Thiết kế một số bài thí nghiệm mô phỏng sự tạo ảnh của các thiết bị chẩn đoán hình ảnh y học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -o0o - VÕ NHƯ NHƯ THIẾT KẾ MỘT SỐ BÀI THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG SỰ TẠO ẢNH CỦA CÁC THIẾT BỊ CHẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH Y HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT LASER MÃ SỐ: 2.07.07 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NĂM 2005 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN 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 : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2005 Có thể tham khảo luận văn thư viện trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia thành phố Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH - CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc Tp HCM, ngaøy tháng năm 2005 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : VÕ NHƯ NHƯ Ngày, tháng, năm sinh : 24 – 11 – 1976 Nơi sinh : Thành phố Hồ Chí Minh Chuyên ngành : KỸ THUẬT LASER Phái : Nam MSHV :KTLS13 - 006 I-TÊN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ MỘT SỐ BÀI THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG SỰ TẠO ẢNH CỦA CÁC THIẾT BỊ CHẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH Y HỌC II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG 2.1 Nhiệm vụ đề tài Xây dựng chương trình mô bao gồm: 2.2.1 Chương trình mô tạo ảnh X quang phương pháp Monte Carlo 2.2.2 Chương trình mô tạo ảnh cắt lớp tái tạo ảnh cắt lớp thuật toán Back Projection Tomography 2.2.3 Chương trình mô tạo ảnh MRI khảo sát ảnh hưởng thông số đặc trưng lên chất lượng ảnh 2.2.4 Chương trình mô tạo ảnh siêu âm 2.2 Nội dung Tìm hiểu nguyên tắc tạo ảnh phương pháp: X – quang, siêu âm, CT, MRI Trên sở lý thuyết tạo ảnh chương trình mô để xây dựng thí nghiệm phục vụ cho công tác đào tạo chuyên ngành vật lý kỹ thuật y sinh III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS HUỲNH QUANG LINH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH TS HUỲNH QUANG LINH PGS.TS TRẦN MINH THÁI TS HUỲNH QUANG LINH Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua Ngày tháng năm 2005 PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH KHOA QUẢN LÝ NGÀNH LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực, xác chưa công bố công trình nghiên cứu khác Tác giả luận văn Võ Như Như LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành khóa cao học thực luận văn tốt nghiệp này, nhận giúp đỡ hướng dẫn chuyên môn hỗ trợ mặt nhiều giáo sư, đồng nghiệp gia đình Tự đáy lòng mình, xin bày tỏ lòng biết ơn đối với: TS Huỳnh Quang Linh, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ suốt trình học tập, nghiên cứu cố vấn chuyên môn hoàn thiện nội dung, hình thức luận văn Tập thể anh chị học viên cao học Kỹ thuật laser khóa 13, chia sẻ khó khăn giúp đỡ nhiệt tình thời gian qua Cảm ơn em, người vợ đảm dành hết thời gian chăm sóc gia đình suốt trình học tập thực luận văn VÕ NHƯ NHƯ MỤC LỤC PHẦN 1: LỜI NÓI ĐẦU PHẦN 2: MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ 2.1 MỤC TIÊU 2.2 NHIỆM VỤ 2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.4 DỰ KIẾN KẾT QUẢ 2 2 PHẦN 3: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ 3.1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TẠO ẢNH X-QUANG 3.1.1 Tương tác tia X với vật chất 3.1.2 Sự suy giảm tia X qua môi trường vật chất 3.1.3 Cơ sở chụp ảnh X quang phim 3 13 19 3.2 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TẠO ẢNH SIÊU ÂM 3.2.1 ng dụng sóng siêu âm y tế 3.2.2 Cơ sở vật lý kỹ thuật phương pháp tạo ảnh siêu âm 3.2.3 Thiết bị ghi hình siêu âm 25 25 25 33 3.3 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TẠO ẢNH X-QUANG CẮT LỚP 3.3.1 Các khái niệm 3.3.2 Chi tiết hình chiếu Khai triển Radon 3.3.3 Lấy mẫu 3.3.4 Tái tạo hình ảnh 40 40 42 45 45 3.4 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TẠO ẢNH MRI 3.4.1 Giới thiệu 3.4.2 Cơ sở vật lý cộng hưởng từ hạt nhân 3.4.3 Nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ 3.4.4 Phương pháp tạo ảnh cắt lớp cộng hưởng từ 3.4.5 Chất lượng ảnh cộng hưởng từ 54 54 54 63 64 68 PHẦN 4: CÁC CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG VÀ CÁC BÀI THÍ NGHIỆM 73 Bài thí nghiệm 1: Mô tạo ảnh X quang phương pháp Monte Carlo I Yêu cầu II Điều kiện trang thiết bị III Tóm tắt lý thuyết IV Mô tả chương trình mô tạo ảnh X quang ngôn ngữ ANSI C V Nhiệm vụ câu hỏi VI Tài liệu tham khảo 73 73 73 73 83 95 95 Bài thí nghiệm 2: Mô tạo ảnh thiết bị chẩn đoán siêu âm I Yêu cầu II Điều kiện trang thiết bị III Cơ sở lý thuyết tính toán đáp ứng tín hiệu siêu âm truyền vật chất IV Mô tả chương trình mô tạo ảnh siêu âm V Nhiệm vụ câu hỏi VI Tài liệu tham khảo 96 96 96 96 98 102 102 Bài thí nghiệm 3: Mô tạo ảnh cắt lớp điện toán truyền qua I Yêu cầu II Điều kiện trang thiết bị III Tóm tắt lý thuyết IV Mô tả chương trình mô tạo ảnh cắt lớp CT V Nhiệm vụ câu hỏi VI.Tài liệu tham khảo 103 103 103 103 106 113 113 Bài thí nghiệm 4: Mô tạo ảnh thiết bị chẩn đoán hình ảnh cộng hưởng từ (MRI) I Yêu cầu II Điều kiện trang thiết bị III Mô tả chương trình Virtual MRI IV Nhiệm vụ câu hỏi V Tài liệu tham khảo 114 114 114 115 119 119 PHẦN 5: BIỆN LUẬN VÀ KẾT LUẬN 5.1 Biện luận 5.2 Kết luận 120 120 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO 122 PHẦN 1: LỜI NÓI ĐẦU Thiết bị chẩn đoán hình ảnh y học lónh vực then chốt ngành kỹ thuật y sinh hàm chứa thành tựu đại nhiều lónh vực liên ngành, đặc biệt vật lý ứng dụng, y sinh học đại công nghệ thông tin Những thiết bị chẩn đoán hình ảnh ngày trở thành phổ biến, từ máy siêu âm phổ cập có mặt phòng khám thiết bị CT, MRI tối tân bệnh viện lớn; tất có đặc điểm chung: sản phẩm hộp đen hoàn thiện đến mức người sử dụng cần thao tác qua nút bấm chương trình hoàn chỉnh mà không cần phải biết đến nguyên lý hoạt động cấu tạo chức chúng, tính đại phức hợp nhiều lónh vực nên người sử dụng muốn hiểu rõ thiết bị, dễ dàng lónh thụ làm chủ Mặt khác, thiết bị chẩn đoán hình ảnh thương mại thường thiết bị hộp đen theo nghóa mạch cấu tạo, phận chức (đầu dò, khuếch đại xử lý tín hiệu ) thường chế tạo thành module đóng kín, mặt chúng sản phẩm công nghệ cao với tính xác lớn, mặt chúng giải pháp sản phẩm độc quyền hãng sản xuất, phần mềm xử lý chức kèm theo sản phẩm công nghệ thông tin mà tài liệu mô tả đầy đủ Cho nên trình đào tạo kỹ sư kỹ thuật y sinh, người đào tạo để nắm vững cách vận hành, bảo dưỡng khai thác cách có hiệu thiết bị trên, thường đủ điều kiện để thực hành dạng thiết bị thành phẩm, nên dù có hiểu lý thuyết khó nắm nguyên lý kỹ thuật khó hiểu tường tận vận hành thực tế Với lý đó, việc xây dựng thí nghiệm môn kỹ thuật thiết bị chẩn đoán hình ảnh y học nói riêng cho môn kỹ thuật thiết bị y sinh nói chung, đặc biệt điều kiện Việt Nam yêu cầu thiết cho chương trình đào tạo ngành kỹ thuật y sinh Môn thiết bị chẩn đoán hình ảnh y học quan tâm đến dạng thiết bị chính: thiết bị X quang, thiết bị cắt lớp CT, thiết bị MRI thiết bị siêu âm Bên cạnh phần kiến tập mà sinh viên thực hành thao tác, sinh viên cần thiết nắm vững chất vật lý tượng mà thiết bị sử dụng nguyên tắc xử lý ảnh Học viên: Võ Như Như Luận văn Cao học – Kỹ thuật Laser K13 PHẦN 2: MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ 2.1 MỤC TIÊU Xây dựng thí nghiệm cho môn kỹ thuật thiết bị hình ảnh y học tận dụng máy tính để mô trình vật lý tạo ảnh cách xử lý ảnh dạng thiết bị sau: thiết bị X quang, thiết bị cắt lớp CT, thiết bị MRI thiết bị siêu âm 2.2 NHIỆM VỤ Xây dựng chương trình mô bao gồm: 2.2.1 Chương trình mô tạo ảnh X quang phương pháp Monte Carlo 2.2.2 Chương trình mô tạo ảnh cắt lớp tái tạo ảnh cắt lớp thuật toán Back Projection Tomography 2.2.3 Chương trình mô tạo ảnh MRI khảo sát ảnh hưởng thông số đặc trưng lên chất lượng ảnh 2.2.4 Chương trình mô tạo ảnh siêu âm lý thuyết truyền sóng âm 2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Các trình mô lập trình dựa sở trình vật lý kỹ thuật thiết bị ngôn ngữ lập trình C, Matlab Java Tận dụng nguồn mở thư viện thu thập Internet sửa đổi cho phù hợp với mục tiêu đào tạo trường 2.4 DỰ KIẾN KẾT QUẢ Kết thí nghiệm phần mềm với giao diện trực quan hướng dẫn sinh viên sử dụng theo yêu cầu nắm bắt chất vấn đề Với yêu cầu thí nghiệm đề tài góp phần hoàn chỉnh thực hành môn học Học viên: Võ Như Như Luận văn Cao học – Kỹ thuật Laser K13 PHẦN 3: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ Các phương pháp chẩn đoán hình ảnh y khoa Các nguyên lý phương pháp chẩn đoán hình ảnh thu nhận, đáp ứng khác xạ có khả đâm xuyên mô sống Các xạ xạ điện từ (X quang, CT), xạ hạt nhân (y học hạt nhân – SPECT, PET), xạ radio cộng hưởng từ hạt nhân (MRI), sóng siêu âm (ảnh siêu âm)…, sở xạ tương tác với môi trường khác tạo đáp ứng phản hồi khác nhau, tổng hợp cho biết thông tin hình dạng cấu trúc, chức phục vụ trình chẩn đoán Chất lượng thông tin hình ảnh có liên quan đến mức độ gây tổn thương xạ nh X quang có chất lượng tốt liều lượng xạ bệnh nhân cao, ảnh cộng hưởng từ có chất lượng cao thời gian thu nhận ảnh dài, nghóa bệnh nhân chịu tác dụng từ trường lớn thời gian dài, ảnh siêu âm tốt lượng siêu âm sử dụng cao Liều lượng mức để thu ảnh y khoa hoàn chỉnh không chấp nhận Do việc tạo ảnh y khoa phải có giải pháp thoả hiệp an toàn bệnh nhân chất lượng ảnh 3.1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TẠO ẢNH X-QUANG [1, 2, 3, 4] 3.1.1 Tương tác tia X với vật chất Tia X nói chung phần xạ gamma, xạ điện từ lượng cao với bước sóng λ tương ứng với lượng khoảng từ 10keV – 300keV Khi xem xét tương tác tia gamma vật chất, ta vận dụng thuyết photon Einstein xem tia gamma tập hợp photon có lượng E = hν động hν lượng p = c Khi qua môi trường vật chất, photon tia gamma truyền qua, tán xạ bị hấp thụ Có bốn loại tương tác photon tia gamma với vật chất: (a) Tán xạ Rayleigh, (b) Tán xạ Compton, (c) Hiệu ứng quang điện, (d) Phản ứng tạo cặp Trong ba loại tương tác đóng vai trò quan trọng tương tác tia X ngành X quang chẩn đoán y học hạt nhân Sau tương tác tia X qua môi trường vật chất: 3.1.1.1 Tán xạ Rayleigh Hình 3.1.1 Tán xạ Rayleigh Học viên: Võ Như Như Luận văn Cao học – Kỹ thuaät Laser K13 108 hàm bmpread dùng để đọc file ảnh BMP 100x100 function [X,map,out3]=bmpread(filename); %BMPREAD Read a BMP (Microsoft Windows Bitmap) file from disk % [X,MAP]=BMPREAD('filename') reads the 8-bit BMP file and % returns the indexed image X and associated colormap % MAP If no extension is given for the filename, the % extension '.bmp' is assumed % [X,MAP,OUT]=BMPREAD('filename') reads the 24-bit BMP file % from the file 'filename' % BPP=BMPREAD('filename') returns the number of bits per % pixel in the BMP file Ví dụ: Hình trái: Hình phải: [image,MAP,out]=bmpread('logan.bmp'); %Doc file BMP 16bit [image,MAP]=bmpread('CT1.bmp'); %Doc file BMP 8bit - Phần 2: Hiển thị ảnh gốc góc phần tư thứ trang kết % Plot the original image on subplot #1 figure(1); colormap(gray(256)); subplot(221); imagesc(image); title('Original Picture'); disp('Plotting original image '); - Phần 3: Dùng phép biến đổi radon để tạo sinogram hình chiếu hiển thị góc phần tư thứ hai trang kết * Trong BP1: % Take the Projections of the image where 'count' is the number % of intervals for theta between and 180 interval = linspace(1, 180, N); Proj = proj(image, N); disp('Calculating projections of the image '); subplot(222); imagesc(Proj); title('Sinogram - Plot of unchanged projections'); % Add Noise to projections - Thêm nhiễu ngẫu nhiên cho ảnh (nếu muốn) disp('Adding noise to each projection '); X = randn(144); for i = 1:N Proj(:,i)= Proj(:,i) +(2.* X(:,i)); end Học viên: Võ Như Như Luận văn Cao học – Kỹ thuật Laser K13 109 Đoạn mã gọi hàm hình chiếu proj(image, N) thơng qua thuật tốn tính tích phân đường theo góc % This MATLAB function takes an image matrix and vector of angles and then % finds the 1D projection (Radon transform) at each of the angles It % returns a matrix whose columns are the projections at each angle function Projection = proj(IMG, N) % Create a vector of values for theta interval = linspace(1, 180, N); % Take images and pad with zero to eliminate error [iLength, iWidth] = size(IMG); iDiag = sqrt(iLength^2 + iWidth^2); LengthPad = ceil(iDiag - iLength) + 2; WidthPad = ceil(iDiag - iWidth) + 2; padIMG = zeros(iLength+LengthPad, iWidth+WidthPad); padIMG(ceil(LengthPad/2):(ceil(LengthPad/2)+iLength-1), ceil(WidthPad/2):(ceil(WidthPad/2)+iWidth-1)) = IMG; % Here we rotate the image N different angles of theta, and then sum the columns % of each of these projected images in order to build N different projections n = length(interval); Projection = zeros(size(padIMG,2), n); for i = 1:n temp = imrotate(padIMG, 90-interval(i), 'bilinear', 'crop'); Projection(:,i) = (sum(temp))'; end * Trong BP2: sử dụng thẳng hàm radon() MATLAB % Take the Projections of the image where 'count' is the number % of intervals for theta between and 180 nn = 180/N; theta1 = 0:nn:nn*N; [proj,xp] = radon(image,theta1); disp('Calculating projections of the image '); subplot(222); imagesc(theta1,xp,proj); title('Sinogram - Plot of unchanged projections'); - Phần 4: Dùng phép biến đổi chiếu ngược để tái tạo ảnh mặt cắt hiển thị góc phần tư thứ thứ trang kết * Trong BP1: % Using the projections from above we can back-project % the image using our backprojection algorithm disp('Reconstructing the image from back-projection '); BP = backuf(Proj, interval); % Hàm chiếu ngược không lọc subplot(223); BP = BP(22:121,22:121); imagesc(BP); title('Unfiltered Back-Projected Image'); % % Using the projections from above we can now filter and back-project the image using our backprojection algorithm Hoïc viên: Võ Như Như Luận văn Cao học – Kỹ thuaät Laser K13 110 disp('Reconstructing the image from back-projection '); BP = back(Proj, interval); % Hàm chiếu ngược có lọc subplot(224); BP = BP(22:121,22:121); imagesc(BP); title('Filtered Back-Projected Image'); Trong đoạn mã có sử dụng hàm chiếu ngược back backuf lập trình theo thuật tốn: function BackI = back(PR, THETA) % Determine the size of the projected, PR, image n = size(PR,1); sideSize = n; % * * * FILTER THE PROJECTIONS * * * % No Filter applied % filtPR = PR; % Ramp Filter with Cutoff filtPR = projfilter(PR); % Convert THETA to radians and subtract pi so the reconstructed image % has the same orientation th = pi - ((pi/180)*THETA); % Prepare image m = length(THETA); BackI = zeros(sideSize,sideSize); % Find the middle index of the projections midindex = (n+1)/2; % Create x and y matrices x = 1:sideSize; y = 1:sideSize; [X,Y] = meshgrid(x,y); xpr = X - (sideSize+1)/2; ypr = Y - (sideSize+1)/2; for i = 1:m % Use the backprojection algorithm to determine which areas % on the projected images add up filtIndex = round(midindex + xpr*sin(th(i)) - ypr*cos(th(i))); % While "in bounds" then add the point BackIa = zeros(sideSize,sideSize); spota = find((filtIndex > 0) & (filtIndex