Xử lý ảnh trong siêu âm

Xử lý ảnh trong siêu âm• I./ Tổng quan về kỹ thuật xử lý ảnh trong siêu âm • II./ Một hệ thống thu nhận ảnh đơn giản • III./ Hiện tượng ảnh giả trong siêu âm... Các bước xử lý tín hiệu I

Xử lý ảnh trong siêu âm

• I./ Tổng quan về kỹ thuật xử lý ảnh trong siêu âm

• II./ Một hệ thống thu nhận ảnh đơn giản

• III./ Hiện tượng ảnh giả trong siêu âm

I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm

1 Biểu diễn không gian

(pixel)

và khoảng thời gian giữa xung truyền và tín hiệu phản xạ về

bộ nhớ máy tính

nhớ máy tính lớn và thời gian xử lý chậm

I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm

2 Thu ảnh

I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm

2 Thu ảnh

Ma trận ảnh

I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm

3 Tiền xử lý

a Khuếch đại bù thời gian (TGC)

của sóng siêu âm tỷ lệ thuận với độ sâu của lớp tiếp giáp

khuếch đại hàm mũ thời gian

b Khuếch đại chọn lọc

dụng trong kiểu không đồng nhất để làm nổi bật tín hiệu dội trong một vùng quan tâm cụ thể

phím tương đương một độ sâu cụ thể

I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm

3 Tiền xử lý

c Nén Loga

bit, tức là tương ứng với 256 mức biên độ khác nhau → Nếu biểu diễn tuyến tính thì (biên độ)max = 256 lần (biên độ)min

rộng lên bậc mũ 4 hoặc hơn

mức tín hiệu xuốn dải hẹp (0-255)

hiệu nên việc nén là cần thiết

I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm

3 Tiền xử lý

d Điền đầy nội suy

quét hết tất cả các pixel → các

pixel không được quét qua sẽ có

giá trị 0

pixel không được quét qua dực

vào giá trị trung bình của các

pixel xung quanh

I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm

3 Tiền xử lý

e Khuếch đại tăng bờ

biên độ hoặc số các hệ số trọng lượng được sử dụng trong quá trình lọc

I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm

3 Tiền xử lý

f Cập nhật ảnh

mới → dữ liệu cần được cập nhật liên tục

I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm

3 Tiền xử lý

g Phóng ảnh lúc ghi

giới hạn

I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm

4 Hậu xử lý (Hiển thị)

a Ánh xạ mức xám

thuộc vào biên độ của tín hiệu đối với quan hệ mức xám

tính với số mức xám có thể được hiển thị trên thiết bị đầu ra

hoặc giống nhau tùy thuộc vào mapping thang xám (ánh xạ thang

xám)

RAM, nó thay đổi các pixel được hiển thị dựa trên các giá trị được lưu trữ của nó

I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm

4 Hậu xử lý (Hiển thị)

b Thay đổi trắng đen

(biên độ thấp) thành đen (biên độ cao)

c Dừng khung

trong thời gian kéo dài

cho đến khi kết thúc lựa chọn này

nên ta đạt được ảnh đứng yên

I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm

4 Hậu xử lý (Hiển thị)

d Trung bình khung hay liên tục khung

kết quả, các kết quả này chỉ rất gần nhau

được cộng với nhau để làm tăng tỷ số tín/tạp

bình khung sẽ gây ra trễ và nhòe

có chất lượng cao, đồng thời đòi hỏi bộ nhớ lớn

I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm

4 Hậu xử lý (Hiển thị)

e Phóng đại lúc đọc

có kich thước lớn hơn

diễn bằng mỗi pixel cũng không đổi

I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm

4 Hậu xử lý (Hiển thị)

e Phóng đại lúc đọc

kỹ thuật nội suy tuyến tính kép

ảnh tốt hơn do các pixel đơn ít có

thể nhận rõ hơn Tuy nhiên độ

phân giải không gian không được

cải thiện bằng cách tăng kích

thước ma trận

I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm

5 Hậu xử lý (Phân tích và thao tác dữ liệu)

giá trị tham chiếu thì không được hiển thị

phạm vi hẹp có thể được hiển thị với các mức xám khác nhau theo

khuếch đại tăng độ tương phản

pixel xung quanh

cần cho việc xem xét đặc biệt

I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm

5 Hậu xử lý (Phân tích và thao tác dữ liệu)

hợp với một dải giá trị

hiệu echo có giá trị nhỏ

hơn 56 không được quan

tâm → coi là màu đen và

phân bố lại mức xám

I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm

5 Hậu xử lý (Phân tích và thao tác dữ liệu)

b Làm trơn (Smoothing)

trung bình các giá trị các pixel lân cận nếu các pixel miêu tả cùng một thực thể vật lý Giả thiết này không được dùng tại các đường ranh giới

có các thay đổi giá trị pixel nhanh

dụng nhất là dùng hàm 9 điểm

I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm

5 Hậu xử lý (Phân tích và thao tác dữ liệu)

c Tăng bờ

d Vùng quan tâm

e Tính khoảng cách

pixel giữa 2 điểm

ma trận ảnh

Display Scan converter

1 Các bước xử lý tín hiệu

Phát hiệnTiền khuếch đại

Khuếch đại TGC

Nén logarith

Khử điều biến và dựng bao hìnhLoại bỏ nhiễuTín hiệu đã xử lý

dò phải được xử lý trước khi

• a Tiền khuếch đại:

lên nhờ bộ tiền khuếch đại Hệ số khuếch đại (gain) tính bằng dB là tỉ

số giữa biên độ sau (A2) và trước (A1) khi khuếch đại:

Thường sau bước khuếch đại này tín hiệu analog sẽ được biến thành tín hiệu digital nhờ bộ biến đổi ADC (analog-to-digital converter)

thời gian (time-gain compensation, TGC) để bù trừ sự suy giảm tín hiệu trên đường đi

để echo về đến đầu dò càng lớn, tương ứng với vị trí phản xạ càng ở sâu

chênh lệch nhau hàng triệu lần (1.000.000:1), tương ứng 120 dB

TGC giúp giảm sự chênh lệch này xuống còn khoảng 300:1, tức 50 dB

ngoài vùng đáp ứng của một số thiết bị điện tử khác, do đó còn cần giảm tiếp

1 Các bước xử lý tín hiệu

II./ Một hệ thống thu nhận ảnh đơn giản

1 Các bước xử lý tín hiệu Biến đổi từ tín hiệu điện sang tín hiệu số

II./ Một hệ thống thu nhận ảnh đơn giản

• c Nén khoảng động (dynamic range compression):

mức tín hiệu ngưỡng (bắt đầu hoạt động) cho đến mức bão hòa Trong hệ máy siêu âm, hai thành phần chính là bộ biến đổi ADC

và mạch hiển thị Khoảng hoạt động của chúng vào khoảng 20-30

dB

xuống các giá trị trên

logarith (logarithmic amplication), khi đó tín hiệu đầu ra sẽ tỉ lệ với logarith của tín hiệu đầu vào

được chuyển đến bộ scan converter để chuẩn bị cho việc hiển thị

1 Các bước xử lý tín hiệu

II./ Một hệ thống thu nhận ảnh đơn giản

• Scan converter là bộ phận làm nhiệm vụ tạo ra ảnh 2D từ các thông tin nhận được từ echo của từng tia và thực hiện việc biến đổi sự quét ảnh (scan conversion) sao cho có thể hiển thị trên màn hình

và tín hiệu hiển thị là ở hai dạng khác nhau

cathode (CRT) có bộ nhớ, thường không ổn định Các bộ biến đổi

quét hiện đại là loại kỹ thuật số hoạt động ổn định và có nhiều chức năng xử lý toán học

thành ma trận (thường gồm 512 hàng x 512 cột) với các phần tử là các pixel Địa chỉ (hàng, cột) của các phần tử tương ứng với vị trí (độ sâu,

vị trí theo phương ngang) của các cấu trúc phản xạ trong cơ thể Việc xác định các quan hệ này phụ thuộc vào hướng chùm tia và thời gian phản xạ về của echo

2 Bộ biến đổi quét

II./ Một hệ thống thu nhận ảnh đơn giản

2 Bộ biến đổi quét

II./ Một hệ thống thu nhận ảnh đơn giản

• Nếu phải hiển thị lên màn hình của CRT, thì cần phải có bộ biến đổi digital-analog (DAC) để đổi toạ độ và nội dung của pixel thành tín hiệu tương tự đưa vào màn hình.

điều chỉnh cửa sổ hay thay đổi quan hệ giữa độ sáng và độ lớn của tín hiệu số theo các hàm cho sẵn (look-up-table) Việc này được thực

hiện trước khi qua bộ DAC

thường có dung lượng 8 bit (256 mức xám) Mỗi ảnh chiếm một bộ nhớ khoảng ¼ Mbyte

tin cần lưu trữ có thể lên đến hàng trăm Mbytes

màu (24 bits/pixel )

3 Hiển thị và lưu trữ ảnh

II./ Một hệ thống thu nhận ảnh đơn giản

3 Hiển thị và lưu trữ ảnh

II./ Một hệ thống thu nhận ảnh đơn giản

III./ Các hiện tượng ảnh giả trong siêu âm

Bóng râm Sỏi

Chất lỏng

 Trong ảnh siêu âm thường xuất hiện ảnh giả Có nhiều nguyên nhân

gây nên ảnh giả

 Khi xung siêu âm gặp các cấu trúc có hệ số phản xạ hay hấp thụ cao,

cường độ xung siêu âm đi qua chúng là rất yếu

 Do đó phía sau nó có một vệt sọc với độ sáng yếu (bóng mờ) so với

các vị trí khác ở cùng độ sâu

 Trong trường hợp tia tới vuông góc, tại vị trí phản xạ ta thấy có vệt

sáng, và sau đó là vệt tối Trường hợp phản xạ không vuông góc, chỉ thấy một vệt tối ở sau vị trí của vật

1 Sự tạo bóng mờ

III./ Các hiện tượng ảnh giả trong siêu âm

1 Sự tạo bóng mờ

III./ Các hiện tượng ảnh giả trong siêu âm

1 Sự tạo bóng mờ (Shadowing)

III./ Các hiện tượng ảnh giả trong siêu âm

 Sau khi đi qua các cấu trúc có hệ số suy giảm bé như bàng quang hay

túi ứ nước, cường độ xung siêu âm còn khá mạnh (hơn bình thường)

 Do đó sau các cấu trúc này có một vệt sọc với độ sáng mạnh hơn so

với vùng chung quanh ở cùng độ sâu

2 Sự tăng độ sáng (Enhancement)

III./ Các hiện tượng ảnh giả trong siêu âm

Ảnh giả do sự tăng

độ sáng sau các cấu trúc có hệ số suy giảm bé

2 Sự tăng độ sáng (Enhancement)

III./ Các hiện tượng ảnh giả trong siêu âm

 Khi quét tia siêu âm

qua mép của vùng chứa

Bóng râm Sỏi

Chất lỏng

 Sự khúc xạ xảy ra ở mặt phân cách với chất lỏng có thể gây nên ảnh

giả loại bóng mờ

3 Sự khúc xạ và hiện tượng bóng mờ bên

III./ Các hiện tượng ảnh giả trong siêu âm

 Bóng mờ cũng xuất hiện phía sau bờ bên của những cấu trúc mà mặt

phân cách có dạng đường cong như bờ của các túi nang, hay bờ thành mạch

 Có hai nguyên nhân gây nên hiện tượng này: sự phản xạ và khúc xạ

trên thành mạch và sự suy giảm trong thành mạch

 Sự phản xạ và khúc xạ trên mặt nghiêng làm chùm tia bị lệch khỏi vị

trí hướng đi chính, do đó cường độ chùm tia ngay sau mặt cong, dọc theo hướng ban đầu giảm đi, dẫn đến bóng mờ

 Nếu sự phản xạ và khúc xạ xảy ra

không mạnh lắm, thì bóng mờ cũng

xuất hiện do sự suy giảm mạnh của tia

siêu âm trong thành mạch

 Các thành mạch hay thành túi nang có

hệ số suy giảm lớn hơn bình thường

Trong hình bên, tia A có phần đi trong

lớn hơn nhiều so với tia B

3 Sự khúc xạ và hiện tượng bóng mờ bên

III./ Các hiện tượng ảnh giả trong siêu âm

 Sự phản xạ nhiều lần có thể xảy ra khi có nhiều cấu trúc phản xạ nằm

gần nhau dọc theo đường đi của xung siêu âm

 Do sự phản xạ nhiều lần, thời gian echo trở về đầu dò bị trễ hơn bình

thường, do đó cấu trúc dường như nằm ở độ sâu lớn hơn bình thường

Ảnh giả do

sự phản xạ nhiều lần trên hai mặt phản

xạ nằm gần nhau

4 Sự phản xạ nhiều lần (Reverberations)

III./ Các hiện tượng ảnh giả trong siêu âm

 Ảnh giả do sự rung có dạng như một vệt sáng nằm sau một số cấu trúc

trong cơ thể Các vệt này trông như hình ảnh của nhiều lớp phản xạ nằm rất gần nhau

 Nguyên nhân của ảnh giả loại này là một số cấu trúc trong cơ thể có

thể bị rung khi gặp xung siêu âm, tạo nên một mặt phản xạ có vị trí thay đổi theo thời gian

 Các vật này thường là các mảnh kim loại nhỏ hay các lớp bọt khí, tạo

ra hiệu ứng được gọi là bugle effect

5 Sự rung (ring down)

III./ Các hiện tượng ảnh giả trong siêu âm

 Vận tốc truyền âm trong các mô khác nhau nói chung là khác nhau

 Trong kỹ thuật siêu âm chẩn đoán, người ta lấy vận tốc truyền âm

trung bình trong mô mềm (1540 m/s) để tính khoảng cách

 Điều này có thể dẫn đến sự thể hiện sai vị trí của vật phản xạ (nông

hay sâu hơn) khi gặp mô có vận tốc truyền âm khác

 Sự thể hiện sai vị trí cũng có thể gây bởi hiện tượng khúc xạ Điều

này tương tự hiện tượng gặp phải khi ta nhìn một chiếc đũa ngâm một phần trong nước

Ảnh thực

Vị trí bị lệch do vận tốc truyền

âm ở cấu trúc nằm trên nhỏ hơn

1540 m/s

Cấu trúc mỡ

c = 1400 m/s

6 Ảnh giả do sai biệt vận tốc

III./ Các hiện tượng ảnh giả trong siêu âm

 Như đã nói ở trên, ngoài chùm tia chính có trục là trục của đầu dò,

một số đầu dò có thể phát ra các chùm tia phụ lệch góc với trục đó

 Mặc dầu cường độ của các chùm tia này bé hơn nhiều so với chùm tia

chính, trong một số trường hợp chúng có thể gây nên ảnh giả

 Đó là khi chùm tia phụ gặp mặt phân cách và cho echos có cường độ

lớn, trong khi cường độ echos của chùm tia chính khá bé, như trường hợp dưới đây

 Sự phản xạ gương trên bề mặt có thể cho ảnh giả như trường hợp dưới

 Hiện tượng nhiễu có nguồn gốc từ tạp âm sinh ra trong các linh kiện

điện tử của thiết bị hay nhiễu điện từ từ bên ngoài

 Thường các tạp âm điện tử được duy trì ở mức thấp, nhưng chúng có

thể xuất hiện trên màn hình khi tăng độ khuếch đại lên, đặc biệt ở

phần sâu của cơ thể (phần dưới của màn hình) do đặt TGC cao Khi

đó ảnh nhiễu (noise) có dạng những chấm sáng dao động (nhảy múa trên ảnh

 Trong trường hợp nhiễu điện từ, ảnh nhiễu có dạng những vệt sáng rải

rác và thay đổi theo thời gian

9 Hiện tượng nhiễu

III./ Các hiện tượng ảnh giả trong siêu âm