CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT CÁC PHƯƠNG PHÁP HỢP NHẤT 3.1TỔNG QUÁT
3.4HỢP NHẤT HÌNH ẢNH THEO HÌNH THỨC ĐÁNH DẤU
Hợp nhất thông qua việc sử dụng các đối tượng đánh dấu tạo nên một số hiệu quả ban đầu trong việc kết hợp ảnh từ nhiều mô hình. Kỹ thuật hợp nhất này hoạt động theo nguyên tắc sau : trước qui trình thiết lập ảnh, các đối tượng đánh dấu được tạo ra trên nền ảnh thông qua một vài biện pháp cố định sơ bộ trên bệnh nhân. Các hình thức đánh dấu này được thiết kế sao cho chúng dễ dàng thích ứng với tất cả các mô hình tạo ảnh. Nếu các đối tượng đánh dấu cùng biểu diễn những khu vực giải phẫu như nhau trên tất cả các mô hình, chúng có thể được sử dụng như một đặc điểm mà theo đó các ảnh sẽ được hợp nhất với nhau.
Hợp nhất các ảnh theo đối tượng đánh dấu bao gồm việc xác định phương pháp biến dạng giúp thu nhỏ đến mức tối thiểu khoảng cách giữa vị trí của đối tượng đánh dấu trong tất cả các mô hình. Phép biến đổi này được xác định bởi khả năng giảm đến mức nhỏ nhất việc tính toán phân tích. Như trong nghiên cứu của Arun et al. [2], phép biến đổi này có thể được thiết lập một cách nhanh chóng bằng cách phân tích giá trị đơn để cân chỉnh các giá trị bình phương cực tiểu. Các vị trí đã được điều chỉnh của đối tượng đánh dấu cho thấy bản chất thô của phép biến đổi tối ưu. Thủ tục hợp nhất này cũng có thể được xem như được thực hiện
bằng tay trong quá trình thực thi, bởi vì thành quả của phép hợp nhất này phụ thuộc rất lớn vào việc định vị chính xác và sự cố định của hệ thống đánh dấu. Bởi vì nguồn ảnh được qui định bởi các đối tượng đánh dấu nhằm mục đích hợp nhất nên có thể xem đây là các kỹ thuật hợp nhất có tổ chức.
Người ta đánh giá mức độ thành công của phép hợp nhất dựa trên đối tượng đánh dấu theo hai tiêu chuẩn. Tiêu chuẩn thứ nhất liên quan đến biểu hiện của các thành phần đánh dấu bên trong khối ảnh. Điều trước nhất cần lưu ý là các thành phần đánh dấu bên trong ảnh phải được thiết lập sao cho có thể nhận ra và phân biệt dễ dàng từ các góc độ khác của ảnh. Việc thiết lập vị trí tập trung vào xác định chính xác tọa độ hình học của một đối tượng đánh dấu bên trong một ảnh. Nếu thành phần đánh dấu là hữu hình, nó sẽ hiển thị bên trong ảnh như là một tập hợp các điểm ảnh có cùng cường độ. Ta xét đến hai tình huống sau. Thứ nhất, xét các điểm ảnh chỉ phần nào chứa thành phần đánh dấu (thường là các điểm ảnh ở mép của cấu trúc đánh dấu) sẽ được hiển thị với cường độ khác so với tổ chức đánh dấu. Đây là hệ quả tạo ra bởi những nguồn dữ liệu không chính xác diễn ra liên tiếp trong suốt qui trình thiết lập ảnh, vấn đề này tăng lên khi độ phân giải của ảnh giảm đi. Thứ hai, thành phần đánh dấu lại được thiết lập tại vị trí quá gần với một tổ chức có cường độ ảnh tương tự như cường độ của thành phần đánh dấu. Trong cả 2 tình huống trên, việc xác định tâm chính xác của khối đánh dấu là một vấn đề rất khó để giải quyết. Các khối đánh dấu có thể được thiết kế để cho ra những điểm có thể phân biệt rõ ràng, nhưng hầu hết các thủ thuật hợp nhất dựa trên hình thức đánh dấu đều đòi hỏi một thuật toán riêng để định vị trí cho thành phần đánh dấu [8]. Wang et al. đã đưa ra một phương pháp giúp cho tự động hóa quá trình định vị trí đánh dấu bên trong một ảnh. Phương pháp của họ thực hiện dựa trên các khối ảnh tiêu biểu nhất bên trong các cấu trúc được xem như thành phần đánh dấu.
Tiêu chuẩn thứ hai là việc đảm bảo các thành phần đánh dấu sẽ hiển thị tại cùng một vị trí trên tất cả các mô hình. Nói ngắn gọn, hệ thống đánh dấu phải được đảm bảo sao cho vị trí tương đối của nó so với bệnh nhân là không thay đổi trong suốt quá trình thiết lập ảnh. Cụ thể hơn là hệ thống phải được thiết kế để đạt được tính ổn định cao nhất giữa các giai đoạn
thiết lập ảnh. Sai sót ở bất cứ yếu tố nào cũng sẽ gây ra ảnh hưởng trực tiếp đến biểu hiện của hình thức hợp nhất mà ta gọi là lỗi hợp nhất hay lỗi của mô hình hợp nhất.
Bởi vì tính quan trọng của sự cố định, nên các phương pháp hợp nhất dựa vào khối đánh dấu hướng tới thay đổi dựa trên mức độ xâm lấn của liệu pháp đối với bệnh nhân. Mức độ xâm lấn của hệ thống đánh dấu khi điều chỉnh bệnh nhân tác động đến nhiều khía cạnh trong qui trình hợp nhất. Tác động này được khảo sát qua 3 hệ thống đánh dấu khác nhau : khung cố định, cấu trúc và điểm.
3.4.1. Hệ thống khung cố định
Khung nổi là một cấu trúc thô, có độ xâm lấn cao giúp duy trì bệnh nhân ở trạng thái không cử động. Những người tiên phong trong việc sử dụng các khung nổi này vào đầu thế kỷ 21 là Robert Henry Clarke và Victor Horsley. Bộ khung Horsely-Clarke được ứng dụng trước tiên lên động vật và sau đó được sửa đổi để sử dụng cho con người. Bằng cách áp đặt một cấu trúc cứng, đã được gia cố lên bệnh nhân, bộ khung này có thể tạo ra được mối liên hệ về mặt không gian giữa ảnh cần chụp và không gian vật lý mà nó hiện hữu. Với việc kết hợp hệ thống đánh dấu lên khung trước tiến trình thu nhận ảnh, ta đã thiết lập sẵn một chuỗi các điểm điều khiển lên ảnh để sau đó có thể sử dụng để kết hợp không gian ảnh vào phần không gian người bệnh. Những qui trình thực hiện thông qua không gian này sử dụng các phương tiện gắn trên khung, dù gần đây chúng đã được thay thế bằng phương pháp định vị siêu âm [8]. Giàn khung nổi đã được ứng dụng rộng rãi trong việc lên kế hoạch và điều trị theo liệu pháp phóng xạ cũng như trong phẫu thuật có hình ảnh hỗ trợ. Những thành phần đánh dấu giống nhau này không chỉ ứng dụng để kết hợp ảnh vào không gian ảnh của bệnh nhân mà cũng rất hữu dụng trong việc hợp nhất ảnh từ nhiều mô hình khác nhau. [24]
Trong tất cả các ứng dụng, thiết bị áp đặt vào khung cố định bệnh nhân cũng cần phải đảm bảo được khả năng cử động cơ thể cho bệnh nhân. Những bộ khung cổ điển sử dụng ốc hoặc chốt cài để cố định khung vào phần sọ của bệnh nhân. Tuy rất hiệu quả
trong việc cố định chủ thể, nhưng do sự khó chịu của bệnh nhân nên đòi hỏi phải phát triển những phương pháp cố định không xâm lấn. Laitinen et al. đã phát triển một thiết bị điều chỉnh bằng cách thêm vào vị trí mũi bộ phận bịt lỗ tai. Khi gắn thiết bị này vào giường máy quét sẽ giúp đạt được sự ổn định. Những mô hình khuôn cố định bao gồm những thiết bị như trên được đề xuất bởi Kearfott et al. [8] là rất có ý nghĩa trong việc cố định bệnh nhân giữa các công đoạn chụp ảnh, mặc dù về bản chất thì với mỗi bệnh nhân đòi hỏi phải chế tạo một khuôn mới. Bettinardi et al. thiết kế và kiểm tra một mô hình dành cho răng của bệnh nhân ứng dụng để cố định bệnh nhân trong PET, CT và MR. Những phương pháp để cố định răng khác được đề xuất bởi Theodorou et al. và Graham et al. [8]. Theo Laing et al., cần lưu ý thêm hiệu quả của hình thức cố định này còn tuỳ thuộc vào sự sắp xếp của răng bệnh nhân. Gần đây, Otto et al. đã phát triển một hình thức mới để thay đổi cơ chế trượt của khung. Maciunas et al. khảo sát về độ chính xác trong ứng dụng của 4 loại khung phổ biến và tìm ra những sai sót đáng kể tiềm ẩn bên trong.
Hệ thống đánh dấu cung cấp một chuỗi các điểm tham chiếu được xác định rõ trong mỗi tập ảnh. Các thành phần đánh dấu có thể khác nhau, phụ thuộc vào việc thiết kế, nhưng thông thường nhất là thiết kế ống dạng chữ Z (hoặc N). Phần tiết diện cắt ngang của những ống này thể hiện chuỗi các đốm bao quanh bệnh nhân. Thiết kế khác bao gồm việc sử dụng những thanh sắt tròn hoặc 2 đĩa với những đường thẳng gấp khúc. Các ống được chứa đầy bởi hợp chất đặc trưng dùng cho mỗi phương thức chụp ảnh. Alp et al. đã đưa ra giải pháp ứng dụng môi trường “gel” để tăng cường tính năng của các khối đánh dấu MR bằng cách chiếu sáng các bọt khí bên trong thành phần đánh dấu.
Hợp nhất dựa trên các khung nổi có độ chính xác cao. Alp et al. đã tiến hành kiểm tra tính năng của nhiều hình thức hợp nhất dựa vào cách thức đánh dấu và nhận thấy rằng hình thức đánh dấu bằng khung cung cấp độ chính xác cao nhất. Cho đến gần đây, hợp nhất dựa trên khung cố định đã trở thành “tiêu chuẩn vàng” để đánh giá các phương pháp khác. Nhưng bên cạnh hiệu quả làm giảm tính xâm lấn khi cố định, hệ thống khung nổi cố định lại tiếp tục phải đương đầu với những vấn đền liên quan đến sự khó chịu của bệnh
nhân. Không cử động trong những khoảng thời gian dài là một viễn cảnh không mấy thú vị, vì thế người ta hướng tới phát triển những kỹ thuật đánh dấu khác ít ràng buộc hơn.
3.4.2. Các cấu trúc đánh dấu
Các khung cố định giúp duy trì trạng thái bất động là rất cần thiết trong quá trình kết hợp không gian ảnh vào không gian bệnh nhân trong các ứng dụng như phẫu thuật có hình ảnh hỗ trợ. Tuy nhiên, khi mục tiêu cần đạt chỉ là hợp nhất ảnh với ảnh, thì trạng thái không cử động lại trở thành một hiện trạng không mong muốn, có thể gây nên sự khó chịu. Trong những tình huống như vậy, thì việc áp đặt hệ thống đánh dấu trực tiếp lên bệnh nhân được ưa chuộng hơn. Nhiều hệ thống đánh dấu được hợp với nhau rồi thiết lập trực tiếp lên bệnh nhân hay hơn là kết nối vào một khung cố định. Nhiều mô hình cải tiến được phát minh nhằm cung cấp một hệ thống đánh dấu thô tương tự như khung, nhưng không quá hạn chế cử động của bệnh nhân trong suốt qui trình tạo ảnh.
Grabowski et al. đề xuất việc sử dụng một cặp kính chuyên dụng để kết hợp PET lên MR. Cặp kính này được đổ đầy những tác nhân tương phản, được đánh giá là chỉ cho ra sai số không đáng kể trong sai số tổng quát do quá trình thay đổi vị trí. Vikhoff-Baaz et al. sử dụng một cặp kính tương tự kết nối với những thiết bị phát âm ngoại vi. Các thành phần đánh dấu được gắn cả vào kính và thiết bị. Evans et al. thiết kết một nón chuyên dụng sử dụng những ống hút mỏng gắn trên các dây cao su bao quanh đầu, được buộc cố định bởi một dây quanh cằm. Sử dụng một phép biến dạng affine khi kết hợp MR-PET và đạt được cấp chính xác ở mức dưới mm với 15 cặp điểm. Scott et al. đề ra một phương pháp khác sử dụng một dải băng với các điểm cảm biến trên bề mặt để tạo một bề mặt phù hợp với qui trình hợp nhất. Howard et al. [5] lại giới thiệu một bảng nhỏ để gắn vào răng hàm trên. Theo khảo sát thực tế thì bảng này cho phép kết hợp những thành phần đánh dấu trong nhiều mô hình khác nhau và chỉ cần 1 phút để lắp đặt.
3.4.3. Điểm đánh dấu
Kỹ thuật đánh dấu quen thuộc nhất là những hình thức lấy những điểm đánh dấu riêng biệt làm nền tảng. Trội hơn việc sử dụng các cấu trúc rắn, những kỹ thuật này sử dụng các điểm đánh dấu riêng gọi là những mốc giải phẫu. Ích lợi của phương thức này là nó cho ra một chuỗi những điểm chức năng tương tự như các khung và mô hình mà không đòi hỏi trạng thái không cử động như khi sử dụng khung hoặc tính ổn định của các mô hình chuyên dụng. Đánh dấu trên da rất hữu dụng khi dùng trong hệ thống tạo ảnh theo các chiều qui ước mà các hệ thống khung hay mô hình không thể đáp ứng được.
Mối quan tâm duy nhất ở đây là độ ổn định của các điểm đánh dấu liên quan trực tiếp đến bệnh nhân. Việc thiết lập vị trí cho các điểm đánh dấu này phải tương xứng với các thiết bị mô phỏng gắn vào. Vì không có mô hình nào cung cấp một bảng chuẩn để cố định bệnh nhân, những điểm đánh dấu phải thật nhạy với chuyển động của da. Các thành phần đánh dấu da thường được gắn vào bệnh nhân theo một số dạng cố định. Pohjonen et al. [14] sử dụng chuỗi các thành phần đánh dấu da ngoại vi để kết hợp SPECT với MR. Sipilä et al. sử dụng những dữ liệu giả lập ảo để thực hiện việc kết hợp. Họ nhận ra rằng độ chính xác của phép hợp nhất tăng lên khi tăng số lượng điểm đánh dấu từ 6 lên 13. Mandava et al. [8] tìm ra được những mô hình có độ phân giải cao (MR và CT) có thể hợp nhất ở mức chính xác dưới milimet chỉ với 4 điểm đánh dấu. Van den Elsen et al. [18] sử dụng các điểm giao nhau của các các thành phần đánh dấu dạng mũi tên để đạt được độ chính xác trên lớp cắt bên dưới. Những thành phần đánh dấu gắn vào da cũng được ứng dụng hiệu quả trong các hình thức hợp nhất. Những thành phần đánh dấu này bỏ qua những phức tạp trong chuyển động của da thông qua việc cố định trực tiếp đầu qua các lỗ nhỏ. Maurer et al. sử dụng 4 dấu dán để kết hợp CT với MR ở cấp chính xác dưới một đơn vị ảnh khối (subvoxel). Schreiner et al. đề ra việc sử dụng siêu âm để thiết lập tọa độ cho các mốc ứng dụng trong phẫu thuật với ảnh hỗ trợ. Giá trị của hình thức đánh dấu này có thể xác định dựa vào thời gian vận dụng và mức độ khó chịu của bệnh nhân.
Theo đánh giá về các hình thức đánh dấu đề cập trong Alp et al. đã đúc kết rằng hình thức đánh dấu bằng khung cung cấp độ chính xác tốt nhất, còn hình thức đánh dấu da cho độ chính xác có thể chấp nhận được công với sự cải thiện đáng kể trong hình thức áp dụng và sự thoải mái cho bệnh nhân.