dùng phương pháp wavelet tăng cường biên ảnh để xác định kích thước khối u đặc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THỊ QUỲNH NHƯ DÙNG PHƯƠNG PHÁP WAVELET TĂNG CƯỜNG BIÊN ẢNH ĐỂ XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC KHỐI U ĐẶC S K C 0 9 NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2014 BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THỊ QUỲNH NHƯ DÙNG PHƯƠNG PHÁP WAVELET TĂNG CƯỜNG BIÊN ẢNH ĐỂ XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC KHỐI U ĐẶC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ -605270 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN THANH HẢI TP Hồ Chí Minh, tháng 03/2014 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI i LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Trần Thị Quỳnh Như Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 20-04-1984 Nơi sinh: Đồng Nai Quê quán: Quảng Ngãi Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: Trường trung học kỹ thuật thực hành, 484 Lê Văn Việt, Phường Tăng Nhơn Phú A, Quận 9, TP Hồ Chí Minh Điện thoại quan: 08.38962867 Điện thoại nhà riêng: Fax: E-mail: nhuttq@hcmute.edu.vn II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ …/… đến …/… Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2003 đến 02/2008 Nơi học (trường, thành phố): Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ thuật điện tử Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Điều khiển mô hình nhiệt độ dùng PLC S7-300 Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: Tháng 12 năm 2007, Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Tấn Đời ii III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công 2008-2009 ty TNHH Công việc đảm nhiệm Hưng nghiệp Formosa, KCN Nhơn Trạch III, Nhơn Trạch Đồng Nai 2009-2010 2010 đến Nhân viên phận Sợi nhân tạo Trường cao đẳng nghề Việt Nam Giáo viên khoa điện tử công Singapore nghiệp Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh Giáo viên môn điện tử tin học - Trường trung học kỹ thuật thực hành iii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Nếu không xin chịu trách nhiệm trước pháp luật Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2014 Trần Thị Quỳnh Như iv CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn!  Ts Nguyễn Thanh Hải, giảng viên hướng dẫn, tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi chia sẻ kinh nghiệm quý báu suốt trình làm luận văn  TS Trần Thu Hà, cố vấn cao học, định hướng, góp ý cho đề tài thời gian qua  Cảm ơn Quý thầy cô phản biện cho nhận xét quý báu để hoàn thiện trình nghiên cứu  Cảm ơn anh chị học viên cao học kỹ thuật điện tử khóa 2012 -2014 nhiệt tình giúp đỡ  Cảm ơn: Phòng đào tạo trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM Khoa điện – điện tử tạo điều kiện thuận lợi trình học tập nghiên cứu  Cảm ơn bệnh viện Đa khoa khu vực Đồng Nai tạo điều kiện cho sử dụng hình ảnh y tế Tp.HCM, ngày…tháng…năm 2014 Trần Thị Quỳnh Như v TÓM TẮT Ung thư nguyên nhân phổ biến thứ hai cho chết toàn giới với 200 loại định Khối u rắn chiếmhơn 80% ung thư người [24] Điều trị ung thư hiệu phát sớm Việc điều trị ung thư quan trọng phẫu thuật cắt bỏ khối u Một điều vô quan trọng dẫn đến chữa trị thành công việc phân phối hiệu thuốc chống ung thư vào khối u sau phẫu thuật Trong tất vấn đề liên quan đến chữa trị ung thư hiệu liên quan đến nâng cao chất lượng hình ảnh xác định kích thước khối u Vì vậy, tác giả chọn đề tài: “Dùng phương pháp Wavelet tăng cường biên ảnh để xác định kích thước khối u đặc” Đề tài đạt số kết sau: Sau đọc ảnh y tế đầu vào thực tế, khối tiền xử lý bao gồm lọc nhiễu cho ảnh cân Histogram cho kết ảnh tốt hơn, dễ quan sát Sau trích lọc trực tiếp vùng cần quan tâm ảnh xử lý để tìm biên ảnh (dùng phương pháp Wavelet) Cuối xử lý biên ảnh đánh dấu biên ảnh để tìm kích thước khối u Để tìm diện tích khối u, tác giả đề xuất hai phương pháp là: tìm tổng diện tích pixels bên đường biên chia nhỏ khối u thành nhiều lát cắt có bề dày tính tổng diện tích lát cắt Để tìm thể tích khối u, tác giả sử dụng công thức tính biết chiều dài chiều rộng khối u Các kết ứng dụng giúp bác sĩ xác định kích thước khối u thực tế để chẩn đoán điều trị bệnh ung thư vi ABSTRACT Cancer is the second most common reason for worldwide death with over 200 kinds of one just identified Solid tumors account more than 80% of human cancers [24] Detecting early is the major in effective cancer treatment The important cancer treatment is surgical removal of such tumors The key leading to a successful cure often involves the efficient delivery of anticancer drugs to the tumor site after a surgery The size of tumor in these cases needs to be determined Therefore, author choose the topic of this thesis: “Enhancement of the edge of biomedical image using Wavelet method to determine the size of Solid Tumor” This thesis has achieved some results as follows: After reading the input image, the preprocessing block includes noise filtering and Histogram equalization for better image results, more easily observed Then extracted directly on the image region of interest was to find the edge of image processing (wavelet method) Finally, image processing or marked the edge of image directly is to calculate tumor size Two methods are proposed to determine the size of tumor are:the first one is the calculation of the total area of tumor based on pixels of image; the second one is the division of tumor into many parts with the same distance is applied.To find the volume of the tumor, the author used the formula that we know the length and width of the tumor These numeric results can be applied to determine the size of tumor for diagnosis and treatment of cancer vii MỤC LỤC Trang Trang tựa Quyết định giao đề tài i Lý lịch khoa học iii Lời cam đoan v Cảm ơn vi Tóm tắt luận văn vii Mục lục x Danh mục từ viết tắt xiii Danh mục bảng xiv Danh mục hình vẽ, đồ thị xv Chƣơng Tổng quan xác định kích thƣớc khối u đặc 1.1 Tổng quan xác định kích thƣớc khối u đặc 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Nhiệm vụ đề tài phạm vi nghiên cứu 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng Cơ sở lý thuyết xử lý ảnh y tế 2.1 Khái niệm ảnh y tế 2.1.1 Khái niệm ảnh 2.1.2 Cáchtạo ảnh y tế 10 2.1.2.1 Ảnh y tế 10 2.1.2.2 Cách tạo ảnh y tế 10 2.1.2.3 Đặc điểm ảnh CT 14 2.2 Xử lý ảnh y tế 16 2.2.1 Khái niệm xử lý ảnh y tế 16 2.2.2 Quá trình xử lý ảnh y tế 16 viii Hình 4.13 Đường biên sau loại bỏ thành phần không quan tâm Nếu xác định diện tích khối u phương pháp quét biên theo hàng theo cột cho kết không xác Sai số thể hình 4.14 sau Hình 4.14 Sai số phương pháp quét đường biên theo hàng cột Trong hình 4.14, phần diện tích bên hai đường thẳng màu vàng với phần đường biên không tính đường biên bị hở Sai số cách tính lớn không đáng tin cậy Kết S1 = 498.6800 mm2 Kết tính diện tích phương pháp chia nhỏ khối u cho kết không xác sai số S1 Trong cách tính diện tích này, vài thành phần khác bên khối u không tính diện tích (các phần chọn màu đỏ) phần khối u (phần màu vàng) (được thể hình 4.15) lại tính kết tìm diện tích Kết S2 = 643.0060 mm2 71 Hình 4.15 Sai số phương pháp chia nhỏ khối u Kết tìm diện tích phương pháp đánh dấu đường biên khối u trực tiếp sau tìm diện tích trường hợp đường biên không khép kín có độ xác cao a) b) Hình 4.16 Ảnh đường biên (a) sau đánh dấu đường biên (b) Từ ảnh đường biên ban đầu (hình 4.16a), đường biên khối u đánh dấu trực tiếp (đường màu xanh hình 4.16b) Sau đánh dấu đường biên, điểm ảnh bên khối u đánh dấu chuyển thành mức ngược lại Kết chuyển đổi thể hình 4.17 72 Hình 4.17 Kết chuyển đổi pixel bên thành mức Quan sát hình 4.17 ta thấy kết diện tích khối u cần tính lúc không phụ thuộc vào điểm ảnh khác bên đường biên đường biên khép kín hay không Kết tìm diện tích phương pháp S3 = 674.9470 mm2 Kết luận: Tùy vào chất lượng đường biên mà chọn phương pháp tính diện tích cho phù hợp.Phương pháp phù hợp cho đường biên khối u hoàn toàn khép kín Phương pháp sai số cao sai số phụ thuộc vào thao tác đánh dấu đường biên Tuy phương pháp thích hợp cho khối u tương đối lớn có đường biên không khép kín 4.2.6 Tìm thể tích khối u Trở lại với khối u hình 4.5 Sau xác định khối u, tìm chiều dài chiều rộng khối u Chọn giới tính bệnh nhân để xác định hệ số xuất thể tích khối u sau chọn giới tính nam (1) Hình 4.18 Kết thể tích khối u 73 Kết hình 4.18 thể chiều dài chiều rộng khối u (tính theo đơn vị milimet) Sau chọn giới tính nam, kết tìm thể tích tính theo công thức (3.5) theo đơn vị mm3 Kết cho giá trị xác cao thể tích tính từ kích thước ảnh 2D Tuy nhiên kết phản ánh phần thông tin khối u giúp bác sĩ có nhìn khái quát khối u Kết luận chƣơng 4: Trong chương này, trình xác định kích thước khối u đưa gồm xác định chiều dài, chiều rộng, diện tích thể tích khối u Đề hai phương pháp (3 giải pháp) tìm diện tích khối u đặc Bước mô ban đầu tìm diện tích hai phương pháp hình cách cho ma trận điểm ảnh mà tìm diện tích trực tiếp cách tìm tổng điểm ảnh tay Đối chiếu kết cho thấy tính khả thi hai phương pháp Sau giả lập hình phức tạp tìm diện tích giải pháp kết gần Sau tiến hành mô dùng Matlab theo quy trình xác định, từ ảnh đầu vào tiến hành bước đưa kết đạt cuối đạt mục đích đề ban đầu Ở ba giải pháp cho kết gần với sai số nhỏ Trong tìm diện tích thao tác đánh đâu đường biên trực tiếp hình cho kết sai số nhiều Tuy nhiên ưu điểm phương pháp áp dụng tốt cho khối u có đường biên không khép kín Trong giải pháp tìm diện tích quét theo hàng cột để kiểm tra biên cho kết tốt đường biên khép kín Tuy nhiên nhược điểm giải pháp không áp dụng cho đường biên không khép kín không áp dụng cho loại hình dạng Hình dạng bị lõm hình 4.18 kết bị sai số không quét biên xác cho vũng lõm bên (phần chọn màu vàng) quét thẳng (như hai đường màu đỏ), giải pháp không xác định vùng khối u bị lõm Tuy nhiên không yêu cầu cao sai số chấp nhận tùy vào dạng lõm khối u 74 Hình 4.18.Phân tích sai số giải pháp Nếu nói đến kích thước khối u mà nói đến diện tích có lẽ thiếu sót Vì tác giả sử dụng kết từ thực nghiệm [6] để tìm thể tích khối u Mặc dù số thể không cho bác sĩ nhân viên y tế có nhìn cụ thể hình dạng cho biết khái quát khối u 75 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận Với đề tài “Dùng phương pháp Wavelet tăng cường biên ảnh để xác định kích thước khối u đặc”, tác giả thực đạt kết sau: Thứ thực tiền xử lý ảnh gốc gồm lọc nhiễu lọc Wavelet, Invarient, lọc trung bình lọc Wien, cân Histogram Sau thực tiền xử lý hình ảnh rõ nét hơn, giúp ích cho bác sĩ việc xác định khối u Thứ hai đối tượng quan tâm trích lọc trực tiếp ảnh sau tiền xử lý tìm biên ảnh dùng số phương pháp khác nhau: Sobel, Gradient phi tuyến, Wavelet dùng Matlab Sau biên ảnh tìm thấy số thông tin khác đường biên thể ảnh nên cần xử lý biên tốt Kết biên tìm tốt sử dụng để tính kích thước khối Thứ ba tìm kích thước khối u Kích thước tìm diện tích thể tích Đối với tìm diện tích khối uđặc, hai phương pháp đề xuất là: tìm tổng số pixels chia nhỏ khối u Đối với phương pháp tìm tổng số pixels có hai giải pháp, giải pháp quét theo hàng cột tìm đường biên, giải pháp hai đánh đấu trực tiếp đường biên vùng quan tâm trích lọc Hai giải pháp khác cách xác định đường biên Cuối tìm tổng số pixels bên đường biên đánh dấu Đối với phương pháp chia nhỏ khối u, khối u chia thành nhiều lát cắt với bề dày lát cắt nhau.Sau tìm tổng diện tích lát cắt Kết đối chiếu phương pháp tìm diện tích cho kết lệch không đáng kể đường biên hoàn toàn khép kín Tuy nhiên tùy vào dạng đường biên ta nên chọn giải pháp phù hợp để tìm diện tích xác Thể tích tìm cách sử dụng công thức (4.3) biết chiều dài chiều rộng khối u đặc Thể tích 76 dù không cho kết hoàn toàn xác tìm thể tích từ ảnh 2D, nhiên giúp bác sĩ có nhìn chung khối u Mặc dù đạt kết trên, đề tài số vấn đề cần cải thiện sau: Sai số phương pháp tìm kích thước khối u đặc phụ thuộc vào chất lượng biên ảnh sau xử lý biên ảnh phụ thuộc vào thao tác chọn đường biên bác sĩ nhân viên y tế Kết đề tài hình ảnh 2D khối u, biên khối u kích thước khối u số diện tích thể tích, làm cho người bác sĩ nhân viên y tế khó có nhìn tổng thể khối u 5.2 Hƣớng phát triển đề tài Hướng phát triển đề tài là: Tìm biên ảnh xử lý biên ảnh tốt để sử dụng hai phương pháp (ba giải pháp) cách hiệu Dựng lại ảnh khối u thành 3D để quan sát hình ảnh khối u tốt 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT Nguyễn Quang Sơn, “Nghiêncứu số phương pháp phát biên”, luận văn thạc sĩ, 2008 Trần Ngọc Tú, “Ứng dụng phép biến đổi Wavelet xử lý ảnh”, luận văn thạc sĩ, 2010 Hứa Thị Hoàng Yến, Hứa Vĩ Phương, “Ứng dụng biến đổi Wavelet mạng nơron để phát chẩn đoán hóa vôi nhỏ nhũ ảnh”, tạp chí phát triển khoa học công nghệ, 2008 Vũ Công, “Tái tạo ảnh ba chiều chẩn đoán hình ảnh y khoa”, luận văn thạc sĩ, 2006 Huynh Quang Linh, Vo Nhu Nhu, “Một số thí nghiệm mô xử lý hình ảnh y học”, tạp chí phát triển khoa học công nghệ, 2006 Vũ Thành An, “Thuật toán Shannon Wavelet để nhận biết vùng nghi vấn ảnh CT”, luận văn thạc sĩ, 2013 TIẾNG NƢỚC NGOÀI John P Feldman, “A mathematical model for tumor volume evaluation using twodimensions”, Journal of applied quantitative methods, Israel,2009 Alexander Herman, “Towards a General Model for Solid Tumor Growth”, Wesleyan University, 2002 M Soltani and Pu Chen, “ Effect of tumor shape and size on drug delivery to solid tumors”, Journal of Biological Engineering, 2012 10 P David Mozley , “Measurement of Tumor Volumes Improves RECIST – Based Response Assessments in Advanced Lung Cancer ”,Translational Oncology,USA, 2012 78 11 Soltani M, Chen P, “Numerical modeling of fluid flow in solid tumors” PLoS ONE, 2011 12 Patrick Therasse, M.D., “New Guidelines to Evaluate the Response to Treatment in Solid Tumors”, Journal of the National Cancer Institute, 1999 13 Mary Frances Dempsey, Barrie R Condon, Donald M Hadley, “Measurement of Tumor “Size” in Recurrent Malignant Glioma: 1D, 2D, or 3D”, American Journal of reuroradiology, 2005 14 Gaia Schiavon, “Tumor Volume as an Alternative Response Measurement for Imatinib Treated GIST Patients”, PLoS One, 2012 15 Lawrence H.Schwartz, Michelle S Ginsberg, Douglas DeCorato, “Evaluation of Tumor Measurements in Oncology: Use of Film-Based and Electronic Techniques”, American Society of Clinical Oncology, 2000 16 Chesnokov Yuriy, “Edge Detection in Images with Wavelet Transform”, Russian Federation, 2007 17 Petrová Jana, “Edge detection in medical images using the Wavelet Transform”, Portál pre odborné publikovanie ISSN 1338-0087, 2011 18 Tran Duy Linh, Huynh Quang Linh, “IBK – a new tool for medical image processing”, Science & Technology Development, 2010 19 Tiina Roose, S Jonathan Chapman, Philip K Maini, “Mathematical Models of Avascular Tumor Growth”, Society for Industrial and Applied Mathematics, 2007 20 Yang Qiang, “Image Denoising Based on Haar Wavelet Transform”, 2011 International Conference on Electronics and Optoelectronics (ICEOE), 2011 21 R C Gonzalez, R E Woods, “Digital image processing,” Addison-Wesley, 1993 22 J C Goswami, A K Chan, “Fundamentals of wavelets: theory, algorithms, and applications,” John Wiley & Sons, Inc, 1999 23 John L Semmlow, “Biosignal and Biomedical Image Processing MATLAB-Based Applications”, USA, 2004 79 24 Jinshan Tang, “A Direct Image Contrast Enhancement Algorithm in the Wavelet Domain for Screening Mammograms”, IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, February 2009 25 Http://robotix.in/rbtx13/tutorials/categogy/imageprocessing/ip_matlab 26 Http://www.thietbiysinh.com.vn 27 http://www.wikipedia.org/wiki/cancer 80 PHỤ LỤC A Đọc ảnh CT đầu vào có kích thước 512x512, biến đổi thành ảnh Grayscale xóa tên bệnh nhân ta ảnh sau: Hình A.1 Đọc ảnh gốc đầu vào Sau tìm biểu đồ Histogram Histogram chuẩn hóa, tìm hệ số tách ảnh trình bày phần … Hình A.2 Ảnh tách với hệ số 0.007 81 Sau tác ảnh, biến đổi Wavelet hai bậc để xử lý nhiễu tăng cường ảnh Cộng ảnh sau tăng cường với ảnh gốc ta kết bước tiền xử lý Quan sát hình A.3 ta thấy kết bước tiền xử lý cho ảnh sau lọc nhiễu tăng cường tốt ảnh ban đầu, giúp bác sĩ thuận tiện việc chẩn đoán Hình A.3 Kết bước tiền xử lý Tiến hành chọn vùng quan tâm tìm diện tích theo ba giải pháp với S1 tìm diện tích quét theo hàng cột để định biên, tìm tổng diện tích pixel bên đường biên; S2 chia nhỏ khối u thành nhiều lát cắt có bề dày, sau tính tổng diện tích lát cắt; S3 diện tích tính phương pháp đánh dấu đường biên thao tác tay tìm diện tích pixel bên đường biên Tìm thể tích đường biên tự động xử lý cách xác định chiều dài chiều rộng đối tượng tìm thể tích công thức 3… Trình tự thao tác vùng quan tâm kết sau: 82 Hình A.4 Chọn vùng quan tâm thứ ảnh tiền xử lý Kết tìm biên dùng Wavelet xử lý đường biên (số điểm ảnh loại bỏ 50) Hình A.5 Trình tự kết tìm kích thước khối u 83 Với ảnh vùng quan tâm khác ta kết sau Hình A.5 Chọn đối tượng quan tâm để tìm kích thước Hình A.6 Trình tự kết tìm kích thước khối u 84 Tìm kích thước vùng quan tâm nhỏ Hình A.7 Chọn đối tượng quan tâm để tìm kích thước Hình A.8 Trình tự kết tìm kích thước khối u 85