(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu một số kỹ thuật xử lý ảnh dựng mô hình 3d của gan từ ảnh dữ liệu ảnh ct

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN ĐOÀN THỊ XƢƠNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT XỬ LÝ ẢNH DỰNG MƠ HÌNH 3D CỦA GAN h TỪ ẢNH DỮ LIỆU ẢNH CT Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 8480101 Ngƣời hƣớng dẫn: TS Lê Thị Kim Nga LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thực dƣới hƣớng dẫn trực tiếp giảng viên TS Lê Thị Kim Nga Các số liệu, kết thực nghiệm đƣợc trình bày luận văn trung thực Những tƣ liệu đƣợc sử dụng luận văn có nguồn gốc trích dẫn rõ ràng, đầy đủ Học viên h Đồn Thị Xƣơng LỜI CẢM ƠN Trong q trình thực nghiên cứu luận văn em nhận đƣợc nhiều quan tâm, giúp đỡ, hƣớng dẫn dìu dắt quý thầy cô, bạn bè ngƣời thân Trƣớc tiên em xin gửi đến Tiến sĩ Lê Thị Kim Nga lời cảm ơn chân thành nhất, cô ngƣời hƣớng dẫn cho em suốt trình thực luận văn này, với tinh thân nhiệt tình chu em làm tốt đƣợc cơng việc nghiên cứu Em xin gửi lời cảm ơn quý thầy cô Trƣờng Đại học Quy Nhơn, Khoa Công nghệ thông tin thầy cô mơn Khoa học máy tính tận tậm dạy bảo em suốt trình học tập giúp đỡ em trau dồi kiến thức phục vụ cho trình nghiên cứu h Em xin chân thành cảm ơn ngƣời thân gia đình, anh chị em, bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ, động viên em q trình thực hồn thành luận văn Bình Định, ngày 11 tháng năm 2020 Học viên Đoàn Thị Xƣơng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Cấu trúc luận văn CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH TRONG DỰNG MƠ HÌNH h 3D GAN 1.1 DỮ LIỆU ẢNH SỐ Y KHOA 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Khái niệm ảnh y khoa liệu ảnh CT Gan 1.1.3 Một số chuẩn hình ảnh y khoa 1.2 MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ ẢNH TRONG DỰNG MƠ HÌNH 3D GAN 10 1.2.1 Phát Gan liệu ảnh CT, MRI 12 1.2.2 Định vị vùng Gan dựa kỹ thuật hồi quy 14 1.2.3 Một số vấn đề xử lý ảnh quy trình dựng mơ hình 3D Gan 17 1.3 BÀI TỐN DỰNG MƠ HÌNH 3D 18 1.3.1 Giới thiệu 18 1.3.2 Cấu tạo mơ hình 3D 19 1.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 22 CHƢƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT TRONG DỰNG MƠ HÌNH 3D GAN TỪ ẢNH CT 24 2.1 TĂNG CƢỜNG CHẤT LƢỢNG ẢNH CT GAN 24 2.1.1 Kỹ thuật tăng cƣờng chất lƣợng ảnh CT Gan 24 2.1.2 Kỹ thuật dựa Gradient 29 2.1.3 Kỹ thuật dựa biến đổi Wavelet 31 2.1.4 Kỹ thuật dựa hiệu chỉnh Gamma 35 2.2 PHÂN ĐOẠN GAN 37 2.2.1 Kỹ thuật phân đoạn Ganđơn giản 37 2.2.2 Phân đoạn Gan dựa mạng U - Net 42 2.2.3 Phân đoạn Gan dựa vào mơ hình chất liệu 45 2.3 KỸ THUẬT DỰNG MÔ HÌNH 3D GAN 49 2.3.1 Thuật toán Marching Cubes 49 2.3.2 Dựng lát cắt từ ảnh chụp cắt lớp 53 h 2.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 54 CHƢƠNG 3: CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM 55 3.1 PHÁT BIỂU BÀI TOÁN 55 3.2 PHÂN TÍCH BÀI TOÁN 55 3.2.1 Dữ liệu mô tả xử lý 55 3.2.2 Chi tiết thực 56 3.3 MỘT SỐ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 57 3.4 ĐÁNH GIÁ 66 3.5 HƢỚNG PHÁT TRIỂN 67 3.6 KẾT LUẬN CHƢƠNG 67 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ71 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (bản sao) DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT CNTT Công nghệ thông tin CT Computed Tomography MRI Magnetic Resonance Imaging 2D Two-Dimensional 3D Three-Dimensional PACS Picture Archiving and Communication System DICOM The Digital Image and Communication in Medicine RF Random Forests DIMSE Dicom Message Service Elements SVM Support Vector Machine h DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Số lƣợng lát cắt, thời gian phân đoạn Gan, tái tạo mơ hình 3D Gan 66 h DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Các bƣớc xử lý ảnh y khoa [2] Hình 1.2 Một số nghiên cứu xử lý ảnh y tế giới 11 Hình 1.3 Phát vùng Gan bán tự động 12 Hình 1.4 Mơ hình hóa hoạt động Gan 13 Hình 1.5 Phát u Gan ảnh CT 14 Hình 1.6 Định vị Gan dựa vào kỹ thuật hồi quy tích hợp đồ vote map 15 Hình 1.7 Định vị Gan dựa vào kỹ thuật hồi quy 16 Hình 1.8 Xác định kích thƣớc Gan từ ảnh MRI 3D dựa thuật tốn phân tích contour động 17 Hình 1.9 Mơ hình 3D tim ngƣời 19 Hình 1.10 Mơ hình 3D hình cầu cắt vắt 19 h Hình 1.11 Một mặt hình hộp đƣợc tạo mặt tam giác 21 Hình 1.12 Mơ hình 3D thu đƣợc từ tập đỉnh: VertexList, tập mặt: FaceList, tập UV: Uvs 22 Hình 2.1 Sơ đồ biểu diễn tầng biến đổi Wavelet 32 Hình 2.2 Sơ đồ biểu diễn tầng biến đổi Wavelet cho ảnh 32 Hình 2.3 Sơ đồ triển khai Wavelet hai mức 33 Hình 2.4 Nâng cao chất lƣợng hình ảnh CT dựa vào biến đổi Wavelet 34 Hình 2.5 Quy trình hiệu chỉnh Gamma 36 Hình 2.6 Minh họa thuật toán đối xứng 40 Hình 2.7 Minh họa thuật tốn tam giác 41 Hình 2.8 Bimodal Histogram 42 Hình 2.9 Kiến trúc mơ hình U –Net 43 Hình 2.10 Minh họa thuật tốn Marching Cubes 49 Hình 2.11 Một khối với giá trị đƣợc xác định đỉnh 50 Hình 2.12 Các trƣờng hợp áp dụng cho Marching Cubes 51 Hình 2.13 Đa giác đƣợc xây dựng khối 52 Hình 2.14 Đánh số thứ tự cho 12 cạnh khối 53 Hình 2.15 Kết thử nghiệm 53 Hình 3.1 Giao diện chƣơng trình 58 Hình 3.2 Ảnh DICOM CT 30 lát cắt ổ bụng 59 Hình 3.3 Ảnh phân đoạn Gan (màu xanh) tƣơng ứng 30 lát cắt DICOM ổ bụng đầu vào 59 Hình 3.4 Mơ hình 3D Gan từ 30 lát cắt Gan 60 Hình 3.5 Ảnh DICOM 90 lát cắt ổ bụng 61 Hình 3.6 Ảnh phân đoạn Gan (màu xanh) tƣơng ứng 90 ảnh DICOM ổ bụng đầu vào 63 Hình 3.7 Mơ hình 3D Gan từ 90 ảnh phân đoạn Gan 64 h Hình 3.8 Mơ hình 3D Gan từ 129 ảnh phân đoạn Gan 64 Hình 3.9 Mơ hình 3D Gan từ 172 ảnh phân đoạn Gan 65 Hình 3.10 Mơ hình 3D Gan từ 225 ảnh phân đoạn Gan 65 MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong năm qua, với phát triển mạnh mẽ, Công nghệ thông tin (CNTT) thâm nhập vào mặt đời sống xã hội đem lại nhiều lợi ích to lớn Trong lĩnh vực y tế, thấy rằng, CNTT tạo thay đổi mẻ, thúc đẩy phát triển, đại hóa Y học nƣớc nhà Y học đại chẩn đoán bệnh dựa vào triệu chứng lâm sàng (chẩn đoán lâm sàng) triệu chứng cận lâm sàng (chẩn đoán cận lâm sàng) Trong chẩn đốn cận lâm sàng chẩn đốn dựa hình ảnh thu đƣợc từ thiết bị, máy y tế (chẩn đốn hình ảnh) ngày chiếm vai trò quan trọng, ngày với trợ giúp thiết bị, máy y tế đại, cơng nghệ cao có phần mềm tin học hỗ trợ khiến cho hình ánh rõ nét h xác Một kênh thơng tin quan trọng hỗ trợ chẩn đoán điều trị bệnh dựa vào hình ảnh y khoa nhƣ X-quang, CT, MRI, chụp xạ hình… Chụp hình ảnh cắt lớp (Computed Tomography – CT) đƣợc ứng dụng rộng rãi cho chẩn đoán cận lâm sàng để phát bệnh lý từ sọ não, đầu mặt cổ, tim, ngực, bụng, chậu, xƣơng, mô mềm bệnh lý mạch máu não, cổ, mạch máu chi mạch máu tạng khác Ảnh đƣợc chụp từ thiết bị chụp cắt lớp CT đƣợc dùng để hƣớng dẫn phẫu thuật xạ trị, theo dõi sau phẫu thuật Kỹ thuật xây dựng mơ hình 3D (3 chiều) đối tƣợng từ ảnh chụp cắt lớp cho phép đánh giá xác vị tí tổn thƣơng khơng gian chiều, từ định hƣớng tốt cho phẫu thuật nhƣ xạ trị Ngồi ra, kỹ thuật cịn dùng để tái tạo đối tƣợng 3D bệnh lý bất thƣờng bẩm sinh, giúp cho nhà phẫu thuật tạo hình chỉnh sửa tốt dị tật bẩm sinh Ngày với thói quen ăn uống tùy tiện, mơi trƣờng ô nhiễm,