一种超声微泡的定量分析方法技术

本发明专利技术公开了一种超声微泡的定量分析方法，包括以下步骤：输入待分析的超声微泡显微图像；分离微泡气体区域；分离微泡与背景；得到与背景分离的超声微泡图像后，应用形态学方法去除图像中的干扰噪声；搜索微泡中心点；用形态学填充算法，填补微泡壳体中心孔洞；初始化微泡圆形轮廓；分割粘连微泡：计算超声微泡几何参数并显示结果。本发明专利技术提出了一种全新的超声微泡形态的定量分析方法，分割超声微泡，重点解决粘连超声微泡分离的难点问题，计算超声微泡几何参数，实现对超声微泡的定量分析。

【技术实现步骤摘要】
一种超声微泡的定量分析方法
本专利技术涉及数字图像分析与处理
，特别涉及一种超声微泡的定量分析方法。
技术介绍
近年来，超声微泡作为一种造影剂在临床诊断与治疗的应用越来越广泛。目前，超声微泡在基因转染、载药靶向治疗等方面显现出巨大应用潜力。研究超声微泡静态与动态变化是实现其载药与靶向治疗的基础。超声微泡一般都具有壳层结构，内部包裹有惰性气体，尺寸范围在1～10μm，这一特性也使其在增强显影方面具有显著优势。超声微泡的生物医学显微镜图像具有以下特点：(1)微泡数量较多，呈密集分布状态；(2)不同微泡包膜结构之间存在粘连现象；(3)形状规则，大都呈现内部亮度显著的圆环形结构。超声微泡静态及在外部动态激励条件(施加超声激励、温度变化等)下会发生收缩与扩张振动。在超声微泡研究中对其图像精确分析显得尤为重要。在实现超声微泡动态与静态定量分析过程中，需要将粘连微泡分离，把粘连超声微泡及微泡内部气体区域与包膜层分开，从而实现对超声微泡几何形状参数变化的分析。如综合超声微泡半径、气体域半径、面积、包膜层厚度等几何参数的变化，以及这些参数随时间的变化率，可以实现对超声微泡形态变化定量分析。在数字图像处理领域中，图像分割技术是人们持续关注的热点与难点问题之一。在超声微泡图像分析中如何精确分割粘连微泡是分析超声微泡几何参数的技术难点。在超声微泡制备及性能分析中，大都利用扫描电镜或粒径分析仪来完成微泡半径等几何参数分析，操作复杂、准确性低，尤其无法对粘连微泡实施分割。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种超声微泡的定量分析方法，能够分割超声微泡，解决粘连超声微泡分离的问题，实现超声微泡的几何参数自动计算及定量分析。本专利技术的目的通过以下的技术方案实现：一种超声微泡的定量分析方法，包括以下步骤：S1、输入待分析的超声微泡显微图像；S2、分离微泡气体区域；S3、分离微泡与背景；S4、得到与背景分离的超声微泡图像后，应用形态学方法去除图像中的干扰噪声；至此，微泡气体区域、微泡体与背景实施了有效分离；S5、搜索微泡中心点；S6、用形态学填充算法，填补微泡壳体中心孔洞；S7、初始化微泡圆形轮廓；S8、分割粘连微泡：以步骤S7中所得圆为初始化轮廓，计算其圆度R0，应用梯度向量流主动轮廓模型，搜索微泡的轮廓；使轮廓沿能量降低的方向靠近；S9、计算超声微泡几何参数并显示结果。优选的，步骤S2中分离微泡气体区域具体步骤为：计算待分析的超声微泡图像的灰度最大值gmax，给定一个偏移量θ，令T1＝gmax+θ，将其作为阈值，将图像分为两部分，其中大于T1的像素为包含气体部分，以Ig表示，另一部分用Ibc表示，即Ibc为去除微泡内气体的部分。优选的，步骤S3的具体方法为：采用由粗到精的自适应阈值法，将微泡壳体Ic与背景Ib分离；a)计算图像的灰度平均值μ，给定迭代最大次数N、阈值变化值ΔT；b)计算Ibc的灰度均值，将其作为初始阈值T0；c)以T0为阈值将图像分为两部分，再分别计算两部分的灰度均值μc与μb，将μc与μb的平均值作为新的阈值，再对图像进行分类，计算新的两类灰度均值的平均值，更新阈值，不断迭代，直至达到N次或连续两次的阈值之差的绝对值小于ΔT；此时，微泡壳体与背景有效分离。优选的，步骤S2中得到的分离微泡气体区域，在其中心存在孔洞，为了计算微泡的几何中心，先应用形态学填充算法，填充中心孔洞，然后再计算其中心点C，该点亦是整个微泡的中心点。优选的，步骤S7中将微泡轮廓初始化为一定半径的圆：对分离后的微泡壳体，应用Canny算子检测边界，得到微泡外轮廓；a)在步骤S5中得到微泡中心点C，从每个微泡中心点C出发，分别在水平与垂直方向，进行扫描，找到第一个微泡外轮廓点，由此，在4个方向上分别得到4个微泡外轮廓点；b)对扫描所得4个点，分别计算每一点与微泡中心点的距离，得到4个距离值；c)计算4个距离值两两之间的差的绝对值，将绝对值按从小到大的顺序排列，求位列前两位的平均值di；d)以中心点C为圆心，di作为半径，生成一个圆。优选的，步骤S8中为了确保轮廓点在变化过程中不会错误地走向相邻另一微泡边界，采用如下圆度准则：给定一个阈值ε，在边界点形变过程中，每次迭代结束，计算微泡当前轮廓的圆度Rk，记上次微泡轮廓的圆度Rk-1，令△R＝|Rk-Rk-1|；如果△R＜ε，则迭代继续，否则停止；其中，圆度定义为：4π*A/P2，A为轮廓包含区域的面积，P为轮廓周长。优选的，步骤S9中，在得到每一个微泡壳与微泡内部边界以及中心点后，计算其几何参数，包括半径、周长、面积、圆度；对于所获取的微泡随时间动态变化的显微图像序列，每一帧图像均利用上述步骤进行处理，可求得微泡、气体的重要参数，包括收缩/膨胀率、位移、运动轨迹，以及收缩/膨胀率、位移的加速度。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：专利技术提出了一种全新的超声微泡形态的定量分析方法，分割超声微泡，重点解决粘连超声微泡分离的难点问题，计算超声微泡几何参数，实现对超声微泡的定量分析；(1)根据微泡的结构形态与灰度分布特点，准确快速地获取超声微泡的几何参数(中心、半径、包膜厚度、微泡数量等)信息；(2)自动准确地完成粘连超声微泡的分割；(3)计算微泡的动态变化参数，对其运动与形变进行定性与定量分析(气体与微泡壳体扩张收缩率、速度、形变幅度等)。附图说明图1为实施例超声微泡显微图像。图2为一种超声微泡的定量分析方法流程图。图3为实施例超声微泡图像直方图。图4为实施例超声微泡内气体区域。图5为实施例超声微泡壳从背景中分离的结果。图6为实施例超声微泡壳去除噪声后结果。图7为实施例超声微泡图像气体区域填充后结果。图8为实施例超声微泡图像中心点搜索结果。图9为实施例超声微泡填充后结果。图10为实施例超声微泡经Canny算子检测的结果。图11为实施例超声微泡初始化圆形。图12为实施例超声微泡显微图像分割结果。图13为实施例超声微泡1的半径随时间变化的动态变化曲线。图14为实施例超声微泡2的半径随时间变化的动态变化曲线。图15为实施例超声微泡3的半径随时间变化的动态变化曲线。具体实施方式下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。由荧光倒置显微镜采集的超声微泡图像实例，如图1所示，其中(a)，(b)，(c)分别为开始时、10分钟与20分钟后采集的图像。一种超声微泡的定量分析方法，如图2，包括如下步骤：(1)输入待分析的超声微泡显微图像；(2)分离微泡气体区域：根据图1与图3的超声微泡显微图像背景与微泡各部分的灰度分布特性，依照灰度值从大到小的顺序，可分为三部分：(a)高亮度的包裹气体区Ig；(b)灰色背景Ib；(c)微泡壳体Ic及中心暗区。由图3超声微泡图像灰度直方图可知，上述三部分分别分布在由低到高的不同区域，其中，最大值附近为气体，另两个相隔较大的主峰，微泡壳体及中心位于低峰值区，背景位于高峰值区。为此，先分离高亮度微泡气体区域，计算待分析的超声微泡图像的灰度最大值gmax，给定一个偏移量θ，令T1＝gmax+θ，将其作为阈值，将图像分为两部分，其中大于T1的像素为包含气体部分(图4)，以Ig表示，另一部分用Ibc表示，即Ibc为去除微泡内气体的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声微泡的定量分析方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、输入待分析的超声微泡显微图像；S2、分离微泡气体区域；S3、分离微泡与背景；S4、得到与背景分离的超声微泡图像后，应用形态学方法去除图像中的干扰噪声；至此，微泡气体区域、微泡体与背景实施了有效分离；S5、搜索微泡中心点；S6、用形态学填充算法，填补微泡壳体中心孔洞；S7、初始化微泡圆形轮廓；S8、分割粘连微泡：以步骤S7中所得圆为初始化轮廓，计算其圆度R0，应用梯度向量流主动轮廓模型，搜索微泡的轮廓；使轮廓沿能量降低的方向靠近；S9、计算超声微泡几何参数并显示结果。

【技术特征摘要】
1.一种超声微泡的定量分析方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、输入待分析的超声微泡显微图像；S2、分离微泡气体区域；S3、分离微泡与背景；S4、得到与背景分离的超声微泡图像后，应用形态学方法去除图像中的干扰噪声；至此，微泡气体区域、微泡体与背景实施了有效分离；S5、搜索微泡中心点；S6、用形态学填充算法，填补微泡壳体中心孔洞；S7、初始化微泡圆形轮廓；S8、分割粘连微泡：以步骤S7中所得圆为初始化轮廓，计算其圆度R0，应用梯度向量流主动轮廓模型，搜索微泡的轮廓；使轮廓沿能量降低的方向靠近；S9、计算超声微泡几何参数并显示结果。2.根据权利要求1所述的超声微泡的定量分析方法，其特征在于，步骤S2中分离微泡气体区域具体步骤为：计算待分析的超声微泡图像的灰度最大值gmax，给定一个偏移量θ，令T1＝gmax+θ，将其作为阈值，将图像分为两部分，其中大于T1的像素为包含气体部分，以Ig表示，另一部分用Ibc表示，即Ibc为去除微泡内气体的部分。3.根据权利要求1所述的超声微泡的定量分析方法，其特征在于，步骤S3的具体方法为：采用由粗到精的自适应阈值法，将微泡壳体Ic与背景Ib分离；a)计算图像的灰度平均值μ，给定迭代最大次数N、阈值变化值ΔT；b)计算Ibc的灰度均值，将其作为初始阈值T0；c)以T0为阈值将图像分为两部分，再分别计算两部分的灰度均值μc与μb，将μc与μb的平均值作为新的阈值，再对图像进行分类，计算新的两类灰度均值的平均值，更新阈值，不断迭代，直至达到N次或连续两次的阈值之差的绝对值小于ΔT；此时，微泡壳体与背景有效分离。4.根据权利要求1所述的超声微泡的定量分析方法，其特征在于，步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭圣文，江行军，黄岳山，劳永华，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44