基于多方向结构特征的双模态断层图像配准方法及系统

本发明属于多模态图像配准，尤其涉及一种基于多方向结构特征的双模态断层图像配准方法及系统。

背景技术：

1、现有双模态图像配准方法主要包括基于局部特征的配准方法和基于灰度统计的配准方法两类。前者通常采用尺度不变特征变换（sift）、加速稳健特征（surf）和定向快速旋转二值特征（orb）等局部特征建立跨模态对应关系；后者通常采用互信息（mi）、归一化互相关（ncc）、增强相关系数（ecc）、模态独立邻域描述子（mind）以及归一化梯度场（ngf）等相似性度量，并结合仿射模型、刚体模型或多分辨率金字塔策略进行优化。

2、对于一般多模态图像而言，上述方法能够在一定程度上解决平移、旋转、尺度变化以及部分结构失配问题。然而，中子/x射线双模态断层图像由于成像机理差异显著，同一结构在两种模态中的灰度响应往往呈现复杂非线性关系，局部区域甚至可能出现对比反转；同时，中子图像与x射线图像在边缘宽度、纹理表现和噪声特性上也存在明显差异。因此，传统基于特征点的方法容易受到弱特征、重复纹理和误匹配的影响，而传统基于全图灰度统计的方法又容易陷入局部最优，难以同时兼顾全局几何一致性和内部结构精确对齐。

3、尤其对于圆柱锂离子电池等样品，x射线图像中的金属外壳边界响应较强，而中子图像对内部电解液及卷绕层状结构更敏感，导致现有全图灰度配准方法容易被外轮廓主导，进而削弱内部结构区域的配准精度；传统局部特征方法则容易受到近圆柱对称结构、重复卷绕纹理以及局部辨识度不足的影响，导致误匹配、人工选点依赖或自动化程度不足。

4、目前公开的中子/x射线双模态断层图像研究多集中于联合成像及后续结构表征，专门针对中子/x射线双模态断层图像配准方法本身的系统研究相对较少，尚未形成较为完整和稳定的方法体系，尤其缺少一种既能增强跨模态内部结构可比性、又能兼顾整套断层序列切片对应关系与连续参数传递的配准方法。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于：针对中子/x射线双模态断层图像之间存在灰度响应差异大、局部对比反转明显、内部结构重复且方向性强等问题，提出一种既能够利用双模态互补响应特性建立稳定结构对应关系、又能够实现自动全局仿射配准的配准方法。

2、第一方面，本发明提供一种基于多方向结构特征的双模态断层图像配准方法，包括：

3、获取同一样品的第一模态图像和第二模态图像，所述第一模态图像与所述第二模态图像对同一物理结构的灰度响应相反；

4、以预设的多个方向角分别构造各向异性高斯导数核，并根据所述各向异性高斯导数核分别对所述第一模态图像和所述第二模态图像进行滤波，得到与所述第一模态图像相对应的第一多方向结构响应张量，以及与所述第二模态图像相对应的第二多方向结构响应张量，其中，多方向结构响应张量中包含各方向角对应的结构响应图；

5、根据各方向角对应的结构响应图从所述预设的多个方向角中选取有效方向角，并根据各个有效方向角在所述第一模态图像中确定闭合路径，其中，每一有效方向角对应一个闭合路径；

6、将所述闭合路径施加当前空间变换参数后映射至所述第二模态图像，得到初始映射闭合路径，并根据所述第二多方向结构响应张量对所述初始映射闭合路径进行位置修正，得到目标映射闭合路径；

7、沿所述闭合路径在所述第一模态图像中提取第一响应值序列，以及沿所述目标映射闭合路径在所述第二模态图像中提取第二响应值序列；

8、将所述第二响应值序列进行序列变换，得到反转响应值序列，计算所述第一响应值序列与所述反转响应值序列之间的序列吻合度，并以所有有效方向角对应的序列吻合度的加权和作为全局配准吻合度；

9、根据所述全局配准吻合度调整所述当前空间变换参数，将调整后的所述当前空间变换参数作用于所述第二模态图像，使所述第二模态图像与所述第一模态图像对齐，输出配准结果。

10、第二方面，本发明提供一种基于多方向结构特征的双模态断层图像配准系统，包括：

11、获取模块，配置为获取同一样品的第一模态图像和第二模态图像，所述第一模态图像与所述第二模态图像对同一物理结构的灰度响应相反；

12、滤波模块，配置为以预设的多个方向角分别构造各向异性高斯导数核，并根据所述各向异性高斯导数核分别对所述第一模态图像和所述第二模态图像进行滤波，得到与所述第一模态图像相对应的第一多方向结构响应张量，以及与所述第二模态图像相对应的第二多方向结构响应张量，其中，多方向结构响应张量中包含各方向角对应的结构响应图；

13、确定模块，配置为根据各方向角对应的结构响应图从所述预设的多个方向角中选取有效方向角，并根据各个有效方向角在所述第一模态图像中确定闭合路径，其中，每一有效方向角对应一个闭合路径；

14、映射模块，配置为将所述闭合路径施加当前空间变换参数后映射至所述第二模态图像，得到初始映射闭合路径，并根据所述第二多方向结构响应张量对所述初始映射闭合路径进行位置修正，得到目标映射闭合路径；

15、提取模块，配置为沿所述闭合路径在所述第一模态图像中提取第一响应值序列，以及沿所述目标映射闭合路径在所述第二模态图像中提取第二响应值序列；

16、计算模块，配置为将所述第二响应值序列进行序列变换，得到反转响应值序列，计算所述第一响应值序列与所述反转响应值序列之间的序列吻合度，并以所有有效方向角对应的序列吻合度的加权和作为全局配准吻合度；

17、输出模块，配置为根据所述全局配准吻合度调整所述当前空间变换参数，将调整后的所述当前空间变换参数作用于所述第二模态图像，使所述第二模态图像与所述第一模态图像对齐，输出配准结果。

18、第三方面，提供一种电子设备，其包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本发明任一实施例的基于多方向结构特征的双模态断层图像配准方法的步骤。

19、第四方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序指令被处理器执行时，使所述处理器执行本发明任一实施例的基于多方向结构特征的双模态断层图像配准方法的步骤。

20、本技术的基于多方向结构特征的双模态断层图像配准方法及系统，具有以下有益效果：

21、利用双模态图像对同一物理结构灰度响应相反的物理特性，将配准依据从寻找两幅图像中响应相似的位置转变为寻找两幅图像中响应相反的位置，从根本上解决了传统灰度统计方法受灰度非线性关系影响的问题；

22、通过多方向各向异性高斯导数核提取图像的结构方向响应，将图像从灰度域映射至结构响应域，使得配准依据由绝对灰度值扩展为边缘、层状纹理及方向性结构信息，有效突出具有跨模态一致性的内部结构信息；

23、基于跨模态响应一致性度量筛选有效方向角，使配准仅依赖于结构响应最强的方向通道，避免弱结构方向及噪声响应对优化过程的干扰；

24、通过闭合路径围成区域面积保持和响应极性统计相结合的映射路径确定方法，能够在第二模态图像中准确找到与第一模态闭合路径相对应的结构边界位置，实现跨模态结构边界的稳定对应。

25、通过响应极性取反和序列吻合度计算，将双模态互补响应特性量化为数值化的配准质量度量，为空间变换参数的优化提供了明确的优化方向。