一种乳腺结节不规则度分析装置的制作方法

1.本发明涉及辅助医学诊断技术领域，特别是涉及一种乳腺结节不规则度分析装置。


背景技术：

2.如今，随着对快速准确诊断的需求日益增长，以及临床人员的短缺，计算机分析方法已经越来越多地应用于支持常规临床诊断，并显示出良好的效果。
3.预计近些年，乳腺癌将成为女性的第二大致命癌症，死亡率为15％。这些统计数据表明，乳腺癌的诊断对于提高预期寿命至关重要，尤其是对女性而言。作为一种常用的临床工具，超声成像是一种无创、无辐射、低成本的癌症诊断技术。然而，由于图像质量较低，从超声中识别乳腺病变和检测癌症体征是一项具有挑战性的任务。
4.恶性肿瘤的生长和进展可以通过其方向、外观、质地、成分和许多其他因素来反映。作为一种使用良好的工具，灰度超声(us)图像可以可视化许多这些因素，帮助医生更好地观察和理解乳腺结节。然而，在目前的临床实践中，在超声乳腺图像中观察到的特征只能主观或半主观地进行评估，这限制了超声图像的广泛应用。因此，自动准确的乳腺结节定量分析标准对于准确的癌症诊断至关重要。
5.乳腺成像报告和数据系统(bi-rads)是科学测量和报告乳腺结节的指南。不幸的是，目前还没有研究定量bi-rads特征改善乳腺癌分类的诊断性能。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是提供一种乳腺结节不规则度分析装置，能够对乳腺结节的不规则度进行有效分析。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种乳腺结节不规则度分析装置，包括：
8.图像获取模块：用于获取带有乳腺结节的超声图像；
9.感兴趣结节图像提取模块：用于通过选取若干感兴趣坐标点的方式对所述超声图像的乳腺结节边界进行截取，得到感兴趣结节图像；
10.圆滑度测量函数构建模块：用于根据所述感兴趣结节图像来构建圆滑度测量函数；
11.凹凸度测量函数构建模块：用于根据所述感兴趣结节图像来构建凹凸度测量函数；
12.分叶征测量函数构建模块：用于根据所述感兴趣结节图像来构建分叶征测量函数；
13.尖角征测量函数构建模块：用于根据所述感兴趣结节图像来构建尖角征测量函数；
14.乳腺结节不规则度分析模块：用于根据所述圆滑度测量函数、凹凸度测量函数、分
叶征测量函数和尖角征测量函数对感兴趣结节图像中的乳腺结节的不规则度进行分析。
15.所述圆滑度测量函数构建模块中的根据所述感兴趣结节图像来构建圆滑度测量函数，包括：
16.构建一用于拟合所述感兴趣结节图像中乳腺结节的椭圆，并将椭圆拟合到乳腺结节上；
17.根据乳腺结节的边界构建二值掩膜图像i'
roi
，并获取二值掩膜图像i'
roi
中乳腺结节区域内所有坐标点的集合x
roi
；
18.根据椭圆的边界构建二值掩膜图像ie'
llipse
，并获取二值掩膜图像ie'
llipse
中椭圆区域内所有坐标点的集合x
ellipse
；
19.根据所述坐标点的集合x
roi
和坐标点的集合x
ellipse
构建圆滑度测量函数。
20.所述圆滑度测量函数构建模块中的圆滑度测量函数公式为：r
ellipticity
∈[0,1]，x
roi
表示标记在二值掩膜图像i'
roi
上的乳腺结节区域内所有坐标点的集合，二值掩膜图像i'
roi
表示基于乳腺结节边界构建的二值掩膜图像，x
ellipse
表示标记在二值掩膜图像ie'
llipse
上的椭圆区域内所有坐标点的集合，二值掩膜图像ie'
llipse
表示基于椭圆构建的二值掩膜图像。
[0021]
所述凹凸度测量函数构建模块中的根据所述感兴趣结节图像来构建凹凸度测量函数，包括：
[0022]
构建一用于包围所述感兴趣结节图像中乳腺结节的凸包；
[0023]
根据乳腺结节的边界构建二值掩膜图像i'
roi
，并获取二值掩膜图像i'
roi
中乳腺结节区域内所有坐标点的集合x
roi
；
[0024]
根据凸包的边界构建二值掩膜图像ic'
onvex
，并获取二值掩膜图像ic'
onvex
中凸包区域内所有坐标点的集合x
convex
；
[0025]
根据所述坐标点的集合x
roi
和坐标点的集合x
convex
构建凹凸度测量函数。
[0026]
所述凹凸度测量函数构建模块中的凹凸度测量函数的公式为：其中，r
convex
∈[0,1]，x
roi
表示标记在二值掩膜图像i'
roi
上的乳腺结节区域内所有坐标点的集合，二值掩膜图像i'
roi
表示基于乳腺结节边界构建的二值掩膜图像，x
convex
表示标记在二值掩膜图像ic'
onvex
上的凸包区域内所有坐标点的集合，二值掩膜图像ic'
onvex
表示基于凸包构建的二值掩膜图像。
[0027]
所述分叶征测量函数构建模块中的根据所述感兴趣结节图像来构建分叶征测量函数，包括：
[0028]
构建一用于包围所述感兴趣结节图像中乳腺结节的凸包；
[0029]
若乳腺结节的边界坐标形成的区域和凸包的边界坐标形成的区域间有非重叠区域，则所述非重叠区域为凹区域，并基于每个所述凹区域来构建用于判断乳腺结节是否存在分叶征的分叶征测量函数。
[0030]
所述分叶征测量函数构建模块中的中的分叶征测量函数公式为：
其中，i
lob
表示所有凹区域，ar
concave
表示凹区域的面积，t
area
表示分叶区域的面积阈值，min
length
表示凹区域对应的长轴和短轴中的最小长度，t
length
表示判断分叶区域径长的阈值。
[0031]
所述尖角征测量函数构建模块中的根据所述感兴趣结节图像来构建尖角征测量函数，公式为：其中，i
ang
表示由每三个连续边界坐标点构成的所有尖角区域，k表示乳腺结节边界的曲率且θ表示在构建尖角征测量函数时，在乳腺结节边界上三个连续坐标点构成的两条直线之间的角度，t
curvature
表示曲率阈值，t
angle
表示角度阈值，min
alength
表示三个连续边界坐标点构成的尖角区域中长轴和短轴长度中的最小长度，是尖角区域最小径长的阈值。
[0032]
所述乳腺结节不规则度分析模块中的根据所述圆滑度测量函数、凹凸度测量函数、分叶征测量函数和尖角征测量函数对感兴趣结节图像中的乳腺结节的不规则度进行分析，公式为：
[0033][0034]
其中，regular表示规则，lessregular表示较规则，irregular表示不规则，min(r
convex
,r
ellipticty
)表示全局不规则度中的最小值，r
convex
表示凹凸度测量函数检测结果，r
ellipticty
表示圆滑度测量函数检测结果，t
min
表示全局度量的最小阈值，t
conv
表示凹凸度的阈值，∧表示与运算，∨表示或运算，表示非运算，regular∧(lobulated∨angular)表示乳腺结节规则且存在分叶征或尖角征，表示乳腺结节非规则且无分叶征与尖角征，lobulated表示分叶征测量结果，angular表示尖角征测量结果。
[0035]
有益效果
[0036]
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过构建全局度量即圆滑度测量函数和凹凸度测量函数能够对乳腺结节的整体不规则度进行有效检测，通过构建局部度量即分叶征测量函数和尖角征测量函数能够对乳腺结节的局部不规则度进行有效检测，本发明将四个测量函数综合考虑，能够实现对乳腺
结节不规则度的有效分析；本发明能够对乳腺结节的良恶性分析提供有力保证，可以有效避免医生对乳腺结节直接进行主观分析导致错误，方便医生更好更快更精确地做出判断。
附图说明
[0037]
图1是本发明实施方式的流程图；
[0038]
图2是本发明实施方式的感兴趣结节图像、二值掩膜图像i'
roi
、二值掩膜图像i
′
ellipse
示意图；
[0039]
图3是本发明实施方式的在乳腺结节上进行圆滑度测量示意图；
[0040]
图4是本发明实施方式的感兴趣结节图像、二值掩膜图像i'
roi
、二值掩膜图像i
′
convex
示意图；
[0041]
图5是本发明实施方式的在规则乳腺结节上进行凹凸度测量示意图；
[0042]
图6是本发明实施方式的在不规则乳腺结节上进行凹凸度测量示意图；
[0043]
图7是本发明实施方式的在乳腺结节上进行分叶征检测示意图；
[0044]
图8是本发明实施方式的关于凹区域的长轴和短轴标注示意图；
[0045]
图9是本发明实施方式的三个坐标点间拟合出两条直线示意图；
[0046]
图10是本发明实施方式的尖角区域示意图；
[0047]
图11是本发明实施方式的尖角区域中长轴和短轴示意图；
[0048]
图12是本发明实施方式的在乳腺结节上进行尖角征检测示意图；
[0049]
图13是本发明实施方式的乳腺结节不规则度测量示意图。
具体实施方式
[0050]
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
[0051]
本发明的实施方式涉及一种乳腺结节不规则度分析装置，请参阅图1，包括：
[0052]
图像获取模块：用于获取带有乳腺结节的超声图像；
[0053]
感兴趣结节图像提取模块：用于通过选取若干感兴趣坐标点的方式对所述超声图像的乳腺结节边界进行截取，得到感兴趣结节图像；
[0054]
圆滑度测量函数构建模块：用于根据所述感兴趣结节图像来构建圆滑度测量函数；
[0055]
凹凸度测量函数构建模块：用于根据所述感兴趣结节图像来构建凹凸度测量函数；
[0056]
分叶征测量函数构建模块：用于根据所述感兴趣结节图像来构建分叶征测量函数；
[0057]
尖角征测量函数构建模块：用于根据所述感兴趣结节图像来构建尖角征测量函数；
[0058]
乳腺结节不规则度分析模块：用于根据所述圆滑度测量函数、凹凸度测量函数、分叶征测量函数和尖角征测量函数对感兴趣结节图像中的乳腺结节的不规则度进行分析。
[0059]
以下进行具体介绍：
[0060]
在临床实践中，边缘不规则度是分析结节恶性程度的重要指标。由于恶性肿瘤对周围组织具有侵袭性，因此恶性结节的边界较常是不规则的。本实施方式通过对结节边缘不规则度进行分析，有助于医生做出快速准确的临床决策。
[0061]
(一)乳腺结节圆滑度
[0062]
在圆滑度测量函数构建模块中，圆滑度是衡量结节边界圆度的全局度量。通常，一个规则的结节在理想情况下应该是椭圆形的，因为它的周边组织没有受到任何侵袭。因此，本实施方式提出了一个用于衡量结节边界与规则形状(椭圆)匹配程度的指标，称为圆滑度指标。
[0063]
在将椭圆拟合到医生标记的roi坐标(即乳腺结节)时，本实施方式首先使用二次函数将椭圆定义为：
[0064]
g(x,y|a)＝ax2 bxy cy2 dx ey f
[0065]
其中，(x,y)表示结节边界坐标，a是一组常量参数集，即[a,b,c,d,e,f]，用于确定椭圆的宽度、方向、高度、平坦度和位移。给定结节边界的一组输入坐标x＝{(x,y)1,(x,y)2,...,(x,y)n}，将常量参数集a的最小二乘拟合代价函数定义为：
[0066]
cost(a)＝∑
(x,y)∈x
[g(x,y|a)-f]2[0067]
其中，当|x|≥5时，通过最小化最小二乘拟合代价函数可以计算得到拟合椭圆的最佳常量参数集a。
[0068]
如图2所示，(a)为感兴趣结节图像，白色圈标记出的区域即乳腺结节，椭圆拟合后，本实施方式通过比较roi边界(图2中的(b))的二值掩膜图像i'
roi
与拟合得出的椭圆(图2中的(c))的二值掩膜图像ie'
llipse
，来度量结节的圆滑度。设x
roi
表示标记在二值掩膜图像i'
roi
上乳腺结节区域内的所有坐标点的集合，x
ellipse
表示标记在二值掩膜图像ie'
llipse
上椭圆区域内的所有坐标点的集合，结节圆滑度测量函数则可以定义为：
[0069][0070]
其中，r
ellipticity
在[0,1]范围内，r
ellipticity
的值越高，结节拟合度越好，表明结节越规则。
[0071]
请参阅图3中的(a)，r
ellipticity
＝0.91，能够看出来，结节比较规则，椭圆拟合度比较好；图3中的(b)，r
ellipticity
＝0.42，结节明显不规则，椭圆拟合度较差。
[0072]
结果表明，圆滑度可以作为结节不规则度的一个很好的指标，这大大有助于医生做出更快速、更准确的临床决策。
[0073]
(二)乳腺结节凹凸度
[0074]
凹凸度是一种衡量结节边界形状的全局度量。通常，一个规则的结节在理想情况下边界应该是光滑的，因为它周边的组织不会受到任何侵袭。因此，本实施方式提出一个用于衡量结节边界与规则形状(凸包)匹配程度的指标，称为凹凸度指标。
[0075]
一个对象的凸包是由包围该对象区域的最少坐标点的集合所构成的。为了测量乳腺结节边界的凹凸度，首先将所标注的乳腺结节的边界图形近似为一个凸包图形。在得到拟合的凸包图形后，本实施方式通过对roi(图4中的(b))构建二值掩膜图像i'
roi
，并基于凸包边界(图4中的(c))构建二值掩膜图像i
′
convex
，来度量乳腺结节边界的凹凸度。
[0076]
设x
roi
表示标记在二值掩膜图像i'
roi
上的乳腺结节区域内所有坐标点的集合，x
convex
表示标记在二值掩膜图像i
′
convex
上的凸包区域内所有坐标点的集合，结节的凹凸度测量函数可以定义为：
[0077][0078]
其中，r
convex
在[0,1]范围内，r
convex
的值越高，结节拟合度越好，表明结节越规则。
[0079]
在规则乳腺结节上进行凹凸度测量：请参阅图5中的(a)，计算得到r
convex
＝0.99，图5中的(b)为被凸包包围的结节，可以看出凸包拟合度较好，能够得出计算结果和实际结节边界的平滑度基本吻合。
[0080]
在不规则乳腺结节上进行凹凸度测量：请参阅图6中的(a)，计算得到r
convex
＝0.62，图6中的(b)为被凸包包围的结节，可以看出凸包拟合度较差，能够得出计算结果和实际结节边界的平滑度基本吻合。
[0081]
由上述两组实验数据不难发现本实施方式构建的凹凸度测量函数在测量结节的平滑度方面有较好的识别效果，即凹凸度可以作为结节不规则度的一个很好的指标，极大地帮助医生做出更快速、更准确的临床决策。
[0082]
(三)乳腺结节分叶征
[0083]
在分叶征测量函数构建模块中，分叶征主要是研究乳腺结节边界的凹区域。凹区域r
concave
是结节边界和凸包形成区域之间的非重叠区域，本实施方式中的每个非重叠区域即凹区域，图7(a)中的白色圈勾勒出的区域为乳腺结节，图7(b)中通过矩形边界框标记出的凹区域为最终判断出的分叶区域。具体地，如果凹区域满足以下标准，则乳腺结节存在分叶征：
[0084][0085]
其中，i
lob
表示提取出的所有凹区域，ar
concave
表示凹区域的面积，t
area
表示判断分叶区域的面积阈值，min
length
表示凹区域对应的长轴和短轴中的最小长度，图8(a)中的白色圈勾勒出的区域为乳腺结节，图8(b)中，选中一凹区域，并用白色粗线条标注了它的长轴和短轴，则该凹区域的min
length
用较短的白色粗线条来表示；t
length
表示判断分叶区域径长的阈值；本实施方式中的t
area
和t
length
是通过实验确定的，并且与结节的大小sz相关，表达式如下：
[0086][0087]
结果表明，检测到的分叶区域可以作为结节不规则度的一个很好的指标，这大大有助于医生做出更快速、更准确的临床决定。
[0088]
(四)乳腺结节尖角征
[0089]
在尖角征测量函数构建模块中，尖角征分析主要通过研究结节边界连续坐标点间的曲率，以确定结节边界部分是否存在尖刺、毛糙或扭曲。该方法首先在结节边界上标注的每三个连续的坐标点(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)间拟合出两条直线，图9中的点为乳腺结节边
界的坐标点，不难看出三个坐标点间可以拟合出两条直线，然后基于平面微分几何在拟合的直线上计算曲率k，公式如下：
[0090][0091]
其中，本实施方式通过对三个连续坐标点(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)形成的曲线进行微分，进而确定一阶导数x'、y'与二阶导数x”、y”，若曲率k较大，则表示所分析边界上有较锐利的变化。此外，本实施方式还测量了两条直线之间的角度θ，并同时将其用于尖角征的估测。
[0092]
如果结节满足以下标准，则结节存在尖角征：
[0093][0094]
其中，i
ang
表示由每三个连续边界坐标点构成的所有尖角区域(图10展示了两个尖角区域)，t
curvature
和t
angle
分别是连续坐标点之间的曲率阈值和角度阈值，min
alength
表示三个连续边界坐标点构成的尖角区域中长轴和短轴长度中的最小长度(图11展示了尖角区域中的两条黑线即为长轴和短轴)，是尖角区域最小径长的阈值。阈值t
curvature
、t
angle
和t
length
是通过实验确定的，并且与结节的大小sz相关，表达式如下：
[0095][0096]
请参阅图12，其中，(a)中的白色圈勾勒出的区域为乳腺结节，(b)中由两个矩形边界框标记出的区域为检测出的结节尖角征象。
[0097]
结果表明，检测到的尖角征象可以作为结节不规则度的一个很好的指标，这大大有助于医生做出更快速、更准确的临床决策。
[0098]
(五)乳腺结节不规则度分析
[0099]
在乳腺结节不规则度分析模块中，本实施方式将乳腺结节边缘不规则度分类为“不规则”、“较规则”和“规则”。如果结节为椭圆形、球形或圆形，并且没有任何分叶或尖角/毛刺，则认为结节是“规则”的，否则结节将被认为是“较规则”或“不规则”的。
[0100]
通过引入上述四种不规则度度量参数：圆滑度、凹凸度、分叶征、尖角征，将圆滑度和凹凸度作为全局度量，将分叶征和尖角征作为局部度量，本实施方式可以根据以下标准估测出结节不规则度度量函数r
irregularity
：
[0101][0102]
其中，regular表示规则，lessregular表示较规则，irregular表示不规则，min(r
convex
,r
ellipticty
)表示全局不规则度的最小值，r
convex
表示凹凸度测量函数检测结果，r
ellipticty
表示圆滑度测量函数检测结果，t
min
表示全局度量的最小阈值且t
min
＝0.9，t
conv
表示凹凸度的阈值且t
conv
＝0.97，∧表示与运算，∨表示或运算，表示非运算，regular∧(lobulated∨angular)表示乳腺结节规则且存在分叶征或尖角征，表示乳腺结节非规则且无分叶征与尖角征，lobulated表示分叶征测量结果，angular表示尖角征测量结果。
[0103]
请参阅图13，其中，(a)表示乳腺结节规则，(b)表示乳腺结节较规则，(c)表示乳腺结节不规则。
[0104]
结果表明，本实施方式对乳腺结节的不规则度提供了一个清晰且易于理解的估测，这大大有助于医生做出更快速、更准确的临床决策。
[0105]
本发明通过构建全局度量即圆滑度测量函数和凹凸度测量函数能够对乳腺结节的整体不规则度进行有效检测，通过构建局部度量即分叶征测量函数和尖角征测量函数能够对乳腺结节的局部不规则度进行有效检测，本发明将四个测量函数综合考虑，能够实现对乳腺结节不规则度的有效分析。