基于图像直接比较的核磁共振谱图一致性评价方法及系统

本发明属于核磁共振测试材料的，尤其涉及一种基于图像直接比较的核磁共振谱图一致性评价方法及系统。

背景技术：

1、二维核磁共振（2d nmr）谱图比较技术已成为现代分析中不可或缺的研究手段。相较于传统一维谱，2d nmr（如 tocsy、hsqc、noesy 等）通过引入额外的频率维度，显著扩展了谱图的信息容量与分辨能力，使得复杂混合物中重叠信号得以有效分离与归属。该技术在多个前沿领域具有广泛应用，特别时在药物分析方面：2d nmr的谱图比对结合化学计量学，可实现违禁品鉴定、药品质量一致性评价等。2d nmr谱图比较以其非破坏性、高重现性和丰富的结构信息等独特优势，正日益成为连接结构与实际应用之间的重要桥梁。

2、现有的二维谱图比较的方法主要分为两类：第一类是基于峰拾取（peak picking）的方法，该方法需要先对谱图进行峰拾取，提取峰的化学位移和强度，再进行匹配和比较。这类方法依赖于峰拾取的准确性，对于低信噪比或高度重叠的谱图区域容易出现峰遗漏或误判。第二类是基于谱图视觉比对的方法，该方法仅能提供定性判断，无法量化差异程度，且结果受主观因素影响较大。

3、随着谱图采集技术的进步，高场核磁共振仪器的灵敏度不断提升，谱图数据矩阵的分辨率和信噪比也随之提高。谱图矩阵本身包含了丰富的信号分布信息，这些信息在传统峰拾取方法中往往被丢弃。因此，有必要提出一种直接基于谱图图像进行比较的方法，充分利用谱图矩阵中的全部信息，实现更全面、更客观的一致性评价。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于图像直接比较的核磁共振谱图一致性评价方法，该方法直接比较谱图矩阵数据，利用快速傅里叶变换（fft）加速的互相关分析检测化学位移漂移，采用峰区域掩码排除噪声并计算相关性指标，引入结构相似性指数（ssim）评估整体相似度，从而实现对核磁共振谱图一致性的全面量化评价。

2、本发明的另一目的是提供一种基于图像直接比较的核磁共振谱图一致性评价系统，该系统通过模块化的软件架构实现上述方法的各项操作步骤，以自动化方式完成谱图比较分析。

3、针对上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

4、一种基于图像直接比较的核磁共振谱图一致性评价方法，包括：

5、获取参考核磁共振二维谱图和测试核磁共振二维谱图，并将所述参考核磁共振二维谱图和所述测试核磁共振二维谱图转换为参考谱图矩阵、测试谱图矩阵和谱图区域信息；

6、根据所述参考谱图矩阵和所述测试谱图矩阵进行互相关分析，得到像素位移和最大互相关系数；

7、根据所述谱图区域信息确定化学位移排除区域，并在谱图类型为1h-1h谱图时生成对角线排除区域，基于所述化学位移排除区域和所述对角线排除区域生成有效区域掩码；

8、根据所述有效区域掩码，从所述参考谱图矩阵和所述测试谱图矩阵中确定共同峰区域，并根据所述共同峰区域得到峰区域相关系数和峰区域均方根偏差；

9、根据所述参考谱图矩阵和所述测试谱图矩阵进行结构相似性分析，得到结构相似性指数；

10、根据所述参考谱图矩阵和所述测试谱图矩阵生成差异图；

11、根据所述最大互相关系数、所述峰区域相关系数和所述结构相似性指数，得到综合一致性评分。

12、进一步地，获取参考核磁共振二维谱图和测试核磁共振二维谱图，并将所述参考核磁共振二维谱图和所述测试核磁共振二维谱图转换为参考谱图矩阵、测试谱图矩阵和谱图区域信息，包括：

13、读取ucsf格式的核磁共振二维谱图数据文件中的谱图强度数据、谱图参数和谱图类型，谱图参数包括谱宽、采样频率和核磁共振频率；

14、根据谱图强度数据生成参考谱图矩阵和测试谱图矩阵；

15、根据谱图参数生成谱图区域信息，谱图区域信息包括参考核磁共振二维谱图和测试核磁共振二维谱图在两个维度上的化学位移范围。

16、进一步地，根据所述参考谱图矩阵和所述测试谱图矩阵进行互相关分析，得到像素位移和最大互相关系数，包括：

17、对参考谱图矩阵和测试谱图矩阵分别进行归一化，得到归一化参考谱图矩阵和归一化测试谱图矩阵；

18、对归一化参考谱图矩阵和归一化测试谱图矩阵分别进行快速傅里叶变换，得到两个频域矩阵；

19、将一个频域矩阵与另一个频域矩阵的共轭矩阵相乘，得到频域相关矩阵；

20、对频域相关矩阵进行快速傅里叶反变换，得到互相关谱；

21、根据互相关谱得到像素位移和最大互相关系数。

22、进一步地，根据互相关谱得到像素位移和最大互相关系数，包括：

23、对互相关谱取绝对值，确定绝对值最大位置；

24、确定绝对值最大位置相对于互相关谱中心位置的偏移，得到像素位移；

25、根据绝对值最大位置对应的互相关值，得到最大互相关系数。

26、进一步地，根据所述谱图区域信息确定化学位移排除区域，并在谱图类型为1h-1h谱图时生成对角线排除区域，基于所述化学位移排除区域和所述对角线排除区域生成有效区域掩码，包括：

27、根据谱图区域信息确定预设化学位移区域对应的像素区域，并将预设化学位移区域对应的像素区域确定为化学位移排除区域；预设化学位移区域包括水信号区域，水信号区域的化学位移范围为4.6至4.8ppm；

28、在谱图类型为1h-1h谱图时，根据像素坐标确定对角线区域，并将对角线区域确定为对角线排除区域，对角线区域的排除带宽为谱图短边尺寸的3%；

29、基于化学位移排除区域和对角线排除区域生成有效区域掩码。

30、进一步地，根据所述有效区域掩码，从所述参考谱图矩阵和所述测试谱图矩阵中确定共同峰区域，并根据所述共同峰区域得到峰区域相关系数和峰区域均方根偏差，包括：

31、在所述有效区域掩码限定的区域内，分别选取参考谱图矩阵和测试谱图矩阵中高于峰区域百分位阈值的像素，得到参考峰区域和测试峰区域；

32、根据参考峰区域和测试峰区域的交集，得到共同峰区域；

33、提取共同峰区域内参考谱图矩阵的像素强度序列和测试谱图矩阵的像素强度序列；

34、根据两个像素强度序列计算峰区域相关系数和峰区域均方根偏差。

35、进一步地，根据所述参考谱图矩阵和所述测试谱图矩阵进行结构相似性分析，得到结构相似性指数，包括：

36、采用滑窗方式获取参考谱图矩阵和测试谱图矩阵的局部窗口数据；

37、根据局部窗口数据计算亮度相似度、对比度相似度和结构相似度；

38、根据亮度相似度、对比度相似度和结构相似度得到结构相似性指数。

39、进一步地，根据所述参考谱图矩阵和所述测试谱图矩阵生成差异图，包括：

40、计算测试谱图矩阵与参考谱图矩阵之间的逐像素有符号差值；

41、根据逐像素有符号差值生成差异图。

42、进一步地，根据所述最大互相关系数、所述峰区域相关系数和所述结构相似性指数，得到综合一致性评分，包括：

43、对最大互相关系数、峰区域相关系数和结构相似性指数进行加权平均；

44、将加权平均结果作为综合一致性评分。

45、一种基于图像直接比较的核磁共振谱图一致性评价系统，包括：

46、存储器，用于存储计算机程序；

47、处理器，用于执行上述计算机程序时实现上述方法的步骤。

48、相较于现有技术，本发明取得的有益效果如下：

49、第一，本发明直接比较谱图矩阵数据，不经过峰拾取步骤，保留了谱图中的全部信号分布信息，避免了峰拾取算法的误差和主观性，相比基于峰列表的分析方法具有更高的信息利用率。

50、第二，本发明采用快速傅里叶变换加速互相关分析，计算复杂度从传统的o(n2)降低至o(nlogn)，大幅提升了位移检测的计算效率，适合大规模谱图数据的批量处理。

51、第三，本发明采用峰区域掩码技术，只选取谱图中有信号的区域参与相关性计算，有效排除了噪声区域的干扰，使相关性指标更加客观可靠。

52、第四，本发明引入了结构相似性指数，该指标综合考虑了谱图的亮度、对比度和结构三个维度，比单纯的相关系数能更好地反映人眼对谱图相似性的主观判断。

53、第五，本发明支持自动排除水信号和对角线区域，用户也可以灵活指定任意ppm区域（化学位移区域）进行排除，适应不同类型谱图和不同分析需求。

54、第六，本发明通过软件实现全流程自动化，无需人工干预，计算效率和准确率均较高。