基于像素强度变化的胶原纤维局域密度分布特征提取的图像分析方法与流程

1.本发明属于生物组织定量表征技术领域，具体涉及一种基于像素强度变化的胶原纤维局域密度分布特征提取的图像分析方法。


背景技术：

2.二次谐波产生(second harmonic generation)显微成像技术可以对具有高非线性极化率、非对称性中心结构的胶原纤维实现无标记成像。除此之外，shg具有穿透能力强、非侵入、高信噪比和高分辨率的优点，因此在对胶原纤维成像时具有先天优势。
3.细胞外胶原纤维的二次谐波产生显微成像结果包含胶原纤维空间结构及其分布的丰富信息。胶原纤维的空间分布具有诸多特征，如取向有序性、曲率和密度等。这些特征的变化，往往与生物组织的损伤及愈合、疾病的发生和演化以及癌症的发展和扩散等诸多生理变化有着密切的联系。因此，该技术已被作为辅助工具，广泛应用于生物医学和生命科学领域。
4.目前基于胶原纤维图像的分析，主要依靠有经验的病理学家进行人工定性评估，因而具有细节鉴别力不够理想和偶然性大等缺点。然而，用于辅助诊断的自动化定量分析技术较为少见。因此亟待发展精准、高效的胶原纤维空间分布定量分析技术。基于胶原纤维成像结果的分析，在光学、生物学和医学等多学科交叉领域有着重要意义。
5.在纤维状结构的定量表征领域已有部分参量提出。其中，基于阈值滤波的纤维密度值，能够较为简单地体现单张成像结果的胶原密度情况。但这种单值指标过于粗略，忽视了蕴含在图像中大部分胶原纤维分布的细节信息，尤其难以用于鉴别密度值相似但具有不同分布特征的胶原纤维图像。相对地，局域密度参量分布能更精准地反映胶原纤维疏密分布这一空间结构特征，因此需要发展一种在像素分辨水平上得到胶原纤维局域密度分布的方法。


技术实现要素：

6.针对上述技术方案中存在的缺陷，本发明提供一种基于像素强度变化的胶原纤维局域密度分布特征提取的图像分析方法，该方法能够反映胶原纤维的二维局域密度分布情况，具有快速、简洁、高效、精准等优点，兼具二维分析、三维分析和深度方向的一维信息等多视觉效果输出呈现的优势。
7.本发明采用以下技术方案实现：
8.一种基于像素强度变化的胶原纤维局域密度分布特征提取的图像分析方法，包括以下步骤：
9.1)通过二次谐波产生显微成像技术对细胞外基质中的胶原纤维成像，获得一系列二维灰度原始图像；
10.2)针对二维灰度原始图像，通过像素强度阈值滤波法，将大于初始阈值的像素识
别为胶原纤维区域并赋值为1，将小于初始阈值的像素识别为背景区域并赋值为0，得到二值化图像，初始阈值依据经验确定；
11.3)取二值化图中任意目标像素为中心的方形窗口，计算窗口内胶原纤维区域像素数与窗口总像素数之比值，记为中心像素的局域密度，遍历所有像素得到局域密度分布矩阵。进一步对局域密度取平均值，可以反映胶原纤维整体密度情况。
12.上述技术方案中，进一步地，所述二值化图中任意目标像素为中心的方形窗口，为奇数像素的等尺寸正方形窗口，且对于图片边界像素使用重复边界填充窗口；
13.进一步地，所述输出局域密度分布矩阵的尺寸与原始图像尺寸相同，像素值归一化分布在0(局域密度稀疏)到1(局域密度稠密)之间；局域密度分布矩阵经过假彩色编码生成局域密度分布图像，其中0值像素为蓝色，过渡到1值为红色；
14.本发明的有益效果为：
15.本发明通过对胶原纤维的二次谐波产生成像结果的分析，得到胶原纤维局域密度分布矩阵及其假彩色编码图像。本发明有效提取了高精度的胶原纤维局域密度分布特征，输出的胶原纤维局域密度分布矩阵，能够直接地将密度值接近、局域密度细节分布不同的胶原纤维图像有效区分，成为区分胶原纤维密度分布的强有力工具。输出的像素级胶原纤维局域密度分布图像，能够直观、形象地反映胶原纤维局域密度分布特征。且局域密度分布矩阵，可以为进一步分析和比较胶原纤维图像中感兴趣区域或指定子区域的胶原纤维局域密度分布状况提供数据基础，也为三维情况下局域密度随深度变化的高精度分析提供技术支持。
附图说明
16.图1为本发明的流程示意图；
17.图2为本发明结合具体的胶原纤维二次谐波产生显微成像的二维图像结果进行定量分析过程各环节的示意图；
18.图3为本发明涉及的定量分析小鼠卵巢的正常组织、良性肿瘤组织和恶性肿瘤的胶原纤维二次谐波三维图像的差异示意图；以及三维图像栈内不同深度的局域密度分布图像和不同深度局域密度平均值随成像深度变化的分析示意图。
具体实施方式
19.为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
20.本发明基于像素强度变化的胶原纤维局域密度分布特征提取的图像分析方法，具体包含的步骤如图1所示：胶原纤维的光学成像、二值化以及窗口滤波步骤。
21.结合具体的胶原纤维二次谐波产生显微成像结果，各步骤的细节描述如图2所示：
22.胶原纤维的成像结果为原始二维灰度图像，首先经设定好的阈值进行强度滤波，得到二值化图像，其中有胶原纤维的区域被识别为1值(白色)，背景区域被识别为0值(黑色)，阈值可根据成像质量依据经验进行调整，一般取为原始图像最大像素值的整数分之一。
23.在二值化图像的基础上，对每一个像素进行邻域窗口计算，以获取该像素邻域内
的胶原纤维局域密度值。对于二值化图像内的任意像素，取以其为中心的等尺寸方形窗口，窗口尺寸为奇数像素，计算该窗口内1值像素与窗口总像素之比值，即为该像素对应空间的胶原纤维局域密度。对于边界像素，即计算窗口超过图像边界的像素，在窗口内使用重复填充方式。遍历所有像素后，可得到胶原纤维归一化局域密度分布矩阵，进一步通过假彩色编码(胶原纤维稀疏的区域为蓝色，稠密的区域为红色)生成直观的胶原纤维局域密度分布图。
24.图3为小鼠卵巢的正常组织、良性肿瘤组织和恶性肿瘤的胶原纤维二次谐波三维成像的纤维密度分析结果、图像栈内不同深度的局域密度分布假彩色编码图像和局域密度平均值随成像深度变化的折线图。这表明，本发明所提出的方法在推广至三维图像栈的应用时，仍旧能保持较强的鲁棒性。三维数据相关分析的成功应用，为探究小鼠卵巢正常组织和肿瘤组织组织形态和纤维分布提供了更加形象、清晰的数据。进一步的分析中，通过直方图和深度变化图，可以获得更加直观且丰富的小鼠卵巢组织中胶原纤维密度分布信息；通过与健康组织相同参量的同步分析进行比较，实现小鼠卵巢肿瘤演化不同阶段周边胶原纤维分布特征变化的快速、精准提取，为深入理解肿瘤的产生、演化和恶化机制提供依据，也将丰富后续治疗过程的理论基础。
25.上述实例表明，本发明通过对像素强度变化进行分析，实现了对胶原纤维密度特征的提取。通过窗口滤波所新定义的局域密度分布矩阵，经过假彩色编码后生成局域密度分布图，能够快速、直观且精准地反映像素级胶原纤维分布疏密程度情况，对应假彩色编码图像也大大提升了输出结果的视觉效果，为进一步探究不同组织的纤维分布差异提供了强有力的工具。本发明具有快速、简洁、高效、精准等优点，兼具二维分析、三维分析、深度方向的一维信息等多视觉效果输出呈现的优势，且具有与后续多种数据分析方法结合的强适应性能力。
26.上述对实例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。