Luận văn thạc sĩ nghiên cứu về xử lý hình Ảnh và Ứng dụng trong máy chụp x quang

'Từ những vẫn đề trên tôi đã chọn để tải cho luận văn cao học là: “Nghién cửu về xử lý ảnh và ứng dụng trong mắp chụp X~Quang” nhằm nghiên cứu, tìm hiễu một số phương pháp, thuật toán n

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRUONG DAI HOC BACH KHOA HA NOI

~— csEøa

TRAN XUAN TUNG

NGHIÊN CỨU VÈ XỬ LÝ ANH VA UNG DUNG TRONG

MAY CHUP X- QUANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT Y SINH

Hà Nội - Năm 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRUONG DAI HOC BACH KHOA HA NOI

~— csEøa

TRAN XUAN TUNG

NGHIEN CUU VE XU LY ANH VA UNG DUNG TRONG

MAY CHUP X- QUANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TỒI CÁM ĐOAN

Nội dung của luận văn này được nghiên cứu, xây dựng đua ra phương pháp

nang cao chất lượng hình ánh ứng dụng trong máy chụp X-quang Dưới sự hướng din chỉ bảo của T.S Nguyễn Ngọc Văn, tôi đã nghiên cứu để tài: “Nghiên cửu về

xử lý ảnh và ứng dụng trong máy chụp X-Quang" nhằm năng cao hiệu quả, hỗ trợ

quá trình chân đoản bệnh của bác sỹ cho các bệnh nhân Tôi xia cam đoan những nội

đụng của luận văn này lä hoàn toàn trung thực, chính xác và chưa được ai công bổ

trong các công trình khoa học nào khác

Hà Nội, ngày 17 tháng 04 năm 2017

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

"Trần Xuân Tùng

TỜI CÁM ƠN

Để hoàn thánh luận vấn này, em xi gũi lời cẩm ơn đến tất cả các thầy cô giao, các dồng nghiệp tại Irường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp em hoàn thiện luận án tốt nghiệp này

Tim xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhát đến T.§ Nguyễn Ngọc Văn, thầy đã rực tiếp hưởng dẫn em hoàn thành luận văn nảy với sự nhiệt tỉnh và ân cần chỉ báo,

đồng thời cung cấp cho em những kiến thức chuyên mỡn để em có thế hoàn thiện

luận văn tót nghiệp này

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cắm ơn chân thánh đến gia đình, bạn bẻ vả người

thân, những người đã bên cạnh và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và

hoàn thành luận văn

tà

1.1.1/Giới thiệu XE hHH.H hưng giec 1

1.3 Xử lý ảnh y lễ ~.-~.2~~~errrrrrervee 28

1.2.3.Khái niệm và các vẫn đề cơ bản về xứ lí ảnh 25

1.3.Su hỗ trợ cũa máy tính và công nghệ thông tím trong xử lý hình ảnh y lố 2B

3.3 Biển đổi Fourier rời rạc cho quá trình xử lý hình ảnh aA

2.3.2 Một số khái niệm cơ bản cv, ¬ 4D

3.3.3 Một số tính chất của DET àacucoeieroer _ AD

2.4 Thao tác kỹ thuật thang độ xám (erey seale) seo 4G

CHUONG 3 KỸ THUẬT NẴNG CAO ĐỘ TƯƠNG PHẢN TRONG XỬ LÝ

3.1 Gidi thiéu chung vé may chup X-Quang ccccccssseseseseseenssnessnneesieenseneeee BB

3.2.Téng quan xử lý hinh ảnh CR

3.3.Nâng cao độ tương phân cho hình ảnh S 78

3.3.2 Nang cao 46 tuong phản Mulltiseale 279 3.3.3,Các quá trình đại diện sscerirrirrirerrriririeeoee TẾ

3.3.4.8ự cân bằng ngược lại site BT

SAAT OM lược ii ĐẤT

3.5 Xử lý ảnh chụp của máy X-Quang bằng phương pháp cân bằng Hislogram 95

3.5.3 Kết quả thực hiện bằng mô phỏng Matlab se TÕ 3,6 Một số kết quả dạt dược trong việc nâng cao chất lượng ảnh chup X-Quang 102

3.6.1 Phương pháp Lọc trung bình ccsiceerere M - 3.6.2 Phương pháp Nâng cao độ tương phân 108

KET LUAN VA HUONG PHAT TRIEN

TÀI LIỆU THAM KIIAO

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Tình 1.1 Sơ chung hệ thông ảnh y sinh 15 THình 1.2 Các bước cơ bản trong xử lý ảnh - - - 24 Hinh 1 3 Ban vé phéi cảnh 3D của não 37 Tình 1 4 Phân đoạn ảnh đơn giản bởi một ngưỡng duy nhất - 28

Tình 1.5 Thuật toán erma để ước lượng tham số sresesseses , 3Ö

Hinh 1.8 Méi pixel hình ảnh dược liên kết với một vector phỏ xây đựng từ cường dộ

Fitth 1.9 Géc lit vector cia mét diém ảnh bãi kỳ với vecler của một điểm anh than

THình I 10 Phóng to điểm của tến thương lớn oó ms ở một bệnh nhân 4S 32 Tình 1.11 Độ họa mình họa tích chập cà seeeinrsnaooo 35 Tình 1.12 Cenvolving với chức năng xưng - 35 Hình 1.13, Ding Fourier trong các bộ lọc ảnh Series 3Ô

Hinh 2.1 ¥ nghĩa của đáp ứng xung hệ thông PSE - - 38

Tình 13 Kết quả Fourier Iransionn của các PSE - - 38

Hình 2.3, Độ tương phản của hình vuông nhỏ có cùng mức xám trên các khu vực nêu

Tình 2.4 Quy trình hiển thị hink amb - - - 40

Tình 2.5 Các dơn vị hiển thị trực quan eee essen Xeseee,đÔ) Hình 2.6a Nguyễn tắc cửa SỐ 0 nh tre dS

tình 2.6b Nguyên tắc cửa SỐ họ nrerrrrrerrrrree

Hình 2.7 Hình ảnh hiển thị ở củng một cứa sỐ ọ

Hinh 2.8a Hình ảnh hiện thị cùng lúc 2 cửa số

Tình 2.8b, Cửa số đôi và biểu đỏ

Hinh 2.8 Chức năng, phí tuyến tỉnh của ửa sŠ - co

THình 2.9: sơ đồ bộ lọc số

Tình 2 10 Quá trình thoái hóa tín triệu

THình 2.11 Của sẽ lọc(mặt nạ) có kích thước 5 trong 1D

Hình 2.12, Cửa số lọc (mặt nạ) có kich thước 3x3 trong 2D

Tình 2.13 Của số lọc (hay mặt mạ) kích thước 3x3x3 trong 3D

Tình 2.14 Tính giá Irị trung bình

Hình 2.15, Cách thức nhân chập điểm ảnh với cửa số

Tình 2.16 Trường hợp đặc biệt trong ID

Tình 2 17 Trường hợp đặc biệt trong 2D

Hình 2.18 Ví dụ lọc trung bình cách ườn

Hình 2.19, Cách thức hoạt động của lọc trung vị

Tình 2.20 Mô hình lọc thông cao

Tình 2.31 Đáp ứng xung bộ lọc thông thấp lý tưởng,

Hình 2.22, Đáp ứng xung bộ lọc thông cao lý bưởng -

THình 2.23 Đáp ứng xung bộ lọc thông, đãi lý tưởng

Tình 2 24 Đáp ứng xung bộ lọc chắn đâi lý lưởng

THình 2.25, Đáp ứng biên độ của bộ lọc chuẩn hóa

Linh 2.26, Làm mịn bởi lọc thông thấp Iutterworth

Tinh 2.27 Biên đối tín hiệu thao thời gian đổi với cắp số nhân

Hình 3.1 Máy chụp X-quang, in nneereeeeee Seseeseeoeou.ỔỔ)

Hình 3.2 Kết quả chụp X-quang so suy cect veesvvnsevesansesOT

inh 3.3 Neuyén ly hoat déng may chup X-quang 6§ Tình 3.4 Mô phông chụp X-quang bản tay - 6R

Hình 3.5 Mô phỏng tạo ảnh bằng chủm tia X-quang - sesseee,6B'

Hinh 3.6 Quá trình chụp X-quang và sự khác biệt cơ bản giữa các thể hệ máy chụp X-

Hình 3.7 Quả trình thu nhận ảnh của ỨR seeererirereireeerioo.73

Hình 3,8, Sơ đỗ khái quát hoá quá trình xứ lý CR esec Teeesu.74 Binh 3.9 Điều chính phưm ví phụ và lập đồ thị phân cấp trong agfa ade 75 Hình 3.10, Chup X — quang ở những ving cần thăm khám khác nhau trên cơ thẻ 76 Hình 3.11 Tân số đáp ứng của bộ lọc mặt nạ không sắc nét, ơ = 3, cho kích thước hạt

nhân 109, 39, 13 và 5 điểm ảnh - 77?

Hình 3.12 Sự phần tách theo hình mô hình laplacian và quá ninh ngược lại 80

Hình 3.13 Ham co sé gaussian chuyén déng từ lớp thứ hai dến lớp thủ 4 của mô hình

Tình 3.14 Quả trình cân bằng nguợc lại - 82

Hình 3.15 Khuéch dai phi tuyển áp dụng cho các hệ só mô bình p = 1, 9, 0.7, 0.5 83 Hình 3.16, Kết quả sau quá trình biến đổi trên mô xương, seseerseee.t3Ỷ Hình 3.17 Quá trùnh kết hợp tặng cường, bao gồm độ tương phân cân bằng, tăng

cường cạnh vả vùng, ảnH chì hằng seo

Linh 3.18, Dap ứng tấn số không gian của tăng cường cạnh giám vúng 86

Tình 3.20 So sánh mật độ phim đo và giá Irị XR-sim - - 88

Hình 3.21, Chính quy mé dau ra ctia mang XAM eee seeeseceeesssessiettte sens veeeseeenen ee BO

8

Tình 3.22 (a) ảnh CT gốc, (b) ảnh mỏ hình dược tạo ra, (c) từ ảnh 81

Hình 3.23, Kết quả phép ưừ hình ảnh - see 22s cscec _ Tình 3.4 Ria lát cắt của bộ phân điều hòa (a) X-quang số hóa (b) mõ hình hình ảnh

được tạo (c) phớp lrừ hình ảnh :occccc- 2 D3

Hình 3.30 Kết quả sau khi xử lý hình ảnh trên mô phỏng, Matlab bằng phương pháp

Hinh 3.31 Bidu dé Histogram ban đầu và biếu dé Histogram chi dink eGa cing mat

hình ánh LạHH HH1 HH H0 0e — Linh 3.32 Két quá sau khi xứ lý Lọc trung bình trên mô phỏng Matlab 103 TRình 3.33 Ảnh sau khi được tăng độ tương phản trên mô phỏng Matlah 103

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TAT

CR X-Quang có sự hỗ trợ cửa máy tính

; Chỉ số biểu thị cường độ tương đổi của tín hiệu so với nhiều

CAD Sir dung may (inh trong quá trình thiết kế và lập bản vẽ

XR-SIM Gia lap X-ray

MUSICA | Phương pháp khuếch đại tương phản da mức độ

SP Hình ảnh tổng hợp của giai đoạn quang phố

MS Tênh đa xơ cứng,

PSF Point Spread Funecliem

FWHM Width Full at Half Maximum

MIF Modulation Transfer Function

EMA Exponential Moving Average

BWMA Weighted Moving Average

cDr Chức năng phân phỏi tích lũy

PHAN M6 DAT

1 Lý do chọn để tải

Y học hiện dại chấn doan bệnh dựa vào các triệu chứng lâm sang (chin đoán lâm sảng) và các triệu chứng cận lâm sàng (chân doan cận lâm sàng) Trong chin đoán cận lâm sảng thì chắn đoán đựa lrên hình ảnh thu được từ các thiết bị, máy y lễ (chẩn đoán hình ảnh) ngảy cảng chiếm một vai trỏ quan trọng, nhất là ngày nay với sự trợ

giúp của các thiết bị, máy y tế hiện đại, công nghệ cao có các phản mẻm tin học hỗ trợ

khiến cho hình ánh rõ nét và chỉnh xác hơn

Chan doan hình ảnh đã góp phần quan trọng nàng cao tỉnh chính xác, kịp thời

và hiệu quả cao trong chắn đoán bệnh Củng với sự phát triển của khoa học và công,

nghệ, đã có rất nhiều loại mấy tạo ảnh được ta đời như máy X -quang (X Rays

Machine), may chụp cắt lớp vi tỉnh (CT Scanner), máy siêu âm (ntrasound Machine),

may dign tim (Electrocaldiograph), may tạo ânh công hưởng từ (Magnetic Resonane

Thunging)

Việc trợ giúp chân đoàn, lưu trữ tư liệu và nghiên cửu hình ánh X-Quang lả một

trong những ứmự dung lin học phố biến nhật hiện nay Việc chuyêu tín higu tir may chụp X-Quang lên phòng mố Chân thương chính hình đã dược nhiềư nước áp dụng phé biển, ở Việt Nam một số cơ sở đã áp dụng phương pháp này, việc từng dựng nay

đã cùng cấp cho phẫu thuật viên trong khi mô có hình ảnh trực tiếp giúp cho việc mỗ dược tiên bành hiệu quả hơn, tốt hơn

'Từ những vẫn đề trên tôi đã chọn để tải cho luận văn cao học là: “Nghién cửu

về xử lý ảnh và ứng dụng trong mắp chụp X~Quang” nhằm nghiên cứu, tìm hiễu một

số phương pháp, thuật toán nàng cao chất lượng hình ánh của máy chụp X-Quang trong lĩnh vực y tế

3 Lịch sử nghiên cứu

Các máy thiết bị và máy y tế chân đoán hình ảnh đầu tiên khi mới ra đời chỉ là

tín hiệu đạng sóng (Analog) đưa lên màn hình VIDEO của máy Theo thời gian, máy

được chế tạo ngay càng có câu hình cao hơn và chuyển dẫn sang tíu hiệu số, cáo phần mềm xử lý tỉa hiệu lưu trữ thông tin số ngay tại các may đó (vỉ dụ máy siêu âm có thé lưu được 5000 ảnh của bệnh nhân gần đây nhất) Luy nhiên, dân từng bước khi có các

Ll

điều kiện đặt ra và nhu cầu giao tiếp giữa các máy với nhau (vi dw may CT Scanner chuyển cho máy chiếu tra Coban ) vả truyền ảnh số giữa các ving với nhau để trợ giúp chân đoán thì các chuân đữ liệu chung vẻ hình ảnh của y tế dân ra đời

Tuy nhiên, các máy y tế dời cũ không có công giao điện, không có tín hiệu ảnh

số, việc nghiên cứu chế tạo ADC card chuyển đổi ở một số máy đã được nghiên cứu rửumg chưa nhiều và các phần mềm xử lý ảnh chuyển đến chất lượng chưa cao

Nhờ kỹ thuật số hóa đã mở ra cho hình ảnh X-Quang một hưởng mới, X-Quang,

số hóa Phim thường chuyến thành phim in bằng tia Laser lả tiên để cho môn Chân

doan hình ảnh hiện đại ra đời Đáng kế là X-Quang can thiệp hay X-Quang điều trị cho phép xác định chính xác vị trí chọc dò sinh thiết, dẫn lưu các nang, ô áp xe, tụ địch,

nong mở các động mạch, đặt cáo Stent, bịt tắc các nhánh mạch máu đang chảy hoặc

mach nudi cap man cho 1

Tiác sĩ chân đoán hình ảnh hiện nay không những phải biết vận hành, sử dung nhiều loại máy móc hiện đại, mà phải có kiến thức eơ bản không những về y khoa mà

côn về lý sinh, vật lý, tn học Sau hơu 100 năm X-Quang đã lrở thành một ngành rộng,

với kiến thức hiện đại, đời hói nhiều kỹ năng, kỹ xảo Với hình ãnh X-Quang mới, các nhà lâm sảng cũng phải nắm được các vận đề cơ bản, cũng phải được đáo tạo lại cách

đọc phim với hình ảnh mới

3 Mục đích nghiên cứu củn luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

31 Mục đích nghiên cứu

Mục tiêu của để tài là nghiên cứu về xứ lý ảnh và ứng dụng trong máy chụp X-Quang” nhằm nghiên cứu, tìm hiểu một số phương pháp, thuật toán nâng cao chất lượng hình ảnh của máy chụp X-Quang trong lĩnh vực y tế

3.2 Đối tượng nghiên cứu

Déi tượng nghiên cứu của để tài là các vẫn đề liên quan đến việc chấn đoán

33 Phạm vì nghiên cửu

Dễ tài nghiên cứu, tim hiểu

Š kỹ thuật xứ lý ảnh, máy chụp X-Quang; nghiên

sứu một số phương pháp nông cao chất lượng hình ảnh trong y tế, nghiên cửu kỹ thuật

nông cao dộ tương phản trong xứ lý hình ánh của tnảy clưụp X-quang trong y tế

4, Tom tat dé tai

Chan doan hinh anh trong y học là một lĩnh vực then chốt của ngành kỹ thuật

y sinh hàm chữa những thành tựu hiện đại nhất trong nhiều lĩnh vực liên nganh, đặc

biệt là vật lý ứng đụng, y sinh học hiện đại và công nghệ thẳng tin Việc ứng dụng

ÿ đề chân đoán bệnh một cách thật chính xác tử đó tim ra phương pháp điều trị tốt nhất cho bệnh nhân

những thiết bi tạo ảnh rong y tế giúp ích rất nhiều cho bá

đó có giá thành rất cao

Việc ứng dụng công nghệ thông tin trong các thiết bị và máy y tế với các phần mêm chuyên dựng đã lạo ra bước phát triển đột phá ong việc ghỉ hình ảnh có chất Tượng cao các cơ quan bị bệnh của cơ thể con người, giúp cho các chuyên gia y tế chấn đoán bệnh khách quan hơn, nhanh chóng hơn và chính xác hơn nhiễu Ứng dụng vả phát triển công nghệ thông tin Y tế đang là nhủ cân cấp thiết của Ngành Y tế Việt Nam, nhằm xây dựng nên y tế Việt Nam hiện dại, có công nghệ và kỳ thuật y học cao, đáp ứng được yêu cầu chăm sóc sức khoẻ cho nhân dân

Xuất phát từ thực tế trên tôi đã chọn đê tài: "Nghiên cứu về xử tỷ ảnh và ứng dụng trong máy chụp X-Quang” nhằm nghiên cứu, tìm biểu một số phương pháp,

thuật toán nâng cao chất lượng hình ảnh của máy chụp X-Quang trong lĩnh vực y tế

Đề làm rõ hơn về nội dụng thực hiện của đề tài nảy, luận vẫn được chữa thành 3

chương bao gồm những nội dưng như sau:

Chương L: Tổng quan về xử lý hình ảnh trong y tế

Chương 3: Một số phương pháp nâng cao chất lượng hình ảnh trong y tế

Chương 3: Kỹ thuật nâng cao độ tương phản trong xử lý hình ảnh của máy chụp

X-Quang.

5, Nai dung và phương pháp nghiên cứu

~_ Nghiên cửu tìm hiểu phương pháp làm mịn bình ảnh và hình ảnh sắc nét

-_ Nghiên cứu phương pháp giám nhiều hình ánh mà không có ranh giới cạnh mờ

-_ Nghiên cứu kỹ thuật thao táo tỉ lệ xám của hình ảnh

32 Phương pháp nghiên cứu

- 'Tổng hợp các tải liệu kỹ thuật, công nghệ trong vá ngoài nước, phân tích vả

đánh giá nội đụng liên quan đến để tài

~_ Khảo sát, phân tích, thiết kế và đánh giá nội dụng nghiên cứu Hong quá lrình thực hiện đẻ tài Dễ xuất phương án xử lý ảnh phù hợp,

CHƯƠNG 1

TONG QUAN VE XU LY HiNH ANH TRONG Y TE

1.1 Ảnh y tế

1.11 Giới thiệu

Ngày nay, chân đoán hình ảnh là lĩnh vực then chốt của ngành kỹ thuật y sinh

nói riêng và của hệ thông y tế nói chung Chân đoán hình ảnh y tế ửng dụng các thành

tựu khoa học công nghệ mới vào chan đoán y học với mục đích tìm hiểu cầu trúc bên

trong cơ thể con người Nhờ đỏ mả các hình thái, chức năng, cầu tạo sinh lý của cơ thể

con người sẽ được thẻ hiện bằng những hình ảnh theo quy ước

Hình ảnh y tế đề cập đến các kỹ thuật và quy trình sử dụng để tạo ra hình ảnh

của toàn bộ hoặc các bộ phân của cơ thể con người cho mục đích lâm sảng bao gồm

chan đoản, kiểm tra hoặc khám bệnh trong đó bao gồm cả giải phẫu và sinh lý bình

thường Trong bối cảnh lâm sảng, hình ảnh y tế nỏi chung lả dùng đẻ chụp X-quang

hoặc đưa ra “hình anh lâm sảng” vả các bác sĩ có trách nhiệm giải thích hình ảnh hay

còn gọi là chân đoản hình ảnh Chụp X-Quang chan đoán chỉ định các khia cạnh kỹ

thuật của hình ảnh y tế Hinh ảnh y tế sử dụng kỹ thuật không xâm lần tạo ra hình ảnh

phản ánh các khia cạnh bên trong của cơ thể Trong chụp X-Quang, chụp X-ray bức xạ

được hấp thụ ở mức độ khác nhau trong các loại mỏ khác nhau như xương, cơ vả chất béo sau đó hình thành ảnh

Một số biện pháp kỹ thuật hình ảnh tiên tiên được sử dụng rông rãi hiện nay

như: X-quang, siêu âm, chụp cắt lớp - CT, cộng hưởng từ - MRI Thông qua các biện pháp kỹ thuật này các hình ảnh chỉnh xác được đưa ra Như vậy hình ảnh y tế đóng vai trỏ quan trọng trong việc hỗ trợ việc phỏng ngừa và điều trị bệnh

1.1.2, Sơ đồ chung hệ thông hình ảnh y tế

Phân tích sơ để hệ thống ảnh y sinh:

-_ 1Iệ thống sinh học: Là cơ thể người, hoặc các bộ phận trên cơ thể người

-_ âm biển: Thu nhận tín hiệu y sinh Lừ hệ thống sinh hae qua cảm biển, lín

hiệu này có thể là tin hiệu 1 chiếu hoặc 2 chiêu

Ảnh X-quang thông thường Anh cit lép CT scaner

Anh cộng hưởng từ hạt nhân MRI

Siêu âm

Anh tit sinh hoe

Tai tao anh: Ánh thu được cản tái tạo lại trước khi đưa vào tiên xứ lý và lọc

Tiên xử lý và lạc: Tại đây tín hiệu sẽ được liên xử lý và lọc, do lín hiệu bị ảnh hưởng bởi nhiễu do một số nguyên nhän chính: Can nhiễu từ các hệ thống xử lí

ảnh y sinh khác hoặc do tính không hoàn hâo của cầm biển (bản chất, câu tạo, đặc

trưng của cảm biển),

- Trich chọn đặc trưng: Các đặc trưng mổ tả trạng thái vả biểu hiện của hệ thống sinh học đang được xem xét Từ các đặc trung trích chọn mà la kì vọng có thể phân biết dược các trường hợp khỏe mạnh, bát thường (bệnh lý, tốn thương) Nhiệm

vụ của người kỹ sư y sinh tạo ra các giải thuật để trích chọn đặc trưng tử các đặc tính

vốn có về mặt vậi lý của tín hiệu thu được (ví đụ ảnh CT Iin hiệu vật lý trich chọn đặc

trưng các khối theo mức xám hay theo hình dạng) nhằm lâm nỏi bật vùng cần xem xét

- Thân loại và chuẩn đoán: Các đặc trưng đã được trích chọn sẽ được đưa vào các bộ phân loại để phân biệt các trường hợp khác nhau và bỏ trợ tăng cường tính chính xác trong chân đoán, hệ thống chẩn đoán thường ở trong hệ thống máy tính hỗ trợ chân đoán ảnh tự động,

Quá trình tạo ánh y tế nhằm mục đích thu nhận các thông tin hữu ích về các quả

trình sinh lý hay các cơ quan của cơ thế bằng cách sử đựng các nguồn năng lượng

GHất liệu đối lượng sử dụng để thu nhận, hiển tị có ảnh hưởng lớn tới quá trình thú nhận nh y tế Bao gồm các dic tinh tinh hay dộng của các dỗi tượng như các tô chức, các mỏ, các bệnh lý đặc trưng của cơ thể, ví dụ đặc tính tĩnh là mật độ các mô, xương, đặc tính động Ja dong máu hay chuyển động của tim Ngoài ra các thuc thé tao anh y

16

tế khác nhau sẽ cung cấp các thông tin đặc tỉnh riêng biệt về các cơ quan bên trong hay cua các tổ chức mô Dộ tương phán và độ nhịn thấy cúa ảnh y tế phụ thuộc vào thực

thể tạo ảnh, hàm dap ứng cũng như phụ thuộc vào các vừng bệnh lý Thực thể lạo ảnh

y tế dược chia làm 3 loại:

+ Nguồn năng lượng bên trong

+ Nguồn năng lượng bên ngoài

+ Kết hợp hai nguồn năng lượng,

Quá trình xử lý ảnh nhằm tăng cường thông tin chân đoán, hễ trợ cho việc diễn

giải ảnh y Lễ (thông thường hoặc có sự ợ giúp của máy tỉnh), giúp hiển được các quá trình sinh lý củng với các bệnh vá phán ứng chống lại điểu trị của chúng Sau khi được

số hóa ảnh sẽ được chuyển đến máy chủ xử lý ảnh (ADC processing server) Máy chủ

nay có chứa nhiều phân mềm xử lí ảnh rửn tặng cường bở nét, rén đãi rộng, tăng

Phương pháp khuếch đại tương phản đa

cường tương phản đa mức độ, giảm nhị:

mite 46 (Multiscale image contrast amplification) MUSICA cé thé lam tang kha nang

phát hiện các đường gãy ấn, nốt nhỏ, không che lấp chỉ tiết lần cận, không tạo bờ giả,

va dung cho toàn bộ cơ thể

1.13 Các phương thức hình ảnh y tễ

> Chụp X-Quang,

'Tạo ảnh bằng X-Quang lá một trong những kỹ thuật chân đoán hinh ảnh sử dung phd bién trong y hoc va kỹ thuật Nguyên lý tạo ảnh dựa trên sự lam truyền và hấp thụ của tia X trong, quả trình di qua môi trường vật chất không đồng nhất, Để hiểu

rõ bản chất vật lý sự tương tác của tia X với vật chất, người ta có thể sử dựng mô

phỏng quá trình lan truyền của photen tia X thông qua các đạng tương tác đặc trưng cơ bản như hiệu ứng, quang diện, tan xa Compton va Rayleigh cũng như hiệu ứng tạo cập

[L1] Cø sở thuật toán mô phỏng sự lan truyền này cũng là một công cụ đắc lực giúp giải quyết bài toán tương tác bạt cơ bản với vật chất trong vật lý hạt nhân

Ban chat v4 dic tinh cilia tia X: Ban chất của tia X lá sóng điện từ gồm những

sóng xoay chiều theo chu ky, cùng một loại với ánh sáng, sóng vô tuyên điện Đặc

điểm của các bức xa trên là truyền đi với tốc độ gần giống nhau (khoảng 300000kmt) chỉ khác nhau về bước sóng, chu kỳ và tân số Tia X có bước sóng dải khoảng 10-8 cm

và có một sổ đặc tính sau

© Tinh truyền thẳng và đâm xuyên: Tia X truyền thắng theo moi hướng và có

khả năng xuyêu qua vật chất, qua cơ thể người Sự dâm xuyên này cảng để dàng khi

cưởng độ tia cảng tăng

« Tính bị hắp thu: Sau khi xuyên qua vật chất thi cường độ chủm tia X bị giảm xuống do một phần năng lượng bị hấp thu Dây là cơ sở của các phương pháp chấn

đoán X-Quang và liệu pháp X-Quang Sự hắp thu này tỷ lệ thuận với

+ Thẻ tích của vật chất bị chiếu xạ: Vật càng lớn thì tia X bị hấp thu càng nhiều

+ Tước sóng của chủm tỉa X: Bước sóng cảng dải tức là tia XÃ cảng mềm thi sé

‘bi hap thu cảng nhiéu

+ Trọng lượng nguyên tử của vật chất Sự thấp thu tăng theo trọng lượng

nguyên tử của chật bị chiều xạ

L Mật độ của vật chất: SỐ nguyên Lữ trong một thể tích của vật càng nhiều thì

sw hap thu tia X cảng ting Vi dụ nước ở trạng thái lỏng hấp thu tia X nhiều hon ở

trạng thái hơi

* ‘Tinh chất quang học: Giống như ảnh sảng, tia X cũng có những hiện tượng,

quang học như khúc xạ, phân xạ, thiểu xạ và tấn xạ NHững lính chất này tạo nên

những tia thử trong cơ thể khi nỏ xuyên qua và làm giảm dộ tương phản trên các phim: chụp Dễ chống lại hiện tượng này người ta có thể dùng loa khu trú, đồng nhỏ cham

mm sắng như Tungstal cuẩmi,

platino-cyanua Bari cac chất này được dùng để chế tao man buỳnh quang dùng khi chiếu X-Quang, 14m tăng quang

« Tính chất hoá học: Tính chất hoá học quan trọng nhất của tia X là tác dựng Tên muối bromua bạc trên phím và giấy ảnh làm cho nó chuyến thành máu bạc khi chịu tảo dụng của các chất khử trong thuc hiện hình Nhờ tính chất nảy má nó cho phép

ghi hình X-Quang của các bộ phận trong ca thể lên phim va giấy ảnh

« 'Tác dụng sinh học: Khi truyền qua cơ th tia X có những tác dựng sinh học

Tác đụng nảy được sử dụng trong điều trị đồng thài nẻ cũng gây nên những biến đối

có hại cho cơ thẻ

Các kỹ thuật X-quang quy ước:

+ Chiếu X-Quang: Chùm tia X sau khi truyền qua vùng thăm khám của cơ thể

thủ năng lượng bị suy giâm đo bị hấp thụ bởi các vật chải Sự suy giảm này phụ thuộc

xuyên trung bình (từ 70 đến 80KV) và với cường độ thấp (chỉ khoảng tử 1,5 đến 3

1niliampe) Sự phát huỳnh quang của màn chiến không đủ sáng, vì thể việc chiếu điện phải làm trong buêng tối vá để quan sát rô tổn thương cần thich ghi mt trong bong tối

it nhat 10 đến 15 phút trước khi chiếu

#m đoán hậu như không còn được

Tiện nay, phương pháp chiéu X-Quarys

áp dụng Tuy nhiên, trong X-Quang can thiệp, X-Quang chụp mạch, X-Quang tiêu hoá phương pháp chiêu vẫn được sử dụng nhưng việc ghi hinh được thực hiện bằng X-

Quang tặng sáng truyền hình Phương pháp chiêu X-Quang tổng sáng truyền hình cho chất lượng hình ánh cao hơn, cường độ sang cao hon vi vay nó được tiền hanh trong

phông sang bình thường và cho phép giảm lều chiếu xạ ta Ä lên bệnh nhân và giãm ảnh hưởng, cho bác sỹ chuẩn đoán hình ảnh

+ Chụp X-Quang: Khác với chiếu tia X, sự ghi hình X-Quang của các bộ phận thăm khám được thực hiện trên phim hoặc giấy ảnh Đề ghỉ được hình trên phim X-

Quang thủ tia X phải được phát xạ với một diện thể cao (từ 50KV dến 100 hoặc 150 KV) và với cường độ dòng qua bỏng X-Quang lớn (từ 100-200mA, vả các máy hiện

đại hiện nay có thể lén tói 500 đến 1000KV) Hai yếu tổ này nhằm đâm bao cho su ghi

hình nhanh, giám nhiều khi chụp các cơ quan dộng (như tim, ống tiêu hoà) và phù hợp

với thời gian nin thở của bệnh nhân Phim X-Quang cỏ cấu tạo cơ bản là hai mặt được trắng bởi nhũ tương muối bạc (brorua bạc) Phim được ép vào giữa 2 tắm tăng quang, đặt trong casselte lễ mặt tắm tăng quang được phú bằng một lớp chất phát huỳnh

quang (thường là Tungstat cadmi) Dưới tác đựng của tỉa X các lớp huỳnh quang này

sẽ phát quang và Lắc dụng lên phứm dé ghi hitch bé phan (dim khám ma né Iruyền qua

Ta X chỉ tác dụng lên phũm khoảng 10% còn lại khoảng 90% tác đụng này là do ánh

sảng huỳnh quang phát ra tử tâm tăng quang Vi vay, nhờ tâm tăng quang mà thời gian

18

chụp có thể giảm dị rất nhiều Hiện này, với tắm tăng quang với độ nhạy cao thì thời

gian và cường độ chụp cảng được giám hơn nữa

$* Chụp công hướng lừ MRT

Nguyên lý cộng hưởng từ hạt nhân dược Felix Bloek và Edward Puroel phát

hiện vào năm 1946, được đưa vào ứng dung va bắt đầu phát triển ở nhiều nước tiên

tiến tù những nếm 1950 đến 1970, giải Nobel vật lý năm 1952 cho cả lui nhà vật lý đối

tạo tiển để cho sự phát triển MRI, Năm 1980, chiếc máy cộng hướng từ đầu tiên trên

thể giới được đưa vào hoạt động để hiển thị hinh ảnh chựp cơ thể người Dễn nay cộng,

tưởng từ trở nên phổ biến trong kỹ thuật chân đoán hình ảnh bởi tính chính xác và độ

an toản, thay thế được một số phương pháp chẩn đoán phải dùng một số thiết bị xâm

nhập cơ thế đo đó tránh được rủi ro và sự đau đớn của người bệnh

Thiết bị chuẩn đoán hình ảnh cộng hưởng từ (MIRD là một trong những thiết bị hiện đại hiển thị hình ảnh với chất lượng thông tin giải phẫu và độ phân giải cao được

sử dụng trong y tế hiện nay, nguyên lý tạo ảnh của nó dựa vào sự vận đụng đặc tính

hap thụ năng lượng của một hạt nhân nguyên tổ rảo đỏ — thường là hydro (khi dược đặt trong năng lượng điện từ ửng với tần số dao động riêng của hạt nhân) và đặc tỉnh

bức xạ năng lượng sau khủ đã hận thu Bức xạ này chính là lín hiệu MRT Cường độ tin

hiệu phụ thuộc vào nêng độ của chất dược phân bổ, và đó cũng chính là yếu tế dễ hiễn thị sự sáng tôi của hình ảnh [11] Lợi thể của MRI lá tỉnh vỏ hại của nó, MRI không sit dung bite xa ion hoá giống như phương pháp chụp X-Quang thường quy (Nobel

Vat ly -1901) hoặc chụp CT CNobel Y bọc -1979) Tuy nhiên, nó cỏ một nhược điểm là

trên cơ thé bệnh nhân có mang kim loại tư hoặc mang máy điều hoà nhịp trm không thé được kiếm tra bang MRI béi IMRI có trường từ tính mạnh gây ra nhiều Ngày nay, MRT được sứ dụng dễ kiểm tra gần như mọi cơ quan trong cơ thể, Kỹ thuật này dặc biệt cỏ giá trị trơng việc chụp ảnh chỉ tiết não hoặc đây cột sông Kể từ khi MRI tạo ra được

những bình ảnh 3 chiều, bác sĩ có thế năm được thông tín tương đổi chính xắc về vị trí thương tên Những thông tin như vậy rất có giá trị trước khi phâu thuật chẳng hạn như

tiên phẫu não

Theo nghiên cửu, cơ thế người có tỉ lệ chủ yêu là nước, chiếm 60-70% Trong, thành phẩn của phân tử nước có hai nguyên tử hydro, Về mặt từ tỉnh, nguyên tử hydro

là một nguyên tử đặc biệt vì hạt nhân của chứng chỉ chửa 1 proten J3o đỏ, nỏ có một

20

mêmen từ lớn Điểu đó dẫn tới hệ qua: néu dựa vào hoạt động từ của các nguyên tử hydro để ghi nhận sự phần bề nước khác nhau của các mỏ trong cơ thể thi cỏ thể ghi

lại hình và phân biệt được các mô đỏ Mặt khác, rong củng một cơ quan, các tổn

thương bệnh lý dễu dẫn dén sy thay đổi phân bổ nước tại vị trí tổn thương, dẫn dén hoạt động từ tại đó sẽ thay đổi so với mô lành, đo đó, sẽ ghỉ hình được các thương tổn

Ứng đựng nguyên lý này, MRI sử dụng một từ trường tranh vá môi hệ thống phát các xung có tân số vô tuyển RF (radio requancy) để điều khiển hoạt động điện từ

của nhân nguyên tủ, mà cụ thể lá nhân nguyên tử hyđro có trong phân tử nước của cơ thể, nhằm bức xạ răng lượng dưới đạng các lín hiệu có tẫn số vô luyến Các lín hiệu

này sẽ được một hệ thông thu nhận và xử lý điện toàn để tạo ra hình ảnh của đổi tượng

vừa được đưa vào từ trường đó

Nhu vậy nguyêu lý Iạo ảnh đựa vào sự vận đụng đặc tỉnh hấp thụ năng lượng

của một hạt nhân nguyên tổ hydro (khi được đặt trong năng lượng điện từ ứng với tần

số dao động riêng của hạt nhân) vả đặc tính bức xạ năng lượng sau khi đã hấp thu Bie

xa nảy chính là tím hiệu MRI Cường độ tím hiệu phụ thuộc vào nông độ của chất dược phân bỏ, và đây cũng chính là yêu tổ để biển thị sự sảng tôi của hình ảnh

+* Chàm cắt lớp CT

Chụp cắt lớp vị tính còn được gọi là chụp CTseanner (computed tornography)

là một trang những kỹ thuật hiện đại được sử dụng phổ biến trong y học vá cá trong kỹ

thuật công nghệ cao, ví dụ đó là kinh hiển vĩ cắt lớp khảo sát gác vì cầu trúc vật liệu Nguyên lý tái tạo ảnh cắt lớp là một ửng dụng hữu hiệu giữ sự kết hợp của toán học và thành tựu của công nghệ thông tín trên cơ sở sự hoàn thiện với tốc độ cao vẻ tỉnh năng của máy tính Vì sự quan trọng của nguyên lý tái tạo ảnh cắt lớp, đo đó, nó được ứng, dung trong nhiều kỹ thuật chân doan hình ảnh y học (CL seanner, MRI, siêu am cắt Tớp và optioal tomography) trong thời gian gắn đây [11]

Nguyên lý này có thế được hiếu một cách đơn giản nhà sau: Trên mặt cải của một cầu trùc được chia ra rất nhiều đơn vị thể tịch liên tiếp nhau, mỗi đơn vị thể tích sẽ

được hiện lên trên ảnh như một điểm nhà gọi là điểm ảnh (pixel) Các đơn vị thể tích

được mã hoá các thông số về đặc điểm (i trong, vi trí (loa độ) và được máy Lính phí lại Sau do may tinh dựng lại hình anh ova mặt cắt dựa trên các thông số đã ghi của các đơn vị thể tích để tạo ra hình ánh của cầu trúc trên lớp cắt Phương pháp nảy cho phép

21

phân biệt các cầu trúc cơ thể trên cùng một mặt phẳng có dỏ chênh lệch tỉ trọng 0,5% Nếu số điểm ảnh cảng nhiều (các đơn vị thể tích cảng nh) thí hình ảnh cảng mặn (ảnh

Siêu êm (Uitrasound/Sonography) _ là một kỹ thuật chân đoán hinh ánh không

xâm lản, áp dung phố biên trong y tế Nguyên ly tao anh dua vào sóng siêu âm (sóng,

âm lần số cao) để xây dựng và tải lao hình ảnh về câu trúc bên trong có thể hay chính

là sự thu nhận tín hiệu phần hồi của sóng siêu âm khi truyền qua môi trưởng không

đồng nhất Những hình ảnh này cung cấp thông tin có giá trị trong việc chấn đoán và

điêu trị bệnh Do hình ảnh siêu âm được ghi nhận theo thời gimn thục nên nó có thể

cho thấy hình ảnh cầu trúc và sự chuyển động của các bệ phản bên trong cơ thể kề cả hình ảnh đông máu đang chảy trong các mạch máu Đề hiểu rõ bản chất vật lý của sự tương Táo của giêu âm với vật chất, người la có thế mô phông sự tạo ảnh siêu âm được thực hiện trên cơ sở mô hình toản học mô phỏng, sự truyền qua, sự tản xạ và thu nhận

tín hiệu phân hỏi của sóng siêu âm khi đi vào ruô, kết hợp với lý thuyết hệ thống tuyển

tính với các bô lọc mô phông chức năng hoạt động của các dầu dỏ siêu am, [11]

Nguyễn lý hoạt động của siêu âm: Siêu âm dựa trên nên táng là nguyên lý định

vị bằng sông siêu âm (sonar) - một kỹ thuật dùng để phát hiện các vật thể đưới nước Trong khi siêu âm, sử dụng dau do (transducer) ty sát lên đa, dâu đỏ có chức năng vừa phát vừa th sóng siều âm Khi siêu âm, các tỉnh thể bên trong đầu đỏ phát ra các sóng siêu âm truyền vào bên trong cơ thế Các mô, xương vả chat lỏng trong co thể - một phân hap thụ hoặc truyền qua - một phần phan xạ lại sỏng âm và quay ngược trở lại đầu đỏ Dầu đò thu nhận sóng âm phản hỏi

Trong lĩnh vực y tế, xử lý ảnh đang dược ứng dụng một cách rộng, rãi và dem

lại nhiều kết quả khả quan, hứa hẹn một tương lai phát triển cùng với sự phát triển

22

công nghệ sinh học, Trong y học, chân doán hình ảnh là một phương pháp chan đoán cho phép bác sĩ có thể quan sát các bộ phận của cơ thể qua hinh ánh một cách trực

ủa bệnh lý

ó biện pháp điều trí

hiệu quả Khoa học hỗ trợ cho kĩ thuật chân doàn hình ảnh chính là xử lý ảnh Vỉ dụ

như trong các phương pháp: chựp X-Quang, chụp cắt lớp CT, MRI, siêu âm Do có

quan nhất Từ đỏ đưa ra cáo chân đoán chính xác

thiểu nguyên nhân, ảnh sau khi được tái lạo có thể không rõ nét, nhiễn, mỡ biên, dộ

phân giải thấp, ảnh hưởng đến chất lượng ảnh, gây khỏ khăn cho việc chân doan bệnh

Da vậy, mặc dù các thiết bị chụp y tê với công nghệ ngày càng nâng cao để hỗ trợ cho

việc phân tích và xử lý thông tín lừ ảnh nhưng vẫn đề đặt ra cần phải giải quyết là việc nâng cao chất lượng, ảnh - đây là một bước quan trọng và được gọi là bước tiễn xử lý

ảnh trước khi thực hiện bước tiếp theo lả phân đoạn ảnh y học Quá trình tiến xử lý này

Các phương thức tạo ảnh y hoc (medical imaging moáallity) khác nhan cung,

cân các thông tin đặc tính riêng biệt về các cơ quan bên trong bay của các tổ chức mô trong cơ thể Độ tương phản hay độ nhìn thảy của ảnh y học phụ thuộc vào phương,

thức lạo ảnh, cũng như hàm dap ứng phụ thuộc vào các vũng bệnh lý của bệnh hân

tay không thông qua phần X-Quang vú thủ lại cần thấy rõ sự vì vôi hóa,

thường, các câu trúc mềm Do vậy, mục tiêu của tạo anh và xử lý ảnh y học là thu nhận và xử lý các thông tin hữu ích về các cơ quan sinh lý hay các cơ quan của cơ thể

‘bang cách phân tích hình ảnh với ảnh có đệ tương phản và độ sắc nét cao

122 Các bước xử lỆ ãnh

ng dựng của xủ lý ảnh có khả năng tác động mạnh mẽ đến các lĩnh vực trang

cuộc ông, nhật là trong lĩnh vực y tế Soi chụp bằng máy chụp cắt lớp được dùng

thường xuyên trong xét nghiệm lâm sảng, ví dụ như phát hiện vả nhận dạng u não

Những ứng đựng y học khác của xử lý ảnh số gồm nâng cao chất lượng ảnh X-Quang,

và làm rõ đường biên mạch méu tie nbiing anh chup mach bing tia X (angiograms)

Ảnh sau khi được tải tạo chưa thể rõ nét, ảnh hưởng dén chất lượng, gây khó khăn cho

tạ b2

việc chuan doan bệnh Do vậy cân phải sử dụng nhiều phương pháp xử lý ảnh dễ nâng cao chất hượng ảnh [9] Các bước cân thiết trong xử lý ảnh như sau:

hiệu [—*| nhận ®| đoạn [—y| điển [*[ dang đầu

1lình 1.2 Các bước cơ bản trong xứ lð ảnh

* Phan thu nhin anh (Image Acquisition)

~_ Qua các bộ cảm ding (Sensors)

- Qua cde may quét ảnh (Seaners)

Các thiết bị thu nhận nảy có thé cho anh den tring Ngoai ra cdc thiét bi tha

nhận ảnh được chia làm 2 loại chỉnh ứng với 2 loại ảnh thông dụng là Rawer,Vector

“Nhin chung, các hệ thống, thu nhận ánh đều thực hiện chung một quả trình: Qua bộ cam biến thực hiện biên đổi năng lượng qưang học thành nắng lượng điện, sau đó tổng lợp

năng lượng diện thành ảnh,

sk Liên xử lý (Image Preprocessing)

Sau bộ tha nhận, ảnh có thể bị riuễu, mờ, không sắc nét nên ean đưa vào bộ

tiên xử lý dễ nâng cao chất lượng Chức năng chính của bộ tiển xử lý là lọc nhiều, nâng độ tương phám để làm ánh rõ và nét hơn

* Phin ving anh

Phân vũng ảnh là tách một ảnh dầu vào thành các vùng thành phần dễ biểu diễn phân tích, nhận đạng ảnh Dây là phần phức tạp khỏ khăn nhất trong xử lý ảnh đo đễ

lăm mắt độ chính xác của ảnh Kết quả nhận đạng ảnh phụ thuộc rất nhiều vào

*# Biển diễn và mô tả ảnh

Ảnh trên máy tính là kết quả thu nhận theo các phương pháp số hoá được thực hiện trong các thiết bị kỹ thuật khác nhau Quá trình lưu trữ ảnh nhằm 2 mục đích:

-_ Tiết kiệm bộ nhớ

-_ Giảm thời gian xử lý

Việc lưu trữ thông tin trong bộ nhớ có ảnh hưởng rất lớn đến việc hiện thị, in Ấn

và xử lý ảnh Đây được xem như là một lập hợp các điểm với cùng kích thước tiểu sử dụng cảng nhiêu diém ảnh thí bức ánh cảng mịn va cảng thể hiện rõ hơn chỉ tiết của

ảnh người ta gọi đặc điểm này là độ phân giải Việc lựa chọn độ phân giải thích hợp tuỷ thuộc vào nhụ cầu sử dụng và dic trưng của ruỗi ảnh cụ thể, trên cơ sở đó các ảnh

thường được biểu diễn theo 2 mô hình cơ bản Anh sau khi số hoá sẽ được lưu vào bộ

nhớ, hoặc chuyến sang các khâu tiếp theo dé phân tích Nếu lưu trữ ảnh trực tiếp từ các

ảnh thô, đồi hỏi dụng lượng bộ nhớ cực lớn và không hiện quả theo quan điểm ứng

Thông thường, các ánh thô đó được đặc tá (biểu diễn) lai (hay don

dụng vá công nghệ 1

giản là mã hoá) theo các đặc điểm của ảnh được gọi là các đặc trưng ảnh (Image

Toalsxes) nhục Biêu ảnh (Boundary/Egde), vùng ảnh (Regron)

$* Nhận dạng va néi suy anh (Image Recognition and Interpretation)

Nhận dạng ảnh là quá trình xác định ảnh Quá trình này thường thu được bằng cách so sảnh với mẫu chuẩn đã dược lưn lừ trước Nội suy là phán đoán theo ý tghữa

trên cơ sở nhận dạng Có nhiều cách phân loại ảnh khác nhau Theo lý thuyết vẻ nhận

đang, các mô hình Loàn học về ảnh được phân theo bai loại nhận dạng ảnh cơ bản

- Nhan dang theo tham sé

-_ Nhận dang theo cfu tric

+ Co sé tri thic (Knowledge Base)

Nhu da nói ở trên, ảnh là một đổi tượng khá phức tạp về dường nét, độ sảng tối, đụng lượng điểm ảnh Trong nhiều khâu xứ lý và phân tích ãnh ngoái việo đơn giãn hóa các phương pháp toán học đảm bảo tiên lợi cho xử lý, người ta mong muền bắt chước quy trinh tiếp nhận và xử lý ảnh theo cảch của con người Trong các bước xứ lý

đó, nhiều khâu hiện nay đã xử lý theo các phương pháp trí tuệ con người Vì vậy, ở

đây các cơ sở trì thức được phát huy:

123 Khai niệm và các vấn đề cơ bên về xứ lỉ ảnh

*# Điểm ảnh

Ảnh góc là hình ảnh liên tục về không gian và độ sáng, đề xử lý bằng máy tỉnh, ảnh cản phải dược số hóa Số hỏa ảnh là sự biến dỗi gần đứng một ảnh liên tục thành một tập điểm phù hợp với ảnh thật về vị trí (không gian) và độ sáng (múc xám)

25

Khoảng cách giữa các điểm ảnh dó được thiết lập sao cho mắt người không phân biệt được ranh giới giữa chúng Mỗi một điểm như vậy gọi là điểm ảnh Diểm ánh được xem nh là đấu hiệu hay cường độ sáng tại một Loa độ trong không gian của đối tượng,

và ảnh được xem như lả một tập hợp các điểm ảnh [9]

$# Mức xám

Một diểm ãnh (pbxeb) có hai đặc trưng cơ bắn là vị trí (x,y) của chiếm ảnh và độ

xám của nó, Mức xám của điểm ảnh là cường, độ sảng của nó được gan bing gia tr số

điểm đó Cáo thang giá trị mức xám thông thường: 16, 32, 64, 128, 256

$* Độ phân giải

Dé phan giải của ánh là mật độ điểm ảnh được ân định trên một ánh số được

hiến thị Theo định nghĩa, khoảng cách giữa các điểm ảnh được chọn sao cho mắt người vẫn thấy được sự liên tục của ônh Việc lựa chọn một khoảng cách thích hợp Lao

niên một mật độ phân bổ, đó chính là độ phân giải và được phân bổ theo trục x, y trong

không gian hai chiều [9]

Lay mau va hong tt hoa ảnh

Một nh g(x, y) ghi được là ảnh liên tục tạo nên mặt phẳng hai chiều Ảnh cần chuyến sang dạng thích hợp để xử lí bằng máy tính Phương pháp biến đối một ảnh

(hay một hàm) liên tục trong không gian thành dạng số rời rạc được gọi là số hoá ảnÌL

Việc biến đổi nảy có thể gồm bai bước:

Bude 1: Tây mẫu là đo giá trí trên các khoảng không gian

Bước 2: Lượng tử hoá là ánh xạ cường độ (hoặc giá trị) đo dược thành một số hữu hạn các mức rời rạo

1.3 Sự hỗ trợ của máy tính và công nghệ thông tin trong xú lý hình ảnh y tế

Xứ lý ảnh y té voi su phat triển của các phương pháp tiếp cận vấn dễ cụ thể dễ

nhỉn tổng quan toàn điện của chủ đề xử lý ảnh y tê đã được trình bày ở phân trên Ở

đây, chủ yếu tập trung vào kỹ thuật phân vùng ảnh và phân tích đa quang phố

1.31 Phân vùng ảnh

Phân vùng ảnh được định nghữa là kỹ thuật phân vùng một hình ảnh thành các

vùng cỏ ý nghĩa với một nhiệm vụ cụ thẻ Ví dụ như, bằng cách phân ving hình ảnh có

thể giúp phát hiện một khối u não từ hình ảnh MR hoặc CT Phân đoạn là một trong

những bước đầu tiên dần đền phân tích vả giải thích hình ảnh [8]

Hình 1.3 Bản vẽ phối cảnh 3J2 của não Qua bản vẽ phổi cảnh 3D của hình ảnh MRI, các vùng của não được phân định

rõ ràng như sau bẻ mặt da (mảu hồng), mô não (mau nâu), các mạch máu lớn (mảu

xanh nước biên), và khối u (màu xanh lá) Điều nảy cho phép bác sĩ phẫu thuật xác định chính xác vị trí khôi u, xây dựng phương pháp điều trị và mô phỏng quy trình cụ thẻ

Phương pháp phân vủng hình ảnh có thể được phân loại theo cả các tính năng

và các loại kỹ thuật được sử dụng Tỉnh năng bao gồm: Cường độ pixel, thông tin vùng

anh, va ket cau Xét theo kỹ thuật có thẻ được phân loại thành các phương pháp câu trúc và thông kê Phương pháp câu trúc dựa trên các thuộc tính không gian của hình

ảnh, chẳng hạn như các cạnh và khu vực Các thuật toán phát hiện các cạnh khác nhau

đã được áp dung đẻ trích xuất ranh giới giữa các mô não khác nhau Tuy nhiên thuật

toán như vậy rất nhạy cảm với các thiết bị phụ trợ và gây nhiều Ngoài ra kỹ thuật câu trúc là một phương pháp khá phổ biển Trong phương pháp nảy, người ta bắt đầu bằng,

cách chia một hình ảnh thành các vùng nhỏ, có thẻ được coi là “hạt giống” Sau đó,

kiểm tra tắt cả các ranh giới giữa các khu vực (đường biên) liên kẻ Đường biên rõ (về tỉnh chất cụ thẻ nảo đó) được lưu giữ, trong khi ranh giới yêu được loại bỏ và các vũng

27

lân cân sáp nhập Quá trình này được thực hiên lặp đi lắp lại cho đến khi không có ranh giới nảo đủ yếu đề có thể loại bỏ Tuy nhiên, hiệu suất của phương pháp nảy phụ thuộc vào lựa chọn ảnh góc và các khu vực chưa chắc đã được xác định rõ rảng, do đỏ

cũng không được xem là thiết thực

Theo một quan điểm hoàn toàn khác, phương pháp thống kê pixel theo giả trị xác suất được xác định dựa trên cường độ phân bổ của hình ảnh Phương pháp ngưỡng

mức xảm tuy đơn giản nhất nhưng nỏ thường hiệu quả hơn so với phương pháp phân

vùng Trong phương pháp này, các cấu trúc trong bức ảnh được gán nhãn bằng cách so

sảnh giá trị mức xám của chủng cho một hoặc nhiều ngưỡng cường đỏ Một ngưỡng

duy nhất phục vụ cho phân đoạn hình ảnh chỉ vào hai khu vực, một nẻn vá một mặt

ni, như mình họa trong hinh 1.4 Trong trường hợp khi cỏ một sự khác biệt rố ràng giữa

mức xám của các đổi tượng chúng ta muốn phân đoạn thì việc chọn ngưỡng là tương đổi

hệ thông thị giác của con người có thẻ thay thẻ, bổ sung cho vân đẻ nảy Mức tăng phi

tuyến tỉnh có thể lảm xảo trộn sự phân bố biêu đồ, gây ra sự chồng chéo đáng kế giữa

đỉnh cường độ vả do đó dẫn đến phân loại sai cường đỏ áp dụng trên phương pháp

28

phân loại truyền thống Để khắc phục van dé nay, cd nhiều cách tiếp cân thống kê phức tạp hơn, dựa trên những giá định hoặc các mô hinh cúa hảm phân phối xác suất

của các cuờng độ hình ảnh và lớp liên kết của nó và cả hai có thể được coi là các biến

ngầu nhiễn nảo dỡ

Cho C và Y là hai biến ngẫu nhiên của các lớp và cường độ pixel tương ứng, c

và y là trường hợp điển hình Hăm mật độ các lớp có diểu kiện là p (y | c) Phuong

pháp thống kế chỉ đưa ra y cường độ cho mỗi pixel Một van dé 1a việc ước lượng

được thiết lập từ một tiêu chi chuẩn định trước Có nhiều phương pháp phân chia

thống kê khác nhao về mô hình của p(y) Tủy độc vào việc sử dụng một đang ham

cụ thể cho các mô hình mật độ giá định cho các phương pháp thống kê khác nhau Cá

hai phương pháp trên đã được sử đụng rộng rãi trong phân chía của ảnh no MR

Trong phương pháp phi tham sé,

các mô hình mật độ p(y) được xác định hoàn toàn dựa trên các đữ liệu của chính bản thân chúng

Một trong những phương pháp phi tham số được sử dụng rộng rãi nhật hiện nay

là K-Nearesl-Neighbors (KNN) phân loại có quy tắc Ý tưởng: duyệt qua IẤL gã các điểm trong tập 8, tìm khoảng cách đến đối tượng đang xét lả y và nếu khoảng cách nảy

nhỏ hơn khoảng cách lớn nhất trong tập K thì chèn nó vào tập K theo đúng thứ tự tăng

đần trong khoảng cach Sau khi chạy hết n đối tượng trong Š thì K là tập kết quả chi chữa k đối tượng liệ sể k là số các lân cận gần nhất được tim thấy trong miền lân cận của bất kỳ cường độ y nào Các KXN liên quan đến việc tìm kiếm một ruiền lân cận xung quanh diễm y có chứa K dộc lập với miễn điểm ảnh của y |§|

Phương pháp phi tham số là phương pháp phổ biển được sử dụng rộng rãi, nhưng bị ảnh hưởng từ những hạn chế của việc thu thập một số lượng lén các điểm ảnh, trong phương pháp này, ánh có thể bị mờ nhạt và gây khỏ khăn ngay cả dối với

những người có kinh nghiệm Rõ ràng, cáo phương pháp này không phải 14 hoán toàn

tự động

không giống như các phương pháp tiếp cận phi tham só, tiếp cận tham sé dua

trên một hình thức chức năng rõ ràng của bảm mật đô cường độ Ví dụ, hàm mật độ

cường độ có thể được mô hình hóa bằng một khoản phan phối Gaussian, mdi md hinh phân bế một cường độ của từng lớp Ở đây, ý nghĩa và phuong sai của phân phối Gaussian tré thanh thông số của mỏ hình được xác định

29

Khả năng tôi đa (ML) lả phương pháp nhằm ước lượng môt tập hợp các thông

số tôi da hóa khả năng quan sát sự phân bồ mức độ xám Phương pháp tốt nhat đẻ ước

lượng các thông số nảy lả sử dụng một phương pháp tiếp cân Expectation-

Maximization (EM) Hinh 1.5 va 1.6 cho thay vi du về kết quả thụ được với các thuật

toán EM trên dữ liệu MR thực

xám trung bình, va dich não tủy vả không khi có máu đen)

30

1.32 Phân tích đa quang phỗ

Chúng ta đã đẻ cập đền xử lý hình ảnh dựa trên một hình ảnh MR duy nhất Tuy

nhiên, dữ liệu MRI co ban chat đa quang phố, và do đặc điểm tương phản của chúng phụ thuộc vào trình tự thâu lược vả các giá trị thông số, Ví dụ hình 1.7 cho thấy mật độ

proton T2, Tl, PD, GAD trong hình ảnh MRI não của cùng bệnh đa xơ cửng (MS)

Trích xuất dữ liệu từ các kỳ kiểm tra MR da pho co thẻ cung cấp cho chúng ta thông tin bổ sung hữu ích trong chân đoán bệnh vả đánh giả điều trị [8]

Hình 1.7 Hình ảnh MR đa phổ Xét tir trai sang phải: Số lượng mật độ proton PD, T2, T1, và GAD của hình

ảnh MRI não của cùng một bệnh nhân MS

Người ta thường cải thiện sự phân biệt các tổn thương (các mô bắt thường) vả

mô não binh thường bằng cách sử dụng các thông tin được cung cấp bởi MRI đa phỏ

Kỹ thuật này cho phép thu được nhiều hinh ảnh sau đỏ ghi lại vả xây dựng thảnh một

"phổ" cho mỗi điểm ảnh tử các giá trị cường độ của chúng trong môi hình ảnh (xem hình 1.8) Sau đó, có thể tạo ra hình ảnh tổng hợp của "giai đoạn quang phổ" (SP) liên quan đến một mô đang xét bằng cách tỉnh toán sự khác biệt giữa các góc bắt kỳ giữa

phê pixel và các mô ấy (hình 1.9) Những hình ảnh SP cho phép đản hỏi tín hiệu trong

các tế bảo tương quan, dong thoi nâng cao độ tương phân mô giữa các loại mô khác

nhau (hình 1.10) Sự tương phản bỏ sung trong hình ảnh SP không chỉ hỗ trợ việc định

lương và phần tích các hoạt đông thương tỏn trong kiểm tra MR bênh nhân MS, mả con được tiếp tục sử dụng đẻ cải thiện hiệu suất phân chia hình ảnh Phân tích da phd

cỏ một tiêm năng lớn trong việc phân tích y tế hình ảnh, phân chia mô và phân loại

LAGI Peat fas

191 ASSOCIAIED, Comtinuous SPEEIRUME TWAT Can BE USED TO Joowriry Twe SuaFACE MATERIA

1 MdRENeY REGISTERED (MAVEUPNGIIL wm

Hình 1.8 Mỗi pixel hình ảnh được liên kết với một vector phố xây dựng từ cường

độ của nó trong mỗi hình ảnh

Hinh 1.10 Phỏng to điểm của tôn thương lớn có MS ở một bệnh nhân MS

a) Kết quả quá trình xuyên qua

c) Những tổn thương quanh não thất trong hình anh PDW, T2w và T1w

đ) Các tốn thương tương tự trong các phỏ hình ảnh liên quan đền dịch não tủy (CSF-SP).

1.4 Thuyết Fuurier

Hiến đổi Fowier có rất nhiều ứng dụng khoa học, vi dụ như trong vật lý, số

học, đặc biệt là xữ lý líu hiệu änh và rất nhiều lĩnh vực khác Trong xử lý tín hiệu và

xử xử lý ảnh, biến đổi Fourier thường được nghĩ dên như sự chuyển déi từ hiệu thành: các thành phân biên độ và tần số Sự ứng dụng rộng rãi của biến đổi Fourier bat ngudn

từ những lính chất hữu dụng của biển đỗi nảy

Phép biển đổi Fouier biểu diễn ảnh dưới dạng tổng của các luỹ thừa phức của

các thành phân, biên độ, tân số và pha khác nhau của ảnh Phép biến đổi Fourier cé vai

trô rất quan trọng Irong các ứng dụng rộng rãi của xử lý ảnh số, bao gồm nâng cao chất

lượng ánh, phân tích, khôi phục và nén ánh [8]

Cho ham lién tue f(x), biển thục x, biên đối forrier của f(x) được xác định bởi:

nhưng hiển thị thông thì trong những miễn không gian khác nhau

Một biển đổi Fourier hai chiéu đơn giản là sự liên tục của hai hay một chiêu tiến đổi Fourier, một chiều biển điển theo trục x và chiêu còn lại biểu diễn theo

trục Y, cụ :

F(ux)= I{I/ifGy)= J-” J2” Ñxy) exp (J2n(ux+vy)) dxdy — G3)

Tương tự như vậy, chúng ta có thể xác định các nghịch đảo của biến đối ourier, cho quy mô phủ hợp, bởi:

f(xy) = [72 [°F Feu y) cxp(j2n(ux + vy)) dxdy (9

Oi Fourier liên quan đến kỹ thuật xử lý ảnh được tỏnt

Dic tinh dao ham

(rem) "regs Fw 209 4, (12nw)"E(0) aay

inh ly Convolution

1¡0)@f;G) © Fi(n)F;(u)

Đình lý Fourier Cenvolntion là khái niệm cốt lõi trong xử lý ảnh: Đỏ là một

giá trị thời gian dược biểu điển chập Về mặt toán học, chập của hai chức năng f{x)

va g(x) la

Fx) @ g(x) = f' flodgtx— adda 013)

Hình 1.11 và 1.12 mình họa các khái niệm về tích chập bằng dỏ họa Từ hình ảnh điểm xử lý để xem, tích chập có thể được coi là một phép làm mở hoặc làm mịn

quả trình, trong khi bước đâu là một quá trinh ngược của phép chập "lâm mờ" và phục

hồi các thông tin ban đầu

Hình 1.12 Convolving với chức năng xung

Các định ly chap lourier cung cấp cho chúng ta một cách thục hiện chập đơn giản, ví dụ, có thế thực hiện chập trong mét miền bằng cách thực hiện mệt phép nhân trong tên miễn khác vả dão ngược Fourier chuyển trớ lại

Thư vậy biến đổi Fourier Tranform ŒT) là một biến đổi phổ biển

miễn thời gian miễn lẫn 5

+ Biên đổi thuận: Là biến đồi từ không gian thực sang không gian tân số

35

+ Biển đổi ngược: Là chuyên đổi sự biểu diễn đổi tượng từ không gian Fourier sang

Ví dụ: Các đường biên và nhiễu trong ảnh tập trung nhiều vào phần tần số cao

của phép biển đổi Fourier của nó Do đó, đề làm trơn ảnh bằng phương pháp miễn tân

số ta có thẻ loại bỏ các thành phân tân số cao trong biên đổi Fourier của ảnh

Ngoai ra thuyét Fourier con được sử dụng trong kỹ thuật tái cấu trúc ảnh Ví dụ:

kỹ thuật tái cầu trúc ảnh trong ảnh chụp công hưởng từ MRI, hay dùng đề kết hợp với các biên đổi Wave let rời rạc trong kỹ thuật thủy phân ảnh nhằm bảo mật hình ảnh của

bệnh nhân

những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực then chốt của ngành kỹ thuật y sinh, đã giúp

cho chân đoán sớm và năng cao độ chính xác đề từ đó đưa ra phương pháp chữa trị bay phương pháp phẫu thuật hiệu quả nhất

Chất lượng của hình anh y tế tốt co thé thé hiện một trạng thái cụ thé vẻ mat

bệnh lý Vì vậy việc tìm hiểu nghiêu cứu các kỹ thuật biển đổi và các phương pháp

đánh giá chất lượng hình ảnh là một nhu câu rất cần thiết trong lĩnh vực y tế Chất

lượng của hình ảnh y tế phụ thuộc và được đánh giá bởi ba thông số đặc trmg: độ sắc

nét, độ lương phân, và nhiều Kỹ thuật nâng cấp ãnh, nâng cao chất lượng ảnh là mộL bước quan trọng, tạo tiên đẻ cho xử lý ánh Mục dich chính là làm nỗi bật một số đặc tỉnh của ảnh như thay đối độ tương phẩm, lọc nhiễn, nỗi biên, làm trơn biên ảnh Các phương pháp triển khai việc nâng cao chất lượng ảnh hầu hét đựa trên các kỹ thuật trên mién điểm, miễn không gian va mién tin sé [111 [131181

Hinh ảnh sắe nét (sharpness) did

tương phản (hai chấm nhỏ cả độ tương phản cao có xu hướng lại gần nhau) iloặc

bằng độ lon ctia FWHM (Width Full at HaÌf Maximum) hoặc bởi các LSF (số đàng

an) hoặc bởi các MTF (Modulstion Transfer Funelion) [13]

“ 3

1iình 2.1 Ý nghĩa của đáp ứng xung hệ thống PSI

Hình (2.1) cung cấp ý nghĩa của đáp ứng xưng DSE, nó cho thấy khoảng cách

chiều rộng tôi da EWHM, đây là khoảng cách giữa hai nguồn điểm khác nhau để có

thế thây rõ được sự phân biệt Xệt cách khác để xác định độ sắc nét của hình ảnh là

MTF, két qua Ja Fourier Transform ca cac PS thể hiện trong bình (2.2) Nó xác định tân số cắt giảm f,„ ở mức 59 của độ lớn tỏi da

Hình ảnh tưang phản, liên quan đến khả năng phân biệt giữa cáo chỉ tiết hình

ảnh với nên xung quanh nó có độ Lương phản thấp hơn Trước tiên cần lêm rõ khái

niệm độ tương phản như đã trình bày trong chương 1, ảnh số là tập hợp các diễm mã mỗi điểm có giá trị sáng khác nhau, ở đây độ sáng đã mắt người đễ cảm nhận ảnh song không phải là yếu tổ quyết định Thực tế chí ra rằng hai đổi tượng có cùng độ súng nhưng đặt trên hai nên khác nhau sẽ cho cảm nhận khác nhau Như vậy, độ tương phần

biểu diễn sự thay đổi độ sáng của đổi trợng so với nên, là độ nổi của điểm ảnh hay

vũng ảnh sơ với nên Với khải niệm này, nếu ảnh cửa la có độ tương phân kém, la có thể thay đổi tuý theo ¥ muén [5]