Nghiên cứu kỹ thuật tái tạo ảnh 3 chiều trong y khoa và ứng dụng luận văn thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG *** TRẦN THỊ HẢI YẾN NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TÁI TẠO ẢNH 3 CHIỀU TRONG Y KHOA VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Đồng Nai, 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG *** TRẦN THỊ HẢI YẾN NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TÁI TẠO ẢNH 3 CHIỀU TRONG Y KHOA VÀ ỨNG DỤNG Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Mã số: 60 48 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS TRẦN HÀNH Đồng Nai, 2011 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn này là trung thực. Những tư liệu được sử dụng trong luận văn có nguồn gốc và trích dẫn rõ ràng, đầy đủ. Học viên Trần Thị Hải Yến LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Trần Hành đã hướng dẫn nhiệt tình, tận tâm trong suốt quá trình tôi thực hiện luận văn này. Xin được đồng cảm ơn thầy TS. Đỗ Năng Toàn đã giúp đỡ và hỗ trợ thêm cho tôi những kiến thức bổ ích để có thể hoàn thành tốt luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn quí Thầy (Cô) trong Khoa Công Nghệ Thông Tin và Trung Tâm Thông Tin Tư Liệu - trường Đại học Lạc Hồng đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trường. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quí Thầy (Cô) ngoài trường đã tận tâm dạy bảo tôi trong suốt quá trình học tập và giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu. Xin chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình, cùng các anh chị em, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên tôi trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này. Đồng Nai, ngày tháng năm 2011 Học viên Trần Thị Hải Yến MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN . i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH vi DANH MỤC BẢNG . ix MỞ ĐẦU . 1 Chương 1 . 4 TỔNG QUAN VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ TÁI DỰNG HÌNH ẢNH 3D 4 1.1 Tổng quan về đồ hoạ 3D . 4 1.1.1 Một số khái niệm về đồ họa 3D 4 1.1.2 Các ứng dụng cơ bản của đồ họa 3D . 6 1.2 Tái dựng hình ảnh 3D . 8 1.2.1 Sơ lược về quy trình hiển thị 3D . 8 1.2.2 Lý thuyết về tái tạo khối (volume rendering) 12 1.2.3 Tái tạo ảnh 3 chiều từ các lát cắt song song 17 1.2.3.1 Một số thiết bị tạo lát cắt song song trong y tế 17 1.2.3.2 Chuẩn DICOM . 21 1.2.4 Phương pháp tái tạo ảnh 3D 30 1.2.4.1 Sắp xếp dữ liệu . 30 1.2.4.2 Biểu diễn (rendering) 31 1.2.4.3 Quy trình chuyển đổi khối dữ liệu thành hình ảnh 34 1.2.4.4 Các phương pháp tạo bố cục ảnh (image composition) . 35 Chương 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT TÁI TẠO HÌNH ẢNH 3D 38 2.1 Kỹ thuật Marching cubes 38 2.1.1 Ý tưởng . 38 2.1.2 Quy trình thực hiện . 38 2.1.3 Phương pháp thực hiện . 39 2.1.4 Giải thuật Marching cubes 44 2.1.5 Ưu và nhược điểm của thuật toán Marching Cubes 44 2.1.6 Cải tiến kỹ thuật Marching cube . 45 2.1.6.1 Kỹ thuật Marching Tetrahedra 45 2.1.6.2 Kỹ thuật Dividing cubes 46 2.2 Kỹ thuật Shear-warp . 46 2.2.1 Ý tưởng . 46 2.2.2 Quy trình thực hiện . 47 2.2.3 Phương pháp thực hiện . 48 2.2.4 Ưu và nhược điểm 50 2.3 Kỹ thuật Ray Casting 50 2.3.1 Ý tưởng . 50 2.3.2 Quy trình Ray Casting 51 2.3.3 Phương pháp thực hiện . 51 2.3.4 Giải thuật Raycasting 55 2.3.5 Ưu và nhược điểm 55 2.3.6 Một số kỹ thuật tăng tốc cho Ray Casting . 56 2.3.6.1 Chấm dứt tia sớm . 56 2.3.6.2 Space-Leaping 56 2.3.6.3 Cấu trúc phân cấp không gian dữ liệu . 57 2.3.6.4 Adaptive ray traversal . 57 2.3.6.5 Exploiting Temporal Coherence . 58 2.3.7 Cải tiến Ray casting sử dụng cấu trúc phân cấp không gian 58 2.3.8 Giải thuật Ray casting cải tiến sử dụng cấu trúc phân cấp không gian dữ liệu 62 2.3.9 So sánh tốc độ của Ray casting và Ray casting cải tiến sử dụng cấu trúc phân cấp không gian . 63 Chương 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 65 3.1 Bài toán . 65 3.2 Giới thiệu bộ công cụ mã nguồn mở VTK 68 3.2.1 Cấu trúc một ứng dụng VTK . 69 3.2.2 Mô hình đối tượng (Object model) 69 3.3 Kết quả đạt được . 73 PHẦN KẾT LUẬN 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Quy trình hiển thị đối tượng 3D 9 Hình 1.2: Loại bỏ các đối tượng không nhìn thấy. 10 Hình 1.3: Chiếu sáng đối tượng. . 10 Hình 1.4: Chuyển đối tượng sang không gian quan sát . 10 Hình 1.5: Loại bỏ đối tượng nằm ngoài view. 11 Hình 1.6: Chuyển đối tượng thành pixel. 11 Hình 1.7: Hiển thị đối tượng. 12 Hình 1.8 : Voxel là một tế bào khối 12 Hình 1.9 : Voxel là một điểm dữ liệu tại một góc của tế bào 13 Hình 1.10: Vector pháp tuyến của mặt phẳng . 16 Hình 1.11: vật thể 3 chiều được biểu diễn bằng khung kết nối . 17 Hình 1.12: DICOM và mô hình tham chiếu OSI . 22 Hình 1.13: Thông tin file DICOM 23 Hình 1.14: Một số trường của ảnh DICOM 24 Hình 1.15: Cấu trúc file DICOM . 25 Hình 1.16: Cấu tạo Data Set . 26 Hình 1.17: Xắp sếp các lát cắt song song để tạo khối dữ liệu 30 Hình 1.18: Minh họa thuật toán Marching square (đường cong mô tả giá trị trong lưới dữ liệu) . 32 Hình 1.19: 16 trường hợp Marching square 32 Hình 1.20: Minh họa tạo bề mặt từ các đường viền 33 Hình 1.21: Minh họa kỹ thuật Object – order. 35 Hình 1.22: Minh họa kỹ thuật Ray casting 35 Hình 2.1 : Chọn một tế bào từ khối dữ liệu . 39 Hình 2.2 : So sánh giá trị tại đỉnh với isovalue . 40 Hình 2.3 : Đánh dấu những đỉnh nằm trong mặt phẳng 40 Hình 2.4: Xây dựng bề mặt theo giá trị của các đỉnh 40 Hình 2.5: Các trường hợp đối xứng 41 Hình 2.6: 15 trường hợp sau khi đã giản ước 41 Hình 2.7 : Tạo chỉ số cho các đỉnh và cạnh . 42 Hình 2.8 : Nội suy tính vị trí đỉnh của tam giác 43 Hình 2.9: 2 mặt giao nhau tạo ra lỗ. 43 Hình 2.10: Những mặt khác nhau của cùng một trường hợp . 43 Hình 2.11: Chia khối lập phương thành các khối tứ diện 45 Hình 2.12: 2 trường hợp mặt phẳng đi qua khối tứ diện 45 Hình 2.13: Minh hoạ thuật toán Dividing Cubes trong không gian 3 chiều 46 Hình 2.16 : Minh họa thuật toán Shear-warp. . 47 Hình 2.14: Các lát cắt của khối dữ liệu được dịch chuyển 48 Hình 2.15 : Ma trận xem 50 Hình 2.17: Hệ thống các toạ độ trong suốt quá trình tái dựng ảnh 53 Hình 2.18: Tổng hợp màu sắc và độ chắn sáng . 54 Hình 2.19 : Tổng hợp màu sắc và độ chắn sáng của tất cả các voxel dọc theo tia và hiển thị giá trị cuối cùng lên mặt phẳng ảnh . 54 Hình 2.20: Tia đi qua khối nhị phân được chia ra khu vực đồng nhất . 57 Hình 2.21 : Minh hoạ ý tưởng tia thích nghi với chỗ giao cắt . 58 Hình 2.22: Sử dụng C-buffer 58 Hình 2.23: Liệt kê cấu trúc không gian đối tượng với N =5 60 Hình 2.24: Minh hoạ 2 chiều cách 1 tia đi qua cấu trúc phân cấp . 62 Hình 3.1: Mô hình đồ họa của VTK . 70 Hình 3.2 : Mô hình trực quan hóa của VTK . 71 Hình 3.3 : Các tập dữ liệu của VTK . 72 Hình 3.4: Sơ đồ các đối tượng theo sơ đồ OMT [18] 72 Hình 3.5 : Giao diện chính của chương trình 73 Hình 3.6: Chọn thư mục chứa tập DICOM. 74 Hình 3.7: Kết quả hiện thị ảnh 3D được tái tạo. 74