专利名称：基于图像的生物组织弹性的测量方法及装置的制作方法
基于图像的生物组织弹性的测量方法及装置
技术领域：
本发明涉及一种弹性成像技术，特别是涉及一种基于图像的生物组织弹性的测量方法，还涉及一种基于图像的生物组织弹性的测量装置。
背景技术：
生物体内的弹性组织是由不同的成分所构成。例如对于血管壁来说，主要由胶原纤维、弹性纤维和平滑肌细胞构成，这些成分的弹性模量值区别很大。若可以得到精确的二维血管壁的弹性模量分布图，则可区分出血管壁的成分，得到血管壁的成分分布。对于动脉粥样斑块，可得到脂质、血栓、纤维组织和钙化组织等成分分布。
发明内容基于此，有必要提供一种非侵入的能够精确测量包括血管壁在内的生物组织弹性的测量方法。一种基于图像的生物组织弹性的测量方法，包括下列步骤步骤A，获取待测生物组织的N帧连续的灰度图像，N为正整数；步骤B，获取所述灰度图像上的感兴趣区域；步骤 C，将所述感兴趣区域划分为多个分析窗口 ；步骤D，采用纹理匹配方法计算所述N帧连续的灰度图像中每个分析窗口在所有的相邻两帧之间的相对位移矢量；步骤E，根据相对位移矢量计算每个分析窗口对应的弹性模量。优选的，所述N帧连续的灰度图像通过成像装置采集，所述N是m个完整的心动周期内所述成像装置采集的图像帧数，m为正整数。优选的，所述纹理匹配方法具体包括下列步骤步骤D1，采用二维标准互相关算法、亚像素方法和滤波插值方法获取每个分析窗口在相邻两帧之间的二维平动位移；步骤 D2，采用迭代算法通过所述二维平动位移的位移梯度进一步计算图像中所述生物组织的旋转和变形，得到几何变换的二维位移；步骤D3，对所述几何变换的二维位移采用错误矢量剔除算法以提高精度，得到相邻两帧之间的相对位移矢量。优选的，所述生物组织为血管壁，所述步骤E具体包括下列步骤步骤E1，根据所述相邻两帧之间的相对位移矢量，得到在垂直于血管壁的方向上相邻的两分析窗口之间的位移差；步骤E2，获得分析窗口一个心动周期内所述位移差的最大值；步骤E3，根据所述位移差的最大值得到垂直于血管壁的方向应变的最大值；步骤E4，根据所述垂直于血管壁的方向应变的最大值得到所述弹性模量。优选的，还包括下列步骤将所述生物组织切片；将切片进行病理学染色；根据染色的结果得到所述生物组织的组成成分的分布情况；根据所述组成成分的分布情况和所述弹性模量得到每种组成成分对应的弹性模量范围。还有必要提供一种非侵入的能够精确测量包括血管壁在内的生物组织弹性的测
量装置。一种基于图像的生物组织弹性的测量装置，包括灰度图像获取模块，用于获取待测生物组织的N帧连续的灰度图像，N为正整数；感兴趣区域获取模块，用于获取所述灰度图像上的感兴趣区域；分析窗口划分模块，用于将所述感兴趣区域划分为多个分析窗口 ； 相对位移矢量计算模块，用于采用纹理匹配方法计算所述N帧连续的灰度图像中每个分析窗口在所有的相邻两帧之间的相对位移矢量；弹性模量计算模块，用于根据相对位移矢量计算每个分析窗口对应的弹性模量。优选的，所述灰度图像获取模块是成像装置，所述N是m个完整的心动周期内所述成像装置采集的图像帧数，m为正整数。优选的，所述相对位移矢量计算模块包括平动位移计算模块，用于根据二维标准互相关算法、亚像素方法和滤波插值方法获取每个分析窗口在相邻两帧之间的二维平动位移；几何变换位移计算模块，采用迭代算法通过所述二维平动位移的位移梯度进一步计算图像中所述生物组织的旋转和变形，得到几何变换的二维位移；错误剔除模块，用于对所述几何变换的二维位移采用错误矢量剔除算法以提高精度，得到相邻两帧之间的相对位移矢量。优选的，所述生物组织为血管壁，所述弹性模量计算模块包括位移差计算模块， 用于根据所述相邻两帧之间的相对位移矢量，得到在垂直于血管壁的方向上相邻的两分析窗口之间的位移差；位移差最大值计算模块，用于获得分析窗口一个心动周期内所述位移差的最大值；应变最大值计算模块，用于根据所述位移差的最大值得到垂直于血管壁的方向应变的最大值；弹性模量获取模块，用于根据所述垂直于血管壁的方向应变的最大值得到所述弹性模量。上述基于图像的生物组织弹性的测量方法和装置，能够实现非侵入的精确测量， 适用于各种分辨率的超声波成像、光学成像、光声成像、CT成像，核磁共振成像等技术采集的灰度图像，可作为一个图像后处理软件模块集成到现有的成像系统中，以增加成像系统的功能。由于无需对现有临床成像系统进行硬件升级，升级成本低，容易被医院和医生接受，方便临床推广。
图1是实施例一中基于图像的生物组织弹性的测量方法的流程图；图2是应用图像纹理匹配方法计算弹性模量的示意图；图3是实施例二中采集到的志愿者颈动脉的B型超声图像；图4是图3所示颈总动脉血管壁的平均轴向应变在不同时刻的分布图；图5是图3所示颈总动脉血管壁的平均横向应变在不同时刻的分布图；图6是实施例三中用测量系统测量闭合的脉动循环系统中动脉仿体的弹性的示意图；图7是实施例三中超声系统采集到的动脉仿体的B型超声图像；图8是图7所示动脉仿体硅胶管的平均轴向应变在不同时刻的分布图；图9是采用CMT6104对两个样本进行测试得到的力与位移的关系图；图10是超声系统得到的聚乙烯醇材质的动脉仿体的B型超声图像；图11是聚乙烯醇材质的动脉仿体的平均轴向应变在不同时刻的分布图。
具体实施方式实施例一图1是实施例一中基于图像的生物组织弹性的測量方法的流程图，包括下列步 骤S110，获取待测生物组织的N帧连续的灰度图像。该灰度图像可以通过超声波成像、光学成像、光声成像、电子计算机X射线断层扫 描技术(CT)成像，核磁共振(MRI)成像等技术采集。在本实施例中是通过一种超声装置(B 型超声诊断仪)采集该灰度图像。N应该涵盖至少一个完整的心动周期内超声装置所采集的图像。例如，超声装置的 图像采集帧频FR为100帧/秒，人体的心动周期Tc为1秒，则N = mXFRXTc = IOOm帧
(m为心动周期的周期数，m= 1,2,3......，m= 1表示1个心动周期，依此类推)。即N应
该为100的整数倍。S120，获取灰度图像上的感兴趣区域(region of interest，ROI)。感兴趣区域可 以由操作人员手动指定后再获取，也可以通过习知的图像处理方法自动获取。S130，将感兴趣区域划分为多个分析窗ロ。将感兴趣区域划分为多个大小相等的
分析窗ロ，将这些分析窗ロ分別用kl、k2、k3......编号表示。在N帧灰度图像的每ー帧中
均包含kl、k2、k3......这些分析窗ロ。S140，采用纹理匹配(texture matching)方法计算N帧连续的灰度图像中每个分 析窗ロ在所有的相邻两帧之间的相对位移矢量。采用纹理匹配方法计算分析窗ロ kl在上述N帧中的第1帧和第2帧之间的相对 位移矢量。以m = 1为例，在本实施例中，具体包括下列步骤1，采用ニ维标准互相关算法、亚像素方法和滤波插值方法获取分析窗ロ kl在第1 帧和第2帧之间的ニ维平动位移。ニ维标准互相关算法是利用图像的灰度分布相似性，来计算两个分析窗ロ(即kl 在第1帧和第2帧中)的位移。其表达式为
权利要求
1.一种基于图像的生物组织弹性的测量方法，包括下列步骤 步骤A，获取待测生物组织的N帧连续的灰度图像，N为正整数； 步骤B，获取所述灰度图像上的感兴趣区域；步骤C，将所述感兴趣区域划分为多个分析窗口 ；步骤D，采用纹理匹配方法计算所述N帧连续的灰度图像中每个分析窗口在所有的相邻两帧之间的相对位移矢量；步骤E，根据相对位移矢量计算每个分析窗口对应的弹性模量。
2.根据权利要求1所述的基于图像的生物组织弹性的测量方法，其特征在于，所述N帧连续的灰度图像通过成像装置采集，所述N是m个完整的心动周期内所述成像装置采集的图像帧数，m为正整数。
3.根据权利要求2所述的基于图像的生物组织弹性的测量方法，其特征在于，所述纹理匹配方法具体包括下列步骤步骤D1，采用二维标准互相关算法、亚像素方法和滤波插值方法获取每个分析窗口在相邻两帧之间的二维平动位移；步骤D2，采用迭代算法通过所述二维平动位移的位移梯度进一步计算图像中所述生物组织的旋转和变形，得到几何变换的二维位移；步骤D3，对所述几何变换的二维位移采用错误矢量剔除算法以提高精度，得到相邻两帧之间的相对位移矢量。
4.根据权利要求2或3所述的基于图像的生物组织弹性的测量方法，其特征在于，所述生物组织为血管壁，所述步骤E具体包括下列步骤步骤E1，根据所述相邻两帧之间的相对位移矢量，得到在垂直于血管壁的方向上相邻的两分析窗口之间的位移差；步骤E2，获得分析窗口一个心动周期内所述位移差的最大值；步骤E3，根据所述位移差的最大值得到垂直于血管壁的方向应变的最大值；步骤E4，根据所述垂直于血管壁的方向应变的最大值得到所述弹性模量。
5.根据权利要求1所述的基于图像的生物组织弹性的测量方法，其特征在于，还包括下列步骤将所述生物组织切片； 将切片进行病理学染色；根据染色的结果得到所述生物组织的组成成分的分布情况；根据所述组成成分的分布情况和所述弹性模量得到每种组成成分对应的弹性模量范围。
6.一种基于图像的生物组织弹性的测量装置，其特征在于，包括灰度图像获取模块，用于获取待测生物组织的N帧连续的灰度图像，N为正整数； 感兴趣区域获取模块，用于获取所述灰度图像上的感兴趣区域； 分析窗口划分模块，用于将所述感兴趣区域划分为多个分析窗口 ； 相对位移矢量计算模块，用于采用纹理匹配方法计算所述N帧连续的灰度图像中每个分析窗口在所有的相邻两帧之间的相对位移矢量；弹性模量计算模块，用于根据相对位移矢量计算每个分析窗口对应的弹性模量。
7.根据权利要求6所述的基于图像的生物组织弹性的测量装置，其特征在于，所述灰度图像获取模块是成像装置，所述N是m个完整的心动周期内所述成像装置采集的图像帧数，m为正整数。
8.根据权利要求7所述的基于图像的生物组织弹性的测量装置，其特征在于，所述相对位移矢量计算模块包括平动位移计算模块，用于根据二维标准互相关算法、亚像素方法和滤波插值方法获取每个分析窗口在相邻两帧之间的二维平动位移；几何变换位移计算模块，采用迭代算法通过所述二维平动位移的位移梯度进一步计算图像中所述生物组织的旋转和变形，得到几何变换的二维位移；错误剔除模块，用于对所述几何变换的二维位移采用错误矢量剔除算法以提高精度， 得到相邻两帧之间的相对位移矢量。
9.根据权利要求7或8所述的基于图像的生物组织弹性的测量装置，其特征在于，所述生物组织为血管壁，所述弹性模量计算模块包括位移差计算模块，用于根据所述相邻两帧之间的相对位移矢量，得到在垂直于血管壁的方向上相邻的两分析窗口之间的位移差；位移差最大值计算模块，用于获得分析窗口一个心动周期内所述位移差的最大值； 应变最大值计算模块，用于根据所述位移差的最大值得到垂直于血管壁的方向应变的最大值；弹性模量获取模块，用于根据所述垂直于血管壁的方向应变的最大值得到所述弹性模量。
全文摘要
本发明涉及一种基于图像的生物组织弹性的测量方法，包括下列步骤获取待测生物组织的N帧连续的灰度图像；获取灰度图像上的感兴趣区域；将感兴趣区域划分为多个分析窗口；采用纹理匹配方法计算N帧连续的灰度图像中每个分析窗口在所有的相邻两帧之间的相对位移矢量；根据相对位移矢量计算每个分析窗口对应的弹性模量。本发明还涉及一种基于图像的生物组织弹性的测量装置。本发明适用于各种分辨率的超声波成像、光学成像、光声成像、CT成像，MRI成像等技术采集的灰度图像，可作为一个图像后处理软件模块集成到现有的成像系统中，以增加成像系统的功能。由于无需对现有临床成像系统进行硬件升级，升级成本低，容易被医院和医生接受，方便临床推广。
文档编号A61B8/08GK102423264SQ20111025716
公开日2012年4月25日 申请日期2011年9月1日 优先权日2011年9月1日
发明者牛丽丽, 郑海荣, 钱明 申请人:中国科学院深圳先进技术研究院