使用多参数MRI表征乳房组织的方法和装置与流程

本发明涉及使用医学扫描图像，特别是mri图像来分析乳房组织。

背景技术：

1、常规上，乳房可以被描述为由两种主要类型的组织组成：脂肪组织和纤维功能组织。乳房还可能包含异常，包括囊肿、纤维腺瘤和各种类型的癌症。这些异常通常存在于纤维乳房组织中。所谓的“脂肪”乳房与脂肪组织相比具有低比例的纤维组织，而“致密”乳房与乳房脂肪相比具有高比例的这种纤维组织。术语乳房“脂肪”是对包括饱和、单不饱和和多不饱和类型的大量脂质的简化。

2、“密度”是用于指机械致密的组织和/或放射学致密的组织(因为它例如在乳房x线摄影或断层合成的情况下会大大衰减x射线)的术语。乳房x线摄影和越来越多的断层合成是筛查无症状人群的基础，无症状人群通常是绝经后或正在经历绝经的女性，我们统称为“老年”女性。乳房x线摄影筛查已被证明使得能够早期检测到老年女性的肿瘤。乳房x线摄影的物理基础是纤维组织在绝经期间会退化为“脂肪”，并且脂肪对x射线大多是“透明的”(即，衰减率低)。但是，对于相当比例的老年女性来说，她们的乳房仍然(在放射学上)致密，并且对于这样的女性来说，乳房x线摄影和断层合成提供的信息较少。对于年轻女性来说，乳房x线摄影和断层合成提供的信息量要少得多，因为年轻女性的乳房往往机械致密，并且这进而会使乳房在放射学上致密。乳房(在放射学上)密度已被证明是预测乳腺癌的重要风险因素。

3、乳房x线摄影和断层合成体积通常是复杂的图像，即使对于经验丰富的放射科医生，评估和分析也具有挑战性。为此，已经制定了报告和数据标准，并且随着时间的推移不断修订和完善。其中最著名的是美国放射科医师学会制定的bi-rads(乳房成像报告和数据标准)https://www.acr.org/clinical-resources/reporting-and-data-systems/bi-rads。bi-rads指定了一系列成像模式，包括超声、mri以及乳房x线摄影和断层合成。由于乳房x线摄影和断层合成以基于人群的筛查系统为基础，并且成本相对低，因此bi-rads系统的乳房x线摄影和断层合成部分通常可与bi-rads整体互换使用。在乳房x线摄影和断层合成中，乳房被分类为多个bi-rads类别之一，其中，例如bi-rads类别1是指主要由脂肪组织组成，并且因此对x射线基本上透明的乳房。这意味着通常可以直接检测到这种乳房中的孤立致密区域，诸如可能的肿瘤。相反，bi-rads类别4是指主要由致密组织组成的乳房，这种使得检测乳房中的肿瘤变得更加困难，就像在暴风雪中找到雪球一样。有时bi-rads类别1-4被称为a-d。注意的是，一般而言，bi-rads会识别甚至更多的类别(例如，0-6)；但在乳房x线摄影和断层合成情况下的进展是从脂肪占主导地位，到分散的孤立致密区域，到主要致密区域，再到致密占主导地位。bi-rads是指整个报告和数据标准系统，而单个乳房可能会被赋予“评分”，这意味着被指派到其中一个类别。最著名的“评分”是针对乳房x线摄影和断层合成，但也存在针对其他成像模式的评分。

4、乳房实质(功能性组织，而不是结缔组织)通常高度异质。众所周知，区域差异体现了临床上重要的信息；例如，一些局部区域可能对应于良性或恶性的异常。同样，区域差异可能传达关于乳腺癌风险的信息。此外，乳房组织随时间推移的区域变化可以指示对治疗的反应、病理的发展或病理的复发。最后，“致密”组织的数量和分布可以用作评估女性患乳腺癌风险的一个基础。评估风险的其他依据包括流行病学因素(年龄、初潮时间、子女数......)以及遗传和表观遗传因素，诸如某些基因突变(例如，brca 1、2)和/或近亲先前患过乳腺癌。

5、基因组和循环生物标志物数据在检测和诊断乳房疾病中继续发挥重要作用。但是，这些数据无法传达关于区域信息的信息，这就是为什么可以提供关于乳房组织表型信息的成像变得越来越重要。基因剖析通常用于确立乳房疾病的家族风险。这种风险计算可以通过结合基因剖析和表型分类来改进。

6、虽然学术团体已经开发了原型ct系统，但如上所述，x射线成像绝大多数是乳房x射线摄影(2d)和断层合成(3d)，它们在较低能量下具有相当低的x射线剂量。这些方法已被证明对绝经后妇女有用，并且是包括英国在内的许多国家无症状筛查计划的基础。但是，如上所述，致密组织的高x射线衰减意味着乳房x线摄影和断层合成对于具有“致密”乳房的女性没有临床价值。乳房密度高是绝经后女性患乳腺癌的最大单一风险因素。这意味着对于乳房致密的女性来说，不仅存在肿瘤的风险增加，而且遗漏肿瘤的风险也增加。大多数绝经前女性和大约一半的绝经后女性被归类为具有“致密”乳房，因此乳房x线摄影对大量女性来说并不合适。超声成像用于乳房，但该技术提供的信息有限，并且假阳性率高。已经探索了各种其他成像方法，包括红外和微波，但这些方法尚未被证明具有足够广泛的使用价值。

7、对于绝经前女性以及许多绝经后女性—尤其是但不限于那些乳房致密的女性—mri具有许多优势。与乳房x线摄影/断层合成不同，mri使得甚至能够对最大、最致密的乳房进行视觉检查，而无需压缩乳房(这对于许多女性会感到疼痛或不舒服)，并且无需电离辐射。与乳房x线摄影和断层合成不同，mri可以同样用于绝经前和绝经后女性，并提供具有临床重要性的软组织对比。出于这些原因，mri在乳房成像中的使用正在迅速增加，并且它被广泛认为是最先进的乳房成像模式。图1(a)示出了乳房的mri图像50，其中淋巴结51在该图像中突出显示。图1(b)是将通过mri成像的乳房中关注区域的图示。该图示出了乳房组织、胸骨、淋巴结以及其次包括腋窝在内的胸壁两侧的区域。腋窝成像主要用于确定癌症是否已经转移，因为这对女性的后续治疗有重大影响。

8、迄今为止，乳房mri存在两个主要限制。首先，也是不太重要的，mri成本高昂，并且成像比乳房x线摄影/断层合成更耗时。图像重建的创新(例如，压缩感测)和改进的线圈和磁铁设计有助于解决mri的成本问题，而“简化”成像协议的发展也是如此，目前通常需要15分钟的扫描。

9、其次，也是更为重要的，是常规乳房mri的定性性质。为了认识到这一点，简要考虑mri图像的形成方式。首先，患者被置于强磁场中。在乳房mri的情况下，女性通常俯卧在mri机器的床上，其乳房悬垂在专门的乳房接收器线圈中。女性会发现，俯卧时乳房线圈压在胸部，环绕乳房，会非常不舒服。他们更喜欢仰卧，但是通常乳房会落在胸部表面，使得成像变得困难。

10、一旦患者以合适的姿势(俯卧或仰卧)处于mri磁体中，就会向患者辐射特定频率(rf)的射频能量。这会导致正在成像的组织中的一些质子改变其自旋状态。在rf能量停止后不久，成像组织中的质子就会放松回到其之前的状态。它们这样做的方式是可以测量的，并且是质子所在组织的特性。有几个与mri相关联的参数，但最重要的两个参数具有时间维度，并且用t1和t2(或在许多情况下用变体t2*)表示。mri装备制造商已经开发了许多不同的脉冲序列，每个序列都会产生(2d或3d)图像，其强调某些重要组织类别之间的对比度。例如，大脑主要由灰质、白质和脑脊液(csf)组成。根据所选择的特定脉冲序列，可以强调灰质和白质之间的对比度，或者可以可视化csf。在当前的商业实践中，大多数脉冲序列产生的图像的像素(或体素)会混淆两个基本测量值t1和t2，通常其中一个(例如，t1)占主导地位，在这种情况下，图像被称为t1加权。这意味着t1对比度占主导地位，但t2对比度仍然有影响。

11、即使对于同一个女性，这种对比度的混合也会因放射技师和机器的不同而不同。这些差异表现为图像外观的变化，因此这需要放射技师调动他们的判断力和经验。因此，操作者之间和操作者内部的差异很大(据估计约为30％)。特别地，诸如囊肿、纤维腺瘤和癌症之类的异常的外观会取决于女性的乳房和放射技师选择的操作参数而有很大差异。如果乳房mri可以定量化，那么将具有相当大的优势，因为这将使不同放射技师和不同机器之间的图像标准化。这意味着，例如，开发脉冲序列产生的图像的体素是(例如)t1的准确测量值，而不是混杂的t1加权混合物。

12、加权mri图像和定量图之间的区别在于，加权图像只是使用特定扫描参数收集的图像，用于提供给定类型的图像对比度，使得临床医生能够更好地可视化组织。对于定量图，组织特性，诸如t1或t2是根据一系列原始数据扫描计算出的。例如，t2加权图像将具有一系列信号强度，其中液体将显示白色，而其他组织将显示较暗。但定量t2图将显示不同组织的计算出的t2值。

13、当前的做法仅侧重于检测可能与癌症对应的局部异常区域。但是，已经发现，常规加权序列提供的对比度通常无法使得能够检测到肿瘤，特别是当肿瘤小时。为此，众所周知，大多数癌症都会通过称为新血管生成的过程生长出混乱、渗漏的血管。通常通过注射给药的造影剂基于大分子顺磁性镧系元素化合物(通常是钆螯合物)，这些化合物从血管泄漏到周围的血管外空间，局部增强mri信号。虽然已经尝试对mri造影图像进行定量处理，但这很少(如果有的话)可能，因为一般无法精确测量施用造影剂所产生的动脉输入函数。此外，许多女性发现造影剂被身体吸收然后(通常在24小时内)被排出的感觉令人不安。常见的副作用包括恶心、头痛和头晕。还显示使用这些造影剂后，钆会沉积在大脑、肝脏、皮肤和骨骼中，这引发了对造影增强成像安全性的担忧。

14、本发明解决了上述关于乳房组织的当前mri成像的问题。

技术实现思路

1、根据本发明，提供了一种分析乳房组织的mri数据的方法，包括：使用针对每个mri扫描图像的不同mr脉冲序列获取至少部分乳房区域的多个定量非造影mri扫描图像；从获取的定量mri扫描确定多个mri度量；使用确定的度量生成多个mri度量图；计算以下至少一个：从度量图中计算乳房复合图和异质性图，以显示mri图像中的脂肪和非脂肪组织的组织特性；从乳房复合图和异质性图中的至少一个确定乳房组织异质性特性；以及从乳房复合图、乳房异质性图和乳房组织异质性特性中的至少一个识别数据簇。

2、进一步优选地，数据簇是跨一个或多个mr度量识别出的连续数据簇。

3、优选地，将乳房复合图与来自患者数据库的数据进行比较以识别连续数据簇。进一步优选地，数据比较允许识别乳房组织的异常区域。

4、在本发明的实施例中，乳房复合图是3d图，其中连续数据簇表示相似的乳房组织。进一步优选地，乳房复合图提供致密乳房组织的空间分布。

5、在本发明的实施例中，乳房组织异质性特性的确定包括以下步骤：确定以下中的一个或多个：mri扫描中的像素或体素的密度的均值、显示属性的空间分布的分级(choropleth)图、密度的纹理图。

6、优选地，确定乳房组织异质性特性包括确定以下中的一个或多个：脂肪含量和乳房成分；乳房炎症；以及乳房组织结构的改变。

7、进一步优选地，所确定的度量为每个所确定的度量生成mri图。在本发明的实施例中，将至少两个所确定的度量被组合以生成进一步的度量图，并且该进一步的度量图用于计算乳房复合图。

8、优选地，使用至少两个确定的度量的原始值来生成进一步的度量图。

9、在本发明的实施例中，mri度量包括t1、校正的t1、t2、t2*、pdff和adc中的一个或多个。

10、在本发明的另一个优选实施例中，mri度量图是pdff图或校正的t1图。

11、优选地，mri扫描是产生一组由像素组成的2d图像的2d扫描，或具有由体素组成的3d图像的3d扫描。

12、进一步优选地，在生成附加mri度量图之前，将至少一个mri度量与一个或多个其他mri度量组合，该附加mri度量图提供对至少一个mri度量的初始值的改进估计。

13、在本发明的实施例中，至少一个度量是t1度量，并且与pdff和t2*中的至少一个组合。

14、在本发明的实施例中，该方法还包括生成以下mri度量图中的至少一个的步骤：t1图、t2图、t2*图、adc图。

15、优选地，使用改进的look locker(路克洛克)反转恢复序列采集、缩短的改进的look locker反转恢复序列采集或可变翻转角序列采集来确定t1度量。在本发明的实施例中，使用多回波梯度回波序列采集来确定t2*度量和/或pdff度量。在本发明的优选实施例中，使用多对比度自旋回波序列采集来确定t2度量。

16、优选地，使用单次激发或多次激发扩散加权回波平面成像来确定adc度量。

17、在本发明的优选实施例中，mri扫描是在患者处于俯卧或仰卧位置的情况下获得的。

18、在本发明的实施例中，乳房密度图和乳房组织特性用于提供疾病风险评分。优选地，疾病风险评分是与birads乳房密度分类相关的评分。

19、在本发明的优选实施例中，在设定的时间段内获取mri图像以监测乳房密度图和乳房组织特性的变化。优选地，设定的时间段至少为1周。

20、在本发明的实施例中，mri扫描是对整个乳房区域的扫描。

21、根据本发明，还提供了一种用于分析来自乳房组织的mri数据以根据乳房密度图确定乳房组织异质性特性的装置，该装置包括至少一个处理部件，该处理部件被布置为执行如上所述的方法。

22、进一步优选地，用于分析mri数据的装置的至少一个处理部件包括以下中的一个或多个：一个或多个可编程部件，该可编程部件被布置为执行计算机程序代码以执行上述方法的一个或多个步骤；以及硬件电路系统，该硬件电路系统被布置为执行上述方法的一个或多个步骤。

23、优选地，该装置还包括至少一个输出部件，用于输出乳房密度图或确定的乳房组织异质性特性，该至少一个输出部件包括以下中的一个或多个：用于向用户显示乳房密度图或确定的乳房组织异质性特性的显示设备；用于存储乳房密度图或确定的乳房组织异质性特性的数据存储设备；以及用于将乳房密度图或确定的乳房组织异质性特性传输到至少一个外部设备的接口部件。