Nghiên cứu kỹ thuật tạo hình 3d từ ảnh chụp cắt lớp trong y tế

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG PHẠM VĂN HƯNG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TẠO HÌNH 3D TỪ ẢNH CHỤP CẮT LỚP TRONG Y TẾ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN - 2016 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG PHẠM VĂN HƯNG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TẠO HÌNH 3D TỪ ẢNH CHỤP CẮT LỚP TRONG Y TẾ Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN TẢO THÁI NGUYÊN - 2016 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn kết nghiên cứu thân (ngoài phần tham khảo rõ) hướng dẫn TS Nguyễn Văn Tảo Nếu có sai phạm tơi xin hồn toàn chịu trách nhiệm Tác giả luận văn Phạm Văn Hưng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CẢM ƠN Trong q trình thực luận văn, tơi nhận nhiều hướng dẫn, giúp đỡ tận tình thầy cơ, gia đình, bạn bè Trước tiên, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn, TS Nguyễn Văn Tảo Trong suốt hai năm qua, nhận giúp đỡ, động viên đặc biệt hướng dẫn tận tình giúp nắm rõ mục tiêu định hướng nghiên cứu luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tập thể thầy cô giáo Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông trang bị cho thêm kiến thức suốt thời gian học tập trường Cuối cùng, với tình cảm sâu sắc nhất, xin chân thành gửi tới gia đình bạn bè, người ln bên, động viên, chia sẻ với mặt giúp tơi hồn thành khóa học Q trình thực đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót em mong nhận đóng góp ý kiến thầy, giáo bạn đồng nghiệp đề tài nghiên cứu em để đề tài hoàn thiện Em xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng năm 2016 Tác giả luận văn Phạm Văn Hưng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Chương ẢNH Y TẾ VÀ TÁI TẠO HÌNH ẢNH 3D 1.1Ảnh y tế 1.2Ảnh cắt lớp 1.2.1Lịch sử đời 1.2.2Nguyên lý chụ 1.2.3Chuẩn ảnh cắt 1.3Mơ hình chiều chẩn đốn, khám chữa bệnh 1.3.1Một số khái n 1.3.2Các ứng dụng 1.4Bài tốn tái tạo mơ hình chiều từ ảnh cắt lớp Chương KỸ THUẬT TÁI TẠO HÌNH 3D TỪ ẢNH CHỤP CẮT LỚP 2.1Tổng quan kỹ thuật tái cấu trúc mơ hình 3D từ 2.1.1Cấu trúc mơ h 2.1.2Phương pháp 2.2Các kỹ thuật áp dụng tái cấu trúc mơ hình 3D 2.2.1Các kỹ thuật 2.2.2Phân lớp xá 2.2.3Xác định tập đ 2.3Một số kỹ thuật nâng cao chất lượng mơ hình c 2.3.1Kỹ thuật nội s Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn iv 2.3.2 Một số phương pháp nội suy 50 Chương THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG 53 3.1 Yêu cầu thực nghiệm, ứng dụng 53 3.2 Công cụ bước thực chương trình 55 3.3 Một số kết thực nghiệm 59 KẾT LUẬN 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT 10 11 12 13 14 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Ảnh chụp X-Quang ảnh siêu âm Hình 1.2 Ảnh chụp cắt lớp vi tính (Computed tomography - CT) Hình 1.3 Godfrey Hounsfield, Nobel Prize in Physiology or Medicine, 1979 Hình 1.4 Bản phác thảo máy chụp cắt lớp vi tính Sir Godfrey Hounsfield Hình 1.5 Máy chụp cắt lớp vi tính .6 Hình 1.6 Máy CT tồn hân phát triển Hình 1.7 Máy CT hệ thứ I Hình 1.8 Máy CT hệ thứ II Hình 1.9 Máy CT hệ thứ III .9 Hình 1.10 Máy CT hệ thứ IV .9 Hình 1.11 Nguyên lý chụp CLVT độ phân giải ảnh kỹ thuật số 10 Hình 1.12 Điểm ảnh (pixel) 10 Hình 1.13 Chụp CT xoắn ốc 12 Hình 1.14 Nguyên lý chụp CLVT đa dãy đầu thu 13 Hình 1.15 Các ảnh lưu dạng DICOM [19] 14 Hình 1.16 Cấu tạo Data Set 16 Hình 1.17 Cấu trúc file DICOM 18 Hình 1.18 Các ứng dụng đồ họa chiều 22 Hình 2.1 Mơ hình 3D tim người 28 Hình 2.2 Một mặt hình hộp tạo mặt tam giác 31 Hình 2.3 Mơ hình 3D thu từ tập đỉnh: VertexList , tập mặt: FaceList, tập UV: UVs 32 Hình 2.4 Ảnh chụp cắt lớp theo không gian hai chiều 33 Hình 2.5 Ảnh mơ lát cắt xếp liên tiếp nhau[21] 34 Hình 2.6 Quy trình hiển thị đối tượng 3D 35 Hình 2.7 Ảnh chụp chiếu trước sau tiền xử lý 40 Hình 2.8 Ảnh chụp chiếu trước sau phân đoạn 44 Hình 2.9 Ảnh chụp chiếu trước sau phân đoạn làm rõ xương 44 Hình 2.10 Ảnh chụp chiếu sau phân đoạn làm rõ xương loại bỏ nhiễu .45 Hình 2.11 Ảnh chụp chiếu áp dụng tìm biên 47 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn vii Hình 2.12 Tập đỉnh biên xếp chồng lên tạo thành tập đỉnh mơ hình 3D 47 Hình 2.13 Biểu diễn tập đỉnh mặt phẳng 48 Hình 3.1 Giao diện chung chương trình tái cấu trúc mơ hình 3D từ ảnh chụp cắt lớp 55 Hình 3.2 Mở thu mục chứa định dạng ảnh 56 Hình 3.3 Lựa chọn thư mục lưu tập ảnh máy tính 56 Hình 3.4 Lựa chọn tập ảnh DICOM 57 Hình 3.5 Quan sát ảnh DICOM 58 Hình 3.6 Hình ảnh mơ hình 3D thu từ chương trình dùng chẩn đốn 59 Hình 3.7 Bệnh án điều trị nội trú 61 Hình 3.8 Hồ sơ bệnh án điều trị nội trú 63 Hình 3.9 Gãy xương gò má xoang hàm trái phim chụp cắt lớp vi tính 63 Hình 3.10 Khi chạy chương trình thực nghiệm tái cấu trúc mơ hình 3D .64 Hình 3.11 Phiếu kết chụp cắt lớp vi tính 65 Hình 3.12 Bệnh án điều trị nội trú 66 Hình 3.13 Hồ sơ bênh án điều trị nội trú 68 Hình 3.14 Hình ảnh vỡ xương chẩm trái 68 Hình 3.15 Khi chạy chương trình thực nghiệm tái cấu trúc mơ hình 3D .69 Hình 3.16 Phiếu kết chụp cắt lớp vi tính 69 Hình 3.17 Bệnh án điều trị nội trú 70 Hình 3.18 Hồ sơ điều trị nội trú 71 Hình 3.19 Hình ảnh vỡ xương phim chụp cắt lớp vi tính .72 Hình 3.20 Khi chạy chương trình thực nghiệm tái cấu trúc mơ hình 3D .72 Hình 3.21 Phiếu kết chụp cắt lớp vi tính 73 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn 63 Hình 3.8 Hồ sơ bệnh án điều trị nội trú Bệnh nhân định chụp cắt lớp vi tính sọ não Hình 3.9 Gãy xương gò má xoang hàm trái phim chụp cắt lớp vi tính Và liệu phim chụp xuất dạng DICOM chuyển qua phần mềm mơ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn 64 Hình 3.10 Khi chạy chương trình thực nghiệm tái cấu trúc mơ hình 3D Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn 65 Hình 3.11 Phiếu kết chụp cắt lớp vi tính  Thực nghiệm 2: Họ tên: Nguyễn Thị Thương Giới tính: Nữ Tuổi:18 Địa chỉ: La Bằng – Đại Từ - Thái Nguyên Khoa:Ngoại chấn thương Chẩn đoán: Theo dõi chấn thương sọ não kín Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn 66 Hình 3.12 Bệnh án điều trị nội trú Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn 67 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn 68 Hình 3.13 Hồ sơ bênh án điều trị nội trú Bệnh nhân định chụp cắt lớp vi tính sọ não Và hình ảnh tổn thương phim Hình 3.14 Hình ảnh vỡ xương chẩm trái Và liệu phim chụp xuất dạng DICOM chuyển qua phần mềm mơ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn 69 Hình 3.15 Khi chạy chương trình thực nghiệm tái cấu trúc mơ hình 3D Hình 3.16 Phiếu kết chụp cắt lớp vi tính  Thực nghiệm 3: Họ tên: Phạm Văn Chiến Giới tính: Nam Tuổi:46 Địa chỉ: Phúc Hà – TP Thái Nguyên – Thái Nguyên Khoa: Răng Hàm Mặt Chẩn đoán: Theo dõi chấn thương sọ não kín Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn 70 Hình 3.17 Bệnh án điều trị nội trú Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn 71 Hình 3.18 Hồ sơ điều trị nội trú Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn 72 Hình 3.19 Hình ảnh vỡ xương phim chụp cắt lớp vi tính Hình 3.20 Khi chạy chương trình thực nghiệm tái cấu trúc mơ hình 3D Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn 73 Hình 3.21 Phiếu kết chụp cắt lớp vi tính Nhận xét: Qua kết thực nghiệm chạy chương trình với lắt cắt sinh từ máy chụp cắt lớp thị mơ vị trí tổn thương trùng khớp với kết đọc phim bác sĩ cận lâm sàng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn 74 KẾT LUẬN Kỹ thuật tái tạo ảnh 3D từ liệu ảnh y tế DICOM sử dụng năm trở lại hỗ trợ nhiều cho việc chẩn đốn bác sĩ Hình ảnh ba chiều có ích cần tạo hình ảnh tồn cấu trúc giải phẫu, hệ thống mạch máu não hay cột sống mà không cần phải giải phẫu Các phần mềm tái tạo ảnh ba chiều từ ảnh y tế DICOM sử dụng nước ta phần mềm nước ngoài, phần mềm tiến xa kỹ thuật Tuy nhiên, bác sĩ nhiều thời gian thao tác để tạo hình ảnh ba chiều Hướng phát triển tăng khả tự động cho phần mềm, nâng cao độ phân giải tức phân biệt chi tiết giải phẫu nằm gần tương tự nhau, tăng tốc độ thực Đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật tạo hình 3D từ ảnh chụp cắt lớp y tế” đạt kết định: Trong nhận thấy thành phần chương trình bao gồm việc đọc ảnh DICOM chuyển thành ma trận điểm ảnh, tạo ảnh nhìn thấy hình máy tính thơng qua ma trận điểm ảnh Việc tái cấu trúc mơ hình 3D dựa thuật tốn trình bày luận văn Sau mơ hình 3D tái cấu trúc trình diễn thiết bị hiển thị hình, có tính phụ xoay mơ hình phóng to thu nhỏ mơ hình Hướng phát triển đề tài tiếp tục nghiên cứu cài đặt khơng tái cấu trúc xương mà cịn hiển thị toàn cấu trúc giải phẫu, mô mềm, hệ thống mạch máu tạng Tuy nhiên, nội dung luận văn chương trình thực nghiệm số vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu, tìm hiểu để áp dụng tốt thực tế: Mơ hình 3D tái cấu trúc thu đơi cịn nhiễu xác định nhầm số thành phần cấu trúc xương Mô hình 3D thu có nhiều điểm đỉnh mặt cần áp dụng thêm phương pháp tối ưu mô hình Tốc độ thuật tốn tái cấu trúc cịn chưa cao, địi hỏi cần có nghiên cứu chun sâu để tối ưu tốc độ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn 75 tính tốn giải thuật Sau q trình nghiên cứu làm luận văn với dẫn nhiệt tình thầy giáo hướng dẫn em học cách tìm hiểu, phân tích nghiên cứu vấn đề khoa học Trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp, thân nỗ lực, cố gắng, đầu tư nhiều thời gian, công sức cho việc tìm hiểu nghiên cứu đề tài nhận bảo, định hướng tận tình thầy giáo hướng dẫn anh, chị trước hạn chế mặt thời gian khó khăn việc tìm kiếm tài liệu, hạn chế mặt kiến thức thân, nên chưa có kết thực hồn hảo Kính mong thầy giáo bạn đồng nghiệp bảo giúp đỡ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO I Tiếng Việt [1] Lương Mạnh Bá, Nguyễn Thanh Thuỷ (2003), Nhập môn xử lý ảnh số, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [2] Đỗ Năng Toàn, Phạm Việt Bình (2008), Giáo trình Xử lý ảnh, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [3] Chung Giang Đông Đỗ Kim Quế (2008), Giá trị CT scan chẩn đoán di hạch ung thư phổi nguyên phát, Y học Việt Nam.11(2), pp 505-515 [4] Cung Văn Đông (2015), Nghiên cứu đặc điểm hình ảnh cắt lớp vi tính đa dãy đầu thu ngực chẩn đoán ung thư phổi nguyên phát người lớn, luận văn tiến sĩ y học, Viện nghiên cứu khoa học y dược lâm sàng 108, Bộ quốc phòng [5] Lương Thị Thu Hà, Nghiên cứu số kỹ thuật nội suy ảnh y tế, Luận văn thạc sĩ hệ thống thông tin, Trường Đại học Công nghệ, Hà Nội [6] Nguyễn Văn Thắng (2012), Phục dựng hình ảnh 3D từ liệu ảnh y tế DICOM, luận văn thạc sĩ Công nghệ thông tin, Trường Đại Công nghệ thông tin truyền thông, Đồng Nai [7] Hồ Đức Lĩnh(2016), Xử lý hình thái học ảnh ứng dụng, Báo cáo khoa học, Trường đại học Đông Á [8] Phạm Nguyên Khang, Đỗ Thanh Nghị(2013), Phân lớp ảnh với giải thuật Gradient ngẫu nhiên đa lớp, Tạp chí khoa học – Trường Đại học Cần Thơ II Tiếng 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 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học 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 lý chụp ảnh cắt lớp (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 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn ... tốn tái tạo mơ hình chiều từ ảnh cắt lớp Chương KỸ THUẬT TÁI TẠO HÌNH 3D TỪ ẢNH CHỤP CẮT LỚP 2.1Tổng quan kỹ thuật tái cấu trúc mơ hình 3D từ 2.1.1Cấu trúc mô h 2.1.2Phương pháp 2.2Các kỹ thuật. .. Thái Nguyên http://www lrc.tnu.edu.vn 28 Chương KỸ THUẬT TÁI TẠO HÌNH 3D TỪ ẢNH CHỤP CẮT LỚP 2.1 Tổng quan kỹ thuật tái cấu trúc mơ hình 3D từ ảnh cắt lớp 2.1.1 Cấu trúc mơ hình 3D Mơ hình 3D cấu... HÌNH ẢNH 3D Chương tổng quan ảnh y tế ứng dụng khám chữa bệnh, giới thiệu hệ thống m? ?y chụp cắt lớp mô hình 3D chẩn đốn, khám chữa bệnh Bệnh viện  Chương 2: KỸ THUẬT TÁI TẠO HÌNH 3D TỪ ẢNH CHỤP