基于病理图像空间配准的拉曼光谱数据集构建方法及系统与流程

本发明涉及医学图像处理，具体来说，涉及基于病理图像空间配准的拉曼光谱数据集构建方法及系统。

背景技术：

1、拉曼光谱技术可获取生物组织内部蛋白质、脂质、核酸等物质的分子振动特征信息，在组织病理分析领域具有重要应用价值。在构建具备明确病理、分子生物学标注的拉曼光谱数据集过程中，核心前提是实现离体组织表面拉曼采样位置与组织切片免疫组化图像内目标分子标志物表达区域之间精准的空间位置映射，使每一条拉曼光谱能够关联对应的分子标志物标签。

2、然而，离体组织大体图像与免疫组织化学图像属于不同成像模态，两类图像之间普遍存在成像尺度不一致、样本姿态偏移、切片制作带来的组织收缩、局部拉伸形变、组织边缘缺损、染色背景差异等现实问题。现有配准方案直接依托原始图像颜色、纹理特征开展配准运算，极易受染色深浅、光照条件、成像背景干扰，造成配准失效；采用人工目视标定、采样点中心像素单点映射、单一刚性变换的方式建立空间对应关系，也难以输出稳定可靠的点对点标签。

3、进一步地，现有非刚性配准方案大多仅依靠组织整体重叠度作为配准结果的评价依据，片面追求高重叠指标，容易产生图像局部折叠、组织过度形变等物理上不合理的变换场，破坏模态间真实空间对应关系。

4、除此之外，拉曼光谱信号来源于仪器具有物理尺寸的激光光斑覆盖区域，并非图像上的单个像素点。当拉曼采样位置靠近组织边缘、定位孔、切片缺损区域，或者存在局部配准偏差时，光斑极易同时覆盖阳性组织、阴性组织以及组织外背景，最终引发光谱标签混杂失真。要得到高质量标注数据集，就必须在统一公共坐标空间下综合考量配准质量、分子标志物区域变换传递、拉曼实际可测范围、采样安全边界、光斑有效覆盖比例多重约束条件。

5、针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

1、针对相关技术中的问题，本发明提出基于病理图像空间配准的拉曼光谱数据集构建方法及系统，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

2、为此，本发明采用的具体技术方案如下：

3、根据本发明的一个方面，提供了基于病理图像空间配准的拉曼光谱数据集构建方法，该方法包括：

4、s1、获取同一离体组织样本的大体组织图像、免疫组织化学图像、拉曼可测区域及尺度转换信息；

5、s2、分别对大体组织图像和免疫组织化学图像进行组织分割及轮廓提取，得到大体组织掩膜、免疫组织化学组织掩膜、大体组织轮廓及免疫组织化学组织轮廓；基于免疫组织化学图像提取目标分子标志物阳性掩膜；

6、s3、基于大体组织轮廓及免疫组织化学组织轮廓确定初始空间变换，将免疫组织化学图像、免疫组织化学组织掩膜及目标分子标志物阳性掩膜按照初始空间变换映射至公共坐标空间；

7、s4、将公共坐标空间中的大体组织掩膜和免疫组织化学组织掩膜分别转换为距离变换图，基于距离变换图执行非刚性配准生成多组候选变形场，对各候选变形场进行配准质量评价并筛选得到目标变形场；

8、s5、将初始空间变换和目标变形场同步传递至目标分子标志物阳性掩膜，得到修正目标分子标志物阳性掩膜；

9、s6、基于大体组织掩膜、修正目标分子标志物阳性掩膜和拉曼可测区域构建共同有效区域，并根据拉曼有效光斑尺寸与配准误差对共同有效区域进行腐蚀操作，得到安全采样区域；

10、s7、利用尺度转换信息换算采样步长，在安全采样区域内生成拉曼采样点，针对各拉曼采样点，基于匹配拉曼有效光斑尺寸的邻域内修正目标分子标志物阳性掩膜的阳性面积占比，生成分子标志物标签及标签置信度并进行采样点筛选，输出拉曼光谱数据集。

11、根据本发明的另一个方面，还提供了基于病理图像空间配准的拉曼光谱数据集构建系统，该系统包括：

12、样本数据获取模块，用于获取同一离体组织样本的大体组织图像、免疫组织化学图像、拉曼可测区域及尺度转换信息；

13、图像分割掩膜提取模块，用于分别对大体组织图像和免疫组织化学图像进行组织分割及轮廓提取，得到大体组织掩膜、免疫组织化学组织掩膜、大体组织轮廓及免疫组织化学组织轮廓；基于免疫组织化学图像提取目标分子标志物阳性掩膜；

14、初始空间变换映射模块，用于基于大体组织轮廓及免疫组织化学组织轮廓确定初始空间变换，将免疫组织化学图像、免疫组织化学组织掩膜及目标分子标志物阳性掩膜按照初始空间变换映射至公共坐标空间；

15、非刚性配准筛选模块，用于将公共坐标空间中的大体组织掩膜和免疫组织化学组织掩膜分别转换为距离变换图，基于距离变换图执行非刚性配准生成多组候选变形场，对各候选变形场进行配准质量评价并筛选得到目标变形场；

16、掩膜形变修正模块，用于将初始空间变换和目标变形场同步传递至目标分子标志物阳性掩膜，得到修正目标分子标志物阳性掩膜；

17、采样区域生成模块，用于基于大体组织掩膜、修正目标分子标志物阳性掩膜和拉曼可测区域构建共同有效区域，并根据拉曼有效光斑尺寸与配准误差对共同有效区域进行腐蚀操作，得到安全采样区域；

18、拉曼光谱数据集生成模块，用于利用尺度转换信息换算采样步长，在安全采样区域内生成拉曼采样点，针对各拉曼采样点，基于匹配拉曼有效光斑尺寸的邻域内修正目标分子标志物阳性掩膜的阳性面积占比，生成分子标志物标签及标签置信度并进行采样点筛选，输出拉曼光谱数据集。

19、本发明的有益效果为：

20、1、本发明从离体组织大体图像和免疫组织化学图像中提取组织掩膜及组织轮廓，并以不包含原始颜色和纹理信息的轮廓形状作为空间配准依据，使配准过程主要依据组织边界位置、整体形状以及组织内部到边界的距离关系进行，从而减弱跨模态颜色和纹理差异对空间变换估计的影响，提高不同成像模态之间配准过程的稳定性。

21、2、本发明将组织掩膜转换为距离变换图后执行非刚性配准，使每一个组织内部像素均能够通过其至最近组织边界的距离参与变形场计算，同时保留了组织外边界和组织内部的连续空间信息，能够为非刚性配准提供更加连续的优化目标，有利于校正切片收缩、局部拉伸、边缘变形等非刚性空间差异，使免疫组织化学图像中的组织区域能够更加稳定地映射至公共坐标空间。

22、3、本发明针对每一个候选变形场，同时计算dice系数、双向平均最近轮廓距离、双向最大最近轮廓距离、归一化互信息以及jacobian行列式小于零的像素比例，通过多指标联合评价筛选变形场，避免仅根据单一指标选择配准结果，在提高组织整体对应程度的同时，减少局部折叠、过度拉伸和不合理形变。

23、4、本发明将用于组织配准的初始空间变换和目标变形场按照相同的变换顺序同步传递至目标分子标志物阳性掩膜，使目标分子标志物区域始终保持与对应组织区域一致的空间关系，避免因分别配准造成的空间错位，提高目标分子标志物空间分布映射的可追溯性和一致性。

24、5、本发明通过大体组织掩膜、经目标变形场作用后的免疫组织化学组织掩膜和拉曼可测区域的交集构建共同有效区域，并进一步去除定位孔、组织缺损、禁测区域和碎片区域，结合拉曼有效光斑半径与配准误差进行边界内缩，构建安全采样区域，降低组织边缘、孔洞、切片缺损和局部高误差区域对拉曼光谱采集及标签生成结果的影响。

25、6、本发明以每一个拉曼采样点为中心构建与实际拉曼有效光斑形状和尺寸相对应的邻域，计算该邻域内目标分子标志物阳性像素占有效组织像素的面积比例，使标签反映拉曼光斑实际覆盖范围内的分子标志物分布情况，降低组织异质性和阳性-阴性区域交界对点级标签的影响。

26、7、本发明采用拉曼光斑邻域内属于共同有效区域的像素数量作为阳性面积比例的分母，将计算范围限制在具有有效组织对应关系的区域内，避免组织外背景、定位孔或切片缺损导致阳性面积比例被不合理降低；同时通过共同有效区域覆盖比例对采样点进行筛选或低置信度标记，提高标签数据的可靠性。

27、8、本发明为每一个拉曼采样点生成包含采样点标识、像素坐标、物理坐标、区域状态、覆盖比例、阳性面积比例、标签和置信度的唯一标签记录，通过采样点标识与拉曼光谱建立一一对应关系，提高拉曼光谱数据集的可追溯性，便于后续异常点复核、标签阈值调整、光谱建模和病理区域对应验证。

28、9、本发明可采用轮廓线、填充区域及不同符号标记对组织轮廓、共同有效区域、安全采样区域及不同标签状态的拉曼采样点进行可视化，无需展示原始图像的颜色及纹理即可直观显示配准前后的轮廓变化、采样空间范围以及采样点与标签之间的对应关系，有利于检查配准结果、采样范围和标签生成过程是否合理。

29、10、本发明通过组织轮廓与距离变换图配准、多指标候选变形场筛选、同一空间变换传递、共同有效区域及安全采样区域构建、基于实际拉曼光斑邻域的阳性面积比例计算，形成从多模态组织图像配准到拉曼采样点点级标签生成的连续处理流程，使拉曼采样点、组织空间位置、分子标志物标签和拉曼光谱之间建立稳定、可追溯的一一对应关系，为构建具有明确分子生物学含义的拉曼光谱数据集提供技术基础。