Nghiên cứu kỹ thuật tạo hình 3d từ ảnh chụp cắt lớp tại bệnh viện đại học y hà nội

v DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT 2D Two-Dimension Không gian 2 chiều 3D Three-Dimension Không gian 3 chiều ACR American Cllege of Radionlogy Đại học X quang Hoa Kỳ CR Computed rad

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TẠO HÌNH 3D

TỪ ẢNH CHỤP CẮT LỚP TẠI BỆNH VIỆN ĐẠI HỌC Y HÀ NỘI

NGUYỄN CAO TRÀO

HÀ NỘI - 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TẠO HÌNH 3D

TỪ ẢNH CHỤP CẮT LỚP TẠI BỆNH VIỆN ĐẠI HỌC Y HÀ NỘI

NGUYỄN CAO TRÀO

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

MÃ SỐ: 60.48.02.01

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS ĐỖ NĂNG TOÀN

HÀ NỘI - 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Cao Trào

LỜI CẢM ƠN

Qua luận văn này tôi xin chân thành cảm ơn PGS TS Đỗ Năng Toàn - Viện Trưởng Viện Công nghệ Thông tin, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình giúp đỡ, động viên, định hướng, hướng dẫn tôi nghiên cứu và hoàn thành luận văn này Tôi xin cảm ơn các giảng viên trong Viện Đại học Mở Hà Nội đã giảng dạy và giúp đỡ tôi trong hai năm học qua, cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của các bạn đồng nghiệp

Trong quá trình nghiên cứu của mình, mặc dù được sự hướng dẫn rất nhiệt tình, đầy trách nhiệm của PGS TS Đỗ Năng Toàn và các thầy cô giáo trong Viện Đại học Mở Hà Nội cùng với sự nỗ lực của cá nhân nhưng cũng không thể tránh được những thiếu sót Tác giả chân thành mong nhận được những ý kiến đóng góp

từ quý Thầy, Cô và các bạn bè đồng nghiệp

Trân trọng cảm ơn!

Nguyễn Cao Trào

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT v

DANH SÁCH BẢNG vi

DANH SÁCH HÌNH VẼ vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ ẢNH CHỤP CẮT LỚP VÀ BÀI TOÁN TẠO HÌNH 3D 3

1.1 Khái quát về ảnh y tế 3

1.1.1 Lịch sử ra đời máy chụp ảnh cắt lớp vi tính 4

1.1.2 Nguyên lý chụp CTscanner (computed tomography)[13] 6

1.1.3 Ứng dụng của CT 8

1.1.4 Chuẩn ảnh DICOM[10] 10

1.2 Mô hình 3 chiều và chẩn đoán, khám chữa bệnh 20

1.2.1 Một số khái niệm về đồ họa 3 chiều 20

1.2.2 Các ứng dụng cơ bản của đồ họa 3 chiều 22

1.2.3 Bài toán tái tạo mô hình 3 chiều từ ảnh cắt lớp 24

1.3 Kết luận Chương 1 25

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT TÁI TẠO HÌNH 3D TỪ ẢNH CHỤP CẮT LỚP 26

2.1 Tái cấu trúc mô hình 3D từ ảnh cắt lớp 26

2.1.1 Cấu trúc mô hình 3D 26

2.1.2 Phương pháp tổng quát tái cấu mô hình 3D từ tập ảnh cắt lớp 29

2.2 Một số các kỹ thuật áp dụng trong tái cấu trúc mô hình 3D[8] 33

2.2.1 Các kỹ thuật áp dụng trong tiền xử lý ảnh cắt lớp 33

2.2.2 Phân lớp và xác định biên đối tượng cần tái cấu trúc 3D[8] 37

2.2.3 Xác định tập đỉnh và tập mặt khi tái cấu trúc mô hình 3D 43

2.3 Một số kỹ thuật nâng cao chất lượng mô hình 3D khi tái cấu trúc[4][8] 45

2.3.1 Kỹ thuật nội suy nâng cao mô hình tái cấu trúc 45

2.3.2 Một số phương pháp nội suy 46

2.4 Tổng kết Chương 2 49

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG 50

3.1 Phân tích yêu cầu bài toán 50

3.2 Phân tích và lựa chọn công cụ 51

3.3 Một số kết quả thực nghiệm 54

3.4 Tổng kết Chương 3 59

KẾT LUẬN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

v

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

2D Two-Dimension Không gian 2 chiều

3D Three-Dimension Không gian 3 chiều

ACR American Cllege of Radionlogy Đại học X quang Hoa Kỳ

CR Computed radiography X quang điện toán

CS Conformation Statement Báo cáo thích nghi

CT Computed Tomography Scanner Chụp cắt lớp vi tính

DE Data Element Phần tử dữ liệu

DEM Digital Elevation Model Mô hình số độ cao

DICOM Digital Imaging and

Communications in Medicine

Tiêu chuẩn để bắt tay, lưu trữ, in

ấn và thu/nhận hình ảnh trong y tế IOD Information Object Desfinition Đối tượng thông tin

MRI Magnetic Resonance Imaging Chụp cộng hưởng từ

MSCT Multislice Computed Tomography Chụp cắt lớp vi tính đa dãy

NEMA National Electrical Manufacturers

Association

Hiệp hội các nhà sản xuất

NNI Natural Neighbor Interpolation Nội suy láng giềng tự nhiên OSI Open Systems Interconnection

Reference Model

Mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở

SC Service Classes Lớp dịch vụ

SOP Service-Object Pair Lớp cặp hoạt động dịch vụ

UID User Identification Nhận dạng người dùng

VR Value Representation Giá trị biểu diễn

VR Value Representation Giá trị biểu diễn

vi

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1.1: DICOM và mô hình tham chiếu OSI[10] 13 Bảng 1.2: DICOM và mô hình tham chiếu OSI 17 Bảng 1.3: Quy ước trong file DICOM 19

vii

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Ảnh chụp X-Quang, ảnh nội soi và ảnh siêu âm 3

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

Hình 1.3: Mô phỏng hình ảnh chụp CT 5

Hình 1.4: Godfrey Hounsfield và máy chụp cắt lớp vi tính đầu tiên 5

Hình 1.5: Máy CT toàn thân đầu tiên được phát triển 6

Hình 1.6: Điểm ảnh (pixel) 7

Hình 1.7: Nguyên lý của máy CT có 64 dãy đầu thu tại khoa Chẩn đoán hình ảnh bệnh viện Đại học Y Hà Nội 8

Hình 1.8: Các ảnh được lưu dưới dạng DICOM 10

Hình 1.9: Định dạng file DICOM 14

Hình 1.10: Thông tin đính kèm file DICOM 14

Hình 1.11: Cấu tạo Data Set 16

Hình 1.12: Các ứng dụng đồ họa 3 chiều 20

Hình 2.1: Mô hình 3D tim người 26

Hình 2.2: Một mặt của hình hộp được tạo bởi 2 mặt tam giác 28

Hình 2.3: Mô hình 3D thu được từ tập đỉnh: VertexList, tập mặt: FaceList, tập UV: UVs 29

Hình 2.4: Ảnh chụp cắt lớp theo không gian hai chiều 30

Hình 2.5: Ảnh mô phỏng các lát cắt xếp liên tiếp nhau 31

Hình 2.6: Quy trình hiển thị đối tượng 3D 32

Hình 2.7: Ảnh chụp chiếu trước và sau tiền xử lý 37

Hình 2.8: Ảnh chụp chiếu trước và sau phân đoạn làm rõ xương 41

Hình 2.9: Ảnh chụp chiếu sau phân đoạn làm rõ xương và loại bỏ nhiễu 41

Hình 2.10: Ảnh chụp chiếu áp dụng tìm biên 42

Hình 2.11: Tập các đỉnh biên được xếp chồng lên nhau tạo thành tập đỉnh của mô hình 3D 43

Hình 2.12: Biểu diễn tập đỉnh trên mặt phẳng 44

Hình 3.1: Giao diện chung chương trình dựng mô hình 3D từ ảnh chụp cắt lớp 51

viii

Hình 3.2: Mở thu mục chứa định dạng ảnh 52

Hình 3.3: Quan sát ảnh DICOM 53

Hình 3.4: Hình ảnh mô hình 3D thu được từ chương trình dùng trong chẩn đoán 53

Hình 3.5: Hình ảnh chụp cắt lớp vi tính 54

Hình 3.6: Kết quả sau khi chạy chương trình thực nghiệm tạo hình 3D 54

Hình 3.7: Phiếu kết quả chụp cắt lớp vi tính 55

Hình 3.8: Gãy xương gò má và xoang hàm trái trên phim chụp cắt lớp vi tính 56

Hình 3.9: Khi chạy chương trình thực nghiệm tạo dựng mô hình 3D 56

Hình 3.10: Hình ảnh vỡ xương chẩm trái 57

Hình 3.11: Kết quả chạy chương trình thực nghiệm tạo dựng mô hình 3D 57

Hình 3.12: Hình ảnh vỡ xương trên phim chụp cắt lớp vi tính 58

Hình 3.13: Hình 3D được tái tạo từ ảnh chụp cắt lớp 58

1

MỞ ĐẦU

Ngày nay, việc ứng dụng Công nghệ thông tin trong y học đã mang lại những hiệu quả khả quan Trong đó, sự ra đời của các thiết bị chẩn đoán hình ảnh như máy chụp cắt lớp vi tính (CT-Scanner), máy chụp cộng hưởng từ (MRI) đã giúp cho các bác sỹ nâng cao 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

Phương pháp chẩn đoán bằng hình ảnh CT scan cho thấy một số tổn thương bên trong cơ thể một cách nhanh chóng mà không cần phải phẫu thật Công nghệ này được ứng dụng ngày càng phổ biến trong y học CT scan còn được gọi là chụp cắt lớp vi tính - kết hợp một loạt các tia X từ nhiều góc độ khác nhau để tạo ra hình ảnh cắt ngang của xương và mô mềm bên trong cơ thể CT scan cho hình ảnh chi tiết hơn nhiều so với X quang thông thường Các hình cắt ngang tạo ra trong quá trình chụp CT có thể tái tạo lại theo nhiều hướng và tạo ra hình ba chiều Các máy nhiều lát cắt cho hình chi tiết hơn, tái tạo, dựng hình tốt hơn, thời gian nhanh hơn Tốc độ chụp nhanh đặc biệt có ích cho trẻ em, người già, người bị bệnh nguy kịch, không thể nằm yên

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

Trên thế giới việc tái tạo ảnh 3D được phát triển trong khoảng vài chục năm gần đây, 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 vực mới và chỉ có một vài nghiên cứu nhỏ được công bố Kinh phí dành cho y

tế còn hạn hẹp nên hiện nay các bệnh viện nhỏ, bệnh viện địa phương không đủ khả năng trang bị những thiết bị chẩn đoán hình ảnh vì giá thành thiết bị và phần mềm

2

chuyên dụng rất đắt Vì vậy, bài toán đặt ra là “Nghiên cứu kỹ thuật tạo hình 3D

từ ảnh chụp cắt lớp tại Bệnh viện Đại học Y Hà Nội” Là bài toán thực tiễn có

nhiều ý nghĩa, cần được đầu tư nghiên cứu và tìm hiểu Nội dung luận văn bao gồm

3 chương:

Chương 1: Khái quát về ảnh chụp cắt lớp và bài toán tạo hình 3D

Khái quát về ảnh y tế (cấu trúc ảnh DICOM), giới thiệu hệ thống máy chụp cắt lớp và mô hình 3D ứng dụng trong trong chẩn đoán, khám chữa bệnh tại bệnh

viện Đại học Y Hà Nội

Chương 2: Kỹ thuật tái tạo hình 3D từ ảnh chụp cắt lớp

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

Chương 3: Thực nghiệm và ứng dụng

Phân tích yêu cầu bài toán và tiến hành cài đặt thực nghiệm kỹ thuật tạo hình 3D từ ảnh chụp cắt lớp

3

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ ẢNH CHỤP CẮT LỚP

VÀ BÀI TOÁN TẠO HÌNH 3D 1.1 Khái quát về ảnh y tế

Ảnh y tế là kĩ thuật và quá trình được sử dụng để tái tạo ra hình ảnh cơ thể con người hoặc bộ phận cơ thể người phục vụ cho mục đích lâm sàng và cận lâm sàng nhu cầu chẩn đoán, kiểm tra bệnh hoặc khoa học y tế (bao gồm cả giải phẫu và sinh lý) Hình ảnh y tế đề cập đến một số kỹ thuật có thể được sử dụng như là phương pháp không xâm lấn nhìn vào bên trong cơ thể Y học hiện đại chẩn đoán bệnh dựa vào các triệu chứng lâm sàng (chẩn đoán lâm sàng) và các triệu chứng cận lâm sàng Trong chẩn đoán cận lâm sàng thì chẩn đoán dựa trên hình ảnh thu được

từ những thiết bị chẩn đoán hình ảnh y học (máy y tế)[7] ngày càng chiếm một vai trò quan trọng Nhất là ngày nay với sự trợ giúp các thiết bị, máy y tế hiện đại, công nghệ cao có các phần mềm tin học hỗ trợ giúp cho tái hiện lại hình ảnh bên trong cơ thể bệnh nhân để phân biệt các bộ phận và phát hiện các tổn thương Nó có thể được

sử dụng để hỗ trợ chẩn đoán hoặc điều trị các bệnh nội khoa khác nhau Ngày nay, công nghệ thông tin đóng vai trò quan trọng trong công tác quản lý, điều hành và ứng dụng thành công trong công tác khám chữa bệnh tại các bệnh viên như chụp cắt lớp, siêu âm, mổ nội soi v.v Chẩn đoán hình ảnh y khoa góp phần quan 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 X quang, hình ảnh siêu âm, nội soi, hình ảnh chụp cắt lớp vi tính, hình ảnh chụp cộng hưởng từ

Hình 1.1: Ảnh chụp X-Quang, ảnh nội soi và ảnh siêu âm

4

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 dạng ảnh 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 sử dụng các hình ảnh y tế đã cho phép các bác sĩ để xem được các bộ phận các tạng hay tổn thương bên trong bệnh nhân mà không cần phải đến phẫu thuật

mở Hình ảnh y tế cũng giúp chúng ta tìm hiểu thêm về sinh học thần kinh, hành vi của con người và mang đến cho các nhà khoa học từ sinh học, hóa học, vật lý liên kết với nhau và các công nghệ phát triển, thường có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực

1.1.1 Lịch sử ra đời máy chụp ảnh cắt lớp vi tính

CT là kĩ thuật “sinh sau đẻ muộn” hơn rất nhiều Vậy CT là gì? CT là chữ viết tắt của Computed Tomography[13], chính xác hơn phải là X ray Computed Tomography thì mới hiểu hết nghĩa của kĩ thuật này, dịch ra là chụp X quang cắt lớp điện toán hoặc chụp X quang cắt lớp vi tính, tức là kĩ thuật dùng tia X để cắt lớp, hay còn gọi là cắt thành từng lát mỏng có bề dày nhất định xuyên qua người bệnh nhân và nhờ đến máy tính để tổng hợp, “cộng trừ nhân chia” cho ra được hình ảnh, và hình ảnh này là từ hình khối 3D do có bề dày chuyển thành hình 2D xem được trên phim và trên màn hình máy tính

- Năm 1963, Cormack là một kỹ sư vật lý người Mỹ phát minh ra nguyên lý tái tạo cấu 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 người Anh tên là Hounsfield đã tái tạo thành công cấu trúc của vật thể bằng phương pháp chiếu qua vật thể bức xạ tia X (tia Roentgen)

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 nhau chia sẻ giải thưởng Nobel năm 1979

Hình 1.4: Godfrey Hounsfield và máy chụp cắt lớp vi tính đầu tiên

6

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

Hình 1.5: Máy CT toàn thân đầu tiên được phát triển

Máy CT đầu tiên ở Việt Nam được giới thiệu vào ngày 4/2/1991 tại Hà Nội và hiện nay đang được lưu giữ tại Bệnh viện Đa khoa Lào Cai Từ năm 1998, xuất hiện thuật ngữ

CT đa lát cắt, hay đa dãy (MSCT: multislice CT)[17], được hiểu nôm na là trước đây khi chúng ta quay một vòng tia X thì chỉ có 1 hàng tiếp nhận tín hiệu ở đầu bên kia, ngày nay khi tia X được phát ra thì bên đối diện đầu đèn sẽ có nhiều hàng để tiếp nhận tín hiệu, có 4 hàng thì gọi là MSCT 4 lát cắt, có 64 hàng thì gọi là MSCT 64 lát cắt, … Hiện tại ở Việt Nam đã có CT 128 lát cắt, sắp tới là 256 lát cắt, 320 lát cắt[3] Để dễ hình dung, khi bước lên bàn chụp, bệnh nhân chỉ cần thấy quay 1 vòng khung máy là đủ 128 “nhát” thay vì phải quay đến 128 vòng phát tia X như trước đây CT đa lát cắt đã làm cuộc cách mạng rất lớn trong ngành chẩn đoán hình ảnh về phương diện tạo ảnh đa chiều, dựng hình y như thật sau khi cắt, thời gian chụp toàn bộ cơ thể rút ngắn lại chỉ còn trên dưới 10 giây…

1.1.2 Nguyên lý chụp CTscanner (computed tomography)[13]

Nguyên lý chụp CLVT dựa trên phép đo tỷ trọng, trong cơ thể con người mỗi

cơ quan khác nhau sẽ có khả năng hấp thụ tia X khác nhau Căn cứ vào việc tính toán chỉ số hấp thụ này (dựa trên đo và tính toán hệ số suy giảm cường độ tia X 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 là dựa trên công nghệ kỹ thuật số Các lát cắt ngang qua vùng cơ thể cần được khảo sát được phân tích thành nhiều khối nhỏ Các khối riêng lẻ này được gọi là các phần tử thể tích hay khối thể tích mô Thành

Hình 1.6: 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) và được 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 lớp cắt 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) thì hình 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 các cấu 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 Một chùm tia X rất hẹp phát ra từ bóng, xuyên qua một phần cơ thể

và được bộ phận thu nhận tín hiệu tiếp nhận Bộ phận tiếp nhận này bao gồm một hay nhiều dãy đầu thu, được cấu tạo bằng các tinh thể nhấp nháy hay các buồng ion hóa, cho phép lượng hóa sự suy giảm của tia X sau khi đi qua cơ thể Độ nhạy của các đầu thu cao hơn rất nhiều so với phim X-quang Hệ thống máy tính sẽ biến đổi

8

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 )

Hình 1.7: Nguyên lý của máy CT có 64 dãy đầu thu tại khoa Chẩn đoán hình ảnh bệnh viện Đại học Y Hà Nội

1.1.3 Ứng dụng của CT

Ứng dụng của CT, đặc biệt CT đa lát cắt là nhiều vô kể, chúng ta có thể khảo sát toàn bộ các hệ thống cơ quan nhờ CT Tuy nhiên vì liên quan đến tia X nên chỉ định cũng cần phải được cân nhắc và tốt nhất nên được tư vấn từ bác sĩ Chẩn đoán Hình ảnh Chúng ta thử điểm qua một vài ứng dụng khá nổi bật của CT khi “quét”

từ đầu đến chân[18]:

- CT sọ não: rất quan trọng trong chấn thương sọ não, hiện nay hầu như chúng ta không còn chụp X quang sọ não trong chấn thương, vì thông tin trên X quang sọ không tương ứng với tổn thương trong não của bệnh nhân X quang sọ bình thường chưa chắc không có khối máu tụ bên trong hộp sọ, ngược lại, khi có đường nứt sọ trên X quang cũng chưa chắc bệnh nhân có tổn thương nội sọ Ngoài ích lợi to lớn trong chấn thương, CT còn giúp chẩn đoán sớm tai biến mạch máu

9

não, thậm chí trong 3 giờ đầu xuất hiện triệu chứng, có thể phân định được ngay lập tức tổn thương nhồi máu não hay xuất huyết não, đánh giá toàn diện tổn thương, nhờ đó các nhà thần kinh học có thể xử trí tình huống kịp thời…

- CT xoang: Vai trò X quang xoang (chụp tư thế Blondeau – Hirtz) ngày càng bị lu mờ và biến mất khi có CT xoang xuất hiện, vì CT cho hình ảnh rõ nét, chính xác, toàn diện hơn về tình trạng các xoang, về các dị tật của hốc mũi, có thể dựng hình đa chiều để các nhà tai mũi họng can thiệp dễ dàng hơn…

- CT tai giữa: Bên cạnh nội soi tai thì CT giúp bác sĩ tai mũi họng đánh giá được tình trạng bên trong ống tai giữa, có viêm nhiễm hay ảnh hưởng mức độ như thế nào với các chuỗi xương con và sào bào chũm lân cận.ảnh hưởng mức độ như thế nào với các chuỗi xương con và sào bào chũm lân cận

- CT răng: với kĩ thuật MSCT và dựng hình cùng in ấn theo tỉ lệ 1:1, các bác

sĩ răng hàm mặt càng lúc càng ứng dụng CT răng để cấy ghép răng dễ dàng và chính xác hơn

- CT ngực: đây là ưu thế lớn nhất của CT khi so sánh với các kĩ thuật khác,

kể cả MRI, vì CT là phương pháp khảo sát hữu hiệu các bệnh lí trong phổi đặc biệt với các tổn thương viêm nhiễm, u phổi, giãn phế quản, bệnh lí mô kẽ, bệnh lí màng phổi… CT ngực còn khảo sát tốt các bệnh lí thuộc trung thất và tim mạch, đặc biệt với CT từ 64 lát cắt trở lên, chúng ta thoát khỏi sự ảnh hưởng của nhịp tim (dưới 64 lát cắt rất khó khảo sát tim mạch do xuất hiện nhiều ảnh giả của nhịp tim) nên ứng dụng trong khảo sát mạch vành là điểm mạnh của kĩ thuật này

- CT bụng: đây cũng là ưu thế rất nổi trội của CT khi góp phần cung cấp nhiều thông tin quan trọng cho lâm sàng đặc biệt trong trường hợp bệnh nhân đau bụng cấp, giúp chẩn đoán hướng tới các nguyên nhân dễ dàng như viêm ruột thừa, viêm tụy cấp, thủng tạng rỗng, tắc ruột, lồng ruột… Ngoài ra CT còn cung cấp nhiều dữ kiện cho các khối u thuộc hệ gan mật , lách tụy, đánh giá tổng quan về tình trạng xơ gan, phân độ tốt cho các u thuộc đường tiêu hóa như ung thư dạ dày, đại trực tràng… Thậm chí bằng những phần mềm chuyên biệt, chúng ta có thể tạo dựng nên một cuộc “nội soi ảo” trên CT

10

- CT hệ niệu: dần dần thay thế các kĩ thuật X quang kinh điển như KUB, UIV bằng CT vì dữ kiện cung cấp nhiều hơn, chính xác hơn… Ưu thế trong chẩn đoán sỏi thận, u hệ niệu, viêm nhiễm và dị tật bẩm sinh hệ niệu…

- CT hệ cơ xương khớp: cùng với X quang và MRI, CT góp phần không nhỏ trong chẩn đoán hệ cơ xương khớp khi các vấn đề liên quan đến xương sẽ luôn được khảo sát tốt hơn so với các kĩ thuật khác

- CT mạch máu: với kĩ thuật angio CT trên các máy đa lát cắt, người ta có thể khảo sát dễ dàng toàn bộ hệ mạch máu trong cơ thể một cách dễ dàng và nhanh chóng…

Trên đây là vài kĩ thuật khá cơ bản và thường qui mà ngày trên các máy CT tại các bệnh viện, nhưng có lẻ ít ai được biết các loại MSCT từ 6 lát trở lên là có thể ứng dụng và tạo nên các hình ảnh 3D “y như thật” như vậy, điều này giúp các nhà hình ảnh học thể hiện dễ dàng hơn những mô tả của mình trong bảng kết quả gửi về các nhà lâm sàng và bệnh nhân

1.1.4 Chuẩn ảnh DICOM[10]

Các ảnh được sinh ra từ các máy sinh ảnh CT, MRI là các ảnh 2D được lưu trữ dưới định dạng DICOM Ngày nay hầu hết các bệnh viện trên thế giới đều áp dụng DICOM vào trong các thiết bị y khoa

Hình 1.8: Các ảnh được lưu dưới dạng DICOM

11

1.1.4.1 Giới thiệu chung

Vào năm 1970, trước sự ra đời của phương pháp chụp ảnh CT (ComputedTomography)[14] cùng với các phương pháp chụp ảnh số dùng trong chẩn đoán y khoa khác, và sự gia tăng nhanh chóng ứng dụng tin học trong các lĩnh vực y khoa lâm sàng, hai tổ chức ACR (American College of Radiology) và NEMA (National Electrical Manufacturers Association) đã nhận ra yêu cầu cần thiết phải

có một phương pháp chuẩn dùng trong truyền tải ảnh và thông tin liên quan đến ảnh

đó giữa các nhà sản xuất thiết bị y khoa, mặc dù những thiết bị đó lại cho ra các định dạng ảnh khác nhau Trong năm 1983, ACR và NEMA thành lập một ủy ban chung để phát triển phương pháp chuẩn này với mục đích:

- Tăng cường khả năng giao tiếp thông tin ảnh số của thiết bị y khoa bất chấp thiết bị đó là của nhà sản xuất nào

- Giúp cho việc phát triển và mở rộng các hệ thống truyền tải và lưu trữ ảnh trở nên dễ dàng hơn, từ đó các hệ thống này sẽ là nơi giao tiếp với các hệ thống thông tin bệnh viện khác

- Cho phép tạo ra thông tin cơ sở chẩn đoán, từ đó nhiều loại thiết bị chẩn bệnh sẽ sử dụng và tra cứu thông tin này Năm 1988, ủy ban này công bố tiếp

"ACR-NEMA Standards Publication" phiên bản 2.0 Tài liệu "ACR-NEMA Standards Publication" đặc tả giao tiếp phần cứng, số lượng tối thiểu các lệnh phần mềm và các định dạng dữ liệu Chuẩn DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) đưa ra nhiều cải tiến qua trọng so với 2 phiên bản của chuẩn ACR-NEMA trước như[10][12]:

- Chuẩn DICOM này áp dụng được trong môi trường mạng vì chúng dùng giao thức mạng chuẩn là TCP/IP Chuẩn ACR-NEMA chỉ có thể áp dụng cho mạng point-to-point Chuẩn DICOM áp dụng cho môi trường lưu trữ off-line, DICOM dùng các thiết bị lưu trữ chuẩn như CD-R, MOD và filesystem luận lý như ISO

9660 và FAT16 Chuẩn ACR-NEMA không đặc tả định dạng file, thiết bị lưu trữ vật lý hay filesystem luận lý

- Chuẩn DICOM đặc tả các thiết bị y khoa cần tuân theo chuẩn DICOM sẽ phải đáp ứng lệnh và dữ liệu như thế nào Chuẩn ACR-NEMA bị giới hạn về truyền

Hướng phát triển hiện thời: chuẩn DICOM luôn phát triển và do Procedures

of the DICOM Standards Committee quản lý Đề nghị nâng cấp trong tương lai của các thành viên trong ủy ban DICOM dựa trên thông tin từ những người đã dung qua chuẩn DICOM Các ý kiến được xem xét để đưa vào phiên bản tiếp theo của DICOM và các thay đổi của DICOM phải đảm bảo tương thích tốt với phiên bản trước

1.1.4.2 Phạm vi và lĩnh vực ứng dụng của DICOM

Chuẩn DICOM gắn liền với thông tin y tế Với lĩnh vực này, nó định ra sự trao đổi thông tin số giữa các thiết bị tạo ảnh và hệ thống mạng thông tin Do các thiết bị tạo ảnh có thể hoạt động tương tác với các thiết bị y tế khác, phạm vi của chuẩn cần thiết phải chồng lên các khu vực khác trong thông tin y tế

Chuẩn tăng cường khả năng hoạt động tương tác của các thiết bị tạo ảnh y tế bằng cách định ra:

- Với việc truyền thông tin qua mạng, chuẩn đưa ra một bộ giao thức được tuân theo bởi các thiết bị thích nghi chuẩn

- Cú pháp và ngữ nghĩa của lệnh và các thông tin liên quan được trao đổi sử dụng các giao thức này

- Với việc truyền tin bằng phương tiện trung gian, chuẩn đưa ra một bộ các dịch vụ lưu trữ trung gian, cũng như định dạng file và cấu trúc thư mục y tế, tạo điều kiện cho việc truy nhập thông tin lưu trữ trên phương tiện trung gian Thông tin được sử dụng trong ứng dụng tuân theo chuẩn

1.1.4.3 Cấu trúc của chuẩn ảnh DIOCM[15]

Các thành phần định dạng của ảnh DICOM

Cấu trúc của DIOCM gồm các thàng phần sau:

13

- Thích nghi: Định nghĩa các nguyên tắc thực thi chuẩn gồm các yêu cầu thích nghi và báo cáo thích nghi CS (Conformation Statement)

- Định nghĩa đối tượng thông tin IOD (Information Object Desfinition)

- Định nghĩa lớp dịch vụ SC (Service Classes)

- Ngữ nghĩa và cấu trúc dữ liệu

- Từ điển dữ liệu

- Trao đổi bản tin

- Hỗ trợ truyền thông mạng cho việc trao đổi bản tin

- Định dạng file và lưu trữ trung gian

- Sơ lược ứng dụng lưu trữ trung gian

- Chức năng lưu trữ và định dạng trung gian cho trao đổi dữ liệu

- Chức năng hiển thị chuẩn mức xám

- Sơ lược an toàn

- Nguồn ánh xạ nội dung

Bảng 1.1: DICOM và mô hình tham chiếu OSI[10]

APPLICATION File Transire, Email, HTTP Upper Layers PRESENTATION Data Formatting, Compression,

SESSION synchronization,Communication, TRANSPORT End to End communication Lower NETWORK Internetworking

Layers DATA LINK LLC, MAC Ethernet, FDDI,

PHYSICAL Fiber, Coax, UTP

Định dạng file DICOM

Gồm 2 thành phần là header và dữ liệu ảnh:

(1) Header:

- Tên và ID của bệnh nhân

- Loại ảnh y khoa (CT, MR, Audio Recording,…)

- Kích thước ảnh, máy sinh ảnh,…

14

Hình 1.9: Định dạng file DICOM

Hình 1.9 chỉ ra rằng: 794 bytes đầu dùng để định dạng Header DICOM, mô

tả kích thước ảnh và các thông tin ảnh Để biết được kích thước ảnh ta dựa vào thông tin của Frames, Rows và Columns trong phần Header Hình 1.21 là ví dụ về một ảnh MRI với số Frames, Rows, Columns tương ứng được chụp: 109 x 91 x 2 =

19838 bytes

Hình 1.10: Thông tin đính kèm file DICOM

(2) Dữ liệu ảnh:

- Ảnh nén (bitmap) hoặc ảnh chưa nén từ (jpeg, gif, …)

- Định nghĩa đối tượng thông tin IOD (Information Object Definition)

- Định nghĩa lớp dịch vụ SC (Service Classes)

15

- Ngữ nghĩa và cấu trúc dữ liệu

- Từ điển dữ liệu

- Trao đổi bản tin

- Hỗ trợ truyền thông mạng cho việc trao đổi bản tin

- Khuôn dạng file và lưu trữ trung gian

- Sơ lược ứng dụng lưu trữ trung gian

- Chức năng lưu trữ và khuôn dạng trung gian cho trao đổi dữ liệu

- Chức năng hiển thị chuẩn mức xám

- Sơ lược an toàn

- Nguồn ánh xạ nội dung

Khuôn dạng file DICOM

Thông tin đầu file (Header): Bao gồm các định danh bộ dữ liệu được đưa vào file Nó bắt đầu bởi 128 byte file Preamble (tất cả được đưa về 00H), sau đó 4 byte

kí tự “DICM”, tiếp theo là các thành phần dữ liệu đầu file Các thành phần dữ liệu đầu file này là bắt buộc đối với mọi file DICOM

Các thành phần dữ liệu này có nhãn dạng (0002,

xxxx), được mã hóa theo cú pháp chuyển đổi VR

ẩn và Little Endian[10]

Bộ dữ liệu: Mỗi file chỉ chứa một bộ dữ liệu

thể hiện một SOP cụ thể và duy nhất liên quan đến

một lớp SOP đơn và IOD tương ứng Một file có

thể chứa nhiều hình ảnh khi các IOD được xác định

mang nhiều khung Cú pháp chuyển đổi được sử

dụng để mã hóa bộ dữ liệu được xác định duy nhất

thông qua UID cú pháp chuyển đổi trong thông tin

đầu file DICOM

Thông tin quản lý file: Khuôn dạng file DICOM không bao gồm thông tin quản lý file để tránh sự trùng lắp với chức năng liên quan ở lớp khuôn dạng trung gian Nếu cần thiết với một sơ lược ứng dụng DICOM cho trước, các thông tin sau

sẽ được đưa ra bởi một lớp khuôn dạng trung gian :

16

- Định danh sở hữu nội dung file

- Thông tin truy cập (ngày giờ tạo)

- Điều khiển truy cập file ứng dụng

- Điều khiển truy cập phương tiện trung gian vật lý (bảo vệ ghi …)

Khuôn dạng file DICOM an toàn: Một file DICOM an toàn là một file DICOM được mã hóa với một cú pháp bản tin mật mã được định nghĩa trong RFC2630 Phụ thuộc vào thuật toán mật mã sử dụng, một file DICOM an toàn có thể có các thuộc tính an toàn sau:

- Bảo mật dữ liệu

- Xác nhận nguồn gốc dữ liệu

- Tính toàn vẹn dữ liệu

Cấu trúc căn bản của file DICOM là Data Set

Hình 1.11: Cấu tạo Data Set

Một File sẽ chứa một Data Set biểu diễn cho một thực thể SOP liên quan tới lớp SOP (tương ứng với IOD) Tập dữ liệu bao gồm một tập hợp các phần tử dữ liệu (Data Element -DE) DE chứa giá trị thuộc tính được mã hoá theo cú pháp chuyển đổi (TrS-Transfer Syntax) Dựa vào TrS ta có thể xác định xem dữ liệu trong file được mã hoá theo kiểu gì

17

Phần tử dữ liệu - Data Element

Một phần tử dữ liệu được xác định duy nhất bởi một thẻ Nó có thể là một trong ba cấu trúc:

Hai trong số đó có trường VR (cho biết giá trị của Data Element được biểu diễn ở dạng dữ liệu nào, độ dài bao nhiêu, cố định hay thay đổi được ) nhưng khác

về cách biểu diễn độ dài, còn một cấu trúc thì không có trường VR Cả ba cấu trúc đều có trường Data Element Tag, value Length, giá trị của Data Element

Thẻ Data Element Tag: bao gồm hai số nguyên không dấu 16 bít biểu diễn Group Number và Element Number Mỗi loại thông tin được đặc trưng bởi thẻ này

Giá trị biểu diễn – VR (Value Representation): một xâu hai ký tự biểu diễn tương ứng theo thẻ VR sẽ được mã hoá bằng cách dùng tập ký tự mặc định của DICOM

Chiều dài giá trị -Value Length: có hai trường hợp

Số nguyên không dấu 16 hoặc 32 bit tuỳ thuộc vào VR được biểu diễn theo kiểu tường minh hay không tường minh, mô tả số byte độ dài của trường Value

Một trường 32 bit được đặt là FFFFFFFFH, chỉ một chiều dài không xác định Giá trị này có thể được sử dụng khi Data Element có trường VR là SQ(Sequence of Item), UN(Unknown) Nó cũng có thể được sử dụng vớI VR là

OB, OW phụ thuộc vào Transfer Syntax

Trường giá trị - Value Field: chứa giá trị của Data Element

Các khái niệm trong DICOM[10][12]

Bảng 1.2: DICOM và mô hình tham chiếu OSI

Data Set Là tập hợp nhiêu Data Element trong một file DICOM

Data Element

Là một đơn vị thông tin trong DICOM file Date Element chứa một thông tin đầy đủ Các field trong Data Element có nhiệm vụ đặc tả đầy đủ một thông tin, đặc tả bao gồm: ý nghĩa, giá trị, chiêu dài của tin và định dạng dữ liệu của tin

18

Tag

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

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

VR

(Value

Representation)

Đây là field tùy chọn, tùy vào giá trị của Transfer Syntax mà VR

có mặt trong Data Element hay không

Giá trị của VR cho biết kiểu dữ liệu và định dạng giá trị của Data Element

Nếu số lượng Value không xác định, VM sẽ có dạng “a-b” với a

số giá trị Value nhỏ nhất và b là số Value lớn nhất có thể có của Data Element

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

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) Kiêu dữ liệu của field này

do VR quy định và độ lớn (tính theo byte) nằm trong Value Length

19

Transfer Syntax

Transfer Syntax là các quy ước định dạng dữ liệu Giá trị của Transfer Syntax cho biết cách dữ liệu được định dạng và mã hóa trong DICOM đồng thời cũng cho biết VR sẽ có tồn tại trong Data Element hay không

Mặc định ban đầu, Transfer Syntax của file DICOM là Explicit

VR Little Endian Transfer Syntax

Information

Object

Definition

(IOD)

IOD đại diện cho một đối tượng chứa thông tin và đối tượng này

có tồn tại trong thế giới thực Thông tin của đối tượng IOD là thông tin của đối tượng trong thế giới thực Có 2 loại IOD:

- Composite IOD: là IOD đại diện cho những phần khác nhau của các đối tượng khác nhau trong thế giới thực

- Normalized IOD: là IOD cho duy nhất một đối tượng trong thế giới thực

đó trong file DICOM

Bảng 1.3: Quy ước trong file DICOM

Little Endian

- Đối với số nhị phân gồm nhiêu 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)

20

Big Endian

- Đối với số nhị phân gồm nhiêu byte thì byte có trọng số lớn nhất (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

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

1.2.1 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 Ngoài các 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 mô hình không phải là một kỹ thuật đồ họa cho đến khi nó được hiển thị Một mô hình có thể được hiển thị trực quan như là một hình ảnh hai chiều thông qua một quá trình gọi là kết 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, tính toán shader…) cũng như sự thay đổi trong cách làm 3D thì giờ đây chúng ta có thể làm được những sản phẩm chất lượng

Phần cứng gồm thiết bị hiển thị và nhập dữ liệu, Phần mềm bao gồm các công cụ lập trình và các chương trình ứng dụng đồ họa Nếu xét theo số chiều được

mô tả trên máy tính ta có đồ họa hai chiều và đồ họa ba chiều Các hàm cơ sở của

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 1.12: Các ứng dụng đồ họa 3 chiều

21

Việc thể hiện các đối tượng 3 chiều trên máy tính là cần thiết vì phần lớn các đối tượng trong thế giới thực là đối tượng 3 chiều còn thiết bị hiển thị chỉ hiển thị ảnh 2 chiều Do vậy muốn có hình ảnh 3 chiều ta cần phải giả lập Biểu diễn đối tượng 3 chiều bằng máy tính phải tuân theo quy luật về phối cảnh, sáng, tối giúp người xem nhìn thấy hình ảnh gần đúng nhất[1][8]

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 Bề mặt đối tượng có thể được xây dựng bởi nhiều tổ hợp khác nhau của mặt phẳng và mặt cong, đôi khi chúng ta còn mô tả một số thông tin bên trong đối tượng Khi biểu diễn đối tượng 3 chiều bằng máy tính ta cần quan tâm các vấn

đề sau:

1.2.1.1 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 giới hạn 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 bên trong đối tượng

1.2.1.3 Vấn đề chiếu sáng

Tác dụng của việc chiếu sáng là làm cho các đối tượng hiển thị trong máy tính giống với vật thể trong thế giới thực Để thực hiện công việc này cần phải có các mô hình tạo sáng

sẽ áp dụng mô hình cường độ không đổi (flat shading) hoặc cường độ nội suy (Gouraud shading, Phong shading) để tạo bóng

1.2.2 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

sử dụng 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 phần lớn trong quảng cáo và kiến trúc

1.2.2.1 Ứng dụng đồ họa 3 chiều trong chẩn đoán, khám chữa bệnh

Ngày nay, CT được ứng 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 các mạch máu tạng khác CT còn được dùng để hướng dẫn phẫu thuật, xạ trị, theo dõi sau phẫu thuật Kỹ thuật 3D-CT cho phép đánh giá chính xác vị trí tổn thương trong không gian 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 tạo hình chỉnh sửa tốt hơn các

dị tật bẩm sinh Nhiều bác sĩ cũng tận dụng công nghệ mới này 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

23

- Thời gian chụp nhanh, cần thiết trong khảo sát, đánh giá các bệnh cấp cứu

và khảo 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

lý xương

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

Hiện nay có rất nhiều dự án tập trung vào việc xây dựng các mô hình mô phỏng các cơ quan bộ phận của con người Đồng thời mô phỏng những sự thay đổi

cơ bản khi có sự tương tác, thay đổi, hay sự biến đổi của các bộ phận khi con người

có sự hoạt động Từ đó mà việc xây dựng các mô hình cho phép thực hiện các ca phẫu thuật giả, xây dựng các mô hình cho phép chuẩn đoán bệnh cũng như việc phẫu thuật trên người bệnh được chính xác, an toàn

1.2.2.2 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 thật vào 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 Tính toán tải trọng kết cấu chính xác nhất, đưa ra giải pháp tiết kiệm vật tư và chi phí nhằm nâng cao năng lực cạnh tranh

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

1.2.2.3 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 thế giới 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 cho hình ảnh sắc nét giúp người chơi bao quát được toàn bộ góc nhìn với chất lượng hình ảnh tốt nhất và không bị gián đoạn

24

1.2.2.4 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 học sinh, 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 học không gian, địa lý vũ trụ, mô hình sinh học hoặc các khái niệm khó tưởng tượng ra trong thế giới hai chiều

1.2.2.5 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 học như Giáo dục quốc phòng, quân sự Người học có thể quan sát chi tiết các hoạt động của các bộ phận cơ khí,quy trình hoạt động và tương tác, những hiện tượng xảy ra trong các hoạt động của vũ khí Công nghệ mô phỏng 3 chiều mô tả chi tiết

cụ thể hiện tượng bắn, 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 để làm được điều đó ta phải nắm được quy trình hiển thị ảnh 3 chiều

1.2.3 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 các thiết bị chẩn đoán hình ảnh có ý nghĩa quan trọng trong hỗ trợ chẩn đoán và điều trị cho bệnh nhân Số lượng những lát cắt sử dụng để tái cấu trúc mô hình 3D càng nhiều, lát cắt mỏng thì mô hình càng mịn và giống với thực tế, giúp cho việc hiển thị hình ảnh chân thực nhất Trong khi đó trên thực tế, các thiết bị chẩn đoán hình ảnh tại nhiều bệnh viện chưa đáp ứng được số lượng lát cắt và độ mỏng cần thiết, do đó việc sử dụng kĩ thuật tái cấu 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 đối tượng 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

25

điểm ảnh nằm 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 Đại học Y Hà Nội sau hơn 10 năm xây dựng và phát triển, hàng ngày khám cho gần 500 lượt bệnh nhân, điều trị cho gần 300 bệnh nhân điều trị nội trú Việc nâng cao trình độ chuyên môn của tập thể y bác sĩ được Ban lãnh đạo bệnh viện luôn chú trọng, quan tâm Song song với đó là sự đầu tư trang thiết bị

y tế hiện đại, ứng dụng hiệu quả tiến bộ khoa học kỹ thuật vào nhiệm vụ chuyên môn và những công nghệ mới vào trong công tác khám chữa bệnh Bệnh viện đã trở thành địa chỉ tin cậy trong việc chăm sóc, bảo vệ sức khỏe nhân dân Việc tái cấu trúc mô hình 3D từ ảnh cắt lớp vi tính tại Bệnh viện sẽ nâng cao công tác chẩn đoán

và điều trị, giúp cho các bác sĩ có thể nhìn được hình ảnh 3 chiều của đối tượng rõ nét ngay lập tức Trên không gian 3 chiều, các bác sĩ còn có thể quan sát được 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

1.3 Kết luận Chương 1

Chương này đã trình bày khái quát về ảnh y tế (cấu trúc ảnh DICOM), giới thiệu hệ thống máy chụp cắt lớp và mô hình 3D ứng dụng trong trong chẩn đoán, khám chữa bệnh tại bệnh viện Đại học Y Hà Nội Giới thiệu tiêu chuẩn ảnh Dicom

sử dụng trong ngành y tế và bài toán tái tạo cấu trúc mô hình 3D từ những lát cắt 2D

tạo ra bởi máy chụp cắt lớp

26

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT TÁI TẠO HÌNH 3D TỪ ẢNH CHỤP CẮT LỚP 2.1 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 đối tượng Hiện nay để tạo ra một mô hình 3D có nhiều cách khác nhau, chúng có thể được tạo ra nhờ các phần mềm thiết kế 3D như 3Ds max, maya Adobe After Effects, Adobe Premiere, Adobe Photoshop , Zbrush , Unity, … thông qua các nhà thiết kế 3D, hoặc từ các máy quét 3D (khi đó một đối tượng ngoài thế giới thực sẽ tạo một được một mô hình 3D trên máy tính thông qua máy quét), hoặc được tạo ra bằng một vài cách đặc thù nào đó Ví dụ như được tạo ra từ tập ảnh cắt lớp như trong luận văn đang trình bày Để có thể tạo ra một mô hình 3D đầu tiên chúng ta phải hiểu về cấu trúc của một mô hình 3D Theo những tài liệu tôi tìm hiểu được, một mô hình gồm có 3 thành phần cơ bản là tập các đỉnh, tập các mặt và tập UV Trong đó, tập UV thường kết hợp với một ảnh chất liệu bên ngoài để tạo ra hình ảnh của mô hình với bề mặt giống với thực tế

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 phần

Trong mô hình 3D, tập đỉnh là tập các vector 3 chiều mà mỗi vector là một điểm trong không gian 3 chiều Tâp đỉnh này sẽ quy định hình dạng 3D của đối tượng, tiếp đó chúng ta cần tập các mặt để kết nối các đỉnh với nhau từ đó tạo ra bề