專利名稱：應用四元數(shù)分割與圖論優(yōu)化的外周血白細胞邊緣提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于圖像分析領(lǐng)域，涉及一種外周血白細胞邊緣提取方法，具體是一種應用四元數(shù)邊緣檢測與圖論優(yōu)化方法進行外周血白細胞邊緣檢測與鏈接的方法。
背景技術(shù)：
血常規(guī)檢查是醫(yī)生診斷的重要輔助手段?，F(xiàn)在醫(yī)院普遍使用血常規(guī)檢測儀進行血常規(guī)檢查。血常規(guī)檢測儀主要是通過分析不同類別的血液細胞在經(jīng)過設(shè)定微孔時的光電效應來完成各類血細胞的統(tǒng)計。在技術(shù)上，由于細胞特征抽取過少，一般分類精度不高，功能比較簡單，其檢測結(jié)果通常作為病情診斷的初步判斷依據(jù)。在實際應用中，為了確診病情，需要將血液制成涂片，經(jīng)染色后在顯微鏡下觀察核的形狀，胞漿的顏色，胞漿顆粒大小和顏色，白細胞的形狀，最終完成血細胞病理檢查。工作人員每天有大量血片待查，由于疲勞會引起誤判。另外無法對樣本進行數(shù)據(jù)保存以進行后續(xù)研究分析。因而外周血白細胞自動分析成為近年來醫(yī)學顯微圖像分析的重點方向之一。外周血白細胞自動分析主要包括圖像數(shù)據(jù)采集，白細胞區(qū)域初始定位(含圖像預處理)，白細胞邊緣提取(胞衆(zhòng)邊緣提取與胞核邊緣提取)，白細胞特征提取，白細胞特性分析。其中白細胞邊緣提取步驟的目的是從一幅顯微圖像中找到只包含白細胞的區(qū)域并完成對白細胞胞漿和胞核邊緣分割提取，邊緣分割提取后所得胞漿和胞核區(qū)域可用于進行特征計算、特征選擇與自動分析，因而準確地提取白細胞邊緣是外周血白細胞自動分析的關(guān)鍵步驟。在提取白細胞胞漿與胞核邊緣輪廓之前，首先通過圖像去噪與直方像分析方法獲得白細胞的區(qū)域范圍。這個步驟可以降低后續(xù)提取胞核與胞漿輪廓的復雜度。在提取白細胞胞核邊緣中應用正交小波包多尺度分析和邊緣鏈碼方法。小波包分解重構(gòu)方法針對胞核信息通常在各個頻帶具有固定的特征分布，而胞漿信息通常均勻地存在與各個頻帶。利用這個特性，對在各個頻帶均相似的系數(shù)進行置零，使得重構(gòu)結(jié)果中白細胞胞漿與胞核區(qū)域差異增大。對于增強后的多尺度重建結(jié)果進行綜合以實現(xiàn)邊緣偏差抑制。以大尺度上的邊緣為基礎(chǔ)，在小尺度的邊緣圖像上排除不可能出現(xiàn)邊緣的位置，同時以大尺度邊緣相鄰的八點鄰域內(nèi)的內(nèi)的小尺度上的邊緣替代原來大尺度上的邊緣，實現(xiàn)較好的邊緣偏差抑制，進而獲得白細胞胞核區(qū)域。一旦獲得白細胞胞核區(qū)域，則通過邊緣鏈碼方法獲得它的外輪廓。白細胞胞漿邊緣提取包括兩個步驟:白細胞胞漿邊緣檢測與胞漿邊緣鏈接。在白細胞胞漿邊緣檢測步驟通過建立色彩空間的共色調(diào)平面方程計算得到四元數(shù)形式的純色度表達式。分別估算外周血白細胞胞漿與背景色彩的色度軸純四元數(shù)值。應用四元數(shù)卷積方法計算得到彩色圖像的邊緣強度。通過閾值方法進行邊緣點判斷。得到白細胞胞漿邊緣點后，結(jié)合白細胞胞漿的封閉近圓特性以及一個白細胞窗內(nèi)只有一個白細胞的先驗知識實現(xiàn)白細胞胞漿輪廓片段提取算法。在胞漿邊緣片段鏈接步驟，應用圖論優(yōu)化方法實現(xiàn)邊緣鏈接。以邊緣輪廓片段的端點為頂點。用加權(quán)的邊表示這些像素點之間的連接關(guān)系。權(quán)值表示該邊的邊緣鏈接代價。這樣就可以將輪廓曲線的鏈接轉(zhuǎn)換成代價函數(shù)優(yōu)化。總的來說它能夠充分使用全局信息，并得到有效的白細胞胞漿輪廓分割結(jié)果。最終通過以上步驟，完成外周血白細胞胞漿和胞核輪廓的邊緣提取與鏈接。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題:本發(fā)明提出一種穩(wěn)定的外周血白細胞胞核及胞漿輪廓提取方法。這種方法不僅自動檢測外周血白細胞的胞核和胞漿的邊緣位置，而且實現(xiàn)自動邊緣鏈接。這種技術(shù)對于計算機自動計算與分析白細胞特征具有重要意義。技術(shù)方案:本發(fā)明的應用四元數(shù)邊緣檢測與圖論優(yōu)化的外周血白細胞邊緣提取方法，其特征在于，該方法首先進行白細胞圖像預處理，通過細胞窗定位，得到僅包含一個白細胞的正方形區(qū)域，然后分別檢測并鏈接白細胞胞核輪廓與胞漿輪廓，具體處理步驟包括:(I)對采集的血細胞彩色圖像進行增強處理:首先將采集的血細胞彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，然后采用中值濾波方法對灰度圖像進行噪聲濾除；(2)應用直方圖分析方法獲取僅包含一個白細胞的正方形區(qū)域；(3)分別獲取白細胞胞核邊緣輪廓和白細胞胞漿輪廓片段，具體包括:(3a)在灰度圖像上對正方形區(qū)域應用正交小波包多尺度分析和邊緣鏈碼方法，得到白細胞胞核邊緣輪廓；(3b)在血細胞彩色圖像上對正方形區(qū)域應用四元數(shù)邊緣檢測方法，獲取白細胞胞漿輪廓片段，具體方法為:根據(jù)步驟(2)得到的正方形區(qū)域，從原始的血細胞彩色圖像中截取這個白細胞的正方形區(qū)域，然后從彩色圖像中截取的正方形區(qū)域上應用四元數(shù)邊緣檢測方法獲取白細胞胞漿輪廓片段:首先通過建立血細胞彩色圖像的色彩空間的共色調(diào)平面方程，計算得到四元數(shù)形式的色彩表達式，然后分別估算外周血白細胞胞漿與背景色彩的色度軸純四元數(shù)值，應用四元數(shù)卷積方法計算僅包含步驟(2)得到的正方形區(qū)域的邊緣強度，通過閾值方法進行邊緣點判斷，得到白細胞胞漿邊緣點，最后結(jié)合外周血白細胞胞漿的封閉近圓特性以及正方形區(qū)域內(nèi)只有一個白細胞的先驗知識，通過胞漿輪廓片段提取方法得到白細胞胞漿輪廓片段；(4)對步驟(3b)中獲取的白細胞胞漿輪廓片段應用圖論優(yōu)化方法進行白細胞胞漿邊緣輪廓片段的鏈接，得到白細胞胞漿輪廓，具體方法為:以白細胞胞衆(zhòng)邊緣輪廓片段的端點為頂點,用加權(quán)的邊來表示白細胞胞衆(zhòng)邊緣輪廓片段端點之間的連接關(guān)系，權(quán)值表示加權(quán)的邊的邊緣代價，從而將對白細胞胞漿邊緣輪廓片段的鏈接轉(zhuǎn)換成對代價函數(shù)進行優(yōu)化，計算每個白細胞胞漿邊緣片段的長度和曲率，代入代價函數(shù)使得誤差不斷減小，并得到有效的白細胞胞漿輪廓分割結(jié)果。本發(fā)明中，步驟3b)中，計算得到四元數(shù)形式的色彩表達式的方法為:對于血細胞彩色圖像的任一像素，記其紅色、綠色、藍色分量RGB為(r，g，b)，對(r，g，b)的每一維分量進行歸一化，使得每個分量均處在區(qū)間
內(nèi)，然后構(gòu)建RGB立方體，最后構(gòu)造同色調(diào)平面方程:(g-b) X+ (b~r) y+ (r-g) z = 0 ；估算外周血白細胞胞漿與背景色彩的色度軸純四元數(shù)值的方法為:依次將RGB立方體的六條色調(diào)軸參數(shù)(1，C，0)，(c, 1,0) , (0，1，c)，(0, c, I),(c,0,l), (1，0，(3)代入同色調(diào)平面方程的(^7，2)，求得六個色度軸值，將位于區(qū)間
內(nèi)的色度軸值所對應的色度軸參數(shù)進行歸一化，得到色度軸純四元數(shù)值m。；獲取白細胞胞衆(zhòng)邊緣點的具體方法為:分別從血細胞彩色圖像中含有胞漿的區(qū)域和不含胞漿的區(qū)域中取20X20的區(qū)域，分別估算色度軸純四元數(shù)值，記為m。與mb，然后應用四元數(shù)卷積方法計算彩色圖像的邊緣強度:
權(quán)利要求
1.一種應用四元數(shù)邊緣檢測與圖論優(yōu)化的外周血白細胞邊緣提取方法，其特征在于，該方法首先進行白細胞圖像預處理，通過細胞窗定位，得到僅包含一個白細胞的正方形區(qū)域，然后分別檢測并鏈接白細胞胞核輪廓與胞漿輪廓，具體處理步驟包括: (1)對采集的白細胞彩色圖像進行增強處理:首先將采集的血細胞彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，然后采用中值濾波方法對所述灰度圖像進行噪聲濾除； (2)應用直方圖分析方法獲取僅包含一個白細胞的正方形區(qū)域； (3)分別獲取白細胞胞核邊緣輪廓和白細胞胞漿輪廓片段，具體包括: (3a)在灰度圖像上對所述正方形區(qū)域應用正交小波包多尺度分析和邊緣鏈碼方法，得到白細胞胞核邊緣輪廓， (3b)在原始血細胞彩色圖像上對所述正方形區(qū)域應用四元數(shù)邊緣檢測方法，獲取白細胞胞漿輪廓片段， 具體方法為: 根據(jù)所述步驟(2)得到的正方形區(qū)域，從原始的血細胞彩色圖像中截取這個白細胞的正方形區(qū)域，然后在所述從彩色圖像中截取的正方形區(qū)域上應用四元數(shù)邊緣檢測方法獲取白細胞胞漿輪廓片段: 首先通過建立血細胞彩色圖像的色彩空間的共色調(diào)平面方程，計算得到四元數(shù)形式的色彩表達式，然后分別估算外周血白細胞胞漿與背景色彩的色度軸純四元數(shù)值，應用四元數(shù)卷積方法計算步驟(2)得到的正方形區(qū)域內(nèi)的邊緣強度，通過閾值方法進行邊緣點判斷，得到白細胞胞漿邊緣點，最后結(jié)合外周血白細胞胞漿的封閉近圓特性以及所述正方形區(qū)域內(nèi)只有一個白細胞的先驗知識，通過胞漿輪廓片段提取方法得到白細胞胞漿輪廓片段； (4)對所述步驟(3b)中獲取的白細胞胞漿輪廓片段應用圖論優(yōu)化方法進行白細胞胞漿邊緣輪廓片段的鏈接，得到白細胞胞漿輪廓，具體方法為: 首先以白細胞胞衆(zhòng)邊緣輪廓片段的端點為頂點，用加權(quán)的邊來表示白細胞胞衆(zhòng)邊緣輪廓片段端點之間的連接關(guān)系，權(quán)值表示加權(quán)邊的邊緣代價，從而將白細胞胞漿邊緣輪廓片段的鏈接轉(zhuǎn)換成對代價函數(shù)進行優(yōu)化， 然后計算每個白細胞胞漿邊緣片段的長度和曲率，代入代價函數(shù)使得誤差不斷減小，并得到有效的白細胞胞漿輪廓分割結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應用四元數(shù)邊緣檢測與圖論優(yōu)化的外周血白細胞邊緣提取方法，其特征在于，所述步驟3b)中，計算得到四元數(shù)形式的色彩表達式的方法為: 對于所述血細胞彩色圖像的任一像素，記其紅色、綠色、藍色分量RGB為(r，g，b)，對(r，g，b)的每一維分量進行歸一化，使得每個分量均處在區(qū)間[O，I]內(nèi)，然后構(gòu)建RGB立方體，最后構(gòu)造同色調(diào)平面方程:(g-b) X+(b-r)y+(r_g)z = O ； 估算外周血白細胞胞漿與背景色彩的色度軸純四元數(shù)值的方法為: 依次將所述RGB立方體的六條色調(diào)軸參數(shù)(1，C，0)，(c, 1,0), (0, l,c), (0, c, I),(c,0,l), (1，0，(3)代入同色調(diào)平面方程的(^7，2)，求得六個色度軸值，將位于區(qū)間
內(nèi)的色度軸值所對應的色度軸參數(shù)進行歸一化，得到色度軸純四元數(shù)值m。； 獲取白細胞胞衆(zhòng)邊緣點的具體方法為: 分別從血細胞彩色圖像中含有胞漿的區(qū)域和不含胞漿的區(qū)域中取20X20的區(qū)域，分別估算色度軸純四元數(shù)值，記為m。與mb，然后應用四元數(shù)卷積方法計算彩色圖像的邊緣強度:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的應用四元數(shù)邊緣檢測與圖論優(yōu)化的外周血白細胞邊緣提取方法，其特征在于，所述步驟(3b)中，設(shè)定四元數(shù)卷積邊緣強度閾值設(shè)定為-0.5。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的應用四元數(shù)邊緣檢測與圖論優(yōu)化的外周血白細胞邊緣提取方法，其特征在于，所述步驟(4)中，代價函數(shù)設(shè)定為:
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的應用四元數(shù)邊緣檢測與圖論優(yōu)化的外周血白細胞邊緣提取方法，其特征在于，所述步驟(I)中采用中值濾波方法對灰度圖像進行噪聲濾除的具體方法為:首先設(shè)定中值濾波器模板大小，然后對灰度圖像逐個像素進行中值濾波處理，所述中值濾波處理的具體步驟為: 11)將模板中心與圖中某一像素重合； 12)讀取模板下各對應像素的灰度值并按從小到大順序排成序列； 13)將圖像中與模板中心重合像素的灰度值設(shè)置為排在正中間的值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的應用四元數(shù)邊緣檢測與圖論優(yōu)化的外周血白細胞邊緣提取方法，其特征在于，所述中值濾波器的模板大小設(shè)定為5X5。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的應用四元數(shù)邊緣檢測與圖論優(yōu)化的外周血白細胞邊緣提取方法，其特征在于，所述步驟(2)中獲取僅包含一個白細胞的正方形區(qū)域的具體方法為:首先對所述步驟(I)中經(jīng)過噪聲濾除后的灰度圖像進行直方圖計算，得到白細胞胞核的初始定位區(qū)域，然后以所述白細胞胞核的初始定位區(qū)域中心為圓心，將胞核初始定位區(qū)域的外接圓直徑擴大為原來的3倍，以外接圓的外接正方形作為僅包含一個白細胞的正方形區(qū)域； 所述直方圖計算是以直方圖兩峰之間的最低點的灰度級為閾值，將大于閥值的數(shù)據(jù)置O，對置O后的結(jié)果X(x，y)分別向X方向和y方向進行 投影，得到x方向投影H(y)和y方向投影V(X)，然后在所述X方向投影H(y)和y方向投影V(X)中去除小旁峰，檢索大主峰的起始點和終止點的坐標作為初始定位區(qū)域。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的應用四元數(shù)邊緣檢測與圖論優(yōu)化的外周血白細胞邊緣提取方法，其特征在于，所述步驟(3a)中應用正交小波包多尺度分析和邊緣鏈碼方法得到白細胞胞核邊緣輪廓的具體方法為: 首先在灰度圖像上對所述步驟(2)中得到的正方形區(qū)域進行正交小波包分解，通過對小波包系數(shù)進行閾值處理，根據(jù)處理后的小波包系數(shù)進行反變換得到重構(gòu)后的多分辨率圖像， 然后對所述重構(gòu)后的多分辨率圖像進行邊緣閾值抑制，得到邊緣抑制結(jié)果， 最后對所述邊緣抑制結(jié)果應用邊緣鏈碼鏈接方法進行邊緣鏈接，得到白細胞胞核的邊緣輪廓。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的應用四元數(shù)邊緣檢測與圖論優(yōu)化的外周血白細胞邊緣提取方法，其特征在于，所述步驟(3a)中的正交小波包分解中，得到代表水平方向細節(jié)的小波系數(shù)矩陣LH，代表垂直方向細節(jié)的小波系數(shù)矩陣HL和代表對角方向的小波系數(shù)HH，對這三個系數(shù)矩陣兩兩相減，所得相減結(jié)果分別記為R1，R2，R3，對R1，R2，R3中系數(shù)絕對值小于置零閾值的系數(shù)置零，將Rl，R2, R3的置零閾值均設(shè)定為0.5。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的應用四元數(shù)邊緣檢測與圖論優(yōu)化的外周血白細胞邊緣提取方法，其特征在于，所述步驟(3a)的正交小波包分解中，將分解層次設(shè)定為2。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應用四元數(shù)邊緣檢測與圖論優(yōu)化的外周血白細胞邊緣提取方法，包括用于提高圖像信噪比的圖像預處理步驟、用于獲取僅包含一個白細胞正方形區(qū)域的細胞窗定位步驟、應用正交小波包多尺度分析與鏈碼方法實現(xiàn)白細胞胞核輪廓提取與鏈接的步驟、應用四元數(shù)邊緣檢測獲取胞漿輪廓片段的步驟、應用圖論優(yōu)化方法實現(xiàn)胞漿輪廓鏈接的步驟。通過綜合白細胞胞核及胞漿邊緣提取與鏈接結(jié)果實現(xiàn)外周血白細胞邊緣的分割提取。
文檔編號G06T7/00GK103150722SQ201310017929
公開日2013年6月12日 申請日期2013年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月17日
發(fā)明者章品正 申請人:東南大學