Nghiên cứu kỹ thuật tạo hình 3d từ ảnh chụp cắt lớp trong y tế

Trên thế giới việc tái tạo ảnh 3D được phát triển trong khoảng vài chục năm gầnđây, có khá nhiều phần mềm thương mại tái tạo ảnh 3 chiều từ các lát cắt như: 3D-Doctor, eFilm, Vitrea2, DI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN TẢO

THÁI NGUYÊN - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn này là kết quả nghiên cứu của bản thân (ngoài những phần tham khảo đã được chỉ rõ) dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Văn Tảo.Nếu có gì sai phạm tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Tác giả luận văn

Phạm Văn Hưng

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận được nhiều sự hướng dẫn, giúp đỡtận tình của các thầy cô, gia đình, bạn bè Trước tiên, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơnchân thành tới thầy giáo hướng dẫn, TS Nguyễn Văn Tảo Trong suốt hai năm qua, tôi đãnhận được sự giúp đỡ, động viên và đặc biệt sự hướng dẫn tận tình giúp tôi nắm rõ mụctiêu và định hướng nghiên cứu trong luận văn

Tôi xin được gửi lời cảm ơn đến tập thể các thầy cô giáo của Trường Đại học Côngnghệ thông tin và Truyền thông đã trang bị cho tôi thêm kiến thức trong suốt thời gianhọc tập tại trường

Cuối cùng, với những tình cảm sâu sắc nhất, tôi xin chân thành gửi tới gia đình

và bạn bè, những người đã luôn ở bên, động viên, chia sẻ với tôi về mọi mặt giúp tôihoàn thành khóa học

Quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi thiếu sót em rất mong nhận được sựđóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp đối với đề tài nghiên cứucủa em để đề tài được hoàn thiện hơn

Em xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2016

Tác giả luận văn

Phạm Văn Hưng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM

ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi Chương 1 ẢNH Y TẾ VÀ TÁI TẠO

HÌNH ẢNH 3D 3

1.1 Ảnh y tế 3

1.2 Ảnh cắt lớp 4

1.2.1 Lịch sử ra đời 4

1.2.2 Nguyên lý chụp CTscanner (computed tomography) 9

1.2.3 Chuẩn ảnh cắt lớp 14

1.3 Mô hình 3 chiều và chẩn đoán, khám chữa bệnh 21

1.3.1 Một số khái niệm về đồ họa 3 chiều 21

1.3.2 Các ứng dụng cơ bản của đồ họa 3 chiều 23

1.4 Bài toán tái tạo mô hình 3 chiều từ ảnh cắt lớp 26

Chương 2 KỸ THUẬT TÁI TẠO HÌNH 3D TỪ ẢNH CHỤP CẮT LỚP 28

2.1 Tổng quan về kỹ thuật tái cấu trúc mô hình 3D từ ảnh cắt lớp 28

2.1.1 Cấu trúc mô hình 3D 28

2.1.2 Phương pháp tổng quát tái cấu mô hình 3D từ tập ảnh cắt lớp 32

2.2 Các kỹ thuật áp dụng tái cấu trúc mô hình 3D 35

2.2.1 Các kỹ thuật áp dụng trong tiền xử lý ảnh cắt lớp 36

2.2.2 Phân lớp và xác định biên đối tượng cần tái cấu trúc 3D 40

2.2.3 Xác định tập đỉnh và tập mặt khi tái cấu trúc mô hình 3D 47

2.3 Một số kỹ thuật nâng cao chất lượng mô hình 3 chiều khi tái cấu trúc 49

2.3.1 Kỹ thuật nội suy nâng cao mô hình tái cấu trúc 49

2.3.2 Một số phương pháp nội suy 50

Chương 3 THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG 53

3.1 Yêu cầu thực nghiệm, ứng dụng 53

3.2 Công cụ và các bước thực hiện chương trình 55

3.3 Một số kết quả thực nghiệm 59

KẾT LUẬN 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 DICOM Digital Imaging and

Communications in Medicine

Tiêu chuẩn để bắt tay, lưutrữ, in ấn và thu/nhận hình ảnh trong y tế

2 CT Computed Tomography Scanner Chụp cắt lớp vi tính

4 PET Positron Emission Tomography Cắt lớp phát xạ posirtron

5 SPECT Single Photon Emission

Computed Tomography

Chụp cắt lớp điệntoán phát xạ Photon

10 PACS Picture Archiving and

Comunication System

Hệ thống lưu trữ và truyềnthông hình ảnh y tế

11 DSA Digital Subtraction Angiography

Chẩn đoán hình ảnh kếthợp giữa việc chụp X-quang và xử lý số

14 NNI Natural Neighbor Interpolation Nội suy láng giềng tự nhiên

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Ảnh chụp X-Quang và ảnh siêu âm 4

Hình 1.2 Ảnh chụp cắt lớp vi tính (Computed tomography - CT) 4

Hình 1.3 Godfrey Hounsfield, Nobel Prize in Physiology or Medicine, 1979 5

Hình 1.4 Bản phác thảo về máy chụp cắt lớp vi tính của Sir Godfrey Hounsfield 6

Hình 1.5 Máy chụp cắt lớp vi tính đầu tiên 6

Hình 1.6 Máy CT toàn hân đầu tiên được phát triển 7

Hình 1.7 Máy CT thế hệ thứ I 8

Hình 1.8 Máy CT thế hệ thứ II 8

Hình 1.9 Máy CT thế hệ thứ III 9

Hình 1.10 Máy CT thế hệ thứ IV 9

Hình 1.11 Nguyên lý chụp CLVT và độ phân giải ảnh kỹ thuật số 10

Hình 1.12 Điểm ảnh (pixel) 10

Hình 1.13 Chụp CT xoắn ốc 12

Hình 1.14 Nguyên lý chụp CLVT đa dãy đầu thu 13

Hình 1.15 Các ảnh được lưu dưới dạng DICOM [19] 14

Hình 1.16 Cấu tạo Data Set 16

Hình 1.17 Cấu trúc file DICOM 18

Hình 1.18 Các ứng dụng đồ họa 3 chiều 22

Hình 2.1 Mô hình 3D tim người 28

Hình 2.2 Một mặt của hình hộp được tạo bởi 2 mặt tam giác 31

Hình 2.3 Mô hình 3D thu được từ tập đỉnh: VertexList , tập mặt: FaceList, tập UV: UVs 32

Hình 2.4 Ảnh chụp cắt lớp theo không gian hai chiều 33

Hình 2.5 Ảnh mô phỏng các lát cắt xếp liên tiếp nhau[21] 34

Hình 2.6 Quy trình hiển thị đối tượng 3D 35

Hình 2.7 Ảnh chụp chiếu trước và sau tiền xử lý 40

Hình 2.8 Ảnh chụp chiếu trước và sau phân đoạn 44

Hình 2.9 Ảnh chụp chiếu trước và sau phân đoạn làm rõ xương 44

Hình 2.10 Ảnh chụp chiếu sau phân đoạn làm rõ xương và loại bỏ nhiễu 45

Hình 2.11 Ảnh chụp chiếu áp dụng tìm biên 47

Hình 2.12 Tập các đỉnh biên được xếp chồng lên nhau tạo thành tập đỉnh của mô hình

3D 47

Hình 2.13 Biểu diễn tập đỉnh trên mặt phẳng 48

Hình 3.1 Giao diện chung chương trình tái cấu trúc mô hình 3D từ ảnh chụp cắt lớp 55

Hình 3.2 Mở thu mục chứa định dạng ảnh 56

Hình 3.3 Lựa chọn thư mục lưu tập ảnh trên máy tính 56

Hình 3.4 Lựa chọn tập ảnh DICOM 57

Hình 3.5 Quan sát ảnh DICOM 58

Hình 3.6 Hình ảnh mô hình 3D thu được từ chương trình dùng trong chẩn đoán 59

Hình 3.7 Bệnh án điều trị nội trú 61

Hình 3.8 Hồ sơ bệnh án điều trị nội trú 63

Hình 3.9 Gãy xương gò má và xoang hàm trái trên phim chụp cắt lớp vi tính 63

Hình 3.10 Khi chạy chương trình thực nghiệm tái cấu trúc mô hình 3D 64

Hình 3.11 Phiếu kết quả chụp cắt lớp vi tính 65

Hình 3.12 Bệnh án điều trị nội trú 66

Hình 3.13 Hồ sơ bênh án điều trị nội trú 68

Hình 3.14 Hình ảnh vỡ xương chẩm trái 68

Hình 3.15 Khi chạy chương trình thực nghiệm tái cấu trúc mô hình 3D 69

Hình 3.16 Phiếu kết quả chụp cắt lớp vi tính 69

Hình 3.17 Bệnh án điều trị nội trú 70

Hình 3.18 Hồ sơ điều trị nội trú 71

Hình 3.19 Hình ảnh vỡ xương trên phim chụp cắt lớp vi tính 72

Hình 3.20 Khi chạy chương trình thực nghiệm tái cấu trúc mô hình 3D 72

Hình 3.21 Phiếu kết quả chụp cắt lớp vi tính 73

MỞ ĐẦU

Ngày nay, việc ứng dụng Công nghệ thông tin trong y học đã mang lại những hiệuquả khả quan Trong đó, sự ra đời của các thiết bị chẩn đoán hình ảnh như máy chụp cắtlớp vi tính (CT-Scanner), máy chụp cộng hưởng từ (MRI) đã giúp cho các bác sỹ nângcao chất lượng khi chẩn đoán và tiên lượng bệnh Ở nước ta, những thiết bị đó ngày nay

đã trở thành những thiết bị được sử dụng rất rộng rãi và thường quy trong các cơ sở Y tế

từ các bệnh viện tuyến Trung ương tới tuyến huyện, xã

Các máy chụp CT-Scanner, MRI dựa trên các nguyên lý ghi hình khác nhau nhưngđều mang lại dữ liệu là thông tin hình ảnh 3 chiều của đối tượng khảo sát Những dữ liệutrên sẽ được chuyển cho máy vi tính xử lý để xây dựng lại mô hình giống như nguyênmẫu

Việc tạo dựng hình ảnh 3 chiều sẽ mang lại những hình ảnh trực quan, những gócnhìn của một hay nhiều bộ phận liên quan; giúp cho bác sỹ có cái nhìn chi tiết của các tổnthương, các cấu trúc giải phẫu, từ đó đem lại hiệu quả cho công tác chẩn đoán và điều trịbệnh

Trên thế giới việc tái tạo ảnh 3D được phát triển trong khoảng vài chục năm gầnđây, có khá nhiều phần mềm thương mại tái tạo ảnh 3 chiều từ các lát cắt như:

3D-Doctor, eFilm, Vitrea2, DICOMWork… và cài đặt trên hệ thống máy tính của các hãng sản xuất thiết bị với giá thành cao

Tại Việt Nam, việc nghiên cứu phần mềm nhằm xử lý hình ảnh y tế còn là lĩnh vựcmới và chỉ có một vài nghiên cứu nhỏ được công bố Kinh phí dành cho y tế còn hạn hẹpnên hiện nay các bệnh viện nhỏ, bệnh viện địa phương không đủ khả năng trang bị nhữngthiết bị chẩn đoán hình ảnh vì giá thành thiết bị và phần mềm chuyên dụng rất đắt

Hình ảnh ba chiều ngày càng chiếm vai trò quan trọng trong chẩn đoán và điều trị,nghiên cứu về hình ảnh y tế là lĩnh vực quan trọng của ngành kỹ thuật y sinh Việcnghiên cứu thuật giải tạo dựng hình ảnh ba chiều cụ thể là từ ảnh chụp cắt lớp trong ykhoa nhằm xây dựng lý thuyết và ứng dụng phục vụ trong công tác

chuẩn đoán, điều trị bệnh tốt hơn Vì vậy bài toán đặt ra là “Nghiên cứu kỹ thuật tạohình 3D từ ảnh chụp cắt lớp trong y tế” Là bài toán thực tiễn có nhiều ý nghĩa, cần đượcđầu tư nghiên cứu, tìm hiểu Nội dung luận văn bao gồm ba chương:

 Chương 1: ẢNH Y TẾ VÀ TÁI TẠO HÌNH ẢNH 3D

Chương này tổng quan về ảnh y tế và ứng dụng trong khám chữa bệnh, giới thiệu

hệ thống máy chụp cắt lớp và mô hình 3D trong chẩn đoán, khám chữa bệnh tại Bệnhviện

 Chương 2: KỸ THUẬT TÁI TẠO HÌNH 3D TỪ ẢNH CHỤP CẮT LỚP

Tổng quan về kỹ thuật tái cấu trúc mô hình 3D từ ảnh cắt lớp

 Chương 3: THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG

Chương 1 ẢNH Y TẾ VÀ TÁI TẠO HÌNH ẢNH 3D

1.1 Ảnh y tế

Ảnh y tế là kĩ thuật và quá trình được sử dụng để tái tạo ra hình ảnh cơ thể conngười hoặc bộ phận cơ thể người phục vụ cho mục đích lâm sàng và cận lâm sàng nhucầu chẩn đoán, kiểm tra bệnh hoặc khoa học y tế (bao gồm cả giải phẫu và sinh lý) Hìnhảnh y tế đề cập đến một số kỹ thuật có thể được sử dụng như là phương pháp khôngxâm lấn nhìn vào bên trong cơ thể Y học hiện đại chẩn đoán bệnh dựa vào các triệuchứng lâm sàng (chẩn đoán lâm sàng) và các triệu chứng cận lâm sàng Trong chẩn đoáncận lâm sàng thì chẩn đoán dựa trên hình ảnh thu được từ những thiết bị chẩn đoán hìnhảnh y học[10] (máy y tế) ngày càng chiếm một vai trò quan trọng Nhất là ngày nay với sựtrợ giúp các thiết bị, máy y tế hiện đại, công nghệ cao có các phần mềm tin học hỗ trợ giúpcho tái hiện lại hình ảnh bên trong cơ thể bệnh nhân để phân biệt các bộ phận và pháthiện các tổn thương Nó có thể được sử dụng để hỗ trợ chẩn đoán hoặc điều trị các bệnhnội khoa khác nhau Ngày nay, công nghệ thông tin đóng vai trò quan trọng trong côngtác quản lý, điều hành và ứng dụng thành công trong công tác khám chữa bệnh tại cácbệnh viên như chụp cắt lớp, siêu âm, mổ nội soi v.v Chẩn đoán hình ảnh y khoa góp phầnquan trọng nâng cao tính chính xác, kịp thời và hiệu quả cao trong chẩn đoán bệnh.Các phương pháp chẩn đoán hình ảnh rất phong phú như chẩn đoán qua hình ảnh Xquang, hình ảnh siêu âm, nội soi, hình ảnh chụp cắt lớp vi tính, hình ảnh chụp cộng hưởngtừ

Một số ảnh y tế qua các phương pháp chẩn đoán

Hình 1.1 Ảnh chụp X-Quang và ảnh siêu âm

Hình 1.2 Ảnh chụp cắt lớp vi tính (Computed tomography - CT)

Điều đáng quan tâm ở đây là những hình ảnh này không phải là các định dạngảnh thông thường như: jpg, bitmap, gif mà nó được định dạng theo chuẩn

Từ các hình ảnh có được qua các phương pháp không xâm lấn, các bác sĩ sẽ có thể

để chẩn đoán, điều trị và chữa bệnh mà không gây ra bất kỳ tác dụng phụ có hại Việc sửdụng các hình ảnh y tế đã cho phép các bác sĩ để xem được các bộ phận các tạng hay tổnthương bên trong bệnh nhân mà không cần phải đến phẫu thuật mở Hình ảnh y tếcũng giúp chúng ta tìm hiểu thêm về sinh học thần kinh, hành vi của con người và mangđến cho các nhà khoa học từ sinh học, hóa học, vật lý liên kết với nhau và các công nghệphát triển, thường có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực

1.2 Ảnh cắt lớp

1.2.1 Lịch sử ra đời

Thiết bị chụp cắt lớp vi tính (CLVT) - Còn gọi là chụp cắt lớp điện toán ra

đời là kết quả của nhiều phát minh quan trọng về vật lý và toán học có liên quan từ nhiềunăm trước:

- Năm 1917, nhà toán học người Đức tên là Radon đã tìm ra cơ sở toán học củaviệc tái tạo cấu trúc của một vật thể 3 chiều trong không gian dựa trên vô số những hìnhchiếu của vật thể đó

- Năm 1963, Cormack là một kỹ sư vật lý người Mỹ phát minh ra nguyên lý tái tạocấu trúc vật thể theo phương pháp chiếu xạ bằng Cobalt 60

- Năm 1967, dựa trên nguyên tắc vật lý trên đây của Cormack, một kỹ sư ngườiAnh tên là Hounsfield đã tái tạo thành công cấu trúc của vật thể bằng phương pháp chiếuqua vật thể bức xạ tia X (tia Roentgen)

Hình 1.3 Godfrey Hounsfield, Nobel Prize in Physiology or Medicine, 1979

Hình 1.4 Bản phác thảo về máy chụp cắt lớp vi tính của Sir Godfrey Hounsfield

Hình 1.5 Máy chụp cắt lớp vi tính đầu tiên

Năm 1970, Nhận thấy các hạn chế của phương pháp chụp X quang thông thường và

kỹ thuật chụp tomography, kết hợp với hiểu biết về tia X đã được nghiên cứu trước đó,Sir Godfrey Hounsfield và Cormack độc lập nghiên cứu và tìm ra kỹ thuật chụp của máy

CT Ứng dụng đầu tiên của máy CT là chụp não Nhờ phát minh này, họ đã cùng nhauchia sẻ giải thưởng Nobel năm 1979

Năm 1974, DR ROBERT LEDLEY phát triển máy CT toàn thân đầu tiên trên thế giới

Hình 1.6 Máy CT toàn hân đầu tiên được phát triển

Quá trình phát triển: Năm 1967 Housfield (Anh) dựa trên nguyên lý tạo ảnh đã thiết

kế được một thiết bị dùng tia X-quang để đo những vật thể thí nghiệm bằng các chất nhântạo và lập được chương trình cho máy tính ghi nhớ và tổng hợp kết quả

Ngày 1.10.1971 Housfield và Ambrose (Anh) đã cho ra đời chiếc máy chụp cắt lớp

vi tính sọ não đầu tiên Thời gian chụp và tính toán cho một quang ảnh lúc này cần 2ngày

Năm 1974 Ledley (Mỹ) hoàn thành chiếc máy chụp cắt lớp vi tính (CT

scanner) toàn thân đầu tiên, thời gian chụp một quang ảnh mất vài phút

Và đến năm 1977 trên thị trường thế giới xuất hiện loại máy chụp CTscan với thờigian chụp một quang ảnh chỉ 20 giây Cho đến nay đã có 4 thế hệ máy chụp CTscan ra đời

- CT thế hệ 1: chùm tia song song; nguồn, detector tịnh tiến và quay: máy có mộtđầu dò, sử dụng nguyên tắc quay và tịnh tiến Chùm tia X-quang cực nhỏ chiếu qua cơ thểtới đầu dò để thu nhận kết quả Bóng phát tia X phải quay quanh cơ thể

1800 để hoàn thành một lớp cắt Khi quay 10 thì phát tia và quét ngang cơ thể để đo, mộtquang ảnh mất vài phút

Hình 1.7 Máy CT thế hệ thứ I

- CT thế hệ 2: chùm tia xẻ quạt; mảng detector tuyến tính; nguồn, detector tịnh tiến:máy có nhiều đầu dò, sử dụng theo nguyên tắc quay và tịnh tiến Chùm tia X- quang cógóc mở 100, đối diện có một nhóm 5-50 đầu dò Do chùm tia X rộng hơn,

nên giảm được số lần quét ngang Thời gian chụp một quang ảnh từ 15-20 giây

Hình 1.9 Máy CT thế hệ thứ III

- CT thế hệ 4: chùm tia xẻ quạt; vòng detector; nguồn quay: máy có hệ thống đầu

dò tĩnh, cố định vào 3600 của đường tròn, số lượng đầu dò lên tới 1000 Bóng phát tia quang quay quanh trục cơ thể và phát tia Thời gian chụp một quang ảnh đạt tới 1 giây,thuận lợi cho khảo sát các tạng chuyển động Loại máy cực nhanh với thời gian cần chomột quang ảnh chỉ 0,1 giây, hoặc chụp cine CTscan được dùng

X-trong chẩn đoán tim mạch

sau khi đi qua phần cơ thể) bằng các đầu dò (Detector) mà máy tính tạo ra được hình ảnh của cơ quan cần thăm khám.

Nguyên lý tạo ảnh của chụp CLVT[18] là dựa trên công nghệ kỹ thuật số Các lát cắtngang qua vùng cơ thể cần được khảo sát được phân tích thành nhiều khối nhỏ Các khốiriêng lẻ này được gọi là các phần tử thể tích hay khối thể tích mô Thành phần, độ dàycủa của khối thể tích mô cùng với tính chất chùm tia X sẽ xác

định mức độ hấp thu tia X của các khối này



Hình 1.11 Nguyên lý chụp CLVT và độ phân giải ảnh kỹ thuật số

Các dữ liệu số về sự hấp thu tia X của các khối thể tích mô được máy tính chuyểnthành các độ xám khác nhau của các phần tử hình hay điểm ảnh trên hình Trong một đơn

vị thể tích nếu có số các đơn vị ảnh càng nhiều (Pixel) thì độ phân giải của nó càng cao

Pixel aspect ratio PAR=x/y=4:3 x: pixel width y: pixel height

Hình 1.12 Điểm ảnh (pixel)

Mỗi điểm ảnh là một đơn vị thể tích có chiều rộng (x) và chiều cao (y)

Các đơn vị thể tích được mã hoá các thông số về đặc điểm tỉ trọng, vị trí (toạ độ) vàđược máy tính ghi lại Sau đó máy tính dựng lại hình ảnh của mặt cắt dựa

trên các thông số đã ghi của các đơn vị thể tích để tạo ra hình ảnh của cấu trúc trên lớpcắt Phương pháp này cho phép phân biệt các cấu trúc cơ thể trên cùng một mặt phẳng có

độ chênh lệch tỉ trọng 0,5% Nếu số điểm ảnh càng nhiều (các đơn vị thể tích càng nhỏ) thìhình ảnh càng mịn (ảnh càng nét) Số lượng điểm ảnh được gọi là độ phân giải của ảnh.Như vậy độ phân giải càng cao thì ảnh càng nét, cho phép phân biệt ranh giới giữa cáccấu trúc càng rõ và cho phép phát hiện được các tổn thương có cấu trúc nhỏ

Thành phần chính của máy CT là một bóng phát tia X và bộ phận thu nhận tín hiệu(detectors), được đặt trong một khoang máy hình tròn (gantry) ở vị trí đối diện nhau và

có thể quay quanh cơ thể bệnh nhân Bóng phát tia X được coi là “trái tim” của máy Mộtchùm tia X rất hẹp phát ra từ bóng, xuyên qua một phần cơ thể và được bộ phận thunhận tín hiệu tiếp nhận Bộ phận tiếp nhận này bao gồm một hay nhiều dãy đầu thu, đượccấu tạo bằng các tinh thể nhấp nháy hay các buồng ion hóa, cho phép lượng hóa sự suygiảm của tia X sau khi đi qua cơ thể Độ nhạy của các đầu thu cao hơn rất nhiều so vớiphim X-quang Hệ thống máy tính sẽ biến đổi các thông tin lượng hóa này thành hình ảnh

Cơ quan hay tổ chức nào của cơ thể có mức độ cản tia nhiều (xương, răng, sỏi, vôi hóa,máu xuất huyết ) sẽ có màu trắng và ngược lại nếu cản tia ít sẽ có màu tối (mỡ, dịch,phổi, khí )

CT xoắn ốc

Thuật ngữ “CT xoắn ốc” (helical hay spiral CT) được dùng để chỉ các máy CT cóthể chụp theo chế độ xoắn Cho đến thời điểm hiện nay, tất cả các máy CT đều có thể

đồng thời chụp theo hai chế độ: Cắt trục (axial) và cắt xoắn ốc Cắt trục là khi bóng quay,

bàn di chuyển từng nấc và bóng sẽ phát tia khi bàn dừng chuyển động Chế độ cắt trụcthường phục vụ cho các kỹ thuật xạ trị, GammaKnife và CyberKnife với mục đích là hìnhảnh sau chụp có độ chính xác cao, không chịu ảnh hưởng của chuyển động bệnh nhân.Nhược điểm của chế độ này là chụp chậm, theo từng nấc chuyển động của bàn, bắt đầu

từ đỉnh cho tới đáy của cơ quan thăm khám, bờ ngoài của hình ảnh dựng 2D hay 3D có

dạng bậc thang Cắt xoắn ốc là khi bóng quay và phát tia, bàn di chuyển liên tục, quỹ đạo

của bóng so với cơ thể bệnh nhân là một

đường xoắn ốc Ưu điểm của cắt xoắn ốc là tốc độ chụp nhanh hơn, khắc phục được nhiễu ảnh do cử động (hô hấp, nhu động ruôt, ), đường ranh giới của hình ảnh dựngliên tục, không bị mấp mô.

Hình 1.13 Chụp CT xoắn ốc

- Nguyên lý chụp cắt lớp vi tính đa dãy[4]: Về cơ bản bóng phát tia X, đầu thu

nhận và công nghệ tạo ảnh kỹ thuật số tương tự như máy đơn dãy Cấu tạo khác biệt củamáy đa dãy là bóng sẽ có nhiều khe phát tia và phía đối diện sẽ có nhiều đầu thu nhậnsắp xếp theo chiều dọc của khung máy Tốc độ quay của bóng ở máy đa dãy cũng đượcđẩy lên rất cao (từ 0,32s-0,6s/vòng quay) tùy thế hệ máy Kỹ thuật chụp xoắn tốc độnhanh hơn, bề dày lớp cắt, quãng cách giữa các lớp cắt mỏng hơn đó là những ưu thếtuyệt đối của máy đa dãy Mặc dù có nhiều dãy song trên thực tế không phải bao giờ máycũng sử dụng các dãy một cách tối đa Tùy thuộc vào từng mục đích thăm khám mà người

ta sẽ lựa chọn chương trình chụp với số lượng khe phát tia và số đầu thu hoạt động mộtcách phù hợp nhất Sử dụng máy đa dãy sẽ hạn chế được các xảo ảnh khi thăm khám các

cơ quan không tĩnh trong cơ thể (tim, phổi, dòng chảy mạch máu ) và việc lắp ghép cáclớp cắt mỏng hơn sẽ tạo ra được hình ảnh liên tục của các cơ quan cần thăm khám màkhông có sự chồng lắp ảnh Kết hợp kỹ thuật tái tạo chồng lấp, chụp cắt lớp vi tính đa dãy(MSCT) có thể tạo ra các hình ảnh ở nhiều bình diện khác nhau ( MPR) với độ phân giảikhông ém nhiều so với ảnh có được từ các lát cắt cơ bản Điều này giúp cho việc quansát

được các tổn thương một cách liên tục ở các bình diện khác nhau và có thể đo đạc chínhxác kích thước của chúng.

Hình 1.14 Nguyên lý chụp CLVT đa dãy đầu thu

Hiện nay trên thế giới, các hãng sản xuất máy CT đã ngừng chế tạo loại máy CTmột lát cắt (single-slice CT) hay một dãy đầu thu Máy có cấu hình thấp nhất hiện nay

là CT hai dãy đầu thu (dual-slice CT) và trong tương lai gần sẽ chỉ sản xuất CT 4 dãyđầu thu trở lên Công nghệ chế tạo CT phát triển theo hai hướng: (1) Tăng số lượng dãyđầu thu để tăng tốc độ chụp, ví dụ như các hãng Philips, Siemens, GE đã cho ra đờimáy CT 128 dãy đầu thu, Toshiba có CT 320 dãy Máy CT chụp nhanh nhất hiện nay chophép chụp tim và mạch vành trong một nhịp đập, chụp toàn bộ não và tưới máu nãotrong một vòng quay của bóng (0,35 giây), (2) Tăng số lượng nguồn phát tia (từ mộtnguồn trở thành hai nguồn), loại máy này cho phép chụp với hai mức năng lượng khácnhau, cho ra hai loại ảnh và sau đó có thể chồng hình lên nhau

Sự ra đời của máy chụp CLVT thực sự là một cuộc cách mạng trong lĩnh vực chẩnđoán hình ảnh, không chỉ vì cấu trúc vật thể được hiển thị với độ phân giải rất cao màđiều quan trọng nữa là phương pháp tái tạo ảnh này đã khắc phục được một nhược điểmrất cơ bản của X quang qui ước đó là sự chồng hình (các tạng, các bộ phận nằm trênđường đi của tia x sẽ bị chồng hình trên phim chụp, không tách biệt được) Ngược lại,trên mỗi lớp cắt của ảnh chụp CLVT, các bộ phận được tách biệt rõ Ví dụ, trên một lớpcắt qua sọ ta có thể thấy rõ giới hạn các thành phần chất trắng, chất xám, hệ thống cácnão thất cũng như các ổ thay đổi tỷ trọng bất thường của mô não đều được xác địnhchính xác

1.2.3 Chuẩn ảnh cắt lớp

Các ảnh được sinh ra từ các máy sinh ảnh CT, MRI là các ảnh 2D được lưu trữ dướiđịnh dạng DICOM[11,20] Ngày nay hầu hết các bệnh viện trên thế giới đều áp dụngDICOM vào trong các thiết bị y khoa

Hình 1.15 Các ảnh được lưu dưới dạng DICOM [19]

DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine): Tiêu chuẩn ảnh vàtruyền thông trong y tế, được phát triển từ năm 1988, là qui chuẩn về định dạng và traođổi ảnh y tế cùng các thông tin liên quan, từ đó tạo ra một phương thức chung nhằmđáp ứng nhu cầu của các nhà sản xuất cũng như người sử dụng trong việc kết nối, lưutrữ, trao đổi, in ấn ảnh y tế Tiêu chuẩn này bao gồm cả việc định nghĩa cấu trúc tập tin

và giao thức truyền thông tin Giao thức truyền thông tin là một giao thức ứng dụng sửdụng nền tảng TCP/IP để giao tiếp lẫn nhau giữa các hệ thống Các tập tin DICOM có thểđược trao đổi lẫn nhau giữa các hệ thống khi các hệ thống này có khả năng thu nhận hìnhảnh và dữ liệu bệnh nhân theo định dạng DICOM Hiệp hội các nhà sản xuất điện - điện tửHoa kỳ nắm giữ bản quyền của tiêu chuẩn (DICOM broschure) Tiêu chuẩn này được pháttriển bởi Ủy ban tiêu chuẩn DICOM, với các thành viên thuộc Hiệp hội Các nhà sản xuấtĐiện - Điện tử Hoa Kỳ

Tiêu chuẩn DICOM cho phép việc tích hợp dễ dàng các máy thu nhận hình ảnh,server, trạm làm việc (workstation), máy in và các thiết bị phần cứng khác có nối mạng từcác nhà sản xuất khác nhau vào trong hệ thống PACS (Hệ thống PACS được ứng dụngtrong quá trình thu thập, truyền tải, lưu trữ, quả lý, chẩn đoán, xử lý

thông tin của các thiết bị trị liệu kĩ thuật số như CT, MR, US, X quang, DSA, CR.) Các thiết

bị khác nhau được đi kèm một bảng đáp ứng các tiêu chuẩn DICOM để làm rõ các lớpdịch vụ mà thiết bị này hỗ trợ DICOM đã dần dần được chấp nhận rộng rãi ở các bệnhviện và phòng khám

DICOM là một chuẩn công nghệ áp dụng cho việc truyền hình ảnh và thông tin y

tế giữa những thiết bị điện tử như máy chụp cắt lớp - CT, cộng hưởng từ - MRI hay siêuâm-ultrasound Mục đích là cung cấp một cấu trúc mở để các thiết bị của những hãngkhác nhau có thể kết nối được với nhau DICOM dựa trên mô hình mở OSI (Open SystemInterconnect) DICOM thuộc về tầng thứ 7 (tầng ứng dụng) DICOM là một mô hìnhhướng đối tượng trong đó thông tin và những chức năng được nhóm lại thành những gói(packet) gọi là đối tượng (object) cho dễ quản lý DICOM có những thông tin tường minh

về đối tượng Với DICOM, phương thức có thể điều khiển những chức năng dựa trênnhững thông tin về đối tượng để xem đưa ảnh ra file hay trên film, vùng hình ảnh sẽ xuấthiện trên phim với mục đích nghiên cứu, chẩn đoán cho bệnh nhân người ta sẽ đưa ramột tập hợp ảnh liên quan đến bệnh nhân đó trên một không gian nghiên cứu của bệnhnhân

Một file DICOM ngoài dữ liệu về bản thân hình ảnh, còn chứa cả những thông

tin khác như thông tin về bệnh nhân, về loại máy scan, v.v Vì thể tổ chức của file

DICOM được xây dựng dựa trên phần Header - phần dữ liệu chứa các thông tin chung

và phần Data Set - phần dữ liệu về hình ảnh

 File ảnh DICOM

- File DICOM là file lưu trữ theo định dạng DICOM File này lưu trữ những thông tinsau[5]:

 Thông tin bệnh nhân

 Thông tin về lần khám của ảnh

 Thông tin lượt viếng thăm

 Thông tin về thiết bị y khoa đã sinh ra ảnh

 Ảnh của bệnh nhân

- DICOM hỗ trợ các định dạng ảnh JPEG, JPEG Lossless , JPEG 2000, LZW

và Run-length encoding (RLE)

Cấu trúc căn bản của file DICOM là Data Set.

Hình 1.16 Cấu tạo Data Set

- Các khái niệm trong DICOM

Data Set - Là tập hợp nhiều Data Element trong một file DICOM

Data Element

- Là một đơn vị thông tin trong DICOM file DateElement chứa một thông tin đầy đủ Các field trong DataElement có nhiệm vụ đặc tả đầy đủ một thông tin, đặc tả baogồm: ý nghĩa, giá trị, chiều dài của tin và định dạng dữ liệucủa tin

Tag

- Là 2 số nguyên không dấu, mỗi số 16 bit Cặp số nguyênnày xác định ý nghĩa của Data Element như tên bệnh nhân,chiều cao của ảnh, số bit màu, Một số xác định GroupNumber và số kia xác định Element Number

- Giá trị của Group Number và Element Number cho biết DataElement nói lên thông tin nào Các thông tin nào Các thôngtin (Data Element) cùng liên quan đến một nhóm ngữ nghĩa sẽ

có chung số Group Number

Khái niệm Ý nghĩa

VD: VM = “6-10” : Value Field có ít nhất là 6 giá trị vànhiều nhất là 10 giá trị

- Data Element với Value Field có nhiều giá trị sẽ

• Với chuỗi kí tự, dùng kí tự 5Ch (‘V) làm kí tự phân cách

• Với giá trị nhị phân, không có kí tự phân cách

Value Length

- Là một số nguyên không dấu, có độ dài là 16 hay 32 bit Giátrị của Value Length cho biết độ lớn (tính theo byte) của fieldValue Field (không phải là độ lớn của toàn bộ Data Element)

- Giá trị của Value Length là FFFFFFFFh (32 bit) hàm ý không xác định được chiều dài (Undefined Length)

Value Field

- Là nội dung thông tin (Data Element) Kiểu dữ liệu củafield này do VR quy định và độ lớn (tính theo byte) nằmtrong Value Length

Little Endian - Đối với số nhị phân gồm nhiều byte thì byte có trọng số thấp

nhất (Least Significant Byte) sẽ nằm trước, những byte còn lại

có trọng số tăng dần nằm tiếp sau đó

- Đối với chuỗi kí tự, các kí tự sẽ nằm theo thứ tự xuất hiện trong chuỗi (từ trái sang phải)

Big Endian

- Đối với số nhị phân gồm nhiều byte thì byte có trọng số lớnnhất (Most Significant Byte) sẽ nằm trước, những byte còn lại có trọng số giảm dần nằm tiếp sau đó

- Đối với chuỗi kí tự, các kí tự sẽ nằm theo thứ tự xuất hiện trong chuỗi (từ trái sang phải)

Cấu trúc file DICOM

Hình 1.17 Cấu trúc file DICOM

- Các Data Element ở đầu file cung cấp một số thông tin ban đầu quan trọng.Chúng nằm trong một Data Set tên File Meta Information Sau Data Set File MetaInformation là đến những Data Element bình thường, các Data Element này là nội dungDICOM file (gồm hình ảnh, thông tin hình ảnh, thông tin khám, thông tin bệnh nhân)

- Bảng dưới đây là các Data Element nằm trong Data Set File Meta

Information

File Preamble Không có Đây là chuỗi byte đầu tiên của file, có chiều

dài là 128 byte dành cho chương trình xử lý

file DICOM sử dụng Nếu không sử dụngthì 128 byte này đều có nội dung là 00h.

DICOM Prefix Không có 4 byte là chuỗi “DICM” Prefix này để xác

định file có phải là DICOM file hay không.File Meta Information

Group Length (0002,0000) Độ lớn của Data Set File Meta Information

(tính theo byte) Số byte này được tính từData Element theo ngay sau Data ElementGroup Lengh này

File Meta Information

Media Storage SOP

Instance UID (0002,0003) Chuỗi UID cho bản thân file DICOM.

Transfer Syntax UID (0002,0010)

Chuỗi UID cho Transfer Syntax sẽ dùng chocác Data Element nằm ở Data Set sau DataSet File Meta Information

Implementation Class UID (0002,0012) Chuỗi UID của chương trình đã tạo ra file

DICOM này

Implementation Version

Phiên bản của chương trình tạo file DICOM

có UID như trên

Source Application Entity

Private Information (0002,0102) Thông tin riêng tư

- Ban đầu các Data Set File Meta Information được định dạng, mã hóa theoTransfer Syntax là Explicit VR Little Endian Transfer Syntax Các Data Element

nằm trong Data Set ngay sau Data Set File Meta Information sẽ có định dạng và được mãhóa theo Transfer Syntax quy định bởi UID của Transfer Syntax trong File MetaInformation.

- Với các Transfer Syntax quy ước không cần VR trong Data Element, cần tra cứutrong Data Dictionary để biết VR mặc định của từng Data Element

 Một số khái niệm liên quan cần dùng khi đọc ảnh DICOM[6]

Cú pháp chuyển đổi - Transfer Syntax: xác định kiểu mã hoá dữ liệu là theo kiểu BigEdian, Little Edian:

+ 1.2.840.10008.1.2 : Little Edian Implicit VR

+ 1.2.840.10008.1.2.1 : Little Edian Explicit VR

+ 1.2.840.10008.1.2.2 : Big Edian Implicit VR

+ 1.2.840.10008.1.4 : JPEG Compresion ( Nén JPEG)

Điểm dữ liệu - Data pixel: cần quan tâm đến 3 Data Element biểu diễn cấu trúcPixel

+ Bít định vị - Bit Allocated (0028,0100)

+ Bít lưu trữ - Bit Stored (0028,0101)

+ Bít cao - High Bit (0028,0102)

+ Biểu diễn điểm - Pixel Representation(0028,0103)

Mỗi ô chứa một giá trị điểm mẫu - Pixel Sample Value Bít định vị xác định kíchthước của ô điểm - Pixel Cell Bits Stored xác định số bit được sử dụng để biểu diễn giá trịcủa Pixel Sample Bít cao cho biết vị trí bit cao nhất của Bits Stored trong BitsAllocated

Giá trị của Pixel Sample có thể là số nguyên không dấu hoặc có dấu được xác đinhbằng các biểu diễn điểm ảnh Pixel Representation

Kích thước ảnh: Data Element biểu diễn kích thước ảnh bởi độ dài rộng:

+ Độ rộng –

Width

+ Độ cao - Height

Để khôi phục ảnh 3-D, cần quan tâm đến phần tử dữ liệu sau

+ Số các khung-Number of Frames(0028,0008): khi giá trị >1 thì mới khôi phụcđược

Phần tử dữ liệu riêng - Private Data Element: thường dùng để chứa thông tin (ví dụthông tin về bệnh nhân, tổ chức ), có số nhóm-Group Number là số lẻ Dựa trên đó cóthể lấy ra những thông tin cần thiết mà không phải dữ liệu ảnh ngay trên file Đây cũng làđiểm khác biệt của định dạng DICOM so với các định dạng khác

1.3 Mô hình 3 chiều và chẩn đoán, khám chữa bệnh

1.3.1 Một số khái niệm về đồ họa 3 chiều

Đồ họa máy tính 3D (3 chiều) thường được nói đến là mô hình (model) 3D Ngoàicác đồ họa được kết xuất, model được chứa trong các tập tin dữ liệu đồ họa Tuy nhiên,

có sự khác biệt Model 3D là đại diện toán học của bất kỳ đối tượng ba chiều Một môhình không phải là một kỹ thuật đồ họa cho đến khi nó được hiển thị Một mô hình có thểđược hiển thị trực quan như là một hình ảnh hai chiều thông qua một quá trình gọi làkết xuất 3D, hoặc được sử dụng trong mô phỏng máy tính phi đồ họa và tính toán

Với sự hỗ trợ vượt bậc của kỹ thuật phần mềm và phần cứng (về máy móc, tínhtoán shader…) cũng như sự thay đổi trong cách làm 3D thì giờ đây chúng ta có thể làmđược những sản phẩm chất lượng

Phần cứng gồm thiết bị hiển thị và nhập dữ liệu, Phần mềm bao gồm cáccông cụ lập trình và các chương trình ứng dụng đồ họa Nếu xét theo số chiềuđược mô tả trên máy tính ta có đồ họa hai chiều và đồ họa ba chiều Các hàm cơ sởcủa đồ họa bao gồm việc tạo đối tượng cơ sở của hình ảnh như đoạn thẳng, đa giác,đường tròn, , thay đổi màu sắc, chọn khung nhìn, áp dụng các phép biến đổi

Hình 1.18 Các ứng dụng đồ họa 3 chiều

Việc thể hiện các đối tượng 3 chiều trên máy tính là cần thiết vì phần lớn các đốitượng trong thế giới thực là đối tượng 3 chiều còn thiết bị hiển thị chỉ hiển thị ảnh 2chiều Do vậy muốn có hình ảnh 3 chiều ta cần phải giả lập Biểu diễn đối tượng 3 chiềubằng máy tính phải tuân theo quy luật về phối cảnh, sáng, tối giúp người xem nhìn thấyhình ảnh gần đúng nhất Chiến lược cơ bản là chuyển đổi từng ước Hình ảnh sẽ đượchình thành ngày càng chi tiết hơn

Khi mô hình hóa và hiển thị một hình ảnh 3 chiều chúng ta xét rất nhiều khía cạnh

và các vấn đề khác nhau không đơn giản là thêm một tọa độ thứ 3 cho các đối tượng Bềmặt đối tượng có thể được xây dựng bởi nhiều tổ hợp khác nhau của mặt phẳng và mặtcong, đôi khi chúng ta còn mô tả một số thông tin bên trong đối tượng Khi biểu diễn đốitượng 3 chiều bằng máy tính ta cần quan tâm các vấn đề sau[9]:

❖ Phương pháp biểu diễn

Có 2 phương pháp biểu diễn đối tượng 3 chiều là phương pháp biểu diễn bề mặt

và biểu diễn theo phân hoạch không gian

Phương pháp biểu diễn bề mặt mô tả đối tượng bằng một tập hợp các bề mặt giớihạn phần bên trong của đối tượng với môi trường bên ngoài Thông thường ta xấp xỉ các

bề mặt phức tạp bởi các mảnh nhỏ hơn gọi là các patch (mặt vá) Các

mảnh này có thể là các đa giác hoặc các mặt cong.

Phương pháp phân hoạch không gian thường dùng để mô tả các thuộc tính bêntrong đối tượng

❖ Vấn đề chiếu sáng

Tác dụng của việc chiếu sáng là làm cho các đối tượng hiển thị trong máy tính giốngvới vật thể trong thế giới thực Để thực hiện công việc này cần

phải có các mô hình tạo sáng

Vật thể được chiếu sáng nhờ vào ánh sáng đến từ khắp mọi hướng gọi là ánh sángxung quanh(ambient light) hay ánh sáng nền(background light)

Trên bề mặt có 2 loại hiệu ứng phát sáng là khuếch tán (diffuse light) - ánh sáng đitheo mọi hướng và phản xạ gương (specular light)

❖ Vấn đề tạo bóng

Để tạo bóng ta ứng dụng các mô hình xác định cường độ sáng theo nhiều kiểu khácnhau tùy thuộc bài toán cụ thể Các vật có bề mặt phẳng chỉ cần tính cường độ sángchung cho một bề mặt là có thể hiển thị đối tượng tương đối thật Các vật có bề mặtcong phải tính cường độ sáng cho từng pixel trên bề mặt Để tăng tốc độ ta xấp xỉ các mặtcong bởi một tập hợp các mặt phẳng Với mỗi mặt phẳng sẽ áp dụng mô hình cường độkhông đổi (flat shading) hoặc cường độ nội suy (Gouraud shading, Phong shading) đểtạo bóng

1.3.2 Các ứng dụng cơ bản của đồ họa 3 chiều

Ba chiều là công nghệ được xây dựng từ các phần mềm máy tính, giúp người sửdụng có thể quan sát hình ảnh trong không gian ba chiều Ứng dụng của công

nghệ này được sử dụng trong một số lĩnh vực đạt hiệu quả cao như Y học, xây dựng,kiến trúc, phim, trò chơi Tại Việt Nam công nghệ này chỉ mới được sử dụng phầnlớn trong quảng cáo và kiến trúc.

 Ứng dụng đồ họa 3 chiều trong chẩn đoán, khám chữa bệnh: Ngày nay, CT đượcứng dụng rộng rãi trên lâm sàng để phát hiện bệnh lý từ sọ não, đầu mặt cổ, tim, ngực,bụng, chậu, xương, mô mềm cho đến bệnh lý mạch máu não, cổ, mạch máu chi và cácmạch máu tạng khác CT còn được dùng để hướng dẫn phẫu thuật, xạ trị, theo dõi sauphẫu thuật Kỹ thuật 3D-CT cho phép đánh giá chính xác vị trí tổn thương trong khônggian 3 chiều, từ đó định hướng tốt cho phẫu thuật cũng như xạ trị Kỹ thuật này còn dùng

để tái tạo 3D trong các bệnh lý bất thường bẩm sinh, giúp cho các nhà phẫu thuật tạohình chỉnh sửa tốt hơn các dị tật bẩm sinh Nhiều bác sĩ cũng tận dụng công nghệ mớinày phục vụ điều trị bệnh nhân giúp tăng độ chính xác và hiệu quả[3,10]

Ưu điểm của công nghệ hình ảnh 3 chiều trong chẩn đoán, khám chữa bệnh:

 Hình ảnh rõ nét do không có hình tượng nhiều hình chồng lên nhau

 Khả năng phân giải những hình ảnh mô mềm cao hơn nhiều so với X quang

 Thời gian chụp nhanh, cần thiết trong khảo sát, đánh giá các bệnh cấp cứu vàkhảo sát các bộ phận di động trong cơ thể (phổi, tim, gan, ruột…)

 Độ phân giải không gian đối với xương cao nên rất tốt để khảo sát các bệnh lýxương

 Kỹ thuật dùng tia X, nên có thể dùng để chụp cho những bệnh nhân cóchống chỉ định chụp cộng hưởng từ (Đặt máy tạo nhịp, van tim kim loại, máy trợ thính cốđịnh, di vật kim loại…)

Hiện nay có rất nhiều dự án tập trung vào việc xây dựng các mô hình môphỏng các cơ quan bộ phận của con người Đồng thời mô phỏng những sự thay đổi cơbản khi có sự tương tác, thay đổi, hay sự biến đổi của các bộ phận khi con người có sựhoạt động Từ đó mà việc xây dựng các mô hình cho phép thực hiện các ca phẫu thuậtgiả, xây dựng các mô hình cho phép chuẩn đoán bệnh cũng như việc phẫu thuật trênngười bệnh được chính xác, an toàn

 Ứng dụng đồ họa 3 chiều trong xây dựng kiến trúc:

Đối với người thiết kế: có thể vẽ lên không gian 3 chiều, ứng dụng vật liệu thậtvào không gian, phối trí và phân tích ánh sáng, thông gió hợp lý nhất cho công trình thiết

kế xây dựng làm cho sự kết hợp giữa các yếu tố, bố trí các vật dụng trở nên hài hoà Tínhtoán tải trọng kết cấu chính xác nhất, đưa ra giải pháp tiết kiệm vật tư và chi phí nhằmnâng cao năng lực cạnh tranh

Đối với người khách hàng: ứng dụng 3 chiều trong kiến trúc làm cho người xem nhưđứng ngay trong không gian trong thực tế

 Ứng dụng đồ họa 3 chiều trong phim, trò chơi

Công nghệ 3 chiều trong phim ảnh đang là xu hướng phát triển của điện ảnh thếgiới Ứng dụng tạo hình 3 chiều mang đến cho người xem những trải nghiệm thực sự,những hình ảnh sống động và hấp dẫn Nó cũng được sử dụng để tạo các hiệu ứng phim

và thực tại ảo, khán giả sẽ trải nghiệm những hành động, cử chỉ sống động như thật.Trong game, ứng dụng công nghệ 3 chiều để xây dựng mô hình, và chuyển động chohình ảnh sắc nét giúp người chơi bao quát được toàn bộ góc nhìn với chất lượng hình ảnhtốt nhất và không bị gián đoạn

 Ứng dụng đồ họa 3 chiều trong mô phỏng, đào tạo

Hệ thống phần mềm mô phỏng các thí nghiệm bằng hình ảnh minh họa sống động,giúp học sinh dễ nhận biết, tiếp thu và tạo sự hứng thú với môn học Cho phép họcsinh, sinh viên được quan sát trực quan các mô hình cụ thể, thấy được những hoạt động,chuyển động của các sự vật, sự kiện được giảng viên trình bày

Học sinh được hình dung một cách rõ ràng và đầy đủ các khái niệm về hình họckhông gian, địa lý vũ trụ, mô hình sinh học hoặc các khái niệm khó tưởng tượng ratrong thế giới hai chiều

 Ứng dụng đồ họa 3 chiều trong lĩnh vực quốc phòng và an ninh

Những sản phẩm mô phỏng sẽ được áp dụng trong giảng dạy các môn khoa họcnhư Giáo dục quốc phòng, quân sự Người học có thể quan sát chi tiết các hoạt động củacác bộ phận cơ khí,quy trình hoạt động và tương tác, những hiện tượng xảy ra trongcác hoạt động của vũ khí Công nghệ mô phỏng 3 chiều mô tả chi tiết cụ thể hiện tượngbắn, quá trình chuyển vận của các bộ phận trong tương tác sự vật,

hiện tượng giúp cho học sinh dễ nhận biết, tiếp thu tạo sự hứng thú với môn học.

Có thể nói các ứng dụng tiềm năng của công nghệ hình ảnh 3 chiều là vô hạn và đểlàm được điều đó ta phải nắm được quy trình hiển thị ảnh 3 chiều

1.4 Bài toán tái tạo mô hình 3 chiều từ ảnh cắt lớp

Trong xử lý ảnh y tế, việc tái cấu trúc mô hình 3D từ những lát cắt 2D tạo ra bởi cácthiết bị chẩn đoán hình ảnh có ý nghĩa quan trọng trong hỗ trợ chẩn đoán và điều trị chobệnh nhân Số lượng những lát cắt sử dụng để tái cấu trúc mô hình 3D càng nhiều, lát cắtmỏng thì mô hình càng mịn và giống với thực tế, giúp cho việc hiển thị hình ảnh chânthực nhất Trong khi đó trên thực tế, các thiết bị chẩn đoán hình ảnh tại nhiều bệnh việnchưa đáp ứng được số lượng lát cắt và độ mỏng cần thiết, do đó việc sử dụng kĩ thuật táicấu trúc để lấp đầy các lát cắt giữa hai lát cắt liên tiếp trên thực tế là cần thiết

Bài toán tái cấu trúc mô hình 3D được mô tả cụ thể như sau:

Đầu vào: tập những lát cắt song song thu được từ việc chụp CT sẽ được tiền xử lý

(khi đó ảnh được chuẩn hóa, loại bỏ nhiễu, xử lý ánh sáng v.v với mục tiêu làm rõ đốitượng cần tái cấu trúc)

Đầu ra: khi tái cấu trúc 3 chiều ta chỉ quan tâm tới bề mặt của đối tượng, điều này

tương ứng với việc xác định các biên của ảnh sau quá trình phân lớp Tập các điểm ảnhnằm trên biên sẽ được sử dụng làm tập các đỉnh của mô hình 3D khi được tái cấu trúc.Sau khi tập các đỉnh, tập các mặt và UV được xác định ta tiến hành xây dựng mô hình 3D

và trình diễn

Đối với Bệnh viện A Thái Nguyên sau 50 năm xây dựng và phát triển, hàng ngàyđiều trị cho gần 1000 bệnh nhân điều trị nội trú Việc nâng cao trình độ chuyênmôn của tập thể y bác sĩ được Ban lãnh đạo bệnh viện luôn chú trọng, quan tâm Songsong với đó là sự đầu tư trang thiết bị y tế hiện đại, ứng dụng hiệu quả tiến bộ khoahọc kỹ thuật vào nhiệm vụ chuyên môn và những công nghệ mới vào trong công táckhám chữa bệnh Bệnh viện đã trở thành địa chỉ tin cậy trong việc chăm sóc, bảo vệ sứckhỏe nhân dân Việc tái cấu trúc mô hình 3D từ ảnh cắt lớp vi tính tại Bệnh viện sẽ nângcao công tác chẩn đoán và điều trị, giúp cho các bác sĩ có thể nhìn được hình ảnh 3 chiềucủa đối tượng rõ nét ngay lập tức Trên không gian 3 chiều, các bác sĩ còn có thể quan sátđược những thương tổn, dị dạng hay khối u ở

nhiều góc độ, giúp tầm soát tốt tất cả các loại bệnh Điều này chắc chắn sẽ nâng cao hiệu quả, tăng độ chính xác trong việc chẩn đoán và điều trị cho bệnh nhân

Chương 2

KỸ THUẬT TÁI TẠO HÌNH 3D TỪ ẢNH CHỤP CẮT LỚP

2.1 Tổng quan về kỹ thuật tái cấu trúc mô hình 3D từ ảnh cắt lớp

2.1.1 Cấu trúc mô hình 3D

Mô hình 3D là một cấu trúc dữ liệu trong đó mô tả hình thái 3D của một đốitượng Hiện nay để tạo ra một mô hình 3D có nhiều cách khác nhau, chúng có thể đượctạo ra nhờ các phần mềm thiết kế 3D như 3Ds max, maya v.v thông qua các nhà thiết kế3D, hoặc từ các máy quét 3D[14] (khi đó một đối tượng ngoài thế giới thực sẽ tạo mộtđược một mô hình 3D trên máy tính thông qua máy quét), hoặc được tạo ra bằng mộtvài cách đặc thù nào đó Ví dụ như được tạo ra từ tập ảnh cắt lớp như trong luận vănđang trình bày Để có thể tạo ra một mô hình 3D đầu tiên chúng ta phải hiểu về cấu trúccủa một mô hình 3D Theo những tài liệu tôi tìm hiểu được, một mô hình gồm có 3 thànhphần cơ bản là tập các đỉnh, tập các mặt và tập UV Trong đó, tập UV thường kết hợpvới một ảnh chất liệu bên ngoài để tạo ra hình ảnh của mô hình với bề mặt giống vớithực tế

(a) (b) (c)

Hình 2.1 Mô hình 3D tim người

(a) Mô hình 3D chỉ gồm tập các đỉnh và tập các mặt(b) Texture đã trải UV cho mô hình quả tim

(c) Hình ảnh quả tim 3D khi có đầy đủ các thành phầnTrong mô hình 3D, tập đỉnh là tập các vector 3 chiều mà mỗi vector là một điểmtrong không gian 3 chiều Tâp đỉnh này sẽ quy định hình dạng 3D của đối tượng, tiếp đóchúng ta cần tập các mặt để kết nối các đỉnh với nhau từ đó tạo ra bề mặt của đối tượng.Tập các đỉnh và tập các mặt về cơ bản tạo ra một mô hình 3D giống với một bức tượngthạch cao rỗng bên trong Để mô hình giống thật hơn ta xác định một texture và mộttập UV để quy định việc sử dụng texture[12] trên mỗi bề mặt của đối tượng Như vậy đểxác định một mô hình 3D thường chúng ta phải xác định 3 thành phần của nó là tập cácđỉnh, tập các mặt và tập UV Để dễ hình dung, tôi lấy ví dụ về một đối tượng 3D cơ bản

là một khối hộp được tạo ra như sau:

-Tập các đỉnh

var size = 100;

Vector3 [] VertexList =new Vector3 []{

new Vector3(-size, -size, -size),new Vector3(-size, size, -size),new Vector3( size, size, -size),new Vector3( size, -size, -size),new Vector3( size, -size, size),new Vector3( size, size, size),new Vector3(-size, size, size), newVector3(-size, -size, size)

};

Ở đây tôi xác định một khối hộp do đó tôi cần tối thiểu 8 đỉnh, vị trí các định đượcsắp xếp trong không gian tương ứng với tập vector 3 chiều VertexList được tạo ở trên.Trong đó, giá trị biến “size” là giá trị theo các trục trên hệ tọa độ 3 chiều

-Tập các mặt

int []FaceList = new int []{

0, 1, 3, // 1: Mặt sau

1, 2, 3,

Với một khối hộp tôi cần xác định 6 mặt tương ướng là trước, sau, trái, phải, trên, dưới Ở đây tôi sử dụng các mặt ở dạng tam giác, tức là một mặt được tạo ra từ

3 đỉnh Trong mô hình 3D có 2 dạng mặt cơ bản là mặt được tạo ra từ 3 đỉnh (mặt amgiác) và mặt được tạo ra từ 4 đỉnh (mặt tứ giác) trong nội dung luận văn do mô hình 3Dđược tái cấu trúc chỉ được sử dụng đề quan sát do đó tôi lựa chọn việc tái cấu trúc môhình sử dụng mặt tam giác Chi tiết việc xây dựng các mặt được trình bày ở phần tiếptheo của luận văn Như vậy với 6 mặt của hình hộp tôi cần 12 mặt tam giác, giá trị và quan

hệ của các mặt được mô tả trong tập mặt FaceList ở trên

-Tập UV:

Hình 2.2 Một mặt của hình hộp được tạo bởi 2 mặt tam giác

Vector2 [] UVs = new Vector2[]{

new Vector2(0,0),new Vector2(0,0),new Vector2(0,0),new Vector2(0,0),new Vector2(0,0),new Vector2(0,0),new Vector2(0,0),new Vector2(0,0),};

Tập UV xác định vị trí của các texture[10], đó là một tập của các vector 2 chiều và

số lượng phần tử của tập này tương ứng với số đỉnh của đồ thị Trong nội dung luận văn

vì mô hình tái cấu trúc không thu được texture từ ảnh cắt lớp nên tôi không xây dựng tập

UV cho các mô hình 3D và khởi tạo mặc định là một vector 2 chiều có 2 giá trị tương ứngbằng 0 Sau khi xác định được 3 thành phầm cơ bản của