超声弹性成像组织硬度特征量化分析方法及其系统

本发明涉及超声弹性成像与医学图像处理，具体涉及超声弹性成像组织硬度特征量化分析方法及其系统。

背景技术：

1、超声弹性成像技术通过检测生物组织的力学特性为临床诊断提供了重要的辅助信息。生物组织的弹性特性与其微观结构和病理状态密切相关，不同类型的组织或同一组织的不同病理状态往往表现出显著的弹性差异。例如，肿瘤组织由于细胞增殖活跃、间质纤维化程度增加，通常较正常组织更为坚硬；纤维化肝脏组织由于胶原纤维沉积导致肝小叶结构改变，其硬度显著高于健康肝脏；甲状腺结节中的恶性病变往往伴随着组织硬度的异常升高。这种弹性差异使得超声弹性成像在肿瘤良恶性鉴别、肝纤维化分期、甲状腺结节评估、乳腺病变诊断、肌肉骨骼疾病评估等领域得到了广泛应用。

2、从技术发展历程来看，超声弹性成像技术经历了从应变弹性成像到剪切波弹性成像的演进过程。传统的应变弹性成像通过手动加压或生理运动引起组织形变，通过比较加压前后的超声回波信号计算组织的相对应变分布，以彩色编码图的形式显示组织的相对硬度信息。这种方法虽然操作简便，但由于输出的是相对应变而非绝对弹性模量，测量结果受操作者加压手法和参考组织选取的影响较大，难以实现不同患者、不同时间点之间的定量比较。剪切波弹性成像技术的出现克服了上述局限性，该技术利用声辐射力脉冲在组织中激发剪切波，通过超快成像技术追踪剪切波的传播速度，根据剪切波速度与组织杨氏模量之间的物理关系计算绝对弹性模量值，实现了从定性评估向定量分析的转变。

3、中国发明cn103606142b公开了一种基于超声弹性图像的弹性应变评估方法和系统。该方案根据超声弹性图像和b模式图像重建超声弹性信息图像，对b模式图像进行病灶区域的自动分割，对超声弹性信息图像进行软硬区域自动界定，并基于提取的硬度特征根据预设的评分标准对病灶区域和病灶周边区域进行弹性应变评估。该对比文件通过模糊聚类准则计算弹性信息图像像素空间中每个元素的模糊相似矩阵与聚类中心的距离平方和，确定元素软硬区间隶属度以界定软硬区域，并采用硬区域像素占比作为硬度特征指标。

4、然而，上述现有技术存在以下技术缺陷。第一方面，传统弹性应变成像依赖彩色编码图的主观判读，不同操作者对同一弹性图像的解读存在显著差异，导致诊断一致性较差。第二方面，以硬区域像素占比作为硬度特征指标过于单一，无法全面反映组织硬度的空间分布特性和异质性程度，特别是对于内部硬度分布不均匀的复杂病变难以进行精确表征。第三方面，感兴趣区域的选择高度依赖操作者的主观判断和手工操作，不同操作者选择的测量区域位置和大小存在差异，直接影响测量结果的重复性和一致性。第四方面，单次测量结果容易受到瞬时干扰因素的影响，缺乏对测量异常值的识别和剔除机制，难以保证输出参数的稳定性。第五方面，现有方案缺乏对测量质量的客观评估手段，无法向临床医生提供测量结果可信度的参考信息。

5、因此，如何提供一种能够自动定位感兴趣区域、提取多维硬度特征、融合多点采样结果并评估测量可靠性的组织硬度量化分析方法，成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的弹性成像结果依赖主观判读、硬度定量测量重复性差、感兴趣区域选择影响测量一致性的技术问题，本发明提供超声弹性成像组织硬度特征量化分析方法及其系统。

2、本发明提供的超声弹性成像组织硬度特征量化分析方法包括弹性数据获取步骤、感兴趣区域自动定位步骤、硬度特征提取步骤、多点采样融合步骤和质量控制评估步骤。

3、弹性数据获取步骤对接剪切波弹性成像超声设备获取目标组织的组织弹性模量原始数据与灰阶超声图像，对组织弹性模量原始数据与灰阶超声图像进行空间配准处理，生成配准后弹性数据和配准后灰阶图像。

4、感兴趣区域自动定位步骤基于配准后灰阶图像提取纹理特征向量，根据纹理特征向量识别目标组织区域，结合解剖结构边界确定组织中心位置，在组织中心位置自动放置标准化采样框。

5、硬度特征提取步骤根据标准化采样框从配准后弹性数据中截取采样区域弹性数据，基于采样区域弹性数据计算杨氏模量均值、杨氏模量中位数、杨氏模量标准差和杨氏模量最大值作为统计特征参数，同时计算均匀性指数和梯度特征向量作为空间分布特征。

6、多点采样融合步骤对同一目标组织的多次测量结果进行统计分析，基于四分位距方法设置异常值剔除阈值，剔除偏离中心趋势超过异常值剔除阈值的测量值，对剔除后的有效测量值进行加权融合处理，输出稳定硬度表征参数。

7、质量控制评估步骤根据配准后弹性数据计算弹性图像信噪比指标，获取标准化采样框对应的采样深度参数，基于信噪比指标、采样深度参数和多点采样融合步骤输出的测量变异系数，通过综合评估生成可靠性等级标签，并根据可靠性等级标签生成反馈调整参数以调整标准化采样框的尺寸。

8、优选地，组织弹性模量原始数据为剪切波弹性成像模式下输出的杨氏模量数值矩阵，空间配准处理采用基于归一化互相关的刚性配准方法。

9、优选地，纹理特征向量包括基于灰度共生矩阵提取的对比度、相关性、能量和同质性特征，标准化采样框为圆形采样框，直径范围为5毫米至15毫米。

10、优选地，均匀性指数的计算通过将采样区域划分为多个子区域，以各子区域杨氏模量均值的变异系数的倒数表征空间分布均匀程度。

11、优选地，可靠性等级标签包括高可靠性等级、中可靠性等级和低可靠性等级三个级别，根据信噪比指标、采样深度参数和测量变异系数三个条件的满足情况进行判定。

12、本发明还提供一种超声弹性成像组织硬度特征量化分析系统，包括弹性数据获取模块、感兴趣区域自动定位模块、硬度特征提取模块、多点采样融合模块和质量控制评估模块。

13、弹性数据获取模块用于对接剪切波弹性成像超声设备获取目标组织的组织弹性模量原始数据与灰阶超声图像，对组织弹性模量原始数据与灰阶超声图像进行空间配准处理，生成配准后弹性数据和配准后灰阶图像。

14、感兴趣区域自动定位模块用于基于配准后灰阶图像提取纹理特征向量，根据纹理特征向量识别目标组织区域，结合解剖结构边界确定组织中心位置，在组织中心位置自动放置标准化采样框。

15、硬度特征提取模块用于根据标准化采样框从配准后弹性数据中截取采样区域弹性数据，基于采样区域弹性数据计算杨氏模量均值、杨氏模量中位数、杨氏模量标准差、杨氏模量最大值、均匀性指数和梯度特征向量。

16、多点采样融合模块用于对同一目标组织的多次测量结果进行统计分析，剔除异常值后对有效测量值进行加权融合处理，输出稳定硬度表征参数。

17、质量控制评估模块用于根据弹性图像信噪比指标、采样深度参数和测量变异系数生成可靠性等级标签，并将反馈调整参数发送至感兴趣区域自动定位模块以调整标准化采样框的尺寸。

18、本发明的有益效果如下。

19、第一，本发明通过对接剪切波弹性成像设备直接获取组织弹性模量原始数据，相较于传统弹性应变成像依赖彩色编码图的主观判读方式，实现了从定性评估向定量分析的转变，测量结果以杨氏模量数值形式输出，具有明确的物理意义和可比性。

20、第二，本发明通过感兴趣区域自动定位步骤基于灰阶图像的纹理特征和解剖结构边界自动识别目标组织并放置标准化采样框，避免了人工选区带来的主观偏差，显著提高了测量的重复性和一致性，不同操作者在相同条件下获得的测量结果变异系数可降低至10%以内。

21、第三，本发明通过硬度特征提取步骤计算杨氏模量均值、中位数、标准差、最大值等多维统计特征，并结合均匀性指数和梯度特征向量表征硬度的空间分布特性，相较于单一的硬区域像素占比指标，能够更全面地反映组织硬度的整体水平、离散程度和空间异质性，为复杂病变的精确表征提供了多维度参考。

22、第四，本发明通过多点采样融合步骤对多次测量结果进行统计分析并剔除异常值，有效消除了瞬时干扰因素对测量结果的影响，输出的稳定硬度表征参数具有更高的可靠性和临床参考价值。

23、第五，本发明通过质量控制评估步骤基于弹性图像信噪比、采样深度和测量变异系数综合评估测量的可靠性等级，向临床医生提供了测量结果可信度的客观参考，使其能够根据可靠性等级决定是否需要重复测量或调整测量参数。

24、第六，本发明通过质量控制评估步骤生成的反馈调整参数动态调整采样框尺寸，当检测到测量可靠性较低时自动缩小采样框以提高局部信噪比，当可靠性较高时适当扩大采样框以获取更具代表性的组织信息，实现了测量参数的自适应优化。