phục dựng hình ảnh 3d từ dữ liệu ảnh y tế dicom

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG  NGUYỄN VĂN THẮNG PHỤC DỰNG HÌNH ẢNH 3D TỪ DỮ LIỆU ẢNH Y TẾ DICOM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên - 2012 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG  NGUYỄN VĂN THẮNG PHỤC DỰNG HÌNH ẢNH 3D TỪ DỮ LIỆU ẢNH Y TẾ DICOM Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Đỗ Năng Toàn Thái Nguyên - 2012 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại lớp Cao học khóa 8 chuyên ngành Khoa học máy tính tại Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên, em đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo trong Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông; Viện công nghệ thông tin Việt Nam. Các thầy, cô luôn giúp đỡ, tạo điều kiện cho em trong quá trình học tập. Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy, cô giáo trong Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông; Viện công nghệ thông tin Việt Nam. Em xin cảm ơn sự giúp đỡ của các anh, chị phòng Công nghệ Thực tại ảo Viện Công nghệ thông tin Việt Nam. Đặc biệt thầy giáo PGS.TS Đỗ Năng Toàn đã tận tình hƣớng dẫn và tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành quyển luận văn tốt nghiệp này. Tôi xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp và ngƣời thân đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn. Quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi thiếu sót em rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp đối với đề tài nghiên cứu của em để đề tài đƣợc hoàn thiện hơn. Em xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng năm 2012 Nguyễn Văn Thắng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan toàn bộ nội dung bản luận văn này là do em tự sƣu tầm, tra cứu và sắp xếp cho phù hợp với nội dung yêu cầu của đề tài. Nội dung luận văn này chƣa từng đƣợc công bố hay xuất bản dƣới bất kỳ hình thức nào và cũng không đƣợc sao chép từ bất kỳ một công trình nghiên cứu nào. Tất cả phần ứng dụng đều do em tự thiết kế và xây dựng, trong đó có sử dụng một số thƣ viện chuẩn và các thuật toán đƣợc các tác giả xuất bản công khai và miễn phí trên mạng Internet. Nếu sai em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2012 Ngƣời cam đoan Nguyễn Văn Thắng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH iv PHẦN MỞ ĐẦU 1 Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ ẢNH TRONG Y TẾ THEO CHUẨN DICOM 3 1.1 KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ ỨNG DỤNG 3 1.1.1 Tổng quan về đồ họa 3D 3 1.1.2. Phương pháp bi ểu diễn 3D 3 1.1.3. Ứng dụng của đồ hoạ 3D 6 1.2. DỰNG ẢNH 3D TỪ DỮ LIỆU ẢNH Y TẾ DICOM 13 1.2.1. Chuẩn DICOM 13 1.2.1.1. Giới thiệu 13 1.2.1.2. Phần Header 14 1.2.1.3. Tập dữ liệu - Data Set 15 1.2.2. Dựng hình 3D dựa vào ảnh DICOM 18 Chương 2: MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ KỸ THUẬT DỰNG HÌNH 3D 28 2.1. TRÍCH CHỌN CÁC ĐIỂM ĐẶC TRƢNG THEO ĐƢỜNG BIÊN 28 2.1.1. Lựa chọn các đặc trưng 28 2.1.2. Biên và kỹ thuật phát hiện biên 29 2.1.2.1. Một số khái niệm: 29 2.1.2.2. Phân loại các kỹ thuật phát hiện biên 30 2.1.2.3. Quy trình phát hiện biên 31 2.1.2.4. Phương pháp phát hiện biên cục bộ 31 2.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP BIỂU DIỄN BỀ MẶT 36 2.2.1. Bề mặt đa giác 37 2.2.1.1. Biểu diễn lƣới đa giác 37 2.2.1.2. Phƣơng trình mặt phẳng 40 a) Phƣơng trình hàm ẩn 40 b) Xác định điểm trên mặt phẳng 42 2.2.2. Bề mặt bậc hai 43 2.2.2.1. Hình cầu 43 2.2.2.2. Ellipsoid 43 2.2.2.3. Hình xuyến 44 2.2.2.4. Bề mặt tròn xoay 45 2.2.3. Bề mặt có qui luật 45 2.2.4. Bề mặt bậc 3 Hermite 46 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii 2.2.5. Bề mặt Bezier 48 2.2.6. Ghép nối các bề mặt bậc 3 49 2.2.7. Pháp tuyến với mặt phẳng 50 2.3. THUẬT TOÁN “ĐO ĐỘ SAI SỐ BẬC HAI QEM” 51 2.3.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ GIẢ THIẾT BAN ĐẦU CỦA BÀI TOÁN 51 2.3.1.1. Qui ước về cách biểu diễn vật thể 51 2.3.1.2. Các yêu cầu về giữ nguyên hình dạng hình học của vật thể 52 2.3.1.3. Phương pháp đánh giá độ xấp xỉ 53 2.3.2. Ý tưởng và các bước của thuật toán 56 2.3.2.1. Ý tưởng 56 2.3.2.2. Các bước cơ bản của thuật toán 56 2.3.3. Tập các cặp đỉnh sẽ được xem xét & loại bỏ 57 2.3.3.1. Tập các cặp đỉnh 57 2.3.3.2. Phép loại bỏ cặp đỉnh 57 2.3.4. Hàm xác định giá 57 2.3.4.1. Đại lượng sai số bậc hai ( QEM ) 60 2.3.4.2. Xác dịnh trọng số của các mặt 61 2.3.4.3. Xác định vị trí đỉnh mới 62 2.3.5. Kiểm tra tính toàn vẹn 63 Chương 3: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 65 3.1. BÀI TOÁN 65 3.2. CHƢƠNG TRÌNH 67 PHẦN KẾT LUẬN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu/ Chữ viết tắt Viết đầy đủ Ý nghĩa 1 B -reps Boulldary representationl phƣơng pháp biểu diễn bề mặt 3 DICOM Digital Imaging and Communications in Medicine Tiêu chuẩn để bắt tay, lƣu trữ, in ấn và thu/nhận hình ảnh trong y tế 5 CT Computed Tomography Scanner Chụp cắt lớp vi tính 6 MRI Magnetic Resonance Imaging Chụp cộng hƣởng từ 7 PET Positron Emission Tomography Cắt lớp phát xạ posirtron 8 SPECT Single Photon Emission Computed Tomography Chụp cắt lớp ddienj toán phát xạ Photon 9 CAD Computer Aided Draft hoặc Computed Assisted Design Sử dụng máy tính trong quá trình thiết kế và lập bản vẽ 10 QEM Quadric Error Metric Thuật toán đơn giản biểu diễn bề mặt đa diện sử dụng độ đo sai số bậc hai Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Dạng của ma trận biến đổi trong hệ tọa độ thuần nhất Hình 1. 2. Bề mặt đƣợc chiếu sáng bởi cả hai loại nguồn sáng Hình 1.3. Hình ảnh của dự án nghiên cứu CHARM về tay của con ngƣời Hình 1.4. Hình ảnh về việc nghiên cứu hộ sọ của con ngƣời theo tạp chí tại địa chỉ: http://www.ahs.uic.edu Hình 1.5. Câu trúc file DICOM Hình 1.6. Cấu trúc phần tử dữ liệu phần Header Hình 1.7. Cấu trúc phần tử dữ liệu trong DICOM Hình 1.8. Biểu diễn một lớp cắt trong không gian tọa độ xyz Hình. 2.1. Lƣới đa giác xác định bằng các chỉ số trong Hình 2.2. Lƣới đa giác xác định bởi danh sách các cạnh cho mỗi đa giác ( λ biểu diễn giá trị rỗng). Hình 2.3. Biểu diễn mặt cầu bằng lƣới đa giác Hình 2.4. Tham số  và  sử dụng để biểu diễn hình cầu Hình 2.5. Phác họa một ellipsoїd. Hình 2.6. Một hình xuyến có tâm tại gốc toạ độ. Hình 2.7. a) Xƣơng của bề mặt tròn xoay b) Mặt cắt đứng của bề mặt tròn xoay. c) Bề mặt tròn xoay Hình 2.8. Biểu diễn theo tham số bề mặt có qui luật Hình 2.9. Bề mặt Bezier với 16 điểm điều khiển chúng Hình 2.10. Kết nối hai bề mặt cong Hình 2.11. Kết nối hai bề mặt Bezier với các điểm điều khiển chung là P 14 , P 24 , P 34 và P 44 Hình 2.12. Một vật thể gồm nhiều khối hộp đặt sát nhau đƣợc giảm thiểu theo 2 cách Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn v Hình 2.13. Mô phỏng tình huống trong không gian hai chiều Hình 2.14. Mặt vuông đƣợc “lát” bằng các hình tam giác khác nhau Hình 2.15. Sau khi loại bỏ một cặp thì xuất hiện 1 mặt bị ngƣợc. Hình 2.16. Giải pháp của QEM Hình 3.1. Đọc ảnh DICOM Hình 3.2. Dữ liệu ảnh chƣa đƣợc xác định biên Hình 3.3. Dữ liệu ảnh sau khi đã xác định biên của mô hình Hình 3.4. Kết quả tạo mô hình 3D bằng kỹ thuật tạo lƣới dữ liệu 3D Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn [...]... x y dựng đƣợc công cụ hữu hiệu dựa vào các kỹ thuật dựng hình để tạo lên không gian ba chiều có độ tƣơng tác cao với công tác chẩn đoán Do đó t ôi chọn đề tài Phục dựng hình ảnh 3D từ dữ liệu ảnh Y tế DICOM Nội dung luận văn bao gồm 3 chƣơng: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ ẢNH TRONG Y TẾ THEO CHUẨN DICOM Chƣơng n y. .. về đồ họa 3D, giới thiệu về chuẩn DICOM, cấu trúc của ảnh trong y tế theo chuẩn DICOM Chương 2: MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ KỸ THUẬT DỰNG HÌNH 3D Chƣơng n y giới thiệu một số vấn đề về dựng hình 3D bằng kỹ thuật dựng lƣới dữ liệu Chương 3: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ ẢNH TRONG Y TẾ THEO CHUẨN DICOM 1.1... nay là y học Tôi xin đƣa ra một số hình ảnh về việc nghiên cứu và ứng dụng tin học trong y học: Hình 1.3 Hình ảnh của dự án nghiên cứu CHARM về tay của con người Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 Đ y là dự án nghiên cứu của châu âu vào tháng 11 năm 1993, dự án n y cho phép x y dựng lại mô hình cánh tay của con ngƣời trong không gian 3D từ những dữ liệu hình. .. đạt đƣợc khả năng dựng hình các ảnh 3 chiều, ta nhất thiết phải xét đến khả năng dựng hình các ảnh 2 chiều từ các tập ảnh thu đƣợc từ các mô hình Ta xét một số kỹ thuật dựng hình 2 chiều sau: + Dựng hình dựa trên điểm tƣơng đồng Lựa chọn một số điểm đặc trƣng trên ảnh Thông thƣờng thì một tập ảnh luôn có những điểm có giá trị và ý nghĩa hình học nhất định Những điểm n y phải đƣợc duy trì chính xác trong... Phần tử dữ liệu riêng - Private Data Element: thƣờng dùng để chứa thông tin (ví dụ thông tin về bệnh nhân, tổ chức…), có số nhóm-Group Number là số lẻ Dựa trên đó có thể l y ra những thông tin cần thiết mà không phải dữ liệu ảnh ngay trên file Đ y cũng là điểm khác biệt của định dạng DICOM so với các định dạng khác 1.2.2 Dựng hình 3D dựa vào ảnh DICOM Dựng hình 3D là một thuật ngữ của việc xử lý ảnh bao... chuẩn bị lực lƣợng, v y thì l y đâu ra môi trƣờng thực tế để rèn luyên, chuẩn bị lực lƣợng…Hay trên thực tế có thể tạo ra đƣợc môi trƣờng tập luyện thực sự Do điều kiện kinh tế kỹ thuật không cho phép hay việc tập luyện y quá nguy hiểm tới tính mạng của con ngƣời Nhƣ v y vấn đề ở đ y là làm sao tạo ra đƣợc môi trƣờng tập luyện nhƣ trên thực tế mà lại không quá tốn kém hay nguy hiểm đến tính mạng con... của dựng hình 3D có thể đƣợc định nghĩa nhƣ sau: 2 ảnh cho sẵn chứa một vài cấu trúc tƣơng xứng nhau, xác định một phép biến đổi hình học sao cho khi áp dụng nó cho một ảnh sẽ giúp sắp xếp những giá trị điểm trên ảnh n y lên trên ảnh thứ 2 ngay tại những cấu trúc mà 2 ảnh tƣơng ứng với nhau Có thể diễn tả việc dựng hình 3D của khối B lên khối A nhƣ sau: A(x ,y, z) = Tα B(x ,y, z) Trong đó, Tα là một hình. .. nhân Hình thức dựng hình n y cho phép nhà phẫu thuật sử dụng thông tin ảnh để giám sát các cấu trúc giải phẫu thuận lợi hơn trong suốt tiến trình phẫu thuật Dựng hình 3D dựa vào ảnh DICOM với bản đồ phác họa những khối ảnh lên trên các bản đồ giải phẫu số học bằng cách dồn một khối ảnh vào trong một khối khác Hình thức kết hợp n y cực kỳ hữu ích trong ứng dụng dựng hình những khác biệt giữa 2 ảnh nhƣng... đề cần truyền đạt cho đối tƣợng cần truyền đạt, môi trƣờng truyền đạt không g y đƣợc trí tò mò, hay niềm đam mê của ngƣời học Hiện nay có một xu hƣớng mới trong việc ứng dụng tin học trong giáo dục mà rất đƣợc quan tâm nghiên cứu và phát triển đó là x y dựng các mô hình đồ hoạ 3D trên m y vi tính nhằm cung cấp các môi trƣờng học tập và nghiên cứu Những mô hình đƣợc x y dựng ở đ y phải x y dựng làm sao... gồm các ảnh của cùng một cấu trúc, khác nhau ở viễn cảnh chụp, thời gian chụp hay phƣơng thức chụp Vì các ảnh có thể thay đổi bởi một hoặc tất cả những y u tố trên, nên các vật thể đƣợc thể hiện trong các ảnh n y rõ ràng sẽ có khác biệt Việc so sánh các thông tin từ các ảnh n y đặt ra những thách thức đáng kể dựng hình 3D nhằm mục đích điều chỉnh đúng những sự biến đổi n y bằng cách sắp xếp các ảnh sao . 1.2. DỰNG ẢNH 3D TỪ DỮ LIỆU ẢNH Y TẾ DICOM 13 1.2.1. Chuẩn DICOM 13 1.2.1.1. Giới thiệu 13 1.2.1.2. Phần Header 14 1.2.1.3. Tập dữ liệu - Data Set 15 1.2.2. Dựng hình 3D dựa vào ảnh DICOM 18.  NGUYỄN VĂN THẮNG PHỤC DỰNG HÌNH ẢNH 3D TỪ DỮ LIỆU ẢNH Y TẾ DICOM Chuyên ngành: Khoa học m y tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC M Y TÍNH . ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG  NGUYỄN VĂN THẮNG PHỤC DỰNG HÌNH ẢNH 3D TỪ DỮ LIỆU ẢNH Y TẾ DICOM