Thiết kế và xây dựng bộ phần mềm xử lý ảnh y sinh

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -o0o - TRẦN DUY LINH THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH Chuyên ngành : Vật lý Kỹ thuật Mã số ngành : 604417 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH – Tháng 6/2009 Luận văn Thạc sĩ: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH ĐHBK TPHCM - 2009 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC 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 : TS Lý Anh Tú Cán chấm nhận xét : TS BS Trần Công Toại Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ - TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, Ngày 12 tháng năm 2009 HVTH: Trần Duy Linh GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn Thạc sĩ: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐHBK TPHCM - 2009 CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHIà VIỆT NAM KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày 01 tháng 09 năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN DUY LINH Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 15-12-1984 Nơi sinh: TP Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Vật lý Kỹ thuật Y sinh MSHV: 01207134 1- TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Khảo sát phương thức tạo ảnh đặc điểm loại ảnh y sinh (bao gồm loại hình ảnh chẩn đốn y khoa hình ảnh sinh học) - Tìm hiểu định dạng ảnh chuẩn ảnh y khoa - Khảo sát tổng quan lý thuyết xử lý ảnh chọn lựa giải thuật phù hợp dùng cho việc xử lý ảnh y sinh - Xây dựng phần mềm mã nguồn mở có khả xử lý đa năng, cụ thể là: tăng cường ảnh, phân vùng ảnh, hợp ảnh tái tạo ảnh 3D - Đề quy trình xử lý cho loại ảnh minh hoạ ứng dụng thực tế 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 01-09-2008 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 03-07-2009 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Huỳnh Quang Linh Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) HVTH: Trần Duy Linh CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn Thạc sĩ: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH ĐHBK TPHCM - 2009 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tơi xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Thầy Huỳnh Quang Linh, người tận tâm hướng dẫn, cung cấp kiến thức động viên suốt trình học tập, làm việc, thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô môn Vật Lý Kỹ Thuật Y Sinh trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh suốt năm qua truyền đạt kiến thức chuyên ngành, làm tảng cho tơi hồn thành đề tài Tơi xin gửi lời cảm ơn lời chúc tốt đẹp đến tập thể anh chị, bạn học viên cao học học chung với năm qua Đặc biệt xin gởi lời tri ân đến gia đình, người ln cận kề, động viên tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành tốt luận văn TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2009 Trần Duy Linh HVTH: Trần Duy Linh GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn Thạc sĩ: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH ĐHBK TPHCM - 2009 TÓM TẮT LUẬN VĂN Cùng với với phát triển không ngừng thiết bị chẩn đốn hình ảnh y khoa, phần mềm xử lý ảnh đóng vai trị ngày quan trọng việc hỗ trợ bác sĩ công tác chẩn đốn Từ tính phần mềm tăng cường độ tương phản ảnh, lọc nhiễu, làm rõ ảnh tính cao cấp phân vùng ảnh, hợp ảnh với nhau, hay tái tạo 3D… tất có chung mục đích cung cấp cho bác sĩ nhìn rõ ràng nhiều thơng tin tình trạng bệnh lý bệnh nhân, giúp họ đưa chẩn đốn xác Nắm bắt tầm quan trọng đó, luận văn tác giả tiến hành nghiên cứu đặc điểm loại ảnh y sinh giải thuật để xử lý chúng nhằm xây dựng nên phần mềm tích hợp chức xử lý ảnh nói Bộ phần mềm đóng vai trị công cụ xử lý đa phục vụ cơng tác đào tạo lĩnh vực xử lý hình ảnh y sinh công cụ linh hoạt để chẩn đốn hình ảnh cận lâm sàng ABSTRACT Along with the rapid development of diagnostic imaging equipment, software for biomedical image processing has played an important role in helping doctors to reach accurate diagnoses Featuring from basic functions such as contrast enhancement, noise removal, image sharpening to advanced functions such as image segmentation, registration, 3D visualization, they all have the same purpose in providing a useful tool for medical personnel to look into a living body with sufficient information in order to diagnose many types of diseases, injuries and conditions Grasping the importance of that, we have studied characteristics of various biomedical image types and processing algorithms to build a software package which is integrated all the above functions This software package is a multipurpose tool to facilitate and enhance either practice training of biomedical image processing or flexible manipulation in paraclinical practice of medical image diagnosis HVTH: Trần Duy Linh GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn Thạc sĩ: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH ĐHBK TPHCM - 2009 MỤC LỤC Đề mục Trang Trang bìa Thơng tin luận văn Nhiệm vụ luận văn Lời cảm ơn Tóm tắt Mục lục PHẦN 1: MỞ ĐẦU CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG CHƯƠNG MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 11 PHẦN 2: TỔNG QUAN 12 CHƯƠNG MỘT SỐ LOẠI ẢNH VÀ CHUẨN ẢNH Y TẾ Ảnh X-quang ……… 12 Ảnh chụp mạch máu kỹ thuật số (DSA) 15 Ảnh cắt lớp điện toán (CT) …………………… 16 Ảnh cộng hưởng từ hạt nhân (MRI) … 19 Ảnh siêu âm 22 Ảnh cắt lớp điện toán phát xạ đơn photon (SPECT) 26 Ảnh cắt lớp phát xạ positron (PET) 28 Ảnh vi thể 30 So sánh đặc điểm loại ảnh 31 10 Chuẩn ảnh y tế DICOM 31 11 Một số định dạng ảnh khác 34 CHƯƠNG LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ XỬ LÝ ẢNH Y TẾ 36 Tăng cường ảnh 37 1.1 Giải thuật khử nhiễu 37 1.2 Giải thuật làm rõ ảnh 41 1.3 Giải thuật điều chỉnh cường độ sáng 45 Phân vùng ảnh………… 50 2.1 Đặt ngưỡng 50 2.2 Phát triển vùng 52 HVTH: Trần Duy Linh GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn Thạc sĩ: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH ĐHBK TPHCM - 2009 2.3 Đường phân nước 54 2.4 Các thuật toán dựa cạnh 55 Hợp ảnh………… 55 3.1 Dựa điểm mốc 57 3.2 Dựa cường độ 60 3.3 Dựa cấu trúc phân tách 62 3.4 Hợp hai ảnh khác loại 62 3.5 Hợp hai ảnh khác thời điểm chụp 63 Tái tạo ảnh chiều ………… 64 4.1 Sắp xếp liệu 64 4.2 Biểu diễn khối liệu 65 PHẦN 3: KẾT QUẢ & THỰC HÀNH 68 CHƯƠNG THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH 68 Module tăng cường ảnh ……… 69 Module phân vùng ảnh 72 Module hợp ảnh…………………… 74 Module tái tạo ảnh chiều … 77 CHƯƠNG TRIỂN KHAI GIẢI THUẬT 81 Tăng cường ảnh 81 1.1 Điều chỉnh cường độ sáng 81 1.2 Thay đổi kích thước hình dạng 84 1.3 Lọc nhiễu - làm rõ ảnh 85 Phân vùng ảnh………… 86 2.1 Đặt ngưỡng 86 2.2 Hạt giống 86 2.3 Đếm số lượng 87 2.4 Phần vùng ảnh màu 88 2.5 Phần vùng ảnh siêu âm Doppler 89 Hợp ảnh………… 93 3.1 Ghép ảnh 93 3.2 Trừ ảnh 94 3.3 Hợp tay 94 3.4 Hợp bán tự động 95 HVTH: Trần Duy Linh GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn Thạc sĩ: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH ĐHBK TPHCM - 2009 3.5 Hợp tự động 96 Tái tạo ảnh chiều ………… 99 4.1 Nội suy thêm ảnh 99 4.2 Biểu diễn MPR 100 4.3 Biểu diễn bề mặt SR 100 4.4 Biểu diễn khối cắt 101 CHƯƠNG QUY TRÌNH XỬ LÝ TỪNG LOẠI ẢNH 102 Ảnh X-quang ………… 102 Ảnh DSA 103 Ảnh CT / MRI…………………… 104 Ảnh SPECT / PET … 105 Ảnh siêu âm 106 Ảnh vi thể…………………… 107 CHƯƠNG MỘT VÀI VÍ DỤ THỰC TẾ ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH 108 Ví dụ ………… 108 Ví dụ 110 Ví dụ …………………… 112 Ví dụ … 115 Ví dụ 116 Ví dụ …………………… 120 Ví dụ …………………… 123 Ví dụ …………………… 126 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG TRÌNH 128 Yêu cầu phần cứng ………… 128 Hiệu sử dụng 128 Ưu nhược điểm …………………… 131 PHẦN 4: KẾT LUẬN 133 Kết đạt ………… 133 Hướng phát triển 135 Tài liệu tham khảo 136 Phụ lục: Cách cài đặt phần mềm 138 Các báo đề tài gửi đăng 139 Lý lịch trích ngang 140 HVTH: Trần Duy Linh GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn Thạc sĩ: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH ĐHBK TPHCM - 2009 PHẦN 1: MỞ ĐẦU Chương 1: Giới thiệu chung Y học đại chẩn đoán bệnh dựa vào triệu chứng lâm sàng (thăm khám trực tiếp) triệu chứng cận lâm sàng (xét nghiệm chẩn đốn hình ảnh) Trong chẩn đốn cận lâm sàng, chẩn đốn hình ảnh đóng vai trị quan trọng Trong năm gần đây, bệnh viện sở y tế Việt Nam trang bị ngày nhiều thiết bị chẩn đốn hình ảnh đại Thế hệ máy chụp X-quang truyền thống dần thay hệ thống chụp Xquang kỹ thuật số, chụp cắt lớp điện tốn (CT) Bên cạnh đó, thiết bị chụp ảnh khác siêu âm, cộng hưởng từ (MRI), bị chụp cắt lớp điện toán phát xạ đơn photon (SPECT), chụp cắt lớp phát xạ positron (PET), chụp mạch máu kỹ thuật số (DSA) ngày trở nên quen thuộc Các thiết bị giúp bác sĩ dễ dàng “nhìn thấy” cấu trúc lẫn chức quan bên thể người bệnh mà không cần dùng kỹ thuật xâm lấn (phẫu thuật), từ đưa chẩn đốn cách xác Chẳng hạn, bệnh lý sọ não, kỹ thuật chụp MRI giúp xác định tốt khối u, vùng máu tụ nội sọ Kỹ thuật chụp CT giúp phát cấu trúc khác thường buồng tim, van tim PET SPECT có khả chẩn đốn mặt chức quan bị bệnh ung thư vv… Có điều dễ nhận thấy thiết bị chẩn đốn hình ảnh ngày hoạt động dựa vào hỗ trợ đắc lực máy tính Cụ thể phần mềm máy tính có khả tái tạo, hiển thị, xử lý phân tích ảnh Trong q trình chụp, ảnh bị nhiễu, mờ, sai lệch Nguyên nhân gây tượng bệnh nhân di chuyển lúc chụp, thông số chụp không tối ưu (nguyên nhân chủ quan) ảnh giả gây phần cứng thiết bị, cấu trúc vùng chụp (ngun nhân khách quan) Chính thế, phần mềm xử lý ảnh có vai trị quan trọng việc nâng cao chất lượng ảnh chụp thuật toán loại nhiễu, làm cho ảnh rõ hơn, tăng cường độ tương phản cho ảnh Mặt khác, phần mềm cịn giúp xử lý thơng tin ảnh để cung cấp số liệu diện tích, thể tích, số lượng vùng quan tâm Chẳng hạn phần mềm xác định xác kích thước tạng đặc ổ bụng (gan, lách, thận, tụy ), đánh giá thể tích khối u bất thường nhằm đề phác đồ cho việc điều trị, phân tách đếm số lượng nhiễm sắc thể để đánh giá phát triển thai nhi vv… Không HVTH: Trần Duy Linh GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn Thạc sĩ: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH ĐHBK TPHCM - 2009 thế, xu hướng việc chẩn đốn hình ảnh năm gần việc kết hợp nhiều phương thức chẩn đốn hình ảnh có, kết hợp ảnh CT-SPECT, MRISPECT, MRI-CT Việc kết hợp thực phần mềm, thiết bị chụp kết hợp (máy SPECT-CT) sau phải nhờ trợ giúp phần mềm để hiệu chỉnh sai lệch nhỏ hai lần chụp [14] Nhiều bệnh lý đòi hỏi phải có thơng tin cấu trúc lẫn chức như: ung thư, khối u não, bệnh Alzheimer, tâm thần phân liệt, khảo sát hoạt động hệ thống tim mạch… Khi quan sát CT hay MRI, bác sĩ gặp khó khăn việc xác định vị trí xác mơ ung thư độ tương phản thấp mô ung thư so với mô xung quanh Với ảnh PET, bác sĩ xác định rõ khối u lại khó xác định vị trí giải phẫu chúng Do vậy, ghép ảnh lại với giúp bác sĩ dễ dàng xác định vị trí giải phẫu khối u để đưa phác đồ điều trị xác Một vai trị khác phần mềm tái tạo ảnh 3D để cung cấp nhìn trực quan quan thể người bệnh Các hình ảnh 3D giúp bác sĩ dễ dàng hình dung cấu trúc phức tạp hệ thống mạch máu, buồng, van tim, ruột… Nội soi ảo ứng dụng tiên tiến dựa việc tái tảo ảnh 3D Thay với kỹ thuật thơng thường phải dung ống nội soi đưa vào thể gây đau đớn khó chịu cho người bệnh, thiết bị chụp cắt lớp MSCT 64 lát cắt với hỗ trợ phần mềm giúp tái tạo chiều ống tiêu hóa, khí phế quản, xoang… Như vậy, hệ thống chẩn đốn hình ảnh, ngồi phần cứng thiết bị chụp, phần mềm xử lý ảnh có vai trị quan trọng định kết chẩn đốn Tính xác tốc độ xử lý phần mềm phụ thuộc vào giải thuật mà sử dụng Các thuật tốn giải công việc (cùng chạy với tập liệu ban đầu) so sánh độ xác kết đạt (so sánh với liệu chuẩn – ground truth) & thời gian thực (trung bình nhiều lần chạy) Độ xác xây dựng dựa số tiêu chí thuật tốn Từ đánh giá hay nhận xét thuật toán nên áp dụng trường hợp liệu Thời gian thực tính dễ dàng dựa vào thời gian tính trước sau thuật toán thực thi, nhằm đảm bảo khơng có tiến trình khác can thiệp vào trình thực thi thuật tốn Với bùng nổ cơng nghệ thơng tin, phần mềm xử lý ảnh y tế ngày cải tiến với nhiều tính Một số phần mềm xử lý ảnh phổ biến thị trường eFilm, 3D-Doctor, BrainSuite, DICOMWorks… Bên cạnh phần mềm hãng thứ 3, HVTH: Trần Duy Linh GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn Thạc sĩ: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH ĐHBK TPHCM - 2009 Nếu việc cân chỉnh thành cơng chương trình thơng báo: Ta để ý sau lưu lượng trung bình hiển thị: Kể từ lúc ta click vào nút “Lưu lượng điểm” click điểm hình để biết lưu lượng dịng chảy điểm Tương tự ta tiến hành để tách & khảo sát vùng xanh Click vào nút v(-) để phân tách vùng xanh Các bước thực tương tự Ví dụ 8: Ảnh xử lý: Ảnh vi thể tế bào máu (nguồn ảnh: Microscope Imaging Station) Ảnh 3.4.20: Ảnh tế bào máu chụp qua kính hiển vi Phân tích: Cần đếm số lượng tế bào máu ảnh Tiến hành xử lý: Dùng module IBK-Segmentation Click vào nút “Đếm số lượng” Chương trình yêu cầu người dùng click vào vùng Sau đó, chương trình tự động đến số lượng cho kết quả: HVTH: Trần Duy Linh 126 GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn Thạc sĩ: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH ĐHBK TPHCM - 2009 Ảnh 3.4.21: Ảnh kết quả, số lượng tế bào máu ảnh 211 HVTH: Trần Duy Linh 127 GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn Thạc sĩ: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH ĐHBK TPHCM - 2009 Chương 5: Đánh giá chương trình Yêu cầu phần cứng Yêu cầu tối thiểu phần cứng chạy chương trình: CPU Intel® Pentium 2.0 GHz tương đương RAM 512MB Khi xử lý ảnh có độ phân giải cao (1024x1024) xử lý ảnh 3D, nên sử dụng RAM 1GB trở lên Nếu máy tính gài Matlab: HDD cần trống 10MB (dành cho IBK); máy tính khơng có Matlab: HDD cần trống 530MB (520MB dành cho MATLAB Runtime Machine & 10MB cho IBK) Hệ điều hành Microsoft Windows® XP, Microsoft Windows® Vista Microsoft Windows® với độ phân giải hình tối thiểu 1024x768 Yêu cầu phần cứng nhìn chung khơng cao so với cấu hình máy tính phổ thơng Trong năm 2009, dịng CPU Pentium khơng cịn bán thức thị trường mà thay dòng Pentium Core2 Duo hay Core2 Quad với tốc độ xử lý nhanh gấp nhiều lần; nữa, RAM ổ cứng có giá thành ngày rẻ với dung lượng ngày tăng Hiệu sử dụng chương trình Hiệu sử dụng chương trình đánh giá tiêu chí sau: Tính đa năng: chương trình có tính đa cao kết hợp linh động module tăng cường ảnh, phân vùng, hợp tái tạo 3D - vốn vấn đề xử lý ảnh y tế - để tạo quy trình xử lý ảnh khác Ví dụ, với ảnh cần xử lý ngõ vào, ta tiền xử lý cách tăng cường ảnh, sau tiến hành hợp ảnh phân vùng ảnh tái tạo 3D ảnh kết quả; bỏ qua bước tiền xử lý để hợp ảnh tái tạo ảnh 3D v.v… Bên cạnh đó, khả đọc nhiều định dạng ảnh (JPG, BMP, GIF, PNG, TIF, DICOM, DICOMDIR) xử lý nhiều loại ảnh y sinh khác (ảnh X-quang, DSA, CT, MRI, PET, SPECT, siêu âm, ảnh vi thể) góp phần nâng cao tính đa chương trình Tính thân thiện với người dùng: giao diện chương trình thiết kết khoa học trực quan nên việc sử dụng trở nên dễ dàng thuận lợi Bằng cách chia nhóm chức chương trình thành khối dựa vào quy trình xử lý giúp người dùng nằm bắt chức HVTH: Trần Duy Linh 128 GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn Thạc sĩ: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH ĐHBK TPHCM - 2009 thao tác nhanh chóng Ví dụ: khối bệnh nhân gồm tính xử lý đầu vào (mở ảnh, xem thơng tin bệnh nhân) xuất ảnh đầu (lưu / in ảnh); khối cường độ xử lý độ sáng, độ tương phản…; khối hiển thị; khối lọc nhiễu… Thời gian thực hiện: tác giả tiến hành khảo sát thời gian xử lý số tính chương trình: Máy tính sử dụng: CPU Pentium Core2 Duo 2.66GHz, RAM 1GB, WindowXP Ảnh xử lý: ảnh DICOM kích thước 512x512 pixels Thời gian khởi động IBK: giây Dưới biểu đồ so sánh chi tiết chức module: Hình 3.4.1: Biểu đồ so sánh thời gian xử lý tính IBK-Enhancement Hình 3.4.2: Biểu đồ so sánh thời gian xử lý tính IBK-Segmentation HVTH: Trần Duy Linh 129 GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn Thạc sĩ: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH ĐHBK TPHCM - 2009 Hình 3.4.3: Biểu đồ so sánh thời gian xử lý tính IBK-Segmentation Hình 3.4.4: Biểu đồ so sánh thời gian xử lý tính IBK-3D Nhìn chung tốc độ xử lý chương trình thực nhanh (gần tức thời) ngoại trừ khối mở thư mục DICOMDIR, hợp tự động & tái tạo bề mặt 3D Tính hệ thống: bốn module chương trình xây dựng cách có hệ thống việc sử dụng chung khối từ phát triển lên chức cao cấp đặc thù cho module Nhờ hệ thống dễ dàng phát triển thêm tương lai cách viết thêm tính dựa vào khung có Tính linh hoạt: chương trình dễ dàng sửa chữa dựa vào ngơn ngữ Matlab thơng dụng Tính sư phạm: mã nguồn chương trình mơ tả ghi chi tiết giúp học viên hiểu rõ câu lệnh cách nhanh chóng Các module chương trình dùng để minh hoạ giai đoạn xử lý ảnh trình dạy học Ngồi ra, phần HVTH: Trần Duy Linh 130 GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn Thạc sĩ: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH ĐHBK TPHCM - 2009 hướng dẫn (help) trình bày rõ ràng qua giúp người dùng tra cứu nhanh chóng cách thao tác mục đích chức chương trình Ưu nhược điểm chương trình Tính Ưu điểm Nhược điểm Đọc ảnh Đọc tốt đa số loại ảnh thông Thời gian đọc thư mục ảnh dụng ảnh DICOM, thư mục DICOMDIR chậm ảnh DICOMDIR, khối liệu 3D (*.mat) Hiển thị ảnh Có thể thị danh sách ảnh Chỉ hiển thị ảnh xử ảnh DICOMDIR Ảnh lý (IBK-Enhancement; IBK- thể xác chọn Registration) mà không tuỳ biến cửa sổ thang xám cho file thành nhiều ô với nhiều ảnh lúc DICOM Hiển thị thơng tin Có khả thị đầy đủ Không hiển thị thông tin thông tin ảnh / bệnh nhân lấy chồng lên ảnh (thường thấy file DICOM chương trình xử lý ảnh chuyên nghiệp) Lưu / In ảnh Lưu nhiều định dạng file Chức in ảnh cịn hạn chế ảnh, file video mà không phụ chưa in lúc nhiều ảnh thuộc vào định dạng file đọc vào trang Có khả thêm thơng tin bệnh nhân vào file DICOM Tăng cường ảnh Đáp ứng yêu cầu Khối “Bộ lọc” hạn chế tăng cường ảnh thiếu lọc thích nghi (adaptive filters) Phân vùng ảnh Có khả phân vùng ảnh đen- Khả chọn vùng quan tâm trắng lẫn ảnh màu Tính (ROI) cịn yếu Chức “đếm diện tích tỉ lệ vùng Thêm bớt số lượng” nhiều sai số danh sách vùng trường hợp đối tượng dính Khả hỗ trợ việc xác HVTH: Trần Duy Linh 131 GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn Thạc sĩ: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH ĐHBK TPHCM - 2009 định ngưỡng phù hợp chưa cao Hợp ảnh Hỗ trợ nhiều phương thức hợp Phương thức “ghép tay” ảnh (bằng tay, bán tự động, xử lý ảnh lệch tự động) Có thể ghép trừ vị trí, góc, kích thước mà ảnh Tuỳ biến đa dạng với nhiều không xử lý ảnh méo thơng số Có thể ghép dạng so với khơng ảnh với Có khả gian ghép riêng phần đồi tượng Tái tạo ảnh 3D Có khả nội suy thêm ảnh, Tốc độ tái tạo chậm Chưa xử lý thay đổi kích thước cho tất file có kích thước lớn ảnh ảnh lúc Có thể số lượng nhiều Khả tái tạo khối cắt (volume loại bỏ chi tiết hạn chế shear) thay đổi độ (chỉ dùng kỹ thuật đặt ngưỡng) suốt cho khối 3D IBK version 1.0 Chưa đánh dấu vùng Đáp ứng kỹ thuật xử lý Một số tính (đặc biệt tái ảnh y tế Có khả kết hợp, tạo 3D) có tốc độ xử lý cịn chậm chuyển đổi module xử lý linh hoạt Có tính đa cao Giao diện thiết kế mạch lạc, thân thiện với người dùng Có khả đánh giá kết xử lý HVTH: Trần Duy Linh 132 GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn Thạc sĩ: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH ĐHBK TPHCM - 2009 PHẦN 4: KẾT LUẬN Kết đạt được: Xử lý ảnh y sinh lĩnh vực đòi hỏi phối hợp kiến thức từ nhiều ngành khoa học y học, tin học, vật lý, toán học, đồ họa… Sự phối hợp kiến thức cách đồng góp phần tạo nên phần mềm có khả xử lý ảnh y sinh mang tính đặc thù riêng Trong luận văn này, tác giả trình bày cách có hệ thống: • Phương thức tạo ảnh, ưu nhược điểm đặc điểm riêng loại ảnh y sinh • Các định dạng ảnh chuẩn ảnh y khoa • Các giải thuật xử lý ảnh y sinh Đây sở lý thuyết hỗ trợ tác giả thiết kế xây dựng nên phần mềm xử lý ảnh y sinh mang tên IBK với tính năng: • Tăng cường chất lượng ảnh • Phân vùng ảnh • Hợp ảnh • Tái tạo ảnh 3D Điểm nhấn luận văn tác giả trình bày đề xuất quy trình cụ thể xử lý cho loại ảnh chẩn đoán y khoa đặc thù dựa phần mềm xây dựng với ví dụ minh họa cụ thể Đây điểm so với nhiều chương trình tương tự, tạo điều kiện định hướng nhanh chóng giúp cho người sử dụng tiếp cận với phần mềm đặc biệt tạo sở khung cho việc huấn luyện thực hành xử lý ảnh y sinh sở để phát triển chuyên sâu nâng cấp module đặc thù Phần mềm đáp ứng tốt yêu cầu phục vụ cho mảng nghiên cứu đào tạo lĩnh vực xử lý ảnh y sinh vốn mẻ Việt Nam ™ Trong lĩnh vực đào tạo: ƒ Luận văn lấy làm tài liệu hỗ trợ cho giáo trình giảng dạy mơn học “Nhận dạng hình ảnh & xử lý ảnh kỹ thuật số” cho sinh viên ngành VLKT Y sinh khóa K06 – ĐHBK TpHCM Phần tổng quan luận văn soạn thành giảng lý thuyết; phần mềm IBK với mã nguồn mở Matlab giúp giảng viên minh họa trực quan q trình hay thuật tốn xử lý trình giảng dạy HVTH: Trần Duy Linh 133 GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn Thạc sĩ: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH ĐHBK TPHCM - 2009 lớp Ngoài nhà, sinh viên chạy lại xem lại mã nguồn chương trình ghi đầy đủ để nắm vững học Ví dụ: giảng phần tăng cường ảnh, song song với việc trình bày lý thuyết biên soạn từ Phần - Chương II luận văn, giảng viên chạy phần mềm IBK minh hoạ cho thuật toán tăng cường ảnh; với thuật toán khác kết cho khác nào, v.v… ƒ Trong tương lai, ngồi mơn học thức trên, luận văn hỗ trợ đắc lực cho khóa học ngoại khóa dành cho sinh viên ngành khác hay muốn tìm hiểu xử lý ảnh y sinh – lĩnh vực Việt Nam Hiện tại, tài liệu tiếng Việt viết xử lý ảnh y sinh ™ Trong lĩnh vực nghiên cứu xử lý ảnh: ƒ Do có khả đọc nhiều loại ảnh module xử lý ảnh độc lập, phần mềm cho phép người nghiên cứu vận dụng linh hoạt tạo nhiều kịch xử lý để hỗ trợ cho q trình đánh giá, lựa chọn thuận tốn cho tốn Ví dụ: tốn đặt nghiên cứu “thuật toán phân vùng để đếm số lượng nhiễm sắc thể” Đầu tiên người nghiên cứu phải tìm hiểu thuật tốn có để tách đếm nhiễm sắc thể Sau họ tìm cách cải tiến hay tối ưu thời gian độ xác thuật tốn Chính phần mềm IBK lúc đóng vai trị phương tiện hay công cụ để người nghiên cứu kiểm tra thuật toán cách thay phần mã nguồn module “phân vùng” có IBK với mã nguồn họ để xác định thời gian tính tốn đánh giá độ xác mà không cần phải viết lại từ đầu tất module hỗ trợ đọc ảnh, lưu ảnh, tiền xử lý… ƒ Các bảng định lượng (phổ cường độ, cường độ đường cắt, phân bố) giúp người nghiên cứu đánh giá định lượng sơ ảnh bất kỳ, chẳng hạn ảnh có rõ khơng, có độ tương phản tốt khơng, có bị nhiễu khơng… ƒ Ngồi với tính đa dụng chương trình, người nghiên cứu xử lý ảnh dựa vào chương trình để phát triển thành chương trình xử lý ảnh chuyên nghiệp dành cho loại ảnh hay phận chuyên biệt Ví dụ: người nghiên cứu xử lý ảnh não dùng chương trình phần sở để phát triển thêm tính nâng cao chuyên biệt dành cho não mà không cần phải xây dựng lại khung sườn xử lý từ đầu Công việc tiết kiệm nhiều thời gian cho họ HVTH: Trần Duy Linh 134 GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn Thạc sĩ: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH ĐHBK TPHCM - 2009 Hướng phát triển Chương trình xây dựng Matlab đóng gói thành phần mềm độc lập gặp số hạn chế tốc độ xử lý, gói cài đặt có kích thước lớn Hướng phát triển tương lai xây dựng thành chương trình xử lý ảnh y sinh chuyên nghiệp với tốc độ xử lý nhanh với có tích hợp nhiều module mang tính chun biệt Lĩnh vực xử lý ảnh y tế đa dạng rộng lớn Do để giải tốt toán mang lại hiệu cần phải xây dựng module mang tính chuyên biệt cao Kết mà luận văn mang lại sở tảng khung sườn để gắn thêm nên module chuyên biệt Chẳng hạn như: module xử lý dành riêng cho loại ảnh; module xử lý riêng cho ảnh chụp phận khác thể (ảnh chụp xương, chụp ngực, chụp não, tim, mạch máu…) Cơng việc địi hỏi bề dày nghiên cứu lâu dài nguồn nhân lực lớn để thực HVTH: Trần Duy Linh 135 GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn Thạc sĩ: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH ĐHBK TPHCM - 2009 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] JERROLD T BUSHBERG et al: The essential Physics of Medical Imaging, Lippincott Williams & Wilkins, Second edition, 2002 [2] Introduction to x-ray CT – © ImPACT 1998-2006 http://www.impactscan.org /xrayct.htm [3] DOMINIK WEISHAUPT et al: How does MRI work?, Springer, 2006 [4] NGUYỄN ĐỨC THUẬN VÀ CÁC CỘNG SỰ: Cơ sở kỹ thuật siêu âm, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2003 [5] ASBJØRN STØYLEN: Basic ultrasound for clinicians, Norwegian University of Science and Technology, March 2006 http://folk.ntnu.no/stoylen/strainrate/Ultrasound/ [6] COLIN DEANE: Doppler Ultrasound – Principles and practice, ISUOG Educational Comitte, 2002 http://www.centrus.com.br/DiplomaFMF/SeriesFMF/doppler/capituloshtml/chapter_01.htm#table01 [7] Medical Imaging Research Group: SPECT Tutorial, Vancouver General Hospital & University of British Columbia, 2002 http://www.physics.ubc.ca/~mirg/home/tutorial/tutorial.html [8] RAMSEY BADAWI: Introduction to PET Physics, Dept of Radiology, University of Washington, 1999 http://depts.washington.edu/nucmed/IRL/pet_intro/toc.html [9] CHRIS RORDEN: Introduction to DICOM medical image format, University of South Carolina http://www.sph.sc.edu/comd/rorden/dicom.html [10] HÀ THÚY HỒNG: Truyền liệu theo chuẩn DICOM, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, 2007 [11] TRẦN PHAN SƠN GIANG: Thiết lập phần mềm xử lý & hợp chiều hình ảnh chẩn đốn y khoa, ĐH Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, 2007 [12] JIRI JAN: Medical Image Processing - Reconstruction and Restoration, CRC Press, 2006 [13] NGUYỄN KIM KHÁNH: Phân vùng ảnh ứng dụng y sinh, ĐH Bách Khoa TpHCM, 2008 [14] I N BANKMAN: Handbook of Medical Imaging – Processing and Analysis, Academic Press, 2000 HVTH: Trần Duy Linh 136 GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn Thạc sĩ: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH ĐHBK TPHCM - 2009 [15] TINKU ACHARYA, AJOY K RAY: Image Processing – Principles and Applications, Wiley-Interscience, 2005 [16] S BEUCHER : Image Segmentation and Mathematical Morphology, Centre de Morphologie Mathématique, 2008 http://cmm.ensmp.fr/~beucher/wtshed.html [17] PHẠM NGỌC DŨNG: Ứng dụng tin học xử lý ghép ảnh y khoa, ĐH Bách Khoa Tp.HCM, 2006 [18] ZHIFENG CAI: Medical Image Registration, National Laboratory of Pattern Recognition (Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences), 2003 http://nlpr-web.ia.ac.cn/english/iva/GroupMeeting/PPT/MedicalImageRegistration.ppt [19] VŨ CÔNG: Tái tạo ảnh chiều chẩn đốn hình ảnh y khoa, ĐH Bách Khoa TpHCM, 2007 [20] JENS KRÜGER,RÜDIGER WESTERMANN: Acceleration Techniques for GPUbased Volume Rendering, Computer Graphics and Visualization Group,Technical University Munich, Germany, 2003 [21] Matlab Help, © The MathWorks, Inc., 1984-2008 [22] Medical image processing analysis & visualization (MIPAV) Algorithms, National Institute of Health (USA), 2007 [23] T.YOO, W.SCHROEDER ET AL: Insight segmentation & registration toolkit (ITK), Kitware Inc., 2009 http://www.itk.org HVTH: Trần Duy Linh 137 GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn Thạc sĩ: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH ĐHBK TPHCM - 2009 PHỤ LỤC: CÀI ĐẶT BỘ PHẦN MỀM IBK ™ Nếu máy tính khơng gài Matlab: - Bước 1: chạy file “IBK 1.0 with MCR.exe” (263MB) - Bước 2: tiến hành cài đặt Matlab Compiler Runtime - Bước 3: tiến hành cài đặt IBK Sau hoàn tất, shortcut chương trình tạo Desktop & All Programs Menu ™ Nếu máy tính gài Matlab: cần chạy file “IBK 1.0.exe” (5MB) thực tương tự tiếp bước trường hợp HVTH: Trần Duy Linh 138 GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn Thạc sĩ: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH ĐHBK TPHCM - 2009 Các báo đề tài gửi đăng APPROACH METHODS FOR BIOMEDICAL IMAGE PROCESSING USING MULTIPURPOSE SOFTWARE IBK Trần Duy Linh, Huỳnh Quang Linh Nơi gửi: Tạp chí “Khoa học công nghệ” trường ĐH Kỹ thuật – ISSN 0868-3980 IBK – A NEW TOOL FOR MEDICAL IMAGE PROCESSING Trần Duy Linh, Huỳnh Quang Linh Nơi gửi: Tạp chí “Phát triển Khoa học công nghệ” ĐH Quốc Gia TP.HCM – ISSN 1859-0128 APPLYING IBK TO TRAINING COURSES IN BIOMEDICAL IMAGE PROCESSING Trần Duy Linh, Huỳnh Quang Linh Nơi gửi: Hội nghị “9th Asia-Oceania Congress of Medical Physics (9th AOCMP) & 7th South-East Asian Congress of Medical Physics (7th SEACOMP)”, Thailand, tháng 10-2009 HVTH: Trần Duy Linh 139 GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn Thạc sĩ: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH ĐHBK TPHCM - 2009 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: TRẦN DUY LINH Ngày tháng năm sinh: 15-12-1984 Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh Địa liên lạc: 453/92 Lê Văn Sỹ P.12 Q.3, Tp Hồ Chí Minh QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 2002-2007: Sinh viên ngành Vật lý Kỹ thuật, trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh 2007-2009: Học viên cao học ngành Vật lý Kỹ thuật, trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Q TRÌNH CƠNG TÁC 2007 – nay: Giảng dạy môn Vật lý Kỹ thuật Y sinh, trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh HVTH: Trần Duy Linh 140 GVHD: TS Huỳnh Quang Linh ... 2009 PHẦN 2: TỔNG QUAN Lý thuyết tổng quan cần nắm vững thiết kế x? ?y dựng phần mềm xử lý ảnh y tế chia làm phần chính: - Đặc điểm loại ảnh chuẩn ảnh y tế (đối tượng phần mềm) - Lý thuyết xử lý ảnh. .. loại ảnh y sinh giải thuật để xử lý chúng nhằm x? ?y dựng nên phần mềm tích hợp chức xử lý ảnh nói Bộ phần mềm đóng vai trị cơng cụ xử lý đa phục vụ công tác đào tạo lĩnh vực xử lý hình ảnh y sinh. .. sĩ: THIẾT KẾ VÀ X? ?Y DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH ĐHBK TPHCM - 2009 Hình 2.1.27 Quy trình x? ?y dựng quy chuẩn thiết bị ƒ Định dạng tập tin cấu trúc thư mục y khoa để dễ dàng truy xuất ảnh