基于单演信号特征距离和互相关变换光流算法的电影核磁共振图像序列运动估计方法技术

基于单演信号特征距离和互相关变换光流算法的电影核磁共振图像序列运动估计方法，本发明专利技术涉及电影核磁共振图像序列运动估计方法。本发明专利技术是要解决电影核磁共振成像技术难以找到密集的对应特征点，对于电影核磁共振图像的运动估计比对于加标记的核磁共振图像的运动估计更具有难度的问题，该方法是通过一、将三种特征联合构造三维单演信号特征矩阵；二、利用基于零均值归一化互相关系数的公式计算匹配特征Ed(V)；三、限定电影核磁共振图像局部特征的平滑特征Es(V)；四、将匹配特征项Ed(V)和电影核磁共振图像局部特征的平滑项Es(V)表示为联合的能量公式，并假设该公式最小化，求得运动估计位移等步骤实现的。本发明专利技术应用于电影核磁共振图像序列运动估计领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电影核磁共振图像序列运动估计方法，特别涉及基于单演信号特征距离和互相关变换光流算法的电影核磁共振图像序列运动估计方法。
技术介绍
心功能不全是一种临床常见综合症，病情严重可导致心力衰竭症状的出现，早期评估预测患者的心肌运动特点对心脏疾病的诊断和治疗有重大意义。心肌运动的运动估计与跟踪对于临床心功能量化评估、图像引导的手术导航具有重要的意义，对于医学工程领域中关于非刚体建模和运动仿真也具有重要的指导作用。心脏疾病特别是心血管疾病也会导致异常的心脏运动。心肌梗死患者的左心室就会出现运动功能不全的现象。如果心脏疾病阻碍人体局部心肌血液灌注，则会出现运动机能减退、非同步收缩运动、反常运动甚至不能运动等四种异常的心肌运动形式。心脏是一个始终处于运动状态中的器官，对左心室进行运动分析目的在于通过提取心脏序列图像中左心室的特征信息，跟踪心肌在一个心动周期中的运动轨迹。核磁共振成像(MagneticResonanceImaging,MRI)技术已经成为心脏疾病临床诊断的重要辅助手段。该技术能够无侵入地检测人体的组织和器宫，而且其成像机理使得该方法对生物体内如心脏这样的软组织特别有效。在心脏疾病诊断和心功能评估等领域中，基于核磁共振成像序列的心脏运动和形变估计是一个不可忽视的研究方向。由于电影核磁共振图像的灰度非常相近，难以找到密集的对应特征点，因而对于电影核磁共振图像的运动估计比对于加标记的核磁共振图像的运动估计更具有难度，目前国内外研究较少。而针对电影核磁共振图像的灰度相近，特征稀少的挑战，引入更多的特征用于运动估计就显得很重要了。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决核磁共振成像技术难以找到密集的对应特征点，对于电影核磁共振图像的运动估计比对于加标记的核磁共振图像的运动估计更具有难度的问题，而提出的基于单演信号特征距离和互相关变换光流算法的电影核磁共振图像序列运动估计方法。上述的专利技术目的是通过以下技术方案实现的：步骤一、利用空间正交滤波器在电影核磁共振图像中提取单演信号的局部相位、局部方位和局部振幅三种特征，将三种特征联合构造三维单演信号特征矩阵；其中，设置电影核磁共振图像序列中任意两幅相邻的图像为I1和I2；步骤二、用三维单演信号特征矩阵分别代替彩色RGB图像的3种颜色通道信息作为光流算法的输入图像；利用基于零均值归一化互相关系数的公式计算光流算法的输入图像局部特征的匹配特征项Ed(V)作为光流算法的匹配特征项；其中，光流算法由数据的匹配公式和平滑公式两部分构成；步骤三、利用双边滤波器根据基于零均值归一化互相关系数的光流算法的平滑公式对两幅相邻的图像I1和I2进行滤波，限定电影核磁共振图像的点的位移V的最小化匹配误差即电影核磁共振图像局部特征的平滑特征项Es(V)；步骤四、将步骤二计算的匹配特征项Ed(V)和步骤三计算的电影核磁共振图像局部特征的平滑特征项Es(V)表示为联合的能量公式：E(V)＝ε·Ed(V)+Es(V)(1)其中，ε为平衡参数，在光流算法中，有两个变量需要估计，分别是电影核磁共振图像像素点的水平方向位移u和电影核磁共振图像像素点的垂直方向的位移v；V＝(u,v)；Ed(V)为电影核磁共振图像的最小化匹配误差即图像局部特征的匹配特征项；Es(V)为电影核磁共振图像局部特征的平滑特征项。专利技术效果本专利技术的目的是为了提高电影核磁共振序列图像运动估计的精度。而提出基于单演信号距离和互相关变换光流法的电影核磁共振图像序列运动估计方法。在本专利技术中，我们利用ASSESS工具箱生成模拟心肌运动图像序列和位移场来确定新型光流算法的精度。通过ASSESS软件生成模拟的电影核磁共振图像序列D30R20P0F20，D30R20P3F20，D30R20P0F34，D30R20P3F34，这些序列的运动结果是提前设定好的，通过这些值与估计出的位移值进行比对，就可以算出运动估计算法精度。D30表示收缩或舒张30％，R20表示旋转角度20度，P0表示健康的序列，P3表示有疾病的序列，F20表示序列中有20帧，F34表示序列中有34帧。如图2(a)中的电影核磁共振图像和图2(b)中的加标记的核磁共振图像比起来特征稀少，所以将图2(a)中的图像分解成单演信号的振幅信息如图2(c),相位信息如图2(d),方位信息如图2(e),然后合成伪彩色图像如图2(f)。图2(f)比图2(a)具有更多的特征信息。本专利技术采用平均角度误差AAE(AverageAngleError)衡量运动估计效果角度误差常用于直观的给出光流估计结果的好或者差。其计算方法为，对图像每一点计算其估计的速度与光流真值速度的夹角，夹角越小表示角度结果越准确。平均角度误差AAE(AverageAngleError)，平均角度误差是一种重要的量化评估光流估计结果的方法。设图像任意点p的角度误差为EAE(p))是两个流向量v0(p)＝(u0,v0)和v1(p)＝(u1,v1)在p点在2D空间的角度(u0,v0)和(u1,v1).我们可以得到：EAE＝arccos(v0,v1)角度误差适合用来评价大速度和小速度的位移。如果位移的结果给定了，那么EAE(p)是估计值和真值之间的角度误差。AAE是EAE(p)平均值。并且本专利技术采用平均终止点误差AEP(averageend-point)衡量运动估计效果终止点误差(EndPointError)用来衡量两个光流终止点之间的距离，公式是(u0-u1)2+(u1-v1)2]]>如果真实结果给定，那么v0(p)＝(u0,v0)表示真值，v1(p)＝(u1,v1)表示估计值。AEE(AverageEnd-pointError)是终止点误差的平均值。标准差(standarddeviation,STD)用来评价运动估计结果的稳定性。本专利技术主要采用光流算法，所以和目前效果较好的Sun光流算法，还有经典的LK光流算法进行比较。比较效果如表1所示。表1平均角度误差和平均终止点误差(均值±标准差)(角度误差：度，终止点误差：像素)附图说明图1为具体实施三提出的单演信号分解示意图；其中，为单演相位,θ为单演方位，A为单演振幅，r表示单演信号相位向量，p为p(x)，q1为q1(x)，q2为q2(x)，q为q(x))；图2(a)为具体实施方式一提出的电影核磁共振图像；图2(b)为具体实施方式一提出的加标记的核磁共振图像；图2(c)为具体实施方式一提出的局部振幅图像；图2(d)为具体实施方式一提出的局部相位图像；图2本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于单演信号特征距离和互相关变换光流算法的电影核磁共振图像序列运动估计方法，其特征在于，该方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一、利用空间正交滤波器在电影核磁共振图像中提取单演信号的局部相位、局部方位和局部振幅三种特征，将三种特征联合构造三维单演信号特征矩阵；其中，设置电影核磁共振图像序列中任意两幅相邻的图像为I1和I2；步骤二、用三维单演信号特征矩阵分别代替彩色RGB图像的3种颜色通道信息作为光流算法的输入图像；利用基于零均值归一化互相关系数的公式计算光流算法的输入图像局部特征的匹配特征项Ed(V)作为光流算法的匹配特征项；其中，光流算法由数据的匹配公式和平滑公式两部分构成；步骤三、利用双边滤波器根据基于零均值归一化互相关系数的光流算法的平滑公式对两幅相邻的图像I1和I2进行滤波，限定电影核磁共振图像的点的位移V的最小化匹配误差即电影核磁共振图像局部特征的平滑特征项Es(V)；步骤四、将步骤二计算的匹配特征项Ed(V)和步骤三计算的电影核磁共振图像局部特征的平滑特征项Es(V)表示为联合的能量公式：E(V)＝ε·Ed(V)+Es(V)     (1)其中，ε为平衡参数，在光流算法中，有两个变量需要估计，分别是电影核磁共振图像像素点的水平方向位移u和电影核磁共振图像像素点的垂直方向的位移v；V＝(u,v)；Ed(V)为电影核磁共振图像的最小化匹配误差即图像局部特征的匹配特征项；Es(V)为电影核磁共振图像局部特征的平滑特征项。...

【技术特征摘要】
1.基于单演信号特征距离和互相关变换光流算法的电影核磁共振图像序列运动估计
方法，其特征在于，该方法具体是按照以下步骤进行的：
步骤一、利用空间正交滤波器在电影核磁共振图像中提取单演信号的局部相位、局部
方位和局部振幅三种特征，将三种特征联合构造三维单演信号特征矩阵；其中，设置电影
核磁共振图像序列中任意两幅相邻的图像为I1和I2；
步骤二、用三维单演信号特征矩阵分别代替彩色RGB图像的3种颜色通道信息作为光
流算法的输入图像；利用基于零均值归一化互相关系数的公式计算光流算法的输入图像局
部特征的匹配特征项Ed(V)作为光流算法的匹配特征项；其中，光流算法由数据的匹配公
式和平滑公式两部分构成；
步骤三、利用双边滤波器根据基于零均值归一化互相关系数的光流算法的平滑公式对
两幅相邻的图像I1和I2进行滤波，限定电影核磁共振图像的点的位移V的最小化匹配误差
即电影核磁共振图像局部特征的平滑特征项Es(V)；
步骤四、将步骤二计算的匹配特征项Ed(V)和步骤三计算的电影核磁共振图像局部特
征的平滑特征项Es(V)表示为联合的能量公式：
E(V)＝ε·Ed(V)+Es(V)(1)
其中，ε为平衡参数，在光流算法中，有两个变量需要估计，分别是电影核磁共振图
像像素点的水平方向位移u和电影核磁共振图像像素点的垂直方向的位移v；V＝(u,v)；
Ed(V)为电影核磁共振图像的最小化匹配误差即图像局部特征的匹配特征项；Es(V)为电影
核磁共振图像局部特征的平滑特征项。
2.根据权利要求1所述基于单演信号特征距离和互相关变换光流算法的电影核磁共振
图像序列运动估计方法，其特征在于：步骤一中空间正交滤波器由1个偶数阶滤波器he(x)
和2个奇数阶滤波器ho1(x)和ho2(x)组成；其中，x＝(x,y)是电影核磁共振图像中任意一点
像素的坐标。
3.根据权利要求2所述基于单演信号特征距离和互相关变换光流算法的电影核磁共振
图像序列运动估计方法，其特征在于：步骤一中利用空间正交滤波器提取单演信号的局部
相位、局部方位和局部振幅三种特征，将三种特征联合构造三维单演信号特征矩阵具体过
程为：
(1)、采用了巴特沃斯高通滤波器；在频率域中公式如下：
He(ω)=11+(ωc/ω)2n---(2)]]>其中，ωc是滤波器的截止频率；n为巴特沃斯高通滤波器的阶数；He(·)是经傅里叶
变换后得到的频域下的偶数阶滤波器；
(2)、奇滤波器由偶滤波器计算获得，在频域里计算公式如下：
Ho1(ω)=-jωx|ω|·He(ω),Ho2(ω)=-jωy|ω|·He(ω)---(3)]]>ω＝[ωx,ωy]T是正则化的角频率，ωx为图像在x轴方向的正则化的角频率；ωy为图像
在y轴方向的正则化的角频率；j表示虚部；Ho1(ω)为ho1(x)经傅里叶变换后得到的频域下
的奇数阶滤波器；Ho2(ω)为ho2(x)经傅里叶变换后得到的频域下的奇数阶滤波器；
(3)、将3个滤波器用于计算图像I的单演相位单演方位θ(x)和单演振幅A(x)，计算
公式如下:
p(x)＝(I*he)(x),q1(x)＝(I*ho1)(x),q2(x)＝(I*ho2)(x)，q(x)＝[q1(x),q2(x)]T，
A(x)=q1(x)2+q2(x)2+p(x)2;]]>θ(x)=arctan(q2(x)q1(x))---(4)]]>其中，p(x)是图像I经过偶数阶滤波器变换的结果，q1(x)为图像I经过奇数阶滤波器ho1变换的结果，q2(x)为图像I经过奇数阶滤波器ho2变换的结果，p(x)，q1(x)，q2(x)构成正
交三维向量空间，q(x)是q1(x)和q2(x)构成的向量；A(x)与p(x)的夹角为单演相位q(x...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宛予，高镔，帕特里克·克拉里斯，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23