Ứng dụng tin học trong xử lý và ghép ảnh y khoa

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM NGỌC DŨNG ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA Chuyên ngành: Kỹ thuật Laser Mã số ngành : 2.07.07 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2006 Gvhd TS Huyønh Quang Linh _ CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS Huỳnh Quang Linh Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2006 _ ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA Gvhd TS Huyønh Quang Linh _ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp HCM, ngày tháng năm 2006 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: PHẠM NGỌC DŨNG Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 05 – 08 – 1964 Nơi sinh: Đà Nẵng Chuyên ngành: Kỹ thuật Laser MSHV: 01204312 I- TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Khảo sát đặc trưng loại ảnh chẩn đoán y khoa - Nghiên cứu lý thuyết xử lý ghép ảnh - Nghiên cứu chọn lọc giải thuật thực - Thiết kế chương trình thực ghép loại ảnh y khoa thông dụng MRI, SPECT… III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực LV ghi Quyết định giao đề tài): IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS Huỳnh Quang Linh CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Học hàm, học vị, họ tên chữ ký) CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH TS Huỳnh Quang Linh Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ Hội đồng chun ngành thơng qua TRƯỞNG PHỊNG ĐT – SĐH Ngày tháng năm 2006 TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH _ ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA Gvhd TS Huyønh Quang Linh _ LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Minh Thái thầy cô môn Vật lý kỹ thuật y sinh trường Đại nọc Bách khoa TP Hồ Chí Minh, suốt thời gian qua tận tình giúp đỡ cung cấp kiến thức chuyên ngành, làm tảng cho việc hoàn thành đề tài Để hoàn thành luận văn này, xin gởi lời biết ơn sâu sắc đến thầy TS Huỳnh Quang Linh, người trực tiếp hướng dẫn, cung cấp nhiều kiến thức quan trọng tài liệu Xin chân thành cảm ơn TS Đinh Sơn Thạch, người cung cấp nhiều tài liệu tham khảo thời gian thực đề tài Cảm ơn gia đình, bạn bè tạo điều kiện động viên giúp đỡ suốt trình thực luận văn Tp.HCM, tháng năm 2006 Phạm Ngọc Dũng _ ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA Gvhd TS Huyønh Quang Linh _ Tóm tắt luận văn Các ảnh chụp sử dụng ngày nhiều nghiên cứu y khoa chăm sóc sức khoẻ cộng đồng Người ta quan tâm ngày nhiều đến mối quan hệ xác ảnh khác để phục vụ cho việc chẩn đoán điều trị khoa học Trong luận văn này, kỹ thuật xử lý ghép ảnh xem xét để giải vấn đề nêu Các ứng dụng ghép ảnh bao gồm việc tổ hợp ảnh có hình thái khác đối tượng, xếp ảnh theo chuỗi thời gian, để bù trừ dịch chuyển đối tượng lần quét suốt trình chụp ảnh Các thuật toán ghép ảnh thông dụng thường phép biến đổi lý tưởng, mà biến dạng nhỏ bỏ qua Nếu xét trình đủ lớn, cần phải có giải thuật ghép mềm dẻo khác Hiện nay, nhiều toán ghép ảnh chưa giải được; điều cho thấy rằng, ghép ảnh lónh vực mới, nghiên cứu phát triển tương lai Luận văn khảo sát đặc trưng dạng hình ảnh chẩn đoáùn y khoa, sở ứng dụng lý thuyết thuật toán ghép ảnh để thiết kế chương trình ghép ảnh số dạng thông dụng Abstract Radiological images are increasingly being used in healthcare and medical research There is consequently widespread interest in information of precise relation between different kinds of medical images for diagnosis, treatment and basic science Registration techniques used to solve this problem will be reviewed in the thesis Image registration applications include combining images of the same subject from different modalities, aligning temporal sequences of images to compensate for motion of the subject between scans during interventions Current registration algorithms are almost ideal transformations that small deformations can be ignored There has also been substantial progress in non-rigid registration algorithms that can compensate for tissue deformation Nevertheless many registration problems remain unsolved, and this is likely to continue to be an active field of research in the future This thesis reviews medical image characteristics of common modalities, on base of which selected registration theories and techniques will be applied to design the registration software for common radiological images _ ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA Gvhd TS Huyønh Quang Linh _ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết luận văn kết hình ảnh trình bày luận văn, nhận từ việc thực thi chương trình phần mềm, hoàn toàn không trích dẫn từ tài liệu khác _ ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA Gvhd TS Huyønh Quang Linh _ MUÏC LUÏC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MUÏC LUÏC PHAÀN 1: PHAÀN MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG CHƯƠNG 2: MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 11 PHẦN 2: TỔNG QUAN 12 CHƯƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT CHỤP ẢNH Y KHOA 12 3.1 ẢNH CHỤP DẠNG SIÊU ÂM 12 3.2 ẢNH CHỤP DẠNG X QUANG 15 3.3 ẢNH CHỤP DẠNG CT (COMPUTED TOMOGRAPHY) 17 3.4 ẢNH CHỤP CẮT LỚP CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN 19 3.5 Y HỌC HẠT NHÂN VÀ ẢNH CHỤP CẮT LỚP SPECT 23 3.6 Y HỌC HẠT NHÂN VÀ ẢNH CHỤP CẮT LỚP PET 25 CHƯƠNG 4: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH 28 4.1 MỞ ĐẦU 28 4.2 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH 29 4.3 TIỀN XỬ LÝ (PREPROCESSING) - CẢI THIỆN CHẤT LƯNG ẢNH 30 4.4 SỰ PHÂN VÙNG ẢNH 32 4.5 LỰA CHỌN CÁC ĐẶC TRƯNG 34 4.6 TÌM SỰ TƯƠNG QUAN CÁC ĐẶC TRƯNG GIỮA HAI ẢNH 35 4.7 CÁC DẠNG HÀM BIẾN ĐỔI 37 4.8 SỰ TÁI TẠO ẢNH (RESAMPLING) - PHƯƠNG PHÁP NỘI SUY 43 4.9 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯNG THỰC HIỆN CÔNG VIỆC 46 4.10 THỰC HIỆN GHÉP ẢNH 47 CHƯƠNG 5: CÁC THAO TÁC CƠ BẢN TRONG XỬ LÝ ẢNH 49 5.1 MỞ ĐẦU 49 5.2 CÁC KIỂU ẢNH ĐƯC LƯU TRONG BỘ NHỚ MÁY TÍNH 51 _ ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA Gvhd TS Huyønh Quang Linh _ 5.3 CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI HÌNH HỌC (GEOMETRIC OPERATION) 58 5.4 CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI 60 5.5 DOØ TÌM CẠNH 63 5.6 CAÛI THIỆN CHẤT LƯNG ẢNH 63 5.7 XỬ LÝ CỤC BỘ VÙNG CON 71 5.8 SỰ CHUYỂN ĐỔI GIỮA CÁC KHÔNG GIAN MÀU 73 PHẦN 3: PHẦN THỰC HÀNH VÀ KẾT QUẢ 77 CHƯƠNG 6: LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ SAI SỐ KẾT QUẢ 77 CHƯƠNG 7: Ý TƯỞNG THỰC HIỆN VÀ TRIỂN KHAI GIẢI THUẬT 84 7.1 MỞ ĐẦU 84 7.2 HIỂN THỊ ẢNH 84 7.3 TIỀN XỬ LÝ 94 7.4 XỬ LÝ DỮ LIỆU ẢNH DAÏNG SLICE 102 7.5 GHÉP ẢNH TRỰC TIẾP 105 7.6 GHÉP ẢNH BÁN TỰ ĐỘNG 114 7.7 GHEÙP ẢNH TỰ ĐỘNG 119 7.8 PHẦN MỀM “CHƯƠNG TRÌNH GHÉP ẢNH Y KHOA” 136 PHẦN 4: KẾT LUẬN 138 CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIEÅN 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO VÀ PHỤ LỤC HÌNH 142 _ ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA Gvhd TS Huyønh Quang Linh _ PHAÀN 1: PHAÀN MỞ ĐẦU Chương 1: Giới thiệu chung Trong vài chục năm gần đây, ngành công nghệ thông tin phát triển vượt bực lý thuyết lẫn ứng dụng thực tiễn Ngày nhiều sản phẩm có tính chất phục vụ cộng đồng có liên quan đến tin học Các thiết bị y tế kết hợp với điện tử phần mềm điều khiển có mặt khắp xung quanh ta Không ngành có tác dụng sống đất nước viễn thông, quân sự, an ninh; mà ngành phục vụ lợi ích cộng đồng y tế, quản lý hành chánh, giáo dục… Không thể kể hết lợi ích mà ứng dụng công nghệ thông tin mang lại Một mảng ứng dụng lớn công nghệ thông tin thu nhận, hiển thị, xử lý lưu trữ hình ảnh kỹ thuật số Trong lónh vực ứng dụng y tế, máy tính công cụ đắc lực hỗ trợ cho nguyên lý vật lý khác mặt tạo nên dạng thiết bị chẩn đoán hình ảnh đa dạng đại, mặt giúp cho chuyên gia y khoa “nhìn thấy” thể bệnh cách phức hợp hình thái giải phẫu hoạt động chức Chính nhìn tổng quát đó, việc xử lý ghép ảnh chẩn đoán y khoa thu nhận từ thiết bị khác chứa nhiều thông tin hơn, trợ giúp cho bác só chẩn đoán xác, toàn diện sớm hơn, để phục vụ việc phát bệnh kịp thời, đề phác đồ điều trị hợp lý Trong thực tế, đối tượng có nhiều ảnh chụp khác không gian (kích thước, hướng nhìn…), giá trị cường độ sáng, màu sắc, cấu trúc ảnh (do máy chụp ảnh khác nhau) thời gian chụp khác Việc xác định phép biến đổi (ánh xạ) vị trí không gian giá trị cường độ sáng để phối hợp ảnh với cho đạt ảnh có giá trị mặt thông tin mục tiêu phương pháp xử lý ghép ảnh đặc trưng, thuật ngữ tiếng Anh gọi “registration” _ ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA Gvhd TS Huyønh Quang Linh 10 _ Để khai thác nhiều thông tin hữu ích, phương pháp ghép ảnh registration thực dựa vào tiêu chuẩn sau [3]: Số chiều, kích thước đối tượng Tính chất sở xử lý ghép ảnh y khoa (Trong, ngoài, hệ toạ độ) Tính chất phép biến đổi (Cứng/Rigid, mềm /affine, phép chiếu /Projective, cong/curved) Vùng biến đổi (cục bộ, toàn bộ) Sự tương tác (tương tác / tự động) Giải thuật tối ưu (các thông số tính, tìm ra) Các dạng hình thái (đơn hình thái / đa hình thái) Sự liên kết ảnh (Subject) Đối tượng chụp ảnh (Object) Do ưu điểm trên, phương pháp ghép ảnh registration có nhiều ứng dụng thực tế nhiều lónh vực với mục tiêu sau: • Tổng hợp thông tin từ nhiều ảnh đối tượng • Theo dõi thay đổi đối tượng theo thời gian • Suy luận thông tin ba chiều từ nhiều ảnh 2D • Nhận dạng đối tượng yếu tố đặc trưng Trong lónh vực chẩn đoán hình ảnh y khoa, dựa vào nguyên lý kỹ thuật để tái tạo hình ảnh, phân loại ảnh chẩn đoán y khoa thành hai nhóm: Loại ảnh mô tả hình thái, cấu tạo giải phẫu X quang, chụp cắt lớp điện toán (CT), cộng hưởng từ hạt nhân (MRI), siêu âm … Loại ảnh mô tả chức năng, hoạt động theo chuỗi thời gian, thông tin trao đổi chất thông qua cấu tạo chụp cắt lớp phát xạ đơn photon (SPECT), chụp cắt lớp positron (PET), cộng hưởng từ động (fMRI), siêu âm Doppler, phương pháp 4D … Với phong phú thông tin phương pháp khác cung cấp cộng với hỗ trợ hệ máy tính (PACS) vấn đề lưu trữ truy cập trung tâm, phương pháp xử lý ghép ảnh y khoa đặc biệt quan tâm nhằm nâng cao chất lượng trình chẩn đoán theo dõi bệnh, lên kế hoạch điều trị, phục vụ cho giải phẫu điều trị nghiên cứu bệnh sở thống kê vv… _ ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA Gvhd TS Huyønh Quang Linh 129 _ end M = eye(3); % khoi tao M bnew = 0; cnew = 1; for i = steps:-1:steps-1 fprintf('Scale: %g\n',scale); im1S = pyr1(i).im; % im1S = img1 sense im2S = pyr2(i).im; if (i ~= steps) M1 = M; % M = eye(3); M1(1:2,3)=[0; 0] M1(1:2,3) = M1(1:2,3)/scale; % SCALE = im1S = affine_warp(im1S,M1); end [Mnew,b,c] = affbc_iter(im1S,im2S,noIters,model,emFlag, emDispFlag,sigma,useEdgeMask,applybcFlag,DispFigure); cnew = c * cnew; bnew = b + bnew; Mnew(1:2,3) = Mnew(1:2,3) * scale; M = Mnew * M; scale = scale/2; end % end cua for return; %========================================================= Đoạn chương trình thực ý tưởng nêu sau: Hình 7.7.2.3 Cho thấy hai ảnh so sánh nở rộng (hpcreg.html) _ ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA Gvhd TS Huyønh Quang Linh 130 _ 7.7.3 Giải thuật toàn cục (global) giải thuật cục (local) Việc viết chương trình dựa ý tưởng trình bày phần gọi giải thuật toàn cục (global), thông thường cho phép giá trị MSE giảm đến mức độ định mà thôi.Trong thực tế, để giảm MSE thêm cần phải chạy tiếp giải thuật cục (local), dựa sở, ta chạy giải thuật toàn cục Giải thuật cục (local) dựa việc phần diện tích chung tiếp tục chia nhỏ hoàn toàn thống cách chia với hai ảnh Mỗi phần diện tích nhỏ áp dụng phép biến đổi không gian hoàn toàn độc lập cho trị số MSE diện tích nhỏ Điều đương nhiên dẫn đến trị MSE tổng diện tích giảm so với giải thuật toàn cục ban đầu, ảnh biến đổi phù hợp đến cấp độ chi tiết nlregan.html Hình 7.7.3 Cho thấy trình ảnh chia nhỏ để áp dụng phép biến đổi cục _ ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA Gvhd TS Huyønh Quang Linh 131 _ 7.7.4 Ghép hai ảnh khác chức Nếu dừng ý tưởng nêu trên, ta thực ghép hai ảnh khác chức MRI với SPECT, cho kết không ổn định, phụ thuộc vào cặp ảnh khác Hình 7.7.4.1 Cho thấy từ hai ảnh ban đầu, ta thực ghép Kết cho ảnh bên phải hình 7.7.4.2 Nếu quan sát kỹ lưỡng ta thấy ảnh SPECT lớn bình thường, lấn qua vùng biên não phía bên trái ảnh, gần mắt Có lý để giải thích tượng Do hai ảnh phản ánh hai thuộc tính khác đối tượng Ảnh MRI phản ánh cấu tạo vật chất đối tượng, ảnh SPECT phản ánh tưới máu lên mô đối tượng Về chất, hai ảnh tương quan nhiều chi tiết, hình dáng, hai ảnh có tương quan phần tương quan hay nhiều tuỳ thuộc vào cặp ảnh cụ thể Cần có ý tưởng khác để giải trường hợp Hình 7.7.4.1 in màu Hình 7.7.4.2 in maøu _ ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA Gvhd TS Huyønh Quang Linh 132 _ Hình 7.7.4.3 Cho thấy từ hai ảnh ban đầu, ta thực ghép Kết cho ảnh bên phải hình 7.7.4.4 Khi quan sát ta thấy ảnh SPECT bên trái lớn cách bất bình thường Kết chấp nhận Nguyên nhân giải thuật giảm thiểu MSE làm cho ảnh thứ bị gò ép nở rộng Hình 7.7.4.3 in màu Hình 7.7.4.4 in màu 7.7.5 Cải tiến giải thuật - Sử dụng mặt nạ Ta nhận xét rằng, hai ảnh khác chức năng, phần chi tiết sai khác nhau, dạng đường bao bên tương thích Ta lấy đặc tính đường bao làm đặc trưng để ghép Vấn đề có tính định lọc lấy đường biên chọn đường biên đường biên Đối với ảnh SPECT có đặc thù làm cho thao tác chọn lấy đường biên có phần đơn giản Việc chọn đường biên ảnh MRI tỉ mỉ nhiều Đầu tiên ta cần lọc bỏ đường _ ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA Gvhd TS Huyønh Quang Linh 133 _ bao lớp xương sọ bao quanh, sau cần hiệu chỉnh lại cho phù hợp với ảnh SPECT Hình 7.7.5.1 Cho thấy từ hai ảnh ban đầu, ta thực ghép có sử dụng mặt nạ Kết cho ảnh bên phải hình 7.7.5.1 Khi quan sát ta thấy ảnh SPECT bên trái biến đổi hợp lý Hình 7.7.5.1 Sẽ in màu Đoạn chương trình sau thực ý tưởng neâu treân: %========================================================= Function matnaBW = mat_na(anh,nguong) % tao mat na,xac dinh duong bao quanh = cuong sang if size(anh,3) > anh = rgb2gray(anh); end bw=anh >nguong; % Make I3 binary using a threshold value of 0.2 se = strel('square',5 ); erodedBW = imerode(bw,se); % figure,imshow(erodedBW); [labeled,numObjects] = bwlabel(erodedBW,8); % chi co gia tri = hoac grain=regionprops(labeled,'basic'); allgrains=[grain.Area]; biggrain=find(allgrains==max(allgrains)); mat_na=labeled==biggrain; matnaBW = mat_na; % figure, imshow(matnaBW); %==================================================== _ ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA Gvhd TS Huyønh Quang Linh 134 _ 7.7.6 Caûi tiến giải thuật - Chọn vùng ghép ảnh Trong trường hợp ảnh MRI có dạng phức tạp, bao gồm nhiều đường bao gần tương tự Giải thuật ghép tự động chọn nhầm đường bao khác làm cho kết bị sai Ta chọn vùng mặt nạ cụ thể tay, thay cho chương trình, để định sử dụng mặt nạ Hình 7.7.6.1 Cho thấy từ hai ảnh ban đầu, ta thực ghép Kết cho ảnh bên phải hình 7.7.6.2 Khi quan sát ta thấy ảnh SPECT bên trái bị biến đổi cách bất bình thường Kết chấp nhận Hình 7.7.6.1 in màu Hình 7.7.6.2 in màu _ ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA Gvhd TS Huyønh Quang Linh 135 _ Hình 7.7.6.4 Cho thấy từ hai ảnh ban đầu, ta thực ghép sử dụng chế độ chọn vùng cho mặt nạ hình 7.7.6.3 Kết cho ảnh bên phải hình 7.7.6.4 Kết chấp nhận Hình 7.7.6.3 Hình 7.7.6.4 in màu Đoạn chương trình sau thực ý tưởng nêu trên: %=================================================== function matnaBW3 = mat_na3(hObject,anh,nguong,handles) if size(anh,3) > anh = rgb2gray(anh); end bw = anh>nguong; se = strel('square',5); erodedBW = imerode(bw,se); [labeled,numObjects] = bwlabel(erodedBW,8); matnaBW3 = bwselect(labeled /numObjects); imshow(matnaBW3) %=================================================== _ ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA Gvhd TS Huyønh Quang Linh 136 _ 7.8 Phần mềm “Chương trình ghép ảnh y khoa” Phần mềm “Chương trình ghép ảnh y khoa” thực giải thuật ghép ảnh trình bày phần (Chương 6, 7) viết chương trình tính toán kỹ thuật Matlab 7.0 (R14) vận hành máy tính có cấu hình đảm bảo cho chương trình Matlab với phiên hoạt động, cụ thể sau: • CPU Intel Pentium tương đương • 512 MB RAM (vì chương trình xử lý đồ hoạ, nhớ RAM cần thiết – nhớ RAM lớn (1024 MB chẳng hạn), chương trình xử lý hình ảnh nhanh đáng kể) • Hệ điều hành Windows XP với độ phân giải hình tối thiểu 1024x768 Để khởi động phần mềm, trước hết kích hoạt chương trình Matlab 7.0, thiết lập đường dẫn thư mục hoạt động đến thư mục chứa chương trình (D:\ tnch6 09052006\) kể cảø thư mục Gọi chương trình “main.m”, giao diện ban đầu phần mềm xuất sau: Hình 7.8.1: Giao diện phần mềm “Ghép ảnh y khoa” Giao diện gồm có: _ ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA Gvhd TS Huyønh Quang Linh 137 _ - Hai khung ảnh dùng để hiển thị ảnh thành phần (reference image, sense image), ảnh kết (result image, filtered image) tuỳ thuộc vào chọn lọc ô kéo phía khung - Bốn khung điều khiển: - Khung “Chuẩn bị”: chọn phương thức nạp ảnh, chọn vùng để ghép, xử lý nhiễu trước ghép… - Khung “Ghép ảnh trực tiếp”: cho phép điều chỉnh tịnh tiến, thay đổi kích thước ảnh, góc quay ảnh tiến hành ghép ảnh - Khung “Ghép ảnh bán tự động”: cho phép chọn điểm sở, lấy lại ảnh ban đầu… tiến hành ghép ảnh bán tự động - Khung “Ghép ảnh bán tự động”: cho tiến hành ghép ảnh tự động với khả chọn ghép theo vùng Ngoài ra, chương trình có tiện ích bổ sung tái tạo ảnh 3D, khảo sát contour 3D… cho loại ảnh cắt lớp CT, MRI lựa chọn ô kéo “Contour Slice…” khung “Ghép ảnh trực tiếp” Đó tiện ích bổ sung thuận tiện cho việc khảo sát ảnh y tế hoàn thiện tương lai Hình 7.8.2: Các tiện ích 3D bổ sung Phần mềm giai đoạn phát triển thử nghiệm, đặc biệt xem xét yếu tố “thân thiện người dùng”, đối tượng sử dụng chủ yếu bác só, kỹ thuật viên không quen với thao tác máy tính chuyên dụng Trong tương lai, phần mềm hoàn thiện khâu kỹ thuật, cách cài đặt độc lập (không phụ thuộc môi trường Matlab) hướng dẫn sử dụng trực quan nhằm phổ biến rộng rãi _ ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA Gvhd TS Huyønh Quang Linh 138 _ PHẦN 4: KẾT LUẬN Chương 8: Kết luận hướng phát triển 8.1 Tóm tắt kết luận văn Với nguyên lý vật lý tái tạo ảnh khác nhau, phương pháp chẩn đoán hình ảnh y khoa thông dụng siêu âm, X quang, cắt lớp điện toán (CT), cộng hưởng từ, cắt lớp hạt nhân đơn photon (SPECT), cắt lớp hạt nhân positron (PET) cho dạng ảnh đặc trưng phản ánh cấu tạo giải phẫu hoạt động chức quan thể Các loại ảnh khác đa dạng khả phân biệt loại mô, độ phân giải hình ảnh mức độ xám tối, khả hiển thị hoạt động chức năng, kết hợp với hỗ trợ xử lý thuật toán máy tính khử bỏ nhiễu, điều chỉnh tương phản, nhận dạng biên, vật thể vv… ngày đóng vai trò thay chẩn đoán y tế chăm sóc sức khoẻ cộng đồng Quá trình xử lý ghép ảnh (registration) công cụ bổ trợ ngày quan trọng việc phối hợp phương pháp chẩn đoán hình ảnh khác nhằm nâng cao chất lượng chẩn đoán hình ảnh, thông qua việc hội chẩn, theo dõi trình điều trị nghiên cứu bệnh lý trở nên tường minh Luận văn khảo sát tổng quan lý thuyết kỹ thuật xử lý ghép ảnh cách tổng quát dùng nhiều ứng dụng khác nhau, nghiên cứu chọn lọc chi tiết ứng dụng xử lý ghép ảnh y khoa Các thủ thuật sử dụng xử lý ghép ảnh y khoa trình bày cách thông qua chương trình nhỏ thực Matlab nhằm kiểm tra độ xác thực minh hoạ như: • Khảo sát không gian màu hiển thị ảnh màu không gian • Khảo sát hình thức lưu trữ biến đổi liệu ảnh 2D, 3D • Khảo sát lọc thông thấp, thông cao xử lý chất lượng ảnh tuỳ theo đặc trưng chúng • Khảo sát cách khắc phục nhiễu cải thiện chất lượng ảnh • Khảo sát phép biến đổi không gian tịnh tiến, phép quay, phép co giãn kích thước ảnh, vấn đề xử lý cục vùng ảnh Trên sở phân tích kiểm tra trên, tác giả xây dựng chương trình xử lý ghép ảnh cho dạng thông dụng CT-SPECT, MRI-SPECT với lý sau: • Ảnh chẩn đoán CT, MRI thường cho thông tin xác cấu trúc giải phẫu, ảnh SPECT cho biết thông tin hoạt động chức trình tưới máu, phân bố hoạt chất quan; cho nên, aûnh gheùp CT _ ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA Gvhd TS Huyønh Quang Linh 139 _ SPECT, MRI-SPECT cho thông tin phối hợp toàn diện đối tượng cần quan sát • Về tính thực tiễn, thiết bị CT, MRI, SPECT phát triển sử dụng ngày phổ biến điều kiện Việt nam Phần mềm xây dựng bước đầu cập nhật để hỗ trợ bác só tận dụng phương tiện sẵn có nước Phần mềm giải thích rõ ràng thông qua đoạn chương trình mô tả công việc xử lý có liên quan Cách trình bày thông qua khối chương trình lời giải thích, kết hợp với hình ảnh minh hoạ giúp người đọc hiểu rõ mục tiêu ý tưởng giải thuật cần thực Nội dung thực bao gồm: • Hiển thị loại ảnh có kiểu khác Trình bày nhiều dạng khác dạng 2D, 3D, dạng tập hợp nhiều lát cắt, dạng phim ảnh, cắt phần ảnh 3D để quan sát bên • Lọc loại nhiễu thông dụng lọc khác Khắc phục tượng rung ảnh chuyển động vô thức bệnh nhân • Cải tiến chất lượng ảnh thông qua việc tăng cường độ sáng, độ tương phản, màu sắc • Thực ghép ảnh tay (ghép ảnh tương tác) Thực cách di dời, co giãn hay xoay ảnh trực tiếp tay • Thực ghép ảnh bán tự động (ghép ảnh bán tương tác) cách dùng tay ấn định điểm đặc trưng, tương ứng hai ảnh Trên sở tập hợp điểm này, chương trình tự động ghép hai ảnh với • Thực ghép ảnh tự động: Chương trình tự động chạy để xác định vùng đặc trưng tương thích Nếu hai ảnh tương đồng chi tiết, nên chọn giải thuật ghép ảnh tự động theo tiêu chuẩn đường bao, người sử dụng vùng cần ghép Chương trình thực yêu cầu xử lý chất lượng cung cấp thông tin phối hợp đáp ứng yêu cầu thực tiễn, đáp ứng với tiêu chí đặt lónh vực chẩn đoán hình ảnh nói chung giới Tuy nhiên để vào thực tế, chương trình cần chuyển giao đến bác só sử dụng, điều phụ thuộc vào nhiều yếu tố liên quan đến nhu cầu, cách tổ chức trang bị sở y tế, bệnh viện vv… Vấn đề dự kiến hướng phát triển ngành tin học y tế triển khai tương lai khoâng xa _ ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA Gvhd TS Huyønh Quang Linh 140 _ 8.2 Hướng phát triển đề tài Một số vấn đề đặt việc nâng cao chất lượng kỹ thuật ghép ảnh: Về tốc độ thực tính toán: Cần nghiên cứu thêm giải thuật khác tối ưu trường hợp cụ thể Để giải toán nhanh Thuật toán phải hợp lý, dung hoà yếu tố khắt khe mà thực tế đề Về tính xác giải thuật: trình bày qua cách đánh giá sai số.Một giải thuật đánh giá tốt sai số tiến đến Sai số phép tính chủ yếu phụ thuộc vào điều kiện ban đầu, tính tương thích hai ảnh Ta chọn yếu tố thuộc chất chung hai ảnh, để làm đặc trưng chung, ghép ảnh Một gợi ý mà người viết xét tiêu chuẩn đường bao, hay tiêu chuẩn chọn vùng ghép.Trong thực tế, rõ ràng tuỳ theo dạng cặp ảnh cụ thể, ta có tiêu chuẩn tương ứng phù hợp Một tiêu chuẩn khác có độ ổn định cao đưa vào số liệu đo đạc sinh học Giải pháp đòi hỏi phải có trình thu thập số liệu hệ thống lại theo quan điểm thống kê cho quan thể Đây giải pháp phức tạp, nhiều thời gian, phụ thuộc vào nhiều yếu tố độ tuổi, giới tính, nhân chủng loại Trên giới, lãnh vực xử lý ghép ảnh nghiên cứu phát triển, chưa hoàn thiện Do vai trò tảng khoa học nên ảnh hưởng lớn đến nhiều ngành ứng dụng, riêng lãnh vực y khoa, mà nhiều lãnh vực quan trọng khác, vũ trụ, hàng không, quân sự, đo đạc đồ Về tính thực tiễn vấn đề chăm sóc sức khoẻ cộng đồng, việc phát điều trị bệnh khâu quan trọng Để làm tốt điều này, việc xử lý để có ảnh đạt yêu cầu cần thiết, ghép ảnh nhằm mục đích đạt yêu cầu Hơn nữa, cần phải lưu trữ ảnh cách hợp lý, từ thiết bị chụp khác suốt trình theo dõi bệnh cho cá nhân hay khu vực dân cư Khái niệm y học từ xa (telemedicine) đời bối cảnh, cần bao quát địa bàn rộng lớn, mà tập thể bác só gặp trực tiếp tất cả, đề bàn bạc, hội chẩn vấn đề chuyên môn, để lập phác đồ điều trị lập kế hoạch phòng dịch bệnh Đề tài xử lý ghép ảnh khía cạnh phạm vi rộng vừa nêu Xin nói thêm khái niệm y học từ xa (telemedicine) hay dịch vụ chăm sóc sức khoẻ từ xa, hiểu theo nghóa rộng, bao gồm chẩn đoán điều trị, dự phòng phục hồi, tư vấn, bảo hiểm y tế, hoạt động như: giảng dạy, nghiên cứu, thống keâ vv… _ ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA Gvhd TS Huyønh Quang Linh 141 _ Thoâng qua việc kết nối mạng cục bệnh viện đường truyền viễn thông Ta chẩn đoán hình ảnh từ xa (Teleradiology), tư vấn từ xa (Teleconsulting), hội chẩn từ xa (Telediagnostics, video-conferencing) Chẩn đoán hình ảnh từ xa yếu tố cấu thành cho y học từ xa Các hình ảnh cần thiết dùng cho chẩn đoán truyền trung tâm lớn có chuyên gia giỏi Tại đây, họ đưa lời chẩn đoán kết gửi trở lại nơi có bệnh nhân Toàn quy trình tiến hành trực tuyến (on line) hay không trực tuyến (off line) Vai trò hướng dẫn chuyên gia đầu ngành trung tâm lớn hệ thống đạo tuyến giúp bác só tuyến hỗ trợ nhiều định cuối Với người bệnh, thông qua mạng y học từ xa để xin ý kiến tư vấn bác só Nếu tổ chức theo hướng nêu trên, cấu dịch vụ y tế lúc không bệnh viện hay phòng khám riêng biệt, mà mạng liên kết theo chuyên ngành hay liên kết theo khu vực, chống tượng tải trung tâm lớn tạo thuận lợi cho người bệnh nơi _ ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA Gvhd TS Huyønh Quang Linh 142 _ TÀI LIỆU THAM KHẢO VÀ PHỤ LỤC HÌNH Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Xuân Chánh, Lê Băng Sương: Vật lý với khoa học công nghệ đại Nhà Xuất Giáo dục, 2003 [2] Lương Mạnh Bá, Nguyễn Thanh Thuỷ: Nhập môn xử lý ảnh sốû Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 2003 [3] Zhifeng CAI: Medical Image Registration, Image and Video Analysis Group Meeting, 2003 (http://nlpr-web.ia.ac.cn/english/iva/GroupMeeting/PPT/Medical ImageRegistration.ppt) [4] Bùi Minh Trí: Quy hoạch toán học, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 2001 [5] Asbjørn Støylen: Basic ultrasound for clinicians, Dept Circulation and Imaging, NTNU, 2004 (http://folk.ntnu.no/stoylen/strainrate/Ultrasound/) [6] Eun Chul, Chung: Introduction to Neuroradiology, Neuroanatomy, Radiologic Imaging of Neurologic Disease, Dept of Radiology, SungkyunKwan University, 2004 (http://easyrad.net/Intro-to-neuro.files/frame.htm#slide0123.htm) [7] Gary P Liney: Magnetic Resonance Imaging (MRI), University of Hull, 2003 (http://www.hull.ac.uk/mri/lectures/gpl_page.html) [8] Nicholas M Short: Remote Sensing Tutorial, NASA Goddard Training Manual, 2006 (http://rst.gsfc.nasa.gov/Intro/Part2_26d.html) [9] R Badawi: Introduction to PET Physics, Dept of radiology, University of Washington, 1999 (http://depts.washington.edu/nucmed/IRL/pet_intro/toc.html) _ ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA Gvhd TS Huyønh Quang Linh 143 _ Lý lịch trích ngang Họ tên: Phạm Ngọc Dũng Ngày, tháng, năm sinh: 05-08-1964 Nơi sinh: Đà Nẵng Địa liên lạc: 521/91/78 Bis Hoàng Văn Thụ Quận Tân Bình Q TRÌNH ĐÀO TẠO (Bắt đầu từ Đại học đến nay) 1989 - 1994 Sinh viên Đại học trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Ngành Điện tử 2004 – 2006 Học viên Cao học trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Ngành Kỹ thuật Laser Q TRÌNH CƠNG TÁC (Bắt đầu từ làm đến nay) 1985 - 1989 Cơng tác ngành giáo dục Sóc Trăng 1994 – 1996 Công tác Công ty Viễn thông liên tỉnh 1996 – 2006 Công tác Công ty Quản lý bay Miền Nam _ ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA ... TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA Gvhd TS Huyønh Quang Linh 28 _ Chương 4: Lý thuyết xử lý ghép ảnh 4.1 Mở đầu Xử lý ghép ảnh trình xác định tương ứng từ điểm ảnh. .. _ ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA Gvhd TS Huyønh Quang Linh 11 _ Chương 2: Mục tiêu nhiệm vụ đề tài Xử lý ghép ảnh y khoa trình phức... ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG XỬ LÝ VÀ GHÉP ẢNH Y KHOA Gvhd TS Huyønh Quang Linh _ Tóm tắt luận văn Các ảnh chụp sử dụng ng? ?y nhiều nghiên cứu y khoa chăm