基于特征点匹配的CBCT图像拼接方法、电子设备及计算机可读存储介质与流程

本发明属于宠物医学图像处理，具体涉及一种基于特征点匹配的cbct图像拼接方法、电子设备及计算机可读存储介质。

背景技术：

1、锥形束计算机断层扫描（cbct）作为重要的医学成像手段，凭借其三维成像的优势，已广泛应用于宠物医学的临床诊断中。cbct设备通过锥形束x射线围绕拍摄部位旋转扫描，结合平面探测器获取投影数据，进而重建出三维体数据，为宠物疾病的诊断提供精准的图像依据。

2、然而，受限于cbct设备探测器的物理尺寸和x射线束的锥角，单次扫描的有效视野（fieldofview,fov）存在明显限制。在宠物医学临床中，针对大型犬类的整个腹部、四肢等大范围部位的检查需求，有限的单次扫描视野无法满足完整的成像诊断要求。

3、现有技术中，解决cbct大视野成像的方案主要分为两类：其一为增大探测器和射线源的物理尺寸，该方案虽能直接扩大单次扫描视野，但会显著提升设备的生产制造成本，同时大幅增加设备机械运转的负载和惯性，降低设备的运行稳定性；其二为采用图像拼接技术，通过对目标部位进行多次、不同位置的局部扫描，获取多组具有部分重叠区域的3d体数据，再通过后处理算法将多组数据拼接融合为完整的大视野图像，该方案无需大幅改动硬件结构，是更具成本效益的选择。

4、但现有cbct图像拼接技术在宠物医学的实际应用中仍存在诸多技术缺陷：第一，宠物在多次扫描过程中易发生无意识的轻微移动，导致不同扫描序列的图像数据空间位置不一致，产生配准误差，影响拼接效果；第二，现有拼接技术多依赖基于灰度值的配准方式，在面对宠物移位、不同扫描批次间的图像噪声差异时，配准的鲁棒性较差，拼接接缝处易出现明显的伪影或灰度跳变，降低图像的诊断价值；第三，部分拼接方案依赖精密的机械结构调整来实现多位置扫描，不仅增加了硬件设计和售后安装成本，还降低了扫描操作的灵活性。

5、因此，亟需一种适配宠物医学场景，尤其是大型犬类大视野成像需求，兼具抗运动干扰、高配准精度、良好图像拼接质量且成本可控的基于特征点匹配的cbct图像拼接方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于特征点匹配的cbct图像拼接方法、电子设备及计算机可读存储介质，解决现有cbct图像拼接技术抗运动干扰能力弱、配准精度低、拼接图像存在伪影且硬件成本高的问题，实现大型犬类等宠物的高精准、高画质cbct大视野成像。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、基于特征点匹配的cbct图像拼接方法，基于cbct成像系统实现成，包括以下步骤：

4、s1、设置扫描参数并就位：用户通过交互界面设置目标对象的扫描起始位置及扫描段数n，运动系统接收所述扫描参数后自动解算移动路径并移动至所述扫描起始位置完成扫描就位，等待扫描启动，其中n为大于等于2的正整数；

5、s2、多阶段扫描并同步采集双类数据：基于s1的扫描参数启动扫描，控制cbct成像系统对目标对象依次完成n次局部扫描，同步获取第1至第n次扫描对应的3d体数据，且使相邻两次扫描的3d体数据在空间上形成预设重叠区域，同时通过设置在扫描床上的位置测量单元，实时记录各扫描阶段中扫描床的空间位置变化数据，为后续配准提供硬件数据支撑；

6、s3、基于硬件数据执行粗配准：调用s2中记录的空间位置变化数据，计算出相邻两次扫描的3d体数据之间的刚体变换矩阵作为初始配准参数，将后一次扫描的3d体数据通过所述刚体变换矩阵变换至前一次扫描的3d体数据的坐标系下，完成基于硬件运动补偿的粗配准，得到粗配准后的相邻3d体数据；

7、s4、基于粗配准结果执行特征点精配准：针对s3得到的粗配准后相邻3d体数据，提取二者配准位置附近的图像特征点并进行特征点匹配运算，重复多次所述特征点匹配运算后取结果均值，得到寻优后的精确配准矩阵，通过该精确配准矩阵更新粗配准后相邻3d体数据的重叠区域，完成精配准，得到精准配准后的第1至第n次扫描的3d体数据；

8、s5、基于精配准结果融合生成大视野图像：根据s4得到的精准配准后的所有3d体数据，将其统一融合至同一空白三维矩阵中，在相邻3d体数据的预设重叠区域内，采用基于距离权重的融合算法对图像灰度值进行平滑过渡处理，消除拼接接缝，最终生成完整的大视野3d图像。

9、优选的，所述s4中所述特征点匹配运算采用由粗到精的金字塔采样匹配方式，具体包括：

10、s41、对s3粗配准后的前一次扫描的3d体数据的重叠区域图像作为模板图像，进行金字塔采样得到多层模板采样图像，并提取各层模板采样图像的轮廓信息；

11、s42、对s3粗配准后的后一次扫描的3d体数据的重叠区域图像作为搜索图像，执行与s41相同的金字塔采样和轮廓提取操作，得到多层搜索采样图像；

12、s43、在金字塔最高层的模板采样图像和搜索采样图像中，根据相似性准则计算二者的相似性得分，若相似性得分大于设定阈值，则确定该层的匹配位置和角度，将所述匹配位置和角度放大2倍后作为下一层金字塔的初始搜索参数；若相似性得分小于等于设定阈值，则判定搜索失败；

13、s44、循环执行s43，直至金字塔最底层，得到精确的匹配位置和角度，若最底层的相似性得分大于设定阈值，则确定模板图像在搜索图像中的精确位姿；否则判定特征点匹配失败；

14、s45、根据所述精确位姿构造仿射变换矩阵，作为所述特征点匹配运算得到的配准矩阵。

15、优选的，所述s43中相似性准则通过归一化的梯度向量点积平均值计算，具体公式为：

16、。

17、优选的，所述s43中计算相似性得分时，采用改进的终止条件，具体公式为：

18、。

19、优选的，所述s5中基于距离权重的融合算法，根据像素点到拼接接缝的距离动态调整权重因子，具体公式为：

20、。

21、优选的，s2中所述空间位置变化数据包括扫描床的移动距离和旋转角度，s3中所述刚体变换矩阵根据扫描床的移动距离和旋转角度构造，实现对目标对象宏观位移的运动补偿。

22、本发明还公开了电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的基于特征点匹配的cbct图像拼接方法的步骤。

23、本发明还公开了计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的基于特征点匹配的cbct图像拼接方法的步骤。

24、采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

25、（1）抗运动干扰能力强：本发明通过在扫描床上设置位置测量单元，将扫描床的空间位置变化数据作为先验信息引入配准流程，实现硬件辅助的运动补偿粗配准，弥补了纯软件配准对目标对象大幅度运动的敏感性，有效解决宠物扫描时无意识移动导致的配准误差问题，提升了算法的鲁棒性和实时性；

26、（2）配准精度高：本发明在硬件粗配准的基础上，采用金字塔采样的特征点匹配方式实现精配准，结合归一化的相似性准则和改进的搜索终止条件，能够精细校正局部区域的刚性形变，尤其适配宠物腹部组织的微小变化，使拼接精度达到体素级；

27、（3）拼接图像质量优异：本发明在重叠区域采用基于距离权重的融合算法，根据像素点到拼接接缝的距离动态调整权重，实现灰度值的平滑过渡，有效消除拼接接缝处的灰度突变和伪影，保证重建图像在hu值上的连续性和均匀性，避免环形伪影、带状伪影对临床诊断的影响；

28、（4）成本效益高：本发明无需增大探测器、射线源的硬件尺寸，也无需设计精密的机械调整结构，仅通过增加少量位置测量单元的硬件成本，结合软件算法优化实现大视野成像，达到与螺旋ct相当的成像效果，大幅降低了设备的生产、设计和售后成本；

29、（5）操作灵活性高：本发明支持用户自定义设置扫描起始位置和扫描段数n，可实现对大型犬类全身、腹部、四肢等不同部位的任意段数连续扫描拼接，适配宠物医学临床的多样化成像需求；

30、综上所述，本发明具有抗运动干扰能力强、配准精度高、拼接图像质量优异，硬件成本低，可以实现大型犬类等宠物的高精准、高画质cbct大视野成像等优点。