一种基于近似对称特征的断层图像配准方法及系统

本发明涉及图像处理，特别是涉及一种基于近似对称特征的断层图像配准方法及系统。

背景技术：

1、断层图像分析对于研究生物体内部组织以及作用机理具有重要作用，在医学、生物学、生物组织学方面具有重要作用。

2、目前，相对于其他截面图像获取设备，例如核磁共振、激光共聚焦获取的图像，显微切片图像具有切片厚度薄、图像清晰等优点。但显微切片图像的制备受到刀具、显微镜、材料以及制备方法本身的影响，切片序列图像存在以下几个方面的问题。

3、(1)不可重复性。无论是采用石蜡切片还是冰冻切片，实施连续切片获取图像后，昆虫体便不复存在。不同的昆虫体彼此并不相同，因此图像中存在的任何瑕疵都无法通过重复切片来获取。

4、(2)连续切片过程中会存在褶皱、刀痕等图像污染问题。如图1中a-d所示的蝗虫头部序列切片，其中椭圆线内的部分是由于褶皱出现的图像破损情况。由于存在褶皱会造成信息丢失，其必然影响图像的分析及应用。对于图像修复而言，间断纹理的识别是修复的关键，而现有算法通常无法区分琐碎的纹理和噪声，不能满足图像配准和分析的需求。

5、(3)无法精确的配准多目标图像。有时断层切片会表现为多目标图像，例如图2显示了蝗虫体腔的切片图像包括蝗虫的背板a、背血窦b、中肠c、肌肉组织d、足e多个图像。其中，蝗虫的肌肉纹理表现为典型的纹理图像，如图3所示。而有些目标物，如中肠组织则表现为较强的多尺度分形特性，还有部分目标物其内部结构相对平滑，并且图像中目标物的边界也并非全部表现为“闭环形式”。现有的图像纹理描述方法中，无论小波、shearlet(剪切波)还是学习字典(用待处理图像或与待处理图像类似的图像训练出字典，然后利用字典处理待处理图像)，均无法精确描述全部目标物的特征。

6、(4)由于生物组织本身的复杂性，即使切片厚度只有0.1μm，相邻两切片之间也具有很大的差异，如图4中a-d所示。此外，不同切片之间的旋转角度也无法精确掌控，这给相邻切片之间的配准带来困难。

7、(5)切面图像中的破损区域是随机发生的，破损范围往往涉及多个关键目标物，其纹理结构各不相同。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于近似对称特征的断层图像配准方法及系统，通过插值条带波稀疏表示为图像配准提供了理论基础，并基于近似对称构建了断层图像配准模型，实现了目标物的精确分割和配准操作。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种基于近似对称特征的断层图像配准方法，包括以下步骤：

3、s1、手动勾勒断层图像边缘；

4、s2、生成断层形态的图形；

5、s3、获取断层形态图形的特征点；

6、s4、基于矩阵特征向量，且结合稀疏表示以及压缩感知方法分析对称点集特征，得到近似对称轴；

7、s5、建立基于近似对称特征的断层图像配准模型；

8、s6、对变形及非变形的断层图像进行图像配准操作。

9、优选的，在所述步骤s1中，包括如下：

10、使用matlab软件，根据断层图像确认若干相应参考点，将若干参考点连接形成封闭图形，再基于所述封闭图形获取特征点，以此勾勒断层图像的边缘。

11、优选的，在所述步骤s2中，包括如下：

12、生成相应断层形态图形的点集，再应用样条插值算法对所述点集进行修正，并采用基于插值条带波变换对图像进行微局部分析，以此得到相应断层图形；

13、其中，插值条带波函数为：

14、φa,α,s,t(x)＝a-(1+α)/2φ(a-1b-1(x-t))

15、式中，a∈r+表示尺度参数，α∈[0,1]，t∈r2表示平移参数，a＝(a,0；0,aα)表示各向异性膨胀矩阵，b＝(1,s；0,1)表示弯曲错切变换矩阵，x＝(x,y)表示像素点的位置向量；

16、其中，r＝(r1,r2,…,rl)t∈rl，l∈n。

17、优选的，在所述步骤s3中，包括如下：

18、结合断层图形的曲率特征，选取闭环断层图形曲率的极大值点和极小值点，以作为断层形态图形的特征点。

19、优选的，在所述步骤s4中，包括如下：

20、矩阵特征向量采用协方差矩阵，所述协方差矩阵c为：

21、

22、其中，xa，xb成对称特征，即xb＝－xa，yb＝ya，以此得到相应的近似对称轴。

23、优选的，所述步骤s4中还包括：

24、使用稀疏表示算法，提取相应图像的对称特征，即解方程

25、其中，

26、优选的，在所述步骤s5中，所述断层图像配准模型为：

27、e＝s+hr

28、其中，s表示图像配准能量泛函，r表示图像修复能量泛函，h表示同伦函数。

29、优选的，在所述步骤s6中，包括：通过构建变形及非变形的断层图像的近似轮廓和真实轮廓的逼近度泛函，利用优化理论，以实现图像的精确配准。

30、本发明还提供了一种用于执行基于近似对称特征的断层图像配准方法的系统，包括：

31、图像生成模块，用于执行断层形态图形的生成；

32、特征点获取模块，用于获取断层形态图形的特征点；

33、矩阵计算模块，用于通过矩阵特征向量，且结合稀疏表示和压缩感知方法分析对称点集的特征；

34、图像配准模块，用于构建断层图像配准模型及对所述断层图像配准模型进行配准操作。

35、根据本发明提供的具体技术方案，本发明公开了以下技术效果：

36、本发明提供了一种基于近似对称特征的断层图像配准方法及系统，通过插值条带波稀疏表示为图像配准提供了理论基础，并基于近似对称构建了断层图像配准模型，实现了目标物的精确分割和配准操作。

技术特征：

1.一种基于近似对称特征的断层图像配准方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于近似对称特征的断层图像配准方法，其特征在于，在所述步骤s1中，包括如下：

3.根据权利要求1所述的一种基于近似对称特征的断层图像配准方法，其特征在于，在所述步骤s2中，包括如下：

4.根据权利要求1所述的一种基于近似对称特征的断层图像配准方法，其特征在于，在所述步骤s3中，包括如下：

5.根据权利要求1所述的一种基于近似对称特征的断层图像配准方法，其特征在于，在所述步骤s4中，包括如下：

6.根据权利要求5所述的一种基于近似对称特征的断层图像配准方法，其特征在于，所述步骤s4中还包括：

7.根据权利要求1所述的一种基于近似对称特征的断层图像配准方法，其特征在于，在所述步骤s5中，所述断层图像配准模型为：

8.根据权利要求1所述的一种基于近似对称特征的断层图像配准方法，其特征在于，在所述步骤s6中，包括：通过构建变形及非变形的断层图像的近似轮廓和真实轮廓的逼近度泛函，利用优化理论，以实现图像的精确配准。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种基于近似对称特征的断层图像配准方法的系统，其特征在于，该系统用于执行如权利要求1-8所述的基于近似对称特征的断层图像配准方法，包括：

技术总结
本发明提供了一种基于近似对称特征的断层图像配准方法及系统，属于图像处理技术领域，该方法包括：S1、手动勾勒断层图像边缘；S2、生成断层形态的图形；S3、获取断层形态图形的特征点；S4、基于矩阵特征向量，且结合稀疏表示以及压缩感知方法分析对称点集特征，得到近似对称轴；S5、建立基于近似对称特征的断层图像配准模型；S6、对变形及非变形的断层图像进行图像配准操作。该系统包括：图像生成模块、特征点获取模块、矩阵计算模块、图像配准模块。本发明采用上述的一种基于近似对称特征的断层图像配准方法及系统，通过插值条带波稀疏表示为图像配准提供了理论基础，并基于近似对称构建了断层图像配准模型，实现了目标物的精确分割和配准操作。

技术研发人员：梅树立,刘雅菲,郜世姣,王彤昊
受保护的技术使用者：中国农业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17