Một số phương pháp nâng cao chất lượng ảnh y học

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Nguyễn Thị Hồng MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH Y HỌC LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÁY TÍNH. Thái Nguyên-2011 Th¸i Nguyªn - 20 MỤC LỤC TRANG Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục i Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ii Danh mục các hình (hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị ) iii Mở đầu 1 Chƣơng 1. Giới thiệu về xử lý ảnh y học 3 1.1. Những vẫn đề cơ bản về xử lý ảnh 3 1.1.1. Giới thiệu 3 1.1.2. Khái niệm và các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh 8 1.1.3. Một số định dạng ảnh cơ bản 11 1.2. Xử lý ảnh y học 14 1.2.1. Giới thiệu về xử lý ảnh y học 14 1.2.2. Chẩn đoán dựa trên hình ảnh 16 1.2.2.1. Hình ảnh X-quang 17 1.2.2.2. Hình ảnh siêu âm ( Ultrasound) 19 1.2.2.3. Hình ảnh chụp cắt lớp ( CT- scanner) 21 1.2.2.4. Hình ảnh chụp cộng hưởng từ ( MRI) 22 1.2.3 Các chuẩn ảnh y học và truyền thông ảnh y học 24 1.2.3.1. Chuẩn DICOM 25 1.2.3.2. Chuẩn PACS 26 Chƣơng 2. Một số phƣơng pháp nâng cao chất lƣợng ảnh y học 32 2.1. Các kỹ thuật nâng cao chất lượng ảnh cơ bản 32 2.1.1 Các kỹ thuật không phụ thuộc không gian 32 2.1.1.1. Tăng giảm độ sáng 32 2.1.1.2. Tách ngưỡng 33 2.1.1.3. Bó cụm 33 2.1.1.4. Cân bằng histogram 34 2.1.1.5. Kỹ thuật tách ngưỡng tự động 34 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 2.1.1.6. Biến đổi cấp xám tổng thể 35 2.1.2. Các kỹ thuật phụ thuộc không gian 35 2.1.2.1. Lọc trung vị 35 2.1.2.2. Lọc trung bình 36 2.1.2.3. Lọc trung bình theo giá trị k gần nhất 37 2.2. Một số kỹ thuật chọn lọc nâng cao chất lượng ảnh y học 37 2.2.1. Khử nhiễu ảnh y học 38 2.2.1.1. Kỹ thuật lọc trung vị (median filter) 39 2.2.1.2. Phương pháp lọc Wiener 41 2.2.1.3. Phương pháp lọc Bayes 43 . 2.2.2. Nâng cao độ tương tương phản 45 2.2.2.1. Cân bằng Histogram 46 2.2.2.2. Giới thiệu kỹ thuật Retinex 48 2.2.3. Nổi biên ảnh y học 50 2.2.3.1. Phân loại các ký thuật phát hiện biên 50 2.2.3.2. Quy trình phát hiện biên trực tiếp 51 2.2.3.3. Phương pháp Gradient 52 2.2.3.4. Phương pháp Laplace 55 Chƣơng 3. Cài đặt chƣơng trình thử nghiệm một số chức năng nâng cao chất lƣợng ảnh y học 58 3.1. Giới thiệu chương trình 58 3.2 Giao diện và chức năng của chương trình 58 3.3. Các kết quả thực nghiệm 61 Kết luận và hƣớng phát triển 63 Tài liệu tham khảo 65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TT Tên viết tắt Tên tiếng anh Định nghĩa 1. PACS Picture Archiving and Communication System Hệ thống lưu trữ và truyền ảnh 2. DICOM Digital Imaging and Communications in Medicine Số hóa và truyền ảnh y tế 4. WWW World Wide Web Mạng toàn cầu 5. HTTP Hypertext Transfer Protocol Giao thức truyền văn bản siêu liên kết 6. CT Computed Tomography Chụp cắt lớp 7. MRI Magnetic Resonance Imaging Hình ảnh chụp cộng hưởng từ hạt nhân 8. SPECT Single Photon Emission Computed Tomography Chụp cắt lớp phát xạ photon đơn (Hình ảnh y học hạt nhân) 9. PET Positron Emission Tomography Chụp cắt lớp phát xạ Positron ( Hình ảnh y học hạt nhân) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình Trang Hình 1.1. Các bước cơ bản trong xử lý ảnh 4 Hình 1.2. Sơ đồ phân tích và xử lý ảnh và lưu đồ thông tin giữa các khối 7 Hình 1.3. Lân cận các điểm ảnh của tọa độ (x,y) 10 Hình 1.4. Phân chia các loại ảnh y học theo nguồn năng lượng tạo thành 15 Hình 1.5. Hình ảnh X-quang cột sống 19 Hình 1.6. Hình ảnh siêu âm gan 20 Hình 1.7. Hình ảnh chụp cắt lớp cột sống 22 Hình 1.8. Hình ảnh chụp cộng hưởng từ não 23 Hình 1.9. Mô hình PACS 27 Hình 1.10. Tiến trình hiển thị ảnh 29 Hình 1.11. Kiến trúc hệ thống quản lý ảnh y khoa trong môi trường PACS 30 Hình 1.12. Kiến trúc PACS điển hình cho hiển thị ảnh dựa trên Web 30 Hình 2.1. Minh họa ảnh A và cửa sổ N * M cho lọc trung vị 41 Hình 2.2. Ảnh X-quang tuyến vú trước (a) và sau (b) khi nâng cao độ tương phản bằng cân bằng Histogram 48 Hình 2.3. Ảnh nguyên bản (X-quang) 49 Hình 2.4. Ảnh thực hiện Retinex 40 Hình 2.5. Ảnh nguyên bản ( CT) 50 Hình 2.6. Ảnh thực hiện Retinex 50 Hình 3.1. Giao diện chương trình với chức năng Tập tin 59 Hình 3.2. Chức năng Các bộ lọc xử lý 59 Hình 3.3. Chức năng Tăng độ tương phản 60 Hình 3.4. Chức năng Nổi biên ảnh 60 Hình 3.5. Kết quả kỹ thuật nổi biên Gradient 62 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 MỞ ĐẦU Xử lý ảnh là một lĩnh vực mang tính khoa học và công nghệ. Nó là một chuyên ngành mới mẻ so với nhiều ngành khác nhưng tốc độ phát triển của nó rất nhanh và có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học, đời sống. Trong thiên văn học, xử lý ảnh giúp các nhà khoa học thu thập và phân tích hình ảnh vũ trụ; trong địa lý, người ta có thể dựa vào xử lý ảnh để lập chính xác các bản đồ địa hình, địa giới; nén ảnh rất cần thiết cho lĩnh vực thông tin và truyền thông; kỹ thuật nhận dạng ảnh được dùng nhiều trong các lĩnh vực liên quan đến quản lý kinh tế, quân sự; trong y học, xử lý ảnh hỗ trợ tốt cho việc chuẩn đoán các bệnh về khối u, xương, mạch, ung thư… Hiện nay, xử lý ảnh là một trong những yếu tố quyết định trong khoa học và kỹ thuật, tuy nhiên trong quá trình thu nhận ảnh, ảnh thu được phần nhiều có chất lượng không được như ý muốn. Đặc biệt đối với ảnh y học do đặc trưng thường chụp các bộ phận bên trong cơ thể người bằng các thiết bị đặc biệt, chuyên dụng như máy chụp X-quang, máy chụp CT, máy siêu âm nên thường bị mờ, nhiễu, không sắc nét…ảnh hưởng đến chất lượng, gây khó khăn cho việc chuẩn đoán bệnh. Do vậy, mặc dù các thiết bị chụp y tế với công nghệ ngày càng nâng cao để hỗ trợ cho việc phân tích và xử lý thông tin từ ảnh nhưng vấn đề đặt ra cần phải giải quyết song song là việc nâng cao chất lượng ảnh - đây là một khâu quan trọng được coi là bước tiền xử lý cho bước tiếp theo là phân đoạn ảnh y học. Quá trình tiền xử lý này trên thế giới đã và đang được nghiên cứu với nhiều cách tiếp cận khác nhau của cả giới y học và tin học. Trong luận văn “ Một số phƣơng pháp nâng cao chất lƣợng ảnh y học“ này, tôi tập trung tìm hiểu các phương pháp, thuật toán nâng cao chất lượng ảnh nói chung và chọn lọc ứng dụng, tìm hiểu một số phương pháp cụ thể nâng cao Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 chất lượng ảnh y học, cài đặt chương trình với một số chức năng để thực nghiệm kết quả. Luận văn được chia làm 3 chương, cụ thể nội dung các chương như sau: Chương 1. Giới thiệu về xử lý ảnh y học. ( Trình bày các khái niệm cơ bản về quá trình xử lý ảnh nói chung và ảnh y học nói riêng) Chương 2. Một số phương pháp nâng cao chất lượng ảnh y học. (Nêu các phương pháp nâng cao chất lượng ảnh cơ bản và chọn lọc các phương pháp nâng cao chất lượng ảnh phù hợp với đặc trưng của ảnh y học) Chương 3. Cài đặt chương trình thử nghiệm một số chức năng nâng cao chất lượng ảnh y học. Trong quá trình thực hiện luận văn, mặc dù đã có nhiều cố gắng, nỗ lực nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót, hạn chế vì điều kiện thời gian và năng lực có hạn.Tôi chân thành mong nhận được sự góp ý của các thầy giáo, cô giáo và các bạn học để hoàn thiện luận văn, chương trình thử nghiệm đã xây dựng để có được kiến thực thực tế bổ ích áp dụng trong qúa trình làm việc và nghiên cứu sau này. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ XỬ LÝ ẢNH Y HỌC 1.1. NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ XỬ LÝ ẢNH 1.1.1. Giới thiệu Xử lý ảnh là một lĩnh vực mang tính khoa học và công nghệ. Nó là một ngành khoa học mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác nhưng tốc độ phát triển của nó rất nhanh, kích thích các trung tâm nghiên cứu, ứng dụng, đặc biệt là máy tính chuyên dụng riêng cho nó. Xử lý ảnh được nghiên cứu, tìm hiểu và giảng dạy ở bậc đại học ở nước ta khoảng hơn chục năm nay. Đây là một ngành liên quan đến nhiều lĩnh vực và cần nhiều kiến thức cơ sở khác. Đầu tiên phải kể đến Xử lý tín hiệu số là một môn học hết sức cơ bản cho xử lý tín hiệu chung, các khái niệm về tích chập, phép biến đổi Fourier, biến đổi Laplace, các bộ lọc hữu hạn… Thứ hai, các công cụ toán như Đại số tuyến tính, xác xuất, thống kê. Một số kiến thức cần thiết như Trí tuệ nhân tao, Mạng nơ ron nhân tạo cũng được đề cập trong quá trình phân tích và nhận dạng ảnh. Thuật ngữ “ xử lý ảnh số” thường dùng để chỉ các quá trình xử lý ảnh hai chiều bằng máy tính, ảnh số thường được biểu diễn bởi ma trận hai chiều các số thực hay số phức gồm một số hữu hạn các bit. Để có thể xử lý được trên máy tính, ảnh đã cho (ảnh, giấy phim hay đồ thị ) đầu tiên phải được số hoá (digitalized) và lưu dưới dạng ma trận hai chiều các bit. Các phương pháp xử lý ảnh bắt đầu từ các ứng dụng chính: nâng cao chất lượng ảnh và phân tích ảnh. Ứng dụng đầu tiên được biết đến là nâng cao chất lượng ảnh báo được truyền qua cáp từ Luân đôn đến New York từ những năm 1920. Vấn đề nâng cao chất lượng ảnh có liên quan tới phân bố mức sáng và độ phân giải của ảnh. Việc nâng cao chất lượng ảnh được phát triển vào khoảng những năm 1955. Điều này có thể giải thích được vì sau thế chiến thứ hai, máy tính phát triển nhanh tạo điều kiện cho quá trình xử lý ảnh sô thuận lợi. Năm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 1964, máy tính đã có khả năng xử lý và nâng cao chất lượng ảnh từ mặt trăng và vệ tinh Ranger 7 của Mỹ bao gồm: làm nổi đường biên, lưu ảnh. Từ năm 1964 đến nay, các phương tiện xử lý, nâng cao chất lượng, nhận dạng ảnh phát triển không ngừng. Các phương pháp tri thức nhân tạo như mạng nơ ron nhân tạo, các thuật toán xử lý hiện đại và cải tiến, các công cụ nén ảnh ngày càng được áp dụng rộng rãi và thu nhiều kết quả khả quan. Chúng ta xem xét các bước cần thiết trong xử lý ảnh như sau: đầu tiên, ảnh tự nhiên từ thế giới ngoài được thu nhận qua các thiết bị thu (như Camera, máy chụp ảnh). Trước đây, ảnh thu qua Camera là các ảnh tương tự (loại Camera ống kiểu CCIR). Gần đây, với sự phát triển của công nghệ, ảnh màu hoặc đen trắng được lấy ra từ camera, máy ảnh, sau đó nó được chuyển trực tiếp thành ảnh số tạo thuận lợi cho xử lý tiếp theo. Mặt khác, ảnh cũng có thể tiếp nhận từ vệ tinh; có thể quét từ ảnh chụp bằng máy quét ảnh… Sơ đồ này bao gồm các thành phần sau: a) Phần thu nhận ảnh (Image Acquisition) Ảnh có thể nhận qua camera màu hoặc đen trắng. Thường ảnh nhận qua camera là ảnh tương tự (loại camera ống chuẩn CCIR với tần số 1/25, mỗi ảnh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 25 dòng), cũng có loại camera đã số hoá (như loại CCD – Change Coupled Device) là loại photodiot tạo cường độ sáng tại mỗi điểm ảnh. Camera thường dùng là loại quét dòng ; ảnh tạo ra có dạng hai chiều. Chất lượng một ảnh thu nhận được phụ thuộc vào thiết bị thu, vào môi trường (ánh sáng, phong cảnh) b) Tiền xử lý (Image Preprocessing) Sau bộ thu nhận, ảnh có thể nhiễu độ tương phản thấp nên cần đưa vào bộ tiền xử lý để nâng cao chất lượng. Chức năng chính của bộ tiền xử lý là lọc nhiễu, nâng độ tương phản để làm ảnh rõ hơn, nét hơn. c) Phân đoạn (Segmentation) hay phân vùng ảnh Phân vùng ảnh là tách một ảnh đầu vào thành các vùng thành phần để biểu diễn phân tích, nhận dạng ảnh. Ví dụ: để nhận dạng chữ (hoặc mã vạch) trên phong bì thư cho mục đích phân loại phẩm, cần chia các câu, chữ về địa chỉ hoặc tên người thành các từ, các chữ, các số (hoặc các vạch) riêng biệt để nhận dạng. Đây là phần phức tạp khó khăn nhất trong xử lý ảnh và cũng dễ gây lỗi, làm mất độ chính xác của ảnh. Kết quả nhận dạng ảnh phụ thuộc rất nhiều vào công đoạn này. d) Biểu diễn ảnh (Image Representation) Đầu ra ảnh sau phân đoạn chứa các điểm ảnh của vùng ảnh (ảnh đã phân đoạn) cộng với mã liên kết với các vùng lận cận. Việc biến đổi các số liệu này thành dạng thích hợp là cần thiết cho xử lý tiếp theo bằng máy tính. Việc chọn các tính chất để thể hiện ảnh gọi là trích chọn đặc trưng (Feature Selection) gắn với việc tách các đặc tính của ảnh dưới dạng các thông tin định lượng hoặc làm cơ sở để phân biệt lớp đối tượng này với đối tượng khác trong phạm vi ảnh nhận được. Ví dụ: trong nhận dạng ký tự trên phong bì thư, chúng ta miêu tả các đặc trưng của từng ký tự giúp phân biệt ký tự này với ký tự khác. e) Nhận dạng và nội suy ảnh (Image Recognition and Interpretation) [...]... http://www.lrc-tnu.edu.vn 35 trên thị trường vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu vì tính năng chủ y u vẫn là lưu trữ, chẩn đoán, truyền hình ảnh Do v y, việc tiền xử lý nâng cao chất lượng hình ảnh y học là một vấn đề đáng quan tâm và cần phát triển trong thời gian tới CHƢƠNG 2 MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ẢNH Y HỌC 2.1 CÁC KỸ THUẬT NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ẢNH CƠ BẢN 2.1.1 Các kỹ thuật không phụ thuộc không gian Các phép toán... nhau khi truyền Nếu hình ảnh không cần chất lượng cao thì có thể truyền ở độ phân giải thấp và khi cần độ nét để chẩn đoán với chất lượng cao thì truyền ảnh với các độ phân giải cao hơn, nhưng tốc độ truyền trên mạng sẽ chậm đi nhiều Các ảnh truyền thường là các ảnh về X quang, ảnh siêu âm, ảnh nội soi, ảnh CT Scanner Việc truyền ảnh n y giúp cho hỗ trợ chẩn đoán từ xa, cho các th y thuốc, học viên,... Các chuẩn ảnh y học và truyền thông ảnh y học Các thiết bị và m y y tế về chẩn đoán hình ảnh ng y càng ứng dụng nhiều hơn về công nghệ thông tin, các phần mềm cho các m y Y tế ng y càng được nâng cấp, nhất là khi kỹ thuật số ra đời và phát triển đã ghi nhận và phân tích tín hiệu rất tốt, cho hình ảnh sâu hơn, chất lượng ảnh tốt hơn Hơn nữa việc giao diện giữa các thiết bị và m y y tế kỹ thuật cao với... Tomography Tomography là phương pháp chụp ảnh cắt lớp; Computed Tomography mang ý nghĩa là chụp cắt lớp với sự hỗ trợ của m y tính Đ y là phương pháp tạo ảnh dựa vào tính Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 25 chất hấp thụ tia X của vật chất Cùng với các phương pháp tạo ảnh khác như siêu âm, chụp cộng hưởng từ (MRI), chụp cắt lớp vi tính CT giúp cho ta “nhìn th y ... nhi … Với phương thức Query/Retrieval thì thích hợp nhất cho các chuyên gia X-quang trong khâu giao tiếp với m y l y ảnh (Modalities) Các m y ảnh được chia theo Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 32 nhóm dựa trên chức năng của m y như: CT, MR hoặc X-ray Trong từng lĩnh vực chuyên môn mà các m y l y ảnh sẽ sinh ra những hình ảnh tương tự nhau tại cùng một điểm... trình sử dụng ảnh số không nhất thiết phải qua hết các khâu đó t y theo đặc điểm ứng dụng Hình 1.2 cho sơ đồ phân tích và xử lý ảnh và lưu đồ thông tin giữa các khối một cách khá đ y đủ Ảnh sau khi được số hóa được nén, lưu lại để truyền cho các hệ thống khác sử dụng hoặc để xử lý tiếp theo Mặt khác, ảnh sau khi số hóa có thể bỏ qua công đoạn nâng cao chất lượng (khi ảnh đủ chất lượng theo một y u cầu nào... bảng màu cho biết số màu dùng trong ảnh và bảng màu được sử dụng để hiện thị màu của ảnh 1.1.3.1 Quy trình đọc một tệp ảnh Trong quá trình xử lý ảnh, đầu tiên phải tiến hành đọc tệp ảnh và chuyển vào bộ nhớ của m y tính dưới dạng ma trận số liệu ảnh Khi lưu trữ dưới dạng tệp, ảnh là một khối gồm một số các byte Để đọc đúng tệp ảnh ta cần hiểu ý nghĩa các phần trong cấu trúc của tệp ảnh như đã nêu trên... tạo ảnh y học được phân chia chủ y u theo 3 dạng : nguồn năng lượng bên trong, nguồn năng lượng bên ngoài và kết hợp cả hai, thể hiện theo sơ đồ sau: Hình 1.3 Phân chia các loại ảnh y học theo nguồn năng lượng tạo thành Nguyên lý tạo ảnh được sử dụng để thu được dữ liệu thông qua các m y chuyên dụng Với ảnh 2 chiều của vật thể ảnh được tạo qua các dụng cụ quang học như camera hay kính hiển vi , ảnh. .. trên hình ảnh thu được từ các thiết bị, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 21 m y y tế (chẩn đoán hình ảnh) ng y càng chiếm một vai trò quan trọng, nhất là ng y nay với sự trợ giúp của các thiết bị, m y y tế hiện đại, công nghệ cao có các phần mềm tin học hỗ trợ khiến cho hình ánh rõ nét và chính xác hơn Chẩn đoán hình ảnh đã góp phần quan trọng nâng cao tính... hình ảnh từ xa Tuy nhiên, gần như các chuẩn ảnh và truyền thông trên chỉ sử dụng và làm việc với các ảnh y học nguyên bản, chưa qua bước tiền xử lý (chỉ thực hiện bước hậu xử lý-postprocessing), do v y chất lượng ảnh truyền đi chưa được tốt như mong muốn Các phần mềm hiện nay sử dụng cho xử lý ảnh y học thông dụng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 35 trên thị . ảnh y học. ( Trình b y các khái niệm cơ bản về quá trình xử lý ảnh nói chung và ảnh y học nói riêng) Chương 2. Một số phương pháp nâng cao chất lượng ảnh y học. (Nêu các phương pháp nâng cao. nhau của cả giới y học và tin học. Trong luận văn “ Một số phƣơng pháp nâng cao chất lƣợng ảnh y học n y, tôi tập trung tìm hiểu các phương pháp, thuật toán nâng cao chất lượng ảnh nói chung. cao chất lượng ảnh cơ bản và chọn lọc các phương pháp nâng cao chất lượng ảnh phù hợp với đặc trưng của ảnh y học) Chương 3. Cài đặt chương trình thử nghiệm một số chức năng nâng cao chất lượng