单定标脂肪肝b超图像定量分析方法

专利名称：单定标脂肪肝b超图像定量分析方法
技术领域：
本发明属于B超图像分析技术，具体涉及一种单定标脂肪肝B超图像定量分析方法。
背景技术：
B超仪是通过向人体发射超声波，然后根据接收的各层组织界面反射的回声强弱，用不同的灰度级进行图像显示的。B超图像对诊断肝脏疾病有着较高的临床价值，尤其是脂肪肝B超图像，它具有与脂肪肝的病变程度成正相关的超声组织定征，如肝实质前端回声增强，肝脏深部回声逐渐减弱轻度脂肪肝表现为肝脏后部光点回声稍减低；中度脂肪肝表现为肝深层1/3部分光点回声明显减低；重度脂肪肝表现为肝深层2/3部分光点回声基本不显示。另外，脂肪肝B超图像的纹理也会较正常肝脏B超图像有所不同正常肝脏B超图像回声均匀、纹理光滑整齐，而脂肪肝B超图像回声的反射和散射较大，纹理较粗呈云雾状且比较杂乱，这些超声显像特征为脂肪肝B超图像的定量分析提供了重要依据。当前对脂肪肝B超图像进行分析主要是用肉眼判断图像灰度级(超声波图像上体现为回声强弱)的变化，但由于人眼通常只能分辨8～16级灰度级，不能对回声强度的细微变化进行准确估计，并且人工分析B超图像在很大程度上依靠医生的主观估计，这种经验的、感性的认识不具有可重复性，无法获得统一的量化分析结果。近十年来，国内外许多学者对肝脏B超图像进行了回声强度变化的量化分析，包括肝脏B超图像的直方图分析、肝脏B超图像的纹理分析等，还产生了相关的专利例如“人体组织双频超声衰减成像”(专利申请号为98118262.3)、“超声定量诊断系统及其回声图像定量化方法”(专利申请号为94111751.0)等。但由于超声波在人体组织中传播时因反射、散射、扩散以及人体组织对超声能量的吸收，造成了超声波的衰减，超声波传播得越远回声就越弱。为了正确反映人体组织的特性，消除超声波由于距离远近而产生衰减的因素，需要在B超仪上使用增益值调节，以使B超图像亮度适宜，且近、远场显示亮度均匀一致。另外不同频率的探头对超声波的回声衰减具有不同影响，所以B超成像时因B超仪老化程度、被测肝脏个体差异，需对B超仪参数进行相应调整以达到最佳的B超图像成像效果。由于B超仪参数的可变性，导致了B超图像成像效果的不稳定性和不可重复性，故难以对被测肝脏B超图像的回声数据进行统一的量化分析。因此，为了使在不同的B超仪参数下成像的B超图像具有可重复性的分析结果，可以利用定标体模对当前B超仪的参数进行定标，在此基础之上定量分析被测肝脏的B超图像。现有的相关研究成果专利有“双定标肝脏超声衰减定量分析技术”(专利申请号为200310110170.7)、“肝脏双定标背向散射B′型B超图像定量分析技术”(专利申请号为200610017335.X)等。但这些研究中选用了双定标体模，且要求两个定标体模的材料必须分别与正常肝脏和典型的重度脂肪肝的声学衰减系数相同，这样的体模及其B超图像在实际应用中很难获得。

发明内容
本发明的目的在于提供一种单定标脂肪肝B超图像定量分析方法，该方法可以利用实际应用中容易获得的、并且在不同B超参数下有不同的声学衰减现象的材料制成的定标体模，为B超仪参数进行定标，获得可重复性的定量分析结果。
本发明提供的一种单定标脂肪肝B超图像定量分析方法，其步骤包括(1)预先确定R组不同范围的B超仪参数值；(2)将正常、典型的轻度脂肪肝、中度脂肪肝和重度脂肪肝的肝脏B超图像及定标体模的B超图像分为R组，每组中的图像成像时的B超仪参数值相同，且为(1)中预先确定的某一组参数值；(3) 在每幅B超图像中选择若干个凸多边形或凹多边形取样区域，分析B超图像中取样区域的若干回声特征参数；(4)对步骤(3)获得的每个参数进行归一化，得到对应的归一化参数；(5)根据步骤(4)中获得的归一化参数，求每幅B超图像的取样区域回声强度变化系数；(6)计算被测肝脏B超图像的取样区域的回声强度变化系数Fpatient；(7)在与被测肝脏B超图像在相同B超仪参数下的定标体模B超图像中选取取样区域，计算该取样区域的回声强度变化系数Fpattern；(8)从步骤(5)得到的定标体模B超图像的回声强度变化系数中选择出与Fpattern之差的绝对值最小的两个系数Fr1pattern，Fr2pattern，这两个系数是在对应的第r1，r2组B超仪参数下成像的定标体模B超图像的回声强度变化系数，其中，r1，r2∈{1，2，...，R}；(9)根据定标体模B超图像的回声强度变化系数Fr1pattern，Fr2pattern及Fpattern的相对关系，以及第r1，r2组B超仪参数下成像的各分级脂肪肝B超图像的回声强度变化系数，插值估计与被测肝脏B超图像同B超仪参数下成像的各分级脂肪肝B超图像的回声强度变化系数；(10)分析(9)所得的插值估计值与Fpatient的相对关系，再次插值估计以获得被测脂肪肝B超图像量化分级指数score。
本发明方法利用单个的在实际应用中容易获取的定标体模(又称为仿组织超声体模，该定标体模在不同B超仪参数下与人体肝脏具有相似的声学衰减现象)在各种B超仪参数下成像的B超图像，为B超仪参数进行定标，从而排除B超仪老化程度、发射能量、功率放大、深度增益、前场抑制、后场补偿以及探头的不同频率等多项可变因素对图像分析结果的影响，而获得可重复性的被测肝脏B超图像的分析结果；在此基础之上，本发明又针对传统B超图像分析过程中人眼观测B超图像精确度不足及主观性强的弱点，通过分析被测肝脏B超图像前、后场灰度差增大及纹理加粗且杂乱的多种组织定征，计算相应的回声强度变化系数，并将其和与之在相同B超仪参数下成像的正常、典型的轻度脂肪肝、中度脂肪肝和重度脂肪肝的肝脏B超图像及定标体模的B超图像的回声强度变化系数进行比较，根据它们之间的相对关系最终获得被测肝脏B超图像的定量分级指数，达到提高脂肪肝B超图像分析过程中的客观性和精确性。


图1是本发明方法实施例的第一阶段流程图；图2是本发明方法实施例的第二阶段流程图；图3是本发明的人体肝脏B超图像取样区域示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
本发明共分为两个实施阶段第一阶段为预分析阶段，所有本阶段的操作步骤只需要执行一次；第二阶段为分析阶段，所有本阶段的操作步骤在分析每一幅被测肝脏B超图像的过程中需要执行一次。
1、第一阶段(也就是预分析阶段)主要是预先获得不同B超仪参数下成像的各分级典型脂肪肝及定标体模的B超图像回声强度变化系数，将其作为分析被测肝脏B超图像的脂肪肝定量分级指数的参照系数，其操作步骤如图1所示，具体为(1)预先确定R组不同范围的B超仪参数值，这些B超仪参数包括深度增益、前场抑制、后场补偿、扫描频率、扫描深度5项，具体确定方法是将第q项参数的可调范围进行Zq(Zq可由操作者按照该项参数的调试精度而确定，Zq取得越大则精度越高)等分，然后把每项参数各等分点的参数值进行组合，每种组合就设定为一组预先确定的B超仪参数值，共有R=Πq=15Zq]]>组。
(2)将正常、典型的轻度脂肪肝、中度脂肪肝和重度脂肪肝的肝脏B超图像及定标体模的B超图像分为R组，每组中的图像成像时的B超仪参数值相同，且为(1)中预先确定的某一组参数值。
(3)在每幅B超图像中选取取样区域，分析该区域的五种回声特征参数，这五种回声特征参数都与脂肪肝病变程度成正相关，包括前、后场取样区域灰度直方图的平均灰度差、直方图相似度及总取样区域灰度共生矩阵的能量倒数、熵和反差分矩倒数，并将这些参数进行存储。现以第r组B超图像的第t幅图像的分析过程为例说明其具体步骤(3.1)如图3所示，在第r组B超图像的第t幅图像中选取取样区域。若该图像为人体肝脏的B超图像，则在其B超图像的肝实质前场区域H中的任意位置与肝实质后场区域L中的任意位置各选取若干个任意形状的多边形，且每个多边形区域中不包含位于肝实质中的血管区域V；若该图像为定标体模的B超图像，则在其整个B超图像的前场及后场的任意位置各选取若干个任意形状的多边形。将选取的该B超图像前场多边形组成的区域记为前场取样区域A，后场多边形组成的区域记为后场取样区域B，所有多边形组成的区域记为总取样区域C，则第r组B超图像的第t幅图像中的对应的区域记为Atr，Btr，Ctr。
(3.2)对(3.1)的取样区域进行分析，计算并存储相应的前、后场取样区域Atr、Btr的灰度直方图平均灰度差ft，1r、直方图相似度ft，2r及总取样区域Ctr的灰度共生矩阵的能量倒数ft，3r、熵ft，4r和反差分矩倒数ft，5r，这些参数的计算方法如下①计算区域Atr、Btr的灰度直方图ha、hb。ha、hb的第i个元素ha(i)与hb(i)，分别为区域Atr、Btr中灰度级为i的像素在各区域中的比例。根据直方图ha、hb计算平均灰度差ft，1r和直方图相似度ft，2r，若B超图像灰度级为L0，则有ft，1r＝(MAt-MBt)/(dt×3.0)(公式1)其中MAt=Σi=1L0hA(i)×i,]]>MBt=Σi=1L0hB(i)×i,]]>dt为Atr与Btr中心点的距离；fi,2r=(Σi=1L0(ha(i)-hb(i))2)1/2]]>(公式2)②计算区域Ctr的灰度共生矩阵P。P中的元素P(m1，m2)是特定的像素对在区域Crt中出现的概率，特定的像素对满足以下条件a)两像素点的灰度值分别等于m1，m2；b)两像素点相距d个像素，d通常取1～4的某个整数；c)两像素点的连线与水平线夹角为θ，θ通常取0， π， 2π中的某个角度。
根据灰度共生矩阵P计算能量倒数ft，3r、熵ft，4r和反差分矩倒数ft，5r，若B超图像灰度级为L0，则有ft,3r=(Σm1=1L0Σm2=1L0P2(m1,m2))-1]]>(公式3)ft,4r=Σm1=1L0Σm2=1L0P(m1,m2)logP(m1,m2)]]>(公式4)ft,5r=(-Σm1=1L0Σm2=1L0P(m1,m2)1+(m1-m2)2)-1]]>(公式5)对第r组B超图像的其他图像按照(3.1)～(3.2)的所述的方法选取取样区域并进行参数分析，最终得到参数ft，ur，t=1，2，…5，u=1，2，…5。
到此，第r组B超图像分析过程结束。然后按照同样的方法进行其他组B超图像的分析，直到将R组B超图像全部分析完毕，最终获得各B超图像的回声变化系数ft，ur，r=1，…R，t=1，2，…5，u=l，2，…5。
(4)对(3)获得的每个参数ft，ur，r=l，2，...，R，t=1，2，..5，u=l，2，…5进行归一化，得对应的归一化参数 ，r＝1，2，...，R，t=1，2，...5，u=1，2，...，5，归一化计算公式为f-t,ur=ft,ur-fuminfumax-fumin]]>(公式6)其中fumax=max({f1,u1,f1,u2,...,f1,ur,f2,u1,f2,u2,...,f2,ur,...,ft,u1,ft,u2,...,ft,ur}),]]>fumin=min({f1,u1,f1,u2,...,f1,ur,f2,u1,f2,u2,...,f2,ur,...,ft,u1,ft,u2,...,ft,ur}).]]>(5)根据(4)中获得的归一化参数 ，r=1，2，...，R，t=1，2，...5，u=l，2，...，5，求每幅B超图像中的取样区域的回声强度变化系数，则第r组B超图像中第t幅图像的取样区域回声强度变化系数为Ftr=15Σu=15wuf-r,ur,wu>0]]>(公式7)其中wu为第u项回声特征参数的权重，权重wu的大小则表示第u项参数与脂肪肝病变的正相关程度，且满足Σu=15|wu|=1]]>，例如可设wu＝0.2，u＝1,2,3,4,5。
2、第二阶段为分析阶段，分析每一幅被测肝脏B超图像时都需执行一次，其步骤为(1)在被测肝脏B超图像中按照第一阶段(3.1)所述的方法选取取样区域，并按照(3.2)、(4)和(5)所述的方法计算取样区域的回声强度变化系数Fpatient。
(2)在与被测肝脏B超图像在相同B超仪参数下成像的定标体模B超图像中按照与(1)同样的方法选取取样区域，并计算取样区域的回声强度变化系数Fpattern。
(3)从第一阶段进行预先分析获得的定标体模B超图像的回声强度变化系数Frpattern，r＝1，2，...，R中选择出与Fpattern之差的绝对值最小的两个系数Fr1pattern，Fr2pattern，这两个系数是在第r1，r2组B超仪参数下成像的定标体模B超图像的回声强度变化系数，其中r1，r2∈1，2，3...R。
(4)根据定标体模B超图像的回声强度变化系数Fr1pattern，Fr2pattern及Fpattern的相对关系，及第r1，r2组B超仪参数下成像的各分级脂肪肝B超图像的回声强度变化系数，对与被测肝脏B超图像在相同B超仪参数下成像的各分级脂肪肝B超图像的回声强度变化系数进行线性插值估计，具体做法是设0-3级脂肪肝B超图像对应于正常、典型的轻度脂肪肝、中度脂肪肝和重度脂肪肝的肝脏B超图像，则与被测肝脏B超图像同B超仪参数下成像的第k级脂肪肝B超图像的回声强度变化系数的插值估计值为 (公式8)其中Fr1k级脂肪肝，Fr2k级脂肪肝为在第r1，r2组B超仪参数下成像的第k级脂肪肝的回声强度变化系数。
(5)分析所得的Fk级脂肪肝，k＝0，1，2，3与Fpatient的相对关系，获得被测肝脏B超图像量化分级指数score，其计算方法为 (公式9)其中Fk1级脂肪肝和Fk2级脂肪肝是在所有Fk级脂肪肝，k＝0，1，2，3中，与Fpatient之差的绝对值最小的两个回声强度变化系数，且满足Fpatient∈[Fk1级脂肪肝，Fk2级脂肪肝]，K1＜K2。
上面仅仅举例了其中一种具体实施方式
，对于本领域一般技术人员，根据本发明公开的内容，可以有多种不同的方式来实现上述各步骤，如B超仪参数值、回声特征参数和插值算法均可以有不同的选取方式。
权利要求
1.一种单定标脂肪肝B超图像定量分析方法，其步骤包括(1)预先确定R组不同范围的B超仪参数值；(2)将正常、典型的轻度脂肪肝、中度脂肪肝和重度脂肪肝的肝脏B超图像及定标体模的B超图像分为R组，每组中的图像成像时的B超仪参数值相同，且为(1)中预先确定的某一组参数值；(3)在每幅B超图像中选择若干个凸多边形或凹多边形取样区域，分析B超图像中取样区域的若干回声特征参数；(4)对步骤(3)获得的每个参数进行归一化，得到对应的归一化参数；(5)根据步骤(4)中获得的归一化参数，求每幅B超图像的取样区域回声强度变化系数；(6)计算被测肝脏B超图像的取样区域的回声强度变化系数Fpatient；(7)在与被测肝脏B超图像在相同B超仪参数下成像的定标体模B超图像中选取取样区域，计算该取样区域的回声强度变化系数Fpattern；(8)从步骤(5)得到的定标体模B超图像的回声强度变化系数中选择出与Fpattern之差的绝对值最小的两个系数Fr1pattern，Fr2pattern，这两个系数是在对应的第r1，r2组B超仪参数下成像的定标体模B超图像的回声强度变化系数，其中r1，r2∈{1，2，...，R}；(9)根据定标体模B超图像的回声强度变化系数Fr1pattern，Fr2pattern及Fpattern的相对关系，以及第r1，r2组B超仪参数下成像的各分级脂肪肝B超图像的回声强度变化系数，插值估计与被测肝脏B超图像同B超仪参数下成像的各级脂肪肝B超图像的回声强度变化系数；(10)分析(9)所得的插值估计值与Fpatient的相对关系，再次插值估计以获得被测脂肪肝B超图像量化分级指数score。
2.根据权利要求1所述的定量分析方法，其特征在于步骤(1)中B超仪参数包括深度增益、前场抑制、后场补偿、扫描频率和扫描深度。
3.根据权利要求1或2所述的定量分析方法，其特征在于步骤(3)的回声特征参数包括前、后场取样区域灰度直方图平均灰度差、直方图相似度及总取样区域灰度共生矩阵的能量倒数、熵和反差分矩倒数。
全文摘要
一种单定标脂肪肝B超图像定量分析方法，其步骤为预先获得不同B超仪参数下成像的各分级典型脂肪肝及定标体模的B超图像回声强度变化系数，将其作为分析被测B超图像脂肪肝定量分级指数的参照系数；分析时采用被测B超图像和与之在相同B超仪参数下成像的定标体模B超图像的回声强度变化系数，根据当前和预先获得的定标体模B超图像的回声强度变化系数之间的相对大小，得到各分级典型脂肪肝B超图像的回声强度变化系数在当前参数下的插值估计值，然后比较被测肝脏B超图像的回声强度变化系数与所得到的插值估计值的相对大小，从而得到被测肝脏B超图像的脂肪肝定量分级指数。本方法能够提高脂肪肝B超图像分析过程中的可重复性和精确性。
文档编号G06F19/00GK1969766SQ20061012522
公开日2007年5月30日 申请日期2006年12月1日 优先权日2006年12月1日
发明者宋恩民, 王倩, 刘宏, 许向阳, 罗煜, 赵静 申请人:华中科技大学