一种基于移动最小二乘算法的双能X射线骨密度检测方法技术

本发明专利技术请求保护一种基于移动最小二乘算法的双能X射线骨密度检测方法，包括以下步骤：获取模体在光子计数探测器的高能、低能X射线下的探测数据，并进行去噪在内的预处理；以及获取高能、低能X射线的入射能量；计算得到高低能衰减值；按照模体厚度进行网格划分；确定移动最小二乘算法的权函数后，在每个网格内，以目标节点为中心划分影响域半径，在空间域内，对每个高低能衰减值数据点进行遍历，在影响域内设置变化步长；采用最小二乘算法得到最终的拟合关系，得到模体厚度

【技术实现步骤摘要】
一种基于移动最小二乘算法的双能X射线骨密度检测方法


[0001]本专利技术属于及医疗器械
，具体涉及应用双能X
‑
射线骨密度测量领域。

技术介绍

[0002]骨质疏松疾病是世界六种多发疾病之一。但该疾病在早期无明显症状，并不会引起人们的重视，所以如何预防和诊断骨质疏松疾病十分重要。骨密度测量是目前用来评价骨质流失，诊断骨质疏松疾病的重要方法。人体的骨骼是由致密的皮质骨和骨髓腔内许多类似海绵状的的松质骨构成，其主要成分是羟基磷灰石，主要是以钙和磷元素存在。骨质疏松疾病就是钙、磷元素的流失，导致骨矿物质含量下降，医学上测量骨密度的主要就是羟基磷灰石的密度。
[0003]双能X射线吸收法是目前世界卫生组织认证最有效测量骨密度的方法，主要是由X射线球管通过开关脉冲法或K边缘过滤法产生两种不同能量的X射线，穿过等效人体骨骼和软组织的模体后发生衰减，再由探测器接收衰减后的光子能量，通过计算机及相关ASIC集成电路和算法得到骨密度与模体厚度之间对应关系再由屏幕显示ROI区域的骨密度。双能X射线吸收法具有扫描速度快，精度高，辐射低，可以测量人体脊椎，股骨，腰椎等全身骨骼范围，具有较高的准确度和精确度。
[0004]双能X射线骨密度诊断系统通过探测器采集衰减的光子能量后，需要进一步用算法处理X射线衰减能量与骨骼、软组织的厚度数据，以进行后续的骨密度信息分析与诊断。传统的骨密度算法主要有查找表法、多项式拟合法。查找表法是将高低能衰减值与不同骨骼厚度一一对应，通过扫描骨骼与软组织模体得到的X射线衰减能量，根据对应表格找到相关厚度值。多项式拟合法是结合物质分解算法和X射线的衰减公式来进一步推导，运用泰勒公式展开，设置变化步长，对其进行一阶求导，找到目标函数的最小值。根据步长变化，得到新的目标函数，继续对其一阶求导，重复上述步骤，直至所有的离散数据点都遍历结束。即可得到高低能衰减值与物体厚度的关系。
[0005]双能X射线的骨密度诊断系统的常用传统算法，如查找表法是通过建立一个数据库，将采集到的X射线高低能衰减值与不同厚度骨骼，软组织相互对应，在测量骨密度时，根据X射线衰减值找到对应厚度，再进行厚度
‑
骨密度的线性转换，即可获得对应部位的骨密度值。该方法的运行时间较长，需要较大数据内存。多项式拟合法通过二次或三次多项式进行近似表达，计算过程使用梯度法或牛顿迭代法求值，该方法应对噪声，探测器像素不均匀性具有不稳定性。多项式拟合计算量大，且计算过程繁琐，对拟合系数要求较高，否则拟合曲面难以达到最佳而容易增加误差。
[0006]基于光子计数探测器的双能X射线骨密度仪是采用碲锌镉晶体的光子计数探测器，光子计数探测器在理想情况下，能够充分利用X射线能谱信息，有效提高图像质量，获取物质成分信息，增强软组织对比度，但是由于制作工艺不成熟，光子计数探测器在模块边缘容易出现坏点，以及像素单元之间存在不均匀性，容易相互影响，探测器像素单元之间不均匀性对传统算法误差影响大。
[0007]移动最小二乘算法最常应用于力学、遥感地理中。基于传统的骨密度算法，为提高骨密度拟合精度，研究人员加强对系统校正和校正模体材料的研究。光子计数探测器的像素不均匀性对传统骨密度算法误差影响较大，移动最小二乘算法旨在解决光子计数探测器的边缘不均匀性并以其特有的紧支性实现更好的拟合以及校正。移动最小二乘法在二维散点拟合具有出色的表现，骨密度测量涉及三维数据，需在公式中设置两个自变量并确定权函数后使得数值计算过程的矩阵为非奇异矩阵，即矩阵可逆才能在三维空间成功拟合。

技术实现思路

[0008]本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于移动最小二乘算法的双能X射线骨密度检测方法。本专利技术的技术方案如下：
[0009]一种基于移动最小二乘算法的双能X射线骨密度检测方法，其包括以下步骤：
[0010]获取模体在光子计数探测器的高能、低能X射线下的探测数据，并进行去噪在内的预处理；以及获取高能、低能X射线的入射能量；
[0011]根据经过预处理的探测数据和入射能量计算得到高低能衰减值；
[0012]在离散的高低能衰减值数据点上，按照模体厚度进行网格划分；
[0013]确定移动最小二乘算法的权函数后，在每个网格内，以目标节点为中心划分影响域半径，在空间域内，对每个高低能衰减值的数据点进行遍历，在影响域内设置变化步长；
[0014]采用移动最小二乘算法得到最终的拟合关系，当所有的节点遍历结束后，得到模体厚度
‑
高低能衰减值拟合曲面；
[0015]确定需要测量的骨密度ROI区域，光子计数探测器扫描待测部位得到X射线衰减值，计算得到对应的模体厚度，再进行一次线性变换，模体厚度与模体密度的乘积就是对应部位的骨密度值。
[0016]进一步的，所述根据经过预处理的探测数据和入射能量计算得到高低能衰减值，具体包括：
[0017]通过公式(1)，(2)分别得到高低能下的X射线衰减值，I
H
、I
L
分别代表高能、低能X射线在放置模体下的探测器采集数据，I
OH
、I
OL
分别代表高能、低能X射线的入射能量，y
H
、y
L
分别指代高能、低能条件下X射线的光子能量的衰减程度；
[0018][0019][0020]进一步的，所述移动最小二乘法的权函数的类型有高斯权函数、三次样条权函数及双插值权函数，经实验证明，高斯权函数拟合效果最佳。
[0021]进一步的，所述移动最小二乘算法的表达式如(3)所示，其中α(x)为系数向量矩阵，P(x)为基函数向量，i代表实际数据点，f(x)为拟合函数，对(3)式求解范数得到公式(4)，w(x)为权函数，x是目标节点，x
i
为其他离散数据点，J表示对(3)式取范数，y
I
为实际数据点，为求解得到其最小值，公式(4)对α(x)求偏导得到(5)；
[0022][0023][0024][0025]将公式(5)中的矩阵A、B展开，(6)、(7)可以看出，两个矩阵是基函数与权函数构成的系数矩阵；
[0026]A(x)＝P
T
W(x)P
ꢀꢀ
(6)
[0027]B(x)＝P
T
W(x)
ꢀꢀ
(7)
[0028]y
T
＝[y1,y2,...,y
n
]ꢀꢀ
(8)
[0029]W(x)为权函数、P代表基函数、y
n
代表实际X射线衰减值。
[0030]基函数为K阶多项式，将其展开如(9)所示，权函数为对角矩阵，其表达式由(10)所示，将公式(5)进行变形，带入公式(3)最终得到移动最小二乘的标准式为(11)；
[0031][0032][0033]f(x)＝p
T
A
‑1(x)B(x)y...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于移动最小二乘算法的双能X射线骨密度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：获取模体在光子计数探测器的高能、低能X射线下的探测数据，并进行去噪在内的预处理；以及获取高能、低能X射线的入射能量；根据经过预处理的探测数据和入射能量计算得到高低能衰减值；在离散的高低能衰减值数据点上，按照模体厚度进行网格划分；确定移动最小二乘算法的权函数后，在每个网格内，以目标节点为中心划分影响域半径，在空间域内，对每个高低能衰减值的数据点进行遍历，在影响域内设置变化步长；采用移动最小二乘算法得到最终的拟合关系，当所有的节点遍历结束后，得到模体厚度
‑
高低能衰减值拟合曲面；确定需要测量的骨密度ROI区域，光子计数探测器采集待测部位的X射线衰减值，计算得到对应的模体厚度，再进行一次线性变换，模体厚度与模体密度的乘积就是对应部位的骨密度值。2.根据权利要求1所述的一种基于移动最小二乘算法的双能X射线骨密度检测方法，其特征在于，所述根据经过预处理的探测数据和入射能量计算得到高低能衰减值，具体包括：通过公式(1)，(2)分别得到高低能下的X射线衰减值，I
H
、I
L
分别代表高能、低能X射线在放置模体下的探测器采集数据，I
OH
、I
OL
分别代表高能、低能X射线的入射能量，y
H
、y
L
分别指代高能、低能条件下X射线的光子能量的衰减程度；代高能、低能条件下X射线的光子能量的衰减程度；3.根据权利要求1所述的一种基于移动最小二乘算法的双能X射线骨密度检测方法，其特征在于，所述移动最小二乘法的权函数的类型有高斯权函数、三次样条权函数及双插值权函数，经仿真拟合及实际测试实验证明，高斯权函数拟合效果最佳。4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于移动最小二乘算法的双能X射线骨密度检测方法，其特征在于，所述移动最小二乘算法的表达式如(3)所示，其中α(x)为系数向量矩阵，P(x)为基函数向量，i代表实际数据点，f(x)为拟合函数，对(3)式求解范数得到公式(4)，w(x)为权函数，x是目标节点，x
i
为其他离散数据点，J表示对(3)式取范数，y
I
为实际数据点，为求解得到其最小值，公式(4)对α(x)求偏导得到(5)；为求解得到其最小值，公式(4)对α(x)求偏导得到(5)；为求解得到其最小值，公式(4)对α(x)求偏导得到(5)；将公式(5)中的矩阵A、B展开，(6)、(7)可以看出，两个矩阵是基函数与权函数构成的系数矩阵；
A(x)＝P
T
W(x)P
ꢀꢀ
(6)B(x)＝P
T
W(x)
ꢀꢀ
(7)y
T
＝[y1,y2,...,y
n
]
ꢀꢀ
(8)W(x)为权函数、P代表基函数、y
n
代表实际X射线衰减值。基函数为K阶多项式，将其展开如(9)所示，权函数为对角矩阵，其表达式由(10)所示，将公式(5)进行变形，带入公式(3)最终得到移动最小二乘的标准式为(11)；将公式(5)进行变形，带入公式(3)最终得到移动最小二乘的标准式为(11)；f(x)＝p
T
A
‑1(x)B(x)y
ꢀꢀ
(11)p为基函数、p
m
(...

【专利技术属性】
技术研发人员：黎淼，王巍，樊琦，赵汝法，霍军，袁军，
申请(专利权)人：重庆中易智芯科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：