Ứng dụng phép biến đổi wavelet packet trong xử lý ảnh siêu âm gan không xâm hại,luận văn thạc sỹ kỹ thuật điện tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI - TRỊNH HOÀNG DUY ỨNG DỤNG PHÉP BIẾN ĐỔI WAVELET PACKET TRONG XỬ LÝ ẢNH SIÊU ÂM GAN KHÔNG XÂM HẠI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS NGUYỄN THANH HẢI TP.HỒ CHÍ MINH - 2014 i TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC Họ tên học viên: Trịnh Hồng Duy Năm sinh: 1962 Cơ quan cơng tác: Cơng Ty Xuất Nhập Khẩu Thiết Bị MCC Khố: 20.1 Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã số: 60520203 Cán hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thanh Hải Bộ môn:Kỹ thuật Viễn thông Tên đề tài luận văn: Ứng dụng phép biến đổi Wavelet Packet xử lý ảnh siêu âm gan khơng xâm hại Mục đích nghiên cứu đề tài: - Tìm hiểu chế làm việc siêu âm khơng tổn hại - Tìm hiểu truyền sóng mơ mềm (gan bình thường), mơ bất thường: chai gan xơ gan, mô biến dạng u gan - Nghiên cứu kỹ thuật xử lý tín hiệu dùng biến đổi Wavelet - Ứng dụng biến đổi Wavelet siêu âm gan không xâm hại - Xây dựng mô hình mơ xử lý ảnh siêu âm gan khơng xâm hại Phương pháp nghiên cứu kết đạt được: Nghiên cứu dựa tài liệu nghiên cứu cơng bố tạp chí hội thảo ngồi nước có liên quan đến lãnh vực chẩn đốn xơ gan khơng xâm hại đặc biệt áp dụng phép biến đổi Wavelet thử nghiệm hình ảnh siêu âm elastography khoảng 100 người khám Trịnh Hoàng Duy – Cao học KTĐT K20.1 Đai Học Giao Thơng Vận Tải ii Điểm bình quân môn học: Điểm bảo vệ luận văn: Ngày 24 tháng năm 2014 Xác nhận cán hướng dẫn: Học viên Trịnh Hoàng Duy Xác nhận Bộ mơn: Trịnh Hồng Duy – Cao học KTĐT K20.1 Đai Học Giao Thơng Vận Tải iii MỤC LỤC TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC i MỤC LỤC iii MỞ ĐẦU viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SİÊU ÂM TRONG Y HỌC 1.1 Kỹ thuật siêu âm gan không xâm hại 1.1.1 Nguyên tắc 1.1.2 Nguyên lý 1.1.3 Xử lý tín hiệu siêu âm gan 1.2 Các kết nghiên cứu công bố 1.3 Kết luận chương 14 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU DÙNG BIẾN ĐỔI WAVELET 15 2.1 Ba kiểu mode siêu âm 15 2.1.1 A mode 15 2.1.2 M mode 15 2.1.3 B mode 16 2.2 Các họ Wavelet dùng xử lý ảnh 17 2.2.1 Lịch sử Wavelet 17 Trịnh Hoàng Duy – Cao học KTĐT K20.1 Đai Học Giao Thông Vận Tải iv 2.2.2 Giới thiệu họ Wavelet 18 2.2.2.1 Harr 18 2.2.2.2 Daubechies 18 2.2.2.3 Nhị trực giao 19 2.2.2.4 Coiflets 20 2.2.2.5 Symlets 21 2.2.2.6 Morlet 21 2.2.2.7 Mexican Hat 22 2.2.2.8 Meyer 22 2.3 Không gian cửa sổ biến đổi Fourier Wavelet Packet 23 2.3.1 Miền chữ nhật tần số- thời gian 23 2.3.2 Nguyên lý bất định Heisenberg 24 2.3.3 Phép biến đổi Fourier cửa sổ hóa 25 2.3.4 Giải pháp ô tần số thời gian biến đổi 27 2.3.5 Cơ sở trực giao tần số thời gian 29 2.3.6 Cơ sở Wavelet Packet 29 2.4 Kết luận chương 30 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG BIẾN ĐỔİ WAVELET TRONG SİÊU ÂM GAN 31 3.1 Giới thiệu phép biến đổi Haar 32 3.1.1 Phép biến đổi Haar cổ điển rời rạc 33 3.1.2 Phép biến đổi Wavelet Haar rời rạc 36 3.1.3 Ảnh sở Wavelet Haar 38 Trịnh Hoàng Duy – Cao học KTĐT K20.1 Đai Học Giao Thông Vận Tải v 3.2 Giới thiệu Gabor Wavelet 43 3.2.1 Phép biến đổi Gabor Wavelet 45 3.2.1.1 Phép biến đổi 1-D Gabor Wavelet 45 3.2.1.2 Phép biến đổi 2-D Gabor Wavelet 47 3.2.2 Nhận dạng kết cấu 50 3.3 Kết luận chương 54 CHƯƠNG : XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG XỬ LÝ ẢNH SİÊU ÂM GAN 56 4.1 Phân rã ảnh Wavelet Packet 56 4.2 Các nét đặc trưng trích xuất 66 4.3 Đối tượng phương pháp đánh giá 67 4.4 Phân rã ảnh dùng Gabor Wavelet 58 4.5 Phép biến đổi Gabor Wavelet hai chiều 69 4.5.1 Xác định độ xơ gan từ Gabor Wavelet 69 4.5.2 Xác định u gan gan có vật thể lạ 71 4.6 Kết luận chương 74 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 76 LỜI CAM ĐOAN 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 PHỤ LỤC 82 Trịnh Hoàng Duy – Cao học KTĐT K20.1 Đai Học Giao Thông Vận Tải vi MỞ ĐẦU Kỹ thuật tạo hình đo độ đàn hồi thập niên qua bổ sung bật cho siêu âm Siêu âm độ đàn hồi kỹ thuật siêu âm giúp đánh giá thuộc tính học mơ thể sống tạo hình máy siêu âm quy ước với phần mềm cải biên Siêu âm độ đàn hồi kỹ thuật tạo hình lý tưởng để khảo sát phân bố độ đàn hồi sinh học mơ sống giá rẻ gây hại Đo độ đàn hồi có lợi khơng xâm nhập gan xơ hóa bệnh lý gan lan tỏa Kỹ thuật tạo hình đo độ đàn hồi đóng góp đầy hứa hẹn siêu âm thực hành Đây bước tiến lớn việc chẩn đốn khơng xâm hại không gây đau: không sinh khiết không dùng tia X Hướng nghiên cứu áp dụng nước ta sử dụng giải pháp mềm cho vùng sâu vùng xa, nơi khơng có khả tài cao để trang bị máy siêu âm chuyên dụng tiên tiến cao Thay vào ta sử dụng đầu dò siêu âm tiên tiến độ nhạy cao, phần máy chuyên dụng thay máy tính với card DAQ (Data Aquisition) Dựa vào sở liệu thu hình ảnh siêu âm, ta sử dụng giải pháp phần mềm xử lý ảnh, nhận dạng tối ưu thuật tốn vi tính cao cấp để xử lý liệu Kết làm tăng cường ảnh giúp việc chẩn đốn dể dàng Dùng bảng tra thơng số độ xơ, chai gan từ chuyên gia bác sĩ kinh nghiệm, thay bác sĩ xét nghiệm cho kết luận chẩn đốn máy tính Đặc biệt hệ thống sở liệu lưu trữ, chuyển tải, xử lý hệ thống số nhằm giúp tốt cho việc thống kê, nghiên cứu hay hội chẩn bệnh lý gan Kỹ thuật tạo hình cần trợ giúp máy tính có nhiều giải thuật xử lý hình ảnh Các giải thuật nhận dạng khối u, so sánh ngưỡng xơ gan, truy vấn ảnh thư viện cấp độ xơ gan, phân đoạn gan nhằm tạo đường biên khu vực tổn thương khơng tổn thương cách xác Ta thường sử Trịnh Hoàng Duy – Cao học KTĐT K20.1 Đai Học Giao Thông Vận Tải vii dụng phân bố Gauss, lọc hình thái, gradient đa tỷ lệ hình thái, mơ hình đường viền tích cực, phân lớp khn mẫu Riêng dùng thuật tốn liên quan đến phép biến đổi họ Wavelets: Haar, Meyer, Daubechies, Symlet, Coiflets, Biorthogonal, Gaussian, Mexican hat, Complex Gaussian, Shannon, Frequency B-Spline, Reverse biorthogonal, Complex Morlet, Gabor, Morlet Chẳng hạn thuật tốn Gabor Wavelet cho lọc hạ thơng nhằm lấy đường biên đặc trưng dùng cho nhận dạng kích thước khối u, thuật toán Harr Wavelet cho cho lọc thượng thông nhằm lấy chi tiết khối tổn thương Phép biến đổi Wavelet Packet dùng cho hai lọc hạ thơng để lấy đường biên (ước tính xấp xỉ) thượng thông (cho chi tiết) khối tế bào gan bất thường Đối tượng nghiên cứu tìm hiểu phép biến đổi Wavelet Packet không họ Wavelet Mỗi phép biến đổi có ưu điểm hàm truyền lọc Qua thử nghiệm số họ Wavelet Bior 3.2, Gabor Wavelet, Haar Wavelet phù hợp cho việc phân tích tín hiệu siêu âm gan không xâm hại chiều (ảnh siêu âm chiều) Phạm vi nghiên cứu đề xuất số họ Wavelet phù hợp cho siêu âm gan không xâm hại, chẳng hạn dùng Gabor Wavelet cho biết mức độ xơ gan Một số họ Wavelet khác phù hợp cho phân tích ảnh MRI, CT hay X quang đặc biệt cho lập thể khối u, thể tích khối u Nhưng không phạm vi nghiên cứu đề tài siêu âm xâm hại Mục tiêu nghiên cứu đề tài xây dựng số mơ hình mơ dùng hàm truyền Wavelet phù hợp với siêu âm gan không xâm hại, từ có hướng phát triển cho tương lai dùng phương pháp nhúng nhằm triển khai kit ARM, nhằm thay máy chẩn đoán siêu âm gan mắc tiền phù hợp cho chẩn đoán bệnh lý gan ban đầu để phục vụ cho vùng sâu, vùng xa có tỷ lệ mắc bệnh gan cao, chưa có đủ tài để mua thiết bị Trịnh Hoàng Duy – Cao học KTĐT K20.1 Đai Học Giao Thông Vận Tải viii Phương pháp nghiên cứu dựa tài liệu nghiên cứu công bố tạp chí hội thảo ngồi nước có liên quan đến lãnh vực chẩn đốn xơ gan không xâm hại đặc biệt áp dụng phép biến đổi Wavelet Packet thử nghiệm hình ảnh siêu âm không xâm hại khoảng 100 người khám Xây dựng mơ hình mơ chọn ba họ Wavelet có tính khả thi cho xử lý ảnh siêu âm gan không xâm hại Kết cấu luận văn gồm chương: CHƯƠNG - TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM TRONG Y HỌC CHƯƠNG - NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU DÙNG BIẾN ĐỔI WAVELET CHƯƠNG - ỨNG DỤNG BIẾN ĐỔI WAVELET TRONG SIÊU ÂM GAN CHƯƠNG - XÂY DỰNG MÔ HÌNH MƠ PHỎNG TRONG XỬ LÝ ẢNH SIÊU ÂM GAN KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Gần phép biến đổi Wavelet, Wavelet Packet hình thành phát triển nhanh áp dụng công nghiệp, y khoa đặc biệt xử lý ảnh y sinh Phép biến đổi Gabor Wavelet phù hợp với phép đo vận tốc siêu âm vật thể công nghiệp hay quan y học, nghĩa tốc độ truyền sóng thể qua hệ số dốc hàm khoảng cách thâm nhập sóng siêu âm theo thời gian Do hệ số ngưỡng gan bình thường gan bị xơ hồn tồn xác định tùy thuộc vào tần số siêu âm phát đầu dò hãng sản xuất thiết bị Do đó, ta cần mua đầu dị cảm biến hãng y khoa đó, ta có thông số ngưỡng Sử dụng phép biến đổi đề cập Trịnh Hoàng Duy – Cao học KTĐT K20.1 Đai Học Giao Thông Vận Tải ix luận văn dùng máy tính thay cho thiết bị hãng để thực phần xử lý tín hiệu siêu âm đỡ tốn nhiều, có khả trang bị cho sở hay trạm y tế vùng sâu, vùng xa để chẩn đoán bệnh xơ gan, viêm gan hay u gan ban đầu Do giới hạn thời gian, luận văn giải việc xác định bất thường gan xơ gan u gan dựa vào hình ảnh thị giác bác sĩ Trong tương lai, luận văn triển khai mở rộng theo hai hướng: phần mềm phần cứng Về phần cứng, áp dụng nhựng kết có triển khai kit ARM 32 bit AT91SAM9RL64 Dùng kỹ thuật nhúng viết C++ kết xuất trở lại hình máy tính Về phần mềm, tiếp tục thu thập đủ sở liệu, ứng dụng xác suất thống kê, đặc biệt dùng mạng neutral nhân tạo để huấn luyện cho máy học.sao cho kết chẩn đoán in giấy mà khơng có đọc kết chẩn đốn trực tiếp từ bác sĩ Cuối cùng, tơi xin gửi lời biết ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Thanh Hải người trực tiếp hướng dẫn tơi hồn thành luận văn Thầy tận tình ln theo dõi định hướng tơi q trình hồn thành đề tài Xin cảm ơn q Thầy Cơ khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải, người tận tình bảo, cung cấp cho kiến thức kỹ thuật tảng chuyên sâu, sở quan trọng để tơi hồn thành luận văn vững bước chun môn đường nghiệp TP.HCM, Ngày 24 tháng 05 năm 2014 Học Viên : Trịnh Hoàng Duy Trịnh Hoàng Duy – Cao học KTĐT K20.1 Đai Học Giao Thông Vận Tải 75 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Tư c đ thu t xử lý tín hiệ ường dùng phép bi đổi Fourier cơng nghiệp y khoa Gầ đ é đổi Wavelet, Wavelet Packet hình thành phát tri áp dụng cơng nghiệp, đặc biệt xử lý tín hiệu chiều ( nh y họ ) Ư đ m Wavelet so v i Fourier theo nguyên lý bấ định Heisenberg, hộp Fourier cố định có hình vng, mà hộp Wavelet dù có diện tích hộp v i hộp Fourier ữ nh t có chiều cao (tần số) chiều rộng (thời gian) bi đổi ược Ở tần số thấp, chiều cao l n chiều rộng (thời gian) nhỏ th nh xấp x mà phép bi đổi Gabor Wavelet phù hợ đ áp dụng lấy gờ biên nh củ đố ượng khác nh Ở tần số cao, chiều cao nhỏ chiều rộng dài Các phép bi đổi Wavelet H ất thu n tiện cho phép phân rã hình lấy chi ti t theo ngang, dọc hay chéo Có liệu thống kê ượ đồ xá đ có th phân tích phấ ường cấu trúc gan Gi i h n lu vă t p hợ đủ l n liệ đ đ ng phân tích liệu xác suất thố ũ đủ độ l n mẫ đ cho máy học bắ ươ m ng neutral nhân t ô q ươ VM ( V M ) Gabor Wavelet tốt nh n dang Một bất lợi củ ươ Gabor không cho ta thông tin chi ti t phân rã nh chi ti t cao Trong Haar Bior Wavelet l i có thơng tin tốt xác suất thố độ lệch chuẩn, trung bình mean, trung vị v v.v… N ững thơng số có ích việc chọn hàm Wavelet đ phân rã nh Những hàm Wavelet ường dùng phân rã nh Haar, daubechies, Symlets, Colfilets, Bior, Morlet, Mayer Mexican Hat N liệu bệ đủ l n, ta s áp dụng tất c hàm thử nghiệm mô phỏ đ lấ ươ chọn hàm Wavelet riêng cho cách tố Đ ũ í ih n củ đề tài v liệu bệnh nhân h n ch Ngoài phép bi đổi Steering Gabor Wavelet phù hợp v é đo v n tốc siêu âm v t th công nghiệ ơq ọc, ĩ ố độ truyền sóng th qua hệ số dốc hàm kho ng cách thâm nh p sóng siêu âm theo thờ đ ệ số ưỡng giữ ường gan bị xơ xá định tùy thuộc vào tần số siêu âm phát củ đầu dò hãng s n xuất thi t bị đ cầ đầu dò c m bi n hãng đ có thơng số ưỡng Sử dụng phép bi đổ đề c p Trịnh Hoàng Duy – Cao học KTĐT K20.1 Đại Học Giao Thông Vận Tải 76 lu vă í cho thi t bị í ã đ thực phần xử lý tín hiệu siêu âm s đỡ tốn nhiều, có kh ă trang bị hay tr m y t v v x đ có th chẩ đ ệnh xơ v đầu Do gi i h n thời gian, lu vă gi i quy t việc xá định bất ường củ xơ v dựa vào hình nh thị giác củ ĩ T ươ vă tri n khai mở rộ ng: phần mềm phần c ng Về phần c ng, s áp dụng nhựng k t qu tri n khai kit ARM 32 bit AT91SAM9RL64 Dùng k thu t nhúng vi t C++ k t qu xuất trở l i hình máy tính Về phần mềm, s ti p tục thu th đủ liệu, ng dụng xác suất thố đặc biệt dùng support vertor machine (SVM) neutral network nhân t đ huấn luyện cho máy học.sao cho k t qu chẩ đ in giấy mà khơng có đọc k t qu chẩ đ ực ti p từ ĩ Lư đồ dùng hệ số chi ti t dọc, ngang chéo Wavelet Packet cho máy học Ảnh siêu phổ N chiều Phép bi đổi Wavelet Packet Hệ số Wavelet Packet Huấn luyện Chọn k t cấu Các cấu trúc M (M