本发明属于图像处理技术领域，具体涉及一种基于磁共振成像的体内软组织力学特性测试方法及装置。
背景技术：
随着医学成像技术的发展与进步，图像处理技术在医学研究与临床医学中的应用越来越广泛，主要应用在放射治疗规划、介入治疗、手术导航等方面。目前临床上基于医学影像的病理诊断主要基于影像的图像特征和几何关系，其中基于mr图像的诊断广泛应用于脑组织与腹腔器官的软组织。但是目前的影像学方法只能对空间几何位置信息，以及像素所表示的成分信息进行判断，无法对软组织的物理力学特性进行测试与判断。
目前对软组织的物理力学特性的判断主要有两种方式，一种是通过体外测试方法，对病理组织进行体外力学特性测试；一种是体内测试方法，包括医生的手动触诊方法以及应用磁共振弹性成像或超声弹性成像方法其他方法。其中，体外测试方法需要对病理进行取样，无法实现无创测试；手动触诊方法依靠经验无法进行准确和一致的判断，个体差异较大；磁共振弹性成像方法需要采用专用驱动仪器进行测量，对硬件设备要求较高；超声弹性成像的分辨率和成像质量不佳。
技术实现要素：
本发明的目的之一在于克服以上缺点，提供一种无创无痛，可操作性强，成本低，可广泛应用于对人体软组织的物理特性量化和分析的方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于磁共振成像的体内软组织力学特性测试方法，包括以下步骤：
通过磁共振标记成像方法测量软组织的位移分布与应变分布；
采集软组织的磁共振结构影像信息进行几何重建，并建立有限元计算模型；
基于所述有限元计算模型，采用逆向算法进行迭代计算优化，得到软组织的物理力学特性参数分布。
进一步地，所述“通过磁共振标记成像方法测量软组织的位移分布与应变分布”，具体为：
按照一定频率采集一组磁共振标记图像数据；
对采集的标记图像数据进行二维傅里叶变换，选取第一主频峰值做带通滤波；将经过带通滤波的主频峰值进行二维傅里叶逆变换，得到复变量二维信息；选取复变量的相位图得到标记线的位置；
选取标记线的交叉点作为追踪点，选取第一帧标记图像为参考图像，计算其余各帧追踪点相对于第一帧标记图像的位移，通过空间插值算法得到软组织的位移分布；
基于软组织的位移分布计算变形梯度矩阵，再计算追踪点的拉格朗日应变，对拉格朗日应变进行空间插值得到软组织的应变分布。
进一步地，所述变形梯度矩阵
进一步地，所述追踪点的拉格朗日应变
进一步地，所述“基于所述有限元计算模型，采用逆向算法进行迭代计算优化，得到软组织的物理力学特性参数分布”，具体为：
根据有限元模型计算出测量应变分布状态下的位移分布；
在计算出的位移分布与测量位移分布之间建立目标函数，对所述目标函数进行参数优化，得到有限元模型的物理力学特性参数分布。
进一步地，所述目标函数为：
进一步地，所述的基于磁共振成像的体内软组织力学特性测试方法，还包括以下步骤：
将所述软组织的位移分布、应变分布以及物理力学特性参数与病理特性或病理阶段的映射关系进行匹配，进行辅助诊断。
相应地，本发明还提供了一种基于磁共振成像的体内软组织力学特性测试装置，包括：
第一处理模块，用于通过磁共振标记成像方法测量软组织的位移分布与应变分布；
第二处理模块，用于采集软组织的磁共振结构影像信息进行几何重建，并建立有限元计算模型；
第三处理模块，用于基于所述有限元计算模型，采用逆向算法进行迭代计算优化，得到软组织的物理力学特性参数分布。
进一步地，所述第一处理模块，包括：
第一处理单元，用于按照一定频率采集一组磁共振标记图像数据；
第二处理单元，用于对采集的标记图像数据进行二维傅里叶变换，选取第一主频峰值做带通滤波；将经过带通滤波的主频峰值进行二维傅里叶逆变换，得到复变量二维信息；选取复变量的相位图得到标记线的位置；
第三处理单元，用于选取标记线的交叉点作为追踪点，选取第一帧标记图像为参考图像，计算其余各帧追踪点相对于第一帧标记图像的位移，通过空间插值算法得到软组织的位移分布；
第四处理单元，用于基于软组织的位移分布计算变形梯度矩阵，再计算追踪点的拉格朗日应变，对拉格朗日应变进行空间插值得到软组织的应变分布。
进一步地，所述第三处理模块，包括：
第一处理单元，用于根据有限元模型计算出测量应变分布状态下的位移分布；
第二处理单元，用于在计算出的位移分布与测量位移分布之间建立目标函数，对所述目标函数进行参数优化，得到有限元模型的物理力学特性参数分布。
进一步地，所述的基于磁共振成像的体内软组织力学特性测试装置，还包括：
第四处理模块，用于将所述软组织的位移分布、应变分布以及物理力学特性参数与病理特性或病理阶段的映射关系进行匹配，进行辅助诊断。
本发明技术方案的有益效果有:
1.通过采用基于磁共振标记成像方法对软组织的位移分布与应变分布进行测量，一方面实现了无创无痛的体内检测，另一方面，采用人体内部自然运动进行运动采集，无需外界驱动装置和附属器械，可操作性强，成本低。
2.通过有限元模型计算将软组织的物理力学特性参数进行量化，可以为临床诊断分析的提供可靠的物理数据。
3.可以将软组织的位移分布、应变分布以及物理力学特性参数进行病理映射，提高诊断的准确性和普适性。
4.本发明不局限于某一特定器官组织，可以广泛应用于所有软组织器官，同时不局限于临床诊断，还可广泛应用于其他科学与工程计算中。
附图说明
图1是本发明的一种基于磁共振成像的体内软组织力学特性测试方法步骤流程图。
图2是本发明的一种通过磁共振标记成像方法测量软组织的位移分布与应变分布步骤流程图。
图3是本发明的一种采用逆向算法迭代计算得到物理力学特性参数分布步骤流程图。
图4是本发明的一种基于磁共振成像的体内软组织力学特性测试装置结构图。
图5是本发明的一种第一处理模块结构图。
图6是本发明的一种第三处理模块结构图。
具体实施方式
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在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1，是本发明的一种基于磁共振成像的体内软组织力学特性测试方法步骤流程图，包括以下步骤：
步骤1、通过磁共振标记成像方法测量软组织的位移分布与应变分布；
磁共振成像(magneticresonanceimaging，mri)技术是利用人体内所含质子在磁场内发生的核磁共振现象，收集射频信号，再通过空间编码技术构成图像，供医生来做诊断。其中，磁共振标记成像方法是用于跟踪机体组织的运动并进行机体组织位移以及应变分析的一种方法，这里的位移指的是机体组织在运动过程中的移动的距离，应变指的是机体组织发生的变形情况。
如图2，是本发明的一种通过磁共振标记成像方法测量软组织的位移分布与应变分布步骤流程图，包括以下步骤：
步骤201、按照一定频率采集一组磁共振标记图像数据；
按照一定的时间间隔采集一组软组织变形运动过程中的图像数据，可以是人体组织器官自然变形，如心肌运动，内脏器官基于心动或呼吸的律动；也可以是外界施加的规律运动。
步骤202、对采集的标记图像数据进行二维傅里叶变换，选取第一主频峰值做带通滤波；将经过带通滤波的主频峰值进行二维傅里叶逆变换，得到复变量二维信息；选取复变量的相位图得到标记线的位置；
为得到标记线的位置，本发明的技术方案要对采集的每一帧图像数据进行如下处理：首先，进行二维傅里叶变换，从数学意义上看，傅里叶变换是将一个函数转换为一系列周期函数来处理的。从物理效果看，傅里叶变换是将图像从空间域转换到频率域，即将图像的灰度分布函数变换为图像的频率分布函数。然后，选取二维傅里叶变换后的第一主频峰值做带通滤波，带通滤波是指让某一个范围的频率通过，滤除其余频率。在优选的实施例中，带通滤波器的带宽为5-10像素。再次，将经过带通滤波的主频峰值进行二维傅里叶逆变换，将图像从频率域转换回空间域，得到复变量二维信息。最后，依据复变量的相位图在区间[-π,π]内变化的特性，计算对应相位的正弦函数值，依据函数峰值计算得到标记线的位置。
步骤203、选取标记线的交叉点作为追踪点，选取第一帧标记图像为参考图像，计算其余各帧追踪点相对于第一帧标记图像的位移，通过空间插值算法得到软组织的位移分布；
在得到了标记线位置的图像数据中,选取标记线的交叉点作为追踪点，每一帧图像的追踪点可以有若干个，位置为
步骤204、基于上步骤得到的软组织的位移分布计算变形梯度矩阵，再计算追踪点的拉格朗日应变，对拉格朗日应变进行空间插值得到软组织的应变分布。
在一优选的实施例中，计算变形梯度矩阵
在得到拉格朗日应变结果后，同样可以采用线性插值算法或者样条插值算法进行空间插值得到软组织的应变分布。例如,以追踪点的应变
步骤2、采集软组织的磁共振结构影像信息进行几何重建，并建立有限元计算模型；
采用常规的磁共振结构影像采集方法，如t1w或t2w对需要测量的软组织器官的几何形态进行成像与采集。依据临床需要，对目标组织器官的几何形态进行二维或三维重建，这里的几何重建指的是对采集图像中的组织器官几何形态的提取，常采用的提取算法有阈值分割方法或变形配准方法。
在对软组织的几何形态进行重建之后，就可以建立计算软组织的物理力学特性参数分布的有限元计算模型，有限元分析(fea，finiteelementanalysis)是利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统，即用较简单的问题代替复杂问题后再求解。由于不同软组织器官的结构不同，有限元模型假设也不一定相同，可按照实际情况建模。
步骤3、基于所述有限元计算模型，采用逆向算法进行迭代计算优化，得到软组织的物理力学特性参数分布。
如图3，是本发明的一种采用逆向算法迭代计算得到物理力学特性参数分布步骤流程图，包括以下步骤：
步骤301、根据有限元模型计算出测量应变分布状态下的位移分布；
根据有限元模型计算出测量应变分布状态下的位移分布基本步骤为：对软组织建立的二维或三维几何结构进行网格划分；依据影像与生理结构，进行边界条件设定，并对物理参数进行初始化；计算在初始物理参数条件下模型的输出，包括形变状态下软组织器官的位移分布。
步骤302、在计算出的位移分布与测量位移分布之间建立目标函数，对所述目标函数进行参数优化，得到有限元模型的物理力学特性参数分布。
在具体的实施例中，计算位移分布与测量位移分布之间建立的目标函数可以为：
在一优选的实施例中，本发明的一种基于磁共振成像的体内软组织力学特性测试方法，还可以包括：步骤4、将所述软组织的位移分布、应变分布以及物理力学特性参数与病理特性或病理阶段的映射关系进行匹配，进行辅助诊断。这里的映射关系，可以是位移分布、应变分布以及物理力学特性参数单独参量与病理特性或病理阶段的映射关系，也可以是任意两个或三个参数的综合数据与病理特性或病理阶段的映射关系。例如，以肝硬化的诊断为例说明软组织物理力学参数与病理特性的映射关系：肝硬化依据不同的病理特征分为f0-f4五级，其中，f0为无肝纤维化症状，f4为严重肝硬化，现有研究数据已显示f0-f4五级对应的肝组织的剪切弹性模量阈值分别为2.8,3.1,3.6,4.5,7.8kpa.，因此，通过本发明的技术方案可以计算出肝组织的剪切弹性模量值，再通过对比映射关系表，即可实现辅助医师对病灶部位进行无创诊断分析。
如图4，是本发明的一种基于磁共振成像的体内软组织力学特性测试装置结构图，包括：
第一处理模块，用于通过磁共振标记成像方法测量软组织的位移分布与应变分布；这里的位移指的是机体组织在运动过程中的移动的距离，应变指的是机体组织发生的变形情况。
第二处理模块，用于采集软组织的磁共振结构影像信息进行几何重建，并建立有限元计算模型；首先，采用常规的磁共振结构影像采集方法，如t1w或t2w对需要测量的软组织器官的几何形态进行成像与采集，再对采集图像中的组织器官几何形态的提取，常采用的提取算法有阈值分割方法或变形配准方法。然后，建立计算软组织的物理力学特性参数分布的有限元计算模型，由于不同软组织器官的结构不同，有限元模型假设也不一定相同，可按照实际情况建模。
第三处理模块，用于基于所述有限元计算模型，采用逆向算法进行迭代计算优化，得到软组织的物理力学特性参数分布。
在一优选的实施例中，本发明的基于磁共振成像的体内软组织力学特性测试装置，还包括：第四处理模块，用于将所述软组织的位移分布、应变分布以及物理力学特性参数与病理特性或病理阶段的映射关系进行匹配，进行辅助诊断。通过本发明的技术方案可以计算位移分布、应变分布以及物理力学特性参数，再通过对比依照经验生成的病理特性或病理阶段映射关系表，即可实现辅助医师对病灶部位进行无创诊断分析。
如图5，是本发明的一种第一处理模块结构图，包括：
第一处理单元，用于按照一定频率采集一组组织器官运动过程中的磁共振标记图像数据；可以是人体组织器官自然变形，如心肌运动，内脏器官基于心动或呼吸的律动；也可以是外界施加的规律运动。
第二处理单元，用于对采集的标记图像数据进行二维傅里叶变换，将图像的灰度分布函数变换为图像的频率分布函数，再选取第一主频峰值做带通滤波；将经过带通滤波的主频峰值进行二维傅里叶逆变换，将图像从频率域转换回空间域，得到复变量二维信息；选取复变量的相位图得到标记线的位置；
第三处理单元，用于选取标记线的交叉点作为追踪点，选取第一帧标记图像为参考图像，计算其余各帧追踪点相对于第一帧标记图像的位移，通过空间插值算法得到软组织的位移分布；其中，每一帧图像的追踪点可以有若干个，位置为
第四处理单元，用于基于软组织的位移分布计算变形梯度矩阵，再计算追踪点的拉格朗日应变，对拉格朗日应变进行空间插值得到软组织的应变分布。
在一具体的实施例中，计算变形梯度矩阵
在得到拉格朗日应变结果后，同样可以采用线性插值算法或者样条插值算法进行空间插值得到软组织的应变分布。例如,以追踪点的应变
如图6，是本发明的一种第三处理模块结构图，包括：
第一处理单元，用于根据有限元模型计算出测量应变分布状态下的位移分布；基本步骤为：对软组织建立的二维或三维几何结构进行网格划分；依据影像与生理结构，进行边界条件设定，并对物理参数进行初始化；计算在初始物理参数条件下模型的输出，包括形变状态下软组织器官的位移分布。
第二处理单元，用于在计算出的位移分布与测量位移分布之间建立目标函数，对所述目标函数进行参数优化，得到有限元模型的物理力学特性参数分布。其中，计算位移分布与测量位移分布之间建立的目标函数可以为：
上述具体实施方式只是对本发明的技术方案进行详细解释，本发明并不只仅仅局限于上述实施例，凡是依据本发明原理的任何改进或替换，均应在本发明的保护范围之内。