用定量超聲參數(shù)映射的一階和二階統(tǒng)計(jì)來(lái)分類(lèi)和表征組織的系統(tǒng)和方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】用定量超聲參數(shù)映射的一階和二階統(tǒng)計(jì)來(lái)分類(lèi)和表征組織 的系統(tǒng)和方法
【背景技術(shù)】
[0001] 本發(fā)明的領(lǐng)域是用于定量超聲（"QUS"）的系統(tǒng)和方法。更具體地，本發(fā)明涉及用 于使用QUS將組織分類(lèi)和表示為與特定組織學(xué)狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)和方法。
[0002] 臨床超聲對(duì)于診斷癌癥和其他疾病是一種有用的且非侵入的工具。除了超聲的非 侵入地區(qū)分惡性腫瘤與良性腫瘤的能力，依據(jù)其組織學(xué)等級(jí)來(lái)表示惡性腫瘤的能力對(duì)于區(qū) 分病期和治療設(shè)計(jì)是具有最高重要性的。由于在超聲成像時(shí)期期間選可擇許多儀器參數(shù)， 當(dāng)使用不同的超聲機(jī)器時(shí)，或當(dāng)應(yīng)用不同的設(shè)置時(shí)，常規(guī)B-模式圖像的對(duì)比解釋變得困 難。此外，B-模式圖像缺乏關(guān)于軟組織的微結(jié)構(gòu)性質(zhì)的信息。
[0003] 定量超聲（"QUS"）技術(shù)，檢查與儀器設(shè)置無(wú)關(guān)的組織的頻率相關(guān)背散射，被認(rèn)為 克服此限制。這種技術(shù)被應(yīng)用于活體內(nèi)以揭示關(guān)于組織的底層微結(jié)構(gòu)的信息或組織學(xué)狀 態(tài)，實(shí)現(xiàn)了疾病與非疾病的區(qū)分、活性與凋亡組織的區(qū)分、以及疾病在其子類(lèi)型中的表征。 特別地，包括有效散射體直徑（"ESD"）和有效聲學(xué)濃度（"EAC"）的參數(shù)證明有潛力在乳 腺癌與纖維腺瘤的小鼠腫瘤模型之間作出區(qū)分。然而，有效散射體尺寸與聲學(xué)濃度的估計(jì) 需要關(guān)于背散射模型的先驗(yàn)知識(shí)，在組織特殊組織的情況下表征通常會(huì)很復(fù)雜。
[0004] 為了避免復(fù)雜的模型擬合，對(duì)于組織表征提出了經(jīng)由射頻（"RF"）回波信號(hào)頻譜 的線(xiàn)性回歸分析所提取的基本頻譜參數(shù)，包括中頻帶擬合（"MBF"）、頻譜斜率（"SS"）、以 及頻譜Ο-MHz截距（"SI"）。這種定量參數(shù)以前被用于表征多種類(lèi)型的組織異常，包括前 列腺、淋巴結(jié)和心肌中的那些，以及用于檢測(cè)凋亡細(xì)胞死亡。通過(guò)將超聲功率譜模型化為聲 學(xué)阻抗自相關(guān)函數(shù)，已經(jīng)證明SS可與有效散射體尺寸相關(guān)，SI可與聲學(xué)濃度相關(guān)，以及MBF 可與有效散射體尺寸與聲學(xué)濃度兩者有關(guān)?？蛇x地，散射體間隔（也被已知為散射體之間 的間隔（"SAS"））已經(jīng)被研究作為組織表征參數(shù)，當(dāng)關(guān)系的組織在其結(jié)構(gòu)組織中包含可檢 測(cè)的周期性。在此情況下，散射體間隔已被應(yīng)用于表征人類(lèi)乳腺腫瘤，通過(guò)將它們分類(lèi)成正 常、纖維腺瘤、單一癌或浸潤(rùn)的乳頭狀癌。其他研究也調(diào)查出SAS用于表征肝臟的擴(kuò)散疾病 的潛力。
[0005] 盡管以上討論的常規(guī)定量超聲平均參數(shù)描述了組織微結(jié)構(gòu)的頻率相關(guān)性質(zhì)，但是 它們的參數(shù)化映射的紋理特征可通過(guò)量化灰度級(jí)轉(zhuǎn)變的圖案來(lái)提供二階統(tǒng)計(jì)。數(shù)個(gè)以前的 研究已經(jīng)應(yīng)用了超聲B-模式圖像的紋理特征以在惡性與良性乳腺腫瘤之間作出區(qū)分。在 此組織分類(lèi)技術(shù)后面的原理是惡性腫瘤趨向于表現(xiàn)為不均勻的內(nèi)部回波，而良性腫瘤通常 顯示均勻的內(nèi)部回波。在此應(yīng)用中，紋理分析技術(shù)旨在基于超聲灰度級(jí)變換來(lái)提取組織內(nèi) 部回波性質(zhì)或"紋理"，并且因此可定義可區(qū)分的特性。然而，常規(guī)B-模式圖像也可表示由 于儀器設(shè)置中的變化、超聲波束衍射、以及衰減效應(yīng)導(dǎo)致的紋理估計(jì)中的不期望的變化。
[0006] 因此，將期望提供用于使用超聲將組織分類(lèi)成與特殊組織學(xué)狀態(tài)相關(guān)聯(lián)而沒(méi)有與 分析B-模式圖像相關(guān)聯(lián)的準(zhǔn)確度上的限制的系統(tǒng)及方法。有利地，這種系統(tǒng)和方法將能夠 基于組織學(xué)狀態(tài)來(lái)分類(lèi)組織，該組織學(xué)狀態(tài)包括總分類(lèi)（例如正常的、癌的）和子類(lèi)型分類(lèi) (例如，腫瘤等級(jí)、肝纖維化病期）。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明通過(guò)提供用于通過(guò)分析定量超聲參數(shù)映射的一階和二階統(tǒng)計(jì)來(lái)分類(lèi)組織 的系統(tǒng)和方法，克服了前述缺點(diǎn)，其中，充分地減少了由于儀器設(shè)置中的變化、超聲波束衍 射、以及衰減效應(yīng)而導(dǎo)致的紋理估計(jì)中的不想要的變化。
[0008] 本發(fā)明一方面提供用于使用超聲系統(tǒng)將組織分類(lèi)成與特定組織學(xué)狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的 方法。使用超聲系統(tǒng)從包含組織的感興趣區(qū)域獲取超聲回波信號(hào)數(shù)據(jù)。從所獲取的超聲回 波信號(hào)數(shù)據(jù)產(chǎn)生至少一個(gè)參數(shù)映射。至少一個(gè)參數(shù)映射具有與從所獲取的超聲回波信號(hào)數(shù) 據(jù)中計(jì)算的參數(shù)相關(guān)聯(lián)的像素值。計(jì)算至少一個(gè)參數(shù)映射的至少一個(gè)一階統(tǒng)計(jì)度量，諸如 平均數(shù)。也計(jì)算至少一個(gè)參數(shù)映射的至少一個(gè)二階統(tǒng)計(jì)度量，諸如對(duì)比度、能量、均勻性或 相關(guān)性。然后，使用計(jì)算的至少一個(gè)一階統(tǒng)計(jì)度量和計(jì)算的至少一個(gè)二階統(tǒng)計(jì)度量將該組 織分類(lèi)為與特定組織學(xué)狀態(tài)相關(guān)聯(lián)。
[0009] 本發(fā)明另一方面提供用超聲系統(tǒng)產(chǎn)生指示組織的組織學(xué)狀態(tài)的成像生物標(biāo)志物 的方法。使用超聲系統(tǒng)從組織中獲取超聲回波信號(hào)數(shù)據(jù)。然后從所獲取的超聲回波信號(hào)數(shù) 據(jù)產(chǎn)生至少一個(gè)參數(shù)映射。該至少一個(gè)參數(shù)映射具有與從所獲取的超聲回波信號(hào)數(shù)據(jù)計(jì)算 的參數(shù)相關(guān)聯(lián)的像素值。計(jì)算至少一個(gè)參數(shù)映射的至少一個(gè)一階統(tǒng)計(jì)度量，同時(shí)計(jì)算該至 少一個(gè)參數(shù)映射的多個(gè)二階統(tǒng)計(jì)度量。然后通過(guò)確定該計(jì)算的至少一個(gè)一階統(tǒng)計(jì)度量和該 計(jì)算的多個(gè)二階統(tǒng)計(jì)度量的組合來(lái)產(chǎn)生成像生物標(biāo)志物，該組合與將該組織分類(lèi)為與特定 組織學(xué)狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的期望的準(zhǔn)確度相關(guān)。期望的準(zhǔn)確度可以是期望的特異性、靈敏度或其 組合。
[0010] 本發(fā)明的先前以及其他方面和優(yōu)點(diǎn)將根據(jù)以下描述而顯現(xiàn)。在該描述中，參考形 成其一部分且作為說(shuō)明示出本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的附圖。這樣的實(shí)施例不必要表示本發(fā)明 的全部范圍，然而對(duì)權(quán)利要求和本法作出參考以用于解釋本發(fā)明的范圍。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1是闡明使用定量超聲和定量超聲參數(shù)映射的一階與二階統(tǒng)計(jì)度量來(lái)表征組 織的方法的示例的步驟的流程圖；
[0012] 圖2A是使用四個(gè)參數(shù)的平均數(shù)獲得的典型判別函數(shù)的平面上的區(qū)域映射上覆蓋 的不同腫瘤等級(jí)采樣的示例散布點(diǎn)；
[0013] 圖2B是使用四個(gè)參數(shù)的二階統(tǒng)計(jì)獲得的典型判別函數(shù)的平面上的區(qū)域映射上覆 蓋的不同腫瘤等級(jí)采樣的示例散布點(diǎn)；
[0014] 圖2C是使用四個(gè)參數(shù)的平均數(shù)與二階統(tǒng)計(jì)兩者獲得的典型判別函數(shù)的平面上的 區(qū)域映射上覆蓋的不同腫瘤等級(jí)采樣的示例散布點(diǎn)；
[0015] 圖3是與對(duì)應(yīng)的參數(shù)映射的對(duì)比度、相關(guān)性、均勻性和能量參數(shù)結(jié)合的有效散射 體直徑（"ESD"）的平均數(shù)的線(xiàn)性判別分析函數(shù)的示例散布點(diǎn)；
[0016] 圖4是可被配置為實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施例的示例計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的框圖；
[0017] 圖5示出對(duì)正常（對(duì)照）肝和脂肪肝獲取的不同QUS頻譜（一階）和紋理（二 階）參數(shù)的平均值的一系列點(diǎn)；
[0018] 圖6A是具有對(duì)正常（對(duì)照）肝和脂肪肝獲取的數(shù)據(jù)的MBF能量與MBF相關(guān)性參 數(shù)的平面上的示例散布點(diǎn)，其中在與該平面相關(guān)聯(lián)的組合參數(shù)上使用線(xiàn)性判別分析來(lái)分類(lèi) 兩種組織類(lèi)型的樣本且分類(lèi)邊界被示為虛線(xiàn)；
[0019] 圖6B是具有對(duì)正常（對(duì)照）肝和脂肪肝獲取的數(shù)據(jù)的MBF能量與SS參數(shù)的平面 上的示例散布點(diǎn)，其中在與該平面相關(guān)聯(lián)的組合參數(shù)上使用線(xiàn)性判別分析來(lái)分類(lèi)兩種組織 類(lèi)型的樣本且分類(lèi)邊界被示為虛線(xiàn)；
[0020] 圖6C是具有對(duì)正常（對(duì)照）肝和脂肪肝獲取的數(shù)據(jù)的SS能量與SS參數(shù)的平面 上的示例散布點(diǎn)，其中在與該平面相關(guān)聯(lián)的組合參數(shù)上使用線(xiàn)性判別分析來(lái)分類(lèi)兩種組織 類(lèi)型的樣本且分類(lèi)邊界被示為虛線(xiàn)；
[0021] 圖6D是具有對(duì)正常（對(duì)照）肝和脂肪肝獲取的數(shù)據(jù)的SI能量與SI參數(shù)的平面 上的示例散布點(diǎn)，其中在與該平面相關(guān)聯(lián)的組合參數(shù)上使用線(xiàn)性判別分析來(lái)分類(lèi)兩種組織 類(lèi)型的樣本且分類(lèi)邊界被示為虛線(xiàn)。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 在此描述一些用于使用定量超聲技術(shù)來(lái)表征組織的系統(tǒng)和方法。從在超聲掃描 期間從感興趣區(qū)域中獲取的原始回波信號(hào)數(shù)據(jù)直接計(jì)算參數(shù)。優(yōu)選地，在使用參考數(shù)據(jù)來(lái) 歸一化回波信號(hào)數(shù)據(jù)之后計(jì)算這些參數(shù)以減少儀器設(shè)置中的變化、超聲波束衍射和衰減效 應(yīng)的影響。例如，可計(jì)算定量超聲（"QUS"）參數(shù)，諸如中頻帶擬合（"MBF"）、頻譜斜率 ("35")、頻譜0，^截距（"51")、散射體之間的間隔（"545")、有效散射體直徑（150")、 以及有效聲學(xué)濃度（"EAC")，從中產(chǎn)生了與感興趣區(qū)域相關(guān)聯(lián)的參數(shù)映射從這些參數(shù)映射 中計(jì)算一階和二階統(tǒng)計(jì)度量并被用于表征感