Nghiên cứu kỹ thuật chụp ảnh CT sử dụng chùm tia hình quạt dùng số liệu mô phỏng monte carlo

Nghiên cứu kỹ thuật chụp ảnh CT sử dụng chùm tia hình quạt dùng số liệu mô phỏng monte carlo Nghiên cứu kỹ thuật chụp ảnh CT sử dụng chùm tia hình quạt dùng số liệu mô phỏng monte carlo Nghiên cứu kỹ thuật chụp ảnh CT sử dụng chùm tia hình quạt dùng số liệu mô phỏng monte carlo Nghiên cứu kỹ thuật chụp ảnh CT sử dụng chùm tia hình quạt dùng số liệu mô phỏng monte carlo Nghiên cứu kỹ thuật chụp ảnh CT sử dụng chùm tia hình quạt dùng số liệu mô phỏng monte carlo Nghiên cứu kỹ thuật chụp ảnh CT sử dụng chùm tia hình quạt dùng số liệu mô phỏng monte carlo Nghiên cứu kỹ thuật chụp ảnh CT sử dụng chùm tia hình quạt dùng số liệu mô phỏng monte carlo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ-VẬT LÝ KỸ THUẬT BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN - - KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề Tài: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT CHỤP ẢNH CT SỬ DỤNG CHÙM TIA HÌNH QUẠT DÙNG SỐ LIỆU MƠ PHỎNG MONTE CARLO SVTH: NGUYỄN THÀNH GIANG GVHD: TS HOÀNG THỊ KIỀU TRANG GVPB: ThS LÊ HỒNG CHIẾN TP HỒ CHÍ MINH – 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ-VẬT LÝ KỸ THUẬT BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN - - KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề Tài: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT CHỤP ẢNH CT SỬ DỤNG CHÙM TIA HÌNH QUẠT DÙNG SỐ LIỆU MƠ PHỎNG MONTE CARLO SVTH: NGUYỄN THÀNH GIANG GVHD: TS HOÀNG THỊ KIỀU TRANG GVPB: ThS LÊ HOÀNG CHIẾN TP HỒ CHÍ MINH – 2015 LỜI CẢM ƠN Trong q trình thực hồn thành luận văn này, tơi nhận quan tâm, giúp đỡ tận tình thầy cơ, gia đình bạn bè Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến:  TS Hồng Thị Kiều Trang tận tình bảo, giúp đỡ định hướng cho tơi thực khóa luận  TS Trần Thiện Thanh, ThS Huỳnh Đình Chương giúp đỡ tơi nhiều q trình sử dụng chương trình mơ MCNP5 để phục vụ khóa luận  ThS Lê Hồng Chiến hội đồng chấm khóa luận dành thời gian để đọc, phát sai sót có góp ý quý giá giúp khóa luận hồn thành tốt  Anh Nguyễn Quý Trường nhiệt tình giúp đỡ trình sử dụng hệ máy tính phòng I89  Các thầy cô khoa Khoa Vật Lý & Vật lý Kỹ thuật thầy cô môn Vật Lý Hạt Nhân tận tình dạy dỗ truyền đạt kiến thức cho suốt bốn năm học  Ba, Mẹ cho tất anh, chị, em gia đình ln bên cạnh chăm sóc, dạy dỗ nguồn động viên lớn lao cho sống  Tập thể lớp 11VLHN đồng hành cho nhiều kỉ niệm đẹp Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2015 NGUYỄN THÀNH GIANG MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ iii DANH MỤC BẢNG BIỂU v CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu lĩnh vực chụp ảnh cắt lớp truyền qua (CT) 1.2 Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu 1.3 Tóm tắt nội dung khóa luận CHƢƠNG 2: KỸ THUẬT CHỤP ẢNH CT 2.1 Nguyên lý chụp ảnh CT 2.1.1 Nguyên lý chung 2.1.2 Phƣơng pháp chụp ảnh CT sử dụng chùm xạ hình quạt (Fanbeam) 2.2 Các phƣơng pháp tái tạo xử lý ảnh CT 10 2.2.1 Phƣơng pháp chiếu ngƣợc có lọc 10 2.2.2 Kỹ thuật làm sắc nét ảnh phép lọc ảnh miền khơng gian 15 CHƢƠNG 3: MƠ PHỎNG VÀ TÁI TẠO ẢNH CT 21 3.1 Chƣơng trình mơ MCNP5 21 3.2 Mơ hệ chụp ảnh CT hình quạt 21 3.2.1 Cấu hình hệ chụp ảnh CT mô 21 3.2.2 Cách thức mô để thu thập liệu chiếu 26 3.3 Dựng ảnh từ liệu thu đƣợc 28 3.4 Khảo sát so sánh chất lƣợng ảnh 31 3.4.1 Khảo sát ảnh theo kích thƣớc cửa sổ ống chuẩn trực Detector 31 3.4.2 Khảo sát chất lƣợng ảnh theo độ lớn góc quay  32 3.4.3 Tác dụng hàm lọc khác 33 i 3.5 Làm sắc nét ảnh kỹ thuật lọc ảnh miền không gian 34 CHƢƠNG 4: CHƢƠNG TRÌNH GIAO DIỆN DỰNG ẢNH CHỤP CẮT LỚP 37 4.1 Mục đích ứng dụng chƣơng trình 37 4.2 Giới thiệu chƣơng trình chức thành phần 37 4.2.1 Giao diện tổng quát 37 4.2.2 Khung hiển thị hình ảnh 38 4.2.3 Dữ liệu đầu vào 38 4.2.4 Hiệu chỉnh tham số chiếu, xử lý hiển thị ảnh 40 4.2.5 Công dụng nút bấm 41 4.3 Một vài ví dụ sử dụng chƣơng trình dựng ảnh cắt lớp 42 KẾT LUẬN 46 KIẾN NGHỊ 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 PHỤ LỤC A 50 PHỤ LỤC B 57 DANH MỤC HÌNH ẢNH ii Hình 2.1 Phép biến đổi Radon Hình 2.2 Hình ảnh ma trận hình chiếu tƣơng ứng Hình 2.3 Phƣơng pháp chụp ảnh CT hình quạt Hình 2.4 Tƣơng quan phép chiếu hình quạt phép chiếu song song Hình 2.5 Quá trình ghi nhận hình chiếu tái tạo ảnh phƣơng pháp chiếu ngƣợc 10 Hình 2.6 Sự nhòe ảnh gây phƣơng pháp chiếu ngƣợc đơn giản tác dụng kỹ thuật lọc ảnh miền tần số 12 Hình 2.7 Các hàm lọc thƣờng dùng tái tạo ảnh với tần số cắt ( c ) tần số Nyquist (  N ) 14 Hình 2.8 Tích chập miền khơng gian 16 Hình 2.9 Sự giống khác đạo hàm bậc đạo hàm bậc tác dụng lên giá trị điểm ảnh nằm đƣờng thẳng qua ảnh 17 Hình 2.10 Mặt nạ Laplace 19 Hình 2.11 Mặt nạ Laplace sử dụng thêm phần tử đƣờng chéo 19 Hình 2.12 Tác dụng phép lọc ảnh với lọc Laplace 20 Hình 3.1 Mặt cắt ngang vị trí đối tƣợng chụp ảnh 23 Hình 3.2 Detector ống chuẩn trực 24 Hình 3.3 Collimator nguồn 25 Hình 3.4 Minh họa hệ đo đƣợc vẽ chƣơng trình mơ MCNP5 25 Hình 3.5 Cách thức dịch chuyển để ghi nhận hình chiếu 26 Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn giá trị số đếm ghi nhận đƣợc nguồn Cs137 vị trí Detector góc chiếu   90o 27 Hình 3.7 Sinogram đƣợc xếp theo kiểu chiếu song song 28 Hình 3.8 Sơ đồ thuật tốn Chiếu ngƣợc có lọc (FBP) 29 iii Hình 3.9 Hình ảnh gốc hình ảnh tái tạo đƣợc từ liệu hình chiếu 30 Hình 3.10 Độ phân giải không gian ảnh 31 Hình 3.11 Sự thay đổi chất lƣợng ảnh theo số hình chiếu sử dụng phép chiếu ngƣợc 32 Hình 3.12 Tác dụng hàm lọc 33 Hình 3.13 Các mặt nạ sử dụng để làm sắc nét ảnh 34 Hình 3.14 Làm sắc nét hình ảnh 35 Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn giá trị độ xám điểm ảnh nằm đƣờng cắt dọc qua ảnh vị trí trung tâm 36 Hình 4.1 Giao diện tổng quát chƣơng trình 38 Hình 4.2 Khung hiển thị hình ảnh 39 Hình 4.3 Chọn liệu đầu vào 40 Hình 4.4 Hiệu chỉnh tham số chiếu, xử lý hiển thị ảnh 40 Hình 4.5 Sử dụng chƣơng trình để dựng ảnh cho hệ CT mơ 43 Hình 4.6 Dựng ảnh với phantom Shepp-Logan 44 Hình 4.7 Chức làm sắc nét ảnh với mặt nạ Laplace 45 DANH MỤC BẢNG BIỂU iv Bảng 3.1 Các vật liệu sử dụng mô MCNP hệ chụp ảnh 22 Bảng B1(a) Giá trị độ xám ảnh thu đƣợc phƣơng pháp chiếu ngƣợc có lọc Vị trí pixel khoảng từ cột đến cột 32 từ hàng đến hàng 32 57 Bảng B1(b) Giá trị độ xám ảnh thu đƣợc phƣơng pháp chiếu ngƣợc có lọc Vị trí pixel khoảng từ cột đến cột 32 từ hàng 33 đến hàng 64 58 Bảng B1(c) Giá trị độ xám ảnh thu đƣợc phƣơng pháp chiếu ngƣợc có lọc Vị trí pixel khoảng từ cột 33 đến cột 64 từ hàng đến hàng 32 59 Bảng B1(d) Giá trị độ xám ảnh thu đƣợc phƣơng pháp chiếu ngƣợc có lọc Vị trí pixel khoảng từ cột 33 đến cột 64 từ hàng 33 đến hàng 64 60 Bảng B2(a) Giá trị độ xám ảnh thu đƣợc sau xử lý mặt nạ Laplace Vị trí pixel khoảng từ cột đến cột 32 từ hàng đến hàng 32 61 Bảng B2(b) Giá trị độ xám ảnh thu đƣợc sau xử lý mặt nạ Laplace Vị trí pixel khoảng từ cột đến cột 32 từ hàng 33 đến hàng 64 62 Bảng B2(c) Giá trị độ xám ảnh thu đƣợc sau xử lý mặt nạ Laplace Vị trí pixel khoảng từ cột 33 đến cột 64 từ hàng đến hàng 32 63 Bảng B2(d) Giá trị độ xám ảnh thu đƣợc sau xử lý mặt nạ Laplace Vị trí pixel khoảng từ cột 33 đến cột 64 từ hàng 33 đến hàng 64 64 v CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu lĩnh vực chụp ảnh cắt lớp truyền qua (CT) CT (Computed Tomography) kỹ thuật dựng ảnh cắt lớp xác định cấu trúc bên vật thể kỹ thuật xạ truyền qua CT phát minh Godfrey Hounsfield – kỹ sư người Anh Allan Cormack – nhà vật lý người Mỹ vào năm 1972 Hounsfield Cormack sau giải thưởng Nobel cho cống hiến họ cho khoa học y khoa Từ đời đến nay, với phát triển khoa học máy tính cơng nghệ thơng tin kỹ thuật chụp ảnh CT cải tiến nhiều nhằm nâng cao chất lượng hình ảnh tính hữu ích chẩn đốn y học Ngồi mục đích sử dụng chẩn đoán y học, kỹ thuật CT ứng dụng với mục đích khác nghiên cứu khoa học, kiểm tra không hủy thể công nghiệp,… đạt thành tựu đáng kể Tại Việt Nam, có số nghiên cứu lĩnh vực chụp ảnh CT, nhiên tác giả nhóm nghiên cứu chủ yếu tập trung vào hướng phân tích hình ảnh để phục vụ cho mục đích chuẩn đốn y khoa [1] Trong lĩnh vực cơng nghiệp có nghiên cứu chụp ảnh CT Trung Tâm Ứng Dụng Kỹ Thuật Hạt Nhân Trong Cơng Nghiệp (CANTI) có nghiên cứu kỹ thuật chụp ảnh CT [2] Tuy nhiên sản phẩm mang tính chất thương mại nên q trình xử lý khép kín khơng phổ biến đào tạo Riêng môn Vật Lý Hạt Nhân – Kỹ Thuật Hạt Nhân trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên TP.HCM có số nghiên cứu kỹ thuật chụp ảnh CT, nhìn chung dừng lại việc khảo sát, tìm hiểu thiết bị chụp CT y tế [3] Có thể nói hướng nghiên cứu kỹ thuật chụp ảnh CT môn hướng Vấn đề đặt cần nghiên cứu có tính ứng dụng nhằm làm tiền đề phát triển cho lĩnh vực thực nghiệm giảng dạy môn 1.2 Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu Chúng thực đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật chụp ảnh CT sử dụng chùm tia hình quạt dùng số liệu mô Monte Carlo” với mục đích trước tiên tìm hiểu phương pháp tái tạo xử lý ảnh CT thông qua liệu mơ phương pháp chụp CT hình quạt Tiếp theo, chúng tơi khảo sát cấu hình hệ đo chất lượng ảnh thu được, qua làm tiền đề cho nghiên cứu tương lai nhằm xây dựng hệ đo thực tế phục vụ cho trình học tập giảng dạy Sau cùng, xây dựng chương trình dựng ảnh chụp cắt lớp ngơn ngữ lập trình MATLAB với mục đích tạo cơng cụ phục vụ trình dựng, xử lý ảnh khảo sát ảnh cho hệ chụp ảnh cắt lớp Chương trình xây dựng chương trình mở nên tiền đề để phát triển công cụ hữu ích trợ giúp giảng dạy thực hành kỹ thuật hình ảnh mơn để sinh viên dễ hình dung điều kiện tiếp xúc thực tế hạn chế 1.3 Tóm tắt nội dung khóa luận Nội dung khóa luận gồm chương với nội dung sau: Chương - Giới thiệu tổng quan: trình bày khái quát tình hình nghiên cứu, mục đích, nhiệm vụ đề tài Chương - Kỹ thuật chụp ảnh CT sử dụng chùm tia hình quạt: trình bày sở lý thuyết phương pháp dựng xử lý ảnh Phương pháp dựng ảnh sử dụng phương pháp chiếu ngược có lọc, liệu ghi nhận kỹ thuật chụp CT hình quạt Sau trình bày phép lọc ảnh khơng gian có tác dụng làm sắc nét ảnh Chương – Mơ tái tạo hình ảnh CT: giới thiệu sơ lược chương trình mơ MCNP5, trình bày cấu tạo mơ hình chụp ảnh CT mơ tả chương trình MCNP5 cách thức mô để thu thập liệu Tiếp theo trình bày kết hình ảnh CT tái tạo từ liệu mô phương pháp chiếu ngược có lọc tiến hành khảo sát chất lượng ảnh theo yếu tố bề dày cửa sổ ống chuẩn trực, góc PHỤ LỤC A Các lệnh thực thi nút “DỰNG ẢNH” function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles) % thiết lập ghi nhận thông số set(handles.tinhtrang,'string',' xin chờ '); set(handles.text13,'string',' SINOGRAM'); set(handles.text14,'string',' hình ảnh); a=get(handles.phantom,'value'); sinogram=get(handles.DULIEU,'string'); % nhận sinogram if a==1 b=str2num(sinogram); B=(radon(phantom(b),0:359,b))'; figure(1); imshow(phantom(b)) title('Anh Goc') else load(sinogram); B=sinogram; end siz=size(B,2); pp=get(handles.PP,'value'); theta=str2num(get(handles.THETA,'string')); l=get(handles.loc,'value'); c=str2num(get(handles.cat,'string')); 50 mau=get(handles.Mau,'value'); M=str2num(get(handles.DEEP,'string')); M=2^M; n=256; % tạo lọc miền tần số if l==1 L=(ramp(siz,c))'; elseif l==2 L=(designFilternew('hann',siz,c))'; elseif l==3 L=(designFilternew('shepp-logan',siz,c))'; elseif l==4 L=(designFilternew('hamming',siz,c))'; elseif l==5 L=(designFilternew('cosine',siz,c))'; else L=1; n=8; end imin=min(min(B)); B=B-imin; imax=max(max(B)); B=(B/imax*n); % gọi hệ màu theo thông số nhập if mau==1 axes(handles.axes1) colormap(jet(M)); 51 else axes(handles.axes1) colormap(gray(M)); end axes(handles.axes2) image(B); steps=size(B,1); recon=zeros(siz); % tiến hành phép chiếu ngược if a==1 for k=1:(theta):steps q=real(ifft(ifftshift( L.*fftshift(fft(B(k,:)))))); recon = recon + ones(length(q),1)*q; recon=imrotate(recon,(-theta),'bilinear','crop'); axes(handles.axes1) image(recon); colorbar('EastOutside'); end else for k=1:(theta):steps q=real(ifft(ifftshift( L.*fftshift(fft(B(k,:)))))); recon = recon + ones(length(q),1)*q; recon=imrotate(recon,(theta),'bilinear','crop'); axes(handles.axes1) image(recon); 52 colorbar('EastOutside'); end end if L==1 B=B/n*256; axes(handles.axes2) image(B); end set(handles.tinhtrang,'string',' SẴN SÀNG!'); A=recon; handles.AA=A; handles.BB=A; handles.CC=B; guidata(hObject,handles) Chương trình tạo lọc miền tần số function filt = designFilternew(filter,len,t) % filter biến tên hàm lọc, len độ dài lọc, t tần số cắt d=2*t; if strcmpi(filter, 'none') filt = ones(1,len); return; end filt = 2*( 0:(len/2) )./len; w = 2*pi*(0:size(filt,2)-1)/len; switch filter case 'ram-lak' 53 case 'shepp-logan' filt(2:end) =(sin(w(2:end)/(2*d))./(w(2:end)/(2*d))); case 'cosine' filt(2:end) = cos(w(2:end)/(2*d)); case 'hamming' filt(2:end) =(.54 + 46 * cos(w(2:end)/d)); case 'hann' filt(2:end) =((1+cos(w(2:end)./d))) / 2; end filt(w>pi*d) = 0; filt = [ filt(end:-1:1)'; filt(2:end-1)']; Các lệnh thực thi phép lọc ảnh miền không gian nút “Apply” function OK_Callback(hObject, eventdata, handles) % lấy tham số phép lọc kg=get(handles.KG,'string'); W=str2num(kg); m=size(W,1); n=size(W,2); a=(m-1)/2; b=(n-1)/2; F=handles.AA; z=size(F,1); G=zeros(z,z); % thực phép tích chập for x=2:(z-1) for y=2:(z-1) 54 M=0; for i=(-a):1:a U=0; for j=(-b):1:b T=F(x+i,y+j)*W(i+a+1,j+b+1); U=U+T; end M=M+U; end G(x,y)=M; end end x=get(handles.sacnet,'value'); % cộng ảnh trường hợp sử dụng lọc Laplace để làm sắc nét ảnh if x==1 if W((m+1)/2,(n+1)/2)>0 Y=F+G; else Y=F-G; End % hiển thị hình ảnh kết set(handles.text13,'string',' Nét ảnh’); set(handles.text14,'string',' Hình ảnh sau làm sắc nét'); axes(handles.axes1); image(Y); colorbar('EastOutside'); axes(handles.axes2); 55 image(G); colorbar('EastOutside'); handles.BB=Y; handles.CC=G; else set(handles.text13,'string',' hình ảnh trước lọc'); set(handles.text14,'string',' hình ảnh sau lọc'); axes(handles.axes1); image(G); colorbar('EastOutside'); axes(handles.axes2); image(F); colorbar('EastOutside'); handles.BB=G; handles.CC=F; end guidata(hObject,handles) 56 57 Bảng B1(a) Giá trị độ xám ảnh thu phương pháp chiếu ngược có lọc Vị trí pixel khoảng từ cột đến cột 32 từ hàng đến hàng 32 PHỤ LỤC B 58 Bảng B1(b) Giá trị độ xám ảnh thu phương pháp chiếu ngược có lọc Vị trí pixel khoảng từ cột đến cột 32 từ hàng 33 đến hàng 64 59 Bảng B1(c) Giá trị độ xám ảnh thu phương pháp chiếu ngược có lọc Vị trí pixel khoảng từ cột 33 đến cột 64 từ hàng đến hàng 32 60 Bảng B1(d) Giá trị độ xám ảnh thu phương pháp chiếu ngược có lọc Vị trí pixel khoảng từ cột 33 đến cột 64 từ hàng 33 đến hàng 64 61 Bảng B2(a) Giá trị độ xám ảnh thu sau xử lý mặt nạ Laplace Vị trí pixel khoảng từ cột đến cột 32 từ hàng đến hàng 32 62 Bảng B2(b) Giá trị độ xám ảnh thu sau xử lý mặt nạ Laplace Vị trí pixel khoảng từ cột đến cột 32 từ hàng 33 đến hàng 64 63 Bảng B2(c) Giá trị độ xám ảnh thu sau xử lý mặt nạ Laplace Vị trí pixel khoảng từ cột 33 đến cột 64 từ hàng đến hàng 32 64 Bảng B2(d) Giá trị độ xám ảnh thu sau xử lý mặt nạ Laplace Vị trí pixel khoảng từ cột 33 đến cột 64 từ hàng 33 đến hàng 64 ... Nghiên cứu kỹ thuật chụp ảnh CT sử dụng chùm tia hình quạt dùng số liệu mơ Monte Carlo với mục đích trước tiên tìm hiểu phương pháp tái tạo xử lý ảnh CT thông qua liệu mô phương pháp chụp CT. .. hướng nghiên cứu CHƯƠNG KỸ THUẬT CHỤP ẢNH CT SỬ DỤNG CHÙM TIA HÌNH QUẠT 2.1 Nguyên lý chụp ảnh CT 2.1.1 Nguyên lý chung Phương pháp chụp ảnh CT cho ta hình ảnh cấu trúc đối tượng chụp kỹ thuật. .. VẬT LÝ-VẬT LÝ KỸ THUẬT BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN - - KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề Tài: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT CHỤP ẢNH CT SỬ DỤNG CHÙM TIA HÌNH QUẠT DÙNG SỐ LIỆU MƠ PHỎNG MONTE CARLO SVTH: