一种使用反射、声速、衰减参数进行乳腺肿瘤体积测量的方法和装置与流程

1.本发明涉及乳腺肿瘤检测领域，尤其是涉及一种使用反射、声速、衰减参数进行乳腺肿瘤体积测量的方法和装置。


背景技术：

2.乳腺癌是全球第一大癌症，在2020年世界卫生组织国际癌症研究机构的数据中显示，乳腺癌以226万新发癌症病例，超越肺癌，成为全球第一大癌症，在中国，乳腺癌更是女性健康的头号杀手，而且相对于欧美，由于早期筛查手段的缺乏，往往发现的时候已经存在癌细胞的扩散。
3.现有乳腺癌的检查手段，一般有钼靶检查、传统超声检测、核磁共振、改良型超声检查等。
4.其中，钼靶一般作为乳腺影像检查中的金标准，但钼靶检查过程需要压迫乳房，特别是对致密型乳腺的可疑乳房钙化评估方面，特异度不高，漏诊率高达76％。相对西方妇女，东方妇女的乳腺相对致密，且乳腺癌的发病年龄较低，因此，钼靶检查不适合作为亚洲女性乳房检查的早筛手段；传统超声检测只能提供乳腺组织某一断面的图像，临床上需要医生根据实时二维图像在脑海中拼出乳房组织的三维结构，主观性强，缺乏重复性和可追溯性，对于肿瘤的位置、形状和大小很容易产生不准确的估测结果；核磁共振虽然具有灵敏度优势，但其耗时长、费用高，不适合作为早筛手段；而改良型超声检查设备通常有ge的abus、西门子的abvs，这些改良型超声检查设备虽然能获得三维图像，但是只采集反射波信号形成灰阶图，对乳腺组织的呈现较为单一，不能清楚地呈现病变位置与正常乳腺组织的明显区别；而上述的乳腺癌检查手段，由于检查本身数据不够精确，因此也无法准确的计算乳腺组织中的肿瘤体积大小。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种可以精确计算乳腺肿瘤体积的使用反射、声速、衰减参数进行乳腺肿瘤体积测量的方法和装置。
6.为解决上述技术问题，本发明提供了一种使用反射、声速、衰减参数进行乳腺肿瘤体积测量的方法，包括以下步骤：
7.步骤1、对乳腺组织发射超声波，获取针对乳腺组织不同方位的反射波信号和透射波信号，其中不同方位覆盖乳腺组织的全方位角度；
8.步骤2、通过反射波信号和透射波信号进行超声反射、声速、衰减成像，并获得基于超声反射、声速、衰减成像的三种医学影像数据；
9.步骤3、对获得的医学影像数据进行分割、分类，获取医学影像数据对应的二值化数据；
10.步骤4、根据二值化数据获取乳腺组织中肿瘤的表面定位锚点；
11.步骤5、对表面定位锚点进行三角剖分，构成多个三角形面片，并将多个三角形面片拼合形成一个封闭的空间多面体；
12.步骤6、针对空间多面体进行平滑操作；
13.步骤7、基于平滑操作后的空间多面体进行多面体体积计算，获得乳腺组织中的肿瘤体积。
14.进一步的，步骤4中，采用marchingcube算法配合二值化数据获取乳腺组织中肿瘤的表面定位锚点。
15.进一步的，步骤5中，使用delaunay三角剖分算法对乳腺组织中肿瘤的表面定位锚点进行三角剖分。
16.进一步的，在步骤5获得空间多面体后，采用网格细分算法对空间多面体的面片网格进行优化。
17.进一步的，步骤6中，通过三维多面体面片平滑算法对空间多面体进行整体平滑操作。
18.进一步的，步骤7中，通过三维多面体体积计算算法对空间多面体进行多面体体积计算。
19.进一步的，所述三维多面体面片平滑算法为laplacian平滑算法或curvature平滑算法或taubin算法或laplacian平滑算法、curvature平滑算法、taubin算法衍生的混合算法。
20.本发明还公开了一种使用反射、声速、衰减参数进行乳腺肿瘤体积测量的方法的装置，包括信号发生器、信号接收器，还包括至少一个超声探头；所述超声探头分别与所述信号发生器以及信号接收器相连。
21.进一步的，还包括和信号接收器相连的数据采集模块；所述信号接收器将接收到超声信号传送至数据采集模块中。
22.进一步的，所述信号发生器用于对乳腺组织发射超声波。
23.本发明的优点在于，信号发生器在对人体乳腺组织发射出超声波后，信号接收器会对超声波的反射波信号和透射波信号进行采集，并通过反射波信号和透射波信号进行超声反射成像，进而得到全方面、三维、立体的医学影像数据，随后针对医学影像数据进行处理并最终获得空间多面体，进而对空间多面体进行体积计算获得乳腺组织中的肿瘤体积，由于采集信息时获得的信息足够全面，使得对乳腺组织肿瘤的体积进行计算时，得到的乳腺肿瘤体积数据也更加的全面。
附图说明
24.图1是本发明装置的结构示意图。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
27.可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
28.如图1所述，本发明提供了一种使用反射、声速、衰减参数进行乳腺肿瘤体积测量的方法，包括以下步骤：
29.步骤1、对乳腺组织发射超声波，获取针对乳腺组织不同方位的反射波信号和透射波信号，其中不同方位覆盖乳腺组织的全方位角度；
30.步骤2、通过反射波信号和透射波信号进行超声反射、声速、衰减成像，并获得基于超声反射、声速、衰减成像的三种医学影像数据；
31.步骤3、对获得的医学影像数据进行分割、分类，获取医学影像数据对应的二值化数据；
32.步骤4、根据二值化数据获取乳腺组织中肿瘤的表面定位锚点；
33.步骤5、对表面定位锚点进行三角剖分，构成多个三角形面片，并将多个三角形面片拼合形成一个封闭的空间多面体；
34.步骤6、针对空间多面体进行平滑操作；
35.步骤7、基于平滑操作后的空间多面体进行多面体体积计算，获得乳腺组织中的肿瘤体积。
36.具体的，信号发生器在对人体乳腺组织发射出超声波后，信号接收器会对超声波的反射波信号和透射波信号进行采集，并通过反射波信号和透射波信号进行超声反射成像，进而得到全方面、三维、立体的医学影像数据，随后针对医学影像数据进行处理并最终获得空间多面体，进而对空间多面体进行体积计算获得乳腺组织中的肿瘤体积，由于采集信息时获得的信息足够全面，可以参考更丰富的属性要素，更好的区分肿瘤边界，构筑更贴合真实情况的肿瘤表面，使得对乳腺组织肿瘤的体积进行计算时，得到的乳腺肿瘤体积数据也更加的准确。
37.在步骤1中，至少一信号发生器对患者的乳腺组织发射超声波，同时对应的，至少一信号接收器接收超声波的反射波信号和透射波信号，在本实施例中，通过大量超声探头，对人体乳腺组织进行全方位、三维、立体的扫查；由于设置的大量超声探头，使得本方案可以从多个方位对患者的乳腺组织发射超声信号，进而通过信号接收器获得多个方位的超声波的反射波信号和透射波信号，使得本方案获得的乳腺组织数据更加的全面。
38.其中，信号接收器在采集到超声波的反射波信号和透射波信号后，利用代数重建算法重建获得超声波的声速图像和衰减图像，并利用合成孔径聚焦技术重建获得超声波的反射图像，同时在声速图像、衰减图像以及反射图像中包含有超声波的声速信息、衰减信息以及反射信息，使得通过反射波信号和透射波信号进行超声反射成像获得的医学影像数据中包含有声速信息、衰减信息以及反射信息，相较于现有技术中只有反射信息而言，本方案
具有更加全面的信息数据，并且由于超声波在物体中传播的速度与物质的弹性模量(刚度)及密度相关，因此声速图像中各数据点的数字能在一定程度上代表数据点位置的乳腺组织的弹性模量及密度性质，而超声波的衰减率与物质的密度相关，因此衰减图像中各数据点的数字能在一定程度上代表数据点位置的乳腺组织的密度性质，使得本方案获得的能够展现乳腺组织内部的多种属性的三模态医学影像影响体数据，其中，反射数据主要对应乳腺组织形态，声速数据对应乳腺组织刚度和密度，衰减数据对应乳腺组织的密度。
39.特别的，在步骤3中，对获得的医学影像数据进行分割时，可以通过设置经验阈值进行分割或者采用大津法自适应调整阈值等现有经典算法进行分割。
40.另外，三模态的数据实际上是一次超声波采集过程之中得到的同一空间区域的三个不同特征的反馈值，称之为体数据，这个空间区域在最后的数据上都体现为一个立方体形的空间矩阵，其中每个矩阵的点都有着自己的空间坐标和对应的反射属性值、声速属性值、衰减属性值；其次，在步骤3中分割、分类主要是依据反射、声速、衰减三个属性值来对这些空间矩阵中的点进行分类，区分其是否属于肿瘤组织，针对“是”与“否”来生成一个二值化的体数据。优选的，步骤4中，采用marchingcube算法配合二值化数据获取乳腺组织中肿瘤的表面定位锚点。
41.具体的，基于三维体数据的二值化后的二值化数据，以marchingcube算法为基础，确定肿瘤组织边缘在成像空间中各体素单元(8个在上下左右方向上相邻的体数据点，形成的一个最小立方体单元)中的切面与切点，而后再以反射、声速和衰减的属性值为依据进行插值计算，以插值计算结果和大量实验获得的经验系数来对切面与切点进行综合优化，调整marchingcube算法生成的肿瘤组织的表面定位锚点。
42.其中，这里的插值计算，主要是根据体数据各点的属性值(反射、声速、衰减成像的值)和空间坐标点进行插值计算。
43.特别的，插值计算的过程中，设体数据上两个相邻点p1，p2对应的反射图成像值分别为v1和v2而分割的目标阈值为v’，则一般认为求p1、p2间的分割点p’的默认的插值点计算公式应如下：
[0044][0045]
同时在分割值之外，考虑两点p1，p2对应的声速值s1和s2、衰减值a1和a2，并以加权计算的方式介入到差值运算之中,可参考物质的弹性模量和密度的性质，更精确的去拟合真实的边界点，具体公式如下(其中c1，c2为差值公式常量)：
[0046][0047]
值得一提的是，上述“大量实验获得的经验系数”具体指的是，基于实验得出的与肿块组织相关的计算边界锚点使用的差值公式常量。综合优化指的是，使用上述公式来取得体素间更好的插值，求出更准确的切点，并最后生成更贴合肿块的边界表面的方法。
[0048]
优选的，步骤5中，使用delaunay三角剖分算法对乳腺组织中肿瘤的表面定位锚点进行三角剖分。
[0049]
具体的，根据步骤4中获得的切点，按照delaunay三角剖分算法，进行三角剖分，并以剖分结果为依据，构筑一个基础的乳腺组织肿块表面的拟合面片数据，形成一个封闭的
空间多面体。
[0050]
其中，作为表面定位锚点的则是步骤4中获得的这些切点。
[0051]
特别的，关于将面片数据拼合呈一个封闭的空间多面体，为delaunay三角剖分算法中自带的一项功能，由于算法的输入是一批杂乱无章的空间点的集合，输出的是一个完成三角剖分后的三角形顶点划分集合(集合内每个项包含3个点，形成一个三角形)，按照原有的空间点的数据和这个新的输出，将相关的三角形在进行三维显示的时候连接起来构建一个表面，就会形成一个封闭的空间多面体。
[0052]
优选的，在步骤5获得空间多面体后，采用网格细分算法对空间多面体的面片网格进行优化。
[0053]
具体的，使用butterfly网格细分算法、loop网格细分算法，优化面片网格，增加表面凹凸变化剧烈区域的锚点数量，避免之后进行表面平滑的细节损失。
[0054]
值得一提的是，网格细分算法在本案中，主要是为了将大网格转化成小网格，使得后续平滑操作中，某些形态特征不会被过度平滑导致失真。
[0055]
优选的，步骤6中，通过三维多面体面片平滑算法对空间多面体进行整体平滑操作。
[0056]
具体的，使用三维多面体面片平滑算法对整个多面体进行整体平滑，并将声速和衰减体数据为依据来设置局部区域的平滑系数，以自适应的去除明显的不规则毛刺，平滑多面体表面，使之拥有较为光滑而非棱角化的表面，避免计算失真。
[0057]
其中，面片平滑即网格平滑，在本方案中的实施例中，网格平滑算法可选择包括:laplacian平滑算法、curvature平滑算法和taubin算法，以及基于以上三种衍生出的各种混合算法。
[0058]
优选的，步骤7中，通过三维多面体体积计算算法对空间多面体进行多面体体积计算。
[0059]
具体的，三维多面体体积计算算法的大致计算思路为，将多面体按照三角剖分的结果，把表面三角形与多面体内的某点连接形成四面体，从而将多面体分解成一定数量的四面体进行体积求解。
[0060]
优选的，所述三维多面体面片平滑算法为laplacian平滑算法或curvature平滑算法或taubin算法或laplacian平滑算法、curvature平滑算法、taubin算法衍生的混合算法。
[0061]
本发明还公开了一种使用反射、声速、衰减参数进行乳腺肿瘤体积测量的方法的装置，包括信号发生器、信号接收器，还包括至少一个超声探头；所述超声探头分别与所述信号发生器以及信号接收器相连。
[0062]
具体的，本设备内置有超声探头，所述超声探头位于设备的检测区域内，由于超声探头分别与信号发生器以及信号接收器相连，使得信号发生器可通过超声探头对人体乳腺组织处发射超声波，同时信号接收器也可以通过超声探头对发射回来的超声信号进行接收，进而利用超声探头以及信号接收器接收到的反射波信号和透射波信号来获得声速图像、衰减图像和反射图像；在本方案的一实施例中，超声探头选用了128个超声探头阵列，每个超声探头都会连接到信号发射器以及信号接收器上；128个超声探头沿着检测区域的球体内侧均匀分布，以使得该超声探头可获取乳腺的三维立体数据；具体的，如图1所述，128个超声探头环绕球体内侧进行设置，使得超声探头在发射超声信号时，可以从多个角度方
位进行发射，同时在通过超声探头对超声信号的声速、反射信息进行采集时，由于超声探头的多角度设置，使得采集声速、反射信息时可以获得乳腺组织的多个角度的信息数据，进而更加全面的获得乳腺的三维立体数据，增加了超声探头采集信息时的全面性，进而提高了后续对这些信息进行图像重建时的精准性。
[0063]
优选的，还包括和信号接收器相连的数据采集模块；所述信号接收器将接收到超声信号传送至数据采集模块中。
[0064]
具体的，信号接收器对超声波的反射波信号和透射波信号进行收集，随后将反射波信号和透射波信号输送至数据采集模块中，通过数据采集模块配合代数重建算法以及合成孔径聚焦技术进行图像重建。
[0065]
优选的，所述信号发生器用于对乳腺组织发射超声波。
[0066]
具体的，通过信号发生器配合超声探头反射超声波，进而准确检查乳腺组织的肿瘤体积大小。
[0067]
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本技术相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。