基于自适应窗口的纤维状结构空间取向定量表征方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了基于自适应窗口的纤维状结构空间取向定量表征方法及装置。可以在不需要认为设定窗口尺寸的情况下，由算法自适应地去评估每个像素最佳窗口尺寸，并一次进行矢量加权求和运算，实现对二维或三维图像中纤维状结构空间取向的精准表征，本发明专利技术无需在计算前对纤维状结构的直径进行人工评估，无需设置固定的窗口尺寸，通过对纤维状结构进行自适应窗口尺寸评估，自动为每个有效像素计算合适的窗口尺寸大小，算法会自适应地进行矢量加权求和运算，从而实现了自动化地空间取向表征。从而实现了自动化地空间取向表征。从而实现了自动化地空间取向表征。

【技术实现步骤摘要】
基于自适应窗口的纤维状结构空间取向定量表征方法及装置


[0001]本专利技术属于纤维状结构空间取向表征与统计
，具体涉及一种基于自适应窗口的纤维状结构空间取向定量表征方法及装置。

技术介绍

[0002]纤维状结构广泛地分布于生物组织的各个部分，是生物组织的基本结构形式，包括胶原纤维、神经元轴突、血管和一系列亚细胞成分。疾病的发生与演化，伤口愈合、免疫反应、组织生长等生理活动，往往伴随着相关纤维状结构的重塑，包括机械特性与空间形态的变化，如空间取向、有序程度、直径、弯曲程度等。对于形态学改变的精准、灵敏地定量表征，将有助于理解生物组织结构与功能之间的关系。因此，相关的定量表征研究一直都是人们研究的热点。
[0003]纤维状结构的二维或三维的空间取向是重要的表征参量之一，被广泛应用于疾病诊断、伤口定位和评估生物组织的发育情况等方面。同时，它也是定义纤维状结构空间有序度的基础。目前已经有多种表征纤维状结构空间取向的算法，同时也面临着各种各样的挑战。大部分的表征方法往往停留在二维分析水平，比如文献[Sivaguru M,Durgam S,Ambekar R,et al.Quantitative analysis of collagen fiber organization in injured tendons using Fourier transform
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second harmonic generation imaging[J].Optics Express,2010,18(24):24983
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24993]提出的傅里叶变换方法，这种方法的计算速度却决于所选局域的窗口尺寸，区域划分越精细，计算结果越精确，但计算时间也相应增加，此外傅里叶变换往往要求分析对象为正方形，也对成像提出了更高的要求。文献[Quinn K P,Georgakoudi I.Rapid quantification of pixel
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wise fiber orientation data in micrographs[J].Journal Biomedical Optics,2013,18(4):046003]提出了另外一种二维取向的表征算法“矢量加权求和法”，对于纤维状结构中任一像元，预设计算窗口尺寸，以该像元为中心划定计算窗口，则中心像元与其他任何像元之间构成矢量，对这些矢量赋予了两项权重因子：一是矢量长度的倒数；二是沿矢量方向强度涨落的细微程度，通过对矢量进行加权求和后得到中心像元的去向信息。文献[Liu Z,Quinn K P,Speroni L,et al.Rapid three
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dimensional quantification of voxel
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wise collagen fiber orientation[J].Biomedical Optics Express,2015,6(7):2294
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2310]在此基础上，将该方法扩展到了三维空间，可以得到三维空间内纤维的方位角θ和极角虽然矢量加权求和方法可以实现像素级的空间取向计算，但是它们假定图像中纤维的尺寸是近似的，因此采用统一的计算窗口尺寸。因此，这些方法在面对复杂的生物组织时，会导致计算的准确率降低。
[0004]因此，目前纤维状结构空间取向算法中，存在以下缺陷和技术问题：
[0005]1)大部分停留在二维水平，少数能实现三维空间的取向表征；
[0006]2)现有部分技术方法仅能给出统计学结果，无法给出局部细节的取向信息，更无法给出可视化结果；
[0007]3)对于现有技术中可以实现像素级的可视化表征的方案，需要人为评估纤维状结构直径，设定固定窗口尺寸，在复杂生物环境下，往往会有不同粗细的纤维状结构存在，这会导致计算的准确率下降。
[0008]因此，需要一种能够对复杂生物结构进行自适应设定计算窗口的方法，结合矢量加权求和方法，更加精准地表征纤维状结构的空间取向。

技术实现思路

[0009]鉴于上述，本专利技术提供了一种基于自适应窗口的纤维状结构空间取向定量表征方法及装置，能够解决现有仅有统计结果、无法适应复杂生物环境、准确率难以保证的问题，可以在不需要认为设定窗口尺寸的情况下，由算法自适应地去评估每个像素最佳窗口尺寸，并一次进行矢量加权求和运算，实现对二维或三维图像中纤维状结构空间取向的精准表征，本专利技术是通过以下技术方案来实现的：
[0010]本专利技术公开了一种基于自适应窗口的纤维状结构空间取向定量表征方法，包括如下步骤：
[0011]1)提取纤维状结构图像并对图像进行二值化取反操作，对该图像进行像素级直径估计，从而得到每个像素的自适应窗口大小；
[0012]2)根据像素各自的自适应窗口大小，进行矢量加权求和运算，得到空间取向图谱；
[0013]3)基于原始图像的信号强度，对所述空间取向图谱结果进行伪彩色编码，实现在保有纤维状结构形态的情况下对图像进行自适应的空间取向表征。
[0014]作为进一步地改进，本专利技术所述步骤1)中进行像素级直径估计为：先计算图像的距离变换(Distance transform)，即图像中任一有效像素点到背景点的最短距离，并通过快速自适应窗口尺寸评估方法将合适的距离值传递到邻域像素点，最后将所有距离值乘以2作为直径(d)估计结果，并根据直径d来设定各像素的自适应窗口大小。
[0015]作为进一步地改进，本专利技术所述的快速自适应窗口尺寸评估方法为：将全局距离变换最大值作为初始窗口值，以此提取邻域的距离变换图像(DT map)，并计算窗口内各像素点相对中心像素的L2范数，得到L2 norm图谱，基于DT map与L2 norm图谱进行计算来评估各有效像素的窗口大小。
[0016]作为进一步地改进，本专利技术所述步骤2)的具体实现方式为：根据像素各自的计算自适应窗口大小，分别取每个像素邻域内的所有像素点，进行矢量加权求和计算，得到中心像素的二维(θ)或三维方向信息，得到空间取向图谱。
[0017]作为进一步地改进，本专利技术所述步骤3)的伪彩色编码具体实现方式为：首先使用Matlab中的ind2rgb函数将图谱空间取向图谱由灰度图转换为彩色图像，进而选用HSV的颜色图(Colormap)将彩色的图谱空间取向图谱转换为新的伪彩色编码图像DRGB，原始的纤维状结构图像与伪彩色编码图像DRGB中每个颜色通道对应像素值相乘，便可得到既包含方位信息又包含信号强度信息的可视化图像。
[0018]本专利技术还公开了一种基于自适应窗口的纤维状结构空间取向定量表征装置，包括：
[0019]自适应窗口评估模块：提取纤维状结构图像并对图像进行二值化取反操作，对该图像进行像素级直径估计，从而得到每个像素的自适应窗口大小；
[0020]自适应矢量加权求和模块：根据像素各自的自适应窗口大小，进行矢量加权求和运算，得到空间取向图谱；
[0021]伪彩色编码模块：基于原始图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应窗口的纤维状结构空间取向定量表征方法，其特征在于：包括如下步骤：1)提取纤维状结构图像并对图像进行二值化取反操作，对该图像进行像素级直径估计，从而得到每个像素的自适应窗口大小；2)根据像素各自的自适应窗口大小，进行矢量加权求和运算，得到空间取向图谱；3)基于原始图像的信号强度，对所述空间取向图谱结果进行伪彩色编码，实现在保有纤维状结构形态的情况下对图像进行自适应的空间取向表征。2.根据权利要求1所述的定量表征方法，其特征在于：所述步骤1)中进行像素级直径估计为：先计算图像的距离变换(Distance transform)，即图像中任一有效像素点到背景点的最短距离，并通过快速自适应窗口尺寸评估方法将合适的距离值传递到邻域像素点，最后将所有距离值乘以2作为直径(d)估计结果，并根据直径d来设定各像素的自适应窗口大小。3.根据权利要求2所述的定量表征方法，其特征在于：所述的快速自适应窗口尺寸评估方法为：将全局距离变换最大值作为初始窗口值，以此提取邻域的距离变换图像(DT map)，并计算窗口内各像素点相对中心像素的L2范数，得到L2 norm图谱，基于DT map与L2 norm图谱进行计算来评估各有效像素的窗口大小。4.根据权利要求1或2或3所述的定量表征...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘智毅，孟佳，丁志华，
申请(专利权)人：浙江大学嘉兴研究院，
类型：发明
国别省市：