[发明专利]利用CBCT能谱成像获取物质成分的方法

权利要求书

1.一种利用CBCT能谱成像获取物质成分的方法，其特征在于：所述利用CBCT能谱成像获取物质成分的方法的步骤如下：

(1)建立基材料系数投影的求解模型

诊断成像用的是kV级x射线，能量为E的单色x射线穿过物质后的衰减可用两种基材料(物质A和物质B)的线性衰减系数的线性函数表示，如(1)式所示：

ln(I/I₀)＝-μ_A(E)gx_A-μ_B(E)gx_B(1)

其中，I₀为入射射线的强度，I为出射射线的强度；x_A和x_B分别是两种物质A和B的等效厚度，称为基材料系数，单位为mm；μ_A(E)和μ_B(E)分别为两种物质A和B在能量为E的x射线下的线性衰减系数，单位为mm^-1；

若采用两种能量的单色x射线(高能：EH，低能：EL)扫描，表达式可为：

ln(I_H/I_0H)＝-μ_A(E_H)gx_A-μ_B(E_H)gx_B

ln(I_L/I_0L)＝-μ_A(E_L)gx_A-μ_B(E_L)gx_B (2)

而x线能谱一般为多色谱(非单色的)，对于高能x线光谱S_H(E)和低能x线光谱S_L(E)式(2)需要改写为：

ln(I_H/I_0H)＝∫S_H(E)g[-μ_A(E)gx_A-μ_B(E)gx_B]dE

ln(I_L/I_0L)＝∫S_L(E)g[-μ_A(E)gx_A-μ_B(E)gx_B]dE (3)

对于式(3)求解x_A和x_B，可以近似用下式(4)表示：

$x_A=\frac{a_0+a_{1}L+a_{2}H+a_3{L}^2+a_{4}LH+a_5{H}^2}{1+b_{0}L+b_{1}H}$

$x_B=\frac{c_0+c_{1}L+c_{2}H+c_3{L}^2+c_{4}LH+c_5{H}^2}{1+d_{0}L+d_{1}H}---\left(4\right)$

其中，L＝-ln(I_L/I_0L)；H＝-ln(I_H/I_0H)。

建立基材料投影的求解模型，就是确定(4)式中的参数a0，a1，a2，a3，a4，a5，b0，b1，c0，c1，c2，c3，c4，c5，d0，d1的数值，这可以根据基材料的双能成像计算得到，为了实现这一目的，需要进行以下步骤：

①选择物质A和物质B作为基材料；

②在高能S_H(E)和低能S_L(E)下，采集基材料A和B在不同厚度组合(x_A，x_B)下的双能投影图像(L，H)，得到双能投影灰度值(L，H)与基材料厚度组合(x_A，x_B)的对应关系；

③数据拟合得到参数a0，a1，a2，a3，a4，a5，b0，b1，c0，c1，c2，c3，c4，c5，d0，d1的数值，从而确定基材料系数投影的求解模型，即式(4)；

(2)计算被测物体的基材料系数xA和xB

该部分具体包括以下步骤：

①在高能S_H(E)和低能S_L(E)下，获取被测物体的双能投影图像；

②用现有技术修正散射；

③配准对应角度的双能投影图像；

④根据第一步建立的基材料系数投影的求解模型，即式(4)，计算被测物体的基材料系数xA和xB；

(3)由基材料系数xA和xB，分别计算多种能量(Ei)的单色x射线下采集的投影数据，计算公式为：

∫μ(E_i)ds＝μ_A(E_i)gx_A+μ_B(E_i)gx_B，i＝1，2，3，4，... (5)

其中，μ_A(E_i)和μ_B(E_i)分别为两种基材料A和B在能量为Ei的x射线下的线性衰减系数，可查表得到；

(4)由投影数据，三维重建得到被测物质在能量Ei的线性衰减系数μ(E_i)；

(5)分解物质的组成成分。

n材料分解法，是将检测体素视为混合物，将其分解为n种物质的合成，假设n种物质所占的体积比例分别为f₁，f₂，...f_n，则有如下关系：

f₁+f₂+...+f_n＝1 (6)

f₁μ₁(E_i)+f₂μ₂(E_i)+...+f_nμ_n(E_i)＝μ(E_i) (7)

其中μ_j(E_i)，j＝1，..n为物质n在能量Ei下的线性衰减系数，可以查表得到，为了求解f₁，f₂，...f_n，步骤三和步骤四中的i必须满足：i≥n-1，根据公式(6)-(7)优化求出n种物质的体积分数，用于组织成分的识别和量化。