用定量超声参数映射的一阶和二阶统计来分类和表征组织的系统和方法
【专利说明】用定量超声参数映射的一阶和二阶统计来分类和表征组织 的系统和方法
【背景技术】
[0001] 本发明的领域是用于定量超声（"QUS"）的系统和方法。更具体地，本发明涉及用 于使用QUS将组织分类和表示为与特定组织学状态相关联的系统和方法。
[0002] 临床超声对于诊断癌症和其他疾病是一种有用的且非侵入的工具。除了超声的非 侵入地区分恶性肿瘤与良性肿瘤的能力，依据其组织学等级来表示恶性肿瘤的能力对于区 分病期和治疗设计是具有最高重要性的。由于在超声成像时期期间选可择许多仪器参数， 当使用不同的超声机器时，或当应用不同的设置时，常规B-模式图像的对比解释变得困 难。此外，B-模式图像缺乏关于软组织的微结构性质的信息。
[0003] 定量超声（"QUS"）技术，检查与仪器设置无关的组织的频率相关背散射，被认为 克服此限制。这种技术被应用于活体内以揭示关于组织的底层微结构的信息或组织学状 态，实现了疾病与非疾病的区分、活性与凋亡组织的区分、以及疾病在其子类型中的表征。 特别地，包括有效散射体直径（"ESD"）和有效声学浓度（"EAC"）的参数证明有潜力在乳 腺癌与纤维腺瘤的小鼠肿瘤模型之间作出区分。然而，有效散射体尺寸与声学浓度的估计 需要关于背散射模型的先验知识，在组织特殊组织的情况下表征通常会很复杂。
[0004] 为了避免复杂的模型拟合，对于组织表征提出了经由射频（"RF"）回波信号频谱 的线性回归分析所提取的基本频谱参数，包括中频带拟合（"MBF"）、频谱斜率（"SS"）、以 及频谱Ο-MHz截距（"SI"）。这种定量参数以前被用于表征多种类型的组织异常，包括前 列腺、淋巴结和心肌中的那些，以及用于检测凋亡细胞死亡。通过将超声功率谱模型化为声 学阻抗自相关函数，已经证明SS可与有效散射体尺寸相关，SI可与声学浓度相关，以及MBF 可与有效散射体尺寸与声学浓度两者有关。可选地，散射体间隔（也被已知为散射体之间 的间隔（"SAS"））已经被研究作为组织表征参数，当关系的组织在其结构组织中包含可检 测的周期性。在此情况下，散射体间隔已被应用于表征人类乳腺肿瘤，通过将它们分类成正 常、纤维腺瘤、单一癌或浸润的乳头状癌。其他研究也调查出SAS用于表征肝脏的扩散疾病 的潜力。
[0005] 尽管以上讨论的常规定量超声平均参数描述了组织微结构的频率相关性质，但是 它们的参数化映射的纹理特征可通过量化灰度级转变的图案来提供二阶统计。数个以前的 研究已经应用了超声B-模式图像的纹理特征以在恶性与良性乳腺肿瘤之间作出区分。在 此组织分类技术后面的原理是恶性肿瘤趋向于表现为不均匀的内部回波，而良性肿瘤通常 显示均匀的内部回波。在此应用中，纹理分析技术旨在基于超声灰度级变换来提取组织内 部回波性质或"纹理"，并且因此可定义可区分的特性。然而，常规B-模式图像也可表示由 于仪器设置中的变化、超声波束衍射、以及衰减效应导致的纹理估计中的不期望的变化。
[0006] 因此，将期望提供用于使用超声将组织分类成与特殊组织学状态相关联而没有与 分析B-模式图像相关联的准确度上的限制的系统及方法。有利地，这种系统和方法将能够 基于组织学状态来分类组织，该组织学状态包括总分类（例如正常的、癌的）和子类型分类 (例如，肿瘤等级、肝纤维化病期）。
【发明内容】
[0007] 本发明通过提供用于通过分析定量超声参数映射的一阶和二阶统计来分类组织 的系统和方法，克服了前述缺点，其中，充分地减少了由于仪器设置中的变化、超声波束衍 射、以及衰减效应而导致的纹理估计中的不想要的变化。
[0008] 本发明一方面提供用于使用超声系统将组织分类成与特定组织学状态相关联的 方法。使用超声系统从包含组织的感兴趣区域获取超声回波信号数据。从所获取的超声回 波信号数据产生至少一个参数映射。至少一个参数映射具有与从所获取的超声回波信号数 据中计算的参数相关联的像素值。计算至少一个参数映射的至少一个一阶统计度量，诸如 平均数。也计算至少一个参数映射的至少一个二阶统计度量，诸如对比度、能量、均匀性或 相关性。然后，使用计算的至少一个一阶统计度量和计算的至少一个二阶统计度量将该组 织分类为与特定组织学状态相关联。
[0009] 本发明另一方面提供用超声系统产生指示组织的组织学状态的成像生物标志物 的方法。使用超声系统从组织中获取超声回波信号数据。然后从所获取的超声回波信号数 据产生至少一个参数映射。该至少一个参数映射具有与从所获取的超声回波信号数据计算 的参数相关联的像素值。计算至少一个参数映射的至少一个一阶统计度量，同时计算该至 少一个参数映射的多个二阶统计度量。然后通过确定该计算的至少一个一阶统计度量和该 计算的多个二阶统计度量的组合来产生成像生物标志物，该组合与将该组织分类为与特定 组织学状态相关联的期望的准确度相关。期望的准确度可以是期望的特异性、灵敏度或其 组合。
[0010] 本发明的先前以及其他方面和优点将根据以下描述而显现。在该描述中，参考形 成其一部分且作为说明示出本发明的优选实施例的附图。这样的实施例不必要表示本发明 的全部范围，然而对权利要求和本法作出参考以用于解释本发明的范围。
【附图说明】
[0011] 图1是阐明使用定量超声和定量超声参数映射的一阶与二阶统计度量来表征组 织的方法的示例的步骤的流程图；
[0012] 图2A是使用四个参数的平均数获得的典型判别函数的平面上的区域映射上覆盖 的不同肿瘤等级采样的示例散布点；
[0013] 图2B是使用四个参数的二阶统计获得的典型判别函数的平面上的区域映射上覆 盖的不同肿瘤等级采样的示例散布点；
[0014] 图2C是使用四个参数的平均数与二阶统计两者获得的典型判别函数的平面上的 区域映射上覆盖的不同肿瘤等级采样的示例散布点；
[0015] 图3是与对应的参数映射的对比度、相关性、均匀性和能量参数结合的有效散射 体直径（"ESD"）的平均数的线性判别分析函数的示例散布点；
[0016] 图4是可被配置为实施本发明的实施例的示例计算机系统的框图；
[0017] 图5示出对正常（对照）肝和脂肪肝获取的不同QUS频谱（一阶）和纹理（二 阶）参数的平均值的一系列点；
[0018] 图6A是具有对正常（对照）肝和脂肪肝获取的数据的MBF能量与MBF相关性参 数的平面上的示例散布点，其中在与该平面相关联的组合参数上使用线性判别分析来分类 两种组织类型的样本且分类边界被示为虚线；
[0019] 图6B是具有对正常（对照）肝和脂肪肝获取的数据的MBF能量与SS参数的平面 上的示例散布点，其中在与该平面相关联的组合参数上使用线性判别分析来分类两种组织 类型的样本且分类边界被示为虚线；
[0020] 图6C是具有对正常（对照）肝和脂肪肝获取的数据的SS能量与SS参数的平面 上的示例散布点，其中在与该平面相关联的组合参数上使用线性判别分析来分类两种组织 类型的样本且分类边界被示为虚线；
[0021] 图6D是具有对正常（对照）肝和脂肪肝获取的数据的SI能量与SI参数的平面 上的示例散布点，其中在与该平面相关联的组合参数上使用线性判别分析来分类两种组织 类型的样本且分类边界被示为虚线。
【具体实施方式】
[0022] 在此描述一些用于使用定量超声技术来表征组织的系统和方法。从在超声扫描 期间从感兴趣区域中获取的原始回波信号数据直接计算参数。优选地，在使用参考数据来 归一化回波信号数据之后计算这些参数以减少仪器设置中的变化、超声波束衍射和衰减效 应的影响。例如，可计算定量超声（"QUS"）参数，诸如中频带拟合（"MBF"）、频谱斜率 ("35")、频谱0，^截距（"51")、散射体之间的间隔（"545")、有效散射体直径（150")、 以及有效声学浓度（"EAC")，从中产生了与感兴趣区域相关联的参数映射从这些参数映射 中计算一阶和二阶统计度量并被用于表征感