Biên là vấn đề quan trọng trong trích chọn đặc điểm nhằm tiến tới hiểu ảnh. Cho đến nay chưa có định nghĩa chính xác về biên, trong mỗi ứng dụng người ta đưa ra các độ đo khác nhau về biên, một trong các độ đo đó là độ đo về sự thay đổi đột ngột về cấp xám. Ví dụ: Đối với ảnh đen trắng, một điểm được gọi là điểm biên nếu nó là điểm đen có ít nhất một điểm trắng bên cạnh. Tập hợp các điểm biên tạo nên biên hay đường bao của đối tượng. Xuất phát từ cơ sở này người ta thường sử dụng hai phương pháp phát hiện biên cơ bản:
-Phát hiện biên trực tiếp: Phương pháp này làm nổi biên dựa vào sự biến thiên mức xám của ảnh. Kỹ thuật chủ yếu dùng để phát hiện biên ở đây là kỹ thuật lấy đạo hàm. Nếu lấy đạo hàm bậc nhất của ảnh ta có các kỹ thuật Gradient, nếu lấy đạo hàm bậc hai của ảnh ta có kỹ thuật Laplace. Ngồi ra cịn có một số các tiếp cận khác.
-Phát hiện biên gián tiếp: Nếu bằng cách nào đó ta phân được ảnh thành các vùng thì ranh giới giữa các vùng đó gọi là biên. Kỹ thuật dị biên và phân vùng ảnh là hai bài tốn đối ngẫu nhau vì dị biên để thực hiện phân lớp đối tượng mà khi đã phân lớp xong nghĩa là đã phân vùng được ảnh và ngược lại, khi đã phân vùng ảnh đã được phân lớp thành các đối tượng, do đó có thể phát hiện được biên.
Phương pháp phát hiện biên trực tiếp tỏ ra khá hiệu quả và ít chịu ảnh hưởng của nhiễu, song nếu sự biến thiên độ sáng không đột ngột, phương pháp tỏ ra kém hiệu quả, phương pháp phát hiện biên gián tiếp tuy khó cài đặt, song lại áp dụng khá tốt trong trường hợp này. Sự khác biệt cơ bản giữa hai phương pháp này là: Phương
pháp phát hiện biên trực tiếp cho ta kết quả là ảnh biên, còn phương pháp phát hiện biên gián tiếp cho ta kết quả là đường biên.
1.5.2 Các kỹ thvuật phát hiện biên: n Kỹ thuật phát hiện biênGradient
Theo định nghĩa, Gradient là một véctơ có các thành phần biểu thị tốc độ thay đổi giá trị của điểm ảnh, ta có: ï ï ỵ ïï í ì - + » = ¶ ¶ - + » = ¶ ¶ dy y x f dy y x f fy y y x f dx y x f y dx x f fx x y x f , , , , , ,
Trong đó, dx, dy là khoảng cách (tính bằng số điểm) theo hướng x và y.
Tuy ta nói là lấy đạo hàm nhưng thực chất chỉ là mô phỏng và xấp xỉ đạo hàm bằng các kỹ thuật nhân chập vì ảnh số là tín hiệu rời rạc nên đạo hàm khơng tồn tại.
Giả sử với dx và dy nhỏ nhất là 1, ta có: ï ï ỵ ïï í ì - + » ¶ ¶ - + » ¶ ¶ y x f y x f y f y x f y x f x f , 1 , , , 1
Do đó, mặt nạ nhân chập theo hướng x là A= (-1 1) và hướng y là B= ỗỗốỉ -1 ÷÷øử 1
n Kỹ thuật Prewitt:Kỹ thuật sử dụng 2 mặt nạ nhập chập xấp xỉ đạo hàm theo 2 hướng x và y là: ú ú ú û ù ê ê ê ë é- - - = 1 1 1 0 0 0 1 1 1 Hy
Các bước tính tốn của kỹ thuật Prewitt + Bước 1: Tính I Hx và I Hy + Bước 2: Tính I Hx + I Hy
+ Bước 3: Phân ngưỡng theo θ để có ảnh biên
n Kỹ thuật Sobel:Tương tự như kỹ thuật Prewitt kỹ thuật Sobel sử dụng 2 mặt nạ nhân chập theo 2 hướng x, y là:
Các bước tính tốn tương tự Prewitt + Bước 1: Tính I Hx và I Hy + Bước 2: Tính I Hx + I Hy
+ Bước 3: Phân ngưỡng theo θ để có ảnh biên n Kỹ thuật la bàn
Kỹ thuật sử dụng 8 mặt nạ nhân chập theo 8 hướng 00, 450, 900, 1350, 1800, 2250, 2700, 3150.
n Kỹ thuật phát hiện biên Laplace
Các phương pháp đánh giá Gradient ở trên làm việc khá tốt khi mà độ sáng thay đổi rõ nét. Khi mức xám thay đổi chậm, miền chuyển tiếp trải rộng, phương pháp cho hiệu quả hơn đó là phương pháp sử dụng đạo hàm bậc hai Laplace.
Ba kiểu ma trận mặt nạ thường được sử dụng:
Đây là một thuật toán được phát triển khá sớm nhưng cho đến nay vẫn là một trong những kỹ thuật được sử dụng rộng rãi, cho các kết quả tương đối tốt, có khả năng đưa ra đường biên mảnh, phân biệt được điểm biên với điểm nhiễu.
1.5.3 Phát hiện biên cục bộ và phân vùng ảnhn Biên và độ biến đổi về mức xám n Biên và độ biến đổi về mức xám
Trong thực tế người ta thường dùng hai phương pháp phát hiện biên cơ bản là: Phát hiện biên trực tiếp và gián tiếp. Phần này đề cập đến kỹ thuật dựavào trung bình cục bộ trên cơ sở đánh giá độ chênh lệch về giá trị mức xám của điểm ảnh so với các điểm lân cận do đó kết hợp được ưu điểm của cả hai khuynh hướng trực tiếp và gián tiếp. Đối với các ảnh màu theo mơ hình nào đó đều có thể chuyển sang mơ hình gồm 3 thành phần mầu R, G, B. Sau đó dễ dàng chuyển các ảnh màu sang dạng ảnh đa cấp xám. Giá trị xám của điểm ảnh có thể được tính là trung bình cộng của ba thành phân màu R,G và B. Việc xử lý, thao tác trên các ảnh xám có một ưu điểm là dễ xử lý hơn các ảnh màu mà vẫn giữ được các đặc tính của ảnh. Các ảnh trắng đen tuy dễ xử lý nhất nhưng sẽ bị mất nhiều chi tiết sau khi chuyển đổi.
Một cách lý tưởng đồ thị biến thiên mức xám của điểm ảnh khi qua biên phải có dạng:
Hình 1.9.Một cách lý tưởng đồ thị biến thiên mức xám
Trong thực tế dạng đồ thị này chỉ gặp trong các ảnh trắng đen (ảnh xám có hai màu), cịn với các ảnh thực thì đồ thị của nó có dạng:
Hình 1.10.Ảnh xám có hai màu
Mức xám
Khó khăn cho việc phân tích các ảnh trên thực tế là ở chỗ sự biến thiên về mức xám của điểm ảnh không phải chỉ được thể hiện theo một hướng duy nhất mà phải xét theo cả tám hướng của các điểm ảnh láng giềng, tại các vùng biên và lân cận biên sự biến thiên mức xám của các điểm ảnh thường không đột ngột mà trải qua một khoảng biến thiên khơng đều nhưng có tốc độ biến thiên nhanh. Chúng ta có thể xác định được các đường biên như thế này bằng kỹ thuật Laplace nhưng như ở trên đã nói kỹ thuật này rất nhạy cảm với nhiễu mà nhiễu hầu như lại là vấn đề mà ở trong bức ảnh nào cũng có. Ngồi ra, trong thực tế khi dò biên cho các ảnh xám tùy theo mục đích xử lý sau này mà người ta có thể muốn lấy biên của tất cả các đối tượng trong ảnh hoặc chỉ một số đối tượng chính trong ảnh. Có thể nhận thấy là các thuật tốn dị biên truyền thống mà chúng ta hay dùng vẫn chưa đạt được sự hoàn thiện như mong muốn.
n Phân vùng ảnh
Trong quá trình xử lý ảnh ta thấy rằng bước phân đoạn ảnh là bước quan trọng nhất nhưng và cũng khó khăn nhất. Mặt khác, có nhiều ứng dụng quan trọng cần đến kỹ thuật phân đoạn: ảnh màu hoặc đa mức xám thì cần phải phân ngưỡng; muốn nhận dạng được các đối tượng thì trước hết cần phải phân ảnh thành các vùng khác nhau chứa các đối tượng trong ảnh: tách ra vùng là chữ, số trên bì thư hoặc fax trong phân loại thư, fax tự động; tách ra các vùng là chữ, hình ảnh, bảng biểu… trong các ứng dụng nhập dữ liệu tự động; tách ra vùng bị bỏng để đánh giá phần trăm diện tích bỏng trên da; tách ra vùng rừng bị cháy trong ảnh chụp từ máy bay, vệ tinh để phát hiện cháy rừng; tách ra ao, hồ, cây xanh từ ảnh chụp thành phố từ vệ tinh để đánh giá tỷ lệ ao hồ, cây xanh, nhà cửa của thành phố v.v...Hình dáng của một đối tượng có thể được miêu tả hoặc bởi các tham số của đường biên hoặc các tham số của vùng mà nó chiếm giữ. Sự miêu tả hình dáng dựa trên thơng tin đường biên u cầu việc phát hiện biên. Sự mơ tả hình dáng dựa vào vùng địi hỏi việc phân đoạn ảnh thành một số vùng đồng nhất. Như vậy, phát hiện biên và phân vùng là hai cách tiếp cận đối ngẫu trong việc phân tích ảnh. Các vùng ảnh u cầu phải có các đặc tính đồng nhất (ví dụ như: cường độ, kết cấu) giúp phân biệt được từng vùng. Các đặc tính này tạo nên các vectơ đặc trưng (feature vectors) để phân biệt một vùng với các vùng khác. Các đặc trưng được sử dụng trong suốt quá trình phân đoạn theo các nguyên tắc kiểm tra tính đồng nhất của vùng.
Có nhiều phương pháp phân vùng ảnh: -Phân vùng theo ngưỡng biên độ -Phân vùng theo miền đồng nhất
-Phân vùng dựa theo đường biên: Việc phân đoạn ảnh dựa vào biên được tiến hành qua một số bước:
+ Phát hiện biên và làm nổi biên + Làm mảnh biên
+ Nhị phân hoá đường biên + Miêu tả đường biên
ChươngII
NỐT MỜ, VẾT MỜ, ĐÁM MỜ TRÊN ẢNH XQ VÀ VẤN ĐỀ ỨNG DỤNG TRONG HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN BỆNH NHÂN COVID-19
2.1 Vấn đề nốt mờ, vết mờ, đám mờ n Nốt mờ n Nốt mờ
Nốt trong phổi thường được phát hiện trên CT scan với hình ảnh một “đốm trắng’’ hoặc một “bóng mờ” trên phổi, có dạng hình trịn và mật độ chắc hơn so với nhu mơ phổi bình thường. Các nốt trong phổi thường là các vết sẹo của nhu mơ phổi do tình trạng nhiễm trùng khơng triệu chứng đã tự lành trước đó hoặc do các chất kích thích trong khơng khí. Đơi khi, nốt trong phổi có thể là biểu hiện của ung thư phổi giai đoạn sớm.
Một nốt mờ tròn đơn độc mới là một hình ảnh thường gặp trong thực hành lâm sàng của các bác sỹ nội khoa, các bác sỹ chuyên khoa hô hấp và các phẫu thuật viên lồng ngực. Nguyên nhân và các biện pháp chẩn đoán đa dạng, khác nhau ở các khu vực trên thế giới. Các chẩn đốn phân biệt của nốt mờ trịn đơn độc rất rộng, từ những khối u lành tính, tổn thương viêm do nhiễm trùng, ung thư phổi đến những tổn thương ác tính khác. Có nhiều biện pháp được áp dụng để chẩn đoán nguyên nhân của nốt mờ tròn đơn độc, bao gồm: lâm sàng, đặc điểm X-quang, sinh thiết lỏng, nội soi phế quản, sinh thiết hút dưới hướng dẫn của cắt lớp vi tính và phẫu thuật. Mỗi phương pháp đều chứng minh hiệu quả riêng trên thực hành lâm sàng, trong đó đặc điểm X- quang đóng vai trị quan trọng trong định hướng chẩn đốn nốt mờ tròn đơn độc.
Anh 2.1 và 2.2 là hình ảnh các nố mờ trên ảnh XQ phổi thẳng
Hình 2.1.Hình ảnh tổn thương kính mờ phổi phải (trái) và đông đặc thùy dưới hai phổi (phải) trên X-quang phổi thẳng.
Hỉnh 2.2.Hỉnh ảnh nốt mờ trên X-quang phổi thẳng.n Vết mờ, đám mờ n Vết mờ, đám mờ
Vết mờ (hình mờ) ở phổi là một trong những dạng tổn thương thường gặp khi X-quang phổi. Tùy từng tình trạng bệnh cụ thể mà tổn thương có thể thấy là mờ tồn bộ một phế trường, nốt mờ 1 -10 mm, đốm mờ 1 -3 cm hay đám mờ (hình mờ có kích thước 3 - 10 cm… (Hình 2.3 - hình vết mờ trên ảnh chụp XQ; hình 2.4 - hình đám mờ; hình 2.5: Các đám mờ khơng thuần nhất trên phổi).
Vết mờ phổi có thể liên quan đến nhiều bệnh lý sau: Tràn dịch màng phổi: lao, ung thư hay chấn thương vùng sườn phổi cũng có thể dẫn đến tràn dịch màng phổiViêm phổi thùy (viêm phổi do phế cầu khuẩn): ở giai đoạn điển hình tổn thương là đám mờ thuần nhất ở nửa dưới phổi phải, góc sườn hồnh phải sáng… Lao phổi: đám mờ không thuần nhất, ranh giới khơng rõ ràng U phổi lành tính: u phổi lành tính chỉ chiếm khoảng 2%. Thường là các khối mờ tròn, ranh giới có thể rõ hoặc khơng… Ung thư phổi: là bệnh ung thư cực kì nguy hiểm có tỷ lệ mắc hàng đầu ở nam giới Việt Nam. Ung thư phổi tiến triển rất nhanh, rất dễ di căn sang bên phổi còn lại cũng
như các hạch bạch huyết vùng ngực, cơ quan ở xa nếu không được phát hiện sớm và tiến hành điều trị bệnh kịp thời.
Hình 2.3. Phổi có vết mờ có nhiều ngun nhân khác nhau
Hình 2.5.Các đám mờ không thuần nhất hai phổi, thấy rõ nhất ở ngoại vi nền phổi phải.
2.2 Sơ lược về cơ chế bệnh sinh viêm phổi do virus
Virus xâm nhập vào đường hô hấp sẽ sao chép trong biểu mơ vịm họng, lan đến phổi vàgây ra viêm tiểu phế quản với sự bong tróc tế bào biểu mơ của các của đường dẫn khí nhỏ, gây ra một loạt phản ứng viêm tại phổi. Virus cúm xâm nhập lan tỏa tại biểu mô đường hô hấp, dẫn đến viêm hoại tử các tiểu phế quản và tổn thương phế nang lan tỏa, biểu hiện là đông đặc nhu mô phổi. Adenovirus ảnh hưởng đếncác tiểu phế quản tận và gây viêm tiểu phế quản, có thể đi kèm với viêm phế quản -phổi hoại tử.
Cơ chế tổn thương đường hô hấp do corona virus:
- SARS coronavirus: tăng tính thấm thành mạch do virus có thụ thể Angiotensin-converting enzyme 2 ảnh hưởng đến điều hịa hệ renin-angiotensin.
Angiotensin-converting enzyme 2 trình diện nhiều ở phổi và thận, SARS gây cảm
ứng enzyme này gây tổn thương nhu mơ phổi lan tỏa. Gen mã hóa Proteins của SARS coronavirus (SARS coronavirus-encoded proteins) thúc đẩy quá trình gây chết tế bào theochương trình (apoptosis) ở phổi, gan, thận.
- MERS coronavirus có thể trốn tránh đáp ứng miễn dịch (immune response) và gây nên rối loạn nặng q trình điều hịa sao chép của tế bào ở cơ thể bị nhiễm dẫn đến tăng chết tế bào theo chương trình, gây tổn thương lan tỏa ở phổi và các cơ quan. 2.3 Tổn thương giải phẫu bệnh của viêm phổi virus
Virus có thể dẫn đến một số dạng tổn thương của đường hô hấp bao gồm viêm khí quản, viêm phế quản và viêm phổi. Viêm phổi tổ chức hóa là một phản ứng sửa chữa khơng đặc hiệu có thể thấy trong một loạt ca lâm sàng. Hầu hết các virus đường hô hấp làm tổn thương tế bào trực tiếp thông qua ly giải tế bào hoặc ức chế tế bào của cơ thể tổng hợp RNA, protein và DNA.
Virus cúm ảnh hưởng lan tỏa đến tế bào biểu mô và trong trường hợp nặng dẫn đến viêm phế quản hoại tử hoặc viêm tiểu phế quản và tổn thương phế nang lan tỏa. Đặc điểm mô bệnh học là hoại tử biểu mơ đường thở với viêm mạn tính dưới niêm mạc. Viêm phổi nặng tổn thương kết hợp giữa viêm tiểu phế quản hoại tử vớitổn thương phế nang lan tỏa, có thể có xuất huyết.
Adenovirus có tác động lớn nhất đến các tiểu phế quản tận và có thể tạo ra viêm tiểu phế quản hoặc giãn phế quản. Viêm tiểu phế quản có thể bị hoại tử và dẫn đến viêm phế quản hoại tử tương tự như ở bệnh nhân nhiễm herpes simplex nặng.
Hội chứng hô hấp cấp tính nặng (SARS) gây tổn thương phế nang lan tỏa, đặc trưng mô bệnh học là phù nề tổ chức kẽ và đông đặc các phế nang trung tâm (phù tổ chức kẽ, fibrin, thâm nhiễm tế bào, xuất huyết trong phế nang) [2].
Hình 2.6.Tổn thương phổi ở bệnh nhân SARS (vách phế nang: Mất biểu mô và được thay bằng màng hyaline; Phù các vách phế nang (mũi tên)
2.4 Đặc điểm tổn thương phổi do COVID-19 trên hình ảnh X-quang