Nghiên Cứu Kỹ Thuật Tạo Hình 3D Từ Ảnh Chụp Cắt Lớp Trong Y Tế

I H C THÁI NGUYÊN TR NGă IăH CăCỌNGăNGH ăTHỌNGăTINă&ăTRUY NăTHỌNG PH MăV NăH NG NGHIểNăC UăK ăTHU TăT OăHÌNHă3Dă T ă NHăCH PăC TăL PăTRONGăYăT LU NăV NăTH CăS ăKHOAăH CăMỄYăTệNH THỄIăNGUYểNă- 2016 S hóa b i Trung tâm ả c li u – i h c Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn I H C THÁI NGUYÊN TR NGă IăH CăCỌNGăNGH ăTHỌNGăTINă&ăTRUY NăTHỌNG PH MăV NăH NG NGHIểNăC UăK ăTHU TăT OăHÌNHă3Dă T ă NHăCH PăC TăL PăTRONGăYăT ChunăngƠnh:ăKhoaăh cămáyătính Mưăs :ă60.48.01.01 LU NăV NăTH CăS ăKHOAăH CăMỄYăTệNH Ng iăh ngăd năkhoaăh c:ăTS NGUY NăV NăT O THỄIăNGUYểNă- 2016 S hóa b i Trung tâm ả c li u – i h c Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn i L IăCAMă OAN Tôi xin cam đoan b n lu n v n k t qu nghiên c u c a b n thân (ngoài nh ng ph n tham kh o đư đ c ch rõ) d is h ng d n c a TS Nguy n V n T o N u có sai ph m tơi xin hoàn toàn ch u trách nhi m Tácăgi ălu năv n Ph măV năH ng S hóa b i Trung tâm ả c li u – i h c Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn ii L IăC Mă N Trong trình th c hi n lu n v n, tơi đư nh n đ đ t n tình c a th y cơ, gia đình, b n bè Tr bi t n chân thành t i th y giáo h n m qua, đư nh n đ c tiên, xin đ ng d n, giúp c bày t lòng ng d n, TS Nguy n V n T o Trong su t hai c s giúp đ , đ ng viên đ c bi t s h giúp n m rõ m c tiêu đ nh h Tôi xin đ c nhi u s h ng d n t n tình ng nghiên c u lu n v n c g i l i c m n đ n t p th th y cô giáo c a Tr ng ih c Công ngh thông tin Truy n thông đư trang b cho thêm ki n th c su t th i gian h c t p t i tr ng Cu i cùng, v i nh ng tình c m sâu s c nh t, tơi xin chân thành g i t i gia đình b n bè, nh ng ng i đư bên, đ ng viên, chia s v i v m i m t giúp tơi hồn thành khóa h c Q trình th c hi n đ tài khơng tránh kh i thi u sót em r t mong nh n đ c s đóng góp Ủ ki n c a th y, cô giáo b n đ ng nghi p đ i v i đ tài nghiên c u c a em đ đ tài đ c hoàn thi n h n Em xin trân tr ng c m n! Thái Nguyên, ngày tháng n m 2016 Tácăgi ălu năv n Ph măV năH ng S hóa b i Trung tâm ả c li u – i h c Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn iii M CăL C L IăCAMă OAN i L IăC Mă N ii M CăL C iii DANHăM CăCỄCăKụăHI U,ăCỄCăCH ăVI TăT T v DANHăM CăCỄCăHÌNHăV vi Ch ngă1 NHăYăT ăVĨăTỄIăT OăHÌNHă NHă3D 1.1 nh y t 1.2 nh c t l p 1.2.1 L ch s đ i 1.2.2 Nguyên lỦ ch p CTscanner (computed tomography) 1.2.3 Chu n nh c t l p 14 1.3 Mơ hình chi u ch n đốn, khám ch a b nh 21 1.3.1 M t s khái ni m v đ h a chi u 21 1.3.2 Các ng d ng c b n c a đ h a chi u 23 1.4 Bài toán tái t o mơ hình chi u t Ch nh c t l p 26 ngă2 K ăTHU TăTỄIăT OăHÌNHă3DăT ă NHăCH PăC TăL P 28 2.1 T ng quan v k thu t tái c u trúc mơ hình 3D t nh c t l p 28 2.1.1 C u trúc mơ hình 3D 28 2.1.2 Ph ng pháp t ng qt tái c u mơ hình 3D t t p nh c t l p 32 2.2 Các k thu t áp d ng tái c u trúc mơ hình 3D 35 2.2.1 Các k thu t áp d ng ti n x lỦ nh c t l p 36 2.2.2 Phân l p xác đ nh biên đ i t ng c n tái c u trúc 3D 40 2.2.3 Xác đ nh t p đ nh t p m t tái c u trúc mơ hình 3D 47 2.3 M t s k thu t nâng cao ch t l ng mơ hình chi u tái c u trúc 49 2.3.1 K thu t n i suy nâng cao mơ hình tái c u trúc 49 S hóa b i Trung tâm ả c li u – i h c Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn iv 2.3.2 M t s ph Ch ng pháp n i suy 50 ngă3 TH CăNGHI MăVĨă NGăD NG 53 3.1 Yêu c u th c nghi m, ng d ng 53 3.2 Công c b c th c hi n ch ng trình 55 3.3 M t s k t qu th c nghi m 59 K TăLU N 74 TĨIăLI UăTHAMăKH O 76 S hóa b i Trung tâm ả c li u – i h c Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn v DANHăM CăCỄCăKụăHI U,ăCỄCăCH ăVI TăT T STT Kýăhi u/ Ch ăvi tăt t DICOM Vi tăđ yăđ Digital Imaging and Communications in Medicine ụăngh a Tiêu chu n đ b t tay, l u tr , in n thu/nh n hình nh y t Computed Tomography Scanner Ch p c t l p vi tính MRI Magnetic Resonance Imaging Ch p c ng h PET Positron Emission Tomography C t l p phát x posirtron SPECT Single Photon Emission Ch p c t l p n Computed Tomography toán phát x Photon TD CR Computed radiography X quang n toán DR Direct radiography X quang tr c ti p US Ultrasound Siêu âm 10 PACS Picture Archiving and H th ng l u tr truy n Comunication System thơng hình nh y t CT ng t Theo dõi Ch n đốn hình 11 DSA Digital Subtraction Angiography nh k t h p gi a vi c ch p Xquang x lỦ s 3-Dimension chi u DEM Digital Elevation Model Mơ hình s đ cao NNI Natural Neighbor Interpolation N i suy láng gi ng t nhiên 12 3D 13 14 S hóa b i Trung tâm ả c li u – i h c Thái Ngun http://www lrc.tnu.edu.vn vi DANHăM CăCỄCăHÌNHăV Hình 1.1 nh ch p X-Quang nh siêu âm Hình 1.2 nh ch p c t l p vi tính (Computed tomography - CT) Hình 1.3 Godfrey Hounsfield, Nobel Prize in Physiology or Medicine, 1979 Hình 1.4 B n phác th o v máy ch p c t l p vi tính c a Sir Godfrey Hounsfield Hình 1.5 Máy ch p c t l p vi tính đ u tiên Hình 1.6 Máy CT toàn hân đ u tiên đ c phát tri n Hình 1.7 Máy CT th h th I Hình 1.8 Máy CT th h th II Hình 1.9 Máy CT th h th III Hình 1.10 Máy CT th h th IV Hình 1.11 Nguyên lỦ ch p CLVT đ phân gi i nh k thu t s 10 Hình 1.12 i m nh (pixel) 10 Hình 1.13 Ch p CT xo n c 12 Hình 1.14 Nguyên lỦ ch p CLVT đa dưy đ u thu 13 Hình 1.15 Các nh đ cl ud i d ng DICOM [19] 14 Hình 1.16 C u t o Data Set 16 Hình 1.17 C u trúc file DICOM 18 Hình 1.18 Các ng d ng đ h a chi u 22 Hình 2.1 Mơ hình 3D tim ng i 28 Hình 2.2 M t m t c a hình h p đ Hình 2.3 Mơ hình 3D thu đ c t o b i m t tam giác 31 c t t p đ nh: VertexList , t p m t: FaceList, t p UV: UVs 32 Hình 2.4 nh ch p c t l p theo không gian hai chi u 33 Hình 2.5 nh mơ ph ng lát c t x p liên ti p nhau[21] 34 Hình 2.6 Quy trình hi n th đ i t ng 3D 35 Hình 2.7 nh ch p chi u tr c sau ti n x lỦ 40 Hình 2.8 nh ch p chi u tr c sau phân đo n 44 Hình 2.9 nh ch p chi u tr c sau phân đo n làm rõ x Hình 2.10 nh ch p chi u sau phân đo n làm rõ x ng 44 ng lo i b nhi u 45 Hình 2.11 nh ch p chi u áp d ng tìm biên 47 S hóa b i Trung tâm ả c li u – i h c Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn vii Hình 2.12 T p đ nh biên đ c x p ch ng lên t o thành t p đ nh c a mơ hình 3D 47 Hình 2.13 Bi u di n t p đ nh m t ph ng 48 Hình 3.1 Giao di n chung ch ng trình tái c u trúc mơ hình 3D t nh ch p c t l p 55 Hình 3.2 M thu m c ch a đ nh d ng nh 56 Hình 3.3 L a ch n th m c l u t p nh máy tính 56 Hình 3.4 L a ch n t p nh DICOM 57 Hình 3.5 Quan sát nh DICOM 58 Hình 3.6 Hình nh mơ hình 3D thu đ c t ch ng trình dùng ch n đốn 59 Hình 3.7 B nh án u tr n i trú 61 Hình 3.8 H s b nh án u tr n i trú 63 Hình 3.9 Gưy x ng gò má xoang hàm trái phim ch p c t l p vi tính 63 Hình 3.10 Khi ch y ch ng trình th c nghi m tái c u trúc mơ hình 3D 64 Hình 3.11 Phi u k t qu ch p c t l p vi tính 65 Hình 3.12 B nh án u tr n i trú 66 Hình 3.13 H s bênh án u tr n i trú 68 Hình 3.14 Hình nh v x Hình 3.15 Khi ch y ch ng ch m trái 68 ng trình th c nghi m tái c u trúc mơ hình 3D 69 Hình 3.16 Phi u k t qu ch p c t l p vi tính 69 Hình 3.17 B nh án u tr n i trú 70 Hình 3.18 H s u tr n i trú 71 Hình 3.19 Hình nh v x Hình 3.20 Khi ch y ch ng phim ch p c t l p vi tính 72 ng trình th c nghi m tái c u trúc mơ hình 3D 72 Hình 3.21 Phi u k t qu ch p c t l p vi tính 73 S hóa b i Trung tâm ả c li u – i h c Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn M ă U Ngày nay, vi c ng d ng Công ngh thông tin y h c đư mang l i nh ng hi u qu kh quan Trong đó, s đ i c a thi t b ch n đốn hình nh nh máy ch p c t l p vi tính (CT-Scanner), máy ch p c ng h ng t (MRI) đư giúp cho bác s nâng cao ch t l ng b nh ng ch n đốn tiên l thi t b ngày đư tr thành nh ng thi t b đ n c ta, nh ng c s d ng r t r ng rưi th quy c s Y t t b nh vi n n Trung ng ng t i n huy n, xư Các máy ch p CT-Scanner, MRI d a nguyên lỦ ghi hình khác nh ng đ u mang l i d li u thơng tin hình nh chi u c a đ i t Nh ng d li u s đ ng kh o sát c chuy n cho máy vi tính x lỦ đ xây d ng l i mơ hình gi ng nh nguyên m u Vi c t o d ng hình nh chi u s mang l i nh ng hình nh tr c quan, nh ng góc nhìn c a m t hay nhi u b ph n liên quan; giúp cho bác s có nhìn chi ti t c a t n th ng, c u trúc gi i ph u, t đem l i hi u qu cho công tác ch n đoán u tr b nh Trên th gi i vi c tái t o nh 3D đ g n đây, có nhi u ph n m m th c phát tri n kho ng vài ch c n m ng m i tái t o nh chi u t lát c t nh : 3D-Doctor, eFilm, Vitrea2, DICOMWork… cài đ t h th ng máy tính c a hưng s n xu t thi t b v i giá thành cao T i Vi t Nam, vi c nghiên c u ph n m m nh m x lỦ hình nh y t l nh v c m i ch có m t vài nghiên c u nh đ c cơng b Kinh phí dành cho y t h n h p nên hi n b nh vi n nh , b nh vi n đ a ph ng không đ kh n ng trang b nh ng thi t b ch n đoán hình nh giá thành thi t b ph n m m chuyên d ng r t đ t Hình nh ba chi u ngày chi m vai trò quan tr ng ch n đốn u tr , nghiên c u v hình nh y t l nh v c quan tr ng c a ngành k thu t y sinh Vi c nghiên c u thu t gi i t o d ng hình nh ba chi u c th t nh ch p c t l p y khoa nh m xây d ng lỦ thuy t ng d ng ph c v cơng tác S hóa b i Trung tâm ả c li u – i h c Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn 63 ảình 3.8 ả s b nh án u tr n i trú B nh nhân đ ảình 3.9 Ảãy x c ch đ nh ch p c t l p vi tính s nưo ng gò má xoang hàm trái phim ch p c t l p vi tính Và d li u phim ch p đ c xu t d ng DICOM chuy n qua ph n m m mơ ph ng S hóa b i Trung tâm ả c li u – i h c Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn 64 ảình 3.10 Khi ch y ch ng trình th c nghi m tái c u trúc mơ hình 3D S hóa b i Trung tâm ả c li u – i h c Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn 65 ảình 3.11 Phi u k t qu ch p c t l p vi tính  Th cănghi mă2: H tên: Nguy năTh ăTh a ch : LaăB ngăậ Khoa:Ngo i ch n th ng Gi i tính: N Tu i:18 iăT ă- TháiăNguyên ng Ch n đốn: Theo dõi ch n th ng s nưo kín S hóa b i Trung tâm ả c li u – i h c Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn 66 ảình 3.12 B nh án u tr n i trú S hóa b i Trung tâm ả c li u – i h c Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn 67 S hóa b i Trung tâm ả c li u – i h c Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn 68 ảình 3.13 ả s bênh án u tr n i trú B nh nhân đ t n th c ch đ nh ch p c t l p vi tính s nưo Và d i hình nh ng phim ảình 3.14 ảình nh v x Và d li u phim ch p đ ng ch m trái c xu t d ng DICOM chuy n qua ph n m m mơ ph ng S hóa b i Trung tâm ả c li u – i h c Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn 69 ảình 3.15 Khi ch y ch ng trình th c nghi m tái c u trúc mơ hình 3D ảình 3.16 Phi u k t qu ch p c t l p vi tính  Th cănghi mă3: H tên: Ph măV năChi n Gi i tính: Nam Tu i:46 a ch : PhúcăHƠăậ TP.ăTháiăNguyênăậ TháiăNguyên Khoa: R ng Hàm M t Ch n đoán: Theo dõi ch n th ng s nưo kín S hóa b i Trung tâm ả c li u – i h c Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn 70 ảình 3.17 B nh án u tr n i trú S hóa b i Trung tâm ả c li u – i h c Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn 71 ảình 3.18 ả s u tr n i trú S hóa b i Trung tâm ả c li u – i h c Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn 72 ảình 3.19 ảình nh v x ảình 3.20 Khi ch y ch ng phim ch p c t l p vi tính ng trình th c nghi m tái c u trúc mơ hình 3D S hóa b i Trung tâm ả c li u – i h c Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn 73 ảình 3.21 Phi u k t qu ch p c t l p vi tính Nh nă xét: Qua k t qu th c nghi m ch y ch đ c sinh t máy ch p c t l p đư hi n th mơ ph ng đ ng trình v i l t c t c v trí t n th trùng kh p v i k t qu đ c phim c a bác s c n lâm sàng S hóa b i Trung tâm ả c li u – i h c Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn ng 74 K TăLU N K thu t tái t o nh 3D t d li u nh y t DICOM đư đ c s d ng nh ng n m tr l i đư h tr r t nhi u cho vi c ch n đoán c a bác s Hình nh ba chi u r t có ích c n t o hình nh c a toàn b c u trúc gi i ph u, h th ng m ch máu nưo hay c a c t s ng mà không c n ph i gi i ph u Các ph n m m tái t o nh ba chi u t t in c ta đ u ph n m m c a n nh y t DICOM đ c s d ng c ngoài, ph n m m đư ti n r t xa v k thu t Tuy nhiên, hi n bác s v n m t nhi u th i gian thao tác đ t o hình nh ba chi u H ng phát tri n hi n t ng kh n ng t đ ng cho ph n m m, nâng cao đ phân gi i t c có th phân bi t đ ph u n m g n t c nh ng chi ti t gi i ng t nhau, t ng t c đ th c hi n tài “Nghiên c u k thu t t o hình 3D t nh ch p c t l p y t ” đư đ t đ c nh ng k t qu nh t đ nh: Trong có th nh n th y thành ph n c a ch ng trình bao g m vi c đ c nh DICOM chuy n thành ma tr n m nh, có th t o nh nhìn th y đ c hình máy tính thơng qua ma tr n m nh Vi c tái c u trúc mơ hình 3D d a thu t tốn nh đư trình bày c a lu n v n Sau mô hình 3D đ b hi n th hình, thu nh mơ hình H ch tái c u trúc c a x c tái c u trúc s đ c trình di n thi t có tính n ng ph nh xoay mơ hình phóng to ng phát tri n c a đ tài ti p t c nghiên c u cài đ t khơng ng mà hi n th đ c tồn b c u trúc c a gi i ph u, mô m m, h th ng m ch máu t ng Tuy nhiên, n i dung lu n v n c ng nh ch ng trình th c nghi m v n m t s v n đ c n ti p t c nghiên c u, tìm hi u đ áp d ng t t h n th c t : Mơ hình 3D tái c u trúc thu đ c đơi nhi u xác đ nh nh m m t s thành ph n không ph i c u trúc x m t c n áp d ng thêm ph ng Mơ hình 3D thu đ c có nhi u m đ nh ng pháp t i u mơ hình T c đ thu t tốn tái c u trúc ch a cao, đòi h i c n có nghiên c u chuyên sâu h n đ t i u t c đ S hóa b i Trung tâm ả c li u – i h c Thái Ngun http://www lrc.tnu.edu.vn 75 tính tốn c a gi i thu t Sau m t trình nghiên c u làm lu n v n v i s ch d n nhi t tình c a th y giáo h ng d n em đư h c đ c cách tìm hi u, phân tích nghiên c u m t v n đ khoa h c m i Trong th i gian làm lu n v n t t nghi p, m c dù b n thân đư r t n l c, c g ng, đ u t nhi u th i gian, công s c cho vi c tìm hi u nghiên c u đ tài đư nh n đ c s ch b o, đ nh h anh, ch tr ng t n tình c a th y giáo h ng d n c nh ng h n ch v m t th i gian khó kh n vi c tìm ki m tài li u, h n ch v m t ki n th c c a b n thân, nên ch a có đ c k t qu th c s hoàn h o Kính mong th y giáo c ng nh b n đ ng nghi p ch b o giúp đ S hóa b i Trung tâm ả c li u – i h c Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn 76 TĨIăLI UăTHAMăKH O I Ti ng Vi t [1] L ng M nh Bá, Nguy n Thanh Thu (2003), Nh p môn x lý nh s , NXB Khoa h c k thu t, Hà N i N ng Tồn, Ph m Vi t Bình (2008), Ảiáo trình X lý nh, Nhà xu t b n [2] Khoa h c K thu t, Hà N i [3] Chung Giang ông Kim Qu (2008), Ảiá tr c a CT scan ch n đoán di c n h ch c a ung th ph i nguyên phát, Y h c Vi t Nam.11(2), pp 505-515 [4] Cung V n ông (2015), Nghiên c u đ c m hình nh c t l p vi tính đa dãy đ u thu ng c ch n đoán ung th ph i nguyên phát ti n s y h c, Vi n nghiên c u khoa h c y d [5] L i l n, lu n v n c lâm sàng 108, B qu c phòng ng Th Thu Hà, Nghiên c u m t s k thu t n i suy nh y t , Lu n v n th c s h th ng thông tin, Tr ng i h c Công ngh , Hà N i [6] Nguy n V n Th ng (2012), Ph c d ng hình nh 3D t DICOM, lu n v n th c s Công ngh thông tin, Tr tin truy n thông, [7] H ng ng d li u nh y t i Công ngh thông ng Nai c L nh(2016), X lý hình thái h c nh ng d ng, Báo cáo khoa h c, Tr ng đ i h c ông Á [8] Ph m Nguyên Khang, Thanh Ngh (2013), Phân l p nh v i gi i thu t Ảradient ng u nhiên đa l p, T p chí khoa h c – Tr ng i h c C n Th II Ti ng Anh [9] Geoff Dougherty (2009), Digital Image Processing for Medical Applications, Cambridge University Press, pp 91 -100,123-269 [10] Monica Trifas (2002), Medical Image Enhancement, Jacksonville State University, Vol 21, No 4, pp 343-353 [11] Pianykh O S (2008), Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM), A Practical Introduction and Survival Guide,Springer [12] Thomas Lewiner (2006), A very simple volume rendering implementation with 3D textures, PUC - Rio de Janeiro, Brazil S hóa b i Trung tâm ả c li u – i h c Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn 77 J M Kuhnigk, V Dicken, S Zidowitz, L Bornemann, B Kuemmerlen, S Krass, H O.Peitgen, S Yuval, H H Jend, W S Rau, and T Achenbach, Informatics in radiology(infoRAD): new tools for computer assistance in thoracic CT Part Functional analysis oflungs, lung lobes, and bronchopulmonary segments, Radiographics, vol 25, pp 525 – 536, Mar 2005 [13] Isaac N.Bankman, Handbook of Medical Imaging Processing and Analysis, Jun.2015 [14] D Aykac, E A Hoffman, G McLennan, and J M Reinhardt, Segmentation and analysis of the human airway tree from three-dimensional X-ray CT images, IEEE Transactions on Medical Imaging, vol 22, pp 940 – 950, Apr 2003 [15] T Ju, I Kakadiaris, M Bello., J Warren, G Eichele, C Thaller, W Chiu, and J Carson, Building 3d surface networks from 2d curve networks with application to anatomical modeling, in Pacific Graphics, 2005 [16] Robert Fowler, Yin Zhang, Joe Warren, Processing 4D CT scans of the Lungs, May.2008 [17] S Kevin Zhou, Medical Image Recognition, Segmentation and Parsing Elsevier Science, Dec.2015 III Internet [18] Nguyên lỦ ch p nh c t l p (CT Scanner), http://handic.vn/post.asp?cat=43&id=220 [19] http://imagymed.com/desarrollo.html [20] http://medical.nema.org [21] http://www.albahyperthermia.com/ALBA-3Dseg.html S hóa b i Trung tâm ả c li u – i h c Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn ... tomography - CT) Hình 1.3 Godfrey Hounsfield, Nobel Prize in Physiology or Medicine, 1979 Hình 1.4 B n phác th o v m y ch p c t l p vi tính c a Sir Godfrey Hounsfield Hình 1.5 M y ch p c... Hình 1.6 M y CT tồn hân đ u tiên đ c phát tri n Hình 1.7 M y CT th h th I Hình 1.8 M y CT th h th II Hình 1.9 M y CT th h th III Hình 1.10 M y CT th... p theo chi u d c c a khung m y T c đ quay c a bóng đa d y c ng đ m y c đ y lên r t cao (t 0,32s-0,6s/vòng quay) t y th h m y K thu t ch p xo n t c đ nhanh h n, b d y l p c t, quưng cách gi a l