基于單演信號(hào)特征距離和互相關(guān)變換光流算法的電影核磁共振圖像序列運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電影核磁共振圖像序列運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法，特別設(shè)及基于單演信號(hào)特征距 離和互相關(guān)變換光流算法的電影核磁共振圖像序列運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 屯、功能不全是一種臨床常見(jiàn)綜合癥，病情嚴(yán)重可導(dǎo)致屯、力衰竭癥狀的出現(xiàn)，早期 評(píng)估預(yù)測(cè)患者的屯、肌運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)對(duì)屯、臟疾病的診斷和治療有重大意義。屯、肌運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)估計(jì) 與跟蹤對(duì)于臨床屯、功能量化評(píng)估、圖像引導(dǎo)的手術(shù)導(dǎo)航具有重要的意義，對(duì)于醫(yī)學(xué)工程領(lǐng) 域中關(guān)于非剛體建模和運(yùn)動(dòng)仿真也具有重要的指導(dǎo)作用。屯、臟疾病特別是屯、血管疾病也會(huì) 導(dǎo)致異常的屯、臟運(yùn)動(dòng)。屯、肌梗死患者的左屯、室就會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)功能不全的現(xiàn)象。如果屯、臟疾 病阻礙人體局部屯、肌血液灌注，則會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)能減退、非同步收縮運(yùn)動(dòng)、反常運(yùn)動(dòng)甚至不 能運(yùn)動(dòng)等四種異常的屯、肌運(yùn)動(dòng)形式。屯、臟是一個(gè)始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中的器官，對(duì)左屯、室進(jìn) 行運(yùn)動(dòng)分析目的在于通過(guò)提取屯、臟序列圖像中左屯、室的特征信息，跟蹤屯、肌在一個(gè)屯、動(dòng)周 期中的運(yùn)動(dòng)軌跡。
[0003] 核磁共振成像(Ma即etic Resonance Imaging,MRI)技術(shù)已經(jīng)成為屯、臟疾病臨床 診斷的重要輔助手段。該技術(shù)能夠無(wú)侵入地檢測(cè)人體的組織和器宮，而且其成像機(jī)理使得 該方法對(duì)生物體內(nèi)如屯、臟運(yùn)樣的軟組織特別有效。在屯、臟疾病診斷和屯、功能評(píng)估等領(lǐng)域 中，基于核磁共振成像序列的屯、臟運(yùn)動(dòng)和形變估計(jì)是一個(gè)不可忽視的研究方向。由于電影 核磁共振圖像的灰度非常相近，難W找到密集的對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)，因而對(duì)于電影核磁共振圖像 的運(yùn)動(dòng)估計(jì)比對(duì)于加標(biāo)記的核磁共振圖像的運(yùn)動(dòng)估計(jì)更具有難度，目前國(guó)內(nèi)外研究較少。 而針對(duì)電影核磁共振圖像的灰度相近，特征稀少的挑戰(zhàn)，引入更多的特征用于運(yùn)動(dòng)估計(jì)就 顯得很重要了。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決核磁共振成像技術(shù)難W找到密集的對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)，對(duì)于電 影核磁共振圖像的運(yùn)動(dòng)估計(jì)比對(duì)于加標(biāo)記的核磁共振圖像的運(yùn)動(dòng)估計(jì)更具有難度的問(wèn)題， 而提出的基于單演信號(hào)特征距離和互相關(guān)變換光流算法的電影核磁共振圖像序列運(yùn)動(dòng)估 計(jì)方法。
[0005] 上述的發(fā)明目的是通過(guò)W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0006] 步驟一、利用空間正交濾波器在電影核磁共振圖像中提取單演信號(hào)的局部相位、 局部方位和局部振幅Ξ種特征，將Ξ種特征聯(lián)合構(gòu)造 Ξ維單演信號(hào)特征矩陣;其中，設(shè)置電 影核磁共振圖像序列中任意兩幅相鄰的圖像為Ii和12;
[0007] 步驟二、用Ξ維單演信號(hào)特征矩陣分別代替彩色RGB圖像的巧巾顏色通道信息作為 光流算法的輸入圖像;利用基于零均值歸一化互相關(guān)系數(shù)的公式計(jì)算光流算法的輸入圖像 局部特征的匹配特征項(xiàng)Ed(V)作為光流算法的匹配特征項(xiàng);其中，光流算法由數(shù)據(jù)的匹配公 式和平滑公式兩部分構(gòu)成；
[0008] 步驟Ξ、利用雙邊濾波器根據(jù)基于零均值歸一化互相關(guān)系數(shù)的光流算法的平滑公 式對(duì)兩幅相鄰的圖像Ii和12進(jìn)行濾波，限定電影核磁共振圖像的點(diǎn)的位移V的最小化匹配誤 差即電影核磁共振圖像局部特征的平滑特征項(xiàng)Es(V);
[0009] 步驟四、將步驟二計(jì)算的匹配特征項(xiàng)Ed(V)和步驟Ξ計(jì)算的電影核磁共振圖像局 部特征的平滑特征項(xiàng)Es(V)表示為聯(lián)合的能量公式：
[0010] Ε(ν) = ε . Ed(V)+Es(V) (1)
[0011] 其中，ε為平衡參數(shù)，在光流算法中，有兩個(gè)變量需要估計(jì)，分別是電影核磁共振圖 像像素點(diǎn)的水平方向位移U和電影核磁共振圖像像素點(diǎn)的垂直方向的位移v;V=(u，v);Ed (V)為電影核磁共振圖像的最小化匹配誤差即圖像局部特征的匹配特征項(xiàng);Es(V)為電影核 磁共振圖像局部特征的平滑特征項(xiàng)。
[0012]發(fā)明效果
[0013] 本發(fā)明的目的是為了提高電影核磁共振序列圖像運(yùn)動(dòng)估計(jì)的精度。而提出基于單 演信號(hào)距離和互相關(guān)變換光流法的電影核磁共振圖像序列運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法。
[0014] 在本發(fā)明中，我們利用ASSESS工具箱生成模擬屯、肌運(yùn)動(dòng)圖像序列和位移場(chǎng)來(lái)確定 新型光流算法的精度。通過(guò)ASSESS軟件生成模擬的電影核磁共振圖像序列D30R20P0F20， D30R20P3F20，D30R20P0F34，D30R20P3F34,運(yùn)些序列的運(yùn)動(dòng)結(jié)果是提前設(shè)定好的，通過(guò)運(yùn)些 值與估計(jì)出的位移值進(jìn)行比對(duì)，就可W算出運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法精度。D30表示收縮或舒張30%， R20表示旋轉(zhuǎn)角度20度，P0表示健康的序列，P3表示有疾病的序列，F(xiàn)20表示序列中有20帖， F34表示序列中有34帖。如圖2(a)中的電影核磁共振圖像和圖2(b)中的加標(biāo)記的核磁共振 圖像比起來(lái)特征稀少，所W將圖2(a)中的圖像分解成單演信號(hào)的振幅信息如圖2(c)，相位 信息如圖2(d)，方位信息如圖2(e)，然后合成偽彩色圖像如圖2(f)。圖2(f)比圖2(a)具有更 多的特征信息。
[0015]本發(fā)明采用平均角度誤差A(yù)AE(Average Angle化ror)衡量運(yùn)動(dòng)估計(jì)效果
[0016] 角度誤差常用于直觀的給出光流估計(jì)結(jié)果的好或者差。其計(jì)算方法為，對(duì)圖像每 一點(diǎn)計(jì)算其估計(jì)的速度與光流真值速度的夾角，夾角越小表示角度結(jié)果越準(zhǔn)確。平均角度 誤差A(yù)AE(Average Angle Error),平均角度誤差是一種重要的量化評(píng)估光流估計(jì)結(jié)果的方 法。設(shè)圖像任意點(diǎn)P的角度誤差為Eae(p))是兩個(gè)流向量vo(p) = (u〇，v〇WPvi(p) = (ui，vi^p 點(diǎn)在2D空間的角度(u〇，vo)和(ui，vi).我們可W得到：
[0017] EAE = arccos(vo, vi)
[0018] 角度誤差適合用來(lái)評(píng)價(jià)大速度和小速度的位移。如果位移的結(jié)果給定了，那么Eae (P)是估計(jì)值和真值之間的角度誤差。AAE是Eae(p)平均值。
[0019] 并且本發(fā)明采用平均終止點(diǎn)誤差A(yù)EP(average end-point)衡量運(yùn)動(dòng)估計(jì)效果終 止點(diǎn)誤差化nd Point化ror)用來(lái)衡量?jī)蓚€(gè)光流終止點(diǎn)之間的距離，公式是
[0020]
[0021 ] 如果真實(shí)結(jié)果給定，那么vo(p) = (U0, V0)表示真值，vi(p) = (U1, VI)表示估計(jì)值。 A邸(Average End-point lirror)是終止點(diǎn)誤差的平均值。標(biāo)準(zhǔn)差（standard deviation, STD)用來(lái)評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)估計(jì)結(jié)果的穩(wěn)定性。
[0022] 本發(fā)明主要采用光流算法，所W和目前效果較好的Sun光流算法，還有經(jīng)典的LK光 流算法進(jìn)行比較。比較效果如表1所示。
[0023] 表1平均角度誤差和平均終止點(diǎn)誤差（均值±標(biāo)準(zhǔn)差）（角度誤差：度，終止點(diǎn)誤 差:像素）
[0024]

【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1為具體實(shí)施Ξ提出的單演信號(hào)分解示意圖；其中，φ為單演相位，目為單演方 位，A為單演振幅，r表示單演信號(hào)相位向量，Ρ為ρ(χ)，ql為qi(x)，q2為Q2(x)，q為q(x));
[0026] 圖2(a)為【具體實(shí)施方式】一提出的電影核磁共振圖像；
[0027] 圖2(b)為【具體實(shí)施方式】一提出的加標(biāo)記的核磁共振圖像；
[0028] 圖2(c)為【具體實(shí)施方式】一提出的局部振幅圖像；
[0029] 圖2(d)為【具體實(shí)施方式】一提出的局部相位圖像；
[0030] 圖2(e)為【具體實(shí)施方式】一提出的局部方位圖像；
[0031] 圖2(f)