用于根据剪切波成像进行剪切模量和粘度的自动评估的方法和系统技术方案

公开了一种用于根据剪切波成像进行生物组织的剪切模量和粘度的自动非侵入评估的方法和系统。获得剪切波图像以评估患者器官的机械属性。使用剪切波传播的计算模型基于针对组织的剪切模量和粘度值在剪切波图像中模拟组织中的剪切波传播。使用价值函数将所模拟的剪切波传播与组织的剪切波图像中所观察的剪切波传播进行比较。评估针对组织的患者特异剪切波模量和粘度值以优化将所模拟的剪切波传播与所观察的剪切波传播进行比较的价值函数。

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
本专利技术涉及机械组织属性的基于医学图像的评估，以及更加特别地，涉及根据剪切波成像进行组织的剪切模量和粘度的自动评估。剪切波成像(SWI)是基于超声的成像模态，其能够提供关于组织结构和完整性的重要信息。在SWI中，超声探头被用来生成并追踪生物组织中的传播的剪切波。来自声辐射力脉冲(ARFI)的辐射力生成组织中的剪切波。测量组织中剪切波传播的速度以及通过超声探头捕获图像的时间序列，该图像的时间序列示出了剪切波的位移。已经导出针对SWI的定性度量，例如用以强调感兴趣区域中的较硬或较软组织。针对SWI的临床应用是众多的，尤其是在肿瘤学中，其中SWI能够被用来区分恶性病变和良性病变。然而，来自SWI的组织弹性和粘度的精确定量评估仍然是重大挑战。虽然剪切模量能够直接涉及同质各向同性实体内的剪切波速度，但该关系在类似生物组织的粘度介质内并不成立，其中粘度也影响剪切波的速度。因此，考虑评估过程中的两种属性以便实现组织力学的精确评定以及组织的构成是重要的。
技术实现思路
本专利技术提供了用于根据剪切波成像(SWI)评估生物组织的剪切模量和粘度的患者特异值的方法和系统。本专利技术的实施例将软性介质中剪切波传播的直接模型与优化算法耦合以自动地根据剪切波图像评估剪切模量和粘度。给定剪切模量和粘度，则根据剪切波传播的正演模型计算剪切波位移。然后例如使用无梯度优化器来最小化评估计算机剪切波传播和剪切波图像中所观察的剪切波传播之间的差异的价值函数，从而评估组织的剪切模量和粘度的个性化值。本专利技术的实施例能够使用分级法，该分级法使得能够实现剪切模量和粘度的空间映射的评估，该空间映射的评估随后能够被显示至终端用户用于诊断目的。使用同质组织近似从根据剪切波成像的剪切模量的初始评估获得的映射也能够被用作评估剪切模量和粘度的建议方法的初始化。在本专利技术的一个实施例中，使用剪切波传播的计算模型、基于针对组织的剪切模量和粘度值模拟患者组织中的剪切波传播。使用价值函数将所模拟的剪切波传播与组织的剪切波图像中所观察的剪切波传播进行比较。评估针对组织的患者特异剪切模量和粘度值以优化将所模拟的剪切波传播与所观察的剪切波传播进行比较的价值函数。通过参考下面详细描述和附图，本专利技术的这些和其他优点对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。附图说明图1图示了根据本专利技术实施例的用于生物组织的靶标区域的剪切模量和粘度的非侵入评估的方法；图2图示了根据本专利技术实施例的使用剪切波传播的计算模型用于根据剪切波图像评估患者特异剪切模量和粘度值的框架；图3图示了根据本专利技术实施例的使用剪切波传播的计算模型用于根据剪切波图像评估患者特异剪切模量和粘度值的方法；图4图示了在剪切模量和速度参数评估后的示例性观察和模拟的剪切波传播；以及图5是能够实施本专利技术的计算机的高级框图。具体实施方式本专利技术涉及根据剪切波成像(SWI)进行生物组织的剪切模量和粘度的自动评估。本专利技术的实施例在本文中描述以给出用于评估组织区域的剪切模量和粘度的患者特异值的方法的可视化理解。数字图像通常由一个或多个对象(或形状)的数字表示组成。对象的数字表示通常在本文中根据识别和操纵对象来描述。这样的操纵是在计算机系统的存储器或其他电路/硬件中实现的虚拟操纵。因此，应该理解的是本专利技术的实施例可以在计算机系统内使用存储在计算机系统内的数据来执行。本专利技术的实施例利用逆建模方法来使用剪切波传播的正演模型根据剪切波图像评估患者特异剪切模量和粘度值。给定一组剪切模量和粘度参数，以及初始条件，采用剪切波传播的正演模型来计算其范围覆盖所观察域的多维网格架(2D/3D)内的剪切波位移。所计算的剪切波传播然后与剪切波图像中所观察的剪切波传播进行比较。根据所选择的价值函数，在所计算的剪切波传播不匹配所观察的剪切波传播的情况下，采用优化器处理来自动地评估最佳剪切模量和粘度。例如，在可能的实施方式中，归一化互相关度量能够被用作价值函数来比较所计算的和所观察的剪切波传播，但也能够使用任意相似的度量。可使用无梯度优化器来执行优化处理，但本专利技术不限于此。能够使用分级法来评估组织的靶标区域上方针对剪切模量和粘度的空间变化值。能够通过使用剪切波速度来获得剪切模量评估的第一映射，其涉及非粘性介质中的剪切模量。该映射能够被用于初始化评估程序，而且还能被用于识别具有变化生物机械属性的区域。图1图示了根据本专利技术实施例的用于生物组织的靶标区域的剪切模量和粘度的非侵入评估的方法。在步骤102，接收剪切波图像。经由剪切波成像(SWI)获得剪切波图像，剪切波成像(SWI)使用超声探头来生成并追踪生物组织中的传播的剪切波。来自声辐射力脉冲(ARFI)的辐射力生成组织中的剪切波，以及通过超声探头捕获图像的时间序列，该图像的时间序列示出了组织中的剪切波随时间推移的位移。剪切波图像能够是二维(2D)图像的时间相关序列或三维(3D)图像的时间相关序列。剪切波图像能够直接从超声探头接收，或能够通过加载来自计算机系统的存储器或储存器的先前获得的剪切波图像来接收，或通过数据网络接收先前获得的剪切波图像来接收。剪切波图像能够包括患者组织的靶标区域。例如，剪切波图像能够包括其中存在肿瘤或病变的组织区域。在步骤104，使用剪切波传播的计算模型基于剪切波图像评估针对靶标区域中组织的患者特异剪切模量和粘度值。组织的靶标区域能够指代剪切波图像中的所有组织或能够指代剪切波图像内特定感兴趣区域。图2图示了根据本专利技术实施例的使用剪切波传播的计算模型用于根据剪切波图像评估患者特异剪切模量和粘度值的框架。如图2中所示，模型202是剪切波传播的正演计算模型。给定靶标区域中针对组织的剪切模量和粘度值(μn，ηn)，以及初始条件，模型202生成靶标区域中剪切波传播的模拟206。利用初始的剪切模量和粘度值μo，ηo来初始化剪切模量和粘度评估框架。价值函数204将模拟206与剪切波图像中所观察的地面真值剪切模量传播208进行比较，并将该比较结果发送至优化器210。优化器210计算针对剪切模量和粘度的新参数值以最小化价值函数204，并将针对剪切模量和粘度的新参数值发送至模型202，模型202使用新参数值生成另一模拟206。基于通过价值函数204所计算的比较结果，在优化器210确定针对剪切模量和粘度的最佳值已经被找到时(该最佳值最小化价值函数204)，优化器210输出针对剪切模量和粘度的最佳值。在针对图3的方法的描述中，更加详细地描述了模型202、价值函数204、以及优化器210。图3图示了根据本专利技术实施例的使用剪切波传播的计算模型用于根据剪切波图像评估患者特异剪切模量和粘度值的方法。图3的方法能够被用于实施图1的步骤104。在步骤302，使用剪切波传播的计算模型模拟靶标区域中的剪切波传播。剪切波传播的计算模型计算针对给定剪切模量和粘度的剪切波位移。为此，能够使用针对横波的下述偏微分方程： ρ ∂ t 2 u = μ ▿ 2 u + η ∂ t ▿ 2 u 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于基于组织的剪切波图像评估患者组织的剪切模量和粘度的方法，包括：使用剪切波传播的计算模型基于针对组织的剪切模量和粘度值模拟组织中的剪切波传播；使用价值函数来将所模拟的剪切波传播与组织的剪切波图像中所观察的剪切波传播进行比较；以及评估针对组织的患者特异剪切模量和粘度值以优化将所模拟的剪切波传播与所观察的剪切波传播进行比较的价值函数。

【技术特征摘要】
2015.04.22 US 14/6930801.一种用于基于组织的剪切波图像评估患者组织的剪切模量和粘度的方法，包括：使用剪切波传播的计算模型基于针对组织的剪切模量和粘度值模拟组织中的剪切波传播；使用价值函数来将所模拟的剪切波传播与组织的剪切波图像中所观察的剪切波传播进行比较；以及评估针对组织的患者特异剪切模量和粘度值以优化将所模拟的剪切波传播与所观察的剪切波传播进行比较的价值函数。2.权利要求1所述的方法，还包括：通过生成剪切模量和粘度的空间映射来可视化所评估的患者特异剪切模量和粘度值。3.权利要求1所述的方法，其中使用剪切波传播的计算模型基于针对组织的剪切模量和粘度值模拟组织中的剪切波传播包括：基于针对组织的剪切模量和粘度值计算空间域中对应于多个时间步长的每个处的剪切波图像的至少一个区域的组织的剪切位移。4.权利要求3所述的方法，其中基于针对组织的剪切模量和粘度值计算空间域中对应于多个时间步长的每个处的剪切波图像的至少一个区域的组织的剪切位移包括：通过在每个时间步长处求解来计算空间域中的组织的剪切位移，其中μ是剪切模量，η是粘度，ρ是组织的密度，以及u是组织的剪切位移。5.权利要求1所述的方法，其中使用剪切波传播的计算模型基于针对组织的剪切模量和粘度值模拟组织中的剪切波传播包括：采用针对组织的预定初始化的剪切模量和粘度值使用剪切波传播的计算模型来模拟组织中的剪切波传播。6.权利要求1所述的方法，其中使用剪切波传播的计算模型基于针对组织的剪切模量和粘度值模拟组织中的剪切波传播包括：在组织为非粘性的假设下，基于剪切波图像中所测量的剪切波速度来计算针对组织的初始剪切模量值；以及采用所计算的初始剪切模量值和预定初始粘度值使用剪切波传播的计算模型来模拟组织中的剪切波传播。7.权利要求1所述的方法，其中使用剪切波传播的计算模型基于针对组织的剪切模量和粘度值模拟组织中的剪切波传播包括：基于剪切波图像中前面多个帧确定组织中剪切位移的初始边界条件；以及使用剪切波传播的计算模型基于针对组织的剪切模量和粘度值来模拟从用于组织中的剪切位移的初始边界条件开始的组织中的剪切波传播。8.权利要求1所述的方法，其中使用剪切波传播的计算模型基于针对组织的剪切模量和粘度值模拟组织中的剪切波传播包括：在剪切波图像中使用被用于生成剪切波的声辐射力脉冲(ARFI)的直接模型来确定针对剪切波传播的初始边界条件，其中ARFI的直接模型适于被用于获得的剪切波图像的超声探头的当前探头参数；以及使用剪切波传播的计算模型基于针对组织的剪切模量和粘度值来模拟从初始边界条件开始的组织中的剪切波传播。9.权利要求1所述的方法，其中使用价值函数将所模拟的剪切波传播与组织的剪切波图像中所观察的剪切波传播进行比较包括：使用价值函数将所模拟的剪切波位移与剪切波图像的空间域中针对多个位置的特定时帧处所观察的剪切波位移直接进行比较。10.权利要求9所述的方法，其中使用价值函数将所模拟的剪切波位移与剪切波图像的空间域中针对多个位置的特定时帧处所观察的剪切波位移直接进行比较包括：计算归一化互相关价值函数，其将所模拟的剪切波位移与剪切波图像的空间域中针对多个位置的特定时帧处所观察的剪切波位移直接进行比较。11.权利要求9所述的方法，其中使用价值函数将所模拟的剪切波位移与剪切波图像的空间域中针对多个位置的特定时帧处所观察的剪切波位移直接进行比较包括：计算距离平方和价值函数，其将所模拟的剪切波位移与剪切波图像的空间域中针对多个位置的特定时帧处所观察的剪切波位移直接进行比较。12.权利要求1所述的方法，其中使用价值函数将所模拟的剪切波传播与组织的剪切波图像中所观察的剪切波传播进行比较包括：在多个时间步长的每个处使用价值函数将所模拟的剪切波位移与剪切波图像帧的空间域中针对特定位置所观察的剪切波位移直接进行比较。13.权利要求1所述的方法，其中使用价值函数将所模拟的剪切波传播与组织的剪切波图像中所观察的剪切波传播进行比较包括：在多个时间步长的每个处使用价值函数将所模拟的剪切波位移与剪切波图像帧的空间域中针对多个位置中的每个所观察的剪切波位移直接进行比较。14.权利要求1所述的方法，其中使用价值函数将所模拟的剪切波传播与组织的剪切波图像中所观察的剪切波传播进行比较包括：计算射频空间中的价值函数，其将所观察的剪切波传播的所测量射频偏移与所模拟的剪切波传播的所计算射频偏移进行比较。15.权利要求1所述的方法，其中评估针对组织的患者特异剪切模量和粘度值以优化将所模拟的剪切波传播与所观察的剪切波传播进行比较的价值函数包括：评估针对剪切波图像的靶标区域组织的初始剪切模量值和初始粘度值；采用针对靶标区域中组织的剪切模量和粘度的当前值使用剪切波传播的计算模型模拟剪切波传播；生成误差映射，该误差映射示出使用剪切模量和粘度的当前值的所模拟剪切波传播和所观察空间传播之间的误差值的空间分布；基于使用剪切模量和粘度的当前值的所模拟剪切波传播和所观察空间传播之间的误差值分割误差映射以识别靶标区域内的组织子区域；以及通过计算每个所识别组织子区域的剪切模量和粘度的单独值来评估针对靶标区域中组织的空间变化剪切模量和粘度值以使用多元优化来优化价值函数。16.权利要求15所述的方法，其中评估针对组织的患者特异剪切模量和粘度值以优化将所模拟的剪切波传播与所观察的剪切波传播进行比较的价值函数还包括：重复采用靶标区域中组织的剪切模量和粘度的当前值，使用剪切波传播的计算模型模拟剪切波传播、生成误差映射、分割误差映射、以及评估针对靶标区域中组织的空间变化剪切模量和粘度值的步骤直至靶标区域中的多个子区域收敛。17.权利要求1所述的方法，还包括：重复使用剪切波传播的计算模型基于针对组织的剪切模量和粘度值模拟组织中的剪切波传播、使用价值函数将所模拟的剪切波传播与组织的剪切波图像中所观察的剪切波传播进行比较、以及评估针对组织的患者特异剪切模量和粘度值以优化将所模拟的剪切波传播与所观察的剪切波传播进行比较的价值函数的步骤，直至所模拟的剪切波传播收敛至剪切波图像中所观察的剪切波传播。18.权利要求2所述的方法，其中针对组织的所评估的患者特异剪切模量值和粘度值是空间变化的剪切模量值和粘度值，以及通过生成剪切模量和粘度的空间映射来可视化所评估的患者特异剪切模量和粘度值包括：通过将所评估的空间变化患者特异剪切模量值映射至剪切波图像的空间域来生成剪切模量彩色映射，并基于针对剪切模量彩色映射中的每个像素的所评估的患者特异剪切模量值为每个像素分配颜色；以及通过将所评估的空间变化患者特异粘度值映射至剪切波图像的空间域来生成粘度彩色映射，并基于针对粘度彩色映射中的每个像素的所评估的患者特异粘度值为每个像素分配颜色。19.一种用于基于组织的剪切波图像评估患者组织的剪切模量和粘度的设备，包括：用于使用剪切波传播的计算模型基于针对组织的剪切模量和粘度值模拟组织中的剪切波传播的装置；用于使用价值函数将所模拟的剪切波传播与组织的剪切波图像中所观察的剪切波传播进行比较的装置；以及用于评估针对组织的患者特异剪切模量和粘度值以优化将所模拟的剪切波传播与所观察的剪切波传播进行比较的价值函数的装置。20.权利要求19所述的设备，还包括：用于通过生成剪切模量和粘度的空间映射来可视化所评估的患者特异剪切模量和粘度值的装置。21.权利要求19所述的设备，其中用于使用剪切波传播的计算模型基于针对组织的剪切模量和粘度值模拟组织中的剪切波传播的装置包括：用于基于针对组织的剪切模量和粘度值计算空间域中对应于多个时间步长的每个处的剪切波图像的至少一个区域的组织的剪切位移的装置。22.权利要求19所述的设备，其中用于使用价值函数来将所模拟的剪切波传播与组织的剪切波图像中所观察的剪切波传播进行比较的装置包括：用于使用价值函数将所模拟的剪切波位移与剪切波图像的空间域中针对多个位置的特定时帧处所观察的剪切波位移直接进行比较的装置。23.权利要求19所述的设备，其中用于使用价值函数将所模拟的剪切波传播与组织的剪切波图像中所观察的剪切波传播进行比较的装置包括：用于在多个时间步长的每个处使用价值函数将所模拟的剪切波位移与剪切波图像帧的空间域中针对特定位置所观察的剪切波位移直接进行比较的装置。24.权利要求19所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·科马尼丘，范列湘，F·富洛，A·卡门，T·曼西，S·拉帕卡，
申请(专利权)人：美国西门子医疗解决公司，
类型：发明
国别省市：美国;US