域分類，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及樸素貝葉斯分類器。
本發(fā)明的所有這些方面既可以單獨(dú)也可以結(jié)合用于實(shí)踐。典型地，下列的實(shí)施例的結(jié)合使用是更有利地。另外，盡管對象發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)進(jìn)行了某種程度的詳細(xì)描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以進(jìn)行明顯的改變。
實(shí)驗(yàn)下面是完成本發(fā)明的特定實(shí)施例的例子。這些例子僅提供對發(fā)明目的的描述，并不打算以任何方式對本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定。
例1在活體內(nèi)的可再現(xiàn)性以及在活體內(nèi)的診斷靈敏度A.牙齒的X射線照片為了測試從牙齒的X射線照片獲得的數(shù)據(jù)在活體內(nèi)的可再現(xiàn)性，進(jìn)行下面的實(shí)驗(yàn)。對象坐在牙科治療椅上，并且對門牙區(qū)域和下頜骨的臼齒區(qū)域拍攝X射線照片。標(biāo)準(zhǔn)模型階躍式光楔固定到牙齒的X射線膠片。采用標(biāo)準(zhǔn)的X射線成像技術(shù)對牙齒的X射線膠片進(jìn)行曝光從而得到門牙區(qū)域的X射線照片。對象來回行走15分鐘，在該點(diǎn)采用同樣的步驟進(jìn)行重復(fù)測試。
X射線膠片可以用帶有透明性選項(xiàng)的商業(yè)化的平板掃描儀(Acer Scan Premio ST)進(jìn)行數(shù)字化。采用NIH圖像軟件程序(http//rsb.info.nih.gov/nih-image/Default.html)在同一對象的已經(jīng)完全數(shù)字化了的X射線照片中的與牙齒根部相對應(yīng)的同樣位置對研究區(qū)(RIOs)進(jìn)行手工定位。ROI內(nèi)的平均灰度值的測量的可再現(xiàn)性確定為變化系數(shù)(COV＝測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差/測量的平均值)。兩個對象的所有結(jié)果以均方差(RMS=Σ1nxi2/n)]]>的形式給出。表2中對數(shù)據(jù)進(jìn)行了匯總。
表2在數(shù)字化的牙齒的X射線照片中的平均灰度值的測量的可再現(xiàn)性

數(shù)據(jù)顯示，已經(jīng)與許多超聲波系統(tǒng)比較，獲得了診斷骨質(zhì)疏松癥的可再現(xiàn)性。
B.髖骨X射線照片為了測試髖骨X射線照片中的骨組織分析是否能夠探測到正常的與骨質(zhì)疏松的骨頭之間的差異，用計算X射線照相系統(tǒng)的Fuji FCR 5000(Fuji Medical Systems，Stemford，CT)獲取兩位患者的樣本髖骨X射線圖像。在用DXA測量的髖骨中，第一位患者具有正常的骨礦物密度。對于第二位患者，采用DXA測量的股骨頸部BMD低于正常的一個標(biāo)準(zhǔn)偏差。
為了進(jìn)行X射線成像，將患者以仰臥的姿勢定位在X射線工作臺上，平行于工作臺的長軸。患者的手臂放置的其身體兩側(cè)。在患者的頸部下面放上枕頭以確?；颊呤孢m。但是，在膝蓋下面并不使用枕頭。X射線技術(shù)人員通過從頭到腳(其放置在中間位置，同時腳尖朝上)的觀察檢查確認(rèn)患者直著躺在工作臺上。射線聚焦到髖關(guān)節(jié)的中部并超過大轉(zhuǎn)子。
采用下面的參數(shù)獲取前后髖骨的X射線照片膠片聚焦距離100cm；管電壓65kVp；曝光自動曝光裝置進(jìn)行自動曝光或者采用手動曝光帶有20mAs；對準(zhǔn)限制到髖關(guān)節(jié)，包括近側(cè)的股骨骨干；聚焦股骨頭部上方(參見上文)；管形成角度0度。在進(jìn)一步圖像分析前將鋁質(zhì)的階躍型光楔(BioQuest，Tempe，AZ)包含在圖像內(nèi)以校準(zhǔn)灰度值。采用ImageJ，NIH圖像的Java版本(http//rsb.info.nih.gov/ij/)進(jìn)行處理。
如圖9所示在近似的位置人工選擇六個研究區(qū)。通過背景減法將小梁提取出來。得到的二進(jìn)制圖像示于圖中。在下一步中，將所選定研究區(qū)的帶小梁的骨頭骨架化。
采用正常的和骨質(zhì)疏松患者的二進(jìn)制化了的ROI以確定小梁密度比(小梁面積比ROI面積)。從骨架化的ROI得到下面的骨結(jié)構(gòu)測量結(jié)果平均片段長度，總骨架長度(利用ROI面積標(biāo)準(zhǔn)化)，骨架片段數(shù)(利用ROI面積標(biāo)準(zhǔn)化)，以及骨架節(jié)點(diǎn)數(shù)(利用ROI面積標(biāo)準(zhǔn)化)。結(jié)果示于表3至7。
表3小梁密度比例(小梁面積/ROI面積)

表4平均骨架片段的長度

表5總的骨架長度(采用ROI面積標(biāo)準(zhǔn)化)

表6骨架片段數(shù)(采用ROI面積標(biāo)準(zhǔn)化)

表7骨架節(jié)點(diǎn)數(shù)(采用ROI面積標(biāo)準(zhǔn)化)

這些結(jié)果證明，小梁結(jié)構(gòu)的評估顯示了正常和骨質(zhì)疏松的骨頭之間的顯著差異，并且在不同ROI的特定方向上取向的小梁的選擇性分析可以對近側(cè)股骨的生物力學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行結(jié)構(gòu)臨界值的評估。
例2圖像處理技術(shù)對股骨頭部、頸部以及近軸的不同區(qū)域的小梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的技術(shù)在PC機(jī)上的Matlab(The Math Works，Inc.，Natick，MA)軟件中得到發(fā)展。已經(jīng)發(fā)展了下面的技術(shù)(模塊)在X射線照片中不同研究區(qū)(ROI)的小梁的密度、長度、厚度以及取向的軟件分析算法，以及對這些ROI進(jìn)行自動設(shè)置的技術(shù)。
為了進(jìn)行骨微結(jié)構(gòu)評估，在近股骨中選擇六塊研究區(qū)。這些ROI的尺寸和形狀設(shè)計為捕捉小梁密度和結(jié)構(gòu)的局部改變(參見，例如，圖9)，并且可以反映不同壓縮能力和拉伸能力的小梁的組群的特定區(qū)域。Singh等人，(1970)J Bone Joint Surg Am.1970.52457-467。由此，發(fā)展了基于為髖骨骨折預(yù)測提供高精度系數(shù)的多參數(shù)的統(tǒng)計會聚的分類圖。
例3髖骨X射線照片的骨結(jié)構(gòu)分析采用背景抑制的方法提取股骨中的小梁，本質(zhì)上如Geraets等人(1998)Bone 22165-173中所描述的那樣。圖像的一個副本采用15×15的高斯濾波器進(jìn)行模糊化，該結(jié)果代表非均勻的背景。從原始圖像中減去該背景圖像，從而得到小梁結(jié)構(gòu)的圖像。然后應(yīng)用閾值0將該圖像轉(zhuǎn)換為小梁結(jié)構(gòu)的二進(jìn)制圖像。一個最終結(jié)果的例子示于圖10。
在第二步中，在小梁骨架或中心線上對與小梁結(jié)構(gòu)的幾何形狀和連接性相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行測量。采用形態(tài)學(xué)無計劃(hit-or-miss)稀釋，例如，如Soille，“Morphologicalimage analysisprinciples and application”Springer，1998p.129-154中所述的，進(jìn)行骨架化。探測骨架網(wǎng)絡(luò)的分支點(diǎn)和端點(diǎn)，將骨架片段分類為自由端片段和點(diǎn)對點(diǎn)片段。
由二進(jìn)制化的以及骨架化的ROI，可以使用下面的一個或更多參數(shù)小梁密度；小梁面積對總ROI面積的比例；小梁周長；星形體積(Ikuta等人(2000)J Bone Miner Res.18271-277；Vesterby(1990)Bone 11149-155)；帶小梁的骨圖形因子(Hahn等人(1992)Bone 13327-330)；歐幾里得距離變換；采用傅立葉分析對小梁取向進(jìn)行評估；以及特定取向小梁的評估。另外，可以采用下面的參數(shù)對骨架化了的小梁網(wǎng)絡(luò)上的每個ROI進(jìn)行測量，總體上為所有骨架片段以及每個類型的骨架片段數(shù)；片段長度；片段取向角；以及互連指數(shù)(Legrand等人(2000)J.Bone Miner Res.1513-19)標(biāo)準(zhǔn)化了的點(diǎn)對點(diǎn)的片段的數(shù)目相對于自由端片段數(shù)目的比例。
例如，在歐幾里得距離變換中，為二進(jìn)制化了的小梁上的每一像素賦值，該值等于其距離結(jié)構(gòu)邊界的歐幾里得距離。于是，厚的小梁在中心具有更大的距離變換值，因此評估小梁厚度沿小梁骨架計算距離變換值的平均值(參見圖11)。另外，將該值乘以2就得到小梁厚度的測量結(jié)果。
類似的，支配性小梁取向可以采用2D快速傅立葉變換(FFT)來評估。在采用該變換之前在每一ROI內(nèi)選定一矩形區(qū)域，并且乘以2D Kaiser窗口(參見圖12，左)。對傅立葉量級取對數(shù)，以形成代表ROI的頻域的圖像。于是結(jié)果采用5×5的高斯濾波器濾波以減小局部誤差。一個例子的圖像示于圖12，中間。傅立葉圖像實(shí)質(zhì)上在固定的量級水平取得閾值。對該二進(jìn)制圖像進(jìn)行重新取樣為一正方形圖像以便將垂直軸和水平之的長度標(biāo)準(zhǔn)化，確定其主軸的方向和長度(圖12，右)。測量相對于股骨頸部和軸部的軸的角度。該軸由裝配線確定為二進(jìn)制化的股骨的中心線的兩個最長片段(也參見圖14)。對ROI定位，這樣其包含了每個均能被特定方向特征化的近側(cè)股骨中的不同壓縮能力和拉伸能力的小梁的組群。上面解釋的為了那些在每個ROI中沿期盼為特殊的ROI的特性方向取向的小梁，評估不同量化結(jié)構(gòu)參數(shù)的全自動技術(shù)已經(jīng)得到發(fā)展。
通過對應(yīng)于骨架點(diǎn)的線的梯度，可以找到每個小梁骨架片段的取向?；谠撊∠蛐畔?，為了一個特殊的ROI，在結(jié)構(gòu)參數(shù)的評估中僅有那些近似于沿特性方向取向的小梁被考慮到。
例4多維分類例3描述了通過測量對近側(cè)股骨的不同區(qū)域的小梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估的多個參數(shù)。在本例中，在每一斷面上將不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)相結(jié)合，在整個研究區(qū)上確定一個單一系數(shù)。
根據(jù)先前的DXA結(jié)果，將一組對象的髖骨X射線圖像的一個追蹤組分成兩類“骨質(zhì)疏松”和“非骨質(zhì)疏松”。然后，對追蹤組中的所有X射線照片，為如例3中所描述的那樣設(shè)置的所有研究區(qū)計算例3中列出的參數(shù)，對于追蹤組I＝{Ii}，i＝1，...，n得到一組m維原型特征向量fi＝(fi1，...，fim)T。
為每一參數(shù)計算單一的標(biāo)量參數(shù)。所有的參數(shù)值結(jié)合到一個n維的特征向量。在一個步驟中，從絕經(jīng)期前、絕經(jīng)期后健康的以及絕經(jīng)期后骨質(zhì)疏松的對象的臨床確認(rèn)研究中對系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)追蹤。該對象組群優(yōu)選地分成“骨折”和“非骨折”類。從X射線圖像中計算得到的特征向量用作原型圖形。
在計算原型圖形的同時根據(jù)X射線照片為每個患者計算特征向量，并且如果最接近于原型圖形的多數(shù)屬于類C，那么個體患者分類為類C?；颊叩奶卣飨蛄縡＝(f1，f2，...，fn)T與原型圖形p＝(p1，p2，...，pn)T之間的距離d由歐幾里得標(biāo)準(zhǔn)L2定義d(f,p)=L2(f,p)=Σi=1n(fi-pi)2]]>優(yōu)選的，還確定不同參數(shù)的優(yōu)化尺度。然而，對于某些參數(shù)，類之間的系數(shù)值的差比對其他的要小。同樣，確定最佳值k。增大k以期改進(jìn)分類的精度，但是，其必須比每個類中的原型的數(shù)量小。確定分類的最接近的原型圖形的多數(shù)k的準(zhǔn)確百分比值提供了分類可靠性的測量。來自一特殊類C的原型圖形的百分比越高，由分類提供的信息就越有意義。
采用股骨位置研究(參見例8)中的0°中間位置圖形和活體可再現(xiàn)性研究中的短期基線髖骨X射線照片進(jìn)行一系列除一(leave-one-out)實(shí)驗(yàn)，使這一分類方法得到驗(yàn)證。在這些實(shí)驗(yàn)中，優(yōu)選的將每一對象作為一個測試實(shí)例一次。系統(tǒng)的追蹤組構(gòu)成為所有或大部分剩余的對象構(gòu)成的圖形。采用該追蹤組對測試實(shí)例進(jìn)行正確的分類，并且確定骨結(jié)構(gòu)參數(shù)的結(jié)合的診斷敏感性和專一性。
除了上述的測量(其為“小梁長度”、“小梁方向和各向異性”以及“小梁厚度”參數(shù)提供了系數(shù)值)，在過去根據(jù)X射線、CT以及MR圖像對骨密度和結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究而探索的分類系統(tǒng)中，對其他參數(shù)的額外測量有(1)平均像素密度；(2)像素密度的方差；(3)傅立葉譜線分析；(4)分形維度；(5)諸如小梁面積、小梁周長、總的小梁長度、端點(diǎn)和分支點(diǎn)數(shù)量的形態(tài)學(xué)參數(shù)，除此還可以使用骨髓的類似參數(shù)。
例5研究區(qū)(ROI)的自動布局隨著用于對帶小梁的骨結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算的一個或更多研究區(qū)(ROI)定位的技術(shù)的發(fā)展，X射線照片(例如，髖骨X射線照片)的分析會變得容易。例如，股骨的通常位置是采用在適當(dāng)?shù)幕叶戎迪聦y骨的X射線二進(jìn)制圖像進(jìn)行閾值化來定位的。在典型的髖骨X射線圖像中，股骨是從骨盆延伸出來的亮的結(jié)構(gòu)(圖13)。通過在典型股骨密度值下對數(shù)字化了的X射線圖像進(jìn)行閾值化，產(chǎn)生顯示股骨的二進(jìn)制圖像。通過在二進(jìn)制圖像上應(yīng)用形態(tài)學(xué)操作，可以將股骨干骨的相對薄的結(jié)構(gòu)提取出來。帶有直立的矩形結(jié)構(gòu)元素的形態(tài)學(xué)的大禮帽(top-hat)濾波器(從輸入中減去開口)將股骨干骨分段。在原始X射線圖像上添加了二進(jìn)制化了的股骨的輪廓的結(jié)果示于圖13。為了進(jìn)一步的處理，對該區(qū)域進(jìn)行修剪，優(yōu)選地，留下足夠的空間來包含股骨頭部。
為了對預(yù)定的ROI進(jìn)行定位，可以采用規(guī)則化的有效(active)形狀算法(Behiels等人(1999)Proceedings of the 2nd International Conference on Medical ImageComputing and Computer-Assisted Intervention-MICCAI’99，Lecture notes inComputer Science 1679128-137；Cootes(1994)Image and Vision Computing 12355-366)。通過手工描繪典型的髖骨X射線照片的追蹤組中的形狀的輪廓，創(chuàng)建一個近側(cè)股骨的通用模型，以便形成一平均形狀。然后，六個預(yù)定義的ROI包含在該模型中。該平均模型沿其中心線等軸地按比例減小80％。同樣將該變換應(yīng)用于預(yù)定的ROI上。然后，將重定比例的模型的輪廓線用作初始模板，并在輸入圖像的近側(cè)股骨內(nèi)定位。隨后，將輪廓的控制點(diǎn)從最近的中心線點(diǎn)向外擴(kuò)張。在該迭代步驟中被優(yōu)化的能量函數(shù)能夠考慮局部特征，例如梯度，密度，與平均模型的方差以及輪廓片段的曲率。圖14描繪了初始控制點(diǎn)向股骨邊緣的傳播。當(dāng)?shù)襟E完成后，計算得到變形區(qū)域的模型面積。為了模型的ROI，將該變形區(qū)域內(nèi)插到股骨模型的邊界內(nèi)。結(jié)果得到適應(yīng)于輸入圖像的ROI的新的組，但是類似于解剖學(xué)標(biāo)記的模型ROI(參見圖9)。
例6數(shù)據(jù)分析將患者選入到三個組群中的一個健康的絕經(jīng)前的(PRE)；健康的絕經(jīng)后的(POST)，以及骨質(zhì)疏松的絕經(jīng)后的(OSTEO)女性。對所有組群進(jìn)行如下研究(1)根尖周的以及犬齒的牙齒X射線圖像；(2)脊骨和(3)髖骨的定量計算層析X射線攝影；(4)脊骨和(5)髖骨的雙X射線吸收測量；(6)跟骨的單X射線吸收測量，以及(7)采用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的跟骨的超聲波測量。如果由在側(cè)面穿透X射線照片上胸和腰的脊骨的形態(tài)學(xué)改變的半定量評估確定，觀察到至少一個無損傷的椎骨骨折時，進(jìn)行骨質(zhì)疏松癥的診斷。
對每個患者組群的不同骨結(jié)構(gòu)的測量結(jié)果(參見上文)和骨礦物密度測量結(jié)果(下頜骨的BMD，椎骨QCT，髖骨QCT，椎骨DXA，髖骨DXA，跟骨SXA，跟骨超聲波)進(jìn)行計算。采用學(xué)生的t測試(t值和p值)和百分比衰減量對不同測量結(jié)果進(jìn)行比較，以反應(yīng)組間差異。每年的年齡相關(guān)的改變表現(xiàn)為在年齡為30歲的預(yù)測值的百分比改變以及PRE的分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)。還報告年齡與p值的相關(guān)性。在年齡校正邏輯回歸基礎(chǔ)上對奇數(shù)比例(對測量參數(shù)中的1SD的改變)和95％可信度限制進(jìn)行計算以測量識別能力(用于在絕經(jīng)后的骨質(zhì)疏松和正常的絕經(jīng)后組群之間)以及與測量參數(shù)相關(guān)的骨質(zhì)疏松骨折的危險性。采用年齡校正接收器操作特性(ROC)取向分析對識別能力的成對比較進(jìn)行測試。
通過會集所有對象以及使用Pearson的關(guān)聯(lián)因子(r)、評估的百分比標(biāo)準(zhǔn)誤差(CV)，以及用于測試關(guān)系有效性的p值獲得所有技術(shù)的成對比較。
為了比較測量結(jié)果的診斷能力，在正常絕經(jīng)后的女性(POST)和骨質(zhì)疏松絕經(jīng)后的女性(OSTEO)進(jìn)行κ分值(score)分析。這可以通過對來自絕經(jīng)后組群的每位女性進(jìn)行分類，如果她的T分值與參考組群(PRE)相比小(又或結(jié)構(gòu)參數(shù)大于)2.5以上，則分類為骨質(zhì)疏松的。將每位個體的女性的T分值和特定的測量結(jié)果定義為測量結(jié)果減去年輕正常者(PRE)的平均測量結(jié)果除以PRE組群中的測量結(jié)果的SD。注意，T分值個體女性在PRE組群中的位置，其不同于學(xué)生的t分值。
例7骨結(jié)構(gòu)的縱向監(jiān)測發(fā)展了使在時間點(diǎn)T2獲得的作為重復(fù)的牙齒X射線照片與在更早的時間點(diǎn)T1獲得的基線X射線照片相匹配的算法和軟件。為了監(jiān)測治療反應(yīng)，必須在不同時間點(diǎn)在下頜骨的同一位置對骨結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行測量。因此，為了補(bǔ)償患者定位時的差值，并且為了找到為在基線與重復(fù)檢查之間進(jìn)行結(jié)果的比較的研究區(qū)(ROI’s)，需要對兩X射線圖像作記錄。
由于在兩被記錄的圖像中X射線光束投射到膠片上的角度可能有輕微的差別，優(yōu)選包括一彈性匹配步驟。然而，第一步，是球形仿射變換，由此其共有信息用作一成本函數(shù)。Wells等人(1996)Medical Image Analysis 135-51。兩圖像M和N的共有信息IM,N定義為IM,N=Σ(m,n)PMN(m,n)log(pMN(m,n)pM(m)pN(n))]]>此處，在兩圖像中產(chǎn)生的灰度值作為隨機(jī)變量，而共有信息提供了這些變量之間的依賴關(guān)系的強(qiáng)度測量。pM和pN分別為M和N的分布，pMN為M和N的聯(lián)合分布。Maintz等人(1998)SPIE Medical Imaging-Image Processing。這些分布可以與邊緣和連接的灰度值直方圖近似，采用Parzen窗口函數(shù)可以使之更加精確。Powell的方法可以用于尋找N與M相匹配的最佳仿射變換的最優(yōu)化圖表。Press等人(“Numerical Recipes in C.”2nd edition，1992，Cambridge University Press)。
該全局變換之后是局部彈性校正以改進(jìn)匹配。為了達(dá)到該目的，根據(jù)全局地記錄了的圖像的連接直方圖可以評估條件概率密度p(n|m)。然后確定該變換矢量場t(x)，以便通過使對應(yīng)的局部灰度值最大化，而使N(x-t(x))盡可能地近似于M(x)，其當(dāng)x為一固定值時定義為cx(t)＝∫w(x′-x)p(N(x′-t)|M(x′))dx′。
此處，w是窗口函數(shù)，其寬度決定了用于計算t(x)的區(qū)域的尺寸。為了確定窗口函數(shù)，使用了一種類似于Warfield等人“Brain Warping”1999，Academic Press，p67-84中描述的方法。多個連續(xù)的更寬的窗口函數(shù)wi結(jié)合到單一的窗口w=ΣiWiwi,]]>其中權(quán)Wi為Wi=1Σidet(Qi)det(Qi),]]>其中Qi＝∫wi(x′-x)N(x′)NT(x′)dx′。
在對特定患者的基線圖像進(jìn)行自動排列之后，ROI的準(zhǔn)確位置保留在數(shù)據(jù)庫內(nèi)。當(dāng)患者返回進(jìn)行重復(fù)檢查時，用基線圖像對新的圖像進(jìn)行記錄，并由此轉(zhuǎn)換為基線圖像的坐標(biāo)系統(tǒng)。然后，在已記錄的重復(fù)X射線照片中的骨結(jié)構(gòu)就可以在相對于基線圖像完全相同的位置進(jìn)行測量。
例8骨結(jié)構(gòu)測量中股骨定位的影響在骨結(jié)構(gòu)評估的每個參數(shù)中，檢查股骨定位的影響。從正常絕經(jīng)后女性和帶有骨質(zhì)疏松癥的絕經(jīng)后女性中在中間位置以及向內(nèi)和向外以不同角度旋轉(zhuǎn)的位置獲得髖骨X射線照片。
當(dāng)在側(cè)面穿透X射線照片中，胸和腰脊骨的形態(tài)學(xué)改變的半定量評估確定觀察到至少一個無損傷的椎骨骨折時，進(jìn)行骨質(zhì)疏松癥的診斷。也參見Genant等人(1993)J.BoneMiner Res.81137-1148。
采用末端30℃向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，15℃向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，0°，15℃向外旋轉(zhuǎn)以及30℃向外旋轉(zhuǎn)獲取標(biāo)準(zhǔn)前后髖骨的X射線照片。這些角度通過將腳和踝相對股骨向內(nèi)或向外旋轉(zhuǎn)，靠在一30°或15°的楔塊上放置來實(shí)現(xiàn)。采用Velcro皮帶將腳牢固地靠在楔塊上。
通過計算每個個體對象在0°位置和其他位置之間的結(jié)果之間的差異(CV％)的成對系數(shù)，對定位的影響進(jìn)行評估。對每個30°角向內(nèi)旋轉(zhuǎn)、15°角向內(nèi)旋轉(zhuǎn)、15°角向外旋轉(zhuǎn)以及30°角向外旋轉(zhuǎn)，角度依賴性表現(xiàn)為所有對象的這些CV％值的均方根。通常，選擇股骨的角度定位具有最低依賴性的參數(shù)。
如果0°中間位置和15°向內(nèi)或向外旋轉(zhuǎn)位置的結(jié)果之間的變化的成對系數(shù)超過所測量的大部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)10％，可以采用將患者的腳固定在中間位置的腳固定器。該腳固定器設(shè)計成具有從中間到末端大腿直到腳后跟延伸的基板?；鍍?yōu)選位于X射線工作臺上?；颊叩哪_定位成使腳后跟的后側(cè)位于基板頂部。腳的中部靠著以90°角堅(jiān)固地固定到基板上的中間導(dǎo)引放置。然后，將采用滑動機(jī)械的以90°角固定到基板的側(cè)面導(dǎo)引向腳的側(cè)面移動，并且一旦其接觸到腳的側(cè)面就在該位置鎖定。采用Velcro皮帶將腳牢固地固定到中間和側(cè)面導(dǎo)引。采用這種方法以期將無意識的向內(nèi)或向外旋轉(zhuǎn)限制在小于5°。
例9骨結(jié)構(gòu)測量中X射線管所成角度的影響檢查骨結(jié)構(gòu)評估的每個參數(shù)中X射線管的定位的影響。從正常絕經(jīng)后女性和具有骨質(zhì)疏松癥的絕經(jīng)后女性中獲取牙齒的X射線照片。當(dāng)在側(cè)面穿透X射線照片中，胸和腰脊骨的形態(tài)學(xué)改變的半定量評估確定觀察到至少一個無損傷的椎骨骨折時，進(jìn)行骨質(zhì)疏松癥的診斷。也參見Genant等人(1993)J.Bone Miner Res.81137-1148。
從下頜骨的門牙區(qū)域獲取標(biāo)準(zhǔn)的前后牙齒X射線照片。X射線管相對于牙齒的X射線膠片成0°，10°，20°，30°以及-10°，-20°，和-30°角度排列。這些角度采用角度計來獲得，該角度計應(yīng)用到放置在牙齒的X射線管前的金屬管上。牙齒的X射線膠片放在門牙區(qū)域的后下頜骨壁處。
通過對每一個體對象的0°位置和其他管位置的結(jié)果之間的差異(CV％)的成對系數(shù)進(jìn)行計算，評估定位的影響。角度依賴性表現(xiàn)為對每個角度所有對象的這些CV％值的均方根。
結(jié)果顯示10度的管形成角度能夠?qū)е略诒碛^密度上的12％的誤差。
于是，機(jī)械對準(zhǔn)系統(tǒng)可以用于Rinn固定器。為了達(dá)到這一目的，將一延伸管固定的Rinn固定器上。延伸管設(shè)計成其內(nèi)徑比牙齒的X射線系統(tǒng)金屬管的外徑稍大(并且套上)(圖15)。然后將牙齒的X射線金屬管插入到固定到Rinn固定器的延伸管內(nèi)，該Rinn固定器減小了X射線管相對于X射線膠片的對準(zhǔn)誤差。然后使一組患者經(jīng)歷兩次每個門牙區(qū)域的X射線照相。結(jié)果顯示隨著機(jī)械對準(zhǔn)系統(tǒng)的使用，減小了X射線管相對于牙齒膠片和下頜骨內(nèi)的解剖學(xué)標(biāo)志所成的角度，牙齒的骨密度和骨結(jié)構(gòu)測量的短期活體內(nèi)可再現(xiàn)性誤差隨之減小。
例10骨結(jié)構(gòu)的測量和選擇治療方法采用能夠?qū)墙Y(jié)構(gòu)進(jìn)行評估的計算機(jī)程序可以對下頜骨或下頜骨或髖骨或脊骨或其他骨骼的X射線圖像進(jìn)行分析，例如，如上所述。計算機(jī)程序推導(dǎo)出帶小梁的骨頭的一個或更多結(jié)構(gòu)參數(shù)的測量。將結(jié)構(gòu)參數(shù)的測量與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，該數(shù)據(jù)庫包含正常、健康的通過年齡、性別和種族匹配進(jìn)行管理的一個或更多結(jié)構(gòu)參數(shù)的信息。如果患者的骨結(jié)構(gòu)的測量與年齡、性別和正常的種族匹配、健康的對象的平均值相差2個標(biāo)準(zhǔn)偏差以上，那么將給醫(yī)生發(fā)送報告，醫(yī)生根據(jù)骨結(jié)構(gòu)的測量結(jié)果選擇一種治療方法。
例11骨結(jié)構(gòu)的測量和監(jiān)測治療方法在兩個不同的時間點(diǎn)T1和T2，從正在進(jìn)行骨質(zhì)疏松癥治療，例如采用合成代謝或防再吸收藥物，的患者處獲取一個或更多的X射線圖像(下頜骨，髖骨或脊骨或其他骨頭)。采用能夠評估骨結(jié)構(gòu)的計算機(jī)程序分析X射線照片。計算機(jī)程序?yàn)閮蓚€時間點(diǎn)T1和T2推導(dǎo)出帶小梁的骨頭的一個或更多結(jié)構(gòu)參數(shù)。在T1和T2的結(jié)構(gòu)參數(shù)的測量與數(shù)據(jù)庫的每個時間點(diǎn)相比較，該數(shù)據(jù)庫包括正常的、健康的通過年齡、性別和種族匹配進(jìn)行管理的一個或更多結(jié)構(gòu)參數(shù)的信息。如果結(jié)果顯示，盡管進(jìn)行治療，但是患者在時間點(diǎn)T1和T2之間仍然損失了5％或更多的骨質(zhì)，醫(yī)生將選擇不同的，更強(qiáng)效的治療方法。
權(quán)利要求
1.一種從圖像推導(dǎo)骨結(jié)構(gòu)信息的方法，包括(a)從一對象獲取圖像；(b)對從步驟(a)中獲取的圖像進(jìn)行分析，推導(dǎo)骨結(jié)構(gòu)的定量信息；以及(c)將從圖像獲取的信息與從多個選定對象獲取的骨結(jié)果測量數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(a)至(c)對對象的骨疾病的存在性或嚴(yán)重性進(jìn)行評估。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于該圖像是X射線圖像。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于該圖像是電子圖像。
5.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于該圖像包括一外部標(biāo)準(zhǔn)。
6.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于該多個選定的對象為正常對象。
7.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于該多個選定的對象為骨質(zhì)疏松癥對象。
8.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述數(shù)據(jù)庫還包括人口統(tǒng)計學(xué)數(shù)據(jù)和對象骨結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。
9.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述多個對象在年齡、性別和種族上與所述一對象相匹配。
10.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于骨結(jié)構(gòu)信息從小梁厚度、小梁間距、小梁連接性、小梁間的二維或三維空間、小梁網(wǎng)絡(luò)的二維或三維間架結(jié)構(gòu)構(gòu)成的組中選定。
11.如權(quán)利要求1或2所述的方法，還包括對所述X射線圖像中的一個或多個研究區(qū)(ROI)定位。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述ROI采用規(guī)則活性形狀算法進(jìn)行定位。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于ROI自動進(jìn)行定位。
14.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于步驟(b)包括采用從小梁密度、小梁周長、星形體積、小梁骨圖形因子、小梁厚度、小梁取向、特定取向小梁評估、小梁連接性及其組合構(gòu)成的組中選定的一個或多個系數(shù)對從步驟(a)中獲取的圖像進(jìn)行分析，由此推導(dǎo)得到骨結(jié)構(gòu)的定量信息。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于至少一個系數(shù)為小梁密度，并且其中所述密度為小梁面積相對于總面積的比。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于至少一個系數(shù)是采用傅立葉分析確定的特定取向的小梁評估。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于至少一個系數(shù)是采用歐幾里德距離變換確定的小梁厚度。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于至少一個系數(shù)是采用2D快速傅立葉變換(FFT)確定的小梁取向。
19.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于至少一個系數(shù)是采用節(jié)點(diǎn)數(shù)確定的小梁連接性。
20.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于對兩個或更多系數(shù)進(jìn)行分析。
21.一種對對象的骨病癥進(jìn)行診斷的方法，該方法包括基于如權(quán)利要求1或2所述的方法的圖像對信息進(jìn)行分析，其特征在于如果分析顯示所述從對象獲取的骨結(jié)構(gòu)信息與從正常管理對象獲取的不同，則診斷出骨病癥。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于骨病癥是骨質(zhì)疏松癥。
23.一種對骨病癥進(jìn)行治療的方法，包括(a)從一對象獲取圖像；(b)對從步驟(a)獲取的圖像進(jìn)行分析，以推導(dǎo)得到骨結(jié)構(gòu)的定量信息；(c)根據(jù)步驟(b)的分析對骨病癥進(jìn)行診斷；以及(d)根據(jù)診斷結(jié)果為所述對象選擇并實(shí)施一種合適的治療方法。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，還包括將該信息與從選定的對象處獲取的骨結(jié)構(gòu)測量的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較的步驟。
25.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于治療包括使用一種或多種防再吸收劑。
26.如權(quán)利要求23或25所述的方法，其特征在于包括使用一種或多種合成代謝劑。
27.一種根據(jù)X射線圖像確定骨礦物密度的方法，該方法包括步驟(a)在所述圖像中確定一個或更多內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)的密度；(b)在從步驟(a)獲取的值之間創(chuàng)建一個加權(quán)平均值；(c)利用所述加權(quán)平均值確定所述圖像中的骨的骨礦物密度。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于該內(nèi)部參考從空氣、脂肪、水、金屬及其組合構(gòu)成的組中選擇。
29.一種根據(jù)X射線圖像確定骨結(jié)構(gòu)的方法，包括步驟(a)在所述X射線圖像上識別一個或多個內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)；(b)確定所述標(biāo)準(zhǔn)的骨密度或骨結(jié)構(gòu)；以及(c)利用所述標(biāo)準(zhǔn)的密度、結(jié)構(gòu)或其結(jié)合確定X射線圖像的骨結(jié)構(gòu)。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于所述內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)從牙齒、牙齒的一部分、空氣、皮下脂肪以及肌肉構(gòu)成的組中選擇。
31.一種對對象的骨疾病進(jìn)行評估的方法，該方法包括步驟(a)從所述對象獲取圖像，其中所述圖像包括一塊或更多塊骨；(b)對所述圖像的至少一個解剖學(xué)區(qū)域進(jìn)行骨礦物密度進(jìn)行評估；(c)對所述區(qū)域的骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估；以及(d)結(jié)合骨礦物密度和骨結(jié)構(gòu)的評估對骨疾病進(jìn)行評估。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于所述骨疾病包括骨折的危險性或骨質(zhì)疏松骨折的危險性。
33.如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于所述評估包括診斷骨疾病。
34.如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于所述評估包括對骨疾病的發(fā)展進(jìn)行監(jiān)測。
35.如權(quán)利要求31所述的方法，還包括根據(jù)骨疾病的評估選擇一種治療方法，并且對所述對象實(shí)施所述治療方法。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其特征在于所述評估包括在實(shí)施所述選定的治療方法之后對骨疾病的發(fā)展進(jìn)行監(jiān)測。
37.如權(quán)利要求31所述的方法，還包括對所述圖像中的一個或更多宏觀解剖學(xué)參數(shù)進(jìn)行評估以及將所述骨礦物密度、骨結(jié)構(gòu)和宏觀解剖學(xué)參數(shù)結(jié)合起來對骨疾病進(jìn)行診斷的步驟。
38.一種治療對象的骨疾病的方法，該方法包括步驟(a)基于權(quán)利要求31對對象的骨疾病進(jìn)行評估；(b)根據(jù)骨疾病的評估選擇一個治療方法，以及(c)對對象實(shí)施所述治療方法。
39.如權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于重復(fù)步驟(a)和(b)。
40.如權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于重復(fù)步驟(a)至(c)。
41.一種對對象的骨疾病進(jìn)行評估的方法，該方法包括步驟(a)獲取所述對象的圖像，其中所述圖像包括一塊或多塊骨；(b)在所述圖像中的所述骨的骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估；(c)對所述圖像中的一個或多個宏觀解剖學(xué)參數(shù)進(jìn)行評估；以及(d)將骨結(jié)構(gòu)和宏觀解剖學(xué)參數(shù)的評估結(jié)合起來以對骨疾病進(jìn)行評估。
42.如權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于所述骨疾病包括骨折的危險性。
43.如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于所述骨折為骨質(zhì)疏松骨折。
44.如權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于所述評估包括對骨疾病進(jìn)行診斷。
45.如權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于所述評估包括對骨疾病的發(fā)展進(jìn)行監(jiān)測。
46.如權(quán)利要求45所述的方法，其特征在于監(jiān)測包括在兩個或更多時間點(diǎn)重復(fù)步驟(a)至(d)。
47.如權(quán)利要求41所述的方法，還包括根據(jù)骨疾病的評估選擇一種治療方法，并對所述對象實(shí)施所述治療方法。
48.如權(quán)利要求47所述的方法，其特征在于所述評估包擴(kuò)在實(shí)施所述選定的治療方法之后對骨疾病的發(fā)展進(jìn)行監(jiān)測。
49.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于骨疾病是骨質(zhì)疏松癥或折斷危險性。
50.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在獲取圖像之前將定位裝置應(yīng)用到對象身體的一部分或末端。
51.如權(quán)利要求50所述的方法，其特征在于所述定位裝置包括一腳固定器。
52.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括步驟獲取一圖像，該圖像并不包含對象的身體的一部分而是包含第一標(biāo)準(zhǔn)模；將第一標(biāo)準(zhǔn)模型的表觀密度與第二標(biāo)準(zhǔn)模型的表觀密度進(jìn)行校正。
53.如權(quán)利要求52所述的方法，其特征在于從對象獲取的圖像包含所述第二標(biāo)準(zhǔn)模型。
54.如權(quán)利要求52所述的方法，其特征在于所述第一標(biāo)準(zhǔn)模型用于對不同位置進(jìn)行比較。
55.一種使X射線管的形成角度最小化的方法，該X射線管包含一X射線膠片固定器，包括步驟提供一固定機(jī)構(gòu)；以及將X射線系統(tǒng)固定到X射線膠片以便使管所成角度最小化。
56.如權(quán)利要求55所述的方法，其特征在于所述X射線膠片固定器包括一Rinn裝置。
57.如權(quán)利要求55所述的方法，其特征在于所述固定機(jī)構(gòu)是機(jī)械的。
58.如權(quán)利要求55所述的方法，其特征在于所述固定機(jī)構(gòu)是電磁的。
59.如權(quán)利要求55所述的方法，其特征在于所述固定機(jī)構(gòu)采用Velcro或和粘合劑。
60.一種使X射線管的形成角度最小化的方法，該X射線管包含一牙齒的X射線膠片固定器，包括步驟提供一X射線管排列系統(tǒng)；以及是X射線系統(tǒng)與X射線膠片實(shí)質(zhì)上垂直排列以便管的形成角度最小化，其中所述排列系統(tǒng)采用一個或更多光學(xué)輔助手段。
61.如權(quán)利要求60所述的方法，其特征在于所述光學(xué)輔助手段包括一個或更多等級。
62.如權(quán)利要求60所述的方法，其特征在于所述光學(xué)輔助手段包括一個或更多交叉瞄準(zhǔn)線。
63.如權(quán)利要求60所述的方法，其特征在于所述光學(xué)輔助手段包括一個或更多光點(diǎn)或光面。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于分析X射線圖像的方法和裝置。特別是，提供可以用于根據(jù)X射線圖像對骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確可靠的評估的裝置、方法和算法。
文檔編號A61B6/14GK1682236SQ03822273
公開日2005年10月12日 申請日期2003年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月20日
發(fā)明者菲利普·蘭, 丹尼爾·斯泰尼斯 申請人:成像治療儀股份有限公司