本发明涉及医学数据处理，尤其涉及一种基于双层光谱ct的三物质模型的构建方法及骨密度和骨髓脂肪含量定量分析系统。
背景技术：
1、骨质疏松是老年人常见的慢性疾病，导致脆性骨折和疼痛等并发症，严重影响生活质量。近年来，骨质疏松患者逐年增加，65岁以上人群中患病率为32.0％，女性高达51.6％，男性为10.9％。全球50岁以上人群中，约33％～50％的女性和20％的男性将经历至少一次骨折。此外，40岁以上人群中，男性和女性患者椎体骨折率分别高达10.5％和9.7％。骨质疏松症骨折患者常伴有疼痛、深静脉血栓、活动受限、急性心脑血管事件及再发骨折等严重并发症，增加死亡和致残风险。此外，有研究表明，骨密度减少可能与骨质疏松患者骨髓脂肪含量增加相关。因此，骨髓脂肪含量的评估可能成为准确评估骨密度的重要临床工具。
2、骨密度在诊断骨质疏松、预测骨折风险及监控骨质疏松疗效上处于核心位置。全球范围内，双能x线骨密度测量仪(dual-energy x-ray absorptiometry,dxa)是评估骨密度(bone mineral density,bmd)最广泛使用的方法。然而，dxa测量的面积bmd(abmd，单位mg/cm2)属于二维成像，易受椎体退行性改变的影响而产生伪影。定量计算机断层扫描技术(quantitative ct,qct)是一种测量bmd的替代方法，它通过评估腰椎椎体的小梁骨体积bmd(vbmd，单位mg/cm3)克服了dxa的局限性，并且对于识别患有骨质疏松症的患者显示出优越的敏感性。但是，qct是在单一有效光子能量下测量的vbmd，并且测量的结果受骨髓脂肪含量的变化而产生测量误差。磁共振成像(magnetic resonance imaging,mri)技术利用磁场和无害的无线电波来创建详细的图像，对软组织和骨髓脂肪有良好的对比度。在骨质疏松症研究中，mri可以用于评估骨髓脂肪的分布和含量，但无法直接测量骨密度。
3、综上所述，尽管这些技术在评估骨密度和骨髓脂肪含量方面有所帮助，但它们均无法同时测量椎体的骨密度和骨髓脂肪含量。因此，需要开发一种能够同时精确定量骨密度和骨髓脂肪含量的方法，以校正骨髓脂肪对骨密度的潜在影响。
技术实现思路
1、本发明提供一种基于双层光谱ct的三物质模型的构建方法及骨密度和骨髓脂肪含量定量分析系统，用以解决现有技术无法精确地定量分析骨密度和骨髓脂肪含量的缺陷。
2、本发明提供一种基于双层光谱ct的三物质模型的构建方法，包括：
3、获取目标群体位于腰椎椎体的双层光谱ct数据，其中，目标群体包括骨质疏松患者群体和健康群体；
4、根据目标群体位于腰椎椎体的双层光谱ct数据，利用三物质分解法，得到目标群体的骨基质体积分数、黄骨髓体积分数、红骨髓体积分数，其中，黄骨髓体积分数表示骨髓脂肪含量，其中，黄骨髓体积分数表示骨髓脂肪含量；
5、根据目标群体的骨基质体积分数，得到目标群体的骨密度；
6、以目标群体位于腰椎椎体的双层光谱ct数据作为样本数据，以目标群体的骨密度、骨髓脂肪含量作为标签数据，训练得到基于双层光谱ct的三物质模型。
7、在一种实施方案中，目标群体位于腰椎椎体的双层光谱ct数据，包括通过双层光谱ct对目标群体的腰椎椎体，在能量e1和能量e2处测量得到的单能图像的hu(e1)值和hu(e2)值。
8、在一种实施方案中，所述根据目标群体位于腰椎椎体的双层光谱ct数据，利用三物质分解法，得到目标群体的骨基质体积分数、黄骨髓体积分数、红骨髓体积分数，其中，黄骨髓体积分数表示骨髓脂肪含量，包括：
9、获取目标群体在能量e1和能量e2下的水质量衰减系数、骨基质质量衰减系数、黄骨髓质量衰减系数、红骨髓质量衰减系数，将水密度、骨基质密度、黄骨髓密度、红骨髓密度设置为变量，且设置目标群体的骨基质体积分数、黄骨髓体积分数、红骨髓体积分数之和为1；
10、根据目标群体在能量e1和能量e2下的水质量衰减系数、骨基质质量衰减系数、黄骨髓质量衰减系数、红骨髓质量衰减系数，结合水密度、骨基质密度、黄骨髓密度、红骨髓密度，得到目标群体在能量e1和能量e2下的水线性衰减系数、骨基质线性衰减系数、黄骨髓线性衰减系数、红骨髓线性衰减系数；
11、根据目标群体在能量e1和能量e2处测量得到的单能图像的hu(e1)值和hu(e2)值，结合目标群体在能量e1和能量e2下的水线性衰减系数，得到目标群体在能量e1和能量e2下的线性衰减系数μ(e1)和μ(e2)；
12、根据目标群体在能量e1和能量e2下的线性衰减系数μ(e1)和μ(e2)，结合目标群体在能量e1和能量e2下的骨基质线性衰减系数、黄骨髓线性衰减系数、红骨髓线性衰减系数，得到目标群体的骨基质体积分数、黄骨髓体积分数、红骨髓体积分数。
13、在一种实施方案中，所述根据目标群体在能量e1和能量e2下的水质量衰减系数、骨基质质量衰减系数、黄骨髓质量衰减系数、红骨髓质量衰减系数，结合水密度、骨基质密度、黄骨髓密度、红骨髓密度，得到目标群体在能量e1和能量e2下的水线性衰减系数、骨基质线性衰减系数、黄骨髓线性衰减系数、红骨髓线性衰减系数，包括：
14、根据目标群体在能量e1和能量e2下的水质量衰减系数、骨基质质量衰减系数、黄骨髓质量衰减系数、红骨髓质量衰减系数，结合水密度、骨基质密度、黄骨髓密度、红骨髓密度，利用第一表达式，得到目标群体在能量e1和能量e2下的水线性衰减系数、骨基质线性衰减系数、黄骨髓线性衰减系数、红骨髓线性衰减系数，其中，第一表达式为：
15、μwater(e1)＝μm1(water)×water的密度，
16、μwater(e2)＝μm2(water)×water的密度，
17、μbm(e1)＝μm1(bm)×bm的密度，
18、μbm(e2)＝μm2(bm)×bm的密度，
19、μym(e1)＝μm1(ym)×ym的密度，
20、μym(e2)＝μm2(ym)×ym的密度，
21、μrm(e1)＝μm1(rm)×rm的密度，
22、μrm(e2)＝μm2(rm)×rm的密度，
23、第一表达式中，μwater(e1)和μwater(e2)表示目标群体在能量e1和能量e2下的水线性衰减系数，μm1(water)和μm2(water)表示目标群体在能量e1和能量e2下的水质量衰减系数，water的密度表示水的密度，μbm(e1)和μbm(e2)表示目标群体在能量e1和能量e2下的骨基质线性衰减系数，μm1(bm)和μm2(bm)表示目标群体在能量e1和能量e2下的骨基质质量衰减系数，bm的密度表示骨基质的密度，μym(e1)和μym(e2)表示目标群体在能量e1和能量e2下的黄骨髓线性衰减系数，μm1(ym)和μm2(ym)表示目标群体在能量e1和能量e2下的黄骨髓质量衰减系数，ym的密度表示黄骨髓的密度，μrm(e1)和μrm(e2)表示目标群体在能量e1和能量e2下的红骨髓线性衰减系数，μm1(rm)和μm2(rm)表示目标群体在能量e1和能量e2下的红骨髓质量衰减系数，rm的密度表示红骨髓的密度。
24、在一种实施方案中，所述根据目标群体在能量e1和能量e2处测量得到的单能图像的hu(e1)值和hu(e2)值，结合目标群体在能量e1和能量e2下的水线性衰减系数，得到目标群体在能量e1和能量e2下的线性衰减系数μ(e1)和μ(e2)，包括：
25、根据目标群体在能量e1和能量e2处测量得到的单能图像的hu(e1)值和hu(e2)值，结合目标群体在能量e1和能量e2下的水线性衰减系数，利用第二表达式，得到目标群体在能量e1和能量e2下的线性衰减系数μ(e1)和μ(e2)，其中，第二表达式为：
26、
27、第二表达式中，μ(e1)和μ(e2)表示目标群体在能量e1和能量e2下的线性衰减系数，hu(e1)值和hu(e2)值表示目标群体在能量e1和能量e2处测量得到的单能图像的hu值，μwater(e1)和μwater(e2)表示目标群体在能量e1和能量e2下的水线性衰减系数，1000[hu]表示霍恩斯菲尔德单位的常数，用于将hu(霍恩斯菲尔德单位)转换为线性衰减系数(μ)。具体来说，式中的1000[hu]用于标准化hu值，将其转化为对应的线性衰减系数，从而使得计算更加准确和有意义。
28、在一种实施方案中，所述根据目标群体在能量e1和能量e2下的线性衰减系数μ(e1)和μ(e2)，结合目标群体在能量e1和能量e2下的骨基质线性衰减系数、黄骨髓线性衰减系数、红骨髓线性衰减系数，得到目标群体的骨基质体积分数、黄骨髓体积分数、红骨髓体积分数，包括：
29、根据目标群体在能量e1和能量e2下的线性衰减系数μ(e1)和μ(e2)，结合目标群体在能量e1和能量e2下的骨基质线性衰减系数、黄骨髓线性衰减系数、红骨髓线性衰减系数，利用第三表达式，得到多个定量决定系数；
30、根据多个定量决定系数，利用第四表达式，得到目标群体的骨基质体积分数、黄骨髓体积分数、红骨髓体积分数。
31、在一种实施方案中，第三表达式为：
32、d1＝μym(e1)*μrm(e2)-μrm(e1)*μ(e2)-μ(e1)*μym(e2)+μ(e1)*μrm(e2)+
33、μ(e2)*μym(e1)+μrm(e1)*μym(e2)，
34、d2＝μbm(e1)*μrm(e2)-μrm(e1)*μ(e2)-μ(e1)*μbm(e2)+μ(e1)*μrm(e2)+
35、μ(e2)*μbm(e1)+μrm(e1)*μbm(e2)，
36、d3＝μbm(e1)*μym(e2)-μym(e1)*μ(e2)-μ(e1)*μbm(e2)+μ(e1)*μym(e2)+
37、μ(e2)*μbm(e1)+μym(e1)*μbm(e2)，
38、d4＝μbm(e1)*μym(e2)+μym(e1)*μbm(e2)+μrm(e1)*μbm(e2)-μrm(e1)*μym(e2)
39、-μym(e1)*μbm(e2)-μbm(e1)*μrm(e2)，
40、第三表达式中，d1、d2、d3、d4表示多个定量决定系数，μ(e1)和μ(e2)表示目标群体在能量e1和能量e2下的线性衰减系数，μym(e1)和μym(e2)表示目标群体在能量e1和能量e2下的骨基质线性衰减系数，μbm(e1)和μbm(e2)表示目标群体在能量e1和能量e2下的骨基质线性衰减系数，μrm(e1)和μrm(e2)表示目标群体在能量e1和能量e2下的红骨髓线性衰减系数。
41、在一种实施方案中，第四表达式为：
42、
43、f1+f2+f3＝1，
44、第四表达式中，f1表示目标群体的骨基质体积分数，f2表示目标群体的黄骨髓体积分数，f3表示目标群体的红骨髓体积分数。
45、在一种实施方案中，所述根据目标群体的骨基质体积分数，得到目标群体的骨密度，包括：
46、根据目标群体的骨基质体积分数，利用骨密度表达式，得到目标群体的骨密度，其中，骨密度表达式为：
47、vbmd＝f1×fha×ha的密度×1000，
48、骨密度表达式中，vbmd表示目标群体的骨密度，f1表示目标群体的骨基质体积分数，fha表示已知的羟基磷灰石的体积分数，ha的密度表示已知的羟基磷灰石的密度，1000用于单位转换。
49、其中，骨基质组成分：58％的羟基磷灰石(hydroxyapatite，ha)[ca10(po4)6(oh)2]、32％胶原蛋白(collagen)[c57h91n19o16],(19)and 10％水(water)。
50、骨基质质量衰减系数＝58％×羟基磷灰石(ha)的质量衰减系数(已知)+32％×胶原蛋白的质量衰减系数(已知)+10％×水的质量衰减系数(已知)。
51、在一种实施方案中，所述以目标群体位于腰椎椎体的双层光谱ct数据作为样本数据，以目标群体的骨密度、骨髓脂肪含量作为标签数据，训练得到基于双层光谱ct的三物质模型，包括：
52、以目标群体位于腰椎椎体的双层光谱ct数据作为样本数据，以目标群体的骨密度、骨髓脂肪含量作为标签数据，进行基于双层光谱ct的三物质模型的训练，在训练过程中，将ym的密度和rm的密度视为自由参数，并通过调整自由参数，使得ym的平均体积占总骨髓体积的一半，以训练得到基于双层光谱ct的三物质模型，其中，总骨髓体积为黄骨髓体积和红骨髓体积的总和。
53、本发明还提供一种基于双层光谱ct的三物质模型的构建系统，包括：
54、数据获取模块，用于：获取目标群体位于腰椎椎体的双层光谱ct数据，其中，目标群体包括骨质疏松患者群体和健康群体；
55、分解模块，用于：根据目标群体位于腰椎椎体的双层光谱ct数据，利用三物质分解法，得到目标群体的骨基质体积分数、黄骨髓体积分数、红骨髓体积分数，其中，黄骨髓体积分数表示骨髓脂肪含量；
56、数据处理模块，用于：根据目标群体的骨基质体积分数，得到目标群体的骨密度；
57、训练模块，用于：以目标群体位于腰椎椎体的双层光谱ct数据作为样本数据，以目标群体的骨密度、骨髓脂肪含量作为标签数据，训练得到基于双层光谱ct的三物质模型。
58、本发明还提供一种基于双层光谱ct的骨密度和骨髓脂肪含量定量分析系统，包括：
59、数据接收模块，用于：接收由至少一个客户端上传的待测者位于腰椎椎体的双层光谱ct数据，其中，待测者位于腰椎椎体的双层光谱ct数据的类型与上述任一项所述的基于双层光谱ct的三物质模型的构建方法中目标群体位于腰椎椎体的双层光谱ct数据的类型一致，以及，待测者为预设滤除群体之外的个体，预设滤除群体包括脊柱侧弯、脊柱多发骨折、多发骨肿瘤、多个金属植入物的群体；
60、定量分析模块，用于：根据待测者位于腰椎椎体的双层光谱ct数据，通过根据上述任一项所述的基于双层光谱ct的三物质模型的构建方法得到的基于双层光谱ct的三物质模型，预测得到待测者的骨密度和骨髓脂肪含量；
61、数据输出模块，用于：将待测者的骨密度和骨髓脂肪含量发送回至少一个客户端。
62、本发明还提供一种电子设备，包括处理器和存储有计算机程序的存储器，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一种所述的基于双层光谱ct的三物质模型的构建方法。
63、本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述任一种所述的基于双层光谱ct的三物质模型的构建方法。
64、本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述任一种所述的基于双层光谱ct的三物质模型的构建方法。
65、本发明提供的一种基于双层光谱ct的三物质模型的构建方法及骨密度和骨髓脂肪含量定量分析系统，基于双层光谱ct，结合三物质分解法，训练得到基于双层光谱ct的三物质模型，能够基于双层光谱ct图像的hu值，精确地定量分析骨密度和骨髓脂肪含量。相较于传统方法，本发明不仅能够同时测量腰椎体积骨密度和骨髓脂肪含量，还可以显著缩短患者的检查时间，减轻医疗资源的负担，降低患者的经济成本。此外，本发明不仅解决了传统影像学方法难以准确测量骨髓脂肪含量的问题，还有助于更好地理解骨髓脂肪在骨骼代谢疾病中的作用，为临床诊断和治疗提供可靠的参考依据。
1.一种基于双层光谱ct的三物质模型的构建方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于双层光谱ct的三物质模型的构建方法，其特征在于，目标群体位于腰椎椎体的双层光谱ct数据，包括通过双层光谱ct对目标群体的腰椎椎体，在能量e1和能量e2处测量得到的单能图像的hu(e1)值和hu(e2)值，所述根据目标群体位于腰椎椎体的双层光谱ct数据，利用三物质分解法，得到目标群体的骨基质体积分数、黄骨髓体积分数、红骨髓体积分数，其中，黄骨髓体积分数表示骨髓脂肪含量，包括：
3.根据权利要求2所述的基于双层光谱ct的三物质模型的构建方法，其特征在于，所述根据目标群体在能量e1和能量e2下的水质量衰减系数、骨基质质量衰减系数、黄骨髓质量衰减系数、红骨髓质量衰减系数，结合水密度、骨基质密度、黄骨髓密度、红骨髓密度，得到目标群体在能量e1和能量e2下的水线性衰减系数、骨基质线性衰减系数、黄骨髓线性衰减系数、红骨髓线性衰减系数，包括：
4.根据权利要求3所述的基于双层光谱ct的三物质模型的构建方法，其特征在于，所述根据目标群体在能量e1和能量e2处测量得到的单能图像的hu(e1)值和hu(e2)值，结合目标群体在能量e1和能量e2下的水线性衰减系数，得到目标群体在能量e1和能量e2下的线性衰减系数μ(e1)和μ(e2)，包括：
5.根据权利要求4所述的基于双层光谱ct的三物质模型的构建方法，其特征在于，所述根据目标群体在能量e1和能量e2下的线性衰减系数μ(e1)和μ(e2)，结合目标群体在能量e1和能量e2下的骨基质线性衰减系数、黄骨髓线性衰减系数、红骨髓线性衰减系数，得到目标群体的骨基质体积分数、黄骨髓体积分数、红骨髓体积分数，包括：
6.根据权利要求5所述的基于双层光谱ct的三物质模型的构建方法，其特征在于，所述根据目标群体的骨基质体积分数，得到目标群体的骨密度，包括：
7.根据权利要求6所述的基于双层光谱ct的三物质模型的构建方法，其特征在于，所述以目标群体位于腰椎椎体的双层光谱ct数据作为样本数据，以目标群体的骨密度、骨髓脂肪含量作为标签数据，训练得到基于双层光谱ct的三物质模型，包括：
8.一种基于双层光谱ct的骨密度和骨髓脂肪含量定量分析系统，其特征在于，包括：
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述的基于双层光谱ct的三物质模型的构建方法，或者，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的基于双层光谱ct的三物质模型的构建方法，或者，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
