Luận án tiến sĩ nghiên cứu xử lý ảnh spect tim trong hỗ trợ chẩn đoán bệnh động mạch vành

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Thành Trung NGHIÊN CỨU XỬ LÝ ẢNH SPECT TIM TRONG HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN BỆNH ĐỘNG MẠCH VÀNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Hà Nội - 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Thành Trung NGHIÊN CỨU XỬ LÝ ẢNH SPECT TIM TRONG HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN BỆNH ĐỘNG MẠCH VÀNH Ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 9520203 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THÁI HÀ GS TS NGUYỄN ĐỨC THUẬN Hà Nội - 2021 i Lời cam đoan Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tác giả, không chép người Các số liệu kết nêu luận án hoàn toàn trung thực chưa tác giả khác công bố T/M tập thể giáo viên hướng dẫn TS Nguyễn Thái Hà Hà Nội, ngày tháng Tác giả năm NCS Nguyễn Thành Trung ii Lời cảm ơn Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Thái Hà GS.TS Nguyễn Đức Thuận, người nhiệt tình hướng dẫn giúp đỡ tơi nhiều q trình nghiên cứu hồn thành Luận án Tơi xin chân thành cảm ơn Bộ môn Công nghệ Điện tử Kỹ thuật Y sinh, Phòng Đào tạo, Viện Điện tử -Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành nhiệm vụ nghiên cứu Tơi xin chân thành cảm ơn tới khoa Y học Hạt nhân, bệnh viện Trung ương Quân đội 108; viện Công nghệ Thông tin, viện Khoa học Công nghệ Quân hỗ trợ, cộng tác, tạo điều kiện để tơi hồn thành nhiệm vụ nghiên cứu Tơi bày tỏ lịng biết ơn đến Gia đình tơi, vợ tôi, anh chị em, đồng nghiệp bạn bè người ủng hộ động viên giúp đỡ thời gian làm Luận án MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN………………………………………………………………………………….i LỜI CẢM ƠN………………………………………………………………………………… …ii MỤC LỤC……………………………………………………………………………………… iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ………………………………………………………………… vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU……………………………………………………………… ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ………………………………………………………… … x MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài, mục đích nghiên cứu……………………………………………………… Đối tượng, phương pháp phạm vi nghiên cứu luận án……………………… …… …4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án………………………………………………………5 Các đóng góp luận án…………………………… ……………………………………… Bố cục luận án………………………………………………………………….………… CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XẠ HÌNH TƯỚI MÁU CƠ TIM BẰNG MÁY SPECT…………………………………………………………………………………… 1.1 Bệnh lý động mạch vành……………………………………………………………….… 1.1.1 Giải phẫu tim bệnh lý mạch vành………………………………… …….…….8 1.1.2 Các phương pháp chẩn đoán bệnh mạch vành…………………………………….9 1.2 Xạ hình tưới máu tim máy SPECT…………………………………………….… 11 1.2.1 Nguyên lý phương pháp chụp xạ hình tưới máu tim ……………….… 11 1.2.2 Giá trị phương pháp xạ hình tưới máu tim máy SPECT……… ….13 1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới độ xác kết chẩn đốn………………… … 15 1.3 Giải pháp xử lý ảnh SPECT tim hỗ trợ chẩn đốn bệnh động mạch vành …… …….17 1.3.1 Tình hình nghiên cứu giải pháp nước …………………………… ….17 1.3.2 Tình hình nghiên cứu giải pháp ngồi nước …………………………….… 18 1.3.3 Nhận xét, đánh giá giải pháp khảo sát đề xuất giải pháp tác giả… 23 1.4 Kết luận chương 1……………………………………………………………… ……… 25 iii CHƯƠNG XÂY DỰNG BỘ CƠ SỞ DỮ LIỆU SPECT TIM…………………………… 27 2.1 Vấn đề nghiên cứu … …………………….……………………………………………….27 2.2 Quy trình thu thập liệu …………………… ……………………………… ………….32 2.2.1 Cơ sở y học hạt nhân tiến hành thu thập liệu……………………………… 32 2.2.2 Quy trình xạ hình tưới máu tim……………………………………… …….34 2.2.2.1 Quy trình thực hành theo vị trí……………………………….……34 2.2.2.2 Quy trình thực kỹ thuật xạ hình tưới máu tim máy SPECT36 2.2.3 Tiêu chuẩn loại trừ mẫu………………………………………………………… 37 2.3 Quy trình xử lý, chuẩn hố liệu………………………………………………………….38 2.3.1 Quy trình chuẩn hố liệu hình ảnh……………………………………………38 2.3.2 Quy trình chuẩn hố liệu thơng tin lâm sàng…………………………………40 2.4 Quy trình gắn nhãn liệu………………………………………………………………….41 2.5 Xây dựng tính sở liệu………………………………………………… 44 2.6 Phân bố liệu, tính cỡ mẫu ……………………………………………………… …….46 2.7 Nhận xét, đánh giá sở liệu………….………………………………………… …47 2.7 Kết luận chương 2.……………………………………………………………………… …50 CHƯƠNG XÂY DỰNG BỘ LỌC NHIỄU SUY GIẢM SỬ DỤNG MẠNG DEEP LEARNING 52 3.1 3.2 Vấn đề nghiên cứu … ………………………………………………….…………….52 Xây dựng mơ hình lọc nhiễu suy giảm cho ảnh SPECT MPI……………………… …56 3.2.1 Các mơ hình CAE, GAN, U-net…………………………………………… …56 3.2.2 Các thước đo ………………………………………………………………….…68 3.2.3 Dữ liệu thử nghiệm………………………………………………………………71 3.2.4 Đề xuất mơ hình 3D Convolutional Auto-Encoder (3D-CAE) hiệu chỉnh nhiễu suy giảm ……………………………………………………………………….……73 3.2.4.1 Mơ hình đề xuất……………………………………………… …… 73 3.2.4.2 Thử nghiệm kết quả………………………………………………… 75 3.2.5 Đề xuất mơ hình 3DUnet-GAN hiệu chỉnh nhiễu suy giảm…………… ……….77 3.2.5.1 Mơ hình đề xuất…………………………………………………………77 3.2.5.2 Hàm mục tiêu…………………………………………………….…… 79 3.2.5.3 Thiết lập thử nghiệm……………………………………………….……83 3.2.5.4 Kết thử nghiệm mơ hình……………………………………….……85 iv 3.2.6 Kết thực nghiệm……………………………………………………… ……85 3.3 Kết luận chương 3…………………………………………………………………… …88 CHƯƠNG PHÁT TRIỂN GIẢI PHÁP HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN BỆNH MẠCH VÀNH88 4.1 Vấn đề nghiên cứu… …………………………… ……………………………………90 4.2 Đề xuất giải pháp hỗ trợ chẩn đốn nâng cao chất lượng hình ảnh cho máy SPECT thông thường………………………………………………………………………… …93 4.3 4.4 4.2.1 4.2.2 Thu thập liệu thực nghiệm……………………………………………………93 Hiệu chỉnh suy giảm mơ hình 3D Unet GAN………………………… …94 4.2.3 Tập liệu………………………………………………………………….……95 4.2.4 Phương pháp thực nghiệm………………………………………………….……97 4.2.5 Kết thực nghiệm………………………………………………………… …98 Đề xuất giải pháp hỗ trợ định chẩn đoán……………………………….…… 102 4.3.1 Cơ sở liệu …………………… ……………………………….………… 102 4.3.2 Mơ hình chẩn đốn…………………………………………………………… 104 4.3.3 Thử nghiệm kết quả………………………………………… ………… ….106 Kết luận chương 4………………………………………………………………………110 KẾT LUẬN………………………………………………………………………… …… …111 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………….…… …113 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ………………………………… ……….121 v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Bệnh động mạch vành… ………………………………….…………………………8 Hình 1.2 Mạch máu tim Xoang ngang 2.Động mạch vành phải Động mạch vành trái Động mạch mũ tim Động mạch liên thất trước ……………………………………9 Hình 1.3 Đặc trưng hình ảnh khuyết xạ xạ hình tưới máu tim…………………12 Hình 1.4 Chiến thuật điều trị thiếu máu tim cục dựa xạ hình tưới máu tim……15 Hình 1.5 Sự phát triển học máy tim mạch hạt nhân…………………………… …18 Hình 1.6 So sánh đường ROC SVM bác sĩ dị tìm tổn thương tim … …19 Hình 1.7 Độ nhạy, độ đặc hiệu độ xác thuật tốn ML so với TPD phân tích trực quan chuyên gia ……………………………………………………………………20 Hình 1.8 Đường cong ROC cho dự đốn biến cố tim bất lợi MACE…………………………21 Hình 1.9 Mơ hình DL dự đốn tắc nghẽn mạch vành…………………………… ……22 Hình 2.1 Hệ thống máy SPECT: Infinia, Optima, Ventri…………………………………… 30 Hình 2.2 Quy trình xạ hình tưới máu tim máy SPECT………………………………36 Hình 2.3 Ảnh lát cắt ảnh cực trình bày theo protocol chẩn đốn ……………… … 39 Hình 2.4 Protocol chuyên lấy ảnh cho học máy………………………………………………39 Hình 2.5 Sơ đồ chuẩn hóa liệu………………………………………………………… …40 Hình 2.6 File trả lời kết quả…………………………………………………………… ……41 Hình 2.7 Ảnh cực tổng hợp từ lát cắt……………………………………….………43 Hình 2.8 Phần mềm gắn nhãn liệu bệnh nhân………………………………………… …44 Hình 3.1 Ảnh khơng hiệu chỉnh suy giảm (NC images) ảnh có hiệu chỉnh suy giảm (AC images) bệnh nhân………………………………………………………………54 Hình 3.2 Mạng nơron tích chập CNN…………………………………………………………57 Hình 3.3 Ma trận kích thước 600 * 800……………………………………………….………58 Hình 3.4 Biểu diễn ma trận điểm màu………………………………………………… ……58 Hình 3.5 Ba ma trận biểu diễn ảnh màu……………………………………………….………59 Hình 3.6 Ảnh mầu tensor chiều …………………………………………… …… 59 Hình 3.7 Phép tính tích chập……………………………………………………………… …60 Hình 3.8 Phép tính tích chập cho ảnh màu có kênh red, green, blue………………… ……61 Hình 3.9 Tensor chiều có chiều sâu k………………………………………………….……61 vi Hình 3.10 Lớp gộp kích thước (2,2) …………………………………………………….……62 Hình 3.11 Các loại lớp gộp……………………………………………………………………63 Hình 3.12 Mạng CAE lọc nhiễu…………………………………………………… …63 Hình 3.13 Mơ hình mạng U-net………………………………………………………….……65 Hình 3.14 Phép tính transposed convolution…………………………………………….……66 Hình 3.15 Sơ đồ mạng GAN……………………………………………………………… …67 Hình 3.16 Nhóm ảnh lát cắt thành khối mẫu 3D…………………………………………72 Hình 3.17 Kiến trúc 3D-CAE đề xuất…………………………………………………………73 Hình 3.18 Đầu vào NC, ảnh biến đổi ảnh đích thật ………………………………………76 Hình 3.19 Kiến trúc 3DUnet-GAN……………………………………………………………78 Hình 3.20 Đồ thị hàm Sigmoid……………………………………………………………… 79 Hình 3.21 Đồ thị hàm mục tiêu trường hợp yi = 1…………………………………… 81 Hình 3.21 Đồ thị hàm mục tiêu trường hợp yi = 0………………………………….… 81 Hình 3.23 Ảnh đầu vào, ảnh dự đốn ảnh thật……………………………………… ……84 Hình 4.1 Deep learning neural network, Regression, Random Forests, Support vector machine, Gradient Boosting Machines…………………………………………………………89 Hình 4.2 Trích xuất đặc trưng học máy deep learning …………………………… …89 Hình 4.3 Ảnh dự đốn hiệu chỉnh suy giảm GenAC từ mơ hình 3D Unet GAN ảnh chưa hiệu chỉnh suy giảm NC…………………………………………………………………… …92 Hình 4.4 Thứ tự xếp ảnh…………………………………………………….…………….93 Hình 4.5 Phần mềm hỗ trợ đọc kết thực nghiệm………………………… ……….94 Hình 4.6 Độ xác chẩn đốn…………………………………………………………… 96 Hình 4.7 So sánh độ nhạy độ đặc hiệu…………………………………………… 98 Hình 4.8 Gia tăng tỉ lệ phát bệnh nhân không tổn thương dùng GenAC……… … 98 Hình 4.9 Gia tăng tỉ lệ phát nhánh không tổn thương……………………… 99 Hình 4.10 A Ảnh cắt lát; B Ảnh đồ cực……………………………………… … … 100 Hình 4.11 Khuyết xạ tưới máu hình ảnh SPECT tim……………………… …………101 Hình 4.12 Kiến trúc VGG gồm 16 lớp CNN………………………………………… ….102 Hình 4.13 Kiến trúc mạng deep-learning sử dụng để chẩn đoán CAD……… ………… 103 Hình 4.14 Kiểm tra chéo đoạn (5-fold cross validation) …………………………….……105 Hình 4.15 Độ xác mơ hình sử dụng ảnh cắt lát MPI ảnh cực tập con105 vii Hình 4.16 Độ xác trung bình mơ hình sử dụng ảnh cắt lát MPI ảnh đồ cực………………………………………………………………………………………….…106 Hình 4.17 ROC mơ hình sử dụng ảnh cắt lát MPI ảnh đồ cực…… …………106 viii ... trưng hình ảnh SPECT tim người Việt Nam Đây khơng phục vụ cho nghiên cứu tác giả mà phục vụ nghiên cứu khác xử lý ảnh, hỗ trợ chẩn đoán bệnh động mạch vành ảnh SPECT tim sau  Vấn đề xử lý nhiễu... kết chẩn đoán? ??……………… … 15 1.3 Giải pháp xử lý ảnh SPECT tim hỗ trợ chẩn đoán bệnh động mạch vành …… …….17 1.3.1 Tình hình nghiên cứu giải pháp nước …………………………… ….17 1.3.2 Tình hình nghiên cứu. .. BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Thành Trung NGHIÊN CỨU XỬ LÝ ẢNH SPECT TIM TRONG HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN BỆNH ĐỘNG MẠCH VÀNH Ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 9520203 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN